Круговорот углерода в природе история создания. Закономерная цикличность: как происходит круговорот углерода в природе

Круговорот углерода в природе

Важнейшие биогеохимические круговороты

Углерод - основная составля­ющая углеводов, белков, нуклеиновых кислот и других жизненно важных органических соединœений.

В основе круговорота угле­рода в природе в основном лежат реакции окисления и восста­новления углерода. Принципиальная схема круговорота углерода в приро­де приведена на рис. 3.

Углекислый газ из атмосферы в процессе фотосинтеза превращается в органическое вещество растений:

Расте­ния (органическое вещество) поедаются животными:

Органическое вещество в ре­зультате (сжигания) жизнедеятельности организмов, разложения трупов и дру­гих процессов выделяется в атмосферу в виде СО 2 (и Н 2 О), и запасается в виде гумуса, торфа. Последние являются основой превра­щения их в каменные угли, нефть и газы.

Источниками поступления углекислого газа в атмос­феру является также вулканическая деятельность, разложение органических веществ, Мировой океан и деятельность че­ловека, связанная со сжиганием угля, нефти, газа.

Круговорот углерода в гидросфере значительно сложнее континœентального, поскольку возврат этого элемента в виде СО 2 зависит от поступления кислорода в верхние слои воды как из атмосферы, так и из нижелœежащей толщи воды. По этой причине в целом показатели годичного круговорота углерода в Мировом океане почти вдвое ниже, чем на суше.

В водных сис­темах огромное количество угольной кислоты (Н 2 СО 3) за­консервировано в виде известняков и других пород. Часть углерода ускользает из круговорота и «уходит в геоло­гию» в виде торфа, угля, нефти и карбонатных отложе­ний водных систем.

Между сушей и Мировым океаном происходит постоянная миграция углерода. Здесь преобладает его вынос с суши в океан в виде карбонатов и органических соединœений. Поступление углерода из Мирового океана на сушу осуществляется только в виде СО 2 , переносимого воздушными течениями. СО 2 атмосферы и гидросферы полностью обменивается живыми организмами за 395 лет.

Суммарное количество СО 2 (т) составляет:

в атмосфере - 2,3 ∙10 12

в Мировом океане - 1,3 ∙10 14

в литосфере (в связанном состоянии) - 2 ∙10 17

в живом веществе биосферы - около 2,3 ∙10 12

Рис.3. Схема круговорота углерода

Основные отрицательные последствия нарушения кру­говорота углерода человеком проявляется в сокращении площадей лесов, разрушении почвы, сжигании топлива. Часть углерода накапливается в атмосфере в форме угле­кислого газа и метана, обуславливая парниковый эффект.

За геологический период с момента появления жизни на Земле углерод атмосферы и гидросферы неоднократно прошел через живые организмы. В течение 3-4 лет растения усваивают столько углерода, сколько его содержится в атмосфере. Следовательно, за четыре года может обновиться углеродный состав атмосферы, и условно можно считать, что углерод атмосферы за данный срок завершает свой цикл (Гришина, 1976). Цикл углерода гумосферы охватывает 300-400 лет. При этом цикл биологического круговорота углерода не замкнут: данный элемент часто выходит из круговорота на длительный срок в виде карбонатов, торфов, углей, гумуса. С другой стороны нарушение цикла происходит и благодаря поступлению в атмосферу глубинного углекислого газа и окиси углерода.

После рассмотрения свойств и особенностей углеродсодержащих соединœений следует еще раз подчеркнуть ведущую роль углерода-органогена № 1:

во-первых, атомы углерода формируют скелœет молекул органических соединœений;

во-вторых, атомы углерода играют ключевую роль в окислительно-восстановительных про­цессах, поскольку среди атомов всœех органогенов именно для углерода наиболее характерна окислительно-восстановительная двойственность.

Углерод существует в природе во многих формах, в том числе в составе органических соединений. Неорганическое вещество, лежащее в основе биогенного круговорота этого элемента, – диоксид углерода (СО 2). Он входит в состав атмосферы, а также находится в растворенном состоянии в гидросфере.

