Круговорот углерода в природе

extra_toc

В этой статье мы поговорим про круговорот углерода в природе. Вообще, правильнее называть его «геохимический цикл углерода», но и круговорот тоже верно. Это процесс, в ходе которого углерод поэтапно перемещается между живыми организмами и всеми оболочками нашей планеты. Ниже мы рассмотрим все этапы, а также его роль более подробно.

Что такое углеродный цикл?

Углеродный цикл перерабатывает углерод вокруг Земли между различными резервуарами, что помогает регулировать глобальные температуры и делает возможной жизнь. Углерод — один из самых распространенных элементов на Земле, который существует во многих формах. Этот углерод хранится в резервуарах по всему миру, в том числе:

  • Атмосфере.
  • Океанах.
  • Биосфере.
  • Литосфере.

Круговорот углерода - это движение углерода между этими резервуарами. Углекислый газ играет очень важную роль в круговороте углерода. Большую часть углерода в атмосфере составляет углекислый газ, и он играет важную роль во многих обменных процессах. Метан является еще одной важной частью углеродного цикла, выбрасываемого естественным путем из водно-болотных угодий и искусственно из ископаемого топлива и сельского хозяйства.

Более сложные молекулы, такие как летучие органические соединения, также являются частью углеродного цикла как из природных, так и из искусственных источников. Углеродный цикл в основном представляет собой замкнутую систему, поэтому он не теряет и не получает углерод из космоса. Это означает, что если один резервуар теряет углерод, другие резервуары его получают. Так и получается круговорот. Существует множество процессов, которые перемещают углерод между резервуарами.

Схема круговорота углерода на нашей планете
Схема круговорота углерода

Почему круговорот углерода важен?

Круговорот углерода играет ключевую роль в регулировании климата Земли и делает планету пригодной для жизни. Удаляя углерод из литосферы, он становится доступным для живых существ, что делает жизнь возможной. Мы также знаем, что углекислый газ является наиболее важным парниковым газом, образующимся в результате деятельности человека, поэтому его судьба в климатической системе очень важна.

Перемещение углерода из одного резервуара в другой также может замедлять и распространять климатические изменения, вызванные изменениями уровня углекислого газа. Например, в результате деятельности человека в атмосферу было выброшено большое количество углекислого газа, но океаны поглощают часть этого количества. Это снижает воздействие на глобальные температуры, но также приводит к закислению океана, что угрожает некоторым морским существам и экосистемам.

Уровни углекислого газа в атмосфере в настоящее время являются самыми высокими за последние 2 миллиона лет и продолжают быстро расти. Продолжающиеся выбросы углекислого газа в атмосферу из-за деятельности человека могут нарушить баланс между различными резервуарами в углеродном цикле. Это вызовет изменения в процессах переноса углерода, что приведет к некоторым из многих известных последствий изменения климата .

Процесс углеродного цикла

Многие ключевые процессы происходят одновременно для перемещения углерода между резервуарами. Естественно, эти резервуары уравновешены и поддерживают устойчивый обмен углерода с небольшими изменениями между ними. То есть, система является саморегулирующейся. Однако деятельность человека изменила некоторые из этих процессов. А вот перечень этих процессов (этапов):

  • Углекислый газ в атмосфере растворяется в верхнем слое океана и выветривается с такой же скоростью в естественных условиях.
  • Растения поглощают углекислый газ и превращают его в сахара в процессе фотосинтеза.
  • Фотосинтез перемещает углерод из атмосферы (или океана с водорослями) в биосферу. Животные, которые едят растения, поглощают этот углерод.
  • Углерод также может откладываться в почвах и отложениях ископаемого углерода, таких как уголь, нефть и торф, которые когда-то были живыми растениями.
  • Подавляющее большинство живых существ выделяют углекислый газ при дыхании. Это побочный продукт производства энергии в клетках. Это перемещает углерод из биосферы в атмосферу.
  • Когда микробы, грибы или другие редуценты переваривают мертвых животных и растения, они также дышат. Это высвобождает углерод и возвращает его в атмосферу в виде углекислого газа.
  • Углекислый газ является основным продуктом горения чего-либо. Это перемещает углерод из биосферы (а иногда и из почвы или торфа) в атмосферу. Сжигание ископаемого топлива людьми резко увеличило выбросы углерода в результате сжигания, став основным источником углекислого газа.
  • Атмосферный углекислый газ растворяется в дождевой воде, делая ее слегка кислой. Это растворяет горные породы, позволяя углероду течь вниз по рекам и в океан, откладываясь в новых горных породах — обычно в карбонате кальция. Это перемещает углерод из атмосферы в литосферу.
  • Извергающиеся вулканы выделяют углекислый газ из расплавленных пород в земной коре. Это перемещает углерод из литосферы в атмосферу.

