Ciklus ugljika

Dijagram kruženje ugljika u geobiosferi.
Crni brojevi pokazuju koliko ugljika ima u odgovarajućim sferama, u milijardama tona (x 10⁹tona, 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 10¹⁶tona) ugljičnih stijena i kerogena.

Šumečuvaju oko 86 % ugljika iznad tla i 73 % ugljika u tlu.

Fosilna gorivakao što sunafta,ugaljiprirodni plin,oslobađaju ugljik u oblikuugljik-dioksida,koji je bio milionima godina spremljen u geosferi.

Okeani su najveći rezervoar ugljika

Ciklus ugljikailiugljikov ciklusje biogeokemijski ciklus, u kojemugljikkruži izmeđubiosfere,pedosfere,geosfere,hidrosfereiatmosferenaZemlji.To je jedan od najvažnijih geobiohemijskih ciklusa naZemljikoji omogućava da ugljik ponovno iskoriste noviorganizmi.

Ovaj ciklus kruženja materije otkrili suAntoine Lavoisirei Joseph Priestley, a kasnije je razvioHumphry Davy.Ugljikov ciklus uključuje sljedeće glavne rezervoare ugljika:

• Zemljina atmosfera;
• Zemljinubiosferu,koja obično uključuje sistemeslatke vodei nežive organske materijale, kao što je ugljik utlu;
• okeanesa kontinentalnim morima, uključujući otopljeni anorganski ugljik, kao sve žive i nežive morske organizme;
• sedimente,uključujućifosilna goriva
• Unutrašnjost planete Zemlje, što se odnosi na ugljik koji se nalazi uZemljinoj koriiplaštu,a ispušta se u atmosferu i hidrosferu prekovulkanai 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 plinugljik-dioksid(CO₂). Iako ga ima samo mali dio (oko 0,039 %), ima veoma važnu ulogu u održavanju života. Ostali plinovi koji sadrže ugljik sumetanihloroflorougljik(CFC ili freoni – zbog antropogenog uticaja).Stablašice,travei ostale zelene biljke, pretvaraju ugljik-dioksid uugljikohidrate,u procesufotosinteze,oslobađajućikisikkoji odlazi uzrak.Taj proces je prilično obilan u novijimšumama,gdje stabla još uvijek rastu. Kodlistopadnih šumataj proces je najsnažniji i uproljeće,kada šumalista.To je dobro vidljivo na Keelingovoj krivulji mjerenja koncentracije ugljik-dioksida. Prevladava najviše u proljeće, naSjevernoj hemisferi,jer južna nema toliko kopna uumjerenom pojasu.

• Šumečuvaju oko 86 % ugljika iznad tla i 73 % ugljika u tlu.
• Površinaokeana,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 imatermohalinska pokretna traka,koja premješta gušću površinku vodu u unutrašnjost okeana.
• Gornji slojevi okeana, okarakterizirani su velikom biološkom produktivnošću, organizmi pretvaraju ugljik u organska tkiva ilikarbonateza tvrde zaštitne ljušture, kao što suškoljkeilipuževi.Ugljik se obično taloži prema dnu.
• Razgradnja ugljik-silikatnih stijena.Ugljična kiselinareagira s razgrađenim stijenama i stvarabikarbonatne 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, naHavajima,da u atmosferi ima 0,032 % ugljik-dioksida, dok je 2010. bilo 0,0385 %.

Ugljik se oslobađa u atmosferu na nekoliko načina:

• u tokućelijskog 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.Gljiveibakterijesu uekosistemureducenti, koji razlažu ugljikove spojeve mrtvih organizama, pretvarajući ugljik u ugljik-dioksid ilimetan;
• izgaranjemorganskih tvari, koje oksidiraju ugljik u ugljik-dioksid.Fosilna gorivakao što sunafta,ugaljiprirodni plin,oslobađaju ugljik-dioksid, koji je bio milionima godina zarobljen u geosferi. Oksidacijabiogorivatakođer oslobađa ugljik-dioksid, koji je bio spremljen samo određeni broj godina;
• proizvodnjomcementa,kada se zagrijavakrečnjak,oslobađa se ugljik-dioksid (CaCO₃), da bi se dobiokreč(CaO), kao sastojak cementa;
• oslobađanjem otopljenog ugljik-dioksida sa površine toplijih okeana, koji se vraća u atmosferu
• rekristalizacijomvulkanskihstijena,kada se oslobađaju plinovi koji odlaze u atmosferu. Vulkanski plinovi su prije svega vodena para, ugljik-dioksid isumpor-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 izgradnjićelijske membrane,ubiohemijskimprocesima iishranisvih živihćelija.Živi organizmi sadrže oko 575 x 10¹²kg ugljika,od čega najviše imajustablašice.Zemlja ima oko 1 500 x 10¹²kg ugljika, uglavnom u obliku organskog ugljika.

• Autotrofisu 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 uglavnomsunčeva svjetlosna energija,koja omogućujefotosintezu.Vrlo mala grupa autotrofa koristi hemijsku energiju u procesu zvanomhemosinteza.Najvažniji autotrofi su okeanski i morskifitoplanktonii kopnenestablašice.Fotosinteza se odvija uz hemijsku reakciju: 6CO₂+ 6H₂O → C₆H₁₂O₆+ 6O₂
• Iz biosfere, ugljik se iznosi prekoheterotrofnih organizama,u lancima i mrežama ishrane, koji se hrane drugim organizmima ili njihovim dijelovima. To uključujegljiveilibakterijekoje koriste mrtvi materijal, u procesimavrenja,fermentacijeili raspadanjem.
• Većina ugljika napušta biosferu prekoćelijskog disanja,pri kojem se oslobađa ugljik-dioksid, prema hemijskoj reakciji: C₆H₁₂O₆+ 6O₂→ 6CO₂+ 6H₂O. Drugi oblik je nećelijsko disanje, kojim se oslobadametanu okolinu, atmosferu ili hidrosferu (močvarski plin).
• Izgaranjebiomasa(šumski požari,drvoza gorenje) isto oslobađa znatnu količinu ugljiik-dioksida u atmosferu.
• Ugljik može kružiti biosferom kao mrtva tvar (kaotreset), koja ostaje u geosferi.Egzoskeletilikalcij-karbonatiz ljuštura životinja, u procesu sedimentacije, može postatikrečnjak.
• Ugljik kruži i u dubokom okeanu, gdje se određene vrsteplaštašaa,koje isto stvaraju tvrdu zaštitu, talože na dnu okeana.

Ugljik u hidrosferi

Okeanisadrže oko 36.000 x 10¹²kg ugljika, uglavnom u oblikubikarbonatnih iona.Ekstremne oluje, kao što suuraganiitajfuni,odnose velike količine ugljika, jer ispiru velike količine sedimenata. Jedna studija uTajvanuje izvjestila da je jedan tajfun više isprao ugljika u okean, nego kiše koje padaju cijelu godinu. Tibikarbonatniioni su vrlo važni za uspostavljanjepHvrijednosti 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 skalcijem,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.