Вуглеце́вий цикл — кругообіг вуглецю (у різних формах, наприклад, у вигляді двоокису вуглецю) між атмосферою, океаном, біосферою та надрами Землі.
Колообіг вуглецю у природі охоплює біологічний цикл, виділення СО2 в атмосферу під час згоряння палива, із вулканічних газів, гарячих мінеральних джерел, із поверхневих шарів океанічних вод та інше.
Біологічний колообіг
Біологічний колообіг вуглецю пов'язаний з життєдіяльністю організмів. Біологічний цикл полягає в тому, що вуглець у вигляді СО2 поглинається із тропосфери рослинами. Потім із біосфери знову повертається в геосферу: з рослинами вуглець потрапляє до організму тварин та людини, а потім під час гниття тваринних та рослинних матеріалів — до ґрунту, і у вигляді СО2 — до атмосфери.
Вуглець — основний біогенний елемент. Він відіграє важливу роль в утворенні живої речовини біосфери. Вуглекислий газ із атмосфери в процесі фотосинтезу, який здійснюють зелені рослини, асимілюється і перетворюється на численні різноманітні органічні сполуки рослин. Рослинні організми, особливо нижчі мікроорганізми, морський фітопланктон, завдяки винятковій швидкості розмноження, виробляють на рік близько 1,5• 107 т вуглецю у вигляді органічної маси.
Рослини часто поїдаються тваринами. При цьому утворюються більш або менш складні трофічні зв'язки. В остаточному підсумку органічна речовина внаслідок дихання організмів, розкладу їхніх трупів, процесів шумування, гниття та горіння перетворюється на вуглекислий газ або відкладається у вигляді сапропелю, гумусу, торфу, які своєю чергою, дають початок багатьом іншим каустобіолітам — кам'яному вугіллю, нафті, горючим газам. Біологічний цикл вуглецю закінчується або окисненням і поверненням до атмосфери, або відкладенням у вигляді вугілля чи нафти.
В процесах розпаду органічних речовин величезну роль відіграють бактерії та гриби. В активному колообігу вуглецю бере участь дуже невелика частка всієї його маси. Величезну кількість вугільної кислоти законсервовано у вигляді вапняків та інших порід. Між вуглекислим газом атмосфери і води океану, так само, існує рухома рівновага.
Водні організми поглинають вуглекислий кальцій, утворюють свої кістяки, а потім з них утворюються пласти вапняків. Із атмосфери було вилучено і захоронено в десятки тисяч разів більше вуглекислого газу, ніж в ній перебуває зараз. Атмосфера поповнюється вуглекислим газом завдяки процесам розкладу органічної речовини, карбонатів тощо, а також в підсумку індустріальної діяльності людини. Особливо потужним джерелом є вулкани, гази яких складаються головним чином із вуглекислого газу та водяної пари. Деяка частина вуглекислого газу і води, що виділяються під час виверження вулканів, виділяється з осадових порід, зокрема вапняків, при контакті магми з ними і їх асиміляції магмою. В процесі колообігу вуглецю відбувається неодноразове його фракціонування по ізотопному складу, особливо у магматогенному процесі (утворення СО2, алмазів, карбонатів), при біогенному перетворенні органічної речовини (вугілля, нафти, тканин організмів тощо).
Життя на Землі і газовий баланс атмосфери підтримуються відносно невеликою кількістю вуглецю, що бере участь у малому колообігу і міститься в тканинах рослин (5*1011 т) тварин (5*1016 т).
Геологічний колообіг
Основна маса вуглецю акумульована в карбонатних відкладах дна океану (1,3·1016 т), кристалічних породах (1,0·1016 т), кам'яному вугіллі і нафті (3.4·1015 т).
Саме цей вуглець бере участь у повільному геологічному колообігу.
