Јаглероден циклус

Јаглероден циклус — биогеохемиски циклус каде што има размена на јаглеродот во атмосферата, биосферата, хидросферата и геосферата на Земјата. Тој има свои бавни и брзи циклуси. Јаглеродниот циклус заедно со циклусот на азотот и циклусот на водата претставуваат низа процеси кои всушност ја прават планетата Земја погодна за живот.

Преносен систем за мерење на почвениот CO
2 флукс

Јаглеродот претставува суштински елемент во овозможувањето на животот на планетата Земја. Нашите тела се составени од јаглерод како главна компонента. Храната што ја конзумираме е составена од јаглерод како главна компонента. Милиони соединенија на нашата планета се исто така составени од јаглерод како главна компонента.

Компоненти и резервоари на јаглерод во природата

Циклус на јаглеродот во сите негови сфери.

За да имаме размена на јаглерод, треба да имаме и одредени резерви во одредени области за да може да се извршува размената на јаглерод. Главни резервоари на јаглерод на планетата Земја се всушност атмосферата, биосферата, хидросферата и геосферата, каде што јаглеродот се наоѓа во најразлични форми.

Атмосфера

Јаглеродот во атмосферата главно го има во вид на јаглерод диоксид и метан. Јаглерод диоксидот во атмосферата се добива како производ во низа реакции. Во главно се добива како резултат на разложување на шеќери во присуство на кислород. Животните и растенијата ги користат шеќерите со цел да добијат енергија потребна за раст и развој на организмите. Во тој процес, покрај енергијата се ослободува и јаглерод диоксид:

CH₂O + O₂ → CO₂ + H₂O + енергија

Јаглерод диоксидот може исто така да се добие како резултат на реакција на хидроксилните радикали и јаглерод моноксид коишто исто така се наоѓаат во атмосферата:

OH + CO → H + CO₂

Метанот во атмосферата се наоѓа во помали количества во однос на јаглерод диоксидот како резултат на тоа што побрзо се разложува. Тој реагира со хидроксидните радикали во воздухот притоа формирајќи метил радикал којшто, пак, стапува во реакција со кислородот и формира метил перокси радикал итн. Вкупниот ефект на процесите на разложување е следниот:

OH + CH₄ + О₂ → CH₃О₂ + H₂O

CH₃O₂ + HO₂ + hν → CH₃O + OH + O₂

CH₃O + O₂ → HО₂ + HCHO

HCHO + OH + O₂ → CO + HO₂ + H₂O

O₃ + HO₂ → 2O₂ + OH

Сумирано, се добива следното:

CH₄ + O₃ + hν → CO + 2H₂O

Биосфера

Биосферата и нејзината поврзаност со останатите сфери во јаглеродниот циклус

Под јаглерод во биосферата се подразбира органскиот јаглерод т.е. јаглеродот којшто се наоѓа во живите организми, како и јаглеродот којшто се наоѓа во почвата. По умирањето на живите организми, помал дел од органскиот јаглерод останува на површината на Земјата, додека поголемиот дел влегува во состав на почвата. Дел од јаглеродот којшто влегува во почвата (околу една третина) се наталожува во неоргански вид на јаглерод односно во вид на калциум карбонат. Органскиот јаглерод е од големо значење за живите органзими. Растенијата го користат јаглерод диоксидот од атмосферата за создавање на органски јаглерод којшто им е потребен за живот, додека пак животните го користат органскиот јаглерод создаден од другите организми. Јаглеродот од биосферата се поврзува со останатите сфери на јаглеродниот циклус на различни начини. Преку согорување или респирација, тој веднаш се пренесува во атмосферата. По умирање на животните, тој се таложи во почвите каде што по одредено време останува во вид на инертен јаглерод. Преку реките, заробениот јаглерод може да биде пренесен до морињата и океаните преку ерозија на почвата, или пак да заврши во атмосферата преку нејзина респирација.

Океани (хидросфера)

Концентрација на разложен органски јаглерод во хидросферата во деведесеттите години н минатиот век.

