12.4: Цикл вуглецю

Last updated
Save as PDF

Page ID: 37030

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Вступ

Елемент вуглецю займає відмінне місце серед хімічних елементів: він може утворювати ковалентні зв'язки з собою (вони називаються подвійними зв'язками вуглецю - вуглецю та потрійними зв'язками вуглецево-вуглецевого, залежно від того, скільки позицій зв'язку задіяно), а також з іншими елементами, особливо воднем, утворювати величезна кількість хімічних сполук, званих органічними сполуками.

Термін «органічний» тут трохи вводить в оману: велика кількість таких сполук синтезується організмами, але ще більша кількість може бути синтезована в лабораторії, з неорганічної сировини, без участі організмів, живих або мертвих. Область хімії, присвячена вивченню органічних сполук, називається органічною хімією.

Вуглець також утворює різні неорганічні сполуки. У таких сполуках вуглецеві зв'язки ковалентно з киснем. Двома найважливішими видами таких вуглецевмісних неорганічних сполук є вуглекислий газ (CO ₂), незмінно газ в умовах земної поверхні, і карбонатні мінерали, головним чином кальцит, CaCo ₃ та доломіт, CaMg (CO ₃) ₂.

Вуглець, як органічні сполуки, так і неорганічні сполуки, присутній на поверхні Землі і поблизу неї в самих різних середовищах. Вивчення того, де знаходиться вуглець на Землі та на Землі, разом із режимами та швидкістю переміщення вуглецю з одного в інше таких середовищ, відоме як вуглецевий цикл.

Поняття «циклу» тут має на увазі, що відбувається безперервний рух вуглецю, у всіх його різних формах, у Землі та на Землі. У цьому відношенні Землю можна розглядати як замкнуту систему щодо вуглецю, в тому сенсі, що, хоча вуглець зазнає великої кількості перетворень, загальна кількість не змінюється з часом.

Повний розгляд вуглецевого циклу Землі вимагатиме закидання широкої мережі: нам потрібно було б враховувати не тільки поверхневе середовище Землі, включаючи атмосферу, поверхню суші та океани, але й глибинний інтер'єр Землі - оскільки різними процесами вуглець заглиблюється всередині Земля, і, за допомогою різних інших процесів, вона звільняється з глибокого сховища назад в поверхневе середовище. Цикл вуглецю є справді інтегративним, в тому сенсі, що його вивчення спирається на широкий спектр наукових дисциплін: геологія, біологія та кліматологія. Тут ми зосередимося на частині земля-поверхня вуглецевого циклу.

Елементи вуглецевого циклу

Є багато резервуарів вуглецю на поверхні Землі і поблизу неї. У таблиці 12-2 наведені важливі резервуари вуглецю разом з приблизними оцінками маси вуглецю в цих резервуарах. (В екології термін біомаса використовується для загальної маси живого матеріалу, у рослин і тварин. Вона може бути виражена як маса на одиницю площі в певній області поверхні Землі, або як загальна по всій Землі.) Ви можете бачити, що маса вуглецю в атмосфері, океанах та біомасі крихітна порівняно з вуглецем, який мешкає в осадових породах земної корі. Відзначимо також з таблиці 12-2, що маса вуглецю в атмосфері приблизно дорівнює загальній біомасі вуглецю.

На малюнку 12-2 ви можете побачити різницю між органічним вуглецем та неорганічним вуглецем. Корисно розглянути ці дві форми вуглецю окремо. З останніми впоратися простіше, ніж з першим.

Як зазначалося раніше, двома важливими формами неорганічного вуглецю є вуглекислий газ і карбонатні мінерали та гірські породи. Вуглекислий газ присутній в атмосфері Землі в середній концентрації, близькій до 0,4 відсотка за обсягом.

Вуглець потрапляє в атмосферу, у вигляді вуглекислого газу, головним чином від дихання організмами і шляхом розкладання органіки, а також шляхом спалювання рослинної речовини. До відкриття вогню людьми горіння запалювалося ударами блискавки. Сьогодні, звичайно, величезна кількість вуглецю потрапляє в атмосферу шляхом спалювання викопного палива. Вуглець також потрапляє в атмосферу у вигляді вуглекислого газу, що виділяється при виверженнях вулканів.

Вуглець видаляється з атмосфери головним чином шляхом фотосинтезу рослинами і розчиняючись в океанах. Частина доданого вуглекислого газу від спалювання викопного палива призводить до збільшення концентрації вуглекислого газу в атмосфері, але це збільшення частково компенсується розчиненням в океанах і частково збільшенням загальної рослинної біомаси.

Малюнок 12-2. Земні вуглецеві резервуари. (Від Кумп, Кастинг, і Кран, 2004.)

До речі, не весь вуглець в атмосфері знаходиться у вигляді вуглекислого газу. Метан, CH4, присутній в атмосфері в концентраціях близько 1,7 х 10-4 відсотків за обсягом. Метан додається в атмосферу двома способами, головним чином: висхідним просоченням з дрібних і глибоких надр, де метан утворюється як завдяки активності мікроорганізмів на невеликих глибині, так і складними реакціями, що включають глибоко заглиблену органічну речовину на більшій глибині. Метан хімічно нестійкий в атмосфері: він перетворюється на вуглекислий газ і водяну пару.

Неорганічний вуглець у земній корі значною мірою знаходиться у вигляді карбонатних мінералів кальциту, арагоніту та доломіту. У земній корі мешкають величезні обсяги карбонатних порід, переважно вапняку і долокаменю. Як ви дізналися в попередньому розділі, вуглець у вигляді вуглекислого газу виділяється, оскільки карбонатні породи вивітрюються на поверхні Землі. При цьому карбонатні мінерали випадають в осад, головним чином, в мілководному океані, в місцях перенасичення океанічної води щодо карбонату кальцію. Велика частина цих опадів знаходиться в тканині великої кількості організмів, що виділяють карбонат, хоча деякі випадають в осад неорганічно.

Час перебування вуглецю в атмосфері становить близько тринадцяти років. Щоб зрозуміти це, потрібно знати, крім 760 Гтон вуглецю, який присутній в атмосфері, що приплив вуглецю в атмосферу, і відтік вуглецю з атмосфери, який з року в рік не є тим самим, становить близько 60 Гтон вуглецю.