big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Динамическое равновесие угольной кислоты в атмосфере

Количество угольной кислоты в тропосфере подвержено непрерывным колебаниям, большим, чем количества других составляющих ее газов. Колебания эти, однако, не достигают тога огромного размаха, какой наблюдается для паров воды. Все же эти колебания углекислоты в области, доступной растительности суши, могут доходить до очень больших величин, обычно десятков процентов, временами больше 100% .

Эти колебания гораздо меньше в слоях атмосферы, удален-ной от почвы, и в ней они менее устойчивы. Для этих слоев можно говорить о постоянстве ее среднего содержания с большим правом, чем мы это делаем для паров воды. Постоянно присутствующая в тропосфере масса углекислоты близка к 2,2•1012 т. Гораздо большее ее количество (1,84∙1014 т) находится в морской воде, частью в газовом растворе, частью связанной с бикарбонатами. Масса воды в океане, как это доказал Шлезинг, есть мощный регулятор угольной кислоты в биосфере. Вода океана возвращает ее в воздух, когда упругость паров угольной кислоты воздуха уменьшается, и поглощает ее обратно, когда эта упругость увеличивается. Т. Шлезинг открыл в 1878 г. этот важный факт в химии земной коры, подтвержденный позднейшими независимыми исследованиями. Этот факт, несомненно, имеет большое геологическое значение, так как отношение между площадями океана и суши очень изменчиво в течение геологического времени. Все его геологическое значение еще далеко не выяснено.

Океан всегда содержит угольную кислоту в количествах, потребных для жизни и благоприятных ей. Морская вода слегка щелочная; в ней не хватает очень немного ионов водорода для того, чтобы сделать ее нейтральной. Но этот недостаток Н+ имеет огромное влияние на жизнь организмов, и, чем глубже изучается ионное состояние воды, тем ярче выступает ее значение.

Прав Л. Гендерсон, что регуляция этой ионизации — количества ионов водорода в воде — совершается с такой точностью, которая недоступна современным средствам наших лабораторий и напоминает точность хода небесных светил; это утверждение не является преувеличенным.

Океан — наиболее могущественный регулятор, но режим угольной кислоты атмосферы одновременно находится под влиянием двух других явлений земной коры — водных поверхностей суши и живого вещества. Правда, масса этого последнего по «сравнению с океаном невелика: она немного превышает 10-2 % массы всемирного океана. Но его влиянием нельзя пренебрегать, так как угольная кислота входит в жизненный цикл, и в то время как поверхность океана, выделяющая углекислоту, ни в коем случае не может определяться его массой и в течение года остается неизменной, поверхность быстро размножающихся мельчайших организмов дает в течение года место таким выделениям углекислоты, которые могут не только сравниться или стать величиной одного порядка с поверхностью океана, но, может быть, и ее превысить.

Биогенный процесс выделения углекислоты не имеет того предела, который для океана устанавливается упругостью пара углекислоты в биосфере.

Однако существование этих регуляторов сказывается и для жизни: они меняют, может быть и понижают, существующие для организма оптимальные условия в среде жизни и уменьшают то количество живой массы, которое могло бы быть в их отсутствие создано размножением.

В земной коре существует сила, равнозначная с геохимической энергией жизни, и эта сила уравновешивает ее влияние, связывая угольную кислоту воздуха. Всемирный океан и площади пресной воды являются такой силой. Ее проявление выражается в упругости паров угольной кислоты в земных водных растворах, в образовании бикарбонатов в этих водах. Эта сила не позволяет живому веществу извлекать из воздуха или из воды все то количество угольной кислоты, какое оно могло бы извлечь и которое оно потребляет, когда ему предоставляют газообразную угольную кислоту в избытке. Подобно всякому явлению равновесия масса живого вещества (так же как и его размножение, являющееся функцией угольной кислоты, поглощенной живым веществом) ограничивается другим явлением природы, не менее могущественным, чем она сама.

Явление, здесь наблюдаемое, очень сложно, и мы не можем еще учесть его во всем его масштабе. По-видимому, для зеленой растительности суши регуляция ее количества может сказываться только тем влиянием, какое океан оказывает на углекислоту тропосферы: главная часть углекислоты устанавливается дыханием почвы, создается самим же живым — не зеленым веществом и от тропосферы не зависит.

Выходя на сушу в форме зеленого вещества, жизнь выходит из того сдерживающего ее количества напряжения, какое оказывает на нее всемирный океан.

