Зачем нужна геология: краткая история прошлого и будущего нашей планеты

Фотосинтезирующий планктон, живущий в освещенных солнцем приповерхностных водах океана, использует углекислый газ для создания органического углерода, как это делают наземные растения; однако часть этих организмов извлекает растворенный углерод из морской воды и создает раковины из карбоната кальция. Когда эти организмы умирают, и раковины, и органические остатки опускаются на большие глубины, тем самым удаляя углерод из поверхностных слоев океана. Часть этого углерода снова растворяется в морской воде, а часть оседает на дно и сохраняется в виде донных отложений. Геохимики называют этот процесс «биологическим насосом», потому что он лишает поверхностные воды двуокиси углерода, отправляя ее вниз, зато в эти теперь уже обедненные углекислым газом поверхностные воды попадает атмосферный углекислый газ и растворяется там. Поэтому концентрация парниковых газов в атмосфере находится в равновесии, на которое влияют различные процессы, участвующие в природном круговороте углерода. Это равновесие — по крайней мере, на короткое время — может нарушаться различными переменами в среде, включая независимые изменения температуры и климата. Например, поскольку холодная вода содержит больше диоксида углерода, чем теплая, повышение температуры морской воды вызывает частичное выделение этого соединения из океана в атмосферу, и его концентрация в воздухе повышается; наоборот, снижение температуры морской воды приведет к растворению в ней дополнительного количества диоксида углерода. На рисунке 25 показаны пути разного временного масштаба, входящие в геохимический цикл углерода.

В углеродном цикле есть еще один важный фрагмент. Как кратко описывалось в главе 7, в течение очень длительных периодов — миллионы лет и дольше — содержание углекислого газа в атмосфере регулируется за счет вулканической деятельности с одной стороны и химического выветривания поверхностных пород с другой. Лава, извергающаяся на поверхность Земли, приносит с собой растворенные в ней газы, включая двуокись углерода. При высоком уровне вулканизма углекислый газ в атмосфере накапливается, и температура повышается за счет парникового эффекта. Однако при повышении концентрации он сильнее растворяется в дождевой воде, вода становится кислотной и усиливает интенсивность химического выветривания. Более высокая температура тоже ускоряет выветривание. В результате получается отрицательная обратная связь: при повышении содержания углекислого газа в атмосфере стимулируются процессы, которые снижают его концентрацию.

Рисунок 25. Некоторые пути в углеродном цикле. Различные части цикла действуют в существенно разных временных масштабах. За миллионы лет углерод (в форме двуокиси) убирается из атмосферы посредством выветривания пород и фотосинтеза, откладывается в виде углеродсодержащих отложений в океанах или в виде органического материала в болотах на материках, долгое время сохраняется в виде карбонатных пород или ископаемого топлива. Это уравновешивается добавлением углекислого газа в атмосферу посредством вулканической деятельности. Кроме того, углерод путешествует через атмосферу, растения, почвы и океаны и в более коротких временных масштабах.

При химическом выветривании поверхностных пород образуются растворенные углеродсодержащие соединения; реки переносят их в океан, где они в конечном итоге и оседают на морском дне в виде карбонатных пород — таких как известняк. Если известняк попадает в зону субдукции, перемещается внутрь Земли и нагревается, то часть углекислого газа может вернуться в атмосферу в виде вулканических газов, завершая круговорот углерода. Известняк, который избежал этой участи, может сохранять некогда находившийся в атмосфере углерод в течение многих сотен миллионов лет.