Ugljenični ciklus

Из Википедије, слободне енциклопедије
Jump to navigation Jump to search
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 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.

Ugljenični ciklus su otkrili Antoan Lavoazje i Džozef Pristli, a kasnije je ideju razvio Hamfri Dejvi.[1]


Glavne komponente[уреди]

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.[2]
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:

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[уреди]

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. [3]
  • 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.[4]

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.[5]

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[уреди]

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,[6] od čega najviše imaju stabla. Zemlja ima oko 1.500 x 1012 kg ugljenika, uglavnom u obliku organskog ugljenika.[7]

  • 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.[8]

Ugljenik u hidrosferi[уреди]

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 %.[9]

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.

Reference[уреди]

  1. ^ Holmes, Richard . "The Age Of Wonder", Pantheon Books. 2008. ISBN 978-0-375-42222-5.
  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)
  4. ^ [1] Trends in Carbon Dioxide — NOAA Earth System Research Laboratory
  5. ^ Forster, P.; Ramawamy, V.; Artaxo, P.; Berntsen, T.; Betts, R.; Fahey, D.W.; Haywood, J.; Lean, J.; Lowe, D.C.; Myhre, G.; Nganga, J.; Prinn, R.; Raga, G.; Schulz, M.; Van Dorland, R. (2007). „Changes in atmospheric constituents and in radiative forcing”. Climate Change 2007: the Physical Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. 
  6. ^ Storing Carbon in Soil: Why and How?
  7. ^ "Sequestration of atmospheric CO2 in global carbon pools" Lal Rattan, journal = Energy and Environmental Science, 2008.
  8. ^ ""Sinkers" provide missing piece in deep-sea puzzle", publisher=Monterey Bay Aquarium Research Institute MBARI), 2005. [2]
  9. ^ Millero Frank: "Chemical Oceanography", publisher=CRC Press, 2005.

Literatura[уреди]

  • 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. 
  • 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[уреди]