Ugljikov ciklus

Izvor: Wikipedija
Skoči na: orijentacija, traži
Dijagram ugljikovog ciklusa. Crni brojevi pokazuju koliko je ugljika spremljeno u tim spremnicima, u milijardama tona (x 109 tona i brojke se odnose na 2004.). Tamno plavi brojevi pokazuju koliko se ugljika pomiče iz jednog u drugi spremnik. Sedimenti ne uključuju oko 70 milijuna milijarda (70 x 1016 tona) ugljičnih stijena i kerogena.
Šume sadrže 86 % ugljika iznad tla i 73 % ugljika u tlu, na Zemlji.
Fosilna goriva kao što su nafta, ugljen i prirodni plin, oslobađaju ugljik u obliku ugljičnog dioksida, koji je bio milionima godina spremljen u geosferi.
Oceani sadrže najveći spremnik ugljika

Ugljikov ciklus je biogeokemijski ciklus, u kojem se ugljik izmjenjuje između biosfere, pedosfere, geosfere, hidrosfere i atmosfere na Zemlji. To je jedan od najvažnijih ciklusa na Zemlji i omogućuje da ugljik ponovno iskoriste novi organizmi.

Ugljikov ciklus je otkrio Antoine Lavoisire i Joseph Priestley, a kasnije je razvio Humphry Davy.[1] Ugljikov ciklus uključuje sljedeće glavne spremnike ugljika:

Godišnje kretanje ugljika ili izmjena između spremnika, se javlja zbog različitih kemijskih, geoloških i bioloških procesa. Ocean sadrži najveći spremnik ugljika, ali dijelovi u dubokim oceanima se ne izmjenjuju tako brzo s atmosferom.

Proračun svjetskog ugljika je ravnoteža izmjena (ulaza i izlaza) ugljika između raznih spremnika. Taj proračun nam govori da li neki spremnik služi kao izvor ili za taloženje ugljika.

Ugljik u Zemljinoj atmosferi[uredi VE | uredi]

U Zemljinoj atmosferi ugljik prvenstveno postoji kao plin ugljični dioksid (CO2). Iako ga ima samo mali postotak (oko 0,039 %), igra vrlo važnu ulogu u održanju života. Ostali plinovi koji sadrže ugljik su metan i kloroflorougljik (CFC ili freoni – samo zbog ljudskog utjecaja). Stabla, trave i ostale zelene biljke, pretvaraju ugljični dioksid u ugljikohidrate, procesom koji se naziva fotosinteza, oslobađajući kisik u zrak. Taj proces je prilično obilan kod novih šuma, gdje stabla još uvijek rastu. Kod bjelogoričnih šuma je taj proces najjači u proljeće, kad se stvara lišće. To je dobro vidljivo na Keelingovoj krivulji mjerenja koncentracije ugljičnog dioksida. Prevladava najviše na sjevernoj polutci u proljeće, jer južna polutka nema toliko kopna u umjerenom pojasu.

  • Šume sadrže 86 % ugljika iznad tla i 73 % ugljika u tlu, na Zemlji. [2]
  • Površina oceana prema polovima ima sve više ugljika, jer što je morska voda hladnija, to može otopiti više ugljičnog dioksida iz zraka, pretvarajući je u ugljičnu kiselinu (H2CO3). Značajnu ulogu igra termohalinska pokretna traka, koja prebacuje gušću površinku vodu u unutrašnjost oceana.
  • U gornjim područjima oceana, postoji velika biološka produktivnost, organizmi pretvaraju ugljik u tkiva ili karbonate za tvrde zaštitne oklope, kao što su školjke ili puževi. Uglavnom se ugljik taloži prema dolje.
  • Razgradnja ugljično-silikatnih stijena. Ugljična kiselina reagira s razgrađenim stijenama i stvara bikarbonatne ione, koje koriste morski organizmi za stvaranje zaštitnog tvrdog sloja. Ovaj ugljik se ne vraća ponovno u atmosferu.
  • 1958. je izmjereno u zvjezdarnici Mauna Loa, na Havajima, da ima 0,032 % ugljičnog dioksida, dok je 2010. izmjereno 0,0385 % ugljičnog dioksida u atmosferi. [3]

Ugljik se oslobađa u atmosferu na nekoliko načina:

  • preko disanja, koje vrše biljke i životinje. To je eksotermna reakcija, koja oslobađa energiju u obliku topline, a uključuje razbijanje molekula ugljikohidrata na ugljični dioksid i vodu.
  • preko raspadanja životinja i biljaka. Gljive i bakterije razlažu ugljikove spojeve kod mrtvih životinja i biljaka, pretvarajući ugljik u ugljični dioksid ili metan.
  • preko izgaranja organskih tvari, koje oksidiraju ugljik u ugljični dioksid. Fosilna goriva kao što su nafta, ugljen i prirodni plin, oslobađaju ugljik u obliku ugljičnog dioksida, koji je bio milionima godina spremljen u geosferi. Izgaranja biogoriva isto oslobađa ugljikov dioksid, koji je bio spremljen samo par godina.
  • preko proizvodnje cementa. Ugljični dioksid se oslobađa kada se zagrijava vapnenac (CaCO3), da bi se dobilo vapno (CaO), kao sastojak cementa.
  • u dijelovima oceana koji su topliji, otopljeni ugljični dioksid se vraća u atmosferu
  • vulkanske erupcije i rekristalizacija stijena, oslobađaju plinove u atmosferu. Vulkanski plinovi su prije svega vodena para, ugljični dioksid i sumporov dioksid.

