Угљенични циклус

Угљенични циклус је биогеохемијски циклус, у којем се угљеник размењује између биосфере, педосфере, геосфере, хидросфере и атмосфере на Земљи. То је један од најважнијих циклуса на Земљи и омогућаве да угљеник поновно искористе нови организми.

Угљенични циклус су открили Антоан Лавоазје и Џозеф Пристли, а касније је идеју развио Хамфри Дејви.^[1]

Главне компоненте

Шуме садрже 86% угљеника изнад тла и 73% угљеника у тлу, на Земљи.

Фосилна горива као што су нафта, угаљ и природни плин, ослобађају угљеник у облику угљен диоксида, који је био милионима година фиксиран у геосфери.

Угљеник у главним резервоарима на Земљи.^[2]
Резервоар	Количина (гигатона)
Атмосфера	720
Океани (укупно)	38.400
Укупно неорганки	37.400
Укупно органски	1.000
Површински слој	670
Дубоки слојг	36.730
Литосфера
Седиментарни карбонати	> 60.000.000
Керогени	15.000.000
Копнена биосфера (укупно)	2.000
Жива биомаса	600 - 1.000
Мртва биомаса	1.200
Акватична биосфера	1 - 2
Госилна горива (укупно)	4.130
Угаљ	3.510
Нафта	230
Гас	140
Друго (тресет)	250

Угљеников циклус обухвата следеће главне спремнике угљеника:

Земљина атмосфера
Земљина биосфера, која обично обухвата системе слатке воде и неживе органске материјале, као што је угљеник у тлу.
Океани, укључујући растворени неоргански угљеник, те све живе и неживе морске организме
Седименти, укључујући фосилна горива
Земљина унутрашњост, а то се односи на угљеник који се налази у Земљиној кори и плашту, а испушта се у атмосферу и хидросферу преко вулкана и геотермалних извора

Годишње кретање угљеника или размена између спремника, се јавља због различитих хемијских, геолошких и биолошких процеса. Океан садржи највећи спремник угљеника, али делови у дубоким океанима се не размењују тако брзо с атмосфером.

Прорачун светског угљеника је равнотежа размена (улаза и излаза) угљеника између разних спремника. Тај прорачун указује на то да ли неки спремник служи као извор, или као место таложења угљеника.

Угљеник у Земљиној атмосфери

Океани су највећи спремник угљеника

У Земљиној атмосфери угљеник првенствено постоји као гас угљен диоксид (CO₂). Иако је присутан у само малом уделу (око 0,039%), игра врло важну улогу у одржању живота. Остали гасови који садрже угљеник су метан и хлорофлуороугљеници (CFC или фреони – само због људског утицаја). Стабла, траве и остале зелене биљке, претварају угљен диоксид у угљене хидрате, процесом који се назива фотосинтеза, ослобађајући кисеоник у ваздух. Тај процес је прилично заступљен код нових шума, где стабла још увек расту. Код белогоричних шума је тај процес најјачи у пролеће, кад се ствара лишће. То је добро видљиво на Килинговој кривој мерења концентрације угљен диоксида. Превладава највише на северној хемисфери у пролеће, јер јужна хемисфера нема толико копна у умереном појасу.

Шуме садрже 86% угљеника изнад тла и 73% угљеника у тлу, на Земљи. ^[3]
Површина океана према половима има све више угљеника, јер што је морска вода хладнија, то може да раствори више угљен диоксида из ваздуха, претварајући је у угљену киселину (H₂CO₃). Значајну улогу игра термохалинска покретна трака, која пребацује гушћу површинку воду у унутрашњост океана.
У горњим подручјима океана, постоји велика биолошка продуктивност, организми претварају угљеник у ткива или карбонате за тврде заштитне оклопе, као што су шкољке или пужеви. Углавном се угљеник таложи.
Разградња угљено-силикатних стена. Угљена киселина реагује с разграђеним стенама и ствара бикарбонатне јоне, које користе морски организми за стварање заштитног тврдог слоја. Овај угљеник се не враћа поновно у атмосферу.
Године 1958. је измерено у опсерваторији Мауна Лоа, на Хавајима, да има 0,032% угљен диоксида, док је 2010. измерено 0,0385% угљен диоксида у атмосфери.^[4]

