Ugljenični ciklus

Ugljenični ciklus je biogeohemijski ciklus, u kojem se ugljenik razmenjuje između biosfere, pedosfere, geosfere, hidrosfere i atmosfere na Zemlji. To je jedan od najvažnijih ciklusa na Zemlji i omogućave da ugljenik ponovno iskoriste novi organizmi.

Ovaj dijagram brzog ugljenično ciklusa pokazuje kretanje ugljenika između zemljišta, atmosfere i okeana u milijardama tona godišnje. Žuti brojevi su prirodni fluksovi, crveni su ljudski doprinosi, beli pokazuju skladišteni ugljenik. Treba imati na umu da ovaj dijagram ne obuhvata vulkanske i tektonske aktivnosti, koja takođe sekvestriraju i oslobađaju ugljenik.

Ugljenični ciklus su otkrili Antoan Lavoazje i Džozef Pristli, a kasnije je ideju razvio Hamfri Dejvi.

Glavne komponente

Šume sadrže 86% ugljenika iznad tla i 73% ugljenika u tlu, na Zemlji.

Fosilna goriva kao što su nafta, ugalj i prirodni plin, oslobađaju ugljenik u obliku ugljen dioksida, koji je bio milionima godina fiksiran u geosferi.

Ugljenik u glavnim rezervoarima na Zemlji.

Rezervoar	Količina (gigatona)
Atmosfera	720
Okeani (ukupno)	38.400
Ukupno neorganki	37.400
Ukupno organski	1.000
Površinski sloj	670
Duboki slojg	36.730
Litosfera
Sedimentarni karbonati	> 60.000.000
Kerogeni	15.000.000
Kopnena biosfera (ukupno)	2.000
Živa biomasa	600 - 1.000
Mrtva biomasa	1.200
Akvatična biosfera	1 - 2
Gosilna goriva (ukupno)	4.130
Ugalj	3.510
Nafta	230
Gas	140
Drugo (treset)	250

Ugljenikov ciklus obuhvata sledeće glavne spremnike ugljenika:

• Zemljina atmosfera
• Zemljina biosfera, koja obično obuhvata sisteme slatke vode i nežive organske materijale, kao što je ugljenik u tlu.
• Okeani, uključujući rastvoreni neorganski ugljenik, te sve žive i nežive morske organizme
• Sedimenti, uključujući fosilna goriva
• Zemljina unutrašnjost, a to se odnosi na ugljenik koji se nalazi u Zemljinoj kori i plaštu, a ispušta se u atmosferu i hidrosferu preko vulkana i geotermalnih izvora

Godišnje kretanje ugljenika ili razmena između spremnika, se javlja zbog različitih hemijskih, geoloških i bioloških procesa. Okean sadrži najveći spremnik ugljenika, ali delovi u dubokim okeanima se ne razmenjuju tako brzo s atmosferom.

Proračun svetskog ugljenika je ravnoteža razmena (ulaza i izlaza) ugljenika između raznih spremnika. Taj proračun ukazuje na to da li neki spremnik služi kao izvor, ili kao mesto taloženja ugljenika.

Ugljenik u Zemljinoj atmosferi

Okeani su najveći spremnik ugljenika

U Zemljinoj atmosferi ugljenik prvenstveno postoji kao gas ugljen dioksid (CO₂). Iako je prisutan u samo malom udelu (oko 0,039%), igra vrlo važnu ulogu u održanju života. Ostali gasovi koji sadrže ugljenik su metan i hlorofluorougljenici (CFC ili freoni – samo zbog ljudskog uticaja). Stabla, trave i ostale zelene biljke, pretvaraju ugljen dioksid u ugljene hidrate, procesom koji se naziva fotosinteza, oslobađajući kiseonik u vazduh. Taj proces je prilično zastupljen kod novih šuma, gde stabla još uvek rastu. Kod belogoričnih šuma je taj proces najjači u proleće, kad se stvara lišće. To je dobro vidljivo na Kilingovoj krivoj merenja koncentracije ugljen dioksida. Prevladava najviše na severnoj hemisferi u proleće, jer južna hemisfera nema toliko kopna u umerenom pojasu.

