ВУГЛЕЦЕВИЙ ЦИКЛ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ЕТАПИ, ЗНАЧЕННЯ - СЕРЕДОВИЩЕ - 2025

Цикл вуглецю - це процес циркуляції цього хімічного елемента в повітрі, воді, грунті та живих істотах. Це біогеохімічний цикл газового типу, і найбільш поширеною формою вуглецю в атмосфері є вуглекислий газ (СО2).

Найбільші запаси вуглецю є в океанах, викопному паливі, органічних речовинах та осадових гірських породах. Так само він є важливим у структурі тіла живих організмів і потрапляє в трофічні ланцюги як СО2 за допомогою фотосинтезу.

Фотосинтезатори (рослини, фітопланктон та ціанобактерії) поглинають вуглець із атмосферного CO2, а потім травоїдні тварини беруть його з цих організмів. Їх споживають м’ясоїдні, і нарешті всі мертві організми переробляються розкладачами.

Крім атмосфери та живих істот, вуглець міститься у ґрунті (едафосфера) та у воді (гідросфера). У Світовому океані фітопланктон, макроводорості та водні покритонасінні приймають розчинений у воді СО2 для здійснення фотосинтезу.

Ілюстрація циклу вуглецю

СО2 реінтегрується в атмосферу або воду через дихання наземних і водних живих істот відповідно. Після того як живі істоти мертві, вуглець реінтегрується у фізичне середовище як СО2 або як частина осадових порід, вугілля чи нафти.

Кругообіг вуглецю дуже важливий, оскільки він виконує різні функції, такі як частина живих істот, допомагаючи регулювати планетарну температуру та кислотність води. Так само це сприяє ерозійним процесам осадових порід і служить джерелом енергії для людини.

характеристики

Вуглець

Цей елемент посідає шосте місце у Всесвіті, і його структура дозволяє йому утворювати зв’язки з іншими елементами, такими як кисень та водень. Він утворений чотирма електронами (чотиривалентними), які утворюють ковалентні хімічні зв’язки, здатні утворювати полімери зі складними структурними формами.

Атмосфера

Вуглець міститься в атмосфері переважно як вуглекислий газ (СО2) у пропорції 0,04% від складу повітря. Хоча концентрація вуглецю в атмосфері істотно змінилася за останні 170 років через розвиток промисловості людини.

До промислового періоду концентрація становила від 180 до 280 проміле (частин на мільйон), а сьогодні вона перевищує 400 проміле. Крім того, є метан (СН4) у значно меншій пропорції та оксид вуглецю (СО) в невеликих слідах.

СО2 та метан (CH4)

Ці гази на основі вуглецю мають властивість поглинати та випромінювати довгохвильову енергію (тепло). З цієї причини його присутність в атмосфері регулює планетарну температуру, запобігаючи виходу в космос тепла, випромінюваного Землею.

З цих двох газів метан захоплює більше тепла, але найбільшу роль у зв'язку із його відносною відіграє CO2.

Біологічний світ

Більша частина структури живих організмів складається з вуглецю, необхідного для утворення білків, вуглеводів, жирів та вітамінів.

Літосфера

Вуглець є частиною органічної речовини та повітря в ґрунті, він також знаходиться в стихійній формі, такі як вуглець, графіт та алмаз. Таким же чином це фундаментальна частина вуглеводнів (нафта, бітуми), що знаходяться в глибоких родовищах.

Утворення вуглецю

Коли рослинність гине в озерних басейнах, болотах або мілководних морях, рослинне сміття накопичується в шарах, покритих водою. Потім утворюється повільний процес анаеробного розкладання, викликаний бактеріями.

Осади покривають шари органічного матеріалу, що розкладається, який проходить прогресивний процес збагачення вуглецю протягом мільйонів років. Це проходить через стадію торфу (50% вуглецю), лігніту (55-75%), вугілля (75-90%) і нарешті антрациту (90% і більше).

Нафтоутворення

Починається з повільного аеробного розкладання, потім настає анаеробна фаза, в якій залишаються залишки планктону, тварин та морських чи озерних рослин. Ця органічна речовина була закопана осадовими шарами та зазнала впливу високих температур і тиску всередині Землі.

Однак, враховуючи меншу щільність, нафта піднімається через пори осадових порід. Врешті-решт він або потрапляє в пастку на непроникних ділянках, або утворює неглибокі бітумні відслонення.

Гідросфера

Гідросфера підтримує газоподібний обмін з атмосферою, особливо киснем та вуглецем у вигляді СО2 (розчинний у воді). Вуглець міститься у воді, особливо в Світовому океані, головним чином у вигляді іонів бікарбонату.