За останні 200 років відбулися значні зміни в континентальних екосистемах внаслідок зростання антропогенного впливу. Коли землі, зайняті лісами і травами перетворюються на сільськогосподарські угіддя, органічна речовина, тобто жива речовина рослин і мертва органічна речовина ґрунтів, окиснюється і потрапляє в атмосферу в формі СО2. Якась кількість елементарного вуглецю може бути похована в ґрунті у вигляді деревного вугілля (як продукт, що залишився від згоряння лісу) і, таким чином, вилучатися із швидкого обігу в вуглецевому циклі. Вміст вуглецю в різних компонентах екосистем змінюється, оскільки відновлення і деструкція органічної речовини залежать від географічної широти і типу рослинності. Були проведені численні дослідження, які мали на меті розв'язати наявну невизначеність в оцінці змін запасів вуглецю в континентальних екосистемах. Очевидно, інтенсивність фотосинтезу зростає зі збільшенням концентрації СО2 в атмосфері. Основні характеристики глобального вуглецевого циклу добре вивчені. Стало можливим створення кількісних моделей, які можуть бути покладені в основу прогнозів підвищення концентрації в атмосфері при використанні певних сценаріїв викиду.
Якщо інтенсивність викидів в атмосферу залишиться постійною, або буде зростати дуже повільно, то до кінця XXI століття концентрація атмосферного СО2 не більше, ніж на 60% перевищить доіндустріальний рівень. Якщо інтенсивність викидів протягом найближчих чотирьох десятиріч зростатиме в середньому на 1-2 % на рік в майбутньому темпи і зростання сповільняться, то подвоєння вмісту СО2 в атмосфері порівняно з доіндустріальним рівнем відбудеться до кінця XXI століття.
Карбонати, або солі вуглецевої кислоти Н2СО3 — один із головних компонентів земної кори. Карбонати становлять 14 % осадової оболонки Землі. З неорганічних сполук вуглецю в природі відомо близько 100 мінералів, але головним породотвірним мінералом є кальцит, або карбонат кальцію. Кальцитові породи складають багатокілометрові шари на просторах континентів, утворюючи цілі гірські системи.
При взаємодії Cu2+ та СО2-3 осаджуються важкорозчинні основні карбонати, що зустрічаються в природі у вигляді дуже красивих мінералів — зеленого малахіту [CuCO3•Cu(OH)2] та синього азуриту [2CuCO3•Cu(OH)2].
Карбонати відіграють важливу роль у складі земної кори, будові ландшафтів, формуванні корисних копалин. Найпоширенішими є кальцит, магнезит, сидерит, малахіт, церусит та інше. Карбонати утворюють осадові (вапняк, доломіт, мергель тощо) та метаморфічні (мармур та інше) гірські породи, що складають більше, ніж 20 % усіх осадових порід на Землі.
Вапняк — осадова порода, складена переважно карбонатом кальцію — кальцитом. Завдяки масовому поширенню, легкості обробки та хімічним властивостям вапняк добувається і використовується частіше, ніж інші породи, поступаючись тільки піщано-гравійним відкладенням. Вапняки бувають різних кольорів, в тому числі — чорного, але найчастіше зустрічаються породи білого та сірого кольору часто з коричневим відтінком. Густина 2,2-2,7 г/см3. Це м'яка порода, лезо ножа легко залишає подряпини. Як і ряд інших гірських порід осадового походження вапняки мають шарувату будову. Чистий вапняк складається тільки з кальциту (іноді з невеликим вмістом іншої форми карбонату кальцію — арагоніту). Мають місце і домішки. Подвійний карбонат кальцію та магнію — доломіт — як правило міститься в змінних кількостях, і можливі всі переходи між вапняком, глинистим вапняком і доломітом.
У процесі відкладення вапняку вода приносить також глинисті частинки, порода стає глинистою, стираються чіткі межі між вапняком, глинистим вапняком і глинистим сланцем. Кремінь також є звичайною домішкою. При метаморфізмі по мірі того, як перекристалізація кальциту охоплює всю породу, виникає мозаїчна структура (агрегат із чітко обмежених, щільно розташованих ізометричних зерен приблизно однакового розміру).
Див. також
Література
- В. І. Саранчук, М. О. Ільяшов, В. В. Ошовський, В. С. Білецький. Хімія і фізика горючих копалин. — Донецьк: Східний видавничий дім, 2008. — с. 600. ISBN 978-966-317-024-4
Посилання
- Ккоефіцієнт опадо–підстилковий // : навч.-метод. посіб. / уклад. О. Г. Лановенко, О. О. Остапішина. — Херсон : ПП Вишемирський В. С., 2013. — С. 107.