Роль океанов в круговороте углерода

Океаны играют ключевую роль в углеродном цикле, и многие процессы перемещают углерод между океанами и другими резервуарами. Одним из самых простых взаимодействий является газообмен на поверхности океана. Углекислый газ в атмосфере может растворяться в воде и естественным образом выделяется с такой же скоростью. Это создает запас углерода в поверхностных водах, который взаимодействует с фотосинтезом и дыханием как частью водной жизни.

Запасы углерода на поверхности воды отделены от глубин океана термоклином. Термоклин представляет собой слой на глубине примерно 1000 метров, который отделяет бурные, хорошо перемешанные поверхностные воды от более спокойных вод на глубине. Углеродный обмен между этими зонами происходит медленнее, чем с атмосферой, но глубокое море по-прежнему представляет собой более крупный резервуар углерода из-за своего размера.

Углерод в океане, в том числе в его глубинах, также может вступать в реакцию с отложениями, смытыми в океан с суши. Это создает новые залежи горных пород, в основном из карбоната кальция. Это перемещает углерод из океанов в литосферу. Увеличение содержания углекислого газа в атмосфере приводит к большему поглощению углерода океанами, изменяя его химический состав.

Облака над океаном, поверхность океана

Фотосинтез и его роль

Растения поглощают углекислый газ в процессе фотосинтеза, превращая его в сахара для использования в пищу. Этот процесс удаляет большое количество углерода из атмосферы и связывает его с растительной биомассой. Поглощение углерода путем фотосинтеза составляет основу большинства пищевых цепей, так как животные часто поедают эти растения. Углерод, хранящийся в растениях, которые не съедаются, вносит свой вклад в богатство почвы, которое может храниться еще дольше.

Кислая почва с низким содержанием кислорода замедляет разложение органических веществ, особенно если она переувлажнена. Это может стать торфом, который почти полностью состоит из органических веществ, хранящих углерод, поглощенный им под землей. За миллионы лет эта богатая углеродом почва может стать ископаемым топливом, таким как уголь, нефть и газ, когда она будет погребена под большим количеством отложений и подвергнута воздействию тепла и давления под землей.

Сжигание этого топлива высвобождает углерод, который первоначально был поглощен из атмосферы, когда растения поглощают углекислый газ в результате фотосинтеза, часто много сотен миллионов лет назад.

Дыхание в круговороте углерода

В то время как фотосинтез забирает углекислый газ из атмосферы, аэробное дыхание делает обратное. Он возвращает углекислый газ в атмосферу, расщепляя сахара. Большинство организмов, включая растения, выделяют углекислый газ в атмосферу в ходе своих обычных жизненных процессов. Растения первоначально улавливают этот углерод из атмосферы, перемещая его вверх по пищевой цепочке к другим организмам.

В разложении мертвых организмов участвует также дыхание животных и микробов, разлагающих органические вещества. Это возвращает большое количество углерода в атмосферу, хотя это может варьироваться в зависимости от условий окружающей среды.

Роль горения

Горение - очень важная часть углеродного цикла, которую деятельность человека значительно изменила. Природные пожары часто возникают в результате ударов молнии. Они являются важной частью круговорота углерода, перенося углекислый газ из биосферы в атмосферу. Пожары также могут быть в подземных отложениях углерода, таких как богатая почва или торф. Это может привести к выбросу давно хранившегося углерода обратно в атмосферу и, возможно, к незаметному тлению, прежде чем вызвать более очевидный пожар над землей.

Изменение климата увеличивает риск лесных пожаров, что также может увеличить этот источник выбросов углерода. Сжигание ископаемого топлива (в котором накапливается углерод древних растений) также стало очень крупным источником выбросов углерода. Вместе эти источники представляют собой значительное изменение углеродного цикла, вызванное деятельностью человека.

Горит лес, лесной пожар, выделение углерода

Медленный углеродный цикл

Мы можем разделить процессы и резервуары углеродного цикла на группы: медленный углеродный цикл и быстрый углеродный цикл. Эти циклы чередуются друг с другом и имеют некоторые общие компоненты, но имеют место в очень разных временных масштабах. Медленный углеродный цикл перемещает углерод между атмосферой, литосферой и океанами.

Выветривание горных пород перемещает углерод из атмосферы в литосферу, растворяя горные породы, смывая их составляющие в океаны и откладывая их в виде новых отложений на морском дне. За миллионы лет морское дно перерабатывается в земную кору на линиях разломов между тектоническими плитами. Затем извергающиеся вулканы возвращают эту породу на поверхность, перенося углерод обратно в атмосферу.

В среднем медленный углеродный цикл перемещает от 10 до 100 миллионов тонн углерода каждый год. Углероду требуется от 100 до 200 миллионов лет, чтобы пройти этот цикл. Сложные химические обратные связи регулируют этот процесс. Например, увеличение содержания углекислого газа в атмосфере повышает глобальную температуру, что приводит к увеличению количества осадков и растворению большего количества горных пород.

На протяжении сотен тысяч лет медленный углеродный цикл восстанавливается после нарушения. Медленный углеродный цикл был важен в течение геологического пеолижа, но не влияет на нынешние изменения климата, которые мы наблюдаем на протяжении нескольких столетий.