• Šume sadrže 86% ugljenika iznad tla i 73% ugljenika u tlu, na Zemlji.
• Površina okeana prema polovima ima sve više ugljenika, jer što je morska voda hladnija, to može da rastvori više ugljen dioksida iz vazduha, pretvarajući je u ugljenu kiselinu (H₂CO₃). Značajnu ulogu igra termohalinska pokretna traka, koja prebacuje gušću površinku vodu u unutrašnjost okeana.
• U gornjim područjima okeana, postoji velika biološka produktivnost, organizmi pretvaraju ugljenik u tkiva ili karbonate za tvrde zaštitne oklope, kao što su školjke ili puževi. Uglavnom se ugljenik taloži.
• Razgradnja ugljeno-silikatnih stena. Ugljena kiselina reaguje s razgrađenim stenama i stvara bikarbonatne jone, koje koriste morski organizmi za stvaranje zaštitnog tvrdog sloja. Ovaj ugljenik se ne vraća ponovno u atmosferu.
• Godine 1958. je izmereno u opservatoriji Mauna Loa, na Havajima, da ima 0,032% ugljen dioksida, dok je 2010. izmereno 0,0385% ugljen dioksida u atmosferi.

Metan proizvodi veći efekat staklene bašte po zapremini u poređenju sa ugljen-dioksidom, ali postoji u znatno nižim koncentracijama i kratkotrajniji је od ugljen-dioksida, čineći ugljen-dioksid važnijim gasom staklene bašte.

Ugljenik se oslobađa u atmosferu na nekoliko načina:

• preko disanja, koje vrše biljke i životinje. To je egzotermna reakcija, koja oslobađa energiju u obliku toplote, a time je obuhvaćeno razlaganje molekula ugljenih hidrata na ugljen dioksid i vodu.
• preko raspadanja životinja i biljaka. Gljive i bakterije razlažu ugljenikova jedinjenja kod mrtvih životinja i biljaka, pretvarajući ugljenik u ugljen dioksid ili metan.
• preko izgaranja organskih materija, koje oksidiraju ugljenik u ugljen dioksid. Fosilna goriva kao što su nafta, ugalj i prirodni gas, oslobađaju ugljenik u obliku ugljen dioksida, koji je bio milionima godina odložen u geosferi. Izgaranje biogoriva isto oslobađa ugljen dioksid, koji je bio odložen samo par godina.
• preko proizvodnje cementa. Ugljen dioksid se oslobađa kada se zagreva krečnjak (CaCO₃), da bi se dobio kreč (CaO), kao sastojak cementa.
• u delovima okeana koji su topliji, rastvoreni ugljen dioksid se vraća u atmosferu
• vulkanske erupcije i rekristalizacija stena, oslobađaju gasove u atmosferu. Vulkanski gasovi su pre svega vodena para, ugljen dioksid i sumpor dioksid.

Ugljenik u biosferi

Ugljenik je osnovni sastojak života na Zemlji. Oko polovine suve težine (bez vode) živih organizama je ugljenik. On igra važnu ulogu u izgradnji ćelijske opne, u biohemiji i ishrani svih živih ćelija. Živi organizmi sadrže oko 575 x 10¹² kg ugljenika, od čega najviše imaju stabla. Zemlja ima oko 1.500 x 10¹² kg ugljenika, uglavnom u obliku organskog ugljenika.

• Autotrofi su organizmi koji stvaraju svoju organsku građu, koristeći ugljen dioksid iz vazduha ili iz vode u kojoj žive. Za to koriste spoljašnju energiju, a to je uglavnom sunčeva energija, koja omogućuje fotosintezu. Vrlo mali broj autotrofa koristi hemijsku energiju u procesu hemosinteze. Najvažniji autotrofi su fitoplanktoni u morima i okeanima, te stabla na kopnu. Fotosinteza sledi hemijsku reakciju: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂
• Ugljenik se prenosi iz biosfere heterotrofijom, a to je hranjenje na tuđim organizmima ili delu organizma. To uključuje gljive ili bakterije koje koriste mrtvi materijal, procesom vrenja ili raspadanjem.
• Većina ugljenika napušta biosferu preko ćelijskog disanja, koje oslobađa ugljen dioksid, hemijskom reakcijom C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O. Drugi oblik je vanćelijsko disanje, kojim se oslobada metan u okolinu, atmosferu ili hidrosferu (močvarni gas).
• Izgaranje biomasa (šumski požari, drvo za gorenje) isto oslobađa znatnu količinu ugljen dioksida u atmosferu.
• Ugljenik može kružiti kroz biosferu kao mrtva materija (kao treset), koja ostaje u geosferi. Egzoskelet ili kalcijum karbonat iz ljuštura životinja, može postati krečnjak kroz proces sedimentacije.
• Ugljenik kruži i u dubokom okeanu, gde se određene vrste ljuskara, koje isto stvaraju tvrdu zaštitu, talože na dnu okeana.

