Круговорот углевода в биосфере и антропогенные факторы влияния

Содержание
Введение
1. Запасы углерода
1.1. Мировые запасы углерода
1.2. Углерод в Мировом океане
1.3. Углерод в атмосфере
1.4. Углерод в биосфере суши
2. Биогеохимический круговорот углерода
3. Источники пополнения углерода
3.1. Земная мантия
3.2. Процессы выветривания
3.3. Педосфера
3.4. Галактоцентрическая парадигма
4. Антропогенные факторы
4.1. Парниковый эффект
4.1.1. Способы понижения концентрации углекислого газа в атмосфере
4.2. Минеральные ресурсы
4.3. Факторы деградации почв
Заключение
Список литературы

Круговорот углевода в биосфере и антропогенные факторы влияния

4. Углерод в биосфере суши
По оценкам, суша Земли состоянии обменивается с атмосферой углеродом в количестве около 60 ГтС (гигатонны рассчитаны на углерод; 1 Гт = 109 т = 1015 г) в год. Это сбалансированный двусторонний поток, в котором каждый год 60 ГтС переносится с суши в воздух и такое же количество поступает в обратном направлении. Однако это среднегодовая величина, — в умеренных и полярных областях потоки не одинаковы по сезонам. В таких областях весной и летом, когда растения активно поглощают СО2 из атмосферы в процессе фотосинтеза, суммарный поток направлен из воздуха на землю. Наоборот, осенью и зимой, когда процессы дыхания и разложения растений доминируют над фотосинтезом, суммарный поток направлен в воздух. В тропиках, где сезонность в биологических процессах выражена слабее,потоки вверх и вниз приблизительно сбалансированы в течение года. Однако следует отметить, что в тропиках, как и на высоких широтах, потоки имеют значительную пространственную изменчивость (пятнистость).
Сезонная асимметричность потоков СО2 вверх и вниз в средних и высоких широтах дает объяснение сезонному циклу атмосферного СО2, показанному на рис. 5. Амплитуда такого сезонного рисунка изменяется с широтой, будучи наименьшей на полюсах и экваторе вследствие пониженной биологической активности и сезонных изменений соответственно.
Поскольку человечество уже в течение многих сотен лет превращает леса в обедненные углеродом ландшафты, считается, что этот процесс является существенным источником СО2 в атмосферу как в прошлом, так и в настоящее время. Однако определить размер этого источника сложно.
5. Участие биосферы в круговороте углерода
Важнейшие процессы в биосфере - формирование органического вещества из неорганического при участии солнечной энергии (фотосинтез), расходование органического вещества в процессах аэробной и анаэробной жизнедеятельности биоты и деструкция органического вещества.
В биосфере осуществляются два процесса, связанных с выделением и поглощением углекислого газа: 1) фиксация СО2 и 2) минерализация органических веществ с выделением СО2.
Первый процесс осуществляестя за счет фотосинтеза высшими растениями, водорослями и цианобактериями и за счет хемосинтеза хемоавтотрофами (некоторыми бактериями). Он обеспечивает перевод окисленной формы углерода (СО2) в восстановленную (в этой форме углерод находится в органических веществах).
Фотосинтез протекает в две стадии. В световую фазу электроны хлорофилла поглощают свет, приобретают избыток энергии (возбуждаются, переходят на более высокий энергетический уровень) и покидают молекулу хлорофилла. Хлорофилл отнимает электроны от воды, при этом происходит фотолиз воды – распад ее на протоны, электроны и атомы кислорода. Электроны движутся по цепи переноса электронов внутренней мембраны, при этом выделяется энергия, которая тратится на синтез АТФ. Протоны соединяются с электронами, «выбитыми» из хлорофилла, с образованием «атомарного водорода» в виде НАДФН2 (2Н+ + 2е- + НАДФ → НАДФН2). Из атомов кислорода образуется молекулярный кислород.
В темновую фазу происходит фиксация углекислого газа (присоединение СО2 к пятиуглеродному сахару), синтез глюкозы из полученных продуктов и восстановление полученных веществ с участием НАДФН2 и АТФ.
Таким образом суммарное уравнение фотосинтеза:
6СО2 + 6Н2О + hν → С6Н12O6 + 6O2
Рис. 6. Схема фотосинтеза
Процесс фиксации углекислого газа может осуществляться за счет энергии окисления неорганических веществ (вместо кислорода), такой процесс получил название хемосинтез. Механизм фиксации и восстановления СО2 такой же как при фотосинтезе.
