Океан, парниковый эффект атмосферы и вмешательство человека в биогеохимические циклы

Один из создателей физической химии Сванте Аррениус показал, что изменения содержания С0₂ в атмосфере могут быть причиной климатических изменений. Г. Пласс [Plass, 1956], изучавший способность СО₂ поглощать длинноволновое излучение, выдвинул гипотезу, согласно которой глобальная цикличность содержания С0₂ в глубинах океана и в атмосфере может вызывать в радиационном балансе поверхности планеты колебания с периодом порядка 10 000 лет, что, возможно, является причиной периодических изменений климата и чередования ледниковых и межледниковых эпох - особенности последнего миллиона лет геологической истории Земли.

Радиационный баланс поверхности планеты складывается из поглощаемой солнечной радиации и собственного теплового излучения. Оба потока отличаются длиной электромагнитных волн, которая зависит от температуры поверхности изучающего тела: чем она выше, тем короче волны.

Поскольку температура поверхности Солнца около 6000^°С, длина волн солнечной радиации в основном (99%) приходится на диапазон 0,17-4 мкм, а максимум на 0,35-0,75 мкм, т. е. на видимую часть спектра - свет. Температура же поверхности Земли, поддерживаемая солнечной радиацией и теплом из недр, лежит в пределах от 40 до -40^°С, и поэтому максимум излучения падает на волны длиной 9-12 мкм. Именно на длинноволновую инфракрасную часть спектра и приходится поглощение электромагнитных волн молекулами С0₂. Таким образом, слой углекислого газа в атмосфере действует, как стеклянная крыша в оранжереях и парниках: пропускает солнечную радиацию, но не пропускает (наружу) тепловое изучение поверхности Земли. В атмосфере есть и другая основная «парниковая крыша»: трехатомные молекулы водяного пара. По данным некоторых исследователей, в результате парникового эффекта в атмосфере задерживается 78% земного излучения. Из них водяным паром - 60%, а углекислым газом - 18%. Если бы из атмосферы исчез углекислый газ, то средняя годовая температура на поверхности Земли понизилась бы на 21⁰С, а если бы его количество, наоборот, удвоилось,- то повысилась бы на 4^°С.

Разница в средней годовой температуре 4^°С - много это или мало? Мало для того, чтобы мы сразу ее почувствовали: за такую ошибку мы даже не ругаем бюро прогнозов погоды. Но этого больше чем достаточно для того, чтобы послужить толчком спускового крючка, за которым должна автоматически последовать кардинальная перестройка современного климата Земли, находящегося в неустойчивом состоянии.

По расчетам М. И. Будыко [1973], если температура воздуха над Северным Ледовитым океаном даже в течение трех летних месяцев будет выше обычной на 4^°С, морские льды четырехметровой толщины растают за четыре года. Дальше события должны разворачиваться с ускорением, подобно взрыву. Поскольку уменьшится отражение солнечных лучей льдами, увеличится их поглощение - вода отражает лучи приблизительно в восемь раз хуже, чем лед. Увеличение поглощения солнечной радиации на 1 % повышает среднюю температуру пограничного слоя воздуха на 1-2^°С, что в свою очередь усиливает таяние льдов. С исчезновением льдов температура воздуха на Северном полюсе, по расчетам М. И. Будыко, будет равна летом 5^°, а зимой -5^°. С повышением температуры усиливается выделение СО₂ из воды. В конце концов мы вернулись бы к устойчивому теплому климату третичного периода, когда леса покрывали Шпицберген, другие арктические острова и даже Антарктиду, а уровень океана был значительно выше современного и на месте многих современных равнин суши простирались бы моря.

Однако каждый из трех факторов - увеличение количества СО₂, температуры и площади, занимаемой растительностью, - способен значительно увеличить масштабы фотосинтеза органического вещества, а следовательно, и потребления С0₂. Совместно же они способны увеличить эти масштабы в такой степени, что мало-помалу количество СО₂ в океане и атмосфере катастрофически упадет и начнутся изменения климата по этой же схеме, но в обратном направлении - в сторону противоположного относительно устойчивого состояния: похолодания и ледниковой эпохи. Эти изменения в свою очередь должны протекать до тех пор, пока в результате понижения температуры, количества СО₂ и площади растительности скорость потребления С0₂ не окажется ниже скорости его образования, которое происходит в основном вследствие окисления органического вещества до С0₂ гетеротрофными (т. е. питающимися готовым органическим веществом) микроорганизмами, а также вследствие вулканических выделений (в среднем около 10⁸ г С0₂ в год). С этого момента постепенно начнется новая фаза цикла.

Именно в этот климатический цикл, по мнению многих ученых, и вторгся непрошеный гость - человек как гетеротроф, который по своему быстро растущему могуществу скоро приблизится к бактериям.

Подсчитав количество С0₂, выделившееся в атмосферу в результате хозяйственной деятельности человека, некоторые зарубежные ученые предсказали значительное потепление и начало переселения в 70-х годах в Европу африканских животных. Однако этого не произошло. Уравнение (68) подсказывает, куда делась основная часть избытка С0₂: ее поглотил океан.

Коэффициент растворимости С0₂ очень высок, он в несколько раз выше, чем у остальных газов атмосферы. Значительная доля молекул С0₂ химически связывается водой в угольную кислоту Н₂С0₃) которая диссоциирует до бикарбонат-ионов (НСО-₃ ), а они - до карбонат-ионов (СО²₃-). Последние же связываются ионами кальция в нерастворимый СаС0₃, оседающий на дно океана и образующий известковые породы

Эта равновесная карбонатная система,, призванная автоматически регулировать концентрацию водородных ионов и неорганических соединений углерода, включая С0₂ [Лебедев и др., 1974], все же частично работает как насос, перекачивающий на протяжении сотен миллионов (а возможно, и нескольких миллиардов) лет С0₂ из океана и через океан из атмосферы в донные отложения.