Основная масса углерода в земной коре находится в связанном состоянии. Важнейшие минералы углерода – карбонаты, количество углерода в них оценивается в 9,6·10 15 т. Разведанные запасы горючих ископаемых (уголь, нефть, шунгит, битумы, торф, сланцы, газы) содержат около 1·10 13 т углерода, что соответствует средней скорости накопления 7 млн т /год. Это количество по сравнению с массой циркулирующего углерода незначительное и как бы выпадает из круговорота и теряется в нем.

Круговорот углерода – самый интенсивный. Источником первичной углекислоты биосферы считается вулканическая деятельность. В современной биосфере на выделение СО 2 из мантии Земли при вулканических извержениях приходится не более 0,01 %, и одним из основных источников углекислоты в атмосфере является дыхание. Включение углерода в состав органических веществ происходит благодаря растительным фотосинтезирующим организмам. Растительность постоянно обменивается веществом и энергией с атмосферой и почвой и, таким образом, круговорот углерода представляет собой сложную взаимозависимую цепь обменных процессов в системе «атмосфера-растительность-почва-атмосфера».

В круговороте углерода можно выделить два важнейших звена, имеющих планетарные масштабы и связанные с выделением и поглощением кислорода (рис. 11):

фиксация СО 2 в процессе фотосинтеза и генерация кислорода (агенты – растения);

минерализация органических веществ (разложение до СО 2 ) и затрата кислорода (основные агенты – микроорганизмы; на животных, например, приходится от 4 до 10–15 % эмиссии углекислоты).

Микроорганизмы и животные-деструкторы разлагают мертвые растения и погибших животных, в результате чего углерод мертвого органического вещества окисляется до диоксида углерода и снова попадает в атмосферу. Вклад почвенного дыхания (включая дыхание корней и биоты) в общую респирацию экосистемы может составлять от 40 до 70 %. При определенных условиях в почве разложение накапливающихся мертвых остатков идет замедленным темпом – через образование сапротрофными организмами гумуса, минерализация которого может идти с различной, в том числе и с низкой, скоростью.

Рис. 11. Круговорот углерода (по Ф. Рамад, 1981)

В некоторых случаях цепь разложения органического вещества бывает неполной. В частности, деятельность деструкторов может подавляться недостатком кислорода или повышенной кислотностью. В этом случае органические остатки накапливаются в виде торфа; углерод не высвобождается и имеет место его консервация. Аналогичные ситуации возникали и в прошлые геологические эпохи, о чем свидетельствуют отложения каменного угля, нефти, горючих сланцев, торфа и др.

Особенность круговорота углерода состоит в консервацииэлемента. В далекие геологические эпохи, сотни миллионов лет назад, значительная часть органического вещества, созданного в процессах фотосинтеза, накапливалась в литосфере в виде ископаемого топлива. Сжигая его, мы в определенном смысле завершаем круговорот углерода.

Таким образом, по разным оценкам, в среднем за год в процессе фотосинтеза связывается 60 млрд т углерода, в процессе разложения органического вещества высвобождается 48 млрд т углерода, поступает в почву и «консервируется» в многолетних фитоценозах 10 млрд т, погребается в осадочной толще литосферы (включая реакции диоксида углерода с горными породами) 1 млрд, поступает в результате сжигания топлива 4 млрд т углерода.

Основные накопители углерода на Земле – леса: в биомассе лесов приблизительно в 1,5, а в лесном гумусе – в 4 раза больше углерода, чем в атмосфере. Особое планетарное значение в аккумуляции углерода имеют тропические и бореальные леса (табл. 4).

