А.Е. Аствацатуров
Инженерная экология Учеб. пособие. – Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ. 2006
Глава 2. Краткие сведения об экологии
2.3. Биогеохимические циклы
2.3.3. Круговорот углерода
Сложная система круговорота воды
в гидросфере создала глобальный планетарный механизм непрерывного перемещения
веществ за счет эрозии от наивысших уровней ландшафтов к уровню моря и далее в
океан и другие водоемы. В этом разнородном процессе круговорота воды участвуют
не только горные породы и органические элементы, но и различные растворенные и
газообразные вещества, в том числе и углерод в форме углекислого газа (СО2).
Пожалуй, круговороты двуокиси
углерода (СО2) и воды представляют собой самые важные для
человечества глобальные биогеохимические процессы циркуляции веществ. Сейчас во
всех системах экологического мониторинга развитых стран создана сеть
измерительных станций для определения существенных изменений в круговоротах СО2
и N2О, от которых во многом зависит будущее
Земной цивилизации. Важнейшей задачей специалистов нашего времени является
решение проблемы полного контроля всех основных путей движения воды и СО2
в круговороте.
В процессе биохимического
круговорота в доиндустриальный период в воде происходило поглощение СО2
первичными живыми организмами (бактериями, цианобактериями, сине-зелеными
водорослями), в которых благодаря солнечной энергии обеспечивалась реакция соединения
углекислого газа и воды с выделением кислорода: СО2+Н2О=СН2О+О2.
За последние сто лет содержание
СО2 постоянно увеличивается за счет антропогенных загрязнений среды,
связанных с развитием сельского хозяйства, промышленности, интенсивного
сжигания горючих ископаемых, сведения лесов и т.д.
(рис.2.5 - новые антропогенные, связанные с деятельностью человека,
поступления показаны штриховой линией).
Рис.2.5. Круговорот
двуокиси углерода (CO2)
Постоянно возрастающее
потребление горючих ископаемых, с одной стороны, и уменьшение поглотительной
способности - с другой, ведет к постепенному возрастанию содержания СО2
в атмосфере. Динамика увеличения содержания СО2 свидетельствует о
возможных изменениях климата Земли.
Примерно в 1800 г. в атмосфере
планеты содержалось около 290 частей СО2 на миллион (0,29%); после
точных измерений, проведенных в 1958г, содержание СО2 составило 315,
а в 1980 - 335 частей на миллион. В случае увеличения вдвое содержания СО2
по сравнению с доиндустриальным уровнем можно ожидать потепление климата Земли,
температура в среднем повысится на 1,5-4,50С, и это, наряду с подъемом
уровня моря (в прошлом веке он поднялся примерно на 12 см) и изменением
распределения осадков, может погубить сельское хозяйство.
В круговороте необходимых для
сохранения жизни элементов и неорганических соединений СО2
отличается летучестью и хорошей растворимостью. Благодаря этим качествам даже
небольшая концентрация углерода в атмосфере не лимитирует развитие жизни. Но
есть лимитирующие жизнь элементы: фосфор, азот, калий - на суше, а в воде, дополнительно,
и кремний. Поэтому круговорот воды в биогеохимическом цикле, содержащем важные
для жизни элементы, лимитирует развитие жизни. В случае резкого снижения
оборотов указанных элементов в воде (или замедление этого процесса) по тем или
иным причинам наступает биологическая катастрофа, влекущая за собой гибель
огромного количества живых организмов от фитопланктона до крупных морских рыб,
животных и птиц.
Помимо СО2, в
атмосфере присутствует еще два углеродных соединения: окись углерода СО - около
0,1 части на миллион и метан CH4 - 1,6 части
на миллион. Оба эти вещества, СО и СН4, образуются при неполном
разложении органических веществ, а в атмосфере оба окисляются до СО2.
Накопление смертельного яда СО2 для человека в атмосфере городов с
интенсивным автомобильным движением становится все более угрожающим. Опасная
для здоровья человека концентрация СО2, до 100 частей на миллион,
становится частой в районах с большим движением автотранспорта.
