Геохимический цикл углерода

Схема геохимического цикла углерода показывает количество углерода в атмосфере, гидросфере и геосфере Земли, а также годовой перенос углерода между ними. Все величины в гигатоннах (миллиардах тонн). В результате сжигания ископаемого топлива человечество ежегодно добавляет 5,5 гигатонн углерода в атмосферу

Геохимический (биогеохимический) цикл углерода — это комплекс процессов, в ходе которых происходит перенос углерода между различными геохимическими резервуарами. В истории Земли углеродный цикл менялся весьма значительно, эти изменения были как медленными постепенными изменениями, так и резкими катастрофическими событиями. Важнейшую роль в круговороте углерода играли и играют живые организмы. В различных формах углерод присутствует во всех оболочках Земли.

Геохимический цикл углерода имеет несколько важных особенностей:

• В разное время разные процессы были определяющими в углеродном цикле.
• Резкие, катастрофические изменения цикла углерода играли ключевую роль в эволюции углеродного цикла в истории Земли.
• Геохимический цикл углерода всегда происходит через атмосферу и гидросферу. Тем самым, даже самые глубинные процессы могут влиять на окружающую среду и биосферу.

Геохимическая запись углеродного цикла изучена неравномерно по геологической шкале времён. Наиболее полно в этом отношении изучен четвертичный период, самый недавний и кратчайший геологический период, так как, с одной стороны, история углеродного цикла в нём наиболее полно зафиксирована ледниками Арктики и Антарктики. С другой стороны, в это время происходили значительные изменения углеродного цикла, и они неразрывно связаны с климатическими изменениями.

При изучении изменений в геохимических циклах элементов необходимо учитывать временной масштаб явлений. Одни процессы могут привносить малозаметные изменения, которые на длительных геологических промежутках времени становятся решающими. Иные изменения могут носить катастрофический характер, и происходить за очень короткие времена. При этом понятие времени характеристики «долго» и «медленно» в этом контексте относительны. Примером мгновенного в геологической шкале времени события в геохимическом цикле углерода является позднепалеоценовый термальный максимум.

История открытия геохимического цикла углерода

Открытие геохимического цикла связано с именем французского химика Жана-Батисты Дюма. В 1841 году он описал цикл потребления и производства углекислого газа в процессе дыхания, отмечая производство углекислого газа в почве в процессе разложения органики. Французский химик считал, что в начальной атмосфере дожны были присутствовать азот и углекислый газ, чтобы их могли потреблять живые организмы. В 1975 году анализу геохимического цикла углерода в ряду геохимических циклов других элементов посвящен раздел работы по истории Земли, написанной профессором Университета Бонна Карлом Фридрихом Мором. Роль диоксида углерода, наряду с испарением воды, в нагреве атмосферы была показана Сванте Августом Аррениусом.

Формы углерода

Углерод присутствует в природе в нескольких основных формах:

• восстановленная форма в виде метана и других углеводородов содержится в мантии, коре, атмо- и гидросфере
• в нейтральном состоянии в виде угля, графита, алмаза и карбида в коре и мантии
• в окисленной форме в виде углекислого газа, карбонатов и примеси в силикатах в мантии, коре и атмо- и гидросфере
• в виде сложных органических соединений углерод сосредоточен в биосфере, почве, и океане.

Перенос углерода между различными геохимическими резервуарами осуществляется через атмосферу и мировой океан. При этом углерод в атмосфере находится в виде углекислого газа и метана.

Углерод в атмосфере

В атмосфере углерод содержится в виде углекислого газа (СО₂), угарного газа (СО), метана (СH₄) и некоторых других углеводородов. Содержание СО₂ сейчас составляет ~0,04 % (увеличилось на 31 %, по сравнению с доиндустриальной эпохой), метана ~1,7 ppm (увеличился на 149 %), на два порядка меньше, чем СО₂; содержание СО ~0,1 ppm. Метан и углекислый газ создают парниковый эффект, угарный газ такого влияния не оказывает.

Для атмосферных газов применяется понятие время жизни газа в атмосфере, это время, за которое в атмосферу поступает столько же газа, сколько его содержится в атмосфере. Время жизни метана оценивается в 10-14 лет, а время жизни углекислого газа — в 3-5 лет. СО окисляется до СО₂ за несколько месяцев.

Метан поступает в атмосферу в результате анаэробного разложения растительных остатков. Основными источниками поступления метана в современную атмосферу являются болота и тропические леса.

