Ciklus ugljika

Dijagram kruženje ugljika u geobiosferi.
Crni brojevi pokazuju koliko ugljika ima u odgovarajućim sferama, u milijardama tona (x 10⁹ tona, što se odnosi na 2004.).
Tamno plavi brojevi označavaju koliko ugljika prelazi iz jednog u drugi rezervoar.
Sedimenti ne uključuju oko 70 miliona milijarda (70 x 10¹⁶ tona) ugljičnih stijena i kerogena.

Šume čuvaju oko 86 % ugljika iznad tla i 73 % ugljika u tlu.

Fosilna goriva kao što su nafta, ugalj i prirodni plin, oslobađaju ugljik u obliku ugljik-dioksida, koji je bio milionima godina spremljen u geosferi.

Okeani su najveći rezervoar ugljika

Ciklus ugljika ili ugljikov ciklus je biogeokemijski ciklus, u kojem ugljik kruži između biosfere, pedosfere, geosfere, hidrosfere i atmosfere na Zemlji. To je jedan od najvažnijih geobiohemijskih ciklusa na Zemlji koji omogućava da ugljik ponovno iskoriste novi organizmi.

Ovaj ciklus kruženja materije otkrili su Antoine Lavoisire i Joseph Priestley, a kasnije je razvio Humphry Davy. Ugljikov ciklus uključuje sljedeće glavne rezervoare ugljika:

• Zemljina atmosfera;
• Zemljinu biosferu, koja obično uključuje sisteme slatke vode i nežive organske materijale, kao što je ugljik u tlu;
• okeane sa kontinentalnim morima, uključujući otopljeni anorganski ugljik, kao sve žive i nežive morske organizme;
• sedimente, uključujući fosilna goriva
• Unutrašnjost planete Zemlje, što 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 pomenutih rezeorvara, javlja se zbog različitih hemijskih, geoloških i bioloških procesa. Okean jenajveći spremnik ugljika, ali dijelovi u dubokim okeanima ga ne razmjenjuju tako brzo s atmosferom. Proračun svjetskog ugljika je ravnoteža izmjena (ulaza i izlaza) ugljika između raznih spremnika. Taj proračun nam govori da li je neki od njih služi izvor ili taložnik ugljika.

Ugljik u Zemljinoj atmosferi

U Zemljinoj atmosferi, ugljik prvenstveno postoji kao plin ugljik-dioksid (CO₂). Iako ga ima samo mali dio (oko 0,039 %), ima veoma važnu ulogu u održavanju života. Ostali plinovi koji sadrže ugljik su metan i hloroflorougljik (CFC ili freoni – zbog antropogenog uticaja). Stablašice, trave i ostale zelene biljke, pretvaraju ugljik-dioksid u ugljikohidrate, u procesu fotosinteze, oslobađajući kisik koji odlazi u zrak. Taj proces je prilično obilan u novijim šumama, gdje stabla još uvijek rastu. Kod listopadnih šuma taj proces je najsnažniji i u proljeće, kada šuma lista. To je dobro vidljivo na Keelingovoj krivulji mjerenja koncentracije ugljik-dioksida. Prevladava najviše u proljeće, na Sjevernoj hemisferi, jer južna nema toliko kopna u umjerenom pojasu.

• Šume čuvaju oko 86 % ugljika iznad tla i 73 % ugljika u tlu.
• Površina okeana, idući prema polovima ima sve više ugljika, jer što je morska voda hladnija, pa može otopiti više ugljik-dioksida iz zraka, pretvarajući je u ugljičnu kiselinu (H₂CO₃). Značajnu ulogu ima termohalinska pokretna traka, koja premješta gušću površinku vodu u unutrašnjost okeana.
• Gornji slojevi okeana, okarakterizirani su velikom biološkom produktivnošću, organizmi pretvaraju ugljik u organska tkiva ili karbonate za tvrde zaštitne ljušture, kao što su školjke ili puževi. Ugljik se obično taloži prema dnu.
• Razgradnja ugljik-silikatnih stijena. Ugljična kiselina reagira s razgrađenim stijenama i stvara bikarbonatne ione, koje koriste morski organizmi za izgradnju tvrdih zaštitnik ljušturnih oklopa. Ovaj ugljik tu ostaje trajno vezan i ne vraća se u atmosferu.
• U 1958. Izmjereno je u zvjezdarnici Mauna Loa, na Havajima, da u atmosferi ima 0,032 % ugljik-dioksida, dok je 2010. bilo 0,0385 %.

