Колообіг карбону

Размещено на http://www.allbest.ru/

Біологічний колообіг Карбону

Міграція вуглекислого газу в біосфері Землі протікає двома шляхами. Перший шлях полягає у поглинанні його в процесі фотосинтезу з утворенням органічних речовин і в подальшому "похованні" їх у літосфері у вигляді торфу, вугілля, нафти, горючих сланців, осадових гірських порід. Другим шляхом міграція вуглекислого газу здійснюється при розчиненні їх у водах Світового океану, де СО2 переходить в Н2СО3, НСО3-, СО32-, а потім біогенним (зоо-чи фітогенні) або хемогенних шляхом з'єднується з кальцієм, утворюючи величезні маси СаСО3 (вапняні кістяки деяких безхребетних, вапняні водорості і вапняні мули), в результаті чого виникають потужні товщі карбонатних порід. Згідно з розрахунками вченого А. Б. Ронова, ставлення похованого вуглецю в продуктах фотосинтезу до вуглецю в карбонатних породах становить приблизно 1:4.

Крім СО2 в атмосфері присутні в невеликих кількостях ще два вуглецевих з'єднання: оксид вуглецю (II) - СО і метан СН4. Як і СО2, ці з'єднання перебувають у швидкому кругообігу.

Необхідно звернути увагу на той факт, що в умовах незайманого господарською діяльністю людини природного середовища глобальний кругообіг вуглецю та інших елементів (сірки, фосфору, азоту) є практично замкнутим. В даний час замкнутість кругообігу вуглецю знизилася приблизно на один порядок (тобто зменшилася приблизно в 10 разів), що при збереженні такої тенденції може призвести до глобальної екологічної проблеми. Таким чином, особливо важливе значення в даний час набуває наукова (експериментальна) оцінка замкнутості глобальних кругообігів основних біогенних елементів.

Вуглець гідросфери найтіснішим чином пов'язані з вуглецем атмосфери і також бере участь в життєвому циклі, як і останній (фотосинтез здійснюється і водними рослинами, а виділення двоокису вуглецю в воду відбувається також при диханні гетеротрофів в океані). Таким чином, життєвий цикл охоплює живу речовину суходолу та моря, вуглекислий газ в атмосфері і розчинену вуглекислоту морської води і здійснюється через фотосинтез, дихання гетеротрофів і газообмін між атмосферою і гідросферою.[8]

Колообіг Карбону в атмосфері

В атмосфері вуглець міститься у вигляді вуглекислого газу, чадного газу, метану та деяких інших вуглеводнів. Вміст СО2 зараз складає ~ 0.04% (збільшилася на 31%, в порівнянні з доіндустріальної епохою), метану ~ 1.7 % (збільшився на 14%), на два порядки менше, ніж СО2; вміст СО ~ 0.1 %. Метан і вуглекислий газ мають парниковим ефектом, чадний газ такого впливу не надає.

Для атмосферних газів застосовується поняття час життя газу в атмосфері, це час, за який в атмосферу надходить стільки ж газу, скільки його міститься в атмосфері. Час життя метану оцінюється в 10-14 років, а час життя вуглекислого газу оцінюється в 3-5 років. СО окислюється до СО2 за кілька місяців.

Метан потрапляє в атмосферу в результаті анаеробного розкладання рослинних залишків. Основними джерелами надходження метану в сучасну атмосферу є болота і тропічні ліси.

Сучасна атмосфера містить велику кількість кисню, і метан в ній швидко окислюється. Таким чином, зараз домінуючому циклом є кругообіг CO2, проте в ранній історії Землі ситуація була принципово іншою і метановий цикл домінував, а вуглекислотний мав підпорядковане значення. Вуглекислий газ атмосфери є джерелом вуглецю для інших приповерхневих геосфер.

Колообіг Карбону у гідросфері

Гідросфера -- водна оболонка Землі, до складу якої входять океани, моря та континентальні водні маси, сніговий покрив і льодовики.

Океан є виключно важливим резервуаром вуглецю. Загальна кількість елемента в ньому в 100 разів більше ніж міститься в атмосфері. Океан через поверхню може обмінюватися з вуглекислим газом з атмосферою, і за допомогою осадження і розчинення карбонатів з осадовим чохлом Землі. Розчинений в океані вуглець існує в трьох основних формах:

Неорганічний вуглець: СО2, НСО3-, СО32- ; органічний вуглець, зосереджений в океанічних організмах.

Гідросферу можна розділити на три геохімічних резервуари: приповерхневий шар, глибокі води і шар реактивних морських опадів, здатних до обміну вуглекислотою з водою. Ці резервуари розрізняються за часом відгуку на зовнішні зміни вуглецевого циклу.

Між суходолом і Світовим океаном відбувається постійна міграція вуглецю. Переважає винесення цього елемента у формі карбонатних і органічних сполук з суші в океан. Надходження вуглецю з Світового океану на сушу відбувається в незрівнянно менших кількостях, і то лише у формі вуглекислого газу, що дифундує в атмосферу і стерпного повітряними течіями.

Сумарна кількість вуглекислого газу в атмосфері планети становить не менш 2,3 • 1012 т., в той час як вміст його в Світовому океані оцінюється в 1,3 • 1014 т. У літосфері у зв'язаному стані знаходиться 2 • 1017 т. вуглекислого газу. Значна кількість вуглекислого газу міститься і в живій речовині біосфери (близько 1,5 • 1012 т.), тобто майже стільки, скільки у всій атмосфері. Вуглекислий газ атмосфери та гідросфери обмінюється і оновлюється живими організмами за 395 років.

