Биогеохимический цикл углерода¶

Углерод — распространенный в биосфере (кларк 0,44 %) элемент при кларке земной коры всего 0,02 %.

Источники углерода и энергии¶

Все организмы в зависимости от того, откуда они черпают углерод для построения своих тел, делятся на две большие группы. Автотрофы используют для этого CO₂, реже CO и другие простые соединения. Гетеротрофы в качестве источника углерода используют экзогенные (т.е. синтезированные вне организма) органические вещества. К автотрофам относятся все растения (за исключением паразитических, лишенных хлорофилла), часть протистов (те, что обладают хлорофиллом и способны к фотосинтезу) и несколько групп бактерий, в том числе цианобактерии, пурпурные серные, тионовые, нитрифицирующие, водородные и метанобразующие. Гетеротрофы включают всех животных, все грибы, часть протистов (тех, которые не способны к фотосинтезу) и множество разных бактерий. Деление на автотрофов и гетеротрофов до некоторой степени условно. Есть организмы, которые используют углерод CO₂ в качестве основного строительного материала, но тем не менее нуждаются в определенных готовых органических веществах, например витаминах. Некоторые микроскопические водоросли, например эвгленовые, способны переключаться с автотрофного питания на гетеротрофное и, наоборот, в зависимости от освещенности и наличия в среде органических веществ. Такие организмы называют еще миксотрофными.

Помимо вещества любому организму для поддержания его жизнедеятельности требуется энергия. В соответствии с первым законом термодинамики, энергия не создается и не исчезает, а только преобразуется, превращаясь из одной формы в другую. Согласно же второму закону термодинамики, преобразования эти происходят так, что в любой замкнутой системе потенциальная энергия (т. е. та, за счет которой может быть выполнена работа) уменьшается, поскольку часть ее переходит в рассеянную, непригодную для дальнейшего использования форму. Чтобы поддержать свой энергетический баланс, надо этому противостоять. Система должна быть открытой и получать энергию извне. Такой открытой по энергии, хотя и почти замкнутой по веществу системой является биосфера. Организм же — система открытая как по энергии, так и по веществу.

В зависимости от источника используемой энергии все организмы также делятся на две большие группы.

Хемотрофы получают энергию, окисляя восстановленные химические соединения. Хотя сам термин «окисление» означал когда-то присоединение кислорода, в современной науке под ним понимается отнятие электронов и переход их на более низкий энергетический уровень. В качестве окисляемых субстратов (или, иначе говоря, доноров электронов) могут фигурировать как неорганические вещества, например H₂, S, NH₃, Fe²⁺, CO, так и многочисленные органические. Окислять неорганические вещества могут только бактерии: водородные (гидрогенотрофы), нитрифицирующие, метанобразующие и некоторые другие. Органические вещества могут окислять очень многие бактерии, а также все грибы и все животные.

Фототрофы, в отличие от хемотрофов, способны использовать световую энергию, превращая ее в энергию восстановленных химических соединений. Под восстановлением понимается переход электрона на более высокий энергетический уровень. Затем связанная таким образом энергия расходуется в ходе окислительных реакций. Донорами электронов могут быть как простые неорганические вещества, например вода для цианобактерий и растений или сероводород для пурпурных серных бактерий, так и органические. Последнее в современной биосфере наблюдается гораздо реже, и соответствующие реакции могут осуществлять только немногие бактерии, например так называемые несерные пурпурные.

Использование световой энергии для образования высокоэнергетических соединений — это и есть процесс фотосинтеза. При оксигенном фотосинтезе, который сопровождается выделением кислорода, источником электронов служит водород воды. Протоны используются при этом для построения органического вещества, а кислород, являющийся побочным продуктом, выделяется во внешнюю среду.

Помимо оксигенного фотосинтеза, в котором донором электронов является вода, а в качестве побочного продукта выделяется кислород, существует фотосинтез аноксигенный, в котором используются другие доноры электронов (к примеру, гидросульфид-анион HS, водород H₂, нитрит NO₂ или двухвалентное железо Fe²⁺). Соответственно, конечный продукт реакции — уже не кислород, а совсем другие вещества.

Аноксигенный фотосинтез возник раньше оксигенного и, по-видимому, существовал уже 3,2–3,7 млрд лет назад. Комплекс реакций, вовлеченных в этот процесс, хотя и достаточно сложный, все же несколько проще, чем в случае оксигенного фотосинтеза. Когда последний появился на Земле (и, соответственно, началось выделение в среду молекулярного кислорода), сказать пока сложно, но 2,3 млрд лет назад он уже точно был. По крайней мере, этим временем датируют самые древние остатки цианобактерий, организмов, осуществляющих оксигенный фотосинтез. Вначале практически весь выделявшийся кислород расходовался на окисление восстановленных соединений железа и серы, но потом началось его накопление в атмосфере. К цианобактериям как к производителям свободного кислорода присоединились появившиеся позднее в ходе эволюции эукариоты — протисты, многоклеточные водоросли, а затем и высшие сосудистые растения.

Типы питания¶

Два источника энергии (световая для фототрофов и окислительно-восстановительных реакций — для хемотрофов) и два источника углерода (CO₂ для автотрофов и органическое вещество — для гетеротрофов) дают четыре возможные комбинации, четыре «типа питания» в самом широком смысле этого слова. Все они реализовались в процессе эволюции — и все встречаются в природе, хотя и с разной частотой.

Фотоавтотрофы — организмы, использующие в качестве источника энергии свет, а в качестве источника углерода — CO₂. Это цианобактерии, пурпурные серные бактерии (окисляющие на свету сероводород), а также все растения, за исключением тех немногих форм, которые перешли к паразитизму и утратили хлорофилл.

Фотогетеротрофы, использующие энергию света, но берущие углерод из органического вещества, представлены только немногими бактериями: некоторыми несерными пурпурными, эритробактериями и гелиобактериями.

Хемоавтотрофы, получающие энергию за счет проводимых ими окислительно-восстановительных реакций и использующие CO₂ в качестве источника углерода, объединяют довольно много разных групп бактерий. В частности, к ним относятся: нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммоний (NH₄) в нитрит (NO₂) или нитрит в нитрат (NO₃), часть тионовых бактерий, окисляющих восстановленные соединения серы до сульфата, и метанобразующие бактерии (представители архебактерий), окисляющие водород, ацетат или метилированные соединения.

Хемогетеротрофы — группа организмов, существующих за счет энергии проводимых ими химических реакций и нуждающихся в органическом веществе как источнике углерода. К ним относятся многие бактерии (например, бактерии-деструкторы, перерабатывающие органическое вещество отмерших организмов), а также все грибы и животные.

Таким образом, все четыре варианта использования вещества и энергии встречаются среди прокариот, но только два из этих вариантов свойственны и эукариотам. Вклад, вносимый организмами с различными типами использования вещества и энергии в глобальные биогеохимические процессы, оказывается существенно разным. Так, основная масса органического вещества в современной биосфере создается фотоавтотрофами: на суше — сосудистыми растениями, в океане — цианобактериями и одноклеточными планктонными водорослями.

Разложение, или деструкцию, созданного фотоавтотрофами вещества осуществляют, прежде всего, хемогетеротрофы: повсеместно — бактерии, на суше также — грибы, в незначительной степени и в воде и на суше — животные. Необходимую энергию они получают, окисляя органическое вещество, причем особенно эффективно это происходит в аэробных условиях, где окислителем выступает кислород. Соответствующий процесс называют дыханием.

Эволюция биогеохимического цикла углерода¶

Ранняя химическая эволюция была почти полностью привязана к эре докембрия, датированной с момента возникновения твердой Земли (~ 4,5 млрд лет назад). Геохимический баланс углерода резко менялся в течение девона и карбона. В эти геологические периоды происходила основная эволюция высших наземных растений, включая развитие корневой системы, морфологического состава стеблей, листового и репродуктивного аппарата, что приводило к заселению новых экологических ниш. В условиях влажного климата, благоприятного для фотосинтеза, это заселение и накопление биомассы сопровождалось отложением и захоронением больших количеств органического углерода. Наземное происхождение этого углерода подтверждается изотопным составом углерода. Распространение CO₂-фиксаторов в наземных экосистемах оказало громадное влияние на цикл углерода, поскольку вследствие его биофильности происходило формирование второго пула для стока атмосферного CO₂ и включение углерода в состав биомассы растений. В осадочных породах в больших количествах присутствуют как карбонаты (известняки, доломиты и другие), так и биогенный углерод (восстановленные формы). Органический углерод в древних отложениях представлен в виде остатков биологических веществ.

Первый этап геохимического круговорота углерода — выветривание¶

Большая часть углерода биосферы выведена из активного круговорота и находится в осадочных породах в виде карбонатов и керогена. Формирование этих пород происходило при самом активном участии организмов.

Карбонаты, представленные известняками (CaCO₃) и доломитами (CaCO_-MgCO3~), образовались в результате перекристаллизации остатков скелетов обитателей морей. В открытом океане это прежде всего микроскопические планктонные кокколитофориды (представители золотистых водорослей, покрытые мелкими известковыми пластинками) и фораминиферы, а в прибрежной зоне — также кораллы, моллюски и плеченогие.

Кероген — органическое вещество, содержащееся в осадочных породах в рассеянной форме. Образовывались эти породы как на суше, так и в мелководных морях из захороненных остатков растений, водорослей и цианобактерий. Кероген составляет значительную часть углеродсодержащих сланцев, а также материнских пород, предшественников нефти и газа. По-видимому, скопления керогена — это и есть то органическое вещество, вывод которого из круговорота обеспечил сохранение в атмосфере большого количества свободного кислорода. Если бы это вещество было доступно организмам-деструкторам, то, разлагая его, они бы истратили весь кислород атмосферы. Почему деструкторы, или, как их еще называют, редуценты (бактерии, грибы и животные), не всегда полностью справлялись со своими «обязанностями» — отдельный вопрос, но чаще всего это происходило из-за того, что остатки отмерших организмов тем или иным образом оказывались изолированными от тех, для кого они могли служить пищей. Органическое вещество могло попасть в анаэробную, холодную или седиментационную «ловушку», то есть такую среду, где редуцентам или не хватало кислорода, или было слишком холодно, или же само органическое вещество оказалось покрытым слоем осадков.

Важно еще и то, что особенно для бактерий всегда есть некий нижний предел концентрации питательных веществ, ниже которого организмы уже неспособны эффективно их поглощать и, соответственно, поддерживать свой метаболизм. Чрезвычайная рассеянность органического вещества в форме керогена — условие, несомненно, способствующее его сохранению.

Вещество осадочных пород на самом деле также вовлечено в круговорот, но совершается он очень медленно, за сотни тысяч или даже миллионы лет. Первый важный этап геохимического круговорота углерода — происходящее на суше химическое выветривание карбонатов кальция и магния. Активным реагентом этого процесса является слабая угольная кислота H₂CO₃, образующаяся в почве при взаимодействии с водой диоксида углерода CO₂. Последний берется из атмосферы, но прежде всего из воздушного пространства между частицами почвы, где в значительном количестве накапливается в результате разложения бактериями и грибами органического вещества отмерших растений. Угольная кислота растворяет карбонаты: кальций и магний оказываются в виде ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ в растворе.

Речными водами все компоненты выветривания в конце концов выносятся в океан, где ионы кальция, магния и бикарбоната используются организмами, имеющими известковый скелет, в первую очередь — кокколитофоридами, фораминиферами и коралловыми полипами. Когда эти организмы отмирают, их скелеты опускаются на дно, постепенно формируя отложения карбонатных пород. Важно подчеркнуть, что из круговорота выводится при этом только половина ионов бикарбоната (для которых находятся катионы кальция и магния), а другая половина в конце концов превращается в диоксид углерода. Таким образом, весь атмосферный CO₂, связанный в ходе химического выветривания карбонатов, при повторном их образовании возвращается во внешнюю среду (в океан, а потом в атмосферу).

К более драматическим последствиям для динамики CO₂ в атмосфере приводит выветривание силикатов, например CaSiO₃ или MgSiO₃, также происходящее на материках. Дело в том, что в силикатах углерода нет, но процесс их выветривания связан с образованием карбонатов (CaSiO₃ и MgSiO₃), на что расходуются ионы бикарбоната, берущие свое начало из угольной кислоты.

Соответственно, выветривание силикатов (в отличие от карбонатов) приводит к изъятию CO₂ из атмосферы, в результате чего за полмиллиона лет, а по некоторым расчетам даже за 300000 лет, весь атмосферный углерод может оказаться связанным в осадочных породах. Не происходит этого потому, что диоксид углерода на самом деле возвращается и из осадочных пород. Процесс этот длительный, состоящий из целого ряда этапов. Сначала карбонаты и кремнезем должны погрузиться на большую глубину, при расширении дна океана сдвинуться под материки (процесс, называемый субдукцией), а там уже, в условиях огромного давления, испытать разогрев, перекристаллизацию, а иногда и расплавление. В ходе всех этих преобразований идут реакции, по направлению своему противоположные происходящим при выветривании. Окись кремния взаимодействует с карбонатами кальция и магния, образуя силикаты и CO₂, который выбрасывается через жерла вулканов или сочится в многочисленных минеральных источниках.