Ugljik se oslobađa u atmosferu na nekoliko načina:

• u toku ćelijskog disanja, biljaka i životinja. To je egzotermna reakcija, koja oslobađa energiju u obliku toplote (kao nusproizvoda), a uključuje ragradnju molekula ugljikohidrata na ugljik-dioksid i vodu;
• raspadanjem životinja i biljaka. Gljive i bakterije su u ekosistemu reducenti, koji razlažu ugljikove spojeve mrtvih organizama, pretvarajući ugljik u ugljik-dioksid ili metan;
• izgaranjem organskih tvari, koje oksidiraju ugljik u ugljik-dioksid. Fosilna goriva kao što su nafta, ugalj i prirodni plin, oslobađaju ugljik-dioksid, koji je bio milionima godina zarobljen u geosferi. Oksidacija biogoriva također oslobađa ugljik-dioksid, koji je bio spremljen samo određeni broj godina;
• proizvodnjom cementa, kada se zagrijava krečnjak, oslobađa se ugljik-dioksid (CaCO₃), da bi se dobio kreč (CaO), kao sastojak cementa;
• oslobađanjem otopljenog ugljik-dioksida sa površine toplijih okeana, koji se vraća u atmosferu
• rekristalizacijom vulkanskih stijena, kada se oslobađaju plinovi koji odlaze u atmosferu. Vulkanski plinovi su prije svega vodena para, ugljik-dioksid i sumpor-dioksid.

Ugljik u biosferi

Ugljik je osnovni sastojak žive supstance svih oblika života na Zemlji. Oko 50% suhe težine (bez vode) živih organizama čini ugljik. Ima značajnu ulogu u izgradnji ćelijske membrane, u biohemijskim procesima i ishrani svih živih ćelija. Živi organizmi sadrže oko 575 x 10¹² kg ugljika, od čega najviše imaju stablašice. Zemlja ima oko 1 500 x 10¹² kg ugljika, uglavnom u obliku organskog ugljika.

• Autotrofi su producenti organske supstance koji stvaraju svoje gradivne strukture, uz potrošnju ugljik-dioksida iz zraka ili iz vode u kojoj žive. Za to im je potrebna vanjska energija, a to je uglavnom sunčeva svjetlosna energija, koja omogućuje fotosintezu. Vrlo mala grupa autotrofa koristi hemijsku energiju u procesu zvanom hemosinteza. Najvažniji autotrofi su okeanski i morski fitoplanktoni i kopnene stablašice. Fotosinteza se odvija uz hemijsku reakciju: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂
• Iz biosfere, ugljik se iznosi preko heterotrofnih organizama, u lancima i mrežama ishrane, koji se hrane drugim organizmima ili njihovim dijelovima. To uključuje gljive ili bakterije koje koriste mrtvi materijal, u procesima vrenja, fermentacije ili raspadanjem.
• Većina ugljika napušta biosferu preko ćelijskog disanja, pri kojem se oslobađa ugljik-dioksid, prema hemijskoj reakciji: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O. Drugi oblik je nećelijsko disanje, kojim se oslobada metan u okolinu, atmosferu ili hidrosferu (močvarski plin).
• Izgaranje biomasa (šumski požari, drvo za gorenje) isto oslobađa znatnu količinu ugljiik-dioksida u atmosferu.
• Ugljik može kružiti biosferom kao mrtva tvar (kao treset), koja ostaje u geosferi. Egzoskelet ili kalcij-karbonat iz ljuštura životinja, u procesu sedimentacije, može postati krečnjak.
• Ugljik kruži i u dubokom okeanu, gdje se određene vrste plaštašaa, koje isto stvaraju tvrdu zaštitu, talože na dnu okeana.

Ugljik u hidrosferi

Okeani sadrže oko 36.000 x 10¹² kg ugljika, uglavnom u obliku bikarbonatnih iona. Ekstremne oluje, kao što su uragani i tajfuni, odnose velike količine ugljika, jer ispiru velike količine sedimenata. Jedna studija u Tajvanu je izvjestila da je jedan tajfun više isprao ugljika u okean, nego kiše koje padaju cijelu godinu. Ti bikarbonatni ioni su vrlo važni za uspostavljanje pH vrijednosti u okeanima. Ugljik se stalno razmjenjuje između okeana i atmosfere. U područjima uzlaznih struja, ugljik se oslobađa u atmosferu. Suprotno tome, padavine prenose ugljični dioksid u okeane. Kada se ugljik-dioksid otopi u okeanskoj vodi, slijedi čitav niz hemijskih reakcija, koje su u djelimičnoj ravnoteži:

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 utvrđuje mjerenjima, koja su pokazala da je količina otopljenog ugljika u okeanima oko 10 % količine onoga u atmosferi. Ako se količina ugljik-dioksida poveća za 10 % u atmosferi, količina otopljenog ugljika u okeanima se poveća za samo 1 %. U okeanima, otopljeni karbonati reagiraju pretežno s kalcijem, stvarajući kruti kalcij-karbonat – krečnjak (CaCO₃), ugrađen uglavnom u zaštitne kućice za mikroskopske organizme. Nakon što ti organizmi uginu, krečnjak se taloži na dnu, što ujedno prestavlja najveći rezervoar u cijelom ugljikovom ciklusu.