چرخه کربن

چرخه کربن یک چرخه بیوژئوشیمیایی است که در آن اشکال مختلف ترکیبات کربن در سیستم‌های مختلف زمین مانند جو، بیوسفر، هیدروسفر و ژئوسفر چرخه می‌شوند.

carbon cycle جریان کربن را بین مخازن، از جو به موجودات زنده و بازگشت به جو در یک فرآیند چرخه ای تعیین می کند.

عوامل مختلفی مانند موجودات زنده بر چرخه کربن، تغییر آب و هوا، شیمی اقیانوس ها و حتی فعالیت های ژئوشیمیایی تأثیر می گذارند.

کربن جزء ضروری موجودات زنده و همچنین موجودات غیر زنده به صورت ترکیبات آلی و معدنی است. این عنصر ضروری برای مولکول های زیستی مختلف مانند کربوهیدرات ها، اسیدهای آمینه و نوکلئوتیدها است.

منبع اصلی کربن روی زمین CO2 است که یا در هوا باقی می ماند یا در آب حل می شود. چرخه کربن از شکلی به شکل دیگر بین مخازن توسط فرآیندهای مختلف مانند فتوسنتز، تنفس و احتراق رخ می دهد. مخازن اصلی کربن شامل اتمسفر، اقیانوس‌ها و سه بخش خشکی متشکل از گیاهان خشکی، ریزه‌های آن‌ها و خاک است که مجموعاً بیوسفر زمینی نامیده می‌شوند.

اجزایی مانند رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و جانوران مخازن قابل توجهی درنظرگرفته نمی‌شوند، اما به عنوان بخشی از مسیرهایی عمل می‌کنند که بیوسفر زمینی را به اقیانوس‌ها و جو متصل می‌کند.

لیتوسفری که مقادیر بسیار زیادی کربن را در سنگ آهک و شیل ذخیره می‌کند، مخزن چهارم را تشکیل می‌دهد، اما آنقدر مهم تلقی نمی‌شود که به کندی با سایر مخازن تعامل دارد.

carbon cycle را می توان بسته به زمان مورد نیاز برای حرکت ترکیبات کربن از یک مخزن به مخزن دیگر به عنوان چرخه کربن سریع و آهسته طبقه بندی کرد.

چرخه کربن آهسته

چرخه کربن آهسته با حرکت چرخه ای ترکیبات کربن بین جو، خشکی و اقیانوس تعریف می شود که معمولا بین 100 تا 200 میلیون سال طول می کشد.
slow carbon cycle مخزن lithosphere را تشکیل می دهد که در آن کربن در سنگ ها و خاک ذخیره می شود و سپس به آرامی به اتمسفر و هیدروسفر می چرخد.
این چرخه حدود 10¹³-10¹¹ گرم کربن در سال را از طریق مخازن مختلف جابجا می کند.
چرخه کربن آهسته با تشکیل اسید کربنیک زمانی که کربن اتمسفر با آب ترکیب می شود آغاز می شود.
اسید سپس سنگ ها را حل می کند و باعث آزاد شدن ترکیبات کربن و کلسیم و جریان آنها به رودخانه ها می شود و در نهایت به اقیانوس ها می رود.
کلسیم با ترکیبات کربنی کربنات کلسیم را تشکیل می دهد که پوسته ها و رسوباتی را به شکل لایه هایی در کف اقیانوس تشکیل می دهد.
سپس کربن ذخیره‌شده در اقیانوس با فرآیندهایی مانند آتشفشان ها به جو منتقل می شود که باعث آزاد شدن دی اکسید کربن در جو می شود.
متعادل کردن مقادیر کربن در یک مخزن مختلف در چرخه کربن آهسته به چند مورد نیاز دارد.