Таблица 4

Запасы углерода в основных биомах планеты

Северные леса имеют особое общепланетарное значение. Их роль в регулировании атмосферы и климата сейчас общепризнана. Косвенные данные об углеродном балансе свидетельствуют о высокой степени накопления углерода лесными экосистемами северных широт – в них сосредоточено около 33 % глобальных запасов углерода. Хотя бореальные леса и уступают тропическим по площади и запасам фитомассы, по своему воздействию на биосферу и параметрам углеродного цикла они существенно превосходят тропические экосистемы. Вследствие особенностей климатических условий бореальные леса аккумулируют углерод не только в фитомассе, но и в почвенном органическом веществе, в результате чего его связывание в процессе фотосинтеза превышает эмиссию в атмосферу за счет дыхания и минерализации органических остатков. На долю лесов России приходится 73 % площади бореальной зоны мира. Причем 42 % сосредоточено в Сибири. Суммарная аккумуляция углерода в лесных экосистемах Центральной Сибири (территория Красноярского края) составляет 15 879 млн т (156 тС/га лесопокрытой территории), в том числе на надземную и подземную фитомассу приходится 26 %, остальное аккумулировано в органическом веществе верхней 50-сантиметровой толщи почв (22 % в мертвых растительных остатках, 52 % – в гумусе).

Круговорот углерода совершается и в водной среде. Но здесь он более сложен по сравнению с континентальным, поскольку возврат этого элемента в форме СО 2 зависит от поступления кислорода в верхние слои воды как из атмосферы, так и из нижележащей толщи.

В целом показатели годичного круговорота массы углерода в Мировом океане почти вдвое ниже, чем на суше. Между сушей и океаном постоянно идут процессы миграции углерода, в которых преобладает вынос его в форме карбонатных и органических соединений с суши в океан. Из Мирового океана на сушу углерод поступает в незначительных количествах в форме СО 2 , выделяемого в атмосферу. Углекислый газ атмосферы и гидросферы обменивается и обновляется живыми организмами за 395 лет.

До наступления индустриальной эры потоки углерода между атмосферой, сушей и океаном были сбалансированы. Влияние человека на круговорот углерода проявилось в том, что с развитием индустрии и сельского хозяйства поступление СО 2 в атмосферу стало расти за счет антропогенных источников.

Главная причина увеличения содержания СО 2 в атмосфере - это сжигание горючих ископаемых, однако свой вклад вносят и транспорт, и уничтожение лесов. Миллиарды тонн углекислоты ежечасно поступают в атмосферу при сжигании дров, угля, нефти, газа. Энергетический бум ХХ в. увеличил содержание углекислоты в атмосфере на 25 %, метана – на 100 %.

При уничтожении лесов содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается при непосредственном сжигании древесины, за счет снижения фотосинтеза и при окислении гумуса почвы (если на месте лесов распахивают поля или строят города). Сокращение площадей лесов из-за рубок и пожаров, отчуждение лесных земель под разные виды строительства снижают секвестр углерода растительным покровом.

Антропогенное воздействие на баланс углерода проявляется и в сельскохозяйственной деятельности, приводя к потере углерода в почве, так как фиксация (связывание) СО 2 из атмосферы агрокультурами в течение лишь части года не компенсирует полностью высвобождающийся из почвы углерод, который теряется при окислении гумуса (результат частой вспашки).

Повышение концентрации углекислого газа в атмосфере за последнее столетие, не сопровождаемое увеличением запасов фитомассы растительного покрова, свидетельствует о потере компенсаторных способностей биосферы.

Всем известны законы сохранения энергии и сохранения материи.

Атомы различных химических элементов переходят из одного соединения в другое, но ни материя, ни энергия не исчезают: они участвуют только в своеобразных круговоротах.

Одним из таких круговоротов, обусловленных наличием жизни на Земле и действием солнечной энергии, является круговорот углерода .

Воздух у поверхности Земли содержит ничтожное количество (6,03 процента) углекислого газа, или, иначе, углекислоты. Благодаря хлорофиллу в зеленых частях растений происходит образование богатых энергией веществ за счет соединения углекислоты воздуха и воды. Таким образом, углекислый газ постоянно связывается и удаляется из атмосферы.

И тут может возникнуть вопрос: а не наступит ли такой момент, когда воздух лишится углекислоты и растения не смогут жить на Земле?

На этот вопрос можно ответить точным подсчетом. Общее количество углекислоты в земной атмосфере равно приблизительно 1 500 миллиардам тонн. В этом количестве углекислоты содержится 410 миллиардов тонн углерода. Кстати, в разведанных запасах каменного угля углерода гораздо больше.