Быстрый углеродный цикл

Быстрый углеродный цикл перемещает углерод намного быстрее. Вместо 100–200 миллионов лет быстрый углеродный цикл длится годами или десятилетиями. Увеличение скорости связано с тем, что быстрый углеродный цикл перемещает углерод через живые существа. Как мы уже видели, растения поглощают атмосферный углекислый газ посредством фотосинтеза, который затем перемещается по пищевой цепи и высвобождается при дыхании.

До этого организмы использовали углерод для построения клеток, белков и молекул ДНК. Вся известная жизнь основана на углероде и использует молекулы углерода в качестве основного строительного блока. Быстрый углеродный цикл оказывает большое влияние на уровень углекислого газа в атмосфере. Рост растений поглощает больше углекислого газа, что мы наблюдаем в весенние и летние месяцы.

Уровни углекислого газа в атмосфере фактически падают в течение вегетационного периода северного полушария, потому что оно содержит большую часть суши Земли. Быстрый углеродный цикл перемещает примерно в 1000 раз больше углерода в год, чем медленный углеродный цикл.

Роль вечной мерзлоты

Вечная мерзлота, замерзшая земля вокруг полюсов, находится под угрозой из-за изменения климата. Вечная мерзлота – это грунт, который заморожен более двух лет подряд. Земля над вечной мерзлотой может замерзать и оттаивать каждый год по мере смены сезонов и называется «активным слоем». Этот активный слой может иметь толщину от нескольких сантиметров до нескольких метров в зависимости от температуры, снега и типа почвы.

Вечная мерзлота обычно возникает там, где среднегодовая температура ниже точки замерзания. Большая часть вечной мерзлоты находится в районах вокруг Арктики, включая Сибирь, Канаду, Аляску и Гренландию. Её также можно найти в высокогорных районах, таких как Тибетское плато, и в частях Антарктиды, не покрытых ледниками. Вечная мерзлота также может быть найдена на дне моря вокруг Арктики. Эта подводная вечная мерзлота сформировалась на суше, а затем оказалась под водой после повышения уровня моря после последнего ледникового периода.

Вечная мерзлота в Гренландии

Таяние вечной мерзлоты по мере потепления климата является важным следствием изменения климата. Повышение температуры вечной мерзлоты в последние десятилетия наблюдается во всем мире. Оттаивание вечной мерзлоты обычно наблюдается в районах, где вечная мерзлота не сплошная. По мере таяния вечной мерзлоты активный слой становится глубже, подвергая большему количеству ранее промерзшего материала положительной температуре. Это уже происходит, в том числе по всей Арктике, но степень его выраженности варьируется в разных местах в зависимости от местных условий.

Дальнейшее глобальное потепление вызовет значительную потерю объема вечной мерзлоты. Исследования показали, что объем вечной мерзлоты в пределах верхних 2 м земли будет уменьшаться на 10-40% с каждым 1°C глобального повышения температуры приземного воздуха.

Что будет, если растает вечная мерзлота?

Таяние вечной мерзлоты может иметь широкий спектр воздействий на местные экосистемы, человеческое общество и глобальный климат. Таяние вечной мерзлоты может привести к нестабильности грунта и оползням, угрожая человеческой инфраструктуре, такой как здания и транспортные пути. Миллионы людей живут в районах повышенного риска таяния вечной мерзлоты. До 80% зданий в некоторых городах России и около 30% дорожных покрытий на Цинхай-Тибетском нагорье имеют повреждения, связанные с таянием вечной мерзлоты.

Ожидается, что к 2050 году, если глобальное потепление продолжится, 30-50% критически важной инфраструктуры в Арктике будут подвергаться высокому риску. Таяние вечной мерзлоты также представляет опасность для объектов, имеющих большое культурное значение для арктических сообществ, некоторые из которых уже повреждены или разрушены. Оттаивание вечной мерзлоты может увеличить глубину почвы, доступной для корней растений, а также изменить её дренажные свойства, что может оказать большое влияние на растения. Таяние вечной мерзлоты также может привести к выбросу опасных веществ, таких как тяжелые металлы и микроорганизмы.

На глобальный климат может серьезно повлиять таяние вечной мерзлоты. Мерзлая почва содержит органические вещества, которые были заперты, возможно, в течение тысяч лет. Если какой-либо из этих постоянно мерзлых грунтов оттаивает, он становится доступным для микробов и других организмов для его разложения. Это высвобождает углекислый газ и метан, а  они оба являются парниковыми газами. Последние результаты климатических моделей показывают, что этот дополнительный выброс согревающих газов, хотя и важный, вероятно, будет недостаточным, чтобы привести к драматическому, неконтролируемому потеплению в петле положительной обратной связи. Тем не менее, важно ограничить будущее глобальное потепление, чтобы сохранить как можно больше вечной мерзлоты и ограничить воздействие на глобальный климат, природные и человеческие сообщества.