На этот крупномасштабный геохимический цикл углерода, охватывающий сотни тысяч и даже миллионы лет, накладываются гораздо более быстрые процессы обмена CO₂ между атмосферой и океаном, атмосферой и биотой суши, а также круговорот, совершаемый углеродом в самом океане вместе с движением водных масс. Кроме того, существуют многочисленные локальные (еще более быстрые) круговороты углерода в отдельных экосистемах. Это уже биогеохимические циклы, в которых важнейшая роль принадлежит организмам.

Углерод в атмосфере¶

Самые распространенные газы земной атмосферы — молекулярный азот (78 %) и молекулярный кислород (21 %). Около 1 % приходится на инертный газ аргон. Кроме того, в довольно большом и варьирующем (в зависимости от температуры) количестве присутствуют пары воды (от 0,5 % до 4 %). Остальные компоненты воздуха являются по сути примесями — содержание их столь низкое, что оценивают его обычно не в процентах, а в частях на миллион. Самая распространенная из примесей — диоксид углерода (углекислый газ) — CO₂, содержание которого в современной биосфере оценивается в 400 ppm (т. е. 0,04 %). За ним в порядке убывания идут: неон (18,8 ppm), гелий (5,5 ppm), метан (1,8 ppm) и некоторые другие.

Атмосфера, особенно ее нижний слой, тропосфера, простирающийся до высоты 20 км, хорошо перемешивается и отличается гомогенным составом.

Процессы выделения или поглощения каких-либо газов в разных районах земного шара могут происходить с разной интенсивностью, но в атмосфере локальные эффекты выравниваются и усредняются.

Состав атмосферы сохраняется более или менее постоянным в течение сотен тысяч лет. Впрочем, если мы перейдем к масштабу времени, измеряемому сотнями миллионов лет, то изменения концентрации некоторых составляющих могут быть значительными. Довольно лабильным компонентом оказывается диоксид углерода (особенно в сравнении с молекулярным кислородом и азотом). Процессы потребления CO₂ складываются из поглощения водами океана, химического выветривания горных пород, а также фотосинтеза автотрофных организмов. Процессы поступления (уравновешивающие изъятие) — извержения вулканов, просачивание сквозь трещины земной коры, диффузия из поверхностных вод океана, а также дыхание биоты (совокупности всех населяющих планету организмов). В последнем процессе наиболее важная роль принадлежит бактериям, грибам, а также самим растениям (в первую очередь за счет дыхания корней).

В последние два столетия к этим естественным процессам прибавилась хозяйственная деятельность человека. За счет сжигания ископаемого топлива и сведения тропических лесов в атмосферу выбрасывается возрастающее год от года дополнительное количество диоксида углерода. При сведении лесов много древесины сжигается, но еще больше остается на поверхности почвы и в самой почве. Разложение микроорганизмами этого огромного количества органики приводит к тому, что процессы выделения диоксида углерода в значительной степени преобладают над процессом его связывания в ходе фотосинтеза.

Многолетняя динамика углерода в атмосфере¶

Регулярные и весьма точные определения содержания диоксида углерода в атмосфере начались в 1958 году в лаборатории, расположенной на склонах потухшего вулкана Мауна-Лоа на острове Гавайи.

Позднее аналогичные наблюдения стали проводиться и в других районах земного шара, в том числе на севере Аляски и в Антарктиде, но непрерывная серия данных, полученных на Мауна-Лоа, по-прежнему остается самой продолжительной. Ход выявленных там изменений содержания CO₂ отчетливо демонстрирует две тенденции: во-первых, ежегодные сезонные колебания с максимумом в мае и минимумом в сентябре–октябре и, во-вторых, неуклонный подъем год от года среднего уровня.

Сезонные колебания CO₂ связаны прежде всего с меняющейся в течение года интенсивностью фотосинтеза наземной растительности. Данное обстоятельство может показаться странным, поскольку остров Гавайи, где получены эти результаты, расположен вдалеке от континентов.

Но дело в том, что в широтном направлении воздушные массы перемещаются сравнительно легко, а Северное полушарие, в отличие от Южного, преимущественно континентальное. В конце весны и в течение большей части лета, когда фотосинтез (а соответственно, и рост растений) протекает особенно активно, CO₂ в больших количествах изымается из атмосферы. Однако осенью фотосинтез резко ослабевает, а зимой в умеренных широтах вообще прекращается. Соответственно, до следующей весны приостанавливается и изъятие из атмосферы CO₂. Приток же CO₂ за счет дыхания всех организмов (прежде всего бактерий и грибов) продолжается вплоть до наступления зимних морозов (а отчасти он происходит и зимой, например в почве под снегом, где сохраняется более высокая температура). К тому же круглогодично продолжается выброс в атмосферу CO₂ за счет сжигания топлива. Неудивительно, что несбалансированность процессов потребления и выделения диоксида углерода в разное время года приводит к сезонным колебаниям его содержания в атмосфере. В Южном полушарии сезонный ход CO₂ несколько другой, но Мауна-Лоа находится на 20° северной широты.

После того, как были разработаны надежные методы определения содержания CO₂ в атмосфере, исследователи стали искать емкости, в которых воздух прошлых эпох мог бы сохраниться до наших дней. Для этого пробовали использовать старинные запечатанные бутылки с макетами кораблей внутри и даже полые металлические пуговицы. Однако настоящая революция в установлении концентрации CO₂ и других газов, содержавшихся в земной атмосфере сотни и тысячи лет тому назад, произошла тогда, когда был надежно отработан метод определения газового состава пузырьков воздуха, сохранившихся в толще ледников — прежде всего в Антарктиде и Гренландии.

Изменения содержания CO₂ за десятки и сотни тысяч лет¶

В 1999 году в журнале Nature были опубликованы материалы анализа колонки (керна) льда общей протяженностью 3623 м, полученной бурением на российской станции «Восток» (Антарктида). Время, в течение которого из выпадающих атмосферных осадков постепенно нарастал этот лед, охватило огромный промежуток времени — 420 000 лет. И для всего этого периода совместными трудами российских, французских и американских специалистов выявлена подробная картина изменения содержания в атмосфере двух важнейших парниковых газов — диоксида углерода CO₂ и метана CH₄, а также многолетняя динамика температуры. Концентрацию газов оценивали непосредственно в пузырьках воздуха.

Результаты, полученные при анализе этого керна, — безусловно, одно из выдающихся достижений науки конца XX столетия. В 1998 году работу пришлось прекратить, поскольку под скважиной оказалось лежащее в толще льда крупное озеро, получившее затем название «Восток». Бур остановили в 120 м от верхней границы (ледяной «крыши») озера, боясь внести в него загрязнение.

Если обратиться непосредственно к графикам, полученным на основе анализа ледового керна на станции «Восток», то первое, что бросается в глаза, — очень сходная динамика содержания в атмосфере CO₂, CH₄ и относительных изменений температуры.

Все кривые имеют «пилообразный» вид, т.е. характеризуются многочисленными мелкими подъемами и спадами, но главное, что все кривые синхронно демонстрируют четыре крупных подъема с интервалами примерно в 100 тыс. лет. Если рассматривать приведенные графики слева направо, то есть последовательно двигаясь от самых древних слоев льда к современности, то хорошо видно, что все крупные пики имеют асимметричную форму: быстрый подъем сменяется гораздо более продолжительным постепенным спадом. При этом все кривые за почти полмиллиона лет не выходят за определенные границы максимальных и минимальных значений: концентрация диоксида углерода колеблется от 180 до 280–300 ppm. Современные концентрации CO₂ выше, чем в любой из максимумов за прошедшие 420 тыс. лет.

Следует учитывать, что более высокая температура способствует интенсификации процессов, при которых CO₂ и CH₄ выделяются в атмосферу (например, дыхания всех организмов, в первую очередь тех, что разлагают массу отмирающей органики). Положительная взаимосвязь между содержанием парниковых газов и температурой в принципе чревата необратимым разогреванием атмосферы, поскольку чем выше концентрация парниковых газов, тем выше температура, а чем выше температура, тем больше выделяется парниковых газов. Однако этому препятствует усиление химического выветривания карбонатов и силикатов, процесса, ведущего к связыванию CO₂.

Создается также впечатление, что сама система «парниковые газы — температура», в свою очередь, зависит от какого-то внешнего периодически воздействующего на нее фактора. В настоящее время можно считать доказанным, что таким фактором выступает регулярно повторяющееся изменение орбитальных характеристик Земли — так называемые циклы Миланковича.

Дело в том, что, испытывая притяжение Солнца и других небесных тел, Земля регулярно меняет форму своей орбиты, которая с периодичностью около 93 тыс. лет становится то более эллипсоидной, то более круговой. Кроме того, с периодичностью 26 тыс. лет меняется конус, описываемый земной осью (прецессия), а с периодичностью в 41 тыс. лет — угол наклона земной оси к плоскости ее орбиты. Чередование ледниковых и межледниковых периодов может быть связано с периодическими изменениями орбиты Земли.

Полученные данные убедительно свидетельствуют, что все крупные оледенения хорошо согласуются с циклами Миланковича, которые «запускают» или, наоборот, «выключают» другие механизмы, ответственные за перераспределение тепла на нашей планете, в первую очередь глобальную систему океанической циркуляции.

Очевидно, что наиболее крупномасштабные колебания CO₂ и температуры за 420 тыс. лет имеют период около 100 тыс. лет. Связаны они не столько с изменениями эксцентриситета (общей формы орбиты), как может показаться первоначально из-за того, что периодичность в данном случае близка к 100 тыс. лет, сколько с комбинацией периодических изменений эксцентриситета и наклона земной оси. Если в прямоугольной системе координат отложить значения температуры и соответствующей концентрации CO₂ по данным ледового керна со станции «Восток», положительная корреляция между ними становится особенно наглядной. Движение вдоль линии регрессии к началу координат отвечает глобальному похолоданию и наступлению условий ледникового периода, а движение в обратном направлении — глобальному потеплению в межледниковые периоды.

Точка, соответствующая современной ситуации, выпадает из этой области, но очевидно, что наблюдаемый сейчас подъем концентрации CO₂ и температуры есть как следствие прохождения определенной стадии природного цикла, зависящего от периодических изменений орбиты Земли, так и следствие интенсификации хозяйственной деятельности человека, прежде всего дополнительных выбросов CO₂, при сжигании ископаемого топлива.

Изменения содержания CO₂, за десятки и сотни миллионов лет¶

Если мы перейдем к иному масштабу времени, измеряемому не сотнями тысячелетий, а десятками и сотнями миллионов лет, то увидим совсем другую картину динамики содержания CO₂ в атмосфере.

Для периода, охватывающего последние 650 млн лет, концентрация диоксида углерода в атмосфере менялась в 15–20 раз, причем современные значения — одни из самых низких. Сходные величины наблюдались только в карбоне (каменноугольном периоде) — примерно 300 млн лет назад, когда необычайно бурное развитие растительности на континентах способствовало связыванию огромного количества углерода, значительная часть которого была выведена из круговорота и осталась в захороненном органическом веществе.

Точно так же в течение большей части мезозоя (230–66 млн лет назад) концентрация CO₂ в атмосфере была на уровне 1000–2000 ppm, то есть в 2,5–5 раз выше наблюдаемой сейчас.

Если обратиться к предшествующим периодам — девону, силуру, ордовику, то есть ко времени, отстоящему от нас на 500–350 млн лет, то тогда уровень концентраций CO₂ в атмосфере был очень высоким, в 15–20 раз превышающим современный. В протерозое, то есть 2500–540 млн лет назад, содержание диоксида углерода в атмосфере было, по-видимому, еще выше. Ведь светимость Солнца тогда была существенно (примерно на 25 %) ниже современной, а поддержание на поверхности Земли положительной температуры возможно было только благодаря более высокому содержанию в атмосфере парниковых газов, прежде всего CO₂.

Углерод в океане¶

Воды Мирового океана — один из крупнейших резервуаров углерода на Земле. Хотя общее количество его здесь на три порядка меньше, чем в осадочных породах, все же это в 50 раз больше, чем в атмосфере, и в 20 раз больше, чем в наземной биоте.

Поскольку большая часть планеты покрыта водой, очевидно, сколь важную роль в круговороте углерода играет газообмен между атмосферой и океаном. Процесс этот более или менее сбалансирован. Однако, некоторые исследователи полагают, что в последнее время, в условиях повышенной концентрации в атмосфере диоксида углерода, его связывается в океане несколько больше. «Излишки» же пока удерживаются в глубинных водах.

Углекислый газ хорошо поглощается природными водами, особенно морскими, причем речь идет не о простом растворении газа, а о химическом взаимодействии с молекулами воды и образовании слабой угольной кислоты H₂CO₃.

Поскольку воды океана в силу своей огромной массы обладают большой буферной емкостью, можно подумать, что они способны легко поглотить избыток CO₂, создаваемый за счет деятельности человека, и, соответственно, предотвратить усиление парникового эффекта. Однако этому препятствуют два обстоятельства.

Во-первых, буферная емкость океана ограничена имеющимися в наличии катионами кальция Са и магния Mg, которые необходимы для того, чтобы образующие известковые скелеты организмы связали излишки ионов бикарбоната (HCO₃) и вывели их из оборота. Но поступление этих катионов с суши если и возрастает, то совсем незначительно в сравнении с постоянно увеличивающимися выбросами в атмосферу диоксида углерода.

