Мы не являемся единственными источниками выбросов углекислого газа в атмосферу, а не весь выпущенный CO 2 остается в воздухе. После эмиссии он соединяет массы углерода, постоянно циркулирующие между элементами природы — атмосферой, биосферой, гидросферой и литосферой.
Большая часть углерода на Земле находится в форме окисленного углерода, также известного как неорганический углерод. Мы находим его в известняковых породах (CaCO 3), в атмосфере (CO 2) и в океанской воде. В земных условиях это наиболее стабильные формы углерода, но они не подходят для питания жизненных процессов. Их использование живыми организмами требует снижения, то есть перехода соединения углерода из более высокой в более низкую степень окисления и, таким образом, в более высокое энергетическое состояние. Это, конечно, требует энергоснабжения — растения, которые в процессе фотосинтеза с помощью солнечной энергии превращают углекислый газ, взятый из атмосферы, в углеводы:
6CO 2 + 6H 2 O + солнечная энергия → C 6 H 12 O 6 + 6O 2
Количество углерода в атмосфере, относительно его количества в скалах и океане, очень мало. Если бы углекислый газ, обнаруженный в атмосфере, собирался на поверхности Земли, его слой имел бы толщину менее 3 м; если он затвердеет до плотности сухого льда, образуется слой толщиной всего 3 мм. Несмотря на это, он играет ключевую роль в обмене углерода между его различными резервуарами (океан, растительность, почва, камни ...).
Давайте посмотрим на действие так называемого быстрого углеродного цикла, то есть его обмен между атмосферой, земными экосистемами (живыми организмами и почвой) и океанами. Количество углерода, хранящегося там, превышает 40000 ГтC и изменяется очень медленно (в результате вулканических выбросов в атмосферу и океан выделяется 0,1 Гт углерода в год, но в то же время из-за выветривания горных пород такое же количество углерода удаляется из циркуляции).
Быстрый углеродный цикл — это процесс, связанный с обменом углерода в короткие (не геологические) временные рамки. Говоря о быстром углеродном цикле, вы обычно подразумеваете процессы, которые происходят в течение месяцев и лет.
За последние 10 тысяч лет - с конца последнего ледникового периода до наступления индустриального века — мы имели дело с относительно стабильным климатом. В то время потоки угля между отдельными резервуарами были сбалансированы. Концентрация углекислого газа в атмосфере оставалась относительно стабильной на уровне 260-280 промилле, диапазон климатических зон и экосистем был стабильным, и в океанах не было никаких серьезных изменений.
Наземные экосистемы
Как мы уже упоминали, растения поглощают углекислый газ из атмосферы, превращая его в фотосинтезе в углеводы, которые составляют основу пищевой цепи. Районы тропических лесов являются самой богатой живой биомассой живых организмов, где большое количество солнечной энергии идет рука об руку с большим количеством осадков. Углерод в органическом веществе находится в состоянии высокой энергии, как заряженный аккумулятор.
Благодаря этому мы, люди и другие животные, можем использовать его для питания наших организмов: мы едим растения (или животных, которые до этого питались растениями), мы объединяем органические молекулы с вдыхаемым кислородом (это процесс горения) и выдыхаем углекислый газ. В этом процессе углерод из атмосферы попадает в растения, а затем (возможно, через животных или грибы) к нам и, наконец, возвращается в атмосферу. Чистый баланс этой операции равен нулю.
Пожары — это еще один способ вернуть углерод, содержащийся в растениях, в атмосферу. Однако, когда растительность восстанавливается через несколько десятков лет, углерод, выбрасываемый в атмосферу, возвращается в экосистему. Когда живые организмы умирают, их останки разрушаются грибками и бактериями. Если этот процесс происходит в присутствии кислорода, диоксид углерода образуется при разложении соединений углерода, в противном случае продуктом разложения является в основном метан.
Мертвое органическое вещество не разлагается сразу, а накапливается в почвах и торфяниках. Это большой резервуар углерода, в слое до 1 метра это вдвое больше, чем в атмосфере. Почвы в высоких широтах наиболее богаты углем, где из-за низкой температуры разложение органических веществ происходит очень медленно. В вечной мерзлоте, покрывающей 1/5 поверхности суши, органическое вещество может накапливаться — как в морозильнике - в течение десятков тысяч лет (вы наверняка знаете о гигантском трупе, хорошо сохранившемся в вечной мерзлоте).