Главна статија: Океански јаглероден циклус

Океаните го содржат најголемото количество на јаглерод којшто постојано кружи низ останатите циклуси на Земјината топка. Површината на океаните содржат разложен органски јаглерод што многу брзо се разменува во атмосферата. Од друга страна пак, разложениот неоргански јаглерод е поконцентриран во длабоките слоеви на океаните, околу една петтина поголем во однос на разложениот неоргански јаглерод на површината. Јаглеродот навлегува во океаните најчесто преку разложување на атмосферски јаглерод диоксид или преку реките како разложен органски јаглерод. Разложениот органски јаглерод во океаните преку процесот на фотосинтеза, којшто во океаните е извршуван од страна на алгите, се претворува во органски јаглерод којшто потоа се разменува преку синџирот на исхрана. Остатокот од јаглеродот се таложи во подлабоките слоеви на океаните во вид на карбонати. На крај, по долги периоди тој, или се враќа на површината како седимент, или преку процес во којшто наталожените соли во ниските словеи на океаните се враќаат на површината. Од друга страна, океанската апсорпција на јаголерод диоксид  е многу важна апсорпција којашто го неутрализира зголеменото количество на јаглерод диоксид во атмосферата предизвикан од антропоген фактор. Меѓутоа, процесот на апсорпција на јаглерод диоксид е лимитиран од неколку фактори. Бидејќи процесот на апсорпција на јаглерод диоксид зависи од составот на карпите во океанот, процесот може да трае подолго во однос на ефектот на стаклена градина којшто ќе се создаде во атмосферата. Исто така големи количества на јаглерод диоксид во океаните создаваат ацидификација на водата, што значи дека голем дел од живиот свет во водите не би опстојал во такви услови. Исто така, со ацидификација на водата од океаните ќе се зголеми таложењето на калциум карбонат, а со тоа ќе се намали способноста на понатамошна апсорпција на јаглерод диоксид.

Геосфера

Јаглеродниот циклус во геосферата се одвива многу подолго во однос на циклусите во останатите сфери, но исто така и многу значаен циклус, бидејќи од него зависи количеството на јаглерод коешто понатаму ќе се најде во атмосферата, а со тоа ќе има и директно влијание врз глобалното затоплување. Најголемиот дел од јаглеродот во геосферата, всушност, се наоѓа во литосферата. Најголемиот дел од јаглеродот којшто се наоѓа во литосферата е складиран со самото создавање на планетата. Остатокот од јаглеродот во литосферата е депониран во форма на органски јаглерод во процес којшто трае милиони години. Што се однесува до јаглеродот којшто се наоѓа во остатокот од геосферата, најголемиот дел се варовнички карпи со јаглеродот во форма на карбонат којшто се складира во остатоците од морските организми и ги формира фосилите. Другиот дел од јаглеродот е складиран во форма на органски соединенија наречени керогени коишто се формираат во слоевите на земјата од изумрени животни и растенија под висок притисок во процес којшто исто така трае милиони години.

Во последните децении, истражувачи се обидуваат да складираат поголеми количини на јаглерод во геосферата преку пумпање на растворен јаглерод диоксид во вода. Целта на овие напори е да се забави растот на јаглерод диоксид во атмосферата, кој е предизвикан од човековите активности. На молекуларно ниво, јаглерод диоксидот може да ги измени механичките својства на карпите и минералите.

Промени во јаглеродниот циклус

Јаглеродниот циклус може да се претстави како систем во којшто имаме воспоставена одредена хемиска рамнотежа помеѓу сферите каде што се одвива. Доколку немаме никакви промени односно надворешни влијанија во сферите, концентрацијата на јаглерод во било која форма во сите сфери останува константна и нема никакво поместување на хемиската рамнотежа. Но, со секоја надворешна промена којашто настанува во било која од сферите, настанува и поместување на хемиската рамнотежа во сферите, а со тоа и промена во концентрацијата на јаглерод во нив. Во минатото јаглеродниот циклус претрпувал промени како резултат на промената на климата. Варијации со самото движење на Земјата низ својата орбита и различната оддалеченост во однос на сонцето предизвикувале низа топли и студени периоди. Колку што температурата на земјата била сѐ пониска, површината на земјата била зафатена со мразна површина, којашто во голема мерка ја намалувала јаглеродната концентрација во атмоферата. Од друга страна, пак, ниските температури и зголемениот раст и развиток на фитопланктоните во океаните придонесуваат на дополнително акумулирање на јаглеродот од атмосферата што дополнително ја намалува температурата. Како што може да се забележи на графикот подолу, концентрацијата на јаглерод (поточно јаглерод диоксид) во атмосферата драстично се зголемува и намалува со зголемување односно намалување на температурата и станува константна како што се приближува кон сегашното доба.