Ugljenik u hidrosferi

Okeani sadrže oko 36.000 x 10¹² kg ugljenika, uglavnom u obliku bikarbonatnih jona. Ekstremne oluje, kao što su uragani i tajfuni, talože velike količine ugljenika, budući da ispiraju velike količine sedimenata. Jedna studija u Tajvanu je utvrdila da je jedan tajfun isprao više ugljenika u okean, nego kiše koje padaju cele godine. Ti bikarbonatni joni su vrlo važni za uspostavljanje pH vrednosti u okeanima.

Ugljenik se stalno razmenjuje između okeana i atmosfere. U području uzlaznih struja, ugljenik se oslobađa u atmosferu. Suprotno, padaline prenose ugljen dioksid u okeane. Kada se ugljen dioksid rastvori u okeanu, tome sledi čitav niz hemijskih reakcija, koje su u ravnoteži u određenom delu:

Rastvaranje:

CO₂(atmosferski) ⇌ CO₂(otopljen)

Pretvaranje u ugljeniču kiselinu:

CO₂(rastvoren) + H₂O ⇌ H₂CO₃

Prva jonizacija:

H₂CO₃ ⇌ H+ + HCO₃⁻ (bikarbonatni jon)

Druga jonizacija:

HCO₃⁻ ⇌ H+ + CO₃⁻⁻ (karbonatni jon)

Ravnoteža tih procesa se ispituje merenjima, koja su pokazala da je količina rastvorenog ugljenika u okeanima oko 10% količine ugljenika u atmosferi. Ako se količina ugljen dioksida poveća za 10% u atmosferi, količina rastvorenog ugljenika u okeanima se poveća za 1%.

U okeanima, rastvoreni karbonati uglavnom reaguju s kalcijumom, stvarajući nerastvorni kalcijum karbonat ili krečnjak (CaCO₃), uglavnom kao zaštitne kućice za mikroskopske organizme. Nakon što ti organizmi uginu, krečnjak se taloži na dnu, što prestavlja najveći spremnik u ugljenikovom ciklusu.

Literatura

• The Carbon Cycle, updated primer by NASA Earth Observatory, 2011
• Appenzeller, Tim (2004). „The case of the missing carbon”. National Geographic Magazine.  – article about the missing carbon sink
• Bolin, Bert; Degens, E. T.; Kempe, S.; Ketner, P. (1979). The global carbon cycle. Chichester ; New York: Published on behalf of the Scientific Committee on Problems of the Environment (SCOPE) of the International Council of Scientific Unions (ICSU) by Wiley. ISBN 978-0-471-99710-8. Приступљено 2008-07-08. 
• Houghton, R. A. (2005). „The contemporary carbon cycle”. Ур.: William H Schlesinger. Biogeochemistry. Amsterdam: Elsevier Science. стр. 473–513. ISBN 978-0-08-044642-4. 
• Janzen, H. H. (2004). „Carbon cycling in earth systems—a soil science perspective”. Agriculture, Ecosystems & Environment. 104 (3): 399—417. doi:10.1016/j.agee.2004.01.040. 
• Millero, Frank J. (2005). Chemical Oceanography (3 изд.). CRC Press. ISBN 978-0-8493-2280-8. 
• Sundquist, Eric; Broecker, Wallace S., ур. (1985). The Carbon Cycle and Atmospheric CO₂: Natural variations Archean to Present. Geophysical Monographs Series. American Geophysical Union. 

Spoljašnje veze

• Carbon Cycle Science Program – an interagency partnership.
• NOAA's Carbon Cycle Greenhouse Gases Group
• Global Carbon Project – initiative of the Earth System Science Partnership
• UNEP – The present carbon cycle – Climate Change carbon levels and flows Архивирано на сајту Wayback Machine (15. септембар 2008)
• NASA's Orbiting Carbon Observatory Архивирано на сајту Wayback Machine (9. септембар 2018)
• CarboSchools, a European website with many resources to study carbon cycle in secondary schools. Архивирано на сајту Wayback Machine (15. април 2009)
• Carbon and Climate, an educational website with a carbon cycle applet for modeling your own projection.