Во-вторых, океан — вовсе не однородная, равномерно перемешиваемая водная масса. Хорошо перемешивается только поверхностный его слой, толщиной не более 100–200 м, тогда как основная толща остается весьма стабильной. Ниже поверхностного слоя, отделенного зоной резкого падения температуры (термоклином), располагаются холодные глубинные воды, где и сосредоточено огромное количество неорганического углерода (примерно в 60 раз больше, чем в поверхностных слоях). Перемешивание всего океана на самом деле происходит, но очень медленно и занимает по крайней мере несколько столетий.

Подъем водных масс. Хотя на подавляющей части акватории Мирового океана стратификация водной толщи не нарушается, все же в нем есть немногие места, где глубинные воды поднимаются к самой поверхности. Чаще всего это бывает около западных берегов континентов, где сильные ветры, дующие с суши, сгоняют поверхностные воды, вызывая тем самым компенсирующий подъем вод с глубины — так называемый апвеллинг. Поскольку поднимающиеся к поверхности глубинные воды содержат большое количество биогенных элементов (прежде всего — азота и фосфора), области влияния апвеллинга всегда отличаются повышенной продуктивностью фитопланктона и по этому признаку легко обнаруживаются.

Опускание водных масс. Мест, где вода с поверхности опускалась бы вниз, в океане еще меньше, чем тех, где она поднимается. В глобальном масштабе особая роль принадлежит процессам, происходящим в северной части Атлантического океана, куда с юга поступают массы воды, характеризующиеся довольно высокой соленостью.

Мощность этого потока, движущегося на промежуточной глубине (около 800 м), необычайно высока. Примерно на широте Исландии этот поток поднимается к поверхности и сильно охлаждается (в зимнее время — с 10 °С до 2°С), а отдаваемое им тепло определяет необычайную мягкость зим на севере Европы. Охлажденная и вследствие этого значительно «потяжелевшая» вода «тонет» — опускается вниз, на этот раз до самого дна. Формируется особая водная масса — «североатлантическая глубинная вода», которая начинает свой длинный путь по глубинам океана. Двигаясь на юг, она пересекает экватор и, достигнув в Южном полушарии широты 30–40°, поворачивает на восток, где сливается с глубинным течением, которое окружает Антарктиду. Дав небольшое ответвление на север в Индийском океане, эта вода продолжает свой путь в широтном направлении вплоть до Австралии, которую огибает с юга, после чего уже в Тихом океане направляется на север, вплоть до Алеутской гряды, где остатки течения поднимаются на поверхность. Описанная система течений, известная также как «конвейер Брокера» является глобальной системой перераспределения тепла.

Перенос углерода вглубь океана. Время оборота всей водной толщи океана — или, иначе говоря, время, необходимое для того, чтобы небольшой объем поверхностной воды совершил полный круг, побывав в глубинах океана, и вернулся на поверхность, — измеряется сотнями и тысячами лет. Если бы толща океана не перемешивалась, то довольно быстро, примерно за год, установилось бы полное равновесие между содержанием CO₂ в атмосфере и в поверхностных водах. Однако в результате опускания водных масс часть углерода надолго выводится из зоны контакта с атмосферой.

Углерод в наземной биоте¶

На суше, как и в океане, постоянно происходит связывание атмосферного CO₂, но в отличие от океана здесь нет физико-химического насоса, приводящего к накоплению больших количеств неорганического углерода. Целые горы, состоящие из известняка, доломита и мела, в данном случае не в счет, поскольку сформировались они в океане (причем биогенным путем), а на суше очутились позже в результате крупномасштабных геологических преобразований. Химическое же выветривание их, ведущее к потреблению CO₂, происходит, но очень медленно в сравнении с биологической фиксацией углерода в процессе фотосинтеза.

Фактически вся суша, за исключением ледовых шапок Антарктиды, Гренландии и некоторых высокогорий, а также наиболее жарких и сухих пустынь, покрыта растительностью. Соответственно, имеется и почвенный покров — слой, в котором располагаются корни растений и где протекают важнейшие для функционирования любой наземной системы процессы накопления и трансформации органического вещества. Создается же это вещество прежде всего высшими растениями.

Суммарные оценки количества углерода, связываемого на суше в процессе фотосинтеза (иначе говоря — чистой первичной продукции), варьируют довольно широко. Одна из последних называемых величин — 60 Гт углерода за год — примерно столько же, сколько в океане. Примерно две трети всей первичной продукции суши создается в лесах и саваннах. Особенно интенсивно продукционные процессы протекают в тропических лесах, которые в популярной литературе нередко называют «легкими планеты». Однако серьезные исследователи настороженно относятся к этому расхожему штампу. Дело в том, что действительно очень высокая первичная продукция тропических лесов практически уравновешивается интенсивной деструкцией (разрушением) созданного органического вещества. При этом CO₂, связанный растениями в процессе фотосинтеза, возвращается в атмосферу в процессе дыхания всех организмов, осуществляющих деструкцию. А к таким организмам относятся, во-первых, сами растения, которые тоже дышат, расходуя часть связанного углерода, во-вторых, животные-фитофаги, а в-третьих, и это самое главное, — грибы, бактерии и животные, потребляющие органическое вещество уже отмерших организмов или их частей. Деятельность последней группы организмов протекает чрезвычайно интенсивно. В этом мы убеждаемся каждый раз, когда понимаем, сколь велика масса ежегодно отмирающих растительных тканей — притом, что нигде это мертвое органическое вещество не образует сколь-либо значительных скоплений.

Резервуары (пулы, хранилища) и важность баланса, а не потоков¶

Резервуарами углерода являются — литосфера, гидросфера, атмосфера, водная и наземная биота. Вся литосфера содержит более 75000000 Гт углерода, в том числе в виде карбонатов кальция и магния более 60000000 Гт, в виде керогена 15000000 Гт и в виде ископаемого топлива 4130 Гт. Гидросфера содержит всего 38400 Гт углерода, в том числе: растворенные бикарбонаты и карбонаты 37400 Гт и в виде органического вещества 1000 Гт. Водная биота 1000 Гт, наземная биота 1800–2200 Гт. Атмосфера 720 Гт.

При оценке резервуаров в соответствии с Киотским протоколом основное внимание было уделено биомассе лесов, которая однако не является единственным пулом органического углерода биосферы. При этом совершенно не учитывался общий региональный баланс CO₂, то есть насколько территория отдельно взятого государства в настоящее время является абсолютным поглотителем (стоком) или источником CO₂. О том, как важна оценка баланса CO₂ в отдельных природных зонах свидетельствуют данные по сравнению природных и антропогенных источников углекислоты в мировом масштабе.

Из данных таблицы видно, что основным источником углекислоты является дыхание биоты. Вклад антропогенной деятельности в мировую эмиссию CO₂ составляет всего лишь 4–5 %. При этом оценка баланса углерода, как органического, так и неорганического, прежде всего бикарбонатной системы океана и образования карбонатов, в биосфере продолжает оставаться еще довольно неопределенной. Особенно это относится к биогенным составляющим — эмиссии с поверхности почвенного покрова и показателей, характеризующих общую (GPP — Gross Primary Production), чистую (NPP — Net Primary Production), экосистемную (NEP — Net Ecosystem Production) и биомную (NBP — Net Biome Production) продукции фотосинтеза.

Время пребывания углерода в каждом из динамических резервуаров сильно различается. Для GPP это часы и сутки, для NPP — год, для NEP — десяток лет, а для NBP — многие сотни лет. При этом в значительной степени ориентировочно оценивают GPP = 2NPP. В свою очередь NPP, мало применимую к организмам с длительным жизненным циклом, все чаще заменяют NEP, учитывающую и дыхание консорциумов, представляющих растения в природе. Под NBP часто подразумевается устойчивое органическое вещество экосистемы — гумус и торф.

Глобальный баланс углерода складывается из территориальных балансов, особенности которых определяются, в первую очередь, природно-климатическими условиями, формированием долговременных резервуаров углерода, соотношением стоков и источников CO₂. Резервуары углерода, в наибольшей степени влияющие на природные потоки CO₂ и концентрацию его в атмосфере, сосредоточены в наземной растительной биомассе и почвенном органическом веществе, времена пребывания углерода в них составляют соответственно несколько сотен и несколько тысяч лет. В наземных биоценозах Мира запасы углерода биомассы оцениваются в пределах 550–600 Гт, а в экосистемах России — около 40 Гт.

Мировой резервуар почвенного органического углерода значительно больше наземной биомассы и составляет 1500 Гт в метровом слое почв. Однако разброс в оценках массы почвенного органического углерода довольно широк. Так, согласно данным SCOPE 62 🡥, запасы углерода в почвах мира вдвое больше. Тарнокай с соавторами сообщили, что пул углерода всех почв в северных регионах (Евразия и Канада) вечной мерзлоты содержит почти 500 Гт в слое 0–100 см и более 1000 Гт для слоя 0–300 см. Площадь северных регионов с вечной мерзлотой составляет всего около 16 % от общего глобального почвенного покрова. Запасы органического углерода для этой площади авторы оценили примерно в 50 % глобального пула органического углерода. Недавние исследования Шмелева, проведенные на северо-востоке Якутии показали, что в верхнем неоплейстоцене обнаружено гораздо меньше (в 3–4 раза) запасов углерода, нежели было сообщено Тарнокаем с соавторами. Приведенные данные говорят о гораздо больших запасах органического углерода в почвах тундровой зоны, чем это было принято считать.

На основе более ранних расчетов в почвенном покрове (0–100 см) России сосредоточена почти 1/5 часть мировых запасов почвенного органического углерода, хотя территория России составляет лишь 1/8,5 часть суши Земли.

При оценке углеродного бюджета ООН рекомендует рассматривать пять основных пулов (хранилищ, резервуаров) углерода в лесах:

• надземную фитомассу лесной растительности;
• подземную фитомассу лесной растительности;
• мертвую древесину (дебрис) — сухостой и валеж;
• лесную подстилку;
• органическое вещество почвы.

Согласно международным договоренностям, в ежегодной национальной отчетности необходимо отражать информацию и оценивать изменения в накоплении углерода во всех пяти пулах. Это обстоятельство не требует обязательного увеличения накопления углерода во всех пулах, поскольку уменьшение запаса углерода в одном пуле может компенсироваться увеличением его в другом. Например, пул надземной фитомассы после низовых пожаров или повреждения насекомыми-вредителями уменьшается, вместе с тем пул сухостойной и валежной древесины увеличивается. Для предоставления международной отчетности согласно климатическим соглашениям интерес представляют не потоки и миграция углерода в самой экосистеме, а ее взаимодействие с атмосферой, поэтому учитывают не потоки, а величину баланса. Если итоговый баланс по совокупности пулов положительный — идет увеличение стоков и накопление углерода как результат эффективной практики землепользования, изменений в землепользовании и лесном хозяйстве.

Стоки углерода¶

Накопление углерода в долговременных резервуарах объективно свидетельствует об интенсивности и устойчивости стока CO₂ в наземные экосистемы на протяжении многих тысячелетий. Один из наибольших стоков углерода приурочен к территории Северной Евразии с ее обширными площадями тундр, болот и бореальных лесов, для которых характерна не очень высокая биологическая продуктивность, но и незначительная деструкция органических остатков в силу холодного влажного климата.

Большие пространства равнин Северной Евразии с замедленным стоком способствуют заболачиванию территории и развитию торфообразования. Время пребывания углерода в торфах гораздо больше, чем в почвенном гумусе, и достигает десятков тысяч лет. В большинстве почв России запасы органического углерода составляют 100–300 т/га. Суммарные запасы органического углерода в почвах России составляют примерно такую же величину — 297,5 Гт.

Источники углерода (эмиссия углерода)¶

Среди потоков CO₂ в атмосферу эмиссия с поверхности почв — наиболее мощный источник углекислоты, поэтому и незначительные нарушения почвенного дыхания в глобальном масштабе могут привести к серьезным изменениям концентрации углекислого газа в атмосфере. Обычно эмиссию CO₂ в количественном отношении оценивают как приблизительно равную первичной продукции фотосинтеза, о которой накоплено больше данных.

Однако это представление не может быть принято для областей торфонакопления. Очевидно, что и образование черноземов с большим запасом гумуса также свидетельствует о дисбалансе. Представление о совпадении эмиссии и поглощения углекислоты, по-видимому, справедливо для областей, где потенциальная способность к деструкции превосходит актуальную продукцию, в первую очередь для теплого и тропического климата.

В имеющихся оценках эмиссии CO₂ почвой, к сожалению, не расшифровывается, какая часть углекислого газа выделяется корнями растений и какая — почвенными микроорганизмами и животными в процессе дыхания. Не случайно глобальные оценки почвенного дыхания в среднем всегда выше величины чистой продукции фотосинтеза, поскольку включают в себя и корневое дыхание и дыхание ризосферных микроорганизмов. В этом кроется часто встречаемая ошибка двойного счета массы CO₂, выделяемой корнями и опосредованно учитываемой при расчете чистой продукции фотосинтеза, представляющей собой разность между общей продукцией фотосинтеза и затратами углерода на дыхание всего растения (надземная часть + корни).

