Ugljikov ciklus

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 milijunima 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. Ugljikov ciklus uključuje sljedeće glavne spremnike ugljika:

• Zemljinu atmosferu
• Zemljinu biosferu, koja obično uključuje sisteme slatke vode i nežive organske materijale, kao što je ugljik u tlu.
• oceane, uključujući otopljeni anorganski ugljik, te sve žive i nežive morske organizme
• sedimente, uključujući fosilna goriva
• Zemljina unutrašnjost, a to se odnosi na ugljik koji se nalazi u Zemljinoj kori i plaštu, a ispušta se u atmosferu i hidrosferu preko vulkana i geotermalnih izvora

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

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.
• 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.

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

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, od čega najviše imaju stabla. Zemlja ima oko 1 500 x 10¹² kg ugljika, uglavnom u obliku organskog ugljika.

• 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.

Ugljik u hidrosferi

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, jer 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 %.

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.