چرخه کربن سریع

چرخه کربن سریع حرکت کربن از طریق جزء زنده زمین یا زیست کره است که معمولاً در مدت زمان کوتاهی رخ می دهد.
چرخه سریع کربن به صورت روزانه با تبادل گازها بین موجودات زنده که تغییرات ذخیره کربن را برای چندین دهه تحت تأثیر قرار می دهد، عمل می کند.
این چرخه بیش از 10¹⁵ تا 10¹⁷ گرم از اشکال مختلف کربن را در یک سال جابجا می کند.
موجودات زنده مخازن اصلی کربن در چرخه کربن سریع هستند زیرا کربن جزء ضروری زندگی را به شکل مولکول های زیستی تشکیل می دهد.
حرکت کربن در چرخه کربن سریع با جذب دی اکسید کربن توسط گیاهان سبز از جو آغاز می شود.
گیاهان با فرآیند فتوسنتز دی اکسید کربن را به شکل آلی تبدیل می کنند.
کربن آلی از طریق اشکال مختلف زنده مانند حیوانات حرکت می کند و سپس با تنفس به صورت دی اکسید کربن در جو آزاد می شود.
شکل دیگری از انتشار دی اکسید کربن در طی تجزیه رخ می دهد، جایی که میکروارگانیسم های مختلف ترکیب آلی را تجزیه می کنند.
چرخه کربن سریع با گیاهان مرتبط است زیرا آنها برای تبدیل کربن معدنی به شکل آلی آن ضروری هستند.
غلظت کربن در مخزن مختلف در طول چرخه کربن سریع در مدت زمان کوتاهی تغییر می‌کند و زمان نسبتاً کوتاه‌تری را برای تعادل ایجاد می‌کند.

مراحل چرخه کربن

چرخه کربن شامل مخازن مختلف ژئوشیمیایی است که کربن را روی زمین ذخیره می کند و مسیرهایی که کربن را بین آنها انتقال می دهد.

حرکت کربن از طریق مخازن مختلف در زمین از طریق مراحل مختلفی انجام می شود که همه آنها با هم برای حفظ تعادل در سیاره کار می کنند.

مراحل زیر در فرآیند چرخه کربن وجود دارد:

1. ورود دی اکسید کربن به جو

اولین مرحله در چرخه کربن، ورود دی اکسید کربن، شکل معدنی کربن، به جو است.

در ابتدا، این فرآیند از طریق فرآیندهای طبیعی مانند فعالیت های آتشفشانی و سیارکی رخ داد که منجر به انتشار دی اکسید کربن در جو شد.

در چرخه کربن آهسته، کربن موجود در لیتوسفر (سنگ آهک و دیگر رسوبات موجود در اقیانوس ها) در اثر فعالیت های آتشفشانی در جو آزاد می شود.

فعالیت هایی مانند استفاده از سوخت های فسیلی و احتراق نیز باعث آزاد شدن کربن غیر آلی در جو می شود.

با این حال، امروزه دی اکسید کربن نیز توسط فرآیندهای متابولیکی مانند تنفس، تجزیه، یا سوزاندن چوب ها یا سوخت های فسیلی توسط انسان آزاد می شود.

دی اکسید کربن نقطه شروع چرخه کربن است که پس از آن فرآیندهایی که شکل معدنی را به شکل آلی تبدیل می کند دنبال می شود.

2. دریافت دی اکسید کربن توسط تولیدکنندگان

دی اکسید کربن موجود در جو از طریق گیاهان سبز و جلبک هایی وارد بیوسفر زمینی می شود که در طی فرآیند فتوسنتز CO2 را جذب می کنند.
تولیدکنندگان گروهی از موجودات زنده هستند که قادر به تبدیل فرم معدنی کربن (CO2) به شکل آلی (کربوهیدرات) هستند.
فتوسنتز یک مرحله ضروری از چرخه کربن است که در درجه اول مسئول حرکت کربن از جو به بیوسفر است.
علاوه بر این، در مورد مخزن اقیانوسی، دی اکسید کربن اتمسفر در آب حل می شود تا توسط تولیدکنندگان مختلف زیر آب مورد استفاده قرار گیرد.
در حضور انرژی (خورشیدی یا شیمیایی)، دی اکسید کربن معدنی به شکل آلی غنی از انرژی تبدیل می شود.

3. حرکت ترکیبات کربن در زنجیره غذایی

شکل ارگانیک کربن تولید شده توسط تولید کنندگان در زنجیره غذایی حرکت می کند زیرا مصرف کنندگان از تولید کنندگان تغذیه می کنند و در نتیجه حرکت کربن از یک شکل زندگی به شکل دیگر انجام می شود.
شکل آلی کربن نیز با حرکت در میان مصرف کنندگان دستخوش تغییراتی می شود.
این مصرف کنندگان از این ترکیبات برای تولید انرژی و انتشار دی اکسید کربن در جو توسط فرآیند تنفس استفاده می کنند.
مصرف کنندگان مقداری از کربن را به مولکول های زیستی تبدیل کرده و آنها را برای فرآیندهای زنده ذخیره می کنند.
با این حال، بخشی از آن به دی اکسید کربن تبدیل می شود و برای حفظ تعادل غلظت کربن در مخازن مختلف به اتمسفر رها می شود.

