Круговорот углерода в природе

Углерод является важнейшим биогенным химическим элементом, составляющим основу всех органических и биоорганических соединений. Круговорот углерода в природе тесно связан с круговоротом кислорода и водорода как обязательными составляющими биоорганических веществ. Тесно взаимосвязаны с круговоротом углерода и циклы азота, фосфора и серы, так как эти элементы являются обязательными компонентами белков и нуклеиновых кислот.

Биогеохимический цикл углерода определяет энергетику биосферы Земли, ведь жизнедеятельность фотосинтезирующих организмов и их взаимодействие с гетеротрофными организмами и неживой природой являются механизмом улавливания, накопления и перераспределения солнечной энергии, поступающей на Землю.

Условно круговорот углерода в природе можно начать с углекислого газа, который находится частично в виде газа в атмосфере Земли (до 0,04% по объему), а частично в растворенном состоянии в водах Мирового океана и других водоемов, при этом реализуется постоянный газообмен между атмосферой и гидросферой Земли. Углекислый газ образуется в процессе дыхания аэробных организмов, что является источником его появления как в атмосфере, так и в гидросфере. Большие количества СO2 образуются при извержениях вулканов, в результате природных и антропогенных пожаров, а также при сжигании топлива, окислении органических веществ отмерших растений и трупов животных.

Свободный и растворенный СO2 подвергается процессам связывания. Так, большое количество этого газа вступает в процессы фотосинтеза, в результате которого образуется органическое вещество растительного происхождения. Этим процессом СO2 вступает в круговорот и вновь возвращается в исходное состояние, когда органические вещества окисляются либо в процессах дыхания, либо в процессах медленного окисления (гниения), либо в процессах горения (пожары, сжигание в результате антропогенного воздействия).

На этом процессы связывания углекислого газа не завершаются. Водные растворы СO2 могут взаимодействовать с карбонатными породами как на суше, так и в воде:

 

СаСО3 + СO2 + Н2O = Са(НСO3)2

 

В этом процессе образуются растворимые гидрокарбонаты, которые с водным потоком (реки, морские течения) могут перемещаться по планете. Эти процессы (образование гидрокарбонатов) протекают при относительно низких температурах (в холодных водах). При нагревании природных вод гидрокарбонаты разлагаются с образованием нерастворимых карбонатов и углекислого газа, который может либо оставаться в растворенном состоянии, либо удаляться в атмосферу (это еще один источник поступления СO2 в атмосферу или гидросферу:

 

Са(НСO3)2 = СаСO3↓ + СO2↑ + Н2O

 

Получившиеся нерастворимые карбонаты участвуют в образовании осадочных горных пород, что выводит углекислый газ, а вместе с ним и углерод из круговорота на длительное время, если местная концентрация СO2 будет невелика и не произойдет перехода карбонатов в гидрокарбонаты.

В настоящее время считается, что биогеохимический цикл углерода нарушен за счет антропогенных факторов, так как количество поступающего в атмосферу СO2 за счет хозяйственной деятельности человека увеличивается до 10% от ежегодного нормального уровня биогенного выделения этого газа и это количество продолжает неуклонно возрастать.

Однако неблагоприятное действие деятельности человека на процессы, регулирующие круговорот углерода на Земле, смягчаются процессами связывания оксида углерода(IV), протекающими в океане.

Итак, круговорот углерода в природе является системой динамических, достаточно устойчивых процессов, при этом локальные изменения происходят относительно легко, а глобальные процессы легко компенсируют локальные воздействия. И тем не менее необходимо корректировать производственную деятельность человека с целью снижения возможностей нарушения естественного хода процессов круговорота углерода и других элементов, с ним связанных.