Современная атмосфера содержит большое количество кислорода, и метан в ней быстро окисляется. Таким образом, сейчас доминирующим циклом является кругооборот CO₂, однако в ранней истории Земли ситуация была принципиально иной и метановый цикл доминировал, а углекислотный имел подчинённое значение. Углекислый газ атмосферы является источником углерода для других приповерхностных геосфер.

Углерод в океане

Океан является исключительно важным резервуаром углерода. Общее количество элемента в нём в 100 раз больше чем содержится в атмосфере. Океан через поверхность может обмениваться углекислым газом с атмосферой, а также, посредством осаждения и растворения карбонатов, с осадочным чехлом Земли. Карбонатная горная порода, включая известняк, состоит главным образом из известкового шпата CaCO₃ и доломитовой породы (CaMg(CO₃)₂). Более поздние незатвердевшие карбонатные осадочные породы в ложе океана состоят из больших объемов скелетных остатков морских организмов. Неорганический оксидезированный углерод в карбонатах составляет 84% осадочных углеродных масс. Остальные 16% - захороненная органика. Растворенный в океане углерод существует в трех основных формах:

• неорганический углерод
  • растворённый CO₂
  • HCO₃⁻
  • CO₃²⁻
• органический углерод, сосредоточенный в океанических организмах

Гидросферу можно разделить на три геохимических резервуара: приповерхностный слой, глубокие воды и слой реактивных морских осадков, способных к обмену углекислотой с водой. Эти резервуары различаются по времени отклика на внешние изменения углеродного цикла.

Углерод в земной коре

Содержание углерода в земной коре составляет порядка 0,27 %. С началом индустриальной эпохи человечество стало использовать углерод из этого резервуара и переводить его в атмосферу. Ещё академик Вернадский сравнивал этот процесс с мощной геологической силой, подобной эрозии или вулканизму.

Резервуары углерода

Рассмотрение углеродного цикла имеет смысл начать с оценок количества углерода, сосредоточенного в различных земных резервуарах. При этом мы будем рассматривать состояние системы на 1850 год, до начала индустриальной эры, когда начались массовые выбросы в атмосферу продуктов сжигания ископаемого топлива.

В атмосфере находится немного углерода по сравнению с океаном и земной корой, но углекислый газ атмосферы очень активен, он является строительным материалом для земной биосферы.

Метан не стабилен в современной окислительной атмосфере, в верхних слоях атмосферы при участии гидроксил-ионов он реагирует с кислородом, образуя всё тот же углекислый газ и воду. Основными производителями метана являются анаэробные бактерии, перерабатывающие образовавшуюся в результате фотосинтеза органику. Большая часть метана поступает в атмосферу из болот.

Для газов атмосферы введено понятие времени жизни, это то время, за которое в атмосферу поступает масса газа, равная массе этого газа в атмосфере. Для СО₂ время жизни оценивается в 5 лет. Как это ни странно, но время жизни неустойчивого в атмосфере метана значительно больше — порядка 15 лет. Дело в том, что атмосферный углекислый газ участвует в исключительно активном кругообороте с наземной биосферой и мировым океаном, в то время как метан в атмосфере только разлагается.

Приблизительные оценки количества углерода в различных геологических резервуарах

Резервуар	количество углерода в гигатоннах С
атмосфера	590
океан	(3,71—3,9)⋅104
поверхностный слой, неорганический углерод	700—900
глубокие воды, неорганический углерод	35 600—38 000
весь биологический углерод океанов	685—700
пресноводная биота	1—3
наземная биота и почва	2000—2300
растения	500—600
почвы	1500—1700
морские осадки, способные к обмену углеродом с океанической водой	3000
неорганические, главным образом карбонатные осадки	2500
органические осадки	650
кора	(7,78—9,0)⋅107
осадочные карбонаты	6,53⋅107
органический углерод	1,25⋅107
мантия	3,24⋅108
ископаемое топливо	~4130
нефть	636—842
природный газ	483—564
уголь	3100—4270

Потоки углерода между резервуарами

Различают быстрый и медленный углеродный цикл. Медленный поток углеродного цикла связан с захоронением углерода в горных породах и может продолжаться сотни миллионов лет. Около 80% углеродосодержащих горных пород образовались в Мировом океане из отложений частей организмов, содержащих карбонат кальция.

потоки между резервуарами

Потоки медленного цикла	гигатонн в год
захоронение карбонатов	0,13-0,38 (0,7-1,4)
захоронение органического углерода	0,05-0,13
Речной снос в океаны, растворённый неорганический углерод	0,39-0,44
Речной снос в океаны, весь органический углерод	0,30-0,41
Вынос реками растворённого органического углерода	0,21-0,22
Вынос реками органического углерода в виде частиц	0,17-0,30
Вулканизм	0,04-0,10
вынос из мантии	0,022-0,07

Продолжительность быстрого углеродного цикла определяется продолжительностью жизни организма. Он представляет собой обмен углеродом непосредственно между биосферой (живыми организмами при дыхании, питании и выделениях, а также мёртвыми организмами при разложении) и атмосферой и гидросферой.