За геологическую историю Земли этот химический насос «перекачал» из атмосферы в геохимический тупик - в отложения СаСО₃ - в десять тысяч раз больше углекислого газа, чем сейчас имеется в атмосфере.

С другим, биохимическим, звеном углеродного цикла происходит то же самое. Биохимический насос путем фотосинтеза трансформирует С0₂ в органическое вещество (его в океане порядка 10¹² т), которое посредством пищевых цепей включается в биомассу всех организмов, содержащую около 10¹⁰ т углерода, и в биомассу растительных и живых организмов суши, заключающую в себе порядка 10¹² т углерода. Отмершие организмы (детрит), его в океане порядка 10¹¹ т, согласно схеме безотходной природной технологии, должны разлагаться с окислением органического вещества бактериями-гетеротрофами вновь до С0₂. Так и должен замкнуться углеродный цикл. Но в этом канале цикла тоже есть ветка, ведущая в геохимический тупик: захоронение органического вещества и его трансформация без окисления. Количество этих ископаемых продуктов трансформации - нефти и угля (порядка 10¹⁵ т), образовавшихся в конечном счете из С0₂, в тысячу раз больше, чем современное содержание СО₂ в атмосфере. Полагают, что если бы не эти тупики, то количество СО₂ в атмосфере Земли составляло бы 10¹⁷ тонн, как на Венере, где, заметим, поэтому температура 470^°С. Биогеохимический цикл углерода и регулирование океаном количества С0₂ в атмосфере можно описать с помощью математических моделей, реализуемых на ЭВМ (см., например, сборник [Ниуль (ред.), 1978]). Здесь мы ограничимся самой простой и наглядной гидродинамической моделью в виде сообщающихся сосудов с источниками и стоками воды (рис. 23), количество которой «изображает» количество С0₂, содержащегося в разных «резервуарах» планеты.

Рис. 23. Гидродинамическая модель обмена С0sub2/sub между атмосферой и океаном и углеродный цикл.

Резервуар «Океан» вследствие высокой растворимости С0₂ содержит в 100 раз больше воды - С0₂, чем сообщающийся с ним резервуар «Атмосфера». Допустим, что в резервуаре «Атмосфера» уровень воды - С02 внезапно повысился вдвое. Ответом модели на такое импульсное возмущение будет поток воды - С0₂ из первого резервуара во второй. Через некоторое время, зависящее от разности уровней в сосудах и сечения соединительной трубки (поток по уравнению (68) и обмен поверхностных и глубинных вод), уровень воды в узком резервуаре «Атмосфера» заметно понизится, но в очень широком резервуаре «Океан» (количество воды - С02 в нем в 100 раз больше) соответствующее повышение уровня воды будет почти не заметно на глаз. И все же даже это незаметное повышение уровня во втором сосуде приведет к тому, что ускорится сток воды из него через каналы, изображающие отложение органического вещества и известняка. Уровни воды в обоих сосудах займут прежнее положение (эквифинальность). Для устойчивого повышения уровня в резервуаре «Атмосфера» надо, чтобы очень сильно увеличился поток воды из крана (рис. 23) и чтобы соединительная трубка имела малое сечение (в оригинале - пленка загрязнений или слабое перемешивание).

Однако даже значительное антропогенное повышение количества С0₂ в атмосфере не гарантирует потепления климата. Деятельность человека многосторонне изменяет природные условия, и некоторые из этих изменений, наоборот, содействуют похолоданию климата, в качестве конечной причины похолодания указывают опять-таки на сжигание топлива. Ведь при этом атмосфера запыля-ется, а это препятствует проникновению солнечной радиации к поверхности Земли. Прошло уже больше 30 лет, как измерений средних температур в северном полушарии показали, что курс в тенденции сменил направление "потепление" на направление "похолодание", и сколь долго продержится этот курс-никому не известно. Но можно ожидать, что появятся прогнозы переселения европейских животных в Африку.

Мы же попытаемся обратить внимание на один, по-видимому, более существенный аспект биогеохимического цикла углерода, в который вмешался человек. На протяжении, по крайней мере, второй половины геологической истории Земля в круговороте углерода существовали геохимические тупики. В эти тупики из атмосферы и океана углекислый газ непрерывно перекачивается в виде двух мощных потоков - химического и биологического, и сейчас в активном обращении находится только сотая или даже тысячная доля главного элемента жизни - углерода. Подавляющая его часть захоронена в кладовых природы, откуда его не удается вернуть в цикл основной преобразующей силе биосферы - микроорганизмам, а тем более - рекам и вулканам. Но углеродный голод не угрожает биосфере: в результате промышленной деятельности человека все большее количество захороненного углерода возвращается в его природный круговорот в виде С0₂. В программе, "составленной" природой, предусмотрен и этот сложный этап - для преодоления его потребовался разум и труд. Но не "зарвется" ли человек и, сжигая все для своих нужд, не доведет ли количество СО₂ в атмосфере в конце концов до Венерианского уровня и соответственно температуру-до 470^°С? На этот случай в природе предусмотрен следующий предохранитель - кислородный дефицит. Таким образом, с ликвидацией проблемы углеродного голода одновременно возникает новая проблема: не замкнет ли человек весь цикл биогеохимической истории, которая началась с анаэробного (бескислородного) состояния. Ведь циклы углерода и кислорода сопряжены. На образование СО₂ кислород расходуется в пропорции к углероду (в весовых частях) 2,6:1. Однако действительный его расход еще выше.