По данным некоторых исследователей, в результате парникового эффекта в атмосфере задерживается 78 % земного излучения. При этом водяной пар задерживает 60 %, а углекислый газ — 18 % теплового излучения Земли. Средняя годовая температура Земли при исчезновении из атмосферы углекислого газа понизилась бы на 21 °C, а при удвоении ею содержания повысилась бы на 4 °C. Поэтому, говоря о климате, очень важно знать пути поступления углекислого газа и ухода из атмосферы. Его в атмосфере Земли сравнительно немного, всего 0,03 % объема. Но это составляет около 2,3х1012 т углекислого газа. Цифра весьма внушительная. И однако только в результате человеческой деятельности в атмосферу в виде СО2 поступило такое же количество углерода, и с развитием промышленности это поступление растет. Полагают, что к 2000 году ежегодные выбросы в атмосферу углекислого газа увеличатся в пять раз. Отсюда и прогнозы о потеплении климата Земли.
Некоторые зарубежные ученые говорили даже о том, что уже в начале 70-х годов нашего века он потеплеет настолько, что начнется переселение в Европу африканских животных. Однако этого, как мы теперь видим, не случилось. Интересно и другое. Ежегодное поступление углекислого газа, судя по количеству сжигаемого топлива, в четыре раза больше (1010 т), чем рост концентрации СО2 в атмосфере, по данным измерений. Куда же девается большая часть углекислого газа?
Ученые давно уже пришли к выводу, что основным регулятором концентрации атмосферной углекислоты служит океан. В нем содержится углекислого газа примерно в 100 раз больше, чем в атмосфере. Дело в том, что растворимость СО2 в воде во много раз выше, чем других газов атмосферы, в том числе кислорода и азота. Растворение газов в жидкости — процесс обратимый. Поглощенные водой молекулы газа находятся в непрерывном тепловом движении, их кинетическая энергия тем выше, чем выше температура воды. Энергия некоторых молекул растворенного газа столь велика, что им удается «вырваться» из раствора, и они снова переходят в воздух. Устанавливается динамическое равновесие между поступлением газа из воздуха в раствор и из раствора в воздух, при этом концентрация растворенного газа прямо пропорциональна концентрации его в воздухе (точнее, давлению, поскольку каждый газ ведет себя так, словно образует независимую атмосферу). Это правило растворимости, пропорциональной давлению, называется законом Генри.
Растворимость газов зависит и от температуры воды. Но здесь речь идет об очень небольших изменениях средней температуры — на 2–5°, которые мало влияют на растворимость газов, но способны дать начальный толчок к изменению климата Земли. При составлении точных математических моделей температурная поправка к закону Генри учитывается.
Если концентрация в атмосфере (и, значит, давление) какого-то газа, например углекислого, окажется выше величины, определяемой законом Генри, то океан поглотит большую часть этого избытка. Если же, наоборот, содержание газа в атмосфере понизится, то из океана поступит определенная порция этого газа.
Однако часть молекул углекислого газа успевает вступить в химическую реакцию с водой, образуя угольную кислоту. Кислота остается в растворе и сама претерпевает дальнейшие химические изменения. Вот поэтому-то растворимость углекислого газа намного больше, чем азота и кислорода, а также благородных газов, которые химически не взаимодействуют с водой. При 0° литр морской воды может поглотить из атмосферы 50 см3 углекислого газа, а кислорода — только 8 см3, а ведь в атмосфере давление первого составляет 0,23 мм, а второго — 158,8 мм ртутного столба.
В действительности способность океана поглощать из атмосферы избыточную углекислоту еще выше. Говоря о растворении газов, мы невольно уподобляли океан стакану с водой. Более правильно сравнить с бассейном, который имеет входы и выходы. Этот бассейн соединен с атмосферным резервуаром углекислоты по принципу сообщающихся сосудов, причем первый из этих сосудов в сто раз больше, чем второй. Через один из входов в бассейн, как показано на рисунке, происходит обмен углекислым газом между океаном и атмосферой, причем преимущественно поступление его в океан, а через другой — обмен (преимущественно отвод) благодаря химическим и биохимическим реакциям в океане. Химический канал такой транспортировки углекислого газа представляет собой систему последовательных обратимых (как и процесс растворения) реакций, включающих распад угольной кислоты на ионы водорода и бикарбонатионы (НСО-3), а последних — снова на ионы водорода и карбонат-ионы (СО2-3). Ионы СО2-3 связываются ионами кальция в нерастворимый СаС03, оседающий на дно океана и образующий известковые породы.