Метан производи већи ефекат стаклене баште по запремини у поређењу са угљен-диоксидом, али постоји у знатно нижим концентрацијама и краткотрајнији је од угљен-диоксида, чинећи угљен-диоксид важнијим гасом стаклене баште.^[5]

Угљеник се ослобађа у атмосферу на неколико начина:

преко дисања, које врше биљке и животиње. То је егзотермна реакција, која ослобађа енергију у облику топлоте, а тиме је обухваћено разлагање молекула угљених хидрата на угљен диоксид и воду.
преко распадања животиња и биљака. Гљиве и бактерије разлажу угљеникова једињења код мртвих животиња и биљака, претварајући угљеник у угљен диоксид или метан.
преко изгарања органских материја, које оксидирају угљеник у угљен диоксид. Фосилна горива као што су нафта, угаљ и природни гас, ослобађају угљеник у облику угљен диоксида, који је био милионима година одложен у геосфери. Изгарање биогорива исто ослобађа угљен диоксид, који је био одложен само пар година.
преко производње цемента. Угљен диоксид се ослобађа када се загрева кречњак (CaCO₃), да би се добио креч (CaO), као састојак цемента.
у деловима океана који су топлији, растворени угљен диоксид се враћа у атмосферу
вулканске ерупције и рекристализација стена, ослобађају гасове у атмосферу. Вулкански гасови су пре свега водена пара, угљен диоксид и сумпор диоксид.

Угљеник у биосфери

Угљеник је основни састојак живота на Земљи. Око половине суве тежине (без воде) живих организама је угљеник. Он игра важну улогу у изградњи ћелијске опне, у биохемији и исхрани свих живих ћелија. Живи организми садрже око 575 x 10¹² кг угљеника,^[6] од чега највише имају стабла. Земља има око 1.500 x 10¹² кг угљеника, углавном у облику органског угљеника.^[7]

Аутотрофи су организми који стварају своју органску грађу, користећи угљен диоксид из ваздуха или из воде у којој живе. За то користе спољашњу енергију, а то је углавном сунчева енергија, која омогућује фотосинтезу. Врло мали број аутотрофа користи хемијску енергију у процесу хемосинтезе. Најважнији аутотрофи су фитопланктони у морима и океанима, те стабла на копну. Фотосинтеза следи хемијску реакцију: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂
Угљеник се преноси из биосфере хетеротрофијом, а то је храњење на туђим организмима или делу организма. То укључује гљиве или бактерије које користе мртви материјал, процесом врења или распадањем.
Већина угљеника напушта биосферу преко ћелијског дисања, које ослобађа угљен диоксид, хемијском реакцијом C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O. Други облик је ванћелијско дисање, којим се ослобада метан у околину, атмосферу или хидросферу (мочварни гас).
Изгарање биомаса (шумски пожари, дрво за горење) исто ослобађа знатну количину угљен диоксида у атмосферу.
Угљеник може кружити кроз биосферу као мртва материја (као тресет), која остаје у геосфери. Егзоскелет или калцијум карбонат из љуштура животиња, може постати кречњак кроз процес седиментације.
Угљеник кружи и у дубоком океану, где се одређене врсте љускара, које исто стварају тврду заштиту, таложе на дну океана.^[8]

Угљеник у хидросфери

Океани садрже око 36.000 x 10¹² кг угљеника, углавном у облику бикарбонатних јона. Екстремне олује, као што су урагани и тајфуни, таложе велике количине угљеника, будући да испирају велике количине седимената. Једна студија у Тајвану је утврдила да је један тајфун испрао више угљеника у океан, него кише које падају целе године. Ти бикарбонатни јони су врло важни за успостављање пХ вредности у океанима.

