Содержание в земной коре углерода – Геохимический цикл углерода — Википедия

Геохимический цикл углерода — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

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 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 и 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.

ru.wikipedia.org

Углерод в земной коре — Справочник химика 21

    Важнейшие формы нахождения в природе. Содержание углерода в земной коре сравнительно невелико (0,10 масс. %), но несмотря на это он имеет чрезвычайно большое значение для жизнедеятельности растительных и животных организмов и человека, все живые организмы состоят главным образом из соединений углерода. [c.83]

    В. И. Вернадский, впервые в мировой науке разработавший основы биогеохимии нефти (1934 г.), показал, что соединения углерода, принимающие участие в строении каустобиолитов, в том числе нефтей, представляют собой неотъемлемую часть геохимической системы круговорота углерода в земной коре, в которой живому веществу биосферы принадлежит основная роль. В. И. Вернадским была доказана способность живого вещества, в том числе низших организмов, концентрировать в литосфере колоссальные запасы органического углерода. 

[c.19]

    Каково содержание углерода в земной коре  [c.236]

    Изотопный состав и количественное распределение углерода в земной коре (по Э. М. Галимову [1968 г.] с дополнениями С. И. Голышева) [c.406]

    Содержание углерода в земной коре 0,14 % (по массе). В минералах углерод содержится в основном в форме карбонатов, производных угольной кислоты. [c.196]

    По распространенности углерод в земной коре намного уступает кислороду, кремнию и алюминию. Углерод занимает одиннадцатое место после титана и хлора. Он сосредоточен в природных карбонатах (9,6-10 т), разведанных запасах горючих ископаемых (10 т), в атмосфере в виде двуокиси углерода (6-10 т), в гидросфере (растворенный Og — 10 т), в живых организмах (—10 т). В свободном состоянии углерод находится в виде графита и алмазов. Однако, несмотря на сравнительно скромное участие углерода в образовании земной коры, углерод — основной компонент живой материи, а не кремний, примерно в 135 раз более распространенный. 

[c.5]

    Распространение углерода в земной коре в целом и в продуктах органического происхождения — углях, нефтях и в живых растениях — представлено в следующей диаграмме (рис. 157). [c.509]

    Природные ресурсы. Содержание углерода в земной коре составляет [c.363]

    Ничтожную долю процента составляет содержание углерода в земной коре и во Вселенной в целом. Однако роль его в жизни растений, животных и человека, в науке и технике огромна. Углерод обладает удивительной способностью присоединять атомы различных элементов — он образует до трех миллионов всевозможных соединений. Изучением этих соединений занимается органическая химия. 

[c.30]

    Значение того или иного элемента в жизни Земли отнюдь не определяется его распространенностью. Например, содержание углерода в земной коре составляет всего лишь 0,1% (весовых). Несмотря на такое ничтожное содержание, он играет в жизни Земли чрезвычайно важную роль. Все биологические процессы непосредственно связаны с углеродом. Этот элемент является основой жизни на Земле. [c.107]

    Кларк углерода в земной коре не так велик, как у кремния. Большая часть углерода в земной коре сосредоточена в карбонатных горных породах и в горючих ископаемых, к числу которых од носятся торфы, угли, горючие сланцы, нефть, природный газ и янтарь. Многие из этих природных соединений углерода имеют биогенное происхождение. Они образовались из скоплений остатков растений и животных. В атмосфере и гидросфере углерод присутствует в виде диоксида углерода СОз- Углерод — главный элемент биосферы без него невозможно образование органических веш еств. Живое вещество аккумулирует углерод. В растениях его доля составляет 45%, в животных — 63% от массы сухого вещества. 

[c.333]

    Ресурсы и круговорот углерода в природе. Общая масса углерода в земной коре очень значительна 3,2 10 т (табл. 18.4). Наиболее распространенные углеродсодержащие минералы — карбонаты щелочно-земельных и других металлов. Следующими за ними по суммарному содержанию углерода являются так называемые каустобиолиты. Это общее название всех горючих полезных ископаемых биогенного происхождения. Основная часть углерода каустобиолитов находится в горючих сланцах в виде керогенов — продуктов разложения биомассы. Главное горючее современной электро- и теплоэнергетики — ископаемые угли, являющиеся продуктами обуглероживания керогенов антрациты, каменные и бурые угли. Роль главного транспортного горючего играет нефть. Горючий природный газ, содержащий 80—99% СН4, — важное экологически чистое бытовое и промышленное топливо, а также сырье химической промышленности. 