Однако сам океан не представляет простой водный раствор: он переполнен жизнью. Должно существовать сложное равновесие, нам еще не известное, между количеством живого вещества моря, богатого животными, химическими свойствами бикарбонатов, массой углекислоты морской воды, биохимическим «дыханием» почвы и массой зеленой растительности суши.

Таким образом, углекислота находится в состоянии сложного динамического равновесия в тропосфере.

Подводя итоги, мы видим, что угольная кислота освобождается в атмосфере: 1) путем вулканических выделений, горячих минеральных источников, природных газов, при выветривании изверженных пород, в которые она включена (ювенильная или фреатическая угольная кислота); 2) из растворов в морях и пресных водах (озера и реки) в связи с упругостью угольной кислоты воздуха (вадозная, частью биогенная углекислота); 3) через дыхание животных и растений во время их жизни, через химические и биохимические процессы, связанные с их разложением после смерти путем гниения, через почвы (всегда только биогенная углекислота). И наконец, четырехсложной, по-видимому, является углекислота, которая выделяется в каменноугольных месторождениях — весьма часто в Западной Европе. Часть ее, должно быть, биогенная, но часть, должно быть, связана с газовыми выделениями подземных атмосфер.

Биогенными являются выделения углекислоты человеком в ходе его технической работы: в печах заводов, при обжигании извести, в брожениях и многом другом. Очень интересен и характерен факт в истории углерода, что количество угольной кислоты, этим путем выделяемое человечеством, увеличивается с ходом цивилизации. Оно уже достигло такого порядка, что должно быть принимаемо во внимание в геохимической истории биосферы.

Так, количество угольной кислоты, выделяемое потреблением каменного угля, достигло в 1904 г., согласно вычислениям А. Крога, 7∙108 т, а в 1919 г., согласно Ф. Кларку, поднялось до 1•109 т. Это уже составляет 0,05% всей существующей в атмосфере массы угольной кислоты. Такое увеличение получает значение важного геохимического явления.

Цивилизованный человек нарушает этим путем установившееся земное равновесие. В цивилизации Homo sapiens создалась новая геологическая сила, значение которой в геохимической истории всех химических элементов все растет. Мы увидим, что это лишь отдельный факт великого общего, исторически нового природного явления.

Мы можем здесь лишь упомянуть еще об одном источнике угольной кислоты — угольной кислоте космической, значение которой нам сейчас совсем неясно. Углерод — элемент, играющий большую роль в планетном пространстве, как нам показывают метеориты и кометы. Несомненно, что сгорание угольных метеоритов и падающих звезд является источником непрерывно к нам проникающей космической угольной кислоты.

Всякую минуту устанавливается динамическое равновесие. Угольная кислота, тем или иным путем проникающая в атмосферу, не остается там; она уходит в соседние области. Главная ее часть дает на земной поверхности — в биосфере — растворимые карбонаты, захватывающие металлические окиси, щелочные и щелочноземельные, которые были связаны с кремнеземом. Как мы видели, силикаты и алюмосиликаты разлагаются на земной поверхности, давая коллоидальную кремнекислоту, кремневый ангидрид и каолиновые глины. Количества такой угольной кислоты, замещающей кремневый и алюмокремневые ангидриды, очень велики. Часть этой кислоты в виде карбонатов или бикарбонатов — в ионах СО"3 и НСО'3 — захватывается природными водами и постоянно уносится реками в океан: это — масса, отвечающая приблизительно 1•109 т СО2 в год. Вся же углекислота, связываемая выветриванием силикатов и алюмосиликатов (ими поглощаемая), не меньше 5∙109 т, вероятно больше 1•1010 т в год.

Наименьшая масса поглощается живым веществом и находится в теле живых организмов. Весь углерод живых организмов происходит в конечном итоге из угольной кислоты атмосферы. В какой-нибудь момент он, несомненно, существовал в виде газообразной СО2. Принимая данные об углероде ныне существующего живого вещества, можно думать, что общее количество угольной кислоты, потребовавшейся для его получения, отвечает приблизительно порядку 1—2•10 13 т — количество, гораздо более значительное, чем количество угольной кислоты атмосферы (2,2—2,4 • 10 12 т).

Обычно его считают меньшим. Так, Аррениус полагает, что количество угольной кислоты, ежегодно собираемое живым веществом, не превосходит 1/50 всей массы угольной кислоты атмосферы.

