วัฏจักรคาร์บอน: ลักษณะขั้นตอนความสำคัญ - สิ่งแวดล้อม - 2025

วัฏจักรคาร์บอนเป็นกระบวนการของการไหลเวียนขององค์ประกอบทางเคมีในอากาศ, น้ำ, ดินและสิ่งมีชีวิต มันเป็นวัฏจักรชีวเคมีประเภทก๊าซและรูปแบบของคาร์บอนที่อุดมสมบูรณ์ที่สุดในชั้นบรรยากาศคือคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2)

แหล่งกักเก็บคาร์บอนที่ใหญ่ที่สุดอยู่ในมหาสมุทรเชื้อเพลิงฟอสซิลอินทรียวัตถุและหินตะกอน ในทำนองเดียวกันโครงสร้างร่างกายของสิ่งมีชีวิตมีความจำเป็นและเข้าสู่ห่วงโซ่อาหารเป็น CO2 ผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง

สารสังเคราะห์แสง (พืชแพลงก์ตอนพืชและไซยาโนแบคทีเรีย) ดูดซับคาร์บอนจาก CO2 ในชั้นบรรยากาศจากนั้นสัตว์กินพืชจะนำมันไปจากสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ สิ่งเหล่านี้ถูกกินโดยสัตว์กินเนื้อและในที่สุดสิ่งมีชีวิตที่ตายทั้งหมดจะถูกแปรรูปโดยผู้ย่อยสลาย

นอกจากบรรยากาศและสิ่งมีชีวิตแล้วคาร์บอนยังพบได้ในดิน (edaphosphere) และในน้ำ (ไฮโดรสเฟียร์) ในมหาสมุทรแพลงก์ตอนพืชสาหร่ายมหึมาและพืชแองจิออสเปิร์มในน้ำจะนำ CO2 ที่ละลายในน้ำมาทำการสังเคราะห์แสง

ภาพประกอบวัฏจักรคาร์บอน

คาร์บอนไดออกไซด์จะรวมตัวกลับสู่บรรยากาศหรือน้ำโดยการหายใจของสิ่งมีชีวิตบนบกและในน้ำตามลำดับ เมื่อสิ่งมีชีวิตตายไปคาร์บอนจะรวมตัวกลับสู่สภาพแวดล้อมทางกายภาพเป็น CO2 หรือเป็นส่วนหนึ่งของหินตะกอนถ่านหินหรือน้ำมัน

วัฏจักรคาร์บอนมีความสำคัญมากเนื่องจากทำหน้าที่ต่าง ๆ เช่นการเป็นส่วนหนึ่งของสิ่งมีชีวิตช่วยควบคุมอุณหภูมิของดาวเคราะห์และความเป็นกรดของน้ำ ในทำนองเดียวกันมันก่อให้เกิดกระบวนการกัดกร่อนของหินตะกอนและทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานสำหรับมนุษย์

ลักษณะเฉพาะ

คาร์บอน

องค์ประกอบนี้มีความอุดมสมบูรณ์เป็นอันดับที่หกในจักรวาลและโครงสร้างของมันทำให้สามารถสร้างพันธะกับองค์ประกอบอื่น ๆ เช่นออกซิเจนและไฮโดรเจน ประกอบด้วยอิเล็กตรอน 4 ตัว (เตตราวาเลนต์) ซึ่งสร้างพันธะเคมีโควาเลนต์ที่สามารถประกอบเป็นโพลีเมอร์ที่มีรูปแบบโครงสร้างที่ซับซ้อน

บรรยากาศ

คาร์บอนพบในบรรยากาศส่วนใหญ่เป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ในสัดส่วน 0.04% ขององค์ประกอบของอากาศ แม้ว่าความเข้มข้นของคาร์บอนในชั้นบรรยากาศจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างมากในช่วง 170 ปีที่ผ่านมาเนื่องจากการพัฒนาอุตสาหกรรมของมนุษย์

ก่อนช่วงเวลาอุตสาหกรรมความเข้มข้นอยู่ระหว่าง 180 ถึง 280 ppm (ส่วนต่อล้าน) และวันนี้เกิน 400 ppm นอกจากนี้ยังมีก๊าซมีเทน (CH4) ในสัดส่วนที่น้อยกว่ามากและคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ในร่องรอยเล็ก ๆ

CO2 และมีเทน (CH4)

ก๊าซคาร์บอนเหล่านี้มีคุณสมบัติในการดูดซับและแผ่พลังงานคลื่นยาว (ความร้อน) ด้วยเหตุนี้การปรากฏตัวของมันในชั้นบรรยากาศจึงควบคุมอุณหภูมิของดาวเคราะห์โดยการป้องกันไม่ให้หนีเข้าไปในอวกาศของความร้อนที่แผ่มาจากโลก