Іони бікарбонату відіграють важливу роль у регулюванні рН морського середовища. З іншого боку, на морському дні є велика кількість метану, захопленого як гідрат метану.

Кислотний дощ

Вуглець також проникає між газоподібним середовищем і рідиною, коли СО2 вступає в реакцію з атмосферною водною парою і утворює H2CO3. Ця кислота осідає з дощовою водою та підкисляє ґрунти та води.

Етапи вуглецевого циклу

Збір та зберігання вуглецю. Джерело: Carbon_sequestration-2009-10-07.svg: * LeJean Hardin та Jamie Paynederivative work: Jarl Arntzen (бесіда) похідна робота: Ortisa / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0 )

Як і будь-який біогеохімічний цикл, цикл вуглецю - це складний процес, що складається з мережі взаємозв'язків. Їх поділ на визначені етапи є лише засобом для їх аналізу та розуміння.

- Геологічний етап

Квитки

Вхід вуглецю на цю стадію в меншій мірі надходить із атмосфери, шляхом кислотного дощу та повітря, що фільтрується до землі. Однак основний внесок - це внески живих організмів, як їх екскрементів, так і їхніх тіл, коли вони гинуть.

Зберігання та обіг

На цій стадії вуглець зберігається і переміщується в глибоких шарах літосфери, таких як вугілля, нафта, газ, графіт і алмази. Він також входить до складу карбонатних порід, захоплених у вічній мерзлоті (замерзлий шар землі в полярних широтах) та розчинений у воді та повітрі в порах ґрунту.

У динаміці тектоніки пластин вуглець також досягає глибших шарів мантії і входить до складу магми.

Виїзди

Дія дощу на вапняні скелі розмиває їх і кальцій виділяється разом з іншими елементами. Кальцій з ерозії цих карбонатних порід вимивається в річки і звідти в океани.

Аналогічно виділяється СО ₂ при відтаванні вічної мерзлоти або при пересипуванні ґрунту. Однак основний вихід людини рухається людиною шляхом видобутку вугілля, нафти та газу з літосфери для спалювання їх як палива.

Людська діяльність, заснована на споживанні вуглеводнів, виділяє вуглець в атмосферу

- гідрологічна стадія

Квитки

Атмосферний CO ₂ при контакті з поверхнею води розчиняється, утворюючи вугільну кислоту, а метан потрапляє в літосферу з морського дна, як це було виявлено в Арктиці. Крім того, іони HCO ₃ потрапляють у річки та океани через ерозію карбонатних порід у літосфері та промивання ґрунту.

Коли йде дощ, вода несе вуглець у вигляді вуглекислого газу з атмосфери та гірських порід. Добравшись до океану, корали, планктон та інші водні тварини використовують його для вирощування. Ці живі істоти - корали, планктон та водні тварини - гинуть і потрапляють вуглець у ґрунт

Зберігання та обіг

CO2 розчиняється у воді, утворюючи вуглекислоту (H2CO3), розчиняючи карбонат кальцію оболонок, утворюючи карбонат кальцію кислоти (Ca (HCO3) 2). Тому вуглець виявляється і циркулює у воді, головним чином у вигляді CO2, H2CO3 та Ca (HCO3) 2.

З іншого боку, морські організми підтримують постійний обмін вуглецю зі своїм водним середовищем за допомогою фотосинтезу та дихання. Також великі запаси вуглецю знаходяться у вигляді гідратів метану на морському дні, замерзлих від низьких температур і високого тиску.

Виїзди

Океан обмінюється газами з атмосферою, включаючи СО2 та метан, частина останнього викидається в атмосферу. Нещодавно було виявлено збільшення витоку океанічного метану на глибинах менше 400 м, таких як біля берегів Норвегії.

Підвищення глобальної температури - це нагрівання води на глибинах не більше 400 м та вивільнення цих гідратів метану. Аналогічний процес відбувся і в плейстоцені, вивільняючи велику кількість метану, більше нагріваючи Землю і спричиняючи кінець льодовикової доби.

- Атмосферна стадія

Квитки

Вуглець потрапляє в атмосферу від дихання живих істот і від бактеріальної метаногенної активності. Аналогічно, вегетаційними пожежами (біосферою), обміном з гідросферою, спалюванням викопного палива, вулканічною активністю та вивільненням із землі (геологічні).

Викид геологічного вуглецю в атмосферу виверженим вулканом. Автор: Ciencia1.com

Зберігання та обіг

В атмосфері вуглець знаходиться в основному в газоподібному вигляді, такому як CO2, метан (CH4) та оксид вуглецю (CO). Аналогічно можна знайти частинки вуглецю, зважені у повітрі.