Кругообіг вуглецю в гідросфері є більш складним у порівнянні з континентальним, оскільки повернення цього елемента у формі вуглекислого газузалежить від надходження кисню у верхні шари води як з атмосфери, так і з нижележащей товщі. У цілому показники річного кругообігу маси вуглецю у Світовому океані майже в 2 рази нижче, ніж на суші (у тоннах за рік):

Таблиця 2.1 Показники річного кругообігу маси вуглецю у Світовому океані

Колообіг Карбону в грунті

За різними оцінками, сумарний вміст вуглецю в грунті становить близько т. Головна невизначеність існуючих оцінок обумовлена недостатньою повнотою відомостей про площі та змісті вуглецю в торфя-никах планети.

Більш повільний процес розкладу вуглецю в грунтах холодних кліматичних зон призводить до більшої концентрації вуглецю грунтів (на одиницю поверхні) в бореальних лісах і трав'янистих спільнотах середніх широт порівняно з тропічними екосистемами. Однак тільки невелику кількість (кілька відсотків або навіть менше) детриту, що надходить щорічно в резервуар грунтів, залишається в них протягом тривалого часу. Більша частина мертвої органічної речовини окислюється до СО2 за кілька років. У чорноземах близько 98% вуглецю підстилки характеризується часом обігу близько 5 місяців, а 2% вуглецю підстилки залишаються в грунті в середньому протягом 500-1000 років. Ця характерна риса грунтоутворювального процесу проявляється також у тому, що вік грунтів в середніх широтах, визначений радіоізотопиним методом, складає від декількох сотень до тисячі років і більше. Проте швидкість розкладу органічної речовини при трансформації земель, зайнятих природною рослинністю, в сільськогосподарські угіддя зовсім інша. Наприклад, висловлюється думка, що 50% органічного вуглецю в грунтах, що використовуються в сільському господарстві Північної Америки, могло бути втрачено внаслідок окислення, так як ці грунти почали експлуатуватися до початку минулого століття, чи в самому його початку.

Дані про вміст органічної речовини в грунті (гумусу) є одним з головних показників родючості грунтів. Оскільки аналіз структури і змісту тієї чи іншої складової органічної частини зразка практично неможливий через складність процедури, то уявлення про органічне речовині можуть скласти дані про валовий змісті вуглецю та азоту. За результатами визначення вуглецю в грунті можна обчислити вміст гумусу у грунті: шукане вагове процентний вміст гумусу знаходиться множенням вагового процентного вмісту вуглецю на коефіцієнт, що дорівнює 1,7-2.

Найпростішим методом визначення органічного вуглецю є метод Тюріна, який полягає в розкладанні органічної речовини біхроматом калію в кислому середовищі:

3C + 2K2Cr2O7 + 8H2SO4 = 3CO2 + 2Cr2(SO4)3 + 8H2O + 2K2SO4 (2.5)

Хромат, що залишився після реакціх відтитровуєм сіллю Мора:

K2Cr2O7 + 6FeSO4 + 7H2SO4 = Cr2(SO4)3 + 3Fe2(SO4)3 + 7H2O + K2SO4 (2.6)

Індикатором служить N-фенілантранілова кислота. Визначенню заважають хлориди, які треба враховувати або маскувати сульфатом срібла. На результати аналізу може, за певних обставин, впливати наявність у пробах окису марганцю і солей двозарядних заліза.

Антропогенний колообіг Карбону

Людина інтенсивно трансформує процеси кругообігу всіх хімічних елементів не тільки на локальному, а й біосферному рівні. Людство - це частина біосфери (з його виробництвом). Принципових відмінностей в утилізації природних ресурсів між людиною та іншими організмами немає з точки зору екології: відмінності полягають лише в масштабах. Той факт, що людина навчилася утилізувати природні ресурси, створюючи для цього спеціальні засоби, суті справи не міняє. Наскільки б не були масштабними процеси антропогенної трансформації речовини, вони здійснюються в рамках глобальних біогеохімічних циклів. Людина не в силах радикально змінити ці цикли. Найбільше, що він може - це змінити баланс речовини на певних етапах глобальних циклів чи на певних територіях.

Людина знаходить і видобуває природні ресурси, перевозить їх до місця переробки, виробляє з них енергію, яку-небудь продукцію і предмети, які в підсумку надходять в користування у вигляді засобів виробництва чи виробів, споруд і т.д., тобто людина залучає природні ресурси (речовини) в ресурсний цикл.

Під ресурсним циклом розуміють сукупність перетворень і переміщень певної речовини або груп речовин на всіх етапах використання його людиною (виявлення, вилучення з природного середовища, переробку, використання, повернення в природу). Але якщо природні цикли речовин замкнуті, то ресурсний цикл як кругообіг практично не замкнутий, тобто використані речовини не повертаються в місця їх вилучення.

На кожному етапі ресурсного циклу неминучі втрати. При видобутку частина сировини залишається в місцях залягання, а у відвали йде так звана «порожня порода», на витяг якої витрачається енергія. Значна частка добутого викопного втрачається при транспортуванні до заводам і фабрикам при перевантаженні, переробці. Якщо ресурс використовується як паливо, то при його згорянні утворюються шлаки, що йдуть у відвали, оксиди, які летять в атмосферу, і т.д.

колообіг карбон біосфера атмосфера гідросфера

Размещено на Allbest.ru