Геохимический цикл углерода

В статье есть список источников, но не хватает сносок. Без сносок сложно определить, из какого источника взято каждое отдельное утверждение. Вы можете улучшить статью, проставив сноски на источники, подтверждающие информацию. Сведения без сносок могут быть удалены. (21 декабря 2016)

Геохимический цикл углерода — 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, продолжавшийся около 200 тысяч лет.

Углерод присутствует в природе в нескольких основных формах:

• восстановленная форма в виде метана и других углеводородов содержится в мантии, коре, атмо- и гидросфере
• в нейтральном состоянии в виде угля, графита, алмаза и карбида в коре и мантии
• в окисленной форме в виде углекислого газа, карбонатов и примеси в силикатах в мантии, коре и атмо- и гидросфере
• в виде сложных органических соединений углерод сосредоточен в 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.

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^[англ.] цикл доминировал, а углекислотный имел подчинённое значение. Углекислый газ атмосферы является источником углерода для других приповерхностных геосфер.

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, а также, 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.

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.

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.

Приблизительные оценки количества углерода в различных геологических резервуарах^[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
ископаемое топливо	~4130
нефть	636—842
природный газ	483—564
уголь	3100—4270

Различают быстрый и медленный углеродный цикл. Медленный поток углеродного цикла связан с захоронением углерода в горных породах и может продолжаться сотни миллионов лет. Около 80% углеродосодержащих горных пород образовались в Мировом океане из отложений частей организмов, содержащих карбонат кальция.^[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.)

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.

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

Прямые данные о дочетвертичных 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.

История изменения содержания СО₂ и СН₄ в а��мосфере 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.

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 3925 дней]}

• Углекислый газ в атмосфере Земли
• Поздне-палеоценовый термальный максимум
• Климат
• Изотопы углерода
• Стохастический резонанс
• Глобальное потепление

• 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.
• Роберт Хейзен. Симфония №6 Углерод и эволюция почти всего = Robert M. Hazen. Symphony in C: Carbon and the Evolution of (Almost) Everything / Анастасия Науменко. — М.: Альпина нон-фикшн, 2021. — 410 p. — ISBN 978-5-00139-283-5.

• Цикл углерода // Энциклопедия «Кругосвет».
• Круговорот углерода в природе  (неопр.).