01 июля 2009 года

Понимание углеродного цикла

Круговорот углерода между Землей, атмосферой и океанами влияет на климат нашей планеты

Вашингтон. Углерод – четвертый по распространенности во Вселенной химический элемент, без которого невозможна жизнь на Земле.

Углерод перемещается по всей планете – между атмосферой, океанами, осадочной породой, почвой, растениями и животными. Этот процесс ученые называют углеродным циклом или круговоротом углерода.

Понимание того, как происходит углеродный цикл, имеет решающее значение для прогнозирования климата Земли в будущем.

“Для предсказания поведения земной климатической системы в будущем мы должны понять функционирование системы углерода и прогнозировать эволюцию атмосферного углекислого газа, - указали ученые Хорхе Сармьенто, Стив Вуфси и их коллеги в подготовленном в 1999 году докладе “Научный план изучения углеродного цикла в США”.

В чистом виде углерод существует в форме алмаза и графита, используемого в карандашах. В соединениях с кислородом, водородом и другими элементами углерод образует важнейшие вещества: сахар и жиры, которые обеспечивают энергией растения и животные; нефтепродукты, уголь и природный газ, используемые человеком в качестве источников энергии; а также углекислый газ и метан – атмосферные газы, улавливающие солнечное тепло и нагревающие Землю.

Растения, водоросли и некоторые бактерии используют углекислый газ из атмосферы и океанов, преобразовывая его в сахар (соединения атомов углерода с другими атомами углерода, а также атомами водорода и кислорода). Этот процесс называется фотосинтезом. Животные употребляют в пищу сахар, который является источником энергии, и выделяют углекислый газ (один атом углерода, соединенный с двумя атомами кислорода) в процессе дыхания.

Животные и растения умирают и предаются земле, но их соединения углерода остаются в целости, являясь источником энергии для микробов, питающихся их останками и производящими углекислый газ и метан (один атом углерода и четыре атома водорода), которые частично остаются в почве, а частично выбрасываются в атмосферу.

Иногда останки растений и животных лежат глубоко в земле или опускаются на дно океана, где они защищены от микробов. За сотни миллионов лет останки животных вжимаются глубже и глубже в землю. Ткани и кости разрушаются, но углерод остается, образовывая соединения, называемые углеводородами, представляющие из себя длинные цепочки атомов углерода, связанных друг с другом и с атомами водорода. Углеводороды являются основным компонентом каменного угля и нефти – ископаемого топлива.

Человек использует ископаемые виды топлива для производства тепла и электроэнергии, и при этом углеводороды в ископаемом топливе преобразуются в углекислый газ и выбрасываются в атмосферу. Атмосферный углерод растворяется в океане или усваивается растениями, и цикл продолжается.

Каменная порода земной коры, состоящая из углерода, формировалась на протяжении миллионов лет, в течение которых углерод связывался с минералами. Углекислый газ, растворяемый в океане, образует бикарбонат, который, соединяясь с кальцием, образует известняк.

В результате воздействия атмосферных условий и эрозии углеродные соединения вымываются из породы земной коры в океан. Углерод также затягивается под земную кору в ходе процесса субдукции, а вулканы, горячие источники и гейзеры выбрасывают углекислый газ и метан обратно в атмосферу.

Геологические компоненты углеродного цикла – воздействие атмосферных условий, эрозия, субдукция, образование ископаемого топлива – происходят в течение миллионов лет. Биологические же компоненты углеродного цикла – фотосинтез, дыхание, разложение микробов – могут длиться от суток до тысячелетий.

В среднем, количество углерода, проходящее каждый год через биологические компоненты, в 1000 раз больше количества углерода, ежегодно проходящего через геологические компоненты.

ГЛОБАЛЬНЫЙ БЮДЖЕТ УГЛЕРОДА

Проблема сейчас заключается в том, что углеродный цикл носит односторонний характер. В течение сотен миллионов лет углерод откладывался в глубине земли и на дне океана, но за последнее столетие люди высвободили большую часть этого углерода в атмосферу.

Кристин Гудейл, специалист по экологии леса в Корнеллском университете в штате Нью-Йорк, характеризует этот процесс как “перевод надежно хранившегося углерода в гораздо более активную форму в результате выброса в атмосферу”.

Человек также уничтожает леса, высвобождая в атмосферу дополнительное количество двуокиси углерода, и уменьшает количество растений, которые усваивают углекислый газ из атмосферы.

Атмосфера переполнена углеродом, в основном в форме углекислого газа. Некоторое его количество поглощается океанами, растениями и почвой, хотя этот процесс не до конца изучен.

Углерод, который остается в атмосфере, поглощает тепло, предотвращая его излучение в космическое пространство. Без этого улавливаемого тепла Земля была бы непригодна для жизни. Однако увеличение тепла может привести к изменению климата, и тогда планета станет менее пригодной для жизни. То же самое относится и к океанам, где повышение концентрации углерода изменяет химический состав морской воды, в результате чего океан становится менее пригодным для жизни, а морские животные и растения вымирают.

Атмосферный углерод одновременно полезен и вреден, так же, как вода: она необходима человеку для жизни, но избыток воды может его погубить.

По данным опубликованного в 2007 году доклада Межправительственной группы экспертов по изменению климата ?рганизации Объединенных Наций, “около 50 процентов прироста концентрации двуокиси углерода будет удалено из атмосферы в течение 30 лет, а еще 30 процентов будет удалено в течение нескольких столетий. Оставшиеся 20 процентов, возможно, останутся в атмосфере на многие тысячи лет”.

Земля и ее атмосфера являются закрытой системой, где углерод не создается и не уничтожается. Общее количество углерода не меняется – углерод может перемещаться из одного места в другое, из атмосферы в океан, из почвы в осадочную породу, но его общее количество остается неизменным. Например, атмосферный углерод не может улетучиться в космическое пространство. Он переместится в какое-нибудь место на Земле: будет усвоен растениями или поглощен океаном.