Зависност на концентрацијата на јаглерод диоксид во атмосферата од промена на температурата пред сегашно доба. 

Во модерно доба, промените во јаглеродниот циклус се настанати исклучиво од антропоген фактор. Со самото уништување на растенијата, односно шумите во целина, се скратуваат елементи од биосферата коишто би апсорбирале атмосферски јаглерод диоксид којшто понатаму би бил користен во процесот на фотосинтеза, а со тоа ја поместуваат рамнотежата на самиот систем на јаглероден циклус кон атмосферата т.е. се зголемува концентрацијата на јаглерод диоксид во неа. Понатаму, со самото црпење на јаглеродот од керогено потекло во форма на нафта и јаглен, јаглеродот којшто се наоѓа во геосферата и на којшто му требаат милиони години за да дојде во контакт со атмосферата се исфрла во атмосферата за многу пократок период, а со тоа повторно се поместува рамнотежата на циклусот во атмосферата.  

Глобална емисија на јаглерод диоксид.

Последици од промените во јаглеродниот циклус

Со оглед дека настанува зголемување на јаглерод диоксидот во атмосферата значи дека имаме и поместување на рамнотежата во јаглеродниот циклус на Земјината топка. Но, што се случува со вишокот од јаглерод диоксид којшто се наоѓа во атмосферата? Голем дел од јаглерод диоксидот го акумулираат алгите и другите растенија во процесот на фотосинтеза, меѓутоа сѐ уште останува јаглерод диоксид којшто е во атмосферата. Фактот што имаме поместување на рамнотежата во јаглеродниот циклус значи дека системот ќе се бори против истото поместување, а со тоа и ќе настанат промени во самите сфери на циклусот.  

Последици од промените во јаглеродниот циклус врз атмосферата

Концентрација на јаглерод диоксид во периодот од 1960та година и негово влијание врз глобалното затоплување.

Јаглерод диоксидот претставува многу значаен гас којшто се наоѓа во атмосферата, бидејќи има многу важна улога во одржување на температурата на земјата. Јаглерод диоксидот и метанот претставуваат стакленички гасови во атмосферата коишто во составот содржат јаглерод. Тоа значи ја апсорбираат енергијата и повторно ја емитираат во вид на топлина. Во нивно отсуство Земјата би била ладна планета со просечна температура од -18 °C. Од друга страна, со зголемено присуство на стакленички гасови Земјата би имала просечна температура од дури 400 °C! Пресметано е, според вкупната концентрација во атмосферата и според тоа кој опсег на бранови должини можат да апсорбираат, дека јаглерод диоксидот во однос на останатите стакленички гасови придонесува со 20% ефект на стаклена градина, додека метанот придонесува понезначително, бидејќи е во многу помали концентрации од јаглерод диоксидот. Постојаното зголемување на концентрацијата на јаглерод диоксид придонело до глобално затоплување од 0,8 °C од 1880 година па наваму.

Последици од промените во јаглеродниот циклус врз океаните (хидросферата)

