Глобальный круговорот углерода

Круговороты СO₂ и воды в глобальном масштабе представляют собой, вероятно, самые важные для человечества биогеохимические круговороты. Для обоих характерны небольшие, но весьма подвижные фонды в атмосфере, определяющие погоду и климат и высокочувствительные к антропогенным нарушениям.

В круговороте СO₂ (рис. 2) атмосферный фонд очень невелик в сравнении с запасами углерода в океанах, в ископаемом топливе и других резервуарах земной коры. Круговорот СО₂ быстрый; время пребывания в атмосфере составляет около 4 лет. Полагают, что до наступления индустриальной эры потоки углерода между атмосферой, материками и океанами были сбалансированы. Но за последние сто лет содержание СO₂ постоянно растет в результате новых антропогенных поступлений. Основным источником этих поступлений считается сжигание горючих ископаемых, однако свой вклад вносят также развитие сельского хозяйства и сведение лесов. Фиксация СO₂ сельскохозяйственными культурами (многие из которых активны лишь часть года) не компенсирует количества СO₂, высвобождающиеся из почвы, особенно в результате частой вспашки. Сведение леса высвобождает углерод, накопленный в древесине, и приводит к окислению гумуса в почве.

Недавно обнаружено влияние СО₂ на круговорот других элементов питания. Например, Нельсон (Nelson, 1967), исследуя раковины двустворчатых моллюсков, показал, что в результате сведения лесов и распашки земель уменьшилось количество некоторых микроэлементов в почвенных водах. Это обусловлено уменьшением потока воды, насыщенной углекислотой, в почве. Вода в настоящее время быстро стекает по поверхности почвы, а не фильтруется через гумусовые слои.

Фотосинтезирующий «зеленый пояс» Земли и карбонатная система моря поддерживают постоянный уровень содержания СО₂ в атмосфере. Но стремительно возрастающее потребление горючих ископаемых вместе с уменьшением поглотительной способности «зеленого пояса» начинает превосходить возможности природного контроля, так что содержание СО₂ в атмосфере сейчас постепенно возрастает. Полагают, что в начале промышленной революции (примерно 1800 г.) в атмосфере Земли содержалось около 290 частей СО₂ на миллион (0,29%). В 1958 г., когда были впервые проведены точные измерения, содержание СО₂ составляло 315, а в 1980 г. оно выросло до 335 частей на миллион. Если концентрация СО₂ вдвое превысит доиндустриальный уровень, что может случиться к середине XXI века, вероятно потепление климата Земли. В следующем веке установится новое, но ненадежное равновесие между увеличением содержания СО₂ (способствующего разогреву Земли) и усилением загрязнения атмосферы пылью и другими частицами, отражающими излучение и этим охлаждающими Землю.

Кроме СО₂ в атмосфере присутствуют в небольших количествах еще два углеродных соединения: окись углерода (СО) — примерно 0,1 части на миллион и метан (СH₄) — около 1,6 части на миллион. Как и СО₂, эти соединения находятся в быстром круговороте и потому имеют небольшое время пребывания — около 0,1 года для СО, 3,6 года для СH₄. В норме они образуются при неполном или анаэробном разложении органического вещества и быстро окисляются до СО₂ в атмосфере. Количество СО, образующегося сейчас при неполном сгорании горючих ископаемых, сравнялось с количеством СО, попадающим в атмосферу в результате естественного разложения. Окись углерода — смертельный яд для человека. Накопление его в глобальном масштабе не представляет собой угрозы, но в городах, где воздух застаивается, повышение концентрации этого газа в атмосфере начинает становиться угрожающим. Концентрации до 100 частей на миллион не так редки в районах с сильным автомобильным движением (курильщик, потребляющий в день пачку сигарет, получает до 400 частей на миллион, что уменьшает содержание оксигемоглобина в его крови на 3%, а это может привести к анемии и другим связанным с нехваткой кислорода заболеваниям сердечно-сосудистой системы).

Метан, как полагают, имеет полезную функцию: он поддерживает стабильность озонового слоя в верхней атмосфере, который блокирует смертельно опасное ультрафиолетовое излучение Солнца. Производство метана — одна из важных функций водно-болотистых угодий и мелководных морей мира.