Годовое производство пищевого сахара во всем мире содержит около 10 тысяч тонн углерода. Стало быть, сахарное производство могло бы связать всю углекислоту воздуха за 41 миллион лет! И тогда жизнь зеленых растений прекратилась бы, а вслед за этим погибли бы от голода и остальные живые существа. Но это никогда не может произойти, потому что одновременно со связыванием углерода идет и обратный процесс - его освобождение.

Когда растение умирает, тело его становится достоянием бесчисленных и вездесущих бактерий. Происходят процессы брожения и гниения; они приводят к тому, что весь связанный углерод освобождается и в виде углекислоты возвращается в атмосферу.

Часть богатых энергией углесодержащих соединений попадает в пищу животным. Поедая сахароподобиые вещества - крахмал, клетчатку и прочее, они используют находящуюся в них энергию, а углерод в виде углекислоты возвращают в атмосферу.

Но случается иногда и так, что большие количества углерода надолго выходят из круговорота: иначе значительные массы растительного вещества скопляются в таких условиях, при которых разложение их микроорганизмами (гниение) не происходит. Так образуется, например, торф на дне болота, где без доступа воздуха происходит обугливание, то есть накопление углерода. Подобным образом под наслоением песка и глин обугливались массы растительных остатков и образовали каменный уголь.

Образование нефти в результате разложения животных и растительных остатков также связывает углерод.

Весьма значительные количества углерода и с ним энергии оказываются упрятанными глубоко в недрах земли, где они ждут человека, который извлечет эти богатства на поверхность земли. Сжигая уголь и торф, мы освобождаем энергию и возвращаем атмосфере соответственное количество углекислого газа. Он снова связывается растениями и вновь входит в общий круговорот углерода.

Кроме образования каменного угля, торфа и нефти, существует еще один процесс, который сопровождается «пленением» больших количеств углерода: он заключается в образовании гигантских отложений мела и известняка. Огромные массы морских животных - кораллы, моллюски и т. д. - связывают растворенный в воде кальций с углекислотой: образуют раковины и другие виды наружных скелетов жителей моря. Умершие морские животные устилают своими скелетами-раковинами дно морей и океанов. В результате возникают мощные отложения мела, известняка и со дна морей поднимаются коралловые рифы. Эти процессы совершаются в продолжение многих миллионов лет. Там, где когда-то шумели волны, сейчас поднимаются целые горы из известняка и мела. Эти горы являются огромными запасами связанной углекислоты.

Важную роль в жизнедеятельности живых организмов играет круговорот углерода в природе. Углерод входит в состав всех органических веществ и участвует в большинстве химических и физических процессов планеты.

Общее описание

Углерод - шестой элемент периодической таблицы Менделеева с относительной атомной массой 12. Углерод находится в четвертой группе и проявляет постоянную валентность IV. Это активное вещество, вступающее в реакцию с металлами, неметаллами, оксидами, кислотами.

В природе встречается в виде твёрдых веществ в составе горных пород. Элемент имеет несколько аллотропных модификаций - графит, алмаз, сажа, уголь. Большая часть газообразного углерода находится в атмосфере. Соединяясь с кислородом, образует угарный и углекислый газы.

Рис. 1. Аллотропные модификации углерода.

Угарный газ (СО) - ядовитое вещество без цвета, запаха, вкуса. Соединяясь с гемоглобином крови, нарушает клеточное дыхание, что приводит к удушению.

Значение углерода

Углерод входит в состав угольной кислоты (H 2 CO 3), соды (Na 2 CO 3), всех органических соединений. Это один из жизненно важных элементов. Углерод участвует в процессах дыхания, синтеза веществ, энергетического обмена.

В живых организмах элемент содержат:

• ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота);
• нуклеиновые кислоты;
• аминокислоты;
• АТФ (аденозинтрифосфат) - универсальный источник энергии;
• липиды и жирные кислоты.

Рис. 2. Структурные формулы ДНК и АТФ.

Благодаря четырём валентным электронам атом углерода способен образовывать четыре связи с атомами различных элементов. Именно этим объясняется распространённость элемента в природе в составе сложных веществ.