ก๊าซมีเทนจากก๊าซทั้งสองชนิดนี้จะจับความร้อนได้มากกว่า แต่ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มีบทบาทสำคัญที่สุดเนื่องจากมีความอุดมสมบูรณ์

โลกชีวภาพ

โครงสร้างของสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ประกอบด้วยคาร์บอนซึ่งจำเป็นในการสร้างโปรตีนคาร์โบไฮเดรตไขมันและวิตามิน

ธรณีภาค

คาร์บอนเป็นส่วนหนึ่งของอินทรียวัตถุและอากาศในดินนอกจากนี้ยังพบในรูปแบบของธาตุเช่นคาร์บอนกราไฟต์และเพชร ในทำนองเดียวกันมันเป็นส่วนพื้นฐานของไฮโดรคาร์บอน (น้ำมันบิทูเมน) ที่พบในเงินฝากลึก

การก่อตัวของคาร์บอน

เมื่อพืชพันธุ์ตายในแอ่งทะเลสาบหนองน้ำหรือทะเลตื้นเศษพืชจะสะสมอยู่ในชั้นที่มีน้ำปกคลุม จากนั้นกระบวนการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจนอย่างช้าๆที่เกิดจากแบคทีเรียจะถูกสร้างขึ้น

ตะกอนปกคลุมชั้นของวัสดุอินทรีย์ที่ย่อยสลายซึ่งผ่านกระบวนการเสริมสร้างคาร์บอนที่ก้าวหน้าเป็นเวลาหลายล้านปี สิ่งนี้ผ่านขั้นตอนของพีท (คาร์บอน 50%) ลิกไนต์ (55-75%) ถ่านหิน (75-90%) และในที่สุดแอนทราไซต์ (90% หรือมากกว่า)

การก่อตัวของน้ำมัน

มันเริ่มต้นด้วยการสลายตัวแบบแอโรบิคอย่างช้าๆจากนั้นจึงมีระยะที่ไม่ใช้ออกซิเจนซึ่งประกอบด้วยซากแพลงก์ตอนสัตว์และพืชในทะเลหรือทะเลสาบ สารอินทรีย์นี้ถูกฝังโดยชั้นตะกอนและอยู่ภายใต้อุณหภูมิและความกดดันสูงภายในโลก

อย่างไรก็ตามเมื่อมีความหนาแน่นต่ำกว่าน้ำมันจะไหลผ่านรูพรุนของหินตะกอน ในที่สุดมันอาจถูกขังอยู่ในพื้นที่ที่ไม่สามารถซึมผ่านได้หรือก่อตัวเป็นเม็ดบิทูมินัสตื้น ๆ

ไฮโดรสเฟียร์

ไฮโดรสเฟียร์รักษาการแลกเปลี่ยนก๊าซกับบรรยากาศโดยเฉพาะออกซิเจนและคาร์บอนในรูปของ CO2 (ละลายในน้ำ) คาร์บอนพบได้ในน้ำโดยเฉพาะในมหาสมุทรส่วนใหญ่อยู่ในรูปของไบคาร์บอเนตไอออน

ไอออนของไบคาร์บอเนตมีบทบาทสำคัญในการควบคุม pH ของสิ่งแวดล้อมทางทะเล ในทางกลับกันที่ก้นทะเลมีก๊าซมีเทนจำนวนมากติดอยู่เป็นมีเธนไฮเดรต

ฝนกรด

คาร์บอนยังแทรกซึมระหว่างตัวกลางของก๊าซและของเหลวเมื่อ CO2 ทำปฏิกิริยากับไอน้ำในชั้นบรรยากาศและก่อตัวเป็น H2CO3 กรดนี้ตกตะกอนด้วยน้ำฝนและทำให้ดินและน้ำเป็นกรด

ขั้นตอนของวัฏจักรคาร์บอน

การดักจับและการกักเก็บคาร์บอน ที่มา: Carbon_sequestration-2009-10-07.svg: * งาน LeJean Hardin และ Jamie Paynederivative: งานอนุพันธ์ของ Jarl Arntzen (พูดคุย): Ortisa / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0 )

เช่นเดียวกับวัฏจักรทางชีวเคมีวัฏจักรคาร์บอนเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนซึ่งประกอบด้วยเครือข่ายความสัมพันธ์ การแยกออกเป็นขั้นตอนที่กำหนดเป็นเพียงวิธีการวิเคราะห์และทำความเข้าใจเท่านั้น