В зависимости от окисляемого элемента (N, Fe, S пли Н) различают:
1. Нитрифицирующие бактерии: NH3 + О2 → HNО2 (+Н2О) + О2 → HNО3
2. Железобактерии: Fe2+ + О2 + Н2О → Fe3+ +ОН-
3. Серобактерии: H2S + О2 → Н2О + S0
4. Водородные бактерии: Н2 + О2 → Н2О8
У некоторых бактерий, например, метанообразующих, углекислый газ ассимилируется другим путем. Обсуждается возможность отнесения к автотрофным организмам бактерий, использующих в качестве источника углерода метан. Основным путем образования метана является окисление молекулярного водорода углекислотой — "карбонатное дыхание":
4Н2 + СО2 →СН4 + 2Н2О.
В некоторых случаях могут быть использованы соли муравьиной и уксусной кислот, метиловый спирт и метиламины. Метанобразующие археи широко распространены, 1,0—1,5% углерода, участвующего в круговороте углерода в биосфере, проходит через стадию метана. Образование метана происходит в осадках морей и пресноводных водоемов, болотах, почвах тундры и рисовых полей. Метанобразующие археи входят в состав кишечной микрофлоры, в частности, они развиваются в отделе желудка — рубце жвачных животных9.
Примерные подсчеты показывают, что годовая продукция органического вещества на Земле достигает 33-10 т. Основную массу этого вещества составляют соединения растительного происхождения. Химический состав растительных остатков весьма сложен: имеются разнообразные органические вещества — белки, аминокислоты, углеродсодержащие соединения (клетчатка, лигнин, гемицеллюлозы), а также жиры, воска и многие другие. Преобладают по массе целлюлоза, гемицеллюлозы и лигнин. Количество и качество клетчатки, гемицеллюлоз и лигнина, образуемых в растительных ассоциациях, может быть весьма различно, что связано с определенными растительными сообществами и геоклиматическими зонами.
В процессе фотосинтеза органических веществ и роста тканей растений, т.е. жизнедеятельности продуцентов, используются энергия Солнца, вода и минеральные вещества. Часть биомассы продуцентов, вода, кислород, некоторые минеральные вещества обеспечивают жизнедеятельность консументов 1 порядка – травоядных животных. Последние, вместе с рядом неорганических веществ – источник жизни консументов 2 порядка –хищников.
После гибели живых организмов их органические вещества попадают обратно в природную среду. В нем участвуют представители разнообразных групп животного и растительного мира, начиная от микроорганизмов и кончая высшими позвоночными животными. Известны два основных типа распада: фитогенный и зоогенный.
Важно отметить, что путь преобразования отмершей биоты - минерализация или гумификация - зависит преимущественно от почвенно-климатических условий. В теплом и влажном климате процессы окисления происходят очень быстро и почти весь растительный опад минерализуется, а гумус в почве не накапливается. В холодном климате трансформация опада замедлена, да и количество его невелико, и содержание гумуса в почве мало. Оптимальные условия для гумификации и сохранения гумусовых веществ в почвах - умеренный климат без переувлажнения10.
Процесс минерализации идет с поглощением кислорода и прямо или косвенно связан с восстановлением молекулярного кислорода и образованием субстратов для кислородного фотосинтеза — СО2 и Н2О.. Биогеохимические циклы носят круговой, примерно на 99% замкнутый характер. Иными словами они почти не имеют отходов. Один процент - это соединения углерода в земной коре (известняк, нефть, уголь), дополнительный кислород в воздухе7.
Была проанализирована роль различных биоценозов в долговременном извлечении СО2 из атмосферы. Вопреки достаточно распространенному мнению, что "лес – легкие планеты", оказалось, что роль биоценозов лесов в долговременном связывании СО2 крайне мала, поскольку практически весь связанный благодаря фотосинтезу углерод возвращается в атмосферу в виде СО2 вследствие процессов дыхания, гниения отмирающих листьев и древесины, а также лесных пожаров.
Для долговременного извлечения СО, из атмосферы необходимо, чтобы значительная часть связанного в результате процессов фотосинтеза углерода оказывалась недоступна для процессов окисления. Такие условия существуют только в биоценозах болот и биоценозах тропических морей.
В биоценозах болот отмирающая растительность попадает в стоячую воду с крайне низким содержанием растворенного кислорода и накапливается там, практически не разлагаясь (частичное анаэробное разложение с образованием метана не меняет общей картины). Накапливающиеся в болотах частично разложившиеся остатки растительности образуют торфяные пласты, из которых впоследствии формируются месторождения бурого и каменного угля.