Важность изучения круговорота углерода и его соединений¶

При изучении биосферы круговороту углерода уделяется особое внимание, так как на соединениях углерода основана вся жизнь, углеродсодержащие вещества в форме ископаемого топлива (угля, нефти, газа) определяют энергетический потенциал почти всей промышленности и транспорта. Кроме того, ученые обеспокоены тем, что в результате сжигания все большего количества топлива, а также крупномасштабного сведения тропических лесов в атмосфере быстро возрастает концентрация диоксида углерода (CO₂) — важнейшего парникового газа. Газы эти (помимо CO₂ к ним относятся также пары воды, метан, окислы азота и некоторые другие соединения) имеют громадное значение для биосферы, поскольку удерживают тепло, которое излучает нагретая Солнцем Земля. Именно благодаря парниковому эффекту средняя для всего земного шара температура у поверхности — около +15°С, тогда как в его отсутствие она была бы отрицательной и составляла — 23 °С. Однако дальнейшее увеличение содержания парниковых газов и развивающееся в силу этого глобальное потепление чревато аридизацией климата (т.е. превращением его в более засушливый) и, соответственно, катастрофическими последствиями для сельского хозяйства на весьма обширных территориях.

Что будет при увеличении средней годовой температуры и соответствующему повышению уровня концентрации CO₂?

Международные правовые акты по парниковым газам как ответ на проблему¶

Углекислый газ играет главную роль среди парниковых газов, которые ка принято сейчас считать являются одним из важных факторов потепления климата. Колебания количества углекислого газа, резкие изменения климата происходили на протяжении всей истории Земли, при этом мировое сообщество акцентирует сейчас на этом внимание и пытается предпринять меры чтобы приостановить потепление, которое вызвано в том числе и антропогенными причинами.

С этой целью на фоне активизации международного сотрудничества была заключена Рамочная конвенция ООН об изменении климата (1992 год), которая обязала, пописавшие эту конвенции страны составить баланс углерода на своих территориях.

Конвенция выделяет три компонента баланса парниковых газов по отношению к атмосфере: источники, стоки и резервуары предшественников парниковых газов. Соответственно и предписываются необходимые мероприятия: уменьшать источники, увеличивать стоки, сохранять резервуары.

В 1997 году было приято дополнительное соглашение к Конвенции — Киотский протокол, который уже предписывал подписавшим его странам сохранять уровень промышленных выбросов парниковых газов на уровне 1990 года. Превышение этого уровня влечёт за собой экономические санкции к государству-нарушителю, если оно не предъявит доказательства увеличения стока углекислого газа в долговременные резервуары.

Для научного обоснования проблем, связанных с потеплением климата, создана Межправительственная комиссия по изменению климата — IPCC (Intergovermental Panel on Climate Change). Ее отчеты принимаются как исходные для выработки решений. Однако ученые, которые вовлечены в деятельность IPCC, не являются единственными экспертами по проблеме изменения климата. Более того, над ними довлеет предубеждение в правительственной ангажированности.

В науке всегда должно существовать различие мнений и точек зрения. Единомыслие противопоказано науке, хотя некоторый консенсус, основанный на фактах, может быть достигнут.

В проблеме углеродного цикла несколько иные данные представлены в отчете SCOPE-62, последовавшем за знаменитым SCOPE-13 под редакцией Б. Болина и Э. Дегенса и служившем первоначальной оценкой глобального цикла углерода. SCOPE (Scientific Committee on the Problems of Environment) выступает как неправительственная научная организация, поддерживающая требования Киотского протокола.

Как менялись глобальные потоки углерода в разные эпохи¶

Доиндустриальный период¶

При общем запасе углерода, участвующего в глобальном круговороте, с общей массой 40851 ГтС, основная ее часть — 38321 ГтС (38240 + 80 + 1) (93,8 %) сосредоточена в океане; из них 38240 ГтС (99,8 %) — углерод в составе растворенных неорганических соединений. Биомасса наземных экосистем содержит 850 ГтС (2,1 %); в почве находится примерно столько же — 1080 ГтС (2,6 %).

Важнейшие характеристики глобального цикла углерода, составленного для доиндустриального периода: Атмосфера содержала 600 ГтС (1,5 % общего глобального запаса). Концентрация CO₂ в 1750 году оценивается в 278 ppm. Потоки атмосфера-океан были уравновешены и оценивались в размере 74 ГтС/год (57 % общего природного объема потоков). Сбалансированы были также потоки атмосфера-биота, которые оценивались в 55 ГтС/год (43 % общего природного объема потоков). Время оборота CO₂ в атмосфере составляло около пяти лет (600 ГтС / (74 ГтС/год + 55 ГтС/год)).

На этой картине все потоки в системе суша-атмосфера-океан уравновешены, источники эмиссии CO₂ и поглотители являются естественными. Состояние системы, когда потоки уравновешены, круговорот замкнут и отсутствуют экзогенные воздействия, условились считать квазистационарным.

Баланс углерода базового 1990-го года¶

На рисунке показаны потоки — естественная циркуляция природного углерода на Земле (черные цифры и стрелки — потоки и хранилища) и миграция антропогенного углерода в базовом 1990 году (красные цифры и стрелки — потоки и места накоплений).

В сравнении с квазистационарным состоянием системы эта ситуация уже другая. В замкнутую систему суша-атмосфера-океан начал поступать антропогенный CO₂. К 1990 году атмосфера приобрела, в дополнение к имевшемуся естественному объёму (597 ГтC), еще и антропогенный CO₂ объёмом 165 ГтC, который, таким образом, составил почти четверть карбонного пространства в атмосфере.

Проанализируем показатели глобального антропогенного баланса CO₂ базового 1990 года. В базовом году глобальный антропогенный поток равнялся 8,0 (6,4 + 1,6) ГтС/год. Он составлял 6,7 % [(6,4 ГтС/год + 1,6 ГтС/год) / (70,6 ГтС/год + 119,6 ГтС/год)] от общего, естественного потока CO₂ в атмосферу из океана и суши, и состоял из выбросов CO₂, в основном, при сжигании топлива (6,4 ГтС/год) и эмиссии, связанной с изменением землепользования (Land Use Change) в объеме 1,6 ГтС/год. Другие составляющие баланса — поглощение сушей (Land Sink) в объеме 2,6 ГтС/год и результирующий поток из атмосферы в океан в объеме 2,2 ГтС/год (22,2 ГтС/год — 20,0 ГтС/год). В итоге атмосфера приобрела еще 3,2 ГтС/год (8,0 ГтС/год — 2,6 ГтС/год — 2,2 ГтС/год), что привело к росту концентрации углерода в атмосфере до 343 ppm.

Баланс 2005–2014 годов¶

За время с базового 1990 года промышленно-транспортные выбросы (EFF — Fossil fuel and industry) и эмиссия в результате изменения землепользования (ELUC — Net land-use change) увеличились ещё на 1,9 ГтС/год [(9,0 + 0,9) – (6,4 + 1,6)], или на 24 % (1,9 / 8,0); поступление углерода в атмосферу (GATM — Atmospheric growth) возросло на 1,3 ГтС/год (4,4 – 3,1) или на 42 % (1,3 / 3,1), поглощение углерода биотой суши (SLAND — Land sink) увеличилось на 0,4 ГтС/год (3,0 – 2,6) или на 15 % (0,4 / 2,6), океаном (SOCEAN — Ocean sink) — также увеличилось на 0,4 ГтС/год (2,6 – 2,2) или на 14 % (0,4 / 2,2). Концентрация CO₂ в атмосфере в 2015 году достигла 400ppm.

О двух видах круговорота углерода¶

Под расхожим штампом «круговорот углерода» вовсе не следует понимать миграцию всех атомов данного элемента строго по одному пути. Атомы углерода могут быстро совершить круг по короткому пути, могут за более продолжительное время — по длинному, а иногда могут вообще надолго выпасть из круговорота. Соответственно, и содержание углерода в определенной форме в конкретной среде, например в виде CO₂ в атмосфере, меняется во времени, но динамика эта будет разной, если изучать ее в течение года, столетия, сотен тысяч лет или десятков миллионов лет.

Говоря о глобальном круговороте углерода необходимо подчеркнуть, что каждый такой круговорот представляет собой некую комбинацию двух основных круговоротов, протекающих в разных масштабах пространства и времени: медленного геохимического и гораздо более быстрого биогеохимического.

Геохимический, который иногда называют геологическим, может происходить без участия организмов. В основе его — химические реакции кислот и оснований, «кислотно-основные взаимодействия». Так, геохимический цикл углерода в самом первом приближении можно представить как выброс в атмосферу углекислого газа CO₂ при извержении вулканов, последующее связывание CO₂ с водой и образование угольной кислоты, химическое выветривание горных пород (карбонатов и силикатов) под воздействием этой кислоты, сток в океан образовавшихся в результате выветривания ионов кальция, магния и бикарбонатов, последующее образование в океане карбонатов и силикатов, трансформацию этих пород в результате геологических процессов (в частности, субдукции, когда одна тектоническая плита опускается и подвигается под другую) и, в конечном счёте, образование CO₂, который снова выделяется при извержении вулканов. Временной масштаб подобного геохимического круговорота — сотни миллионов лет.

Жизнь, однако, базируется не на кислотно-основных взаимодействиях, а на окислительно-восстановительных реакциях, на переносе электронов, а иногда и протонов. Именно такие реакции лежат в основе биогеохимического круговорота углерода. При этом CO₂ выступает как потенциальный «сток», или акцептор электронов. Сами собой подобные реакции на поверхности Земли происходить не могут, но их способны осуществлять организмы, являющиеся своего рода катализаторами всех преобразований. Биогеохимические круговороты, основанные на окислительно-восстановительных реакциях, могут занимать очень разное время в зависимости от того, какое пространство они охватывают: от нескольких часов (как, например, в случае фосфора в верхнем слое озера) до нескольких лет (как в случае круговорота углерода в экосистеме леса в умеренных широтах), но в любом случае — они гораздо быстрее, чем геохимические.

Антропогенное воздействие на углеродный цикл¶

В начале индустриализации мирового хозяйства повышение концентрации углекислого газа в атмосфере было вызвано эмиссией углерода в атмосферу от вырубки леса и других способов хозяйственного использования земель. Примерно с 1920-х годов выбросы CO₂ от сгорания ископаемого топлива стали доминантным источником антропогенной эмиссии в атмосферу. Антропогенная эмиссия приводит к нарушению естественного, природного углеродного цикла между атмосферой, океаном и земными хранилищами.

Индустриальный CO₂ появился как побочный продукт промышленных технологий. Деятельность людей привнесла изменения в цикл углерода. Люди стали всё в возрастающем количестве сжигать ископаемое топливо — уголь, нефть, газ. Значительные изменения произошли в землепользовании: возводились города, строились дороги, вырубались леса, осушались болота, затапливались земли, распахивалась целина и тому подобное.

Всего за период 1870–2013 годов суммарное поступление антропогенного CO₂ в атмосферу составило 535 ГтC:

• выбросы в результате сжигания ископаемого топлива и переработки минерального сырья — 390 ГтC (73 %),
• выбросы в результате деятельности человека на земле (землепользования, изменений в землепользовании и лесопользовании) — 145 ГтC (27 %).

Концентрация CO₂ в атмосфере в 1750 году составляла 278 ppm. Величины выше 400 ppm зафиксированы впервые на станции Мауна-Лоа в мае 2013 года.

Глобальный поток антропогенного CO₂ составляется из суммы выбросов стран мира. Антропогенный CO₂ мигрирует в системе суша-атмосфера-океан по тем же законам, что и природный CO₂. Из атмосферы он абсорбируется океаном, другая его часть поглощается биомами суши. Но динамика поступления в атмосферу парниковых газов такова, что соотношение потоков системы, существовавшее в доиндустриальный период, меняется, и их распределение в системе суша-атмосфера-океан — иное, чем в начале индустриализации мирового хозяйства.

Показатель удельных выбросов при сжигании топлива и переработке минерального сырья фигурирует во всех социально-экономических международных документах — в 2010 году в России он составлял 3,0 тС/чел. Но ни в одном международном документе не применяется показатель — обеспеченность жителя страны углеродо-поглощающими ресурсами. Этот индекс имеет такие же права, как и удельные выбросы, при обсуждении обязанностей стран перед человечеством в «борьбе» с потеплением климата.

Только биомы России обеспечивали в 2010 году каждому жителю поглощение углерода в объеме 5,8 тС/чел. Сравним это со средней обеспеченностью жителя земли в 2010 году подобного рода ресурсом. Обеспеченность жителя планеты поглощающими ресурсами суши и океана составила — 0,7 тС/чел., что на порядок ниже обеспеченности жителя России (7,4 тС/чел.); поглощение углерода биомами суши оценивается в 0,4 тС/чел., что, опять же, показывает: житель России более чем на порядок (5,8 тС/чел.) лучше обеспечен углеродопоглощающими ресурсами, чем среднестатистический житель земли.

Накопление углерода в природе и емкость естественных резервуаров¶

Атмосфера¶

Атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землей как единое целое. Граница атмосферы условно проводится по высоте в 1300 км.

К естественным источникам CO₂ в атмосфере относятся океан, вулканические извержения, фотосинтезное дыхание растений и дыхание животного мира. Также CO₂ выделяется некоторыми микроорганизмами в результате процесса брожения, клеточного дыхания и в процессе перегнивания органических останков в воздухе.

В обычном состоянии естественные источники находятся в равновесии с удаляющими CO₂ из атмосферы потоками в результате растворения CO₂ в морской воде и удаления его из воздуха в процессе фотосинтеза.