Круговорот

Краткая схема круговорота углерода в природе:

• углекислый газ используется растениями для фотосинтеза;
• продуктом фотосинтеза являются органические вещества, в частности углеводы;
• углерод попадает в тело травоядных животных, затем - хищников;
• обратно элемент возвращается в природу при дыхании животных и после их смерти в результате гниения (осуществляют бактерии, грибы).

Рис. 3. Схема круговорота углерода в природе.

Общее количество углерода в природе можно разделить на четыре части:

• оставшийся в составе клеток растения;
• находящийся в животных клетках;
• высвободившийся в атмосферу при дыхании или сжигании топлива;
• отложившийся в грунте, куда попадает в результате разложения.

Углекислый газ (СО 2) является конечным продуктом метаболизма. Он образуется в процессе дыхания и полного распада углеводов, жиров, аминокислот. Из клетки с током крови углекислый газ попадает в лёгкие, а оттуда - в атмосферу при внешнем дыхании.

Углекислый газ - продукт не только жизнедеятельности живых организмов. Газ образуется при сжигании органического топлива - нефти, природного газа, древесины, угля. При попадании углекислого газа в атмосферу круговорот элемента начинается заново.4.1 . Всего получено оценок: 65.

Мы не беремся однозначно утверждать, что деятельность человека является основной причиной глобального изменения климата, но также глупо было бы утверждение того, что человек не влияет на окружающую среду. Мы стараемся рассматривать имеющиеся у нас факты и знания, и делиться ими с нашими читателями. Разные существуют мнения по поводу влияния парниковых газов на повышение средней годовой температуры на Земле. Кто-то считает это всемирным заговором , целью которого является передел сфер влияния на рынке энергоресурсов и в целом промышленности, кто-то видит в этом испытания метеорологического оружия. Наша задача донести до Вас различные мнения и фактическую информацию, чтобы Вы самостоятельно могли формировать свое мнение.

Одно остается неоспоримым: мы влияем на нашу планету и жизнь на Земле сильно и непосредственно, и в наших руках менять силу и направление этого воздействия - сделать эту планету цветущим оазисом или малопригодной для жизни пустыней. На мой взгляд, современный уровень технологий вполне позволяет каждому из нас включиться в процесс создания экологически дружественного общества и начать, как это обычно бывает, необходимо с себя.

В этой статье мы расскажем про углерод – основной строительный кирпичик жизни. И почему нас так пугают, тем из чего состоят все живые формы на Земле.

Глобальный круговорот углерода в природе можно разделить на две основные категории: геологический, временной цикл которого исчисляется миллионами лет, и значительно более быстрый – биологический с временным циклом от нескольких дней до нескольких тысячелетий. Мы, люди, имеем влияние на обе эти категории.

Глобальный углеродный круговорот являет собой перемещение углерода между различными «резервуарами», и происходит благодаря множеству различных химических, физических, геологических и биологических процессов. Поверхность современного океана является наиболее активным буфером обмена углерода на Земле, однако на больших глубинах такого быстрого обмена с атмосферой происходить не может.

На диаграмме Вы можете проследить основные направления движения и места залегания углерода в экосистеме Земли. Обычно принято выделять четыре основных места концентрации углерода, это:

• · Атмосфера
• · Наземная биосфера, включающая неживой органический материал, такой как почва и осадочные породы
• · Океаны, которые содержат углерод в растворенном виде и живую и неживую морскую органику
• · Ископаемые ресурсы органического происхождения.

В атмосфере Земли углерод преимущественно существует в виде диоксида (CO2). И хотя его содержание кажется ничтожно малым (около 0.04% и по утверждениям ученых продолжает расти), он играет важнейшую роль в поддержании жизни на Земле. Существует еще несколько газов, таки как, например метан, содержащих углерод, которые также играют свою роль в углеродном обмене. В концепции теории глобального потепления эти газы называют парниковыми, и считается, что именно повышение концентрации этих газов приводит к парниковому эффекту и как следствие к глобальному повышению температуры.

Углерод. Куда он девается?