[c.357]

    Углерода в земной коре содержится 0,10 вес. % от всех химических элементов. По подсчетам В. И. Вернадского, на долю живых организмов приходится 10 (1000 млрд.) т углерода. В то время как в изверженных и осадочных породах — 37,1-10 т, в двуокиси углерода атмосферы — 6 т, в гидросфере (в воде морей и океанов, главным образом, в виде растворенной СО3) — 10 /п, а в ранее разведанных залежах угля — 8000 млрд. т, торфа— 10 т и нефти — 2-101 тС. [c.5]

    Среднее содержание углерода в земной коре, по А. Е. Ферсману, равно 0,35% (1939). Оно определено на основании многочисленных анализов горных пород, природных вод и воздуха. Понятно, что подобные подсчеты далеко не точны, и данные разных авторов значительно расходятся. Все же порядок величин, как общего содержания углерода, так и его распределения в разных зонах земной коры, повидимому, верен. 

[c.326]

    Хотя содержание углерода в земной коре (литосфера, гидросфера и атмосфера) очень невелико (0,09%, см. стр. 27), этот элемент больше других благодаря важной роли, которую он играет в живых организмах, способствовал созданию современного вида поверхности нашей планеты. Соединения углерода, входящие в состав организмов животных и растений, образовали богатые углеродом месторождения ископаемых. Они образовались в течение ряда геологических периодов из некоторых растений (возможно, и из животных) и сохранились в земной коре в отсутствие атмосферного кислорода. Различают два типа таких ископаемых каменный уголь и асфальт. Оба исключительно важны из-за своего практического применения они служат источником энергии (топливом) и сырьем для получения других соединений углерода. 

[c.461]

    Большое количество углерода в земной коре находится в настоящее время в составе осадочных пород, например в отложениях известняков [1]. Гораздо меньше углерода и биосфере, гидросфере и атмосфере. Руби [9, 36] (чьим идеям и посвящен в основном этот раздел) оценивает общее содержание углерода (в пересчете на СО,) в древних осадочных породах в 9,2-1022 тогда как его количество в трех с рах составляет всего около 1,5 10 ° г. Аналогичные расчеты для НаО дают значение 14,6-10 г для гидросферы, биосферы и атмосферы и 2,1 -10 г для осадочных пород. Руби произвел такие же расчеты и для других летучих элементов— [c.123]

    Более 60 лет назад Вернадский В.И. писал «Надо надеяться, что XX век раздвинет химию углерода и в эту почти нетронутую область углерода в земной коре, которая до сих пор представляет много загадочного. Нефть является простым и удоб- [c.24]

    Природные ресурсы. Содержание углерода в земной коре составляет 0,14%. Большая часть его входит в состав карбонатов (СаСОз, Mg Oa), нефти, каменного и бурого угля, сланцев, природного газа. Хотя содержание СО2 в атмосфере невелико ( 0,03%), «но его общая масса составляет около 600 млн. т. Углерод входит, в состав тканей всех живых организмов. Встречается углерод и в свободном состоянии в виде графита и ал-маза. 

[c.352]

    О безостаточной переработке нефти мечтал Д. И. Менделеев. А все дело-то в том, — писал Д. И. Менделеев, — что само существование остатков —зло, которое должно искоренить и которое искорениться должно. Искоренение этого зла и есть утилизация [12, с. 548]. О полном использовании всех элементов, содержащихся в нефти, размышлял В. И. Вернадский. В статье Нефть в науке девятнадцатого столетия , опубликованной более 75 лет назад, он писал Разнообразие свойств собранных в нефти соединений и элементов остается без применения, и лишь наступившему двадцатому веку предстоит овладеть вполне и целиком теми драгоценными телами — углеродистыми и азотистыми, — которые теперь большей частью бесследно или излишне таровато исчезают при употреблении нефти как топл

www.chem21.info

Углерод содержание в земной коре

    Важнейшие формы нахождения в природе. Содержание углерода в земной коре сравнительно невелико (0,10 масс. %), но несмотря на это он имеет чрезвычайно большое значение для жизнедеятельности растительных и животных организмов и человека, все живые организмы состоят главным образом из соединений углерода. [c.83]

    Каково содержание углерода в земной коре  [c.236]

    Содержание углерода в земной коре 0,14 % (по массе). В минералах углерод содержится в основном в форме карбонатов, производных угольной кислоты. [c.196]

    Природные ресурсы. Содержание углерода в земной коре составляет [c.363]