К антропогенным источникам эмиссии CO₂ в атмосферу относятся: сжигание ископаемых и неископаемых энергоносителей для получения тепла, производства электроэнергии, перевозки людей и грузов. Индустриальные выбросы CO₂ относятся также к некоторым видам промышленной активности, таким как переработка минерального сырья и утилизация газов путём их сжигания в факелах, переработка отходов.

Атмосферную концентрацию CO₂ начали измерять на обсерватории Мауна-Лоа, Гавайи. График Килинга описывает изменения концентрации атмосферного углекислого газа с 1958 года. Назван по имени Чарльза Килинга, под руководством которого были начаты непрерывные измерения. Полученные в обсерватории на Мауна-Лоа данные показывают устойчивый рост среднегодовой концентрации атмосферного CO₂ с 315 ppm (0,0315 %) в 1958 году до 403,94 ppm (0,0404 %) в мае 2015 года. Эти наблюдения стали первым научным подтверждением антропогенного вклада в современное изменение климата. График Килинга также демонстрирует циклические изменения концентрации CO₂ амплитудой 5 ppm и периодом в один год. Ежегодные колебания концентрации атмосферной углекислоты определяются, главным образом, растительностью средних (40°–70°) широт Северного полушария. Зигзагообразное движение линии внутригодовой изменчивости обусловлено снижением уровня CO₂ летом, когда растения усваивают углерод, и увеличением уровня CO₂ зимой, когда листва отмирает.

Содержание CO₂ в атмосфере обычно измеряют в виде концентрации, которая пересчитывается в единицы углеродной массы, ГтС/год, через соотношение 1 ppm = 2,120 ГтC. При этом допускается, что вся атмосфера хорошо перемешивается в течение года.

Содержание CO₂ в атмосфере постоянно увеличивалось с 1,7 ГтС/год в 1960-х годах до 4,4 ГтС/год в среднем в 2005–2014 годах. Погрешность величин наименьшая среди других составляющих баланса.

Количественную оценку глобальных выбросов получают путем суммирования соответствующих данных Национальных сообщений. Но общее количество выбросов не равно сумме выбросов всех стран. Трудности учета связаны с тем, что не ясно — где и когда происходит эмиссия. В частности это связано с использованием бункерного топлива в международных водах, особенностями учета импорта-экспорта товаров, при производстве которых использовались углеродные ресурсы. Но разброс показателей при этом меньше разброса величин других компонентов баланса.

В настоящее время наблюдения за содержанием в атмосфере CO₂ и других удерживающих тепло газов охватывают станции более чем 50 стран, включая станции высоко в Альпах, Андах и Гималаях, а также в Арктике, Антарктике и южной части Тихого океана.

Перемешивание воздуха в тропосфере происходит довольно быстро. Пассаты в средних широтах в обоих полушариях огибают Землю в среднем примерно за один месяц; вертикальное перемещение между земной поверхностью и тропопаузой также происходит в течение месяца. Перемешивание в направлении с севера на юг в пределах полушария происходит приблизительно за три месяца, а эффективный обмен между двумя полушариями осуществляется примерно за год. В северном полушарии концентрация CO₂выше, чем в южном. Различие концентраций CO₂ в северном и в южном полушариях вызвано, вероятно, тем, что около 90 % источников промышленных выбросов расположено в северном полушарии. За последние десятилетия эта разница увеличилась, поскольку потребление органического топлива также возросло.

Биота суши¶

Углерод, содержащийся в виде CO₂ в атмосфере, служит «сырьем» для фотосинтеза растений. В ходе фотосинтеза растения растут, используя энергию света, разлагают воду, потребляют CO₂ и синтезируют органическое вещество. Кислород, который получается при разложении воды, выделяется во внешнюю среду как продукт обмена веществ. Биосфера суши удерживает органический углерод в растениях и почве; часть его надолго захоранивается в почве, другая доля в процессе разложения органики возвращается в атмосферу. Мировые запасы углерода в биоте суши.

Биота почвы содержит в четыре с лишним раза больше углерода, чем растительность. Удельная величина запасов углерода биоты суши равна 164 тС/га, из них растительности — 30 тС/га; на одного жителя земли приходится 335 тС этих запасов (2477 ГтС / 7,4 млрд человек), из них 63 тС — в растительности.

Природная биота способна с высокой степенью надежности поддерживать пригодное для жизни состояние окружающей среды. Динамика биоты однонаправленная — она не истощается — за период с 1982 по 1999 год. биосфера планеты «заметно озеленилась». «Количество энергии, производимое растениями путем фотосинтеза — минус то, что они используют для дыхания, — увеличилось в мире примерно на 6 % за два последних десятилетия ХХ столетия».

В период с 1959 по 2010 год значительно менялись объемы поглощения CO₂ биотой: от отрицательной величины (–0,47 ГтС в 1987 году) до максимальной 4,2 ГтС в 1991 году; среднегодовой прирост за этот период равнялся 0,03 ГтС/год [(2,7 ГтС – 1,05 ГтС) / (2010–1959)] или 2,9 % ежегодно (0,03 ГтС/год / 1,05 ГтС/год).

Океан¶

Мировой океан — колоссальный водный резервуар. В океане углерод находится преимущественно в качестве растворенного неорганического углерода (38 000 ГтС). В верхних слоях океана растворено большое количество CO₂, находящегося в равновесии с атмосферным. Кроме того, в океане содержится растворенный органический углерод (700 ГтС). Морская биота, преимущественно фитопланктон и другие микроорганизмы, имеет в своем составе небольшое количество органического углерода (3 ГтС).

В квазистационарном состоянии потоки в системе океан–атмосфера были в равновесии и составляли 74 ГтС/год. Потепление климата так затронуло процессы углеродного цикла, что оно, вызвав увеличение содержания CO₂ в атмосфере, интенсифицировало поглощение CO₂океаном и усилило процесс окисления океана. Антропогенное окисление океана — прямое следствие повышения концентраций CO₂ в воздухе. С начала промышленной эры до настоящего времени океаны поглотили из атмосферы приблизительно 155 ГтС, что соответствует 0,4 % (155 ГтС:39500 ГтС) содержания углерода в толще океана. Этот естественный процесс поглощения значительно уменьшил уровни парниковых газов в атмосфере и минимизировал некоторые воздействия глобального потепления.

Поглощение CO₂ океаном оказывает значительное влияние на химию морской воды. Средний pH поверхностных вод океана уже упал приблизительно на 0,1 с начала промышленной революции, а именно, с уровня порядка 8,2 до 8,1.

В океанические воды за короткое время поступило большое количество CO₂ и это нарушило кислотно-щелочной баланс. Подобного рода темпы повышения кислотности океана не наблюдались.

Поглощение углерода океаном перманентно росло со скоростью 0,02 ГтС/год [(2,5–1,5):(2010–1962)] или на 1,3 % ежегодно (0,02 ГтС/год:1,5 ГтС/год).

Баланс выбросов и поглощений¶

В 2013 году выбросы от сжигания ископаемого топлива и переработки минерального сырья увеличились на 2,3 %; рост мирового валового внутреннего продукта в этом же году составил 3,3 %.

Анализ диаграммы 1.9 показывает, что за последние шесть десятилетий годовые выбросы CO₂ увеличились в 4 раза, в то же время поглощение CO₂ биотой суши и океаном отставало и выросло в 3 раза. Это означает, что нарастающие потоки антропогенной эмиссии задерживаются в атмосфере.

Итоговый баланс суммарных с 1870 по 2014 год глобальных антропогенных потоков выглядит следующим образом:

• объём выбросов при сжигании органического топлива и переработке минерального сырья составил 400 ГтС (73 % объема антропогенной эмиссии);
• эмиссия при изменении землепользования равна 145 ГтС (27 %);
• поглощение антропогенных выбросов океаном составило 155 ГтС (28 % накопленного объема антропогенной эмиссии);
• биотой суши усвоено 160 ГтС (29 %);
• в атмосфере осталось 230 ГтС (43 % суммарного объема антропогенных выбросов).

Таким образом, количество CO₂ в атмосфере за время с начала индустриализации мирового хозяйства увеличилось, что привело к соответствующему увеличению концентрации CO₂ на 44 %: с 278 ppm до 400 ppm.

Сведём в таблицу данные диаграмм о годовых и суммарных глобальных антропогенных потоках CO₂.

Движение глобальных потоков выбросов CO₂ при сжигании органического топлива и переработке минерального сырья, а также эмиссии газов в результате изменения землепользования (рубки леса и пожаров), и поглощение углерода биотой суши и океаном с 1960 по 2010 год.

На рисунке четко обозначаются расходящиеся векторы процессов эмиссии и поглощения. Объём дополнительных выбросов за это время (1959–2010 годы) составил 280 ГтС, что в два с лишним раза превышает объём дополнительного поглощения — 128 ГтС. При этом темпы роста выбросов почти в два раза опережают таковые для поглощения.

Данные этой диаграммы по существу определяют, что атмосфера перманентно нагружается углекислым газом, и, в целях снижения парникового нагрева/перегрева атмосферы, его выбросы требуется сокращать. Распределение обязательств по сокращению выбросов CO₂должно осуществляться в ходе консенсусного принятия решений на уровне ООН с учетом текущих и накопленных выбросов.

Расчет «официального» баланса углерода для России¶

Выбросы парниковых газов и углерода в атмосферу¶

Впервые оценка выбросов парниковых газов была составлена при подготовке национальных данных к Киотскому протоколу, который установил количественные обязательства по снижению выбросов парниковых газов (бюджеты выбросов) для промышленно развитых стран относительно базового года. Как страна с переходной экономикой, Россия, в соответствии со статьей 3.5 Протокола, выбрала в качестве базового года 1990 год. В 1990 году выбросы парниковых газов были самыми большими в истории Советского Союза. Таким образом, выбор этого года в качестве базового представлялся вполне логичным, так как в этом случае Россия получила самый большой доступный ей бюджет выбросов.

В Первом Национальном Сообщении для Рамочной конвенции ООН по изменению климата, которое было опубликовано в 1995 году, приведена оценка выбросов парниковых газов в 1990 году в России: 3039 млн т CO₂-эквивалента (Мт CO₂-экв.) (CO₂-эквивалент — условная единица измерения потенциала глобального потепления от воздействия парниковых газов.

Применяется для сравнения излучающей способности парниковых газов с диоксидом углерода. Эквивалент диоксида углерода рассчитывается путем умножения массы данного парникового газа на его потенциал глобального потепления. Для углекислого газа величина CO₂-эквивалента равна 1, для метана (CH₄) — 21, для закиси азота (N₂O) — 310, для гидрофторуглеродов серы (SF₆) — 23900). Основным парниковым газом является углекислый газ. Согласно приведенной в указанном документе оценке, выбросы углекислого газа в 1990 году были равны 2372 Мт CO₂, что составило 78 % общего объема выбросов парниковых газов.

Индустриальные выбросы — газообразные отходы сжигания ископаемого топлива при выработке электроэнергии и промышленных технологий переработки минерального сырья. Динамика индустриальных выбросов российских производителей (без учета землепользования и лесного хозяйства) показана на рисунке.

В период 1990–1998 годов в Российской Федерации уменьшение выбросов связано с общей экономической ситуацией в стране. В 1999–2008 годах в период роста экономики наблюдался устойчивый рост выбросов; некоторый спад выбросов в 2009 году связан с экономическим кризисом. В 2010–2011 годах вновь возобновился рост выбросов.

Термины «энергетика», «энергетический сектор» употребляются здесь в том смысле, какой они имеют в Киотском протоколе. К энергетическому сектору относится сжигание всех видов ископаемого топлива, а также процессы, приводящие к утечкам и технологическим выбросам топливных продуктов в атмосферу, независимо от того, в каких отраслях экономики они происходят. Так в 2011 году из общих выбросов объемом 2 321 Мт CO₂-экв./год — выбросы энергетики составили 1 920 Мт CO₂-экв/год, или 82,7 %. Доля CO₂ от сектора «энергетика» в совокупном выбросепарниковых газов (CO₂-экв.) в 2011 году (без учета сектора «Землепользование, изменения в землепользовании и лесное хозяйство») составила 72,6 %.

Сопоставление выбросов и поглощений¶

Проблема составления научно обоснованного углеродного баланса находится только в стадии формулирования, а для принятия решений по его управлению необходимо рассматривать глобальные и национальные источники, также как глобальные и национальные поглотители CO₂. Здесь существует проблема изученности процесса: нужно идентифицировать инструментально реальные потоки природного и антропогенного CO₂ в процессе глобальной циркуляции, в том числе в границах России, что в настоящее время не представляется возможным.

На рисунке четко обозначаются расходящиеся векторы направленности процессов. Объём дополнительных выбросов за 50 лет в два с лишним раза превышал объём дополнительных поглощений. Разница между выбросами и поглощением остается и накапливается в атмосфере.

Эта информация имеет огромное политэкономическое звучание при обсуждении международных и национальных аспектов «борьбы» с потеплением климата. В первую очередь, это относится к проблеме тотального сокращения выбросов, как в развитых странах, так и в странах с переходной экономикой, а также в развивающихся странах.

Самое удивительное в проблеме составления баланса это то, что МГЭИК противится очевидным намерениям включить в перечень рекомендуемых документов национальный углеродный баланс!

Но процесс пошел! На Климатическом саммите (Париж 2015) была поднята проблема учета поглощающих способностей лесов.

