CYKL WĘGLOWY: CHARAKTERYSTYKA, ETAPY, ZNACZENIE - ŚRODOWISKO - 2025

Cykl węgla jest procesem krążenia tego pierwiastka w powietrzu, w wodzie, glebie i żywych. Jest to cykl biogeochemiczny typu gazowego, a najbardziej rozpowszechnioną formą węgla w atmosferze jest dwutlenek węgla (CO2).

Największe zasoby węgla znajdują się w oceanach, paliwach kopalnych, materii organicznej i skałach osadowych. Podobnie jest niezbędny w budowie organizmu organizmów żywych i jako CO2 przenika przez fotosyntezę do łańcuchów troficznych.

Fotosyntezatory (rośliny, fitoplankton i sinice) pochłaniają węgiel z atmosferycznego CO2, a następnie roślinożercy pobierają go z tych organizmów. Są one konsumowane przez drapieżniki, a ostatecznie wszystkie martwe organizmy są przetwarzane przez rozkładające się.

Oprócz atmosfery i żywych istot węgiel znajduje się w glebie (edafosferze) i wodzie (hydrosferze). W oceanach fitoplankton, makroglony i wodne rośliny okrytonasienne pobierają CO2 rozpuszczony w wodzie w celu przeprowadzenia fotosyntezy.

Ilustracja cyklu węgla

CO2 jest ponownie włączany do atmosfery lub wody poprzez oddychanie odpowiednio organizmów lądowych i wodnych. Gdy żywe istoty są martwe, węgiel jest ponownie włączany do środowiska fizycznego jako CO2 lub jako część skał osadowych, węgla lub ropy.

Obieg węgla jest bardzo ważny, ponieważ spełnia różne funkcje, takie jak bycie częścią istot żywych, pomagając regulować temperaturę planety i kwasowość wody. Przyczynia się również do erozyjnych procesów zachodzących w skałach osadowych i służy jako źródło energii dla człowieka.

cechy

Węgiel

Pierwiastek ten zajmuje szóste miejsce pod względem liczebności we Wszechświecie, a jego struktura pozwala mu tworzyć wiązania z innymi pierwiastkami, takimi jak tlen i wodór. Tworzą go cztery elektrony (czterowartościowe), które tworzą kowalencyjne wiązania chemiczne zdolne do tworzenia polimerów o złożonych formach strukturalnych.

Atmosfera

Węgiel występuje w atmosferze głównie w postaci dwutlenku węgla (CO2) w proporcji 0,04% składu powietrza. Chociaż stężenie węgla w atmosferze zmieniło się znacznie w ciągu ostatnich 170 lat z powodu rozwoju przemysłowego człowieka.

Przed okresem przemysłowym stężenie wahało się od 180 do 280 ppm (części na milion), a dziś przekracza 400 ppm. Ponadto metan (CH4) występuje w znacznie mniejszej ilości, a tlenek węgla (CO) w niewielkich ilościach.

CO2 i metan (CH4)

Te gazy na bazie węgla pochłaniają i emitują energię długofalową (ciepło). Z tego powodu jego obecność w atmosferze reguluje temperaturę planety, zapobiegając ucieczce w kosmos ciepła wypromieniowywanego przez Ziemię.

Spośród tych dwóch gazów metan wychwytuje więcej ciepła, ale CO2 odgrywa najbardziej decydującą rolę ze względu na jego względną ilość.

Świat biologiczny

Większość struktury organizmów żywych składa się z węgla, który jest niezbędny do tworzenia białek, węglowodanów, tłuszczów i witamin.

Litosfera

Węgiel jest częścią materii organicznej i powietrza w glebie, występuje również w postaci elementarnej, takiej jak węgiel, grafit i diament. W ten sam sposób jest podstawowym składnikiem węglowodorów (ropa, asfalty) występujących w głębokich złożach.

Tworzenie się węgla

Gdy roślinność ginie w dorzeczach jezior, bagnach lub płytkich morzach, szczątki roślinne gromadzą się w warstwach pokrytych wodą. Następnie generowany jest powolny proces rozkładu beztlenowego wywołany przez bakterie.