4. آزاد شدن کربن با تجزیه

در نهایت، با مرگ همه گیاهان و مصرف کنندگان، اجساد مرده آنها توسط تجزیه کننده های مختلف تغذیه می شود.
این تجزیه کننده ها فرم آلی کربن را به شکل غیر آلی تبدیل می کنند تا یک چرخه تشکیل شود.
این تجزیه کننده ها شامل میکروارگانیسم هایی مانند قارچ ها و برخی باکتری ها هستند که از ترکیبات آلی پیچیده تغذیه می کنند و آنها را به شکل غیرآلی ساده تری تبدیل می کنند.
مقداری از کربن معدنی در خاک باقی می‌ماند تا رسوبات ایجاد کند و در نهایت منجر به تشکیل لیتوسفر می‌شود و بقیه به شکل دی اکسید کربن و سایر گازها در جو آزاد می‌شود.
کربن باقی‌مانده در خاک در نهایت سوخت‌های فسیلی را تشکیل می‌دهد که سپس با احتراق، کربن را به اتمسفر نیز آزاد می‌کند.

مثال های چرخه کربن

همراه با چرخه کربن، سیستم های موازی زیادی وجود دارند که به طور غیرمستقیم در انتقال کربن از طریق مخازن مختلف، برای حفظ تعادل نسبی نقش دارند. مخازن مختلفی در اکوسیستم‌های مختلف وجود دارد که همگی می‌توانند کربن انتقالی را از شکلی به شکل دیگر جذب کنند.

1. اتمسفر

جو عمدتاً به عنوان یک مخزن غیرفعال برای کربن عمل می کند.
گازهای حاوی کربن را که در نتیجه فرار از دو مخزن دیگر خارج شده اند ذخیره می کند.
دی اکسید کربن مهم ترین شکل کربن موجود در جو است که از طریق تنفس یا از طریق احتراق آزاد می شود.
کربن موجود در اتمسفر از طریق سیستم های مختلف یا از طریق جذب توسط تولید کنندگان یا از طریق مخلوط شدن با آب یا از طریق حل شدن در آب حرکت می کند.
جو نقش مهمی در چرخه کربن ایفا می کند زیرا به عنوان یک مخزن کربن برای حفظ تعادل در اکوسیستم عمل می کند.
با این حال، به عنوان یک مخزن غیرفعال در نظر گرفته می شود زیرا تغییرات در غلظت کربن در جو به سرعت رخ می دهد.

2. بیوسفر

زیست کره از اجزای زنده زمین و مخزن کربن اقیانوس تشکیل شده است که در نتیجه زیست کره زمینی و اقیانوسی ایجاد می شود.
بیوسفر زمینی همچنین به عنوان یک مخزن برای CO2 اضافی اتمسفر عمل می کند زیرا گیاهان به مقدار CO2 موجود در هوا حساس هستند.
هنگامی که گیاهان نور و مواد مغذی کافی را در آزمایش‌های کنترل‌شده تأمین می‌کنند، در هوای محیط حاوی غلظت‌های بالای CO2 سریع‌تر رشد می‌کنند.
موجودات زنده از گروه های مختلفی هستند که برخی دی اکسید کربن را از محیط جذب می کنند و برخی دیگر دی اکسید کربن را به اتمسفر باز می گردانند.
تولیدکنندگان از دی اکسید کربن برای تشکیل کربوهیدرات ها استفاده می کنند که سپس به مصرف کنندگان منتقل می شود.
تجزیه کننده ها در نهایت با فرآیند کانی سازی، ترکیب آلی را به اشکال معدنی تبدیل می کنند.
مخزن کربن اقیانوسی شامل یک جزء بیوسفری است که شامل گیاهان و جانوران دریایی زنده و بقایای آنها می شود، اما مقدار بسیار قابل توجهی از کربن معدنی را به صورت بی کربنات و نمک های کربنات محلول ذخیره می کند.
اقیانوس به دلیل توانایی آب دریا در جذب گاز CO2، به عنوان یک مخزن برای CO2 اضافی اتمسفر انباشته شده در جو عمل می کند.