В свое время, при обсуждении Киотского протокола Российская академия наук высказала свою позицию: «Киотский протокол не имеет научного обоснования». Тем не менее, Россия ратифицировала Киотский протокол, не приняв во внимание позицию РАН.

Анализ Парижского соглашения (2015 год) показывает, что предлагаемый для ратификации документ также не имеет необходимого научного обоснования. При определении национального уровня вкладов в общее сокращение глобальных выбросов Стороны должны учитывать управляемые леса в качестве поглотителей и накопителей парниковых газов. Это необходимо, но не отвечает требованиям составления замкнутого углеродного баланса, так как лесные биомы — только часть национальных поглотителей CO₂. Депонирование углерода управляемыми лесами России — только часть поглощающей способности российской биоты, которую необходимо более детально исследовать в будущем.

В нашей стране оценка углеродного баланса России проводилась с начала 1990-х годов в рамках Специальной государственной программы под руководством академика Н.П. Лаверова, ее биологический блок возглавлял академик Г.А. Заварзин. Объекты оцениваемых потоков CO₂ России составляли индустриальные выбросы и биомы (леса и торфяники).

Объемы снижения выбросов необходимо увязывать с продуктивностью лесов. Между тем, до настоящего времени поглощающая способность лесов оценивается только по так называемым «управляемым лесам». В состав управляемых лесов России входят лесные земли лесного фонда (за исключением резервных лесов). Площади управляемых лесов России корректируются с учетом вовлечения лесов в хозяйственный оборот: на начало 2011 года они составили 661,4 млн га или 73,7 % лесных земель страны, а их запас — 68,4 млрд м³, или 85,6 % запаса древесины лесного фонда.

Общая площадь управляемых лесных земель с 1990 по 2011 год увеличилась на 50,2 млн га за счет перевода из неуправляемых лесных земель. Площадь покрытых лесной растительностью земель управляемых лесов от 1990 года к 2011 году. увеличилась на 61,2 млн га. Это связано со значительным сокращением объема лесозаготовок в России: произошло более чем двукратное падение уровня лесопользования в начале 1990-х годов. Сокращение площадей новых вырубок за счет снижения уровня лесозаготовок происходит одновременно с лесовосстановлением на вырубках более раннего периода, после чего они переходят в состав покрытых лесом земель.

На протяжении двух десятилетий поглощение CO₂ управляемыми лесами (без учета кустарников) превышало его потери, углеродный бюджет леса (поглощение минус выбросы) оценивался в 1990 году величиной 116,3 млн т CO₂ (32 МтС) и увеличился к 2011 году в 4,5 раза, достигнув 528 млн т CO₂ (144 МтС).

По официальным данным баланс депонирования углерода в «управляемых» лесах и индустриальных выбросов — отрицательный, то есть поглощение меньше выбросов.

Из простого взгляда на рисунок следует однозначный вывод — Россия является глобальным нетто-эмиттером CO₂ и, что особенно значимо, на основе этого вывода Правительство намечает (согласно Парижскому соглашению) придерживаться, начиная с 2020 года, соответствующего вектора развития народного хозяйства в ближайшей перспективе.

Сопоставление объемов депонирования углерода лесами с индустриальными выбросами показало, что __выбросы CO₂ при сжигании топлива и от производства продукции из минерального сырья значительно превышали поглощающую способность управляемых лесов России_._** Таким образом, официальная наука утверждает, что Россия является нетто-эмиттером CO₂. На основе этой концепции распоряжением Президента Российской Федерации утверждена Климатическая доктрина Российской Федерации. Правительству предписано при проведении государственной политики по вопросам, связанным с возможным глобальным и региональным изменением климата и его последствиями, руководствоваться данной Климатической доктриной.

Однако, методологические положения, на основе которых построена диаграмма, вызывают ряд принципиальных вопросов:

1. Почему в балансе не учитывается поглощение CO₂ океаном, как следует из схемы построения глобального баланса углерода, а в биоте суши не учитываются нелесные биомы — степи, болота, кустарники и другие фотосинтезирующие биомы?
2. Почему не учитываются фотосинтезирующие способности резервных лесов?

И вообще, почему учитывать или не учитывать какой-то компонент, составляющий баланс, надо определять процедурой голосования?

Накопление углерода природными поглотителями на территории России значительно превосходит объем поглощения CO₂ управляемыми лесами, приведенный в материалах Шестого национального сообщения.

Механический перенос методики лесохозяйственной оценки земель на экологические, карбонные свойства этих территорий является серьезной ошибкой и приводит к существенному занижению оценки поглощающей способности управляемых лесов **в материалах Национальных сообщений.

Отказ от учета вклада резервных лесов и других биомов, а также океана в Национальных докладах и международных переговорах зачастую мотивируется «недостаточной» изученностью процесса. Этому, вероятно, отвечает следующая позиция Рамочной конвенции по изменению климата ООН: «Там, где существует угроза серьёзного или необратимого ущерба, недостаточная научная определённость не должна использоваться в качестве причины для отсрочки принятия ... мер». Такого рода аргумент в пользу скорейшего решения проблемы не может служить основанием для исключения (по-видимому, процедурой консенсуса) самого понятия национальный баланс CO₂ из переговорного процесса.

Прогноз углеродного баланса России в 21 веке¶

Расчет ожидаемых выбросов углерода на территории России (энергетика)¶

Попробуем воспроизвести весь ход расчетов потоков национальных компонентов углеродного баланса.

Как указано выше, индустриальные выбросы **объединяют все газообразные отходы сжигания ископаемого топлива при прямом использовании, выработке электроэнергии и тепла, а также в промышленных технологиях переработки минерального сырья, прежде всего, в производстве цемента.

Основная часть индустриальных выбросов (свыше 85 %) приходится на топливно-энергетический комплекс (ТЭК).

В Институте народнохозяйственного прогнозирования РАН (ИНП РАН) в течение многих лет проводятся прогнозные расчеты по долгосрочным перспективам развития ТЭК России. Эти расчеты положены в основу оценки перспективных выбросов CO₂ в энергетике. Система прогнозирования ТЭК предназначена для анализа и исследования различных гипотез (сценариев) долгосрочного развития энергетики России.

Модель долгосрочного прогнозирования ТЭК выполнена в виде модулей, отражающих условия формирования региональной структуры ТЭК, структуры энергоресурсов, структуры секторов производства и потребления энергии с выделением наиболее представительных технологий.

Основная входная информация для модели включает следующие разделы:

1. Макроэкономическая информация: темпы роста ВВП и ВРП, структура производства ВВП и ВРП, динамика численности населения и его расселение по территории страны и по типам населенных пунктов.
2. Топливно-энергетические балансы страны и макрорегионов (по подведенной энергии и в расчетных оценках по полезной энергии).
3. Ресурсная информация: природные запасы органических топлив, экономика (затраты и инвестиции) разведки и добычи топлив (по крупным добывающим районам и месторождениям с выделением дешевых, умеренных и дорогих ресурсов).
4. Технологическая информация: технико-экономические показатели энергетических технологий, их динамика в перспективном периоде, условия выхода на рынок новых технологий.
5. Экологическая информация: удельные выбросы загрязняющих веществ (сейчас учитывается только CO₂), ограничения на выбросы.

Источниками входной информации являются: отчетные топливно-энергетические балансы страны, статистические материалы по секторам ТЭК, материалы топливодобывающих, электроэнергетических и теплоснабжающих компаний, аналитические записки по состоянию и развитию энергетики в стране и в мире, специальная техническая и экономическая литература и публикации в российских и зарубежных изданиях и в Интернете.

Рассматриваются различные сценарии развития ТЭК, но ни в одном из вариантов не наблюдается снижение выбросов CO₂, обеспечивающее условия выполнения требований стабилизации температуры на уровне +2 °С к 2050 году. ** Это означает, что только технологических факторов может оказаться недостаточно, чтобы выполнить условия сохранения климата, что потребует введения принудительного ограничения выбросов углерода**.

На рисунке изображена область предельных ожидаемых значений годовых выбросов CO₂ энергетическими объектами, полученная на основе модельных расчетов (показаны только максимальные и минимальные значения по сценариям). (1 тС = 3,67 т CO₂.)

Прогноз динамики индустриальных выбросов показан на рисунке.

Оценка поглощения и эмиссии углерода биотой России¶

При расчете национального баланса CO₂, как и в случае составления глобального баланса, поглотителем углерода служит биота. Биота России включает естественные биомы: леса, тундру, болота, луга, степи и полупустыни, водоёмы; и антропогенные экосистемы: сельскохозяйственные угодья, пастбища, парки и тому подобное. Изученность соответствующих потоков CO₂ оставляет желать лучшего. Следует признать, что карбонные качества биомов не имеют удовлетворительного научного описания и подобающей оценки.

Леса¶

Лесной биом включает в себя обширные места обитания, в которых доминируют деревья. На планете произрастает около 3,04 трлн деревьев; на одного землянина приходится 450 деревьев (3,04 трлн деревьев:6,8 млрд человек). Из них 1,39 трлн деревьев — тропические леса, 0,74 трлн — бореальные леса; леса умеренного пояса — 0,61 трлн деревьев. Специалисты также подсчитали, что каждый год человек вырубает 2 дерева, а высаживает лишь одно. Больше других регионов богата деревьями Россия — 640 млрд; 4/5 лесных массивов расположено в Сибири и на Дальнем Востоке. Среднестатистический россиянин обладает на порядок большим количеством деревьев, чем другой землянин (640 млрд деревьев / 142,9 млн человек = 4480 деревьев). До человеческой цивилизации на Земле было 5,6 трлн деревьев.

Резервуарами углерода в лесах являются надземная и подземная биомасса, мертвое органическое вещество (валежная древесина и подстилка), органическое вещество почвы.

Биомасса растений — поверхностная и подземная части — является основным резервуаром для поглощения CO₂ из атмосферы. Надземная биомасса это вся биомасса как древесной, так и травянистой живой растительности над поверхностью почвы, включая стволы, пни, ветви, кору, семена и листву. Подземная биомасса это вся биомасса живых корней.

Мертвое органическое вещество состоит из валежной древесины и подстилки. Валежная древесина включает всю неживую древесную биомассу, как стоящую или лежащую на земле, так и находящуюся в почве. Мертвая древесина включает деревья, лежащие на поверхности, мертвые корни и пни. Подстилка объединяет всю неживую биомассу.

Органическое вещество почвы включает органический углерод в минеральных и органических почвах.

Леса, по определению Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО), являются растительными сообществами, где, по крайней мере, 10–20 % поверхности территории составляют кроны деревьев.

Российская классификация категорий земель лесного фонда значительно отличается от принятой ФАО. Ни одно из российских определений земель лесного фонда не соответствует категориям «лес» и «прочие покрытые лесом земли», которые используются в ФАО. В России основным признаком принадлежности насаждений и кустарников к покрытым лесом землям служит степень сомкнутости крон, которая должна быть равна в молодняках и кустарниковых зарослях 0,4 и выше, а в насаждениях более старших возрастов деревьев — 0,3 и выше (степень сомкнутости 1,0 — тогда, когда сквозь крону не просвечивается небо). Но понятие сомкнутости крон мало раскрывает фотосинтетическую активность лесной территории, а именно, её карбонные свойства.

Необходимо отметить, что даже вокруг определения понятия «лес» в проблеме глобального потепления климата ведутся научные, хозяйственные и политические споры. При ратификации Парижского соглашения (2015 год) вопрос о дефиниции «леса» дорастет до политического уровня. В одном из документов сказано, что в настоящее время выпущен словарь, где дано 200 определений понятия «лес», 50 — «дерево», 50 — «лесовосстановление». И если ключевые термины, такие как леса, облесение, лесовозобновление и обезлесивание, не будут четко определены, то будет трудно оценить углерод-депонирующие свойства леса и его территории. Вместе с тем, и отдельное дерево, и кустарник, и трава являются продуктом фотосинтеза и тем самым участвуют в круговороте CO₂.

Поэтому необходимо начинать решение проблемы прогноза потоков CO₂ с самого начала — определить понятие карбонный лес, карбонный биом и, более широко, — карбон биоты страны.

Наконец-то в Париже (2015) признано существование углеродной продуктивности лесов и, тем самым, учтен важный поток CO₂. Так, по мере ратификации Парижского соглашения Странами — сторонниками Рамочной Конвенции ООН по изменению климата, функционирование лесов будет учитываться в национальных обязательствах по снижению выбросов. Это необходимо, но недостаточно.

Согласно Государственному лесному реестру России по состоянию на 1 января 2013 года площадь земель, на которых расположены леса, составляет 1183,1 млн га, а площадь земель лесного фонда — 1145,9 млн га; общий запас древесины в лесах, расположенных на землях лесного фонда, и лесах, расположенных на землях других категорий, составил 83,4 млрд м³, в том числе на землях лесного фонда — 79,9 млрд м³. Средний удельный запас древесины — 105 м³/га. Ежегодный средний прирост запаса древесины в лесах России низкий и не превышает 1,3 м³ на гектар земель, покрытых лесной растительностью. 65 % лесов России произрастает в условиях сурового климата. Это предопределяет их низкую продуктивность. Практически 80 % фитомассы приходится на стволы и корни деревьев.