    Ничтожную долю процента составляет содержание углерода в земной коре и во Вселенной в целом. Однако роль его в жизни растений, животных и человека, в науке и технике огромна. Углерод обладает удивительной способностью присоединять атомы различных элементов — он образует до трех миллионов всевозможных соединений. Изучением этих соединений занимается органическая химия. [c.30]

    Значение того или иного элемента в жизни Земли отнюдь не определяется его распространенностью. Например, содержание углерода в земной коре составляет всего лишь 0,1% (весовых). Несмотря на такое ничтожное содержание, он играет в жизни Земли чрезвычайно важную роль. Все биологические процессы непосредственно связаны с углеродом. Этот элемент является основой жизни на Земле. [c.107]

    Ресурсы и круговорот углерода в природе. Общая масса углерода в земной коре очень значительна 3,2 10 т (табл. 18.4). Наиболее распространенные углеродсодержащие минералы — карбонаты щелочно-земельных и других металлов. Следующими за ними по суммарному содержанию углерода являются так называемые каустобиолиты. Это общее название всех горючих полезных ископаемых биогенного происхождения. Основная часть углерода каустобиолитов находится в горючих сланцах в виде керогенов — продуктов разложения биомассы. Главное горючее современной электро- и теплоэнергетики — ископаемые угли, являющиеся продуктами обуглероживания керогенов антрациты, каменные и бурые угли. Роль главного транспортного горючего играет нефть. Горючий природный газ, содержащий 80—99% СН4, — важное экологически чистое бытовое и промышленное топливо, а также сырье химической промышленности. [c.357]

    Среднее содержание углерода в земной коре, по А. Е. Ферсману, равно 0,35% (1939). Оно определено на основании многочисленных анализов горных пород, природных вод и воздуха. Понятно, что подобные подсчеты далеко не точны, и данные разных авторов значительно расходятся. Все же порядок величин, как общего содержания углерода, так и его распределения в разных зонах земной коры, повидимому, верен. [c.326]

    Хотя содержание углерода в земной коре (литосфера, гидросфера и атмосфера) очень невелико (0,09%, см. стр. 27), этот элемент больше других благодаря важной роли, которую он играет в живых организмах, способствовал созданию современного вида поверхности нашей планеты. Соединения углерода, входящие в состав организмов животных и растений, образовали богатые углеродом месторождения ископаемых. Они образовались в течение ряда геологических периодов из некоторых растений (возможно, и из животных) и сохранились в земной коре в отсутствие атмосферного кислорода. Различают два типа таких ископаемых каменный уголь и асфальт. Оба исключительно важны из-за своего практического применения они служат источником энергии (топливом) и сырьем для получения других соединений углерода. [c.461]

    Большое количество углерода в земной коре находится в настоящее время в составе осадочных пород, например в отложениях известняков [1]. Гораздо меньше углерода и биосфере, гидросфере и атмосфере. Руби [9, 36] (чьим идеям и посвящен в основном этот раздел) оценивает общее содержание углерода (в пересчете на СО,) в древних осадочных породах в 9,2-1022 тогда как его количество в трех с рах составляет всего около 1,5 10 ° г. Аналогичные расчеты для НаО дают значение 14,6-10 г для гидросферы, биосферы и атмосферы и 2,1 -10 г для осадочных пород. Руби произвел такие же расчеты и для других летучих элементов— [c.123]

    В природе углерод находится в виде двух стабильных изотопов (98,892%) и С(1,108%). Его содержание в земной коре 0,15 мол. доли, %. Под действием космических лучей в земной атмосфере образуется также некоторое количество Р-радиоактивного изотопа [c.391]

    Содержание основных элементов в земной коре представлено на рис, 1. Как видно из рис. 1, девять элементов составляют более 98% массы земной коры. Такой важнейший для жизни элемент, как углерод, составляет лишь [c.7]

    Из табл. 5.1 следует, что всего 9 элементов составляют более 98% массы земной коры на все остальные элементы приходится всего 1,87%. Содержание углерода, представляющего основу жизни и составляющего основную часть горючих ископаемых, составляет только 0,35% массы земной коры. [c.45]

    Германий, олово, свинец значительно менее распространены в природе, чем углерод и кремний. Содержание их в земной коре в масс. % составляет Ое 7 10 , 5п 6 — 10″, РЬ 1 10 .  [c.123]

    Содержание углерода и, особенно кремния в земной коре велико измеренное в мол. долях оно составляет 0,15 и 20 % соответственно. [c.271]