3. لیتوسفر

لیتوسفر به عنوان یک مخزن کربن غیر آلی به شکل خاک و سنگ عمل می کند.
lithosphere حاوی مقادیر زیادی کربن در سنگ آهک و شیل است که در چرخه کربن آهسته شرکت می کند.
فعالیت آتشفشانی باعث آزاد شدن دی اکسید کربن در جو می شود و به حفظ تعادل کمک می کند.
پوسته زمین همچنین به کاهش دی اکسید کربن با دفن طرح های مرده و حیوانات و افزایش محتوای کربن در زیست کره کمک می کند.

اهمیت چرخه کربن

چرخه کربن مهم است زیرا مقدار کربن روی زمین را متعادل می کند و به سیاره اجازه می دهد تا برای زندگی مهمان نواز بماند.
کربن یک عنصر ضروری برای همه موجودات زنده است و حرکت آن از طریق سیستم های مختلف به درک عوامل مختلف بیولوژیکی و عوامل موثر بر آنها کمک می کند.
دی اکسید کربن گاز ضروری جو است که از زمین در برابر اشعه های مضر خورشید محافظت می کند. با این حال، افزایش میزان دی اکسید کربن باعث عایق شدن زمین و افزایش دمای زمین می شود. درک حرکت دی اکسید کربن از طریق اکوسیستم های مختلف به درک آب و هوا و شروع گرمایش جهانی کمک می کند.
چرخه کربن همچنین با در دسترس بودن عناصر و ترکیبات دیگر مانند اکسیژن و گوگرد مرتبط است.
چرخه کربن جریان انرژی را از طریق زنجیره غذایی امکان پذیر می کند. ترکیبات کربنی انرژی خورشیدی به دام افتاده را از تولیدکنندگان به مصرف کنندگان و تجزیه کننده ها منتقل می کنند.
فرآیند تجزیه یا کانی سازی به عنوان یک سیستم حذف زباله طبیعی عمل می کند.
گازهای مختلف حاوی کربن مانند دی اکسید کربن و متان نیز بر آب و هوای زمین تأثیر می گذارد.

اثرات انسان بر چرخه کربن

فعالیت‌های انسانی مانند سوزاندن سوخت‌های فسیلی، تغییر کاربری زمین و استفاده از سنگ آهک مسئول انتقال مقدار زیادی کربن به جو است که بر چرخه کربن تأثیر می‌گذارد.
افزایش دی اکسید کربن در جو باعث افزایش اثر گلخانه ای می شود و باعث گرم شدن قابل توجه سطح زمین می شود. افزایش دمای زمین بر تمام اشکال حیات و سایر اجزاء مانند اقیانوس ها و یخچال ها تأثیر می گذارد.
جنگل زدایی و شهرنشینی منجر به از بین رفتن گیاهان سبز در سراسر جهان می شود که باعث افزایش بیشتر میزان دی اکسید کربن در جو می شود.
کشاورزی باعث تغییر در ساختار زمین و پوشش گیاهی می شود که به طور مستقیم و غیرمستقیم بر چرخه کلی کربن تأثیر می گذارد.
استفاده از کودهای مصنوعی و شخم عمیق تر باعث افزایش کانی سازی خاک و کاهش مواد آلی خاک می شود.
جامعه صنعتی، همراه با افزایش سریع جمعیت جهان و افزایش مکانیزاسیون کشاورزی و جنگلداری، مناطق وسیعی از مناظر دست نخورده قبلی را تغییر می دهد و در نتیجه زیست کره زمینی را تغییر می دهد.

“کیمیا زیست گستر نوین” در راستای ارتقاء تولیدات و سطح علمی کشور مبادرت به واردات و توزیع مواد شیمیایی و مصرفی آزمایشگاهی کرده است. هدف مجموعه ما تأمين مواد و تجهيزات مورد نياز در بخش هاى مختلف آزمايشگاهى، تحقيقاتى، بيمارستانى، صنعتى و … مي باشد.

مطالب مفید:

چرخه گوگرد چرخه نیتروژن چرخه فسفر چرخه کربس تثبیت کربن سطح تروفیک تعامل میکروبی