27.8: Cykl węgla

Węgiel jest podstawą całej materii organicznej na Ziemi i jest poddawany recyklingowi w ekosystemie w dwóch głównych procesach: jeden, w którym węgiel jest wymieniany między żywymi organizmami, i drugi, w którym węgiel jest wymieniany przez długie okresy czasu w skamieniałych substancjach organicznych pozostałości, wietrzenie skał i aktywność wulkaniczna. Działalność człowieka, w tym wzmożenie praktyk rolniczych i spalanie paliw kopalnych, znacząco wpłynęła na równowagę naturalnego obiegu węgla.

Biologiczny cykl węgla

Wszystkie żywe istoty składają się z cząsteczek organicznych zawierających atomy pierwiastka węgla. Węgiel występuje w atmosferze w postaci gazowego dwutlenku węgla, który reaguje z wodą, tworząc wodorowęglan. Podczas fotosyntezy pierwotni producenci (lub autotrofy) przekształcają dwutlenek węgla i wodorowęglany w organiczne związki zawierające węgiel, takie jak glukoza, aby zapewnić energię do wzrostu, utrzymania i innych procesów.

Heterotrofy otrzymują węgiel organiczny do wzrostu i utrzymania poprzez spożywanie autotrofów. W procesie oddychania komórkowego te cząsteczki organiczne są rozkładane w celu uwolnienia zmagazynowanej w nich energii. Produktami ubocznymi tego procesu są woda i dwutlenek węgla, które są uwalniane do atmosfery w wyniku oddychania, kontynuując cykl.

Węgiel może również powracać do środowiska w postaci odpadów zwierzęcych lub materiału rozkładającego się z martwych organizmów. Substancje rozkładające, takie jak bakterie i grzyby, rozkładają te materiały na dwutlenek węgla i związki organiczne.

Długoterminowe cykle geologiczne

Węgiel jest przechowywany przez dłuższy czas w atmosferze, dużych zbiornikach wodnych, osadach oceanicznych, glebie, skamieniałych szczątkach zwierzęcych i we wnętrzu Ziemi. Dwutlenek węgla z atmosfery rozpuszcza się w wodzie oceanu, reaguje z cząsteczkami wody i przekształca się w węglany. W połączeniu z jonami wapnia węglany te tworzą skorupy z węglanu wapnia wielu organizmów morskich, takich jak koralowce i ostrygi. Kiedy organizmy te obumierają, ich szczątki ulegają rozkładowi i mogą opaść na dno oceanu, stopniowo stając się częścią osadu. Osad ten ostatecznie tworzy wapień, który stanowi największy zbiornik węgla na Ziemi.

Duże, długowieczne drzewa mogą również przez stulecia magazynować węgiel w swoich ciałach. Będąc pochłaniaczem (rezerwuarem węgla) na znacznie dłużej, pozostałości organizmów magazynują węgiel w postaci paliw kopalnych — takich jak węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny—głęboko w ziemi przez miliony lat. Węgiel zmagazynowany głęboko pod powierzchnią Ziemi może powrócić na powierzchnię i do atmosfery podczas erupcji wulkanów.

Wpływ człowieka na obieg węgla

Spalanie paliw kopalnych i drewna powoduje uwalnianie znacznych ilości dwutlenku węgla do atmosfery, zmieniając globalny klimat. Ponadto wylesianie i wzmożenie praktyk rolniczych wpływają na naturalny obieg węgla, zmniejszając ilość materii organicznej w glebie, zmniejszając magazynowanie dwutlenku węgla i zwiększając poziom gazów cieplarnianych, takich jak metan, w atmosferze.

W obiegu węgla atomy węgla przemieszczają się po całym ekosystemie.

Począwszy od fotosyntezy, autotrofy, takie jak rośliny, przekształcają węgiel z atmosfery w postaci dwutlenku węgla w energię eksploatacyjną, która jest pobierana przez heterotrofy. Organizmy te mogą następnie zwrócić węgiel do atmosfery poprzez oddychanie lub do gleby podczas rozkładu.

Dwutlenek węgla w atmosferze jest również dobrze rozpuszczalny w wodzie, więc oceany stanowią główny rezerwuar węgla.

Dwutlenek węgla reaguje z wodą, tworząc kwas węglowy, a następnie jony węglanowe. Węglan wapnia w wodzie oceanicznej jest używany do budowy szkieletów koralowców i muszli. Węgiel może być również magazynowany przez krótki czas w ciałach długowiecznych drzew i w glebie lub, przez znacznie dłuższy czas w przypadku paliw kopalnych, w organicznych pozostałościach niegdyś żyjących organizmów.

Wreszcie, węgiel zmagazynowany w osadach i glebach skorupy ziemskiej może zostać stopiony w magmę i uwolniony do atmosfery podczas erupcji wulkanicznych, w procesie zwanym odgazowaniem.