Угљеник се стално размењује између океана и атмосфере. У подручју узлазних струја, угљеник се ослобађа у атмосферу. Супротно, падалине преносе угљен диоксид у океане. Када се угљен диоксид раствори у океану, томе следи читав низ хемијских реакција, које су у равнотежи у одређеном делу:

Растварање:

CO₂(atmosferski) ⇌ CO₂(otopljen)

Претварање у угљеничу киселину:

CO₂(rastvoren) + H₂O ⇌ H₂CO₃

Прва јонизација:

H₂CO₃ ⇌ H+ + HCO₃⁻ (бикарбонатни јон)

Друга јонизација:

HCO₃⁻ ⇌ H+ + CO₃⁻⁻ (карбонатни јон)

Равнотежа тих процеса се испитује мерењима, која су показала да је количина раствореног угљеника у океанима око 10% количине угљеника у атмосфери. Ако се количина угљен диоксида повећа за 10% у атмосфери, количина раствореног угљеника у океанима се повећа за 1%.^[9]

У океанима, растворени карбонати углавном реагују с калцијумом, стварајући нерастворни калцијум карбонат или кречњак (CaCO₃), углавном као заштитне кућице за микроскопске организме. Након што ти организми угину, кречњак се таложи на дну, што преставља највећи спремник у угљениковом циклусу.

Референце

^ Холмес, Рицхард . "Тхе Аге Оф Wондер", Пантхеон Боокс. 2008. ISBN 978-0-375-42222-5.
^ Falkowski, P.; Scholes, R. J.; Boyle, E.; Canadell, J.; Canfield, D.; Elser, J.; Gruber, N.; Hibbard, K.; Högberg, P.; Linder, S.; MacKenzie, F. T.; Moore b, 3.; Pedersen, T.; Rosenthal, Y.; Seitzinger, S.; Smetacek, V.; Steffen, W. (2000). „The Global Carbon Cycle: A Test of Our Knowledge of Earth as a System”. Science. 290 (5490): 291—296. Bibcode:2000Sci...290..291F. PMID 11030643. doi:10.1126/science.290.5490.291.
^ Sedjo, Roger.1993. "The Carbon Cycle and Global Forest Ecosystem, Water, Air, and Soil Pollution", Oregon Wild Report on Forests, Carbon, and Global Warming Архивирано на сајту Wayback Machine (28. јун 2010))
^ [1] Трендс ин Царбон Диоxиде — НОАА Еартх Сyстем Ресеарцх Лабораторy
^ Форстер, П.; Рамаwамy, V.; Артаxо, П.; Бернтсен, Т.; Беттс, Р.; Фахеy, D.W.; Хаywоод, Ј.; Леан, Ј.; Лоwе, D.C.; Мyхре, Г.; Нганга, Ј.; Принн, Р.; Рага, Г.; Сцхулз, M.; Ван Дорланд, Р. (2007). „Цхангес ин атмоспхериц цонституентс анд ин радиативе форцинг”. Цлимате Цханге 2007: тхе Пхyсицал Басис. Цонтрибутион оф Wоркинг Гроуп I то тхе Фоуртх Ассессмент Репорт оф тхе Интерговернментал Панел он Цлимате Цханге.
^ Сторинг Царбон ин Соил: Wхy анд Хоw?
^ "Сеqуестратион оф атмоспхериц ЦО₂ ин глобал царбон поолс" Лал Раттан, јоурнал = Енергy анд Енвиронментал Сциенце, 2008.
^ ""Синкерс" провиде миссинг пиеце ин дееп-сеа пуззле", публисхер=Монтереy Баy Аqуариум Ресеарцх Институте МБАРИ), 2005. [2]
^ Миллеро Франк: "Цхемицал Оцеанограпхy", публисхер=ЦРЦ Пресс, 2005.