Запас углерода в живой и мертвой фитомассе мира составляет около 360 ГтС, из них 49,4 ГтС (14 %) сосредоточено в российских лесах. Первичная нетто-продуктивность лесов мира оценивается в размере от 2 до 4 ГтС/год; в лесах России она достигает 615 МтС/год, из которых 415 МтС/год усваивает живая фитомасса. В лесах России средний запас углерода (без лесных почв) достигает 50 тС/га, в том числе 34 тС/га живой, и 16 тС/га мертвой биомассы. Средний удельный прирост углерода составляет 0,69 тС/га в год.

Депонирование углерода лесами¶

В лесах углерод аккумулируется в трех основных блоках: в живой фитомассе, мертвом растительном веществе и гумусе почвы. Большую часть органического углерода содержит надземная и подземная органика и фитодетрит.

Леса России имеют хорошо выраженное ярусное строение растительности (фитоценоза), что позволяет максимально использовать лучистую энергию Солнца и зависит от теневыносливости растений. Лес состоит из деревьев, кустарников, трав, но главными резервуарами, поглотителями-накопителями являются деревья. При среднем по стране удельном запасе древесины более 100 м³/га средний годовой прирост запаса составляет всего 1–1,5 м³.

Первичная биологическая продуктивность характеризуется образованием биомассы (первичной продукции) в процессе фотосинтеза зелёными растениями.

Биологическую продуктивность лесов рассматривают как их основную характеристику, которая определяет ход обменных процессов в лесных экосистемах. В процессе фотосинтеза образуется органическое вещество — валовая продукция. Противоположным фотосинтезу является процесс дыхания. Главным результатом продукционного процесса в лесной экосистеме является формирование биомассы.

В ходе сукцессии общая биомасса сообщества сначала возрастает, но затем темпы этого прироста снижаются, и на стадии климакса биомасса системы стабилизируется. Накапливаются как общая масса живых организмов, так и запасы мертвого, неразложившегося органического вещества. В зрелых, устойчивых экосистемах практически весь годовой прирост растительности поступает и расходуется в цепях питания гетеротрофами, поэтому чистая продукция биоценоза, его «урожай», приближается к нулю.

Потери депонирования в лесных экосистемах¶

Потери (эмиссия) углерода в лесных экосистемах складываются в основном при рубке и вывозе древесины, в результате лесных пожаров, а также в очагах вредителей и болезней леса и тому подобном.

Расчеты суммарных годовых потерь осуществляют по формуле: Loss = Cut + Waste + Burn + Pest + Fuel, где: Loss — суммарные годовые потери прироста углерода, МтС/год; Cut — вывоз (эмиссия) углерода заготовленной древесины, МтС/год; Waste — эмиссия углерода при сжигании (и окислении) древесных отходов и потерь на лесосеках, лесовозных дорогах, верхних и нижних складах, МтС/год; Burn — эмиссия углерода древесины и подстилки, сгоревших во время лесных пожаров, МтС/год; Pest — эмиссия углерода фитомассы в очагах вредителей и болезней леса, МтС/год; Fuel — эмиссия углерода при сжигании отопительных дров, заготовленных в лесу населением самостоятельно, МтС/год.

Потери углерода от рубок главного пользования и рубок ухода¶

Объем заготовки древесины характеризует состояние ресурсной базы и развитие лесной промышленности. По объемам заготовки древесины Россия находится на четвертом месте в мире после США, Бразилии и Канады.

В конце 1980-х годов ежегодная площадь сплошных рубок составляла около 2 млн га. Социально-экономические реформы начала 1990-х годов привели к резкому снижению площадей рубок (в 1998 году — до 0,5 млн га). Во время рыночных преобразований экономики в лесной промышленности произошел кризис. Научно-технический и промышленный потенциал были существенно подорваны. Вследствие изменений произошел спад производства, недостаточное использование лесосеки. Значительно сократился объем инвестиций. В итоге, лесоперерабатывающие предприятия (90 % от общего числа) перешли в частные руки.

С середины 2000-х годов наблюдалось постепенное увеличение масштабов рубок (в 2009 году — 1,2 млн га).

При рубках древесины большие объемы заготовленной древесной массы вместе с содержащимся в ней углеродом вывозят из леса. Согласно правилам отчетности, в рамках Киотского протокола считается, что углерод древесины возвращается в атмосферу непосредственно после рубки, то есть рубки приводят к эмиссии углерода.

В расчетах учтена растущая мировая потребность в деловой древесине. Российские леса могут стать реальным источником ее удовлетворения. Лесопользование в России характеризуется невысоким уровнем использования лесных древостоев: фактический объем рубок во много раз меньше потенциального объема лесопользования.

Эти данные особенно важны при учете экспорта древесины, который сейчас считается нашим выбросом углерода. В соответствии с государственной политикой по стимулированию глубокой переработки древесины и тенденциями ее развития, рост экспорта круглого леса будет несущественным, а доля поставок на экспорт необработанной древесины, по прогнозу, должна снизиться. Но мировая потребность в древесине остается достаточно высокой, и российские ресурсы, без ущерба воспроизводству леса, могут экономически эффективно покрывать возникающие запросы.

Общий объем текущей лесозаготовки (2014 год), включая рубки ухода, составил около 200 млн м³. Экспорт древесины вырос с 19,0 млн м³ в 2013 году и достиг 20,9 млн м³ в 2014 году.

В прогнозируемом сценарии при максимальных темпах развития лесопользования к концу столетия объем вырубки достигнет величин расчетной лесосеки — 700 млн м³/год.

Лесосека — заготовка и воспроизводство древесины¶

Заготавливается спелая древесина. Эти леса биологически созрели, и их рубка уменьшает запасы лесного фонда. Поэтому при вычислении годового депонирования относить величину рубки леса к одномоментным потерям (эмиссии) углерода некорректно. По определению экосистемы леса, NEP снижается не на величину, равную фактическому годовому объему рубок древесины старших возрастных групп, а на размер годовых потерь фотосинтезирующей способности срубленных деревьев.

Нарушенные участки зарастают молодняком. В первые же годы вырубленная площадь ассимилирует углерод эффективнее спелых деревьев, т.е. происходит расширенное воспроизводство депонирующей способности леса: чем интенсивнее молодняки заменяют срубленные древостои, тем больше углеродонакапливающая способность нарушенной лесной территории.

Принципиально важно — в углеродный бюджет леса составляющая «рубка леса» с соответствующей площадью лесосек должна включаться не как потеря (эмиссия), а как омоложение вырубленной территории — увеличение NEP, а окисление древесины и древесной продукции следует учитывать уже по мере её использования потребителем.

Незаконные рубки¶

Незаконные вырубки российских лесов в 2014 году составили 1,3 млн м³, что на 21 % больше показателей 2013 года, сообщили РИА Новости в Федеральном агентстве лесного хозяйства. А это на два порядка меньше объемов заготовленной в эти годы древесины. По оценкам большинства независимых экспертов, ситуация с незаконными рубками в России гораздо хуже: «...реальные масштабы незаконной заготовки экспертно оцениваются в 20–25 % от объемов законных рубок, то есть они составляют не «более 1 млн м³ в год», а 40–50 млн м³, а по некоторым оценкам — и до 70 млн м³ в год».

Воруют в основном спелую древесину. Лесная территория до незаконных рубок активно поглощала углекислый газ из воздуха. Далее допустим, что кругляк очутился за границей России и, тем самым, эмиссия кругляка не должна учитываться в национальном углеродном балансе. После вывоза ворованной древесины осталась захламленная территория. Вырубленные «лесозаготовки» освободились от «старья» и на ней быстро выросли молодняки. В результате этого фотосинтезирующая поглощающая способность вырубленной территории увеличилась в несколько раз. Таким образом, хотя это и выглядит кощунственно, подобного рода рубки древесины способствуют расширенному воспроизводству карбонных способностей леса.

Сжигание древесных отходов¶

Лесозаготовка сопровождается изъятием стволовой древесины, при этом на лесосеках остается значительное количество порубочных остатков, а также неиспользованная древесина. Неутилизированные порубочные остатки практически не изымаются с лесосек и не используются в дальнейшем. Правилами заготовки древесины установлено, что при производстве работ по заготовке древесины обеспечивается очистка мест от порубочных остатков, неликвидной древесины и валежника, мешающих проведению лесовосстановительных работ. Собранные порубочные остатки в основном сжигают, иногда измельченные порубочные остатки разбрасывают на месте рубки в целях улучшения лесорастительных условий. Обязательному сжиганию подлежат порубочные остатки при проведении унитарных рубок в очагах вредных организмов, где они могут оказаться источником распространения инфекции или средой для ее сохранения и заселения вторичными вредными организмами.

Долю эмиссии углерода от сжигания (и окисления) порубочных остатков и отходов принимают экспертно в размере от 50 до 20 % от суммарного объема углерода древесины, заготовленного в ходе проведения рубок главного пользования, рубок промежуточного пользования и прочих рубок.

Заготовка дров для отопления¶

Расходы древесины на эти цели в размере 1–2 м³, или 250–500 кгС на одного человека в год, что составляет около 60 млн м³, или 15 МтС/год.

Поврежденные леса¶

Способность леса восстанавливать экосистемные функции после нарушающих воздействий или адаптироваться к ним зависит от его здоровья и жизнеспособности. Леса горят, болеют, растительность объедают насекомые-вредители, ветровалы и снеголомы повреждают деревья и тому подобное.

За прошедшие четыре десятилетия наметилась устойчивая тенденция к увеличению площади повреждений лесов и потерь лесных ресурсов от пожаров, вредителей и болезней. Общая площадь поврежденных лесов в 2010 году составила около 7,2 млн га. Динамика площади лесных пожаров, очагов вредителей и болезней леса носит волнообразный характер, что существенно осложняет процесс прогнозирования. Площадь повреждений лесов в результате лесных пожаров, от насекомых-вредителей и болезней леса, ветровала и снеголома возросла с 3 млн га в 1990 году до более 6 млн га в 2010 году, т.е. практически удвоилась за 20 лет.

Лесные пожары¶

Лесные пожары приводят к глубинной деградации экосистем. Они в России не распространены широко, но если они случаются, то принимают масштабы бедствия. В России каждый год леса горят на площади 0,5–1,5 млн га, бывает, что огнем охватывает «квадрат» 100 на 100 км, а в отдельные годы — в два раза больше.

Увеличение возгорания лесов вызвано увеличением частоты и длительности сухой и жаркой погоды в результате потепления климата. Число пожаров возрастает в заселенных равнинных районах России, где до 98 % пожаров возникает по вине населения, т.е. не обусловлено изменением климата, а в удаленных северных районах в половине случаев “виноваты” грозы.

Какими бы ни были причины пожара леса, эти факторы являются экзогенными проявлениями жизнедеятельности лесной экосистемы и поэтому не должны учитываться в бюджете леса.

Лесные пожары не полностью уничтожают жизнедеятельность среды. На пустошах начинается вторичная сукцессия. После пожара угарные, удобренные золой, пустоши бурно зарастают и они ассимилируют углекислый газ из атмосферы намного интенсивнее ранее сгоревших, взрослых древостоев.

Вредители и болезни леса¶

Вспышки численности насекомых, приводящие к гибели насаждений, являются серьезным фактором, который существенно снижает способность лесов депонировать углерод и, одновременно, повышает эмиссию CO₂ вследствие разложения опада, причем эмиссия углерода не прекращается и после затухания самой вспышки.

Насекомые-вредители и болезни лесов — еще более опасные проявления, чем пожары и лесозаготовки. Площадь повреждений лесов в результате вспышек численности насекомых сравнима с площадью лесов, уничтоженных огнем.

Ежегодные потери углерода живой фитомассы в очагах вредителей и болезней леса можно оценить в размере 50–70 % от среднего прироста фитомассы на этой площади. В 2008 году общая площадь очагов вредителей и болезней леса достигала 3,7 млн га. В этом случае эмиссия углерода составила 2 МтС (2МтС / 3,7 млн га = 0,5 тС/га).

Площадь лесов, погибших по данной причине, сильно варьирует. Такая ситуация обусловлена, прежде всего, естественными, природными колебаниями численности насекомых-вредителей, присущими лесной экосистеме.

Такие деструктивные процессы, как болезни леса и размножение насекомых-вредителей, в перспективе возрастут. Это связано с повышением приземной температуры воздуха, а также со стрессами биоценозов, которые вызываются тем, что эволюция биосферных систем и трансгрессия лесов будут почти на порядок отставать от распространения изменений климатических факторов.

Ветровал и снеголом¶

Исторически конструкция дерева эволюционно приспосабливается к погодным условиям местоположения своего произрастания. Повал деревьев вызывается экстремальным проявлением погодных воздействий. Все существующие климатические прогнозы при их расшифровке по погодным условиям указывают на чувствительное увеличение частоты экстремальных погодных проявлений: для России это, в частности, штормовые ветры, ливни и снегопады. Естественно, погибшие деревья больше не фотосинтезируют, а испускают CO₂.

Массовый вывал огромного количества деревьев вносит в лесную среду колоссальные изменения, сравнимые с мощным разрушительным воздействием пожаров и рубок. В то же время ветровалы — природные явления, регулярно повторяющиеся и естественные в жизни леса. Массовый вывал перестойных, биологически обреченных деревьев завершает жизненный цикл старших поколений, освобождая экологическую нишу для новых поколений. Площади проявления ветровала и снеголома возросли с 200 тыс. га в 1990 году до примерно 400 тыс. га в 2010 году.