За последние 100 лет общая площадь болот на Земле сократилась почти в два раза и продолжает сокращаться в результате их осушения. Соответственно уменьшается количество извлекаемого из атмосферы СО2. Следует отметить, что зачастую осушение болот сопровождается вымиранием эндемичных видов, приспособленных к существованию в определенных условиях конкретных болот, расположенных в конкретной климатической зоне. Поэтому восстановление площади болот связано сегодня не только с трудностью изъятия земель из сельскохозяйственного оборота, но и невозможностью восстановления в ряде случаев полноценных биоценотических сообществ.
В биоценозах тропических морей изъятие СО2 из океанической воды, куда он попадает из атмосферы, происходит несколько иным образом. Углекислый газ используется в качестве "строительного материала" гетеротрофными организмами при образовании известковых раковин и чехлов. Практически вес карбонаты земной коры (известняки, доломиты, мрамор, мел и т.д.) имеют биогенное происхождение11.
6. Углерод в Мировом океане
Основной запас углерода, принимающего активное участие в биогеохимическом цикле, находится в Мировом океане, где он содержится в различных формах: в виде частиц неорганических углеродсодержащих веществ, частиц органического нерастворимого углерода, растворенного органического углерода и живых форм. В океан углерод поступает как с суши со стоком рек в результате деструкции органического вещества, так и из атмосферы, откуда углерод поступает вследствие дыхания всего комплекса живых существ. Многие водные организмы, создают свои скелеты на основе карбоната кальция, а после гибели этих организмов из них образуются пласты известняков. Из атмосферы было извлечено и захоронено в десятки тысяч раз больше углекислого газа, чем в ней находится в данный момент. В конечном итоге подавляющая часть углерода в океане отлагается на дне, перекрывается все более молодыми отложениями и таким образом выходит за пределы экосферы, сохраняясь при этом в большом цикле вещества литосферы12.
Как и биосфера суши, океаны каждый год обмениваются большими количествами СО2 с атмосферой. В незагрязненной среде потоки воздух-море и море-воздух в целом сбалансированы, и в обоих направлениях каждый год перемещается около 90 ГтС. Такие потоки вверх и вниз управляются изменениями в температуре поверхностного слоя воды в океанах, которая влияет на способность воды растворять углекислый газ, a также потреблением и продукцией газа в процессах фотосинтеза и дыхания/разложения в околоповерхностных водах. Все эти процессы могут в значительной степени варьировать как по сезонам, так и в пространстве. В целом тропические океаны являются суммарными источниками СО2 в атмосферу, тогда как в более высоких и особенно полярных широтах океаны являются суммарным стоком.
В среднем как глобально, так и в течение годового цикла незагрязненные океаны находятся в близком к устойчивому состоянии относительно захвата/высвобождения СО2. Однако, это не означает, что за большие периоды времени не происходит изменений в скоростях этих процессов. Действительно, считается, что намного более низкий уровень атмосферного СО2, который согласно данным по кернам льда существовал в прошлом, являлся причиной, по крайней мере частично, увеличения захвата СО2 океанами из-за их более холодных по сравнению с настоящим временем вод.
Однако известно, что сжигание ископаемого топлива и остальные вызванные человеком изменения привели к значительному дополнительному привносу СО2 в атмосферу. Между морской водой и воздухом должно установиться равновесие в отношении СО2. Здесь появляется второй фактор, который необходимо учитывать, поскольку процесс перемешивания воды в океанах медленный, и это означает, что для достижения равновесия по всей глубине требуются сотни или тысячи лет. В целом скорость захвата СО2 ограничивается не переносом через поверхность моря, а перемешиванием поверхностных вод с глубинными (средняя глубина 3,8 км, максимальная глубина 10,9 км). На глубине нескольких сотен метров существует область быстрого падения температуры, основной термоклин. Это приводит к повышенной устойчивости столба воды, что препятствует перемешиванию с выше- и нижележащими слоями. Только в некоторых полярных областях, особенно вокруг Антарктики, а также в Гренландском и Норвежском морях в Северной Атлантике из-за отсутствия термоклина возможно непосредственное, и, следовательно, быстрое перемешивание поверхностных вод с глубинными.
В этих условиях прибегают в основном к методам математического моделирования. Лучшая оценка количества антропогенного СО2, захватываемого в настоящее время океанами, полученная с помощью модельных экспериментов, составляет 2,0 ± 0,8 ГтС·год-1.
