Глобальный цикл углерода в биосфере Основы биогеохимии Тема 8 Д.Ю. Шишкина

Циклы массообмена элементов Существует глубокая связь химического состава земной коры, Мирового океана и атмосферы. Эта связь обусловлена процессами массообмена между геосферами. Процессы изначально носили циклический характер по причине суточных, сезонных, годовых и др. колебаний поступавшей от Солнца энергии. Источники поступления химических элементов в циклы массообмена: гипергенная мобилизация и выщелачивание из гранитного слоя континентальной коры; дегазация мантии, вынос вулканических газов. Элементы, выделявшиеся в виде газов, образовали газовую оболочку, гидросферу и живое вещество. Углерод, кислород, сера, азот. 2

Биогеохимические характеристики углерода Кларк в литосфере равен 2,3 × %, чистых известняках – 12%, каменном угле – 80, нефти 85%. Число собственных минералов – 112. В земной коре, в основном, находится в виде известняков и доломитов. Живое вещество является аккумулятором углерода. В растениях на его долю приходится 45%, в животных – 63% от массы сухого вещества. В гумусе почвы С составляет 58%. Наиболее распространенным соединением С является диоксид углерода СО 2, который ассимилируется зеленым листом растений в процессе фотосинтеза. В зоне гипергенеза, особенно в почвах, может накапливаться до 3% СО 2. С – 4-й по распространенности элемент в космосе (после H, He, O). 3

4

5

Распределение углерода в биосфере Резервуары Масса, 10 9 т (гига тонн) Атмосфера 668 Биомасса суши 900 Почва, всего В.т.ч. лесная подстилка 100 Торф 250 Гумус Океан, всего В т. ч. биомасса 4,0 Растворенное взвешенное органическое вещество Растворенные гидрокарбонат-ионы Земная кора, всего Осадочная оболочка, Сорг Осадочная оболочка, Скарб Гранитный слой континентального блока, всего

Потоки углерода 7

Фотосинтез Глобальный биогеохимический цикл углерода состоит из 2-х крупных циклов более низкого ранга. Первый обусловлен связыванием углекислого газа в органическое вещество путем фотосинтеза и новым образованием СО 2 в процессе трансформации первичного органического вещества организмами- гетеротрофами и почвенными микроорганизмами. Если бы этот цикл был полностью замкнутым, то количество поглощенного при фотосинтезе углекислого газа должно полностью возвращаться в исходный резервуар – атмосферу. 6CO 2 + 6H 2 O = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 На протяжении года живое вещество суши и океана поглощает около 440 × 10 9 т СО 2 или 120 × 10 9 т С орг, большая часть которого вновь возвращается в океан и атмосферу. 8

Взаимодействие СО 2 атмосферы и природных вод Между газами тропосферы и поверхностным слоем океана существует подвижное равновесие. Растворимость газов воде зависит от давления, температуры, а также от количества растворенных солей. Увеличение роста растворимости происходит по мере роста парциального давления согласно зависимости Дальтона-Генри. В пресной воде газы растворяются больше, чем в соленой, но из-за малого количества пресных вод на Земле в глобальном балансе СО 2 они играют скромную роль. Растворимость СО 2 уменьшается с возрастанием температуры: при 0°С растворяется 1,71 мл/л; при 25°С – 0,76. Среднее содержание углекислого газа, растворенного в морской воде, равно 0,75 мл/л. В отличие от других газов СО 2 вступает в химическое взаимодействие с морской водой. При этом образуется угольная кислота: СО 2 + Н 2 О Н 2 СО 3. Эта кислота двухосновная и диссоциирует ступенчато, образуя карбонат-гидрокарбонатную систему: Н 2 СО 3 Н + + НСО 3 - ; НСО 3 - Н + + СО

Массообмен СО 2 между атмосферой и океаном Углекислый газ активно растворяется в холодной воде приполярных районов океана. При охлаждении возрастает и плотность воды. Массы холодной воды опускаются на глубину и в виде мощных холодных течений перемещаются к экватору. Они постепенно нагреваются, уменьшают плотность, поднимаются наверх и освобождаются от избытка СО 2. Океан действует как грандиозный насос, забирая СО 2 из атмосферы в холодных областях и отдавая его в тропических областях. На массообмен СО 2 между поверхностным слоем океана и тропосферой весьма активно влияют живое вещество планктона, освещенность, сезонно-термические условия. Определенный вклад в массообмен углерода между атмосферой и океаном вносит захват гидрокарбонатов ветром с брызгами волн и возвращение их в океан с атмосферными осадками. Полная карбонат-гидрокарбонатная система включает образование карбоната кальция: Атмосфера СО 2 Океан Н 2 О Н 2 СО 3 Н + + НСО 3 - Н + + СО Са 2+ СаСО 3 10

Фракционирование изотопного состава углерода Масса земного углерода состоит из двух стабильных изотопов 12 С и 13 С и исчезающее малых количеств 14 С (радиоактивный с периодом полураспада 5730 лет). Соотношение 12 С : 13 С варьирует в разных природных объектах от 88 до 94. В живом веществе около 90,5; в углекислом газе атмосферы и гидросферы 89,5; в карбонатных отложениях 88,6. Во время фотосинтеза происходит более быстрое поглощение легкого изотопа 12 С и вследствие этого обогащение им углерода органического вещества. Особенно активно этот процесс происходит под влиянием микробиологических процессов. По этой причине метан микробиологического происхождения максимально обогащен легким изотопом. Так как фотосинтезируемое органическое вещество захватывает 12 С, карбонаты обогащены тяжелым изотопом 13 С. 11

Соотношение масс органического и карбонатного углерода На протяжении огромного времени происходило закономерное распределение исходного СО 2 между фотосинтезом и образованием карбонатов. При этом более 80% углерода, поступавшего в атмосферу при дегазации мантии, связывалось в карбонатах. Соотношение масс С к и С орг является важным показателем, который характеризует «лимит роста» живого вещества на разных этапах геологической истории. Соотношение масс карбонатного и органического углерода закономерно уменьшалось на протяжении последних 1,6 млрд. лет. Так, в толще осадков верхнего PR ( млн. лет) отношение С к : С орг = 18; в осадочной толще PZ ( млн. лет) – 11; в осадках MZ ( млн. лет) – 5,2; KZ – 2,9. Неуклонное возрастание относительного содержания органического вещества во взвесях, выносимых реками с древней суши, свидетельствует об увеличении продуктивности наземных фотосинтезирующих организмов и о постепенном усилении роли растительности Мировой суши в глобальной фиксации СО 2. Карбонатообразование и фотосинтез органического вещества имеют общую направленность на удаление из атмосферы СО 2, непрерывно поступающего из мантии. Возможно, что эти процессы являются частью глобального механизма поддержания невысокой концентрации СО 2 в газовой оболочке Земли. 12