Суммарные значения площади повреждений леса за счет лесных пожаров, насекомых-вредителей и болезней леса, ветровала и снеголома могут возрасти с 6–7 млн га в настоящее время до 18–20 млн га к концу века, что приводит к увеличению эмиссии от 2–2,5 МтС/год сегодня до примерно 5 МтС/год к 2100 году.

Нелесные биомы¶

Углекислый газ поглощают степи и луга, сельскохозяйственные угодья, тундра, болота, кустарники.

Степи — самый продуктивный биом России и сопоставимы с лесами. Фиксация CO₂ из атмосферы зависит от динамики фотосинтеза растительной экосистемой. Под влиянием изменения климата ожидается дальнейшее увеличение площади степей и их продуктивности.

Сельскохозяйственные угодья России с 1990 года подверглись качественному преобразованию. Прекращение возделывания и перевод значительных площадей пахотных почв в сенокосы и пастбища, а также снижение внесения удобрений в используемые пашни в течение последующих лет привело к сокращению выбросов и к накоплению углерода за счет поглощения CO₂ из атмосферы.

Потепление климата приведет к увеличению температуры приземного воздуха и, тем самым, повышению продуктивности болотной растительности. Но прогрев торфяных залежей болот ускорит процесс окисления гумуса. Это повлечет ускоренное разложение органического вещества торфов и вызовет уже антропогенную эмиссию CO₂. Поэтому в прогнозах примем, что углеродные потоки болот останутся в состоянии квазиравновесия.

Тундра — холодная среда обитания, для которой характерны: вечная мерзлота почв, низкие температуры воздуха, длинные зимы, невысокая растительность и короткий вегетационный период. В прогнозе допустим, что потепление климата (повышение приземной температуры) приведет к увеличению фотосинтетической активности растительности, хотя общая площадь тундровой зоны уменьшается, на ее месте, вслед за увеличением вегетационного потенциала приживутся более продуктивные растения.

Вследствие слабой изученности элементов баланса, составляющих нелесные биомы, прогнозировать величину NEP, тем более в условиях изменения климата, задача весьма неблагодарная. Но, все же, так как вегетационный период растительных сообществ станет продолжительнее и теплее, то в дальнейшем в прогнозных оценках принято, что фотосинтетическая способность и величина депонирования углерода нелесными биомами (кроме болот) увеличивается на 0,4 % в год и к концу века достигнет величины 250 МтС/год (36 МтС/год + (130 МтС/год + 27 МтС/год) х 1,4).

Итоговый баланс¶

Итоговые оценки депонирования углерода естественными поглотителями показаны в таблице.

Исходя из распределения глобальных углеродных выбросов 27 % выбросов углерода в атмосферу поглощается океаном. В составе глобальных выбросов находится и российский CO₂. Поэтому в национальном балансе учитываем компонент выбросов, равный 73 % общих российских выбросов.

В результате всех расчетов получены показатели выбросов и поглощений, на основе которых составлен углеродный баланс.

Данные диаграммы показывают, что объем поглощения CO₂ биотой России (и океаном) существенно превышает объем выбросов. Совершенно очевидно, что остаточные мощности российского фонда поглотителей углерода безвозмездно используют зарубежные эмиттеры.

Этот вывод по-новому заставляет понимать роль России в углеродном балансе мира, в отличие от «официальной» доктрины, где при оценке поглощающей способности биоты учитываются только «управляемые» леса.

Об исторической ответственности стран в климатических изменениях¶

При оценке антропогенного воздействия на климатическую систему составители Пятого оценочного доклада МГЭИК полагают, что более корректно говорить о суммарном выбросе за тот или иной промежуток времени. Кто больше «виноват» в суммарной эмиссии CO₂, тот и должен снижать выбросы и «платить» другим странам. Еще десять лет назад такой подход пользовался поддержкой практически всех развивающихся стран, но сейчас ситуация не столь однозначна. По показателю суммарных выбросов Китай вышел на второе место (на первом — США, на третьем — СССР по выбросам по 1991 год), Индия — на седьмом, а Россия — на девятом месте.

В настоящее время Китай по показателю годовых выбросов CO₂ вышел на 1-е место, на втором — США, на третьем — Европейский союз, Индия — на 4-ом, а Россия — на 5-ом месте.

Присвоение места в мировом рейтинге «исторической ответственности» стран по выбросам CO₂ от сжигания ископаемого топлива и производства продуктов из минерального сырья за исторический период имеет место быть, но этот показатель не объективен. Оценка ответственности стран должна исходить и из учета поглощения. Сопоставление выбросов и поглощений осуществляется в национальном углеродном балансе. Такая попытка, ориентировочная и весьма приблизительная, была предпринята нами более десяти лет назад (деление на страны-эмиттеры и страны-поглотители). Ранжирование стран по показателю «нагрузка на леса» качественно отличается от рейтинга стран по выбросам и по «исторической ответственности». Первые места в рейтинге стран-эмиттеров заняли страны Евросоюза, США и Китай; в другом списке — стран-поглотителей — оказались скандинавские страны и Канада, имеющие обширные бореальные леса; Австралия имеет самые лучшие показатели по «свободным» углеродопоглощающим ресурсам.

Данные углеродного баланса показывают, что Российская Федерация за эти (1992–2010) годы была эмиттером CO₂ в суммарном объеме 8,6 ГтС, а поглотителем углерода в суммарном объеме 13,8 ГтС, т.е. нетто-поглощение составило 5,2 ГтС. Поэтому никакой «исторической ответственности» России не несет и не должна находиться в ряду плательщиков и «борцов с выбросами» CO₂. Наоборот, Россия должна иметь преференции за ощутимый вклад в противодействие потеплению климата.

Метан¶

Содержание метана в современной атмосфере составляет всего 1,8 ppm, т.е. примерно в 200 раз меньше, чем диоксида углерода, но тем не менее этот газ вносит заметный вклад в создание парникового эффекта, поскольку поглощает исходящее от Земли инфракрасное излучение в той области спектра, которая не улавливается парами воды и CO₂. Обеспокоенность ученых вызывает и то, что концентрация метана в атмосфере увеличилась более чем в два раза по сравнению с уровнем, характерным для доиндустриальной эпохи, причем в последние десятилетия она росла очень быстро, со скоростью около 1,2 % в год. Сейчас эта скорость по не очень понятным причинам несколько снизилась (до 0,3–0,5 % в год), но все равно остается очень высокой, примерно в два раза превышающей соответствующие показатели для CO₂.

Метан (CH₄) — такой же «мобильный» газ биосферы, как и диоксид углерода. Среднее время пребывания его молекулы в атмосфере — около 2–4 лет. Из атмосферы метан все время удаляется за счет окисления гидроксильным радикалом ОН. Этот радикал с точки зрения человека является очень ценным компонентом атмосферы — своего рода «чистильщиком», вступающим в реакции с такими вредными примесями, как оксиды азота и серы, а также хлорфторуглеводородами. Образуется гидроксильный радикал в ходе фотохимических реакций из озона и паров воды и «живет» в свободном состоянии в атмосфере очень недолго — около 1 сек. Точную концентрацию его определить трудно, но известно, что она очень низка — около 105 молекул в 1 см³.

Учитывая чрезвычайно высокую вероятность окисления метана (до CO, а потом и CO₂) в современной кислородной атмосфере, его концентрация теоретически должна быть на много порядков меньше той, которая реально наблюдается. Нарушение физико-химического равновесия происходит за счет того, что метан все время поступает в атмосферу, причем производится он на Земле почти исключительно за счет деятельности особых метанобразующих (метаногенных) бактерий.

Метаногенные бактерии, или попросту метаногены, относятся к домену архебактерий. По своим экологическим особенностям, например характеру используемого субстрата или предпочитаемой температуре, разные метаногены могут сильно различаться, но все они — строгие анаэробы, то есть живут в бескислородной среде, а на воздухе быстро погибают. Единственным источником энергии для них служит реакция производства метана. Окислителем выступает CO₂, а донорами электронов могут быть разные вещества — водород, ацетаты (производные уксусной кислоты) и различные метилированные соединения.

Метаногены теснейшим образом зависят от тех микробов, которые поставляют им исходное сырье, и «работают» обычно в составе особых метаногенных сообществ, где разные группы организмов выполняют разные этапы преобразования вещества. При этом очень часто наблюдается ситуация, когда продукты метаболизма одних организмов служат ресурсами («субстратами», как говорят микробиологи) для других, причем изъятие продукта чрезвычайно важно не только для потребителя, но и для производителя.

Места обитания метаногенов — донные отложения водоемов и болота (там, где возникают анаэробные условия), заливаемые водой рисовые поля (чеки) и различные свалки. В болотах метана образуется около 145 × 10⁶ т в год — на сегодня это, по-видимому, самый мощный природный источник метана, поступающего в атмосферу. Кроме того, метан производится и в пищеварительном тракте очень многих животных, как беспозвоночных, так и позвоночных.

Важная роль принадлежит, в частности, бактериям, обитающим в кишечниках термитов (за счет их деятельности в атмосферу поступает за год около 20 × 10⁶ т метана). Вообще образование метана (метаногенез) часто является конечным этапом в разложении органического вещества, если вещество это оказывается в анаэробных условиях.

Хозяйственная деятельность человека привела к возникновению многих дополнительных источников метана. Помимо мусорных свалок, рисовых чеков, домашнего скота и так далее, человек стал высвобождать метан, скопившийся под землей, значительная часть которого улетучивается в атмосферу. В сумме эмиссия метана из антропогенных источников составляет, по некоторым оценкам, около 260 × 10⁶ т в год, то есть примерно столько же, сколько выделяется из природных источников — 273 × 10⁶ т в год.

В последние годы все большее внимание исследователей привлекают так называемые метановые «высачивания», или «сипы», — места на дне океана, где сквозь мелкие трещины в земной коре метан поступает непосредственно в водную толщу.

Температура этих вод может колебаться от 4 до 45 °С, но в любом случае она всегда превышает (хотя бы на десятые доли градуса, но, как правило, гораздо сильнее) температуру окружающей океанской воды, составляющую обычно 2–4 °С. Когда такие метановые высачивания называют «холодными», то имеется в виду их противопоставление гидротермальным источникам (или попросту гидротермам), температура вод которых колеблется от нескольких десятков градусов до 400 °С (подробнее о гидротермах смотрите в разделе о цикле серы). В местах выхода метана на дне океана развиваются обильные сообщества метанотрофных бактерий, которые в свою очередь служит пищей другим организмам. Иногда они являются симбионтами животных, например двустворчатых моллюсков.

Если графически изобразить зависимость содержания метана в атмосфере от географической широты и сезона, то получится картина, очень напоминающая ту, что уже известна для диоксида углерода. Правда, еще заметнее различия между полушариями. В Северном полушарии всегда поддерживается более высокий средний уровень, чем в южном (примерно на 16 %), а кроме того, очень сильно выражены сезонные колебания: максимум отмечается в конце зимы — в начале весны, а минимум — осенью. На самом деле это может показаться странным: ведь деятельность метаногенных бактерий более интенсивно протекает в теплое время года и, следовательно, за лето (особенно в высоких широтах, где очень много болот) метан должен накапливаться в атмосфере. Однако реакция окисления метана гидроксильным радикалом ОН также положительно зависит от температуры, и сезонные колебания интенсивности этого чисто физико-химического процесса перевешивают результаты деятельности метанобразующих бактерий.

Данный пример — еще одно свидетельство того, что на уровне биосферы (а забегая вперед, скажем, что и экосистемы) физические, химические и биологические процессы, участвующие в трансформации вещества и энергии, между собой могут быть очень тесно связаны, причем иногда они действуют в одном направлении, а иногда — в разных. Исследователю важно оценить этот баланс и вывести его конечный суммарный результат.

Метан, образованный метаногенами, может быть окислен и биологическим путем. Существует небольшая группа бактерий (представителей эубактерий), которых называют метанокисляющими или метанотрофами (т.е. питающимися метаном).

В водоемах они располагаются в аэробной зоне над тем горизонтом, где сосредоточены метаногены, и перехватывают поднимающийся вверх метан. Предполагается, что метанотрофы особенно активны в южных районах и поэтому в атмосферу там попадает в конечном итоге несравненно меньше метана, чем в таежной или тундровой зоне.

Многолетняя динамика содержания CH₄ в атмосфере за последние несколько сотен тысяч лет довольно хорошо прослеживается по материалам анализа пузырьков воздуха, содержащихся в ледовых кернах, в том числе — с антарктической станции «Восток». Ход этих изменений в общем хорошо совпадает с изменениями содержания CO₂ и температуры. В межледниковые периоды интенсивность метаногенеза заметно возрастала, причем, как и в случае с CO₂, здесь наблюдается положительная обратная связь — чем больше парниковых газов, тем теплее, а следовательно, интенсивнее протекают процессы дыхания и образования метана. Однако к необратимому разогреву атмосферы это все же не приводило.

Метаногенез — очень древний процесс, возникший в эволюции, по-видимому, даже раньше фотосинтеза. Некоторые ученые полагают, что в бескислородной древней атмосфере концентрация метана была на несколько порядков выше современной, однако пока нет данных для того, чтобы разработать гипотезу, непротиворечивым образом описывающую всю совокупность происходивших тогда процессов.

Литература¶