Osady pokrywają warstwy rozkładającego się materiału organicznego, który podlega postępującemu procesowi wzbogacania w węgiel na przestrzeni milionów lat. Przechodzi przez etap torfu (50% węgla), węgla brunatnego (55-75%), węgla (75-90%) i wreszcie antracytu (90% lub więcej).

Tworzenie się oleju

Rozpoczyna się powolnym rozkładem tlenowym, po czym następuje faza beztlenowa, na którą składają się pozostałości planktonu, zwierząt i roślin morskich lub jeziornych. Ta materia organiczna została zakopana przez warstwy osadowe i poddana działaniu wysokich temperatur i ciśnień wewnątrz Ziemi.

Jednak ze względu na mniejszą gęstość ropa unosi się przez pory skał osadowych. Ostatecznie zostaje uwięziony w nieprzepuszczalnych obszarach lub tworzy płytkie odsłonięcia bitumiczne.

Hydrosfera

Hydrosfera zachowuje wymianę gazową z atmosferą, zwłaszcza tlenem i węglem w postaci CO2 (rozpuszczalnego w wodzie). Węgiel znajduje się w wodzie, zwłaszcza w oceanach, głównie w postaci jonów wodorowęglanowych.

Jony wodorowęglanowe odgrywają ważną rolę w regulacji pH środowiska morskiego. Z drugiej strony na dnie morskim znajdują się duże ilości metanu uwięzionego w postaci hydratów metanu.

Kwaśny deszcz

Węgiel przenika również między ośrodkiem gazowym a cieczą, gdy CO2 reaguje z atmosferyczną parą wodną i tworzy H2CO3. Kwas ten wytrąca się z wodą deszczową i zakwasza gleby i wody.

Etapy obiegu węgla

Wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla. Źródło: Carbon_sequestration-2009-10-07.svg: * LeJean Hardin i Jamie Payneder Opracowanie własne: Jarl Arntzen (dyskusja) Opracowanie pochodne: Ortisa / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0 )

Jak każdy cykl biogeochemiczny, obieg węgla jest złożonym procesem, na który składa się sieć powiązań. Ich rozdzielenie na określone etapy jest jedynie środkiem do ich analizy i zrozumienia.

- Etap geologiczny

Bilety

Emisja węgla na tym etapie w mniejszym stopniu pochodzi z atmosfery, przez kwaśne deszcze i powietrze przefiltrowane do ziemi. Jednak głównym źródłem jest wkład organizmów żywych, zarówno w postaci ich odchodów, jak i ich ciał po śmierci.

Przechowywanie i obieg

Na tym etapie węgiel jest magazynowany i przemieszcza się w głębokich warstwach litosfery, takich jak węgiel, ropa, gaz, grafit i diamenty. Jest również częścią skał węglanowych, uwięzionych w wiecznej zmarzlinie (zamarznięta warstwa gruntu na szerokościach polarnych) i rozpuszczonych w wodzie i powietrzu porów gleby.

W dynamice tektoniki płyt węgiel dociera również do głębszych warstw płaszcza i jest częścią magmy.

Odloty

Działanie deszczu na skały wapienne powoduje ich erozję, a wapń uwalnia się wraz z innymi pierwiastkami. Wapń pochodzący z erozji tych skał węglanowych jest wypłukiwany do rzek, a stamtąd do oceanów.

Podobnie CO ₂ jest uwalniany, gdy wieczna zmarzlina topi się lub przez zaoranie gleby. Jednak główna produkcja jest napędzana przez człowieka poprzez wydobywanie węgla, ropy i gazu z litosfery w celu spalania ich jako paliwa.