- ขั้นตอนทางธรณีวิทยา

ตั๋ว

ปัจจัยการผลิตคาร์บอนในขั้นตอนนี้มาจากชั้นบรรยากาศน้อยลงเนื่องจากฝนกรดและอากาศถูกกรองลงสู่พื้น อย่างไรก็ตามข้อมูลหลักคือการมีส่วนร่วมของสิ่งมีชีวิตทั้งโดยการขับถ่ายและร่างกายเมื่อตาย

การจัดเก็บและการหมุนเวียน

ในขั้นตอนนี้คาร์บอนจะถูกกักเก็บและเคลื่อนที่ในชั้นลึกของธรณีภาคเช่นถ่านหินน้ำมันก๊าซกราไฟต์และเพชร นอกจากนี้ยังเป็นส่วนหนึ่งของหินคาร์บอเนตซึ่งติดอยู่ในสภาพแห้งแล้ง (ชั้นดินเยือกแข็งในละติจูดขั้ว) และละลายในน้ำและอากาศในรูพรุนของดิน

ในพลวัตของการเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลกคาร์บอนยังไปถึงชั้นที่ลึกกว่าของแมนเทิลและเป็นส่วนหนึ่งของหินหนืด

ขาออก

การกระทำของฝนบนหินที่เป็นปูนจะกัดเซาะและแคลเซียมจะถูกปล่อยออกมาพร้อมกับองค์ประกอบอื่น ๆ แคลเซียมจากการกัดกร่อนของหินคาร์บอเนตเหล่านี้จะถูกชะล้างลงสู่แม่น้ำและจากที่นั่นไปยังมหาสมุทร

ในทำนองเดียวกัน CO ₂จะถูกปล่อยออกมาเมื่อดินละลายน้ำแข็งหรือไถพรวนดินมากเกินไป อย่างไรก็ตามผลผลิตหลักขับเคลื่อนโดยมนุษย์โดยการสกัดถ่านหินน้ำมันและก๊าซจากเปลือกโลกเพื่อเผาเป็นเชื้อเพลิง

กิจกรรมของมนุษย์โดยอาศัยการบริโภคไฮโดรคาร์บอนปล่อยคาร์บอนสู่บรรยากาศ

- ขั้นตอนทางอุทกวิทยา

ตั๋ว

เมื่อ CO ₂ในชั้นบรรยากาศสัมผัสกับผิวน้ำมันจะละลายกลายเป็นกรดคาร์บอนิกและมีเทนจากก้นทะเลเข้าสู่ชั้นนอกโลกตามที่ตรวจพบในอาร์กติก นอกจากนี้ HCO ₃ไอออนเข้าสู่แม่น้ำและมหาสมุทรเนื่องจากการกัดเซาะของหินคาร์บอเนตในชั้นเปลือกโลกและการชะล้างของดิน

เมื่อฝนตกน้ำจะพาคาร์บอนในรูปของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากชั้นบรรยากาศและจากหิน เมื่อไปถึงมหาสมุทรปะการังแพลงก์ตอนและสัตว์น้ำอื่น ๆ จะใช้มันเพื่อเติบโต สิ่งมีชีวิตเหล่านี้ - ปะการังแพลงก์ตอนและสัตว์น้ำ - ตายและป้อนคาร์บอนลงในดิน

การจัดเก็บและการหมุนเวียน

CO2 ละลายในน้ำกลายเป็นกรดคาร์บอนิก (H2CO3) ละลายแคลเซียมคาร์บอเนตของเปลือกหอยกลายเป็นกรดแคลเซียมคาร์บอเนต (Ca (HCO3) 2) ดังนั้นคาร์บอนจึงพบและหมุนเวียนในน้ำส่วนใหญ่เป็น CO2, H2CO3 และ Ca (HCO3) 2.

ในทางกลับกันสิ่งมีชีวิตในทะเลรักษาการแลกเปลี่ยนคาร์บอนกับสภาพแวดล้อมทางน้ำอย่างต่อเนื่องโดยการสังเคราะห์ด้วยแสงและการหายใจ นอกจากนี้คาร์บอนสำรองจำนวนมากยังอยู่ในรูปของมีเธนไฮเดรตที่ก้นทะเลถูกแช่แข็งด้วยอุณหภูมิต่ำและความกดดันสูง

ขาออก

มหาสมุทรแลกเปลี่ยนก๊าซกับชั้นบรรยากาศรวมทั้ง CO2 และก๊าซมีเทนและส่วนหนึ่งของก๊าซจะถูกปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศ เมื่อเร็ว ๆ นี้มีการตรวจพบการรั่วไหลของก๊าซมีเทนในมหาสมุทรที่เพิ่มขึ้นที่ระดับความลึกน้อยกว่า 400 ม. เช่นนอกชายฝั่งนอร์เวย์

การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิโลกจะทำให้น้ำร้อนในระดับความลึกไม่เกิน 400 ม. และปล่อยมีเธนไฮเดรตเหล่านี้ กระบวนการที่คล้ายกันนี้เกิดขึ้นใน Pleistocene โดยปล่อยก๊าซมีเทนจำนวนมากทำให้โลกร้อนขึ้นและก่อให้เกิดการสิ้นสุดของยุคน้ำแข็ง

- เวทีบรรยากาศ

ตั๋ว

คาร์บอนเข้าสู่บรรยากาศจากการหายใจของสิ่งมีชีวิตและจากกิจกรรมเมทาโนเจนิกของแบคทีเรีย ในทำนองเดียวกันโดยการเผาพืช (ชีวมณฑล) แลกเปลี่ยนกับไฮโดรสเฟียร์การเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลการระเบิดของภูเขาไฟและการปลดปล่อยจากพื้นดิน (ทางธรณีวิทยา)

การปลดปล่อยคาร์บอนทางธรณีวิทยาสู่ชั้นบรรยากาศโดยภูเขาไฟที่ปะทุ ผู้แต่ง: Ciencia1.com

การจัดเก็บและการหมุนเวียน

ในบรรยากาศคาร์บอนส่วนใหญ่อยู่ในรูปของก๊าซเช่น CO2 มีเทน (CH4) และคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ในทำนองเดียวกันคุณสามารถพบอนุภาคคาร์บอนที่แขวนลอยอยู่ในอากาศ

ขาออก

คาร์บอนหลักที่ส่งออกจากชั้นบรรยากาศคือ CO2 ที่ละลายในน้ำทะเลและใช้ในการสังเคราะห์ด้วยแสง

- ขั้นตอนทางชีวภาพ

ตั๋ว

คาร์บอนเข้าสู่ขั้นตอนทางชีวภาพเป็น CO2 ผ่านกระบวนการสังเคราะห์แสงที่ดำเนินการโดยพืชและแบคทีเรียสังเคราะห์แสง ในทำนองเดียวกัน Ca2 + และ HCO3- ไอออนที่เข้าถึงทะเลโดยการกัดเซาะและใช้โดยสิ่งมีชีวิตต่างๆในการผลิตเปลือกหอย

พืชและจุลินทรีย์ดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากชั้นบรรยากาศและเปลี่ยนเป็นออกซิเจนและพลังงานผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง

การจัดเก็บและการหมุนเวียน

เซลล์แต่ละเซลล์และร่างกายของสิ่งมีชีวิตจึงประกอบด้วยคาร์บอนในสัดส่วนที่สูงประกอบด้วยโปรตีนคาร์โบไฮเดรตและไขมัน คาร์บอนอินทรีย์นี้ไหลเวียนผ่านชีวมณฑลผ่านใยอาหารจากผู้ผลิตขั้นต้น

แองจิโอสเปิร์มเฟิร์นตับเป็ดมอสสาหร่ายและไซยาโนแบคทีเรียรวมเข้าด้วยกันโดยการสังเคราะห์ด้วยแสง จากนั้นสิ่งมีชีวิตเหล่านี้จะถูกกินโดยสัตว์กินพืชซึ่งจะเป็นอาหารสำหรับสัตว์กินเนื้อ

สัตว์ที่กินพืชเป็นอาหารจะกินพืชและปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สู่ชั้นบรรยากาศ เมื่อสัตว์เหล่านี้ตายพวกมันจะรวมตัวคาร์บอนเข้าไปในดินอีกครั้ง สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นกับปะการังและแพลงก์ตอนบนพื้นมหาสมุทร

ขาออก

การรั่วไหลของคาร์บอนหลักจากขั้นตอนนี้ไปยังผู้อื่นในวัฏจักรคาร์บอนคือการตายของสิ่งมีชีวิตที่รวมเข้ากับดินน้ำและชั้นบรรยากาศ รูปแบบการตายและการปลดปล่อยคาร์บอนขนาดใหญ่และรุนแรงคือไฟป่าที่ก่อให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จำนวนมาก

ในทางกลับกันแหล่งที่มาที่สำคัญที่สุดของก๊าซมีเทนสู่ชั้นบรรยากาศคือก๊าซที่ปศุสัตว์ขับออกมาในกระบวนการย่อยอาหาร ในทำนองเดียวกันกิจกรรมของแบคทีเรียที่ไม่ใช้ออกซิเจนเมทาโนเจนิกย่อยสลายสารอินทรีย์ในหนองน้ำและต้นข้าวก็เป็นแหล่งของก๊าซมีเทน