Ugljik u biosferi[uredi VE | uredi]

Ugljik je osnovni sastojak života na Zemlji. Oko polovina suhe težine (bez vode) kod živih organizama je ugljik. Igra važnu ulogu u izgradnji stanične opne, u biokemiji i ishrani svih živih stanica. Živi organizmi sadrže oko 575 x 1012 kg ugljika,[4] od čega najviše imaju stabla. Zemlja ima oko 1 500 x 1012 kg ugljika, uglavnom u obliku organskog ugljika. [5]

  • Autotrofi su organizmi koji stvaraju svoju organsku građu, koristeći ugljični dioksid iz zraka ili iz vode u kojoj žive. Za to trebaju vanjsku energiju, a to je uglavnom Sunčeva energija, koja omogućuje fotosintezu. Vrlo mali broj autotrofa koristi kemijsku energiju u procesu kemosinteze. Najvažniji autotrofi su fitoplanktoni u morima i oceanima, te stabla na kopnu. Fotosinteza slijedi kemijsku reakciju: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2
  • Ugljik se prenosi iz biosfere heterotrofijom, a to je hranjenje na tuđim organizmima ili dijelu organizma. To uključuje gljive ili bakterije koje koriste mrtvi materijal, procesom vrenja ili raspadanjem.
  • Većina ugljika napušta biosferu preko staničnog disanja, koje oslobađa ugljični dioksid, kemijskom reakcijom C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O. Drugi oblik je nestanično disanje, kojim se oslobada metan u okolinu, atmosferu ili hidrosferu (močvarni plin).
  • Izgaranje biomasa (šumski požari, drvo za gorenje) isto oslobađa znatnu količinu ugljičnog dioksida u atmosferu.
  • Ugljik može kružiti kroz biosferu kao mrtva tvar (kao treset), koja ostaje u geosferi. Egzoskelet ili kalcijev karbonat iz ljuštura životinja, može postati vapnenac kroz proces sedimentacije.
  • Ugljik kruži i u dubokom oceanu, gdje se određene vrste plaštenjaka, koje isto stvaraju tvrdu zaštitu, talože na dnu oceana. [6]

Ugljik u hidrosferi[uredi VE | uredi]

Oceani sadrže oko 36 000 x 1012 kg ugljika, uglavnom u obliku bikarbonatnih iona. Ekstremne oluje, kao što su uragani i tajfuni, talože velike količine ugljika, budući da ispiru velike količine sedimenata. Jedna studija u Tajvanu je izvjestila da je jedan tajfun više isprao ugljika u ocean, nego kiše koje padaju cijelu godinu. Ti bikarbonatni ioni su vrlo važni za uspostavljanje pH vrijednosti u oceanima.

Ugljik se stalno izmjenjuje između oceana i atmosfere. U području uzlaznih struja, ugljik se oslobađa u atmosferu. Suprotno, padaline prenose ugljični dioksid u oceane. Kada ugljični dioksid se otopi u ocean, on slijedi čitav niz kemijskih reakcija, koje su u ravnoteži u određenom dijelu: Otapanje:

CO2(atmosferski) ⇌ CO2(otopljen)

Pretvaranje u ugljičnu kiselinu:

CO2(otopljen) + H2O ⇌ H2CO3

Prva ionizacija:

H2CO3 ⇌ H+ + HCO3 (bikarbonatni ion)

Druga ionizacija:

HCO3 ⇌ H+ + CO3−− (karbonatni ion)

Ravnoteža tih procesa se ispituje mjerenjima, koja su pokazala da je količina otopljenog ugljika u oceanima oko 10 % količine ugljika u atmosferi. Ako se količina ugljičnog dioksida poveća za 10 % u atmosferi, količina otopljenog ugljika u oceanima se poveća za 1 %. [7]

U oceanima, otopljeni karbonati uglavnom reagiraju s kalcijem, stvarajući kruti kalcijev karbonat ili vapnenac (CaCO3), uglavnom kao zaštitne kućice za mikroskopske organizme. Nakon što ti organizmi uginu, vapnenac se taloži na dnu, što i prestavlja najveći spremnik u ugljikovom ciklusu.

Izvori[uredi VE | uredi]

  1. Richard Holmes: "The Age Of Wonder", Pantheon Books, 2008.
  2. Sedjo, Roger.1993. "The Carbon Cycle and Global Forest Ecosystem, Water, Air, and Soil Pollution", Oregon Wild Report on Forests, Carbon, and Global Warming)
  3. [1] Trends in Carbon Dioxide — NOAA Earth System Research Laboratory
  4. [2]
  5. "Sequestration of atmospheric CO2 in global carbon pools" Lal Rattan, journal = Energy and Environmental Science, 2008.
  6. ""Sinkers" provide missing piece in deep-sea puzzle", publisher=Monterey Bay Aquarium Research Institute MBARI), 2005. [3]
  7. Millero Frank: "Chemical Oceanography", publisher=CRC Press, 2005.