Działalność człowieka polegająca na zużyciu węglowodorów uwalnia węgiel do atmosfery

- Etap hydrologiczny

Bilety

Kiedy atmosferyczny CO ₂ wchodzi w kontakt z powierzchnią wody, rozpuszcza się, tworząc kwas węglowy, a metan dostaje się do litosfery z dna morskiego, jak to wykryto w Arktyce. Ponadto jony HCO ₃ przedostają się do rzek i oceanów w wyniku erozji skał węglanowych w litosferze i wymywania gleby.

Kiedy pada deszcz, woda przenosi węgiel w postaci dwutlenku węgla z atmosfery i ze skał. Po dotarciu do oceanu koralowce, plankton i inne zwierzęta wodne wykorzystują go do wzrostu. Te żywe istoty - korale, plankton i zwierzęta wodne - umierają i dostają się do gleby

Przechowywanie i obieg

CO2 rozpuszcza się w wodzie tworząc kwas węglowy (H2CO3), rozpuszczając węglan wapnia z muszli, tworząc węglan kwasu wapniowego (Ca (HCO3) 2). Dlatego węgiel występuje i krąży w wodzie głównie jako CO2, H2CO3 i Ca (HCO3) 2.

Z drugiej strony organizmy morskie utrzymują stałą wymianę węgla ze środowiskiem wodnym poprzez fotosyntezę i oddychanie. Ponadto duże rezerwy węgla występują w postaci hydratów metanu na dnie morskim, zamarzniętym przez niskie temperatury i wysokie ciśnienie.

Odloty

Ocean wymienia gazy z atmosferą, w tym CO2 i metan, a część tego ostatniego jest uwalniana do atmosfery. Ostatnio wykryto wzrost wycieku metanu z oceanów na głębokościach poniżej 400 m, na przykład u wybrzeży Norwegii.

Wzrost temperatury na świecie powoduje podgrzanie wody na głębokości nie większej niż 400 mi uwolnienie tych hydratów metanu. Podobny proces miał miejsce w plejstocenie, uwalniając duże ilości metanu, bardziej ogrzewając Ziemię i powodując koniec epoki lodowcowej.

- Etap atmosferyczny

Bilety

Węgiel dostaje się do atmosfery podczas oddychania istot żywych oraz z bakteryjnej aktywności metanogennej. Podobnie z powodu pożarów roślinności (biosfery), wymiany z hydrosferą, spalania paliw kopalnych, aktywności wulkanicznej i uwolnienia z ziemi (geologicznej).

Uwolnienie węgla geologicznego do atmosfery przez wybuchający wulkan. Autor: Ciencia1.com

Przechowywanie i obieg

W atmosferze węgiel występuje głównie w postaci gazowej, takiej jak CO2, metan (CH4) i tlenek węgla (CO). Podobnie można znaleźć cząsteczki węgla zawieszone w powietrzu.

Odloty

Główne emisje węgla ze środowiska atmosferycznego to CO2, który rozpuszcza się w wodzie oceanicznej i jest wykorzystywany w fotosyntezie.

- Etap biologiczny

Bilety

Węgiel wchodzi do etapu biologicznego jako CO2 w procesie fotosyntezy prowadzonym przez rośliny i bakterie fotosyntetyczne. Podobnie jony Ca2 + i HCO3-, które dostają się do morza w wyniku erozji i są wykorzystywane przez różne organizmy do produkcji muszli.

Rośliny i mikroorganizmy pobierają dwutlenek węgla z atmosfery i przekształcają go w tlen i energię w procesie fotosyntezy

Przechowywanie i obieg

Każda komórka, a tym samym ciała żywych istot, składają się w dużej mierze z węgla, stanowiącego białka, węglowodany i tłuszcze. Ten węgiel organiczny krąży w biosferze poprzez sieci troficzne pochodzące od pierwotnych producentów.

Rośliny okrytozalążkowe, paprocie, wątrobowce, mchy, glony i cyjanobakterie włączają go w procesie fotosyntezy. Następnie organizmy te są zjadane przez roślinożerców, co będzie pokarmem dla mięsożerców.