1. Солнечный свет позволяет растениям поглощать углекислый газ из атмосферы благодаря явлению фотосинтеза, выделяя в атмосферу кислород. Наиболее активными, эффективными и долговечными «хранителями» углерода являются деревья. В процессе развития и роста деревья очень быстро поглощают и накапливают углерод, а в зрелом возрасте способны хранить его сотни лет. Поэтому сохранение и умножение лесов – одна из важнейших задач сохранения и поддержания глобального углеродного баланса.

2. Ближе к полюсам поверхность океанов становится прохладнее, а CO2 более растворимым. В холодных водах океана углекислый газ поглощается, а при повышении температуры воды у поверхности приводит к выделению излишков газа в атмосферу. Вот почему повышение средней глобальной температуры может ускорить процесс нарушения природного баланса углерода в атмосфере.

3. В верхних слоях океана находятся наиболее продуктивные живые организмы, чьи ткани, органы и раковины строятся на основе углерода, и тем самым абсорбируют атмосферный углерод, растворенный в верхних слоях воды. Наряду с лесами на суше, морские живые организмы - это важнейшие «утилизаторы» атмосферного углерода. Мировой океан содержит около 36000 гигатонн углерода. Потепление же морской воды препятствует привычному формированию живых организмов, тем самым снижая темпы поглощения углерода.

4. По мере того как морские обитатели погибают, твердые части их тел, такие как раковины, клешни и кости оседают на морское дно, формируя залежи осадочных пород – своего рода долгосрочный углеродный депозит.

Углерод. Откуда он берется?

Углерод возвращается в оборот несколькими различными способами.

1. Дыхание животных и растений.

2. Разложение животных и растений. Этим занимаются бактерии, превращая части мертвых организмов животных и растений в углекислый газ в присутствии кислорода или метан в противном случае.

3. Ну и кончено, сжигание ископаемого органического топлива: нефть, уголь, торф и природный газ. За эту часть выбросов несет ответственность человечество и наша с Вами цивилизация. И именно этой части экологи приписывают все возможные грехи. С доводами экологов трудно не согласится, особенно, учитывая масштабы этого действа . Добавьте к этому лесные пожары, причиной которых тоже зачастую становятся люди.

4. Производство цемента приводит к выбросу углерода в атмосферу при нагревании карбоната кальция (известняка, CaCO3).

5. Нагревание поверхности океанов приводит дополнительному выделению углекислого газа из морской воды.

6. Ну и конечно, вулканическая деятельность – неотъемлемая часть углеродного цикла. Вулканы выбрасывают пар, углекислый газ и диоксид серы.

Ну углерод, и что?

Как мы видим углекислый газ это не яд , не загрязняющий фактор, а естественная и необходимая часть жизненного цикла нашей планеты. Почему же нас беспрерывно пугают этим страшным CO2, используя практически все источники информации? Мы не собираемся здесь разоблачать мировой заговор правящей верхушки, но я думаю, сможем объяснить, почему именно углекислый газ выбран в качестве фактора «устрашения». Уровень влияния человека, предприятия, страны, цивилизации на природу необходимо как-то измерять, так как это влияние не может более оставаться незамеченным и не учтенным. А уровень выбросов углекислого газа и является той удобной и универсальной мерой. Мы можем измерить, сколько энергии затрачивается на производство товара или услуги, но на сколько чистой была эта энергия нам помогает определить именно количество углерода выброшенного в атмосферу при получении конечного продукта.

Для этой цели и был введен термин углеродного следа (carbon footprint), показывающий, сколько стоит экологии тот или иной продукт, услуга или иная человеческая деятельность.Например, доставка почты с помощью электромобиля , почтальона на велосипеде или грузовика с двигателем внутреннего сгорания для конечного получателя закончится одинаково – конвертом в почтовом ящике, но результат для экологии в целом будет отличаться в десятки, а, то и в сотни раз. Когда Вы выйдете забирать почту доставленную классическим грузовиком, Вы будете вдыхать уже совершенно другой воздух, и с каждой следующей доставкой он не будет становиться лучше. Так что, по возможности используйте электронную почту. Ибо доставка электронного письма оставляет наименьший экологический след .