Сликовито прикажување на ацидификација на океаните

Околу една третина од создадениот јаглерод диоксид во атмосферата влегува во состав на океаните преку хемиски реакции. Јаглерод диоксидот се растворува во вода и се содава јаглеродна киселина којашто придонесува за ацидификација на океаните. Ацидификацијата на океаните влијае врз водниот свет на различни начини. Прво, јаглеродната киселина реагира со карбонатните јони и се создаваат бикарбонати. Колку  водата е повеќе ацидифицирана, толку повеќе се раствора калциум карбонатот во неа. Со закиселување на водата се намалуваат карбонатните јони и разните видови животни (како коралите) коишто создаваат оклопи составени од калциум карбонат остсануваат без драгоцените карбонатни јони и нивните оклопи стануват помалку цврсти.  Потоа, колку повеќе се раствора калциум карбонатот, толку водата е помалку способна да го прими вишокот од јаглерод диоксид во атмосферата. Понатаму, со зголемување на јаглерод диоксид во атмосферата се зголемува и ефектот на стаклена градина, којшто пак придонесува да се зголеми температурата на океаните. Како што беше претходно напоменато, фитопланктоните опстојуваат во води со пониски температури, што значи дека со зголемување на температурата на океаните се намалува бројот на фитопланктоните, а со тоа се намалува апсорпцијата на јаглерод диоксид од атмосферата, бидејќи јаглерод диоксидот е од есенцијално значење за развојот на фитопланктоните. 

Последици од промените во јаглеродниот циклус врз биосферата

Исушени дрвја како резултат на недостаток на вода

Како што во неколку наврати е спомнато, растенијата го користат јаглерод диоксидот од атмосферата во процесот на фотосинтеза и го претвораат во органски јаглерод. Растенијата користат околу една четвртина од атмосферскиот јаглерод диоксид од антропоген фактор за таа намена. Зголемувањето на концентрацијата на јаглерод диоксидот во атмосферата им овозможува на растенијата поголем развиток. Меѓутоа, не може да се предвиди колкав е растот на растенијата како резултат на зголемување на јаглерод диоксид, бидејќи има и други фактори коишто влијаат во развитокот на растенијата како вода, сончева светлина и хранливи материи, или, од аспект на јаглеродниот циклус, растенијата не можат да акумулираат повеќе атмосферски јаглерод диоксид доколку ги нема останатите фактори коишто се потребни за нивен развој. Од друга страна, зголемување на атмосферскиот јаглерод диоксид имаме и како резултат на промени коишто човекот ги прави со обработливата површина. Земјоделството зафаќа сѐ поголем удел во човечкото секојдневие, со цел поголемо количество на храна. Со тоа се уништува голем дел од шумите коишто го акумулираат јаглерод диоксидот од атмосферата. Меѓутоа, најголемиот проблем за растенијата е всушност глобалното затоплување. Со зголемување на јаглерод диоксидот се зголемува температурата, се зголемува влажноста на воздухот, а со тоа и се зголемува периодот на раст и развој на растенијата. Меѓутоа со нагло зголемување на растот и развојот растенијата имаат сѐ поголема потреба од вода, а во нејзин недостаток стануваат понежни, понеотпорни на надворешни промени и посклони на штетни инсекти како и пожари. Проблемот што исто така го создава глобалното затоплување е т.н. “пржење” на почавата којашто во себе содржи органски јаглерод. Имено со “пржењето” на почвата, органскиот јаглерод се разложува и се ослободува во атмосферата во вид на јаглерод диоксид и метан.   

Заклучок

Циклусот на јаглеродот во природата е еден сложен систем којшто е од огромно значење за животот на планетата Земја. Јаглерод диоксидот и метанот во атмосферата со нивните својства на стакленички гасови ја одржуваат просечната температура на планетата до степен којшто ни овозможува живот. Органскиот јаглерод којшто го произведуваат автотрофните живи организми се користи за исхрана на хетерофните живи организми. Океаните играат исто така важна улога со тоа што го акумулираат вишокот од јаглерод диоксид од атмосферата, додека геосферата содржи огромни количини на јаглерод којшто понатаму може да се користи во разни процеси како вид на енергија. Меѓутоа, секое додадено количество јаглерод во било која од сферите предизвикува поместување на рамнотежата во целиот систем т.е. предизвикува промени во самите сфери на коишто одредени живи суштества не можат да опстојуваат. Токму затоа мора да се води сметка за тоа колку јаглерод во атмосферата се внесува од страна на човекот за да не се доведе до сериозно поместување на рамнотежите, односно да нема сериозни последици за живиот свет којшто живее во одредените сфери на јаглеродниот циклус.