Zwierzęta roślinożerne zjadają rośliny i uwalniają dwutlenek węgla do atmosfery. Kiedy te zwierzęta umierają, ponownie integrują węgiel z glebą. To samo dzieje się z koralowcami i planktonem na dnie oceanu

Odloty

Głównym wyciekiem dwutlenku węgla z tego etapu do innych w obiegu węgla jest śmierć istot żywych, która ponownie integruje je z glebą, wodą i atmosferą. Masową i drastyczną formą śmierci i uwolnienia dwutlenku węgla są pożary lasów, które wytwarzają duże ilości CO2.

Z drugiej strony najważniejszym źródłem metanu do atmosfery są gazy wydalane przez zwierzęta gospodarskie w procesach trawiennych. Źródłem metanu jest również aktywność metanogennych bakterii beztlenowych rozkładających materię organiczną na bagnach i uprawach ryżu.

Znaczenie

Cykl węgla jest ważny ze względu na odpowiednie funkcje, które ten pierwiastek spełnia na planecie Ziemia. Jego zrównoważony obieg pozwala regulować wszystkie te istotne funkcje dla utrzymania warunków planetarnych jako funkcji życia.

W żywych istotach

Węgiel jest głównym pierwiastkiem w strukturze komórek, ponieważ wchodzi w skład węglowodanów, białek i tłuszczów. Ten pierwiastek jest podstawą całej chemii życia, od DNA po błony komórkowe i organelle, tkanki i narządy.

Regulacja temperatury ziemi

CO2 jest głównym gazem cieplarnianym, który umożliwia utrzymanie odpowiedniej temperatury do życia na Ziemi. Bez gazów atmosferycznych, takich jak CO2, para wodna i inne, ciepło emitowane przez Ziemię całkowicie uciekłoby w kosmos, a planeta byłaby zamarzniętą masą.

Globalne ocieplenie

Z drugiej strony, nadmiar CO2 wyemitowany do atmosfery, taki jaki jest obecnie powodowany przez człowieka, narusza naturalną równowagę. Powoduje to przegrzanie planety, co zmienia globalny klimat i negatywnie wpływa na różnorodność biologiczną.

Regulacja pH oceanu

CO2 i metan rozpuszczone w wodzie stanowią część złożonego mechanizmu regulacji pH wody w oceanach. Im wyższa zawartość tych gazów w wodzie, tym pH staje się bardziej kwaśne, co jest niekorzystne dla organizmów wodnych.

Źródło prądu

Węgiel jest istotną częścią paliw kopalnych, zarówno węgla mineralnego, ropy naftowej, jak i gazu ziemnego. Chociaż jego użycie jest kwestionowane ze względu na negatywne skutki dla środowiska, które powoduje, takie jak globalne przegrzanie i uwalnianie metali ciężkich.

Wartość ekonomiczna

Węgiel jest minerałem, który generuje źródła pracy i korzyści ekonomiczne z tytułu wykorzystania go jako paliwa, a rozwój gospodarczy Ludzkości opiera się na wykorzystaniu tego surowca. Z drugiej strony, w postaci skrystalizowanego diamentu, znacznie rzadszego, ma wielką wartość ekonomiczną ze względu na zastosowanie jako kamień szlachetny.

Bibliografia

1. Calow, P. (red.) (1998). Encyklopedia ekologii i zarządzania środowiskowego.
2. Christopher R. i Fielding, CR (1993). Przegląd najnowszych badań z zakresu sedymentologii rzecznej. Geologia osadowa.
3. Espinosa-Fuentes, M. De la L., Peralta-Rosales, OA i Castro-Romero, T. Cykl biogeochemiczny. Rozdział 7. Meksykański raport o zmianach klimatu, grupa I, podstawy naukowe. Modele i modelowanie.
4. Margalef, R. (1974). Ekologia. Wydania Omega.
5. Miller, G. i TYLER, JR (1992). Ekologia i środowisko. Grupo Editorial Iberoamérica SA de CV
6. Odum, EP i Warrett, GW (2006). Podstawy ekologii. Piąta edycja. Thomson.