потоки между резервуарами

Потоки быстрого цикла	гигатонн в год
атмосферный фотосинтез	120+3
дыхание растений	60
дыхание микроорганизмов и разложение	60
антропогенная эмиссия	3
обмен с океаном	90+2

(цифры после знака "+" указывают антропогенное влияние.)

Изменения углеродного цикла

Докембрийская история

На самых ранних этапах развития земли атмосфера была восстановительной, и содержание метана и углекислого газа было значительно выше, чем сейчас. Эти газы обладают значительным парниковым эффектом, и этим объясняют Парадокс слабого молодого Солнца, который заключается в расхождении оценок древней светимости солнца, и наличие воды на поверхности планеты.

В протерозое произошло кардинальное изменение углеродного цикла: от круговорота метана — к углекислотному циклу. Фотосинтезирующие бактерии начали производить кислород, который первоначально расходовался на окисление атмосферных углеводородов, железа, растворённого в океанах, и других восстановленных фаз. Когда эти ресурсы были исчерпаны, содержание кислорода в атмосфере стало увеличиваться. При этом содержание парниковых газов в атмосфере уменьшилось и началась протерозойская ледниковая эра.

Протерозойская ледниковая эра, произошедшая на границе протерозоя и венда, была одним из сильнейших оледенений в истории Земли. Палеомагнитные данные свидетельствуют, что в то время большая часть континентальных блоков коры были расположены в экваториальных широтах и почти на всех них установлены следы оледенения. В протерозойской ледниковой эпохе было несколько оледенений, и все они сопровождались значительными изменениями изотопного состава углерода осадочных пород. С началом оледенения углерод отложений приобретает резко облегчённый состав, считается, что причина этого изменения в массовом вымирании морских организмов, которые избирательно поглощали легкий изотоп углерода. В межледниковые периоды происходило обратное изменение изотопного состава из-за бурного развития жизни, которая накапливала значительную часть лёгкого изотопа углерода и увеличивала отношение ¹³C/¹²C в морской воде.

В случае протерозойского оледенения предполагается, что причиной отступления ледников (вообще говоря, оледенение устойчиво, и без дополнительных факторов может существовать неограниченно долго) могли быть вулканические эмиссии парниковых газов в атмосферу.

Фанерозой

Оценки содержания диоксида углерода в атмосфере в фанерозое и расчеты по различным геохимическим моделям

В фанерозое атмосфера содержала значительное количество кислорода и имела окислительный характер. Преобладающим был углекислотный цикл кругооборота углерода.

Прямые данные о дочетвертичных концентрациях углерода в атмосфере и океане отсутствуют. Историю углеродного цикла в это время можно проследить по изотопному составу углерода в осадочных породах и их относительной распространённости. Из этих данных следует, что в фанерозое углеродный цикл испытывал долгопериодические изменения, которые коррелирут с эпохами горообразования. Во время активации тектонических движений отложение карбонатных пород усиливается и его изотопный состав становится более тяжёлым, что соответствует увеличению сноса углерода из корового источника, содержащего в основном утяжелённый углерод. Поэтому считается, что основные изменения углеродного цикла происходили из-за усиления эрозии континентов в результате горообразования.

Четвертичный период

История изменения содержания СО₂ и СН₄ в атмосфере в четвертичном периоде известна относительно хорошо из изучения покровных ледников Гренландии и Антарктиды (в ледниках зафиксирована история примерно до 800 тыс. лет), лучше, чем для какого-либо периода истории Земли. Четвертичный период (последние 2,6 млн лет) отличается от других геологических периодов циклическими эпохами оледенений и межледниковий. Эти изменения климата чётко коррелированны с изменениями углеродного цикла. Однако даже в этом наиболее изученном случае нет полной ясности в причинах циклических изменений и связи геохимических изменений с климатическими.