Виїзди

Основними викидами вуглецю з атмосферної стадії є СО2, який розчиняється в океанській воді, і який використовується у фотосинтезі.

- Біологічний етап

Квитки

Вуглець вступає в біологічну стадію як CO2 через процес фотосинтезу, який здійснюють рослини та фотосинтетичні бактерії. Аналогічно, іони Са2 + та HCO3-, які досягають моря внаслідок ерозії та використовуються різними організмами у виробництві оболонок.

Рослини та мікроорганізми поглинають вуглекислий газ з атмосфери і перетворюють його в кисень та енергію за допомогою фотосинтезу

Зберігання та обіг

Кожна клітина, а отже, тіла живих істот складаються з великої частки вуглецю, що становить білки, вуглеводи та жири. Цей органічний вуглець циркулює по біосфері через трофічні тканини від первинних виробників.

Ангіосперми, папороті, печінкова рослина, мохи, водорості та ціанобактерії включають її фотосинтезом. Тоді ці організми споживаються травоїдними тваринами, які будуть їжею для м’ясоїдних тварин.

Травоїдні тварини споживають рослини і виділяють вуглекислий газ в атмосферу. Коли ці тварини гинуть, вони реінтегрують вуглець у ґрунт. Те саме відбувається з коралами та планктоном на океанському дні

Виїзди

Основний викид вуглецю з цієї стадії для інших вуглецевого циклу - це загибель живих істот, які реінтегрують його у ґрунт, воду та атмосферу. Масова і різка форма загибелі та викидів вуглецю - це лісові пожежі, які утворюють велику кількість СО2.

З іншого боку, найважливішим джерелом метану в атмосферу є гази, що викидаються худобою при їх травних процесах. Так само активність метаногенних анаеробних бактерій, що розкладають органічні речовини на болотах та рисових культурах, є джерелом метану.

Важливість

Цикл вуглецю важливий завдяки відповідним функціям, які цей елемент виконує на планеті Земля. Його збалансована циркуляція дозволяє регулювати всі ці відповідні функції для підтримки планетарних умов як функції життя.

У живих істот

Вуглець - головний елемент у структурі клітин, оскільки він входить до складу вуглеводів, білків і жирів. Цей елемент є основою всієї хімії життя, від ДНК до клітинних мембран та органел, тканин та органів.

Регулювання температури Землі

СО2 є основним парниковим газом, що дозволяє підтримувати відповідну температуру для життя на Землі. Без атмосферних газів, таких як СО2, водяна пара та ін., Тепло, випромінюване Землею, повністю би вийшло у космос, а планета - мерзлою масою.

Глобальне потепління

З іншого боку, надлишок СО2, що виділяється в атмосферу, такий, як зараз спричинений людьми, порушує природний баланс. Це змушує планету перегріватися, що змінює глобальний клімат і негативно впливає на біорізноманіття.

Регулювання океанічного pH

Розчинений у воді CO2 та метан є частиною складного механізму регулювання рН води в Світовому океані. Чим вищий вміст цих газів у воді, pH стає більш кислим, що негативно для водного життя.

Джерело живлення

Вугілля є важливою частиною викопного палива, як мінеральне вугілля, нафта, так і природний газ. Хоча його використання ставиться під сумнів через негативний вплив на навколишнє середовище, який він виробляє, наприклад глобальний перегрів та викид важких металів.

Економічна цінність

Вугілля - це мінерал, який створює джерела праці та економічний прибуток для його використання в якості палива, а економічний розвиток людства базується на використанні цієї сировини. З іншого боку, у кристалізованому вигляді алмазу, що набагато рідше, він має велику економічну цінність для його використання як дорогоцінного каменю.

Список літератури

1. Calow, P. (Ed.) (1998). Енциклопедія екології та екологічного менеджменту.
2. Крістофер Р. та Філдінг, КР (1993). Огляд останніх досліджень флювіальної седиментології. Осадова геологія.
3. Espinosa-Fuentes, M. De la L., Peralta-Rosales, OA та Castro-Romero, T. Біогеохімічні цикли. Глава 7. Доповідь Мексики про зміни клімату, I група, Наукові бази. Моделі та моделювання.
4. Маргалеф, Р. (1974). Екологія. Видання «Омега».
5. Міллер, Г. та ТІЛЕР, JR (1992). Екологія та довкілля. Grupo Редакція Iberoamérica SA de CV
6. Odum, EP та Warrett, GW (2006). Основи екології. П’яте видання. Томсон.