Wszystkie pierwiastki na Ziemi, w tym węgiel, poruszają się cyklicznie, tworząc zamknięty system. Nie ma strat ani dopływu węgla z kosmosu. Diagram obiegu węgla przedstawia różne etapy recyklingu węgla w XXI wieku.
Schemat
Globalny diagram węgla opracowany przez Uniwersytet w New Hamsphire przedstawia baseny i strumienie tworzące obieg węgla. Baseny węglowe przechowują duże ilości węgla przez długi czas i są zaznaczone na niebiesko. Strumienie to procesy, które przenoszą węgiel z jednego basenu do drugiego i są zaznaczone na czerwono. Topniki składają się z dwóch części: jednej, która usuwa węgiel z powietrza i drugiej, która uwalnia związany węgiel z powrotem do atmosfery w postaci CO2.
Baseny węglowe
Ilość węgla magazynowana w basenach jest podana w Petagramie węgla (PgC). Jeden Pg równa się miliardowi ton i nazywany jest także gigatonami (Gt).
- Skały:Większość węgla jest uwięziona w skałach osadowych.
- Dno oceanu: Drugi co do wielkości basen węgla znajduje się pod oceanami w postaci dwutlenku węgla (CO2) rozpuszczonego w wodzie.
- Paliwa kopalne: Trzecią co do wielkości pulę węgla stanowią paliwa kopalne, takie jak węgiel kamienny, węgiel brunatny, gaz ziemny i ropa naftowa, które powstają z pozostałości roślin lądowych i morskich i zwierzęta w specjalnej temperaturze i ciśnieniu.
- Powierzchnia oceanu: Węgiel jest magazynowany przez krótki czas w wodach powierzchniowych w postaci CO2 rozpuszczonego w wodzie lub w ciałach żywych roślin i zwierząt morskich.
- Baseny lądowe: Cały węgiel gromadzący się w drzewach i glebie tworzy kolejny krótkotrwały zbiornik i jest uwalniany po kilkudziesięciu lub stuleciach, na przykład podczas wycinania drzew albo umrzyj.
- Dwutlenek węgla: Węgiel obecny w powietrzu w postaci gazowej, CO2, pomaga utrzymać ciepło na ziemi. Bez tego życia, jakie istnieje, nie byłoby możliwe na ziemi. Z tego basenu węgla następuje ciągłe dodawanie i pobieranie.
Usuwanie węgla w topnikach
Ilość węgla przenoszonego każdego roku jest pokazana na wykresie jako PgC rocznie. CO2 jest usuwany z powietrza i utrwalany w szybkich, codziennych procesach. Tworzenie się materii organicznej i pochłaniaczy dwutlenku węgla jest wolniejsze i wymaga czasu.
- Fotosynteza – Rośliny zielone zużywają CO2 wraz z wodą i energią słoneczną w procesie zwanym fotosyntezą, tworząc cukry proste, a następnie składniki odżywcze potrzebne roślinom.
- Pobieranie przez oceany – Atmosferyczny CO2 jest pobierany i wykorzystywany do fotosyntezy również w oceanach. Tutaj fitoplanktony są odpowiednikami roślin, od których zależy całe życie w oceanach. Ponadto CO2 rozpuszczony w wodzie przekształca się w węglan wapnia i wykorzystuje się go w muszlach i szkieletach zwierząt morskich.
- Łańcuch pokarmowy – Kiedy zwierzęta roślinożerne jedzą rośliny, a zwierzęta mięsożerne i wszystkożerne jedzą inne zwierzęta, ten węgiel jest przekazywany wzdłuż łańcucha pokarmowego, pomagając zwierzętom rosnąć, żyć i rozmnażać się.
- Dodawanie materii organicznej i ściółki – Kiedy rośliny i zwierzęta umierają, są rozkładane przez drobnoustroje, tworząc próchnicę lub materię organiczną, która staje się częścią gleby. Śmieci powstające co roku, gdy drzewa zrzucają gałązki i liście, stale zawracając węgiel do gleby. Jest on częściowo wykorzystywany do wzrostu roślin i utrzymuje cyrkulację węgla, podczas gdy reszta tworzy węgiel w glebie.
Tworzenie basenów węglowych
Ilość wykorzystywanego CO2 i czas jego przechowywania w postaci związanego węgla różni się w zależności od różnych organizmów i procesów.
- Ponieważ drzewa są długowieczne i gromadzą węgiel w swoich pniach, liściach i korzeniach, działają jak pochłaniacze dwutlenku węgla.