ความสำคัญ

วัฏจักรคาร์บอนมีความสำคัญเนื่องจากหน้าที่ที่เกี่ยวข้องที่องค์ประกอบนี้เติมเต็มบนดาวเคราะห์โลก การไหลเวียนที่สมดุลช่วยให้สามารถควบคุมฟังก์ชันที่เกี่ยวข้องทั้งหมดเหล่านี้เพื่อการบำรุงรักษาสภาพของดาวเคราะห์ให้เป็นหน้าที่ของชีวิต

ในสิ่งมีชีวิต

คาร์บอนเป็นองค์ประกอบหลักในโครงสร้างของเซลล์เนื่องจากเป็นส่วนหนึ่งของคาร์โบไฮเดรตโปรตีนและไขมัน องค์ประกอบนี้เป็นพื้นฐานของเคมีของชีวิตตั้งแต่ดีเอ็นเอไปจนถึงเยื่อหุ้มเซลล์ออร์แกเนลล์เนื้อเยื่อและอวัยวะ

การควบคุมอุณหภูมิของโลก

CO2 เป็นก๊าซเรือนกระจกหลักซึ่งทำให้สามารถรักษาอุณหภูมิที่เหมาะสมสำหรับสิ่งมีชีวิตบนโลกได้ หากไม่มีก๊าซในชั้นบรรยากาศเช่น CO2 ไอน้ำและอื่น ๆ ความร้อนที่ปล่อยออกมาจากโลกจะหลุดออกสู่อวกาศโดยสิ้นเชิงและดาวเคราะห์จะกลายเป็นมวลน้ำแข็ง

ภาวะโลกร้อน

ในทางกลับกันก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ส่วนเกินที่ปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศเช่นที่เกิดจากมนุษย์ในปัจจุบันทำลายสมดุลธรรมชาติ สิ่งนี้ทำให้โลกร้อนมากเกินไปซึ่งจะเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศโลกและส่งผลเสียต่อความหลากหลายทางชีวภาพ

การควบคุม pH ในมหาสมุทร

CO2 และมีเทนที่ละลายในน้ำเป็นส่วนหนึ่งของกลไกที่ซับซ้อนในการควบคุม pH ของน้ำในมหาสมุทร ยิ่งมีก๊าซเหล่านี้อยู่ในน้ำมากเท่าใด pH จะเป็นกรดมากขึ้นซึ่งเป็นผลเสียต่อสิ่งมีชีวิตในน้ำ

แหล่งพลังงาน

ถ่านหินเป็นส่วนสำคัญของเชื้อเพลิงฟอสซิลทั้งถ่านหินแร่น้ำมันและก๊าซธรรมชาติ แม้ว่าการใช้งานจะถูกตั้งคำถามเนื่องจากผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อมที่ก่อให้เกิดเช่นความร้อนสูงเกินไปทั่วโลกและการปล่อยโลหะหนัก

มูลค่าทางเศรษฐกิจ

ถ่านหินเป็นแร่ธาตุที่สร้างแหล่งงานและผลกำไรทางเศรษฐกิจเพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงและการพัฒนาเศรษฐกิจของมนุษยชาติขึ้นอยู่กับการใช้วัตถุดิบนี้ ในทางกลับกันในรูปแบบของเพชรที่ตกผลึกหายากกว่ามากมันมีคุณค่าทางเศรษฐกิจอย่างมากสำหรับการใช้เป็นหินมีค่า

อ้างอิง

1. Calow, P. (Ed.) (1998). สารานุกรมนิเวศวิทยาและการจัดการสิ่งแวดล้อม
2. Christopher R. และ Fielding, CR (1993) การทบทวนงานวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับตะกอนน้ำเหลือง ธรณีวิทยาตะกอน.
3. Espinosa-Fuentes, M. De la L. , Peralta-Rosales, OA และ Castro-Romero, T. บทที่ 7. รายงานเม็กซิกันเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ, กลุ่มที่ 1, ฐานวิทยาศาสตร์. โมเดลและการสร้างแบบจำลอง
4. Margalef, R. (1974). นิเวศวิทยา. รุ่น Omega
5. Miller, G. และ TYLER, JR (1992) นิเวศวิทยาและสิ่งแวดล้อม. Grupo Editorial Iberoamérica SA de CV
6. Odum, EP และ Warrett, GW (2006) พื้นฐานของนิเวศวิทยา พิมพ์ครั้งที่ห้า. ทอมสัน