Биогеохимические круговороты углерода: ландшафтный, малый и биосферный

Биогеохимический круговорот углерода - это комбинация последовательных периодических (в течение суток - миллиардов лет) непрерывных замкнутых процессов превращения, перемещения, распределения, рассеяния и концентрации углерода через косную и органическую природу в биосфере при активном участии живых организмов. Биогеохимический круговорот углерода в биосфере в целом и в конкретном ландшафте - из диоксида углерода в живое вещество и обратно в диоксид углерода - приводится в действие диалектическим единством двух противоположно направленных процессов - фотосинтеза и минерализации. Но часть углерода посредством медленно идущих циклических процессов удаляется, отлагаясь в осадочных породах. Баланс атмосферного углерода определяется биогеохимическими круговоротами, в каждом из которых осуществляются приход и расход СО2 [20].

В ходе жизнедеятельности организмов (в процессе дыхания) и при вулканических извержениях углерод возвращается в атмосферу и гидросферу. Определенное количество его отлагается в литосфере и педосфере и расходуется на углекислотное выветривание алюмосиликатов и образование различных углеродистых соединений. При этом биологические компоненты ежегодного круговорота углерода значительно превосходят геологические составляющие этого процесса.

В течение четырех лет растения суши и моря усваивают столько углерода, сколько его содержится в атмосфере, а в течение 300 лет - в гидросфере. За время геологической истории углерод атмосферы и гидросферы, вероятно, многократно участвовал в круговоротах. Однако эти циклы (цикл - законченный круг миграции углерода в биогеохимических круговоротах) необратимы. Стоит заметить, что извлеченный из атмосферы углерод, и захороненный даже в виде карбонатов, не говоря уже о захороненной органике, извлекается из нее все же не навсегда. По прошествии некоторого, часто очень значительного времени (до сотен миллионов лет и более), он возвращается обратно в атмосферу и участвует в дальнейшем круговороте.

Предположим, что в определенный период времени начинается интенсивное образование осадков, содержащих углерод (хоть образование карбонатов, хоть захоронение органики, хоть и то, и то, вместе), и через некоторое время прекращается. Накопленные океанической корой большие запасы осадков постепенно в процессе субдукции попадают в недра, на большую глубину, где под действием очень высокой температуры происходит разложение этих больших запасов карбонатов и органики. В результате, по прошествии некоторого, довольно большого времени (которое требуется, чтобы часть плиты с высоким содержанием упомянутых осадков дошла до больших глубин до сотни километров) увеличиваются потоки углекислого газа и метана в атмосферу. Однако увеличение потоков этих газов в атмосферу в свою очередь стимулирует и рост биомассы (с последующим увеличением захоронения отмершей части), и накопление карбонатов, что приводит в дальнейшем к повторению цикла.

Цикл органического углерода определяется реакциями фотосинтеза, ведущими к образованию первичной продукции (новообразование органического вещества растений продуцентов):

СО2 + Н2О = [СН2О] + О2

где [СН2О] - сокращенное обозначение биомассы, и суммарной реакцией деструкции:

[СН2О] + О2 = СО2 + Н2О (дыхание).

Цикл органического углерода сопряжен с циклом неорганического углерода путем углекислотного выщелачивания изверженных пород и образования осадочных карбонатов по обратной реакции:

Са (НСО3)2 ↔ СаСО3 + СО2 + Н2О.

При этом карбонатное равновесие или устанавливается химически, или катализируется ферментом карбоангидразой. Углекислотное выветривание магматических пород привело к образованию огромных запасов минерального углерода в виде известняков и доломитов.

Скорость изменения массы углерода в атмосфере зависит от интенсивности изъятия его из воздушной оболочки и консервации. Выведение СО2 из круговоротов происходит в результате продукции органического вещества фотосинтезирующими растениями и связывания при образовании карбонатных пород в результате процессов выветривания-почвообразования. В химическом отношении роль СО2 при выветривании сводится к вытеснению из силикатов и алюмосиликатов щелочных и щелочноземельных металлов и переводу их в карбонаты. Например, образование каолинита из плагиоклазов, наиболее распространенных силикатных минералов литосферы, описывается реакциями альбит каолинит

NaAlSi308 + 2СО2 + 3Н2О = Al2 [Si2O5] (OH)4 + 2NaHCO3 + 4SiO2,

анортит каолинит

СаА12SiO2О8 + 2СО2 + 3Н2О = Al2 [Si2O5] (OH)4 + Ca (HCO3)2.

Однако кроме силикатных пород углекислотному выветриванию подвержены также осадочные карбонатные породы, взаимодействие которых с атмосферным СО2 идет по реакции

СаСО3 + СО2 + Н2O = Са (НСO3)2.

Связывание атмосферного СО2 при выветривании происходит опосредованно через цикл продукции и деструкции органического вещества почв. В этом отношении почвенный покров является своеобразным химическим реактором, где идут процессы выветривания.

Перейти на страницу: 1 2 3

Интересное по теме

Оценка степени загрязнения сточных вод
Трудно переоценить роль воды в нашей жизни. В среднем человек за сутки выпивает около 2л воды. Но задумываетесь ли Вы, какую именно воду Вы пьете?! Об этом свидетельствует тот факт ...

Твердые бытовые отходы как возобновляемый источник энергии
Проблема утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) остро стоит во всем мире. В странах ЕС в среднем на свалках удаляется 60% отходов, 33% - сжигается и около 7% - компостируется. ...

Воздействия горно-обогатительного комбината на окружающую среду
В результате производственной деятельности горнодобывающих предприятий количество промышленных отходов растет, и проблема складирования становится все актуальнее. Сооружения, предн ...

Современное состояние и проблемы окружающей среды Абинского района
Благодаря достижениям науки и техники, человек получил в свои руки мощные орудия воздействия на природу. Эти достижения позволяют людям вторгаться в природу, влиять на природу, вли ...