Аррениус основывается на данных Ю. Либиха. Либих оценивал средний урожай почв в Центральной Европе в 2,5 т сухого органического вещества в год на гектар. Принимая же это число за среднее для всей земной поверхности, Аррениус получает 1,3∙1010 т СО2.

Уже указано, что эти числа не соответствуют действительности.

Я критикую здесь не числа, данные шведским ученым, но лишь его оценку порядка явления. Этот порядок иной, чем он думал.

Количество угольной кислоты, задерживаемое в каждую данную минуту в живом веществе, не меньше, но, напротив, по крайней мере в десятки раз больше количества ее в земной атмосфере.

Живое вещество постоянно теряет свой углерод, выделяет его большей частью при жизненных процессах в виде биогенной угольной кислоты. Очевидно, что для сохранения равновесия своего состава оно должно извлекать ежегодно из атмосферы гораздо большие массы углерода, чем те, которые в нем содержатся в каждую данную минуту. Если это соответствует действительности, то отсюда следует, что вся угольная кислота тропосферы должна много раз пройти через живое вещество в течение одного года. Угольная кислота проникает в живое вещество с помощью особого механизма — бесчисленных рассеянных в зеленых растениях хлорофильных пластид. Этот аппарат дает способность разлагать молекулу угольного ангидрида, и переводить углерод в углеводы или другие органогенные соединения. Самая большая масса углекислоты захватывается не зеленой растительностью суши, которую мы видим вокруг нас, но планктоном океана, т. е. невидимыми одноклеточными водорослями, его переполняющими.

И в океане и на суше такие биогенные поглощения, выделение и синтез углекислоты происходят в биосфере, главным образом в особых областях ее, где сосредоточены организмы — в пленках и сгущениях жизни — неизменных, геологически вечных, несмотря на резкое изменение составляющих их форм жизни.

Существует, наконец, еще третий источник, поглощающий и выделяющий угольную кислоту воздуха. Это — океан и поверхность других вод, на огромную роль которых было уже указано.

Неизбежно, таким образом, что поверхностные водные массы должны управлять количеством угольной кислоты воздуха. Равновесие должно непрестанно устанавливаться. Нарушение равновесия, если бы оно было, должно было бы сейчас же отразиться на всей химии океана.

Но химия моря нам представляется неизменной. В течение геологического времени мы видим всегда те же реакции, те же минералы, что и ныне. И также присутствуют всегда в океане те же «сгущения жизни».

Постоянство химического состава и свойств морских осадков указывает, что за все геологическое время не было больших и внезапных изменений в количестве угольной кислоты атмосферы. Могли быть — и несомненно были — лишь ее колебания. Средняя этого количества всегда оставалась близкой к современной. Динамическое равновесие угольной кислоты должно было всегда существовать в течение геологического времени. Мы в геологическом прошлом не видим никаких указаний на изменения ее в определенном направлении — ни на ее уменьшение, ни на ее увеличение.

Колебания в содержании СО2 в течение геологического времени теоретически представляются неизбежными, однако ясные геологические указания отсутствуют. Аррениус их видел в повторном появлении ледниковых периодов в течение геологического времени, объясняемом им изменением термической прозрачности атмосферы вследствие различного количественного содержания ею угольной кислоты. Однако причины появления ледниковых периодов гораздо более сложны, и колебания в содержании угольной кислоты явно не могут их объяснить.

Допуская существование вековых или даже геологически длительных колебаний, можно предположить, что количество угольной кислоты в атмосфере не остается вполне устойчивым и в настоящее время. Аррениус, заканчивая свои исследования, выражает мнение, что ее количество в настоящую эпоху постоянно увеличивается. Он указал на новый факт в ее истории, отсутствовавший в прошлые геологические эпохи, — деятельность цивилизованного человека. Мы уже видели значение этой деятельности в выделениях угольной кислоты. Но итог человеческой деятельности еще не подведен, и ясно, что влияние человека простирается не только на выделение, но и на поглощение угольной кислоты, связанное, например, с изменением человеком количества зеленого живого вещества в биосфере. Это изменение, по-видимому, идет в противоположную сторону в аспекте создания углекислоты. Культурные площади несравнимы в целом с теми природными сгущениями жизни, на месте которых они созданы.

Увеличение массы зеленого живого вещества в результате культурной работы человека неизбежно должно поглощать создаваемую технической деятельностью человека углекислоту. Может быть, и здесь бессознательно, «стихийно» для человека выдерживается в среднем динамическое равновесие, столь характерное для явлений в биосфере.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.