Невредно напомнить, что
курильщик, потребляющий пачку сигарет в день, получает до 400 частей на
миллион, вследствие чего содержание оксигемоглобина в его крови уменьшается на
3%, а это приводит к болезням, связанным с нехваткой кислорода: анемии и
тяжелым заболеваниям сердечно-сосудистой системы.
Углекислый газ СО2
обладает свойствами летучести и легкой растворимости, особенно в морской воде.
Эти качества позволили СО2 так же, как и воде, иметь свой круговорот
непосредственно между атмосферой и гидросферой. В таком глобальном круговороте
СО2 атмосферная часть его незначительна в сравнении с количеством
углерода, содержащегося в океанах, в ископаемом топливе и других хранилищах
природы. По причине антропогенных выбросов (сжигание горючих ископаемых,
поступление от сельского хозяйства и сведения лесов) в текущем столетии содержание
СО2 постоянно растет.
Существует много различных мнений
о причинах обогащения атмосферы углекислым газом. Сюда входят процессы фиксации
СО2 сельскохозяйственными культурами, которые не возмещают
количество высвобожденного углекислого газа, и сжигание горючих и другие явления
антропогенного характера. Но с тем, что леса - важные накопители углерода, ибо
в биомассе "зеленых легких" планеты содержится в 1,5 раза, а в гумусе
в 4 раза больше углерода, согласны все. Полагают, что более 2 млрд. лет назад,
когда на Земле появилась жизнь, в атмосфере было много СО2 и очень
мало О2. За геологическое время в атмосфере постепенно увеличилось
содержание кислорода и уменьшилось количество СО2 , чему
способствовали геологические и химические процессы.
Вечная космическая
"солнечная энергия" непрерывно и бесконечно перекачивает воду из
Мирового океана. В этом удивительно отлаженном природой процессе - круговороте
воды в гидросфере - активным участником становится жизнь. В свою очередь, жизнь
в биосфере, используя воду океана и солнечную энергию, создала свой круговорот:
Великий цикл, включающий в себя построение и развитие живого органического
вещества, которое в дальнейшем будет разложено на простые составляющие,
участвующие в вечном круговороте.
После того как живые существа погибают, грибы и
микробы разлагают их на простые вещества, в частности воду и углекислый газ.
Так осуществляется круговорот углерода, при котором за несколько лет (6-7 лет)
весь углерод, содержащийся в атмосфере, транспортируется сквозь биосферу. Таким
образом, такое глобальное свойство гидросферы, как ее круговорот, необходимо
для получения в природе углерода и других важных для жизни элементов.
Фундаментальный характер
взаимосвязи живого вещества с геологическими процессами в биосфере (в
соответствии с теорией биологического единства) В.И.Вернадский выразил в
следующей чрезвычайно важной мысли: Земная оболочка, биосфера, обнимающая весь
Земной шар, имеет резко обособленные размеры, в значительной мере они обуславливаются
существованием в ней живого вещества - она им населена. Между ее косной
"безжизненной" частью и живым веществом, ее населяющим, идет
непрерывный материальный и энергетический обмен, материально выражающийся в
движении атомов, вызванном живым веществом. Этот обмен в ходе времени
выражается закономерно меняющимся, непрерывно стремящимся к устойчивости
равновесием. Оно пронизывает всю биосферу, и этот биогенный ток атомов в
значительной степени ее создает. Так неотделимо и неразрывно биосфера на всем
протяжении геологического времени связана с живым, заселяющим ее веществом. В
этом биогенном токе атомов и связанной с ним энергией проявляется планетарное,
космическое значение живого вещества. Рассматривая единство биологических и
геологических процессов, В.И.Вернадский ставит вопрос о путях появления живого
вещества и дальнейшей эволюции планетарной среды в качестве атмосферы и
литосферы.
Очевидно, что "живое вещество" в процессе
эволюции "вжилось" в гидросферу, стало ее составляющей, активно
участвующей в глобальном круговороте. Жидкая среда живого организма, в
частности гидросфера человека, - одно из звеньев этой составляющей.
|