    Изучая углерод и его соединения, мы не раз отмечали применение их в народном хозяйстве в качестве топлива. Топлива бывают твердые, жидкие и газообразные. Основные виды твер,-дого топлива ископаемые угли, торф, горючие сланцы и древесина. Ископаемые угли не представляют собой свободного углерода, но тем более приближаются к нему, чем древнее уголь по происхождению. Они образовались в земной коре из растительных остатков в результате процессов, сходных с сухой перегонкой. Наиболее древние угли — антрацит — на 95% состоят из углерода, при сухой перегонке дают только 5% летучих веществ и горят поэтому без пламени. Меньше всего содержится углерода в буром угле. Промежуточное положение по возрасту и содержанию углерода занимают каменные угли. Они добываются и используются в наибольшем количестве. [c.101]

    В природе углерод находится в виде двух стабильных изотопов (98,892%) и (1,108%). 1 го содержание в земной коре составляет 422 [c.422]

    Природные ресурсы. Содержание углерода в земной коре составляет 0,14%. Большая часть его входит в

www.chem21.info

2.2 Миграция углерода

Углерод присутствует в природе в нескольких основных формах:

содержится в мантии, коре, атмосфере и гидросфере

• в нейтральном состоянии в виде угля, графита, алмаза и карбида в коре

и мантии

силикатах в мантии, коре и атмосфере и гидросфере

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 посредством осаждения и растворения карбонатов с осадочным чехлом Земли. Растворенный в океане углерод существует в трех основных формах:

• неорганический углерод

• 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 [8].

studfiles.net

Геохимический цикл углерода — это… Что такое 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 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 и медленные постепенные изменения, так и резкие катастрофические события. 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:

• Разные процессы контролировали углеродный цикл на разных промежутках времени.
• 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, несомненно, мгновенного в геологической шкале времени события в геохимическом цикле углерода является позднепалеоценовый термальный максимум.

Формы углерода

Углерод присутствует в природе в нескольких основных формах:

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^[1]. 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 посредством осаждения и растворения карбонатов с осадочным чехлом Земли. 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.

Представительные оценки количества углерода в различных геологических резервуарах для доиндустриальной эпохи (до 1750 года).

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
Ресурсы и резервы ископаемого топлива	(7,78—9,0)·107
Нефть	636—842
Природный газ	483—564
Уголь	(3,10—4,27)·103

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.^[2]

потоки между резервуарами

Потоки	гигатонн в год
захоронение карбонатов	0,13-0,38
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.^[3]

потоки между резервуарами^[4]

Потоки	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 до четвертичных 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.

С 1850 года в результате сжигания ископаемого топлива концентрация СО₂ в атмосфере увеличилась на 31 %, а метана на 149 %.

См. также

Примечания

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.

В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 13 мая 2011.

dic.academic.ru

Геохимический цикл углерода — wiki.web.ru

Геохимический цикл углерода — это комплекс процессов переносящих углерод между различными геохимическими резервуарами. В истории Земли углеродный цикл менялся весьма значительно, эти изменения были как и медленные постепенные изменения, так и резкие катастрофические события. 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:

• Разные процессы контролировали углеродный цикл на разных промежутках времени
• 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 в геологической шкале времён. Наиболее полно в этот 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, несомненно, мгновенного в геологической шкале времени события в геохимическом цикле углерода является плиоценовый термальный максимум.

Формы углерода

Углерод присутствует в природе в нескольких основных формах:

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

Углерод в атмосфере

В атмосфере углерод содержится в виде углекислого газа, угарного газа, метана 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 обладают парниковым эффектом, 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 оценивается 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 доминирующем 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 нем в 100 раз больше чем содержится в атмосфере. Океан через поверхность может обмениваться с углекислым газом с атмосферой, и посредством осаждения и растворения карбонатов с осадочным чехлом Земли. Растворенный в океане углерод существует в трех основных формах:

• неорганический углерод
  • растворённый CO2
  • HCO₃^—
  • CO₃^2-
• 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 коре

Содержание углерода в земной коре составляет порядка 0.27 %. С началом индустриальной эпохи челолвечество стало извлекать 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 не много 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 не 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.

Представительные оценки количества углерода в различных геологических резервуарах для доиндустриальной эпохи (до 1750 года).