- Gleba gromadzi węgiel w postaci materii organicznej i martwych korzeni, które pozostają w glebie długo po śmierci rośliny lub drzewa; w glebie występują ogromne ilości biomasy w postaci rosnących żywych korzeni drzew i użytków zielonych. Gleby stanowią kolejny ważny pochłaniacz dwutlenku węgla.
- Niektóre muszle i szkielety zwierząt morskich gromadzą się na dnie oceanów, tworząc wapień.
Pochłaniacze węgla to ważny strumień lub proces, który ostatecznie skutkuje powstaniem zbiorników węgla. W krótkiej perspektywie produkują ziemskie zbiorniki węgla, a w dłuższej perspektywie paliwa kopalne i skały.
Przepływ z lądu do oceanu
Kiedy rzeki wpływają do oceanów, niosą ze sobą osady bogate w materię organiczną. Bagna i powodzie pływowe również co roku przenoszą węgiel w postaci materii organicznej do oceanów.
Naturalne uwalnianie dwutlenku węgla
W naturalnym obiegu węgla węgiel jest uwalniany z powrotem do atmosfery głównie poprzez oddychanie i rozkład.
- Oddychanie roślin - Większość żywych istot, drobnoustrojów, roślin i zwierząt na lądzie, oddycha. Wdychają tlen i wydychają CO2, rozkładając zjedzony pokarm. To jeden z najkrótszych cykli węgla.
- Rozkład i oddychanie gleby - Cała rozkładająca się materia na lądzie nie jest przekształcana w materię organiczną. Część węgla jest uwalniana bezpośrednio do powietrza w postaci CO2. Mikroorganizmy i małe aminale żyjące w glebie również codziennie uwalniają CO2 podczas oddychania.
- Utrata oceanu - Oddychanie i rozkład roślin i zwierząt morskich również uwalniają CO2 do basenu węgla w atmosferze.
- Wulkany - W wyniku aktywności wulkanicznej do atmosfery uwalniana jest niewielka ilość węgla.
Działalność człowieka uwalniająca dwutlenek węgla
Oprócz naturalnych przepływów istnieje wiele działań człowieka, które powodują uwalnianie stałego węgla z powrotem do atmosfery w postaci CO2.
- Spalanie paliw kopalnych- Spalanie pochłaniaczy dwutlenku węgla drewna, węgla, gazu ziemnego, benzyny do celów wytwarzania energii elektrycznej, ogrzewania, gotowania lub transportu jest jednym z głównych sposobów uwalniania węgla z powrotem w powietrze. Wiele paliw kopalnych wykorzystuje się także do celów przemysłowych, co dodatkowo zwiększa ilość CO2 w atmosferze.
- Zmiany użytkowania gruntów – Wylesianie, wycinanie łąk w celu utworzenia osad, gospodarstw zastępujących naturalny wzrost oraz użytkowanie maszyn prowadzące do emisji mają długoterminowe konsekwencje. Prowadzi to do dodawania CO2 do atmosferycznego basenu węgla.
Różne perspektywy z dodatkowych diagramów
Istnieje wiele rodzajów diagramów cyklu węgla, które dostarczają różnych informacji na temat tego cyklu życiowego.
- Prosty cykl: Diagram BBC przedstawia prosty obieg węgla. Tak wyglądał obieg węgla w czasach przedindustrialnych, aż do 150 lat temu, kiedy ilość ruchu węgla nie stanowiła problemu.
- Zmiana klimatu: Cykl węglowy opracowany przez Uniwersytet w Calgary to obrazowa analiza tego, jak współczesne działania człowieka zmieniły delikatną równowagę w obiegu węgla.
- Procesy chemiczne: Cykl węglowy autorstwa Britannica skupia się na różnych reakcjach chemicznych, które wpływają na strumienie i zbiorniki węgla, a nie na ilość dwutlenku węgla poddanego recyklingowi. Ten cykl jest interesujący dla osób, które chcą poznać różne formy węgla i sposoby jego zmian.
Korzystanie z cyklu węglowego
W wyniku działalności człowieka w ciągu ostatnich 150 lat zawartość CO2 w atmosferze wzrosła o 30%. Ponieważ CO2 w powietrzu powoduje ocieplenie, dodanie większej ilości CO2 do atmosfery również zwiększa jego efekt ocieplający. Doprowadziło to do globalnego ocieplenia i zmian klimatycznych. Zrozumienie obiegu węgla oraz tego, jak i gdzie zmienia go działalność człowieka, może pomóc w znalezieniu skutecznych sposobów i metod rozwiązania problemu zmian klimatycznych.