Литература

Тхе Царбон Цyцле, упдатед пример бy НАСА Еартх Обсерваторy, 2011
Аппензеллер, Тим (2004). „Тхе цасе оф тхе миссинг царбон”. Натионал Геограпхиц Магазине. – артицле абоут тхе миссинг царбон синк
Болин, Берт; Дегенс, Е. Т.; Кемпе, С.; Кетнер, П. (1979). Тхе глобал царбон цyцле. Цхицхестер ; Неw Yорк: Публисхед он бехалф оф тхе Сциентифиц Цоммиттее он Проблемс оф тхе Енвиронмент (СЦОПЕ) оф тхе Интернатионал Цоунцил оф Сциентифиц Унионс (ИЦСУ) бy Wилеy. ИСБН 978-0-471-99710-8. Приступљено 2008-07-08.
Хоугхтон, Р. А. (2005). „Тхе цонтемпорарy царбон цyцле”. Ур.: Wиллиам Х Сцхлесингер. Биогеоцхемистрy. Амстердам: Елсевиер Сциенце. стр. 473–513. ИСБН 978-0-08-044642-4.
Јанзен, Х. Х. (2004). „Царбон цyцлинг ин еартх сyстемс—а соил сциенце перспецтиве”. Агрицултуре, Ецосyстемс & Енвиронмент. 104 (3): 399—417. дои:10.1016/ј.агее.2004.01.040.
Миллеро, Франк Ј. (2005). Цхемицал Оцеанограпхy (3 изд.). ЦРЦ Пресс. ИСБН 978-0-8493-2280-8.
Сундqуист, Ериц; Броецкер, Wаллаце С., ур. (1985). Тхе Царбон Цyцле анд Атмоспхериц ЦО₂: Натурал вариатионс Арцхеан то Пресент. Геопхyсицал Монограпхс Сериес. Америцан Геопхyсицал Унион.

Спољашње везе

[AOW-1] Холмес, Рицхард . "Тхе Аге Оф Wондер", Пантхеон Боокс. 2008. ISBN 978-0-375-42222-5.

[GlobalCarbonCycle-2] Falkowski, P.; Scholes, R. J.; Boyle, E.; Canadell, J.; Canfield, D.; Elser, J.; Gruber, N.; Hibbard, K.; Högberg, P.; Linder, S.; MacKenzie, F. T.; Moore b, 3.; Pedersen, T.; Rosenthal, Y.; Seitzinger, S.; Smetacek, V.; Steffen, W. (2000). „The Global Carbon Cycle: A Test of Our Knowledge of Earth as a System”. Science. 290 (5490): 291—296. Bibcode:2000Sci...290..291F. PMID 11030643. doi:10.1126/science.290.5490.291.

[3] Sedjo, Roger.1993. "The Carbon Cycle and Global Forest Ecosystem, Water, Air, and Soil Pollution", Oregon Wild Report on Forests, Carbon, and Global Warming Архивирано на сајту Wayback Machine (28. јун 2010))

[4] [1] Трендс ин Царбон Диоxиде — НОАА Еартх Сyстем Ресеарцх Лабораторy

[Forster2007-5] Форстер, П.; Рамаwамy, V.; Артаxо, П.; Бернтсен, Т.; Беттс, Р.; Фахеy, D.W.; Хаywоод, Ј.; Леан, Ј.; Лоwе, D.C.; Мyхре, Г.; Нганга, Ј.; Принн, Р.; Рага, Г.; Сцхулз, M.; Ван Дорланд, Р. (2007). „Цхангес ин атмоспхериц цонституентс анд ин радиативе форцинг”. Цлимате Цханге 2007: тхе Пхyсицал Басис. Цонтрибутион оф Wоркинг Гроуп I то тхе Фоуртх Ассессмент Репорт оф тхе Интерговернментал Панел он Цлимате Цханге.

[6] Сторинг Царбон ин Соил: Wхy анд Хоw?

[7] "Сеqуестратион оф атмоспхериц ЦО₂ ин глобал царбон поолс" Лал Раттан, јоурнал = Енергy анд Енвиронментал Сциенце, 2008.

[8] ""Синкерс" провиде миссинг пиеце ин дееп-сеа пуззле", публисхер=Монтереy Баy Аqуариум Ресеарцх Институте МБАРИ), 2005. [2]

[9] Миллеро Франк: "Цхемицал Оцеанограпхy", публисхер=ЦРЦ Пресс, 2005.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]