Интересно, что метаморфизм и, вообще, любой нагрев, даже искусственный, различных графитов не изменяет у них отношение С12 к С13. Углерод животного происхождения имеет отношение изотопов углерода в пределах от 90,1 до 92,5, углерод растительного происхождения в пределах от 90,6 до 93,1, ископаемая древесина - от 90,1 до 92,2, торф до 92,8, лигнит - от 90,87 до 91,10, битуминозные угли - от 90,53 до 92,1 как и антрациты и полуантрациты.
Выяснено, что неорганические процессы, включая вулканизм, способствуют увеличению запаса С13, тогда как органические обогащают вещество изотопом С12. Полагают, что современная атмосфера Земли почти полностью была биогенного происхождения. В этой атмосфере первичной двуокиси углерода присутствует немного.
С14 - радиоактивный изотоп углерода - образуется под действием космической радиации на азот атмосферы, поскольку его ядро способно поглощать нейтроны космического излучения. Возникающий таким путем изотоп С14 реагирует с кислородом атмосферы, образуя С14O2 или С14O которая окисляется в озоновом слое до окиси углерода. Опускаясь, С14 поглощается наземными и водными растениями.
Элементарный углерод не играет роли в процессах на земной поверхности в ее водах и на суше. Он представлен здесь в виде относительно прочного соединения - углекислоты СO2.
Углекислота происходит из трех источников: а) углекислота атмосферы; б) углекислота болотная, торфяная и получающаяся при преобразовании вещества бурых и каменных углей в природе и благодаря деятельности человека; в) углекислота из карбонатных пород, главным образом из известняков, а также и из карбонатных руд железа и марганца, образовавшаяся при их вовлечении в процессы выветривания.
Поступая в атмосферу, углекислота в той или иной степени поглощается дождевыми водами, проникает в почву и в коренные породы, где становится сильным геологическим деятелем вследствие ее способности образовывать более сложные соединения с встречающимися веществами земной коры. Воздействуя на них в качестве угольной кислоты, она образует карбонатные и бикарбонатные соединения. Первые чаще являются твердыми минеральными образованиями, вторые - образуются в растворах и могут в таком виде, поднимаясь с водами источников на поверхность Земли, входить в химические связи с различными другими растворенными или твердыми минеральными или органическими соединениями.
Несомненно, значительные количества окиси углерода образуются при естественном преобразовании в земной коре вещества каменных и бурых углей и лигнитов, которые извечно проявляют общую тенденцию к потере так называемых летучих компонентов. В числе этих компонентов углекислота обычно занимает видное место с примесями закиси углерода (угарного газа) и часто метана. Процессы выделения газов из угольного вещества связываются с его окислением при участии кислорода, заносимого туда проникающими с поверхности водами. Общеизвестно, что скопления газов в угольных пластах иногда вызывают их активные выбросы, наподобие взрывов, представляющих опасность для шахтеров. Подземные воды, насыщаемые этой углекислотой, становятся сильными растворителями и потому оказываются способными выносить на поверхность из углей многие химические элементы, в числе которых кремний, барий, олово, железо, марганец, бор, никель и др.
Известен и другой путь образования окиси углерода в угольных пластах. Содержащиеся часто в них в виде конкреций пирит и марказит, окисляясь при участии кислорода из притекающих поверхностных вод, что, как мы знаем, обычно происходит при участии бактерий, дает с водой серную кислоту. Серная кислота, воздействуя на известняки, залегающие там же, образует сульфат кальция (гипс) с выделением углекислоты. Таким образом, в выделении свободной углекислоты в биосферу участвуют различные процессы в недрах Земли и в связи с осадочными отложениями.
Между тем углекислота в указанных условиях способна образовывать ряд органических кислот, таких, как муравьиная, уксусная и другие, которые могли подниматься к древней поверхности насыщенными соответствующими металлическими основаниями или не насыщенными, т. е. способными к реагированию с другими веществами в других условиях. Известны многочисленные разнообразные минеральные углекислые источники, часто используемые для лечебных целей, воды которых бывают насыщены различными солями (карбонаты, хлористые и сернокислые соли щелочных металлов, кальция и магния и т. д.). Примеры того - источники Кисловодска, Карловых Вар.
На относительно больших глубинах в недрах Земли свободная углекислота образуется при взаимодействии известняков с кремнеземом в условиях высоких температур, с образованием кремнистых пород, где к поверхности поднимаются горячие соленые источники, богатые углекислотой. Поэтому полагают, что влияние высокой температуры недр и вулканических образований на породы осадочных толщ состоит в выделении из последних углекислоты.
Наибольшее количество углекислоты биосфера получает в процессе вулканической деятельности. Эта углекислота - ювенильная, выделяется при остывании лавовых масс и в последние фазы вспышек вулканической деятельности. Это явление было изучено в районах действующих вулканов Италии и древних вулканов Чехии и Оверни.
В вулканических областях известны струи газов с содержанием СO2 до 59%, например на о-ве Мартиника у Мон-Пеле, а также около Неаполя. В области Тихоокеанского вулканического пояса, в Северной Америке, в "Долине десяти тысяч дымов" сухие газовые струи углекислоты, вырываясь в атмосферу, сильно охлаждаются и газ выпадает у самых источников в виде твердой углекислоты.
Громадные запасы углекислоты в земной коре находятся в связанном состоянии в разнообразных изверженных породах, куда она попала в процессе их первичного формирования. Азот, количественно основной компонент атмосферы Земли, представлен в ней двумя стабильными изотопами N14 и N15 в соотношении: N14 - 99,635%, N15 - 0,365%. Отношение N14/N15 = 273. Изотоп N14 под влиянием космического излучения превращается в верхних слоях атмосферы в радиоактивный углерод С14 и в радиоактивный тритий - Н3. При искусственной бомбардировке альфа-частицами изотоп N14 превращается в кислород О17. На больших высотах отношение между изотопами N14 и N15 возрастает, в частности, на высоте 58,3 км до 282,6. Полагают, что в разделении изотопов проявляется сила тяжести.
Важно отметить, что в радиоактивных минералах различного геологического возраста отношение изотопов азота иное. Так, отношение N14/N15 в урановой смолке различного геологического возраста следующее:
Из этих данных отчетливо видно, что у определенного вида минералов отношение изотопов отражает геологический возраст, проявляя Тенденцию со временем к относительному уменьшению изотопа N15. По мнению некоторых ученых, отношение изотопов в минералах, содержащих азот, не зависит от химического их состава, хотя наблюдаются и исключения.
Откуда появился азот в атмосфере Земли и ее минеральных образованиях? Один из возможных путей - это распад какого-то азотного соединения под влиянием излучений радиоактивных элементов на азот и гелий. Таким исходным веществом мог быть скорее всего аммиак, известный в составе атмосферы ряда планет Солнечной системы. При распаде U238 также образуется азот. Наличие азота в составе многих минералов должно указывать на особую геологическую, или точнее догеологическую, древность этого процесса, относящегося к стадии формирования нашей планеты и ее коры.
Между тем есть и другие точки зрения на происхождение азота в атмосфере. Так, В. И. Вернадский считал, что азот постоянно приходит в атмосферу из глубоких зон земной коры в составе газов, выделяющихся при деятельности вулканов и минеральных источников. На Земле во многих местах известны газовые струи, почти нацело состоящие из азота с примесью благородных газов (гелий, аргон). Под влиянием электрических разрядов азот входит в соединение с водородом и кислородом, образуя NH3, NO2 и NO3, азотистокислые и азотнокислые соли аммония, а также и более сложные азотные органические соединения, "строящие тела организмов".
