Геохимический цикл углерода

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:

• восстановленная форма в виде метана и других углеводородов он содержится в мантии, коре, атмо- и гидросфере
• в нейтральном состоянии в виде 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 биоорганических соединений углерод сосредоточен в биосфере, почве, и океане.

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.

Потоки углерода между резервуарами

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

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