Четвертичный период ознаменовался многократными следовавшими друг за другом оледенениями. Атмосферное содержание СО₂ и СН₄ менялось согласованно с вариациями температуры и между собой. При этом из этой палеоклиматической записи следуют следующие наблюдения:

1. Все ледниково-межледниковые циклы последнего миллиона лет имеют периодичность около 100 тыс. лет, в интервале времени 1—2,6 млн лет назад характерна периодичность около 41 тыс. лет.
2. Каждый ледниковый период сопровождается понижением атмосферной концентрации СО₂ и СН₄ (характерные содержания 200 ppm и 400 ppb соответственно)
3. Межледниковые периоды начинаются резким, в геологическом масштабе мгновенным, увеличением концентраций СО₂ и СН₄.
4. Во время межледниковых периодов между северным и южным полушарием существует градиент концентраций СН₄. Составы воздуха, полученные из ледников Гренландии, систематически больше антарктических на 40—50 ppb. Во время ледниковых эпох концентрация метана в обоих полушариях падает и выравнивается.
5. Во время ледниковых периодов уменьшается содержание лёгкого изотопа углерода.

Некоторые из этих фактов могут быть объяснены современной наукой, но вопрос причинно-следственных связей, несомненно, пока не имеет ответа.

Развитие оледенения приводит к уменьшению площади и массы наземной биосферы. Так как все растения избирательно поглощают из атмосферы лёгкий изотоп углерода, то при наступлении ледников весь этот облегчённый углерод поступает в атмосферу, а через неё и в океан. Исходя из современной массы наземной биосферы, её среднего изотопного состава и аналогичных данных об океане и атмосфере и зная изменение изотопного состава океана во время ледниковых периодов из останков морских организмов, может быть рассчитано изменение массы наземной биосферы во время ледниковых периодов. Такие оценки были проведены и составили 400 гигатонн по сравнению с современной массой. Таким образом было объяснено изменение изотопного состава углерода.

Все четвертичные оледенения больше развивались в северном полушарии, где есть большие континентальные просторы. В южном полушарии преобладают океаны и там почти полностью отсутствуют обширные болота — источники метана. Болота сосредоточены в тропическом поясе и северном бореальном поясе.

Развитие оледенения приводит к уменьшению северных болот — одного из основных источников метана (и в то же время поглотителей СО₂). Поэтому во время межледниковых периодов, когда площадь болот максимальна в Северном полушарии, концентрация метана больше. Этим объясняется наличие градиента концентраций метана между полушариями в межледниковые периоды.

Антропогенное влияние на углеродный цикл

Деятельность людей привнесла новые изменения в цикл углерода. С началом индустриальной эры люди стали всё в возрастающем количестве сжигать ископаемое топливо: уголь, нефть и газ, накопленные за миллионы лет существования Земли. Человечество привнесло значительные изменения в землепользовании: вырубило леса, осушило болота, и затопило прежде сухие земли. Но вся история планеты состоит из грандиозных событий, поэтому, говоря об изменении углеродного цикла человеком необходимо соразмерять масштабы и продолжительность этого воздействия с событиями в прошлом.

Углекислый газ — самый важный антропогенный парниковый газ, его концентрация в атмосфере значительно превысила её естественный диапазон за последние 650 тысяч лет.

С 1850 года концентрация СО₂ в атмосфере увеличилась на 31 %, а метана на 149 %, что рядом исследователей связывается с антропогенным влиянием, причём по данным МГЭИК ООН, до трети общих антропогенных выбросов CO₂ являются результатом обезлесения.

Ряд работ указывает на рост содержания парниковых газов в связи с окончанием малого ледникового периода 16 века, последующим потеплением и высвобождением связанных запасов парниковых газов. При этом за счёт нагрева океана с одной стороны выделяется растворённый СО₂, а с другой стороны тают и разрушаются клатраты метана, что приводит к его выделению в океан и атмосферу.

См. также

• Углекислый газ в атмосфере Земли
• Поздне-палеоценовый термальный максимум
• Климат
• Изотопы углерода
• Стохастический резонанс
• Глобальное потепление

Литература

• Одум Ю. Экология: В 2-х т. / пер. с англ. — М.:. Мир, 1986. — Т. 1. — С. 225—229.
• Шилов И. А. Экология. — М.: Высшая школа, 1997. — С. 49—50.
• Круговорот веществ // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
• Энциклопедия живой природы. / Гл. редактор: акад. Чубарьян А. О.. — М.: Экслибрис, 2006. — Т. 5. — С. 10. — 160 с.
• Роберт Хейзен. Симфония №6 Углерод и эволюция почти всего = Robert M. Hazen. Symphony in C: Carbon and the Evolution of (Almost) Everything / Анастасия Науменко. — М.: Альпина нон-фикшн, 2021. — 410 p. — ISBN 978-5-00139-283-5.

Ссылки

• Цикл углерода // Энциклопедия «Кругосвет».
• Круговорот углерода в природе (неопр.).