mini|desno|400px|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. mini|desno|300px|Šume čuvaju oko 86 % ugljika iznad tla i 73 % ugljika u tlu. mini|desno|300px|Fosilna goriva kao što su nafta, ugalj i prirodni plin, oslobađaju ugljik u obliku ugljik-dioksida, koji je bio milionima godina spremljen u geosferi. mini|desno|300px|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.Richard Holmes: "The Age Of Wonder", Pantheon Books, 2008. 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.Sedjo, Roger.1993. "The Carbon Cycle and Global Forest Ecosystem, Water, Air, and Soil Pollution", Oregon Wild Report on Forests, Carbon, and Global Warming ) 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 %. Trends in Carbon Dioxide — NOAA Earth System Research Laboratory 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."Sequestration of atmospheric CO2 in global carbon pools" Lal Rattan, journal = Energy and Environmental Science, 2008. 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.""Sinkers" provide missing piece in deep-sea puzzle", publisher=Monterey Bay Aquarium Research Institute MBARI), 2005.
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 %.Millero Frank: "Chemical Oceanography", publisher=CRC Press, 2005. 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.
Reference
Kategorija:Ekologija Kategorija:Neorganska hemija Kategorija:Hemijski procesi Kategorija:Hemija tla Kategorija:Fotosinteza