7. Глобальные запасы углерода
Упрощенный вариант цикла углерода приведен на рис. 5. Самыми большими резервуарами углерода являются морские отложения и осадочные породы на суше (20 000 000 ГтС), где он находится в основном в виде СаСО3. Однако большая часть этого материала не взаимодействует с атмосферой и подвергается круговороту через твердую часть Земли в геологических временных масштабах.
Рис. 7. Упрощенный вариант глобального цикла углерода. Цифры в рамках отражают размер резервуара в Гт С. Стрелки представляют потоки, а связанные с ними числа соответствуют размеру потока в Гт - год.
Следующим по величине резервуаром является морская вода (около 39000 ГтС), где углерод находится в основном в растворенной форме в виде HCO3- и СО32-. Однако глубинная часть океанов, где содержится основное количество углерода (38100 ГтС), не взаимодействует с атмосферой так быстро.
Запасы углерода в ископаемых топливах и сланцах тоже существенны, и считается, что большую часть их можно добыть — таким образом, он доступен для сжигания.
Самыми небольшими резервуарами являются биосфера суши (2190 ГтС) и атмосфера (750 ГтС). Именно небольшой размер последнего делает его чувствительным даже к небольшим изменениям процентного содержания углерода в других больших резервуарах, где эти изменения приводят к эмиссиям в атмосферу, как, например, при сжигании ископаемых топлив13.
8. Процессы выветривания и вулканическая деятельность
Еще одним источником CO2 являются вулканы, газы которых состоят главным образом из углекислого газа и паров воды. Некоторая часть углекислого газа и воды, извергаемых вулканами, возрождается из осадочных пород, в частности известняков, при контакте магмы с ними и их ассимиляции магмой. В процессе круговорота углерода происходит неоднократное фракционирование его по изотопному составу (12C—13C), особенно в магматогенном процессе (образование CO2, алмазов, карбонатов), при биогенном образовании органического вещества (угля, нефти, тканей организмов и др.).
Диоксид углерода атмосферы расходуется также на процесс выветривания горных пород, превращая последние сначала в средние, а затем в гидрокарбонаты, которые вымываются водой и накапливаются в океане. Например, при выветривании полевых шпатов, в частности анортита, образуется гидрокарбонат кальция:
Са(Al2Si2О8) + СО2 → СаСО3+А12О3+2SiО2
СаСО3+СО2+Н2О → Са(НСО3)2
Общее количество СО2, связываемое ежегодно при выветривании горных пород, достигает 2 млрд. т углерода14,15.
9. Галактоцентрическая парадигма
Галактоцентрическая парадигма постулирует, что эволюция нашей Галактики сопровождается непрерывным разрушением звезд в ее ядре и выносом продуктов их дезинтеграции двумя газопылевыми струйными потоками (рис. 8).
Рис. 8. Современное положение Солнца (кружок с точкой) относительно спиральных ветвей Галактики. Римские цифры - четыре галактических рукава (сплошные линии) по Ж. Балле16. Арабские цифры - два струйных потока (пунктирные линии). Г.ц. - галактический центр. Малый круг в центре - газопылевой ядерный диск, круг большего радиуса - кольцо Галактики. Стрелки указывают направление движения.
Распространись в экваториальной плоскости Галактики, эти газ и пыль конденсируются в плотные облака, кометы и звезды. Эти процессы резко усиливаются в зонах пересечения струйных потоков с галактическими рукавами. Солнце обращается вокруг центра Галактики по эволюционирующей эллиптической орбите, пересекая через каждые 20-37 млн. лет струйные потоки и галактические рукава. В такие эпохи длительностью 1-5 млн. лет планеты Солнечной системы подвергаются интенсивным бомбардировкам галактическими кометами.
Кометы отдают Земле свою кинетическую энергию, а также приносят на планету большие количества воды, углерода и других химических элементов. Энергия комет затем выделяется в геологических процессах (тектонических, вулканических, сейсмических и др.), а кометный материал в ходе глобального геохимического круговорота перераспределяется по внешним геосферным оболочкам планеты.
Согласно17 в эпохи кометных бомбардировок на Землю выпадает большая масса космического материала, включая углерод, который активно поглощается организмами и включается в глобальный круговорот вещества на планете. Перераспределяясь в биосфере по разным уровням системы, поступающее вещество нарушает сложившееся на Земле геохимическое равновесие.