Все элементы на Земле, включая углерод, движутся циклически, как часть замкнутой системы. Нет потерь или поступления углерода из космоса. Диаграмма углеродного цикла показывает различные этапы переработки углерода в 21 веке.
Диаграмма
Глобальная углеродная диаграмма Университета Нью-Хэмпфира изображает пулы и потоки, составляющие углеродный цикл. Углеродные пулы хранят большое количество углерода в течение длительных периодов времени и отмечены синим цветом. Потоки — это процессы, которые перемещают углерод из одного пула в другой и отмечены красным цветом. Потоки состоят из двух частей: одна удаляет углерод из воздуха, а другая высвобождает связанный углерод обратно в виде CO2 в атмосферу.
Углеродные пулы
Количество углерода, хранящегося в пулах, указано в петаграммах углерода (PgC) . Один Pg равен одному миллиарду тонн и также называется гигатоннами (Gt).
- Горные породы: большая часть углерода заключена в виде осадочных пород.
- Дно океана: второй по величине резервуар углерода