Резервуар	количество углерода в мегатоннах С
Атмосфера	590
Океан	(3.71 — 3.9)*104
поверхностный слой, неорганический углерод	700—900
глубокие воды, неорганический углерод	35600 — 38000
весь биологический углерод океанов	685—700
Пресноводная биота	1 — 3
наземная биота и почвы	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
Ресурсы и резервы ископаемого топлива	(7.78 — 9.0)*107
Нефть	636—842
Природный газ	483—564
Уголь	(3.10 — 4.27)*10³

Потоки углерода между резервуарами

потоки между резервуарами

Потоки	мега тон в год
захоронение карбонатов	0.13-0.38
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

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 наличии 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 растворенного в океанах и других восстановленных фаз. Когда эти ресурсы были исчерпаны, содержание кислорода в атмосфере стало увеличиваться. При этом содержание парниковых газов атмосфере уменьшилось и началось 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 облегченный состав, считается, что причина этого изменения в массовом вымирании морских организмов, которые избирательно поглощаю легкий изотоп углерода. В межледниковые периоды происходило обратное изменение изотопного состава, из-за бурного развития жизни, которая накапливала значительную часть легкого 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 атмосферу.

Фанерозой

Файл:Phanerozoic Carbon Dioxide.png

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

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

Прямые данные о до четвертичных 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 400 тыс. лет), лучше, чем для какого либо периода истории Земли. Четвертичный период отличается от других геологических периодов цилическими эпохами оледенений и пежледниковых периодов. 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 четырьмя 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 четвертичные оледенения происходят с периодом около 100 тыс. лет, по очень схожему сценарию.
2. Каждый ледниковый период сопровождается понижением атмосферной концентрации СО₂ и СН₄ (характерные содержания 200 и 400 соответственно)
3. Межледниковые периоды начитаются 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 ледников Гренландии систематически больше антарктических на 40 — 50 ппмв. 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 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 в время ледниковых периодов из останков морских организмов может быть рассчитано изменения массы наземной биосферы во время ледниковых периодов. Такие оценки были проведены и составили 400 тон 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 с 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 о изменении углеродного цикле человеком необходимо соразмерять масштабы и продолжительность этого воздействия с событиями в прошлом.

С 1850 года концентрация СО2 в атмосфере увеличилась на 31 %, а метана на 149 %. За это время в результате сжигания ископаемого топлива

См. также

wiki.web.ru

Геохимический цикл углерода Википедия

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 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 и 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.

Формы углерода

Углерод присутствует в природе в нескольких основных формах:

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^[1]. 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 посредством осаждения и растворения карбонатов с осадочным чехлом Земли. 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.

Представительные оценки количества углерода в различных геологических резервуарах для доиндустриальной эпохи (до 1750 года)^[2].

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
ископаемого топлива	4,13⋅103[источник не указан 1288 дней]
Нефть	636—842
Природный газ	483—564
Уголь	(3,10—4,27)⋅103[источник не указан 1288 дней]

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.^[3]

потоки между резервуарами

Потоки медленного цикла	гигатонн в год
захоронение карбонатов	0,13-0,38 (0,7-1,4[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.^[5]

потоки между резервуарами^[6]

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 до четвертичных 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^[7].

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.^[8]

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.^{[источник не указан 2016 дней]}

См. также

Примечания

1. ↑ Andrews J. et al. An Introduction to Environmental Chemistry. London: Blackwell Science. 1996. 209 p.
2. ↑ Falkowski, P.; Scholes, R. J.; Boyle, E.; Canadell, J.; Canfield, D.; Elser, J.; Gruber, N.; Hibbard, K.; Högberg, P.; Linder, S.; MacKenzie, F. T.; Moore b, 3.; Pedersen, T.; Rosenthal, Y.; Seitzinger, S.; Smetacek, V.; Steffen, W. The Global Carbon Cycle: A Test of Our Knowledge of Earth as a System (англ.) // Science : journal. — 2000. — Vol. 290, no. 5490. — P. 291—296. — DOI:10.1126/science.290.5490.291. — Bibcode: 2000Sci…290..291F. — PMID 11030643.
3. ↑ The Carbon Cycle : Feature Articles
4. ↑ Элементы — новости науки: Морские рыбы вносят заметный вклад в образование карбонатов
5. ↑ The Carbon Cycle : Feature Articles
6. ↑ The Carbon Cycle : Feature Articles
7. ↑ Архивированная копия (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 28 апреля 2013. Архивировано 30 октября 2012 года.
8. ↑ http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-chapter7.pdf IPCC Fourth Assessment Report, Working Group I Report «The Physical Science Basis», Section 7.3.3.1.5 (p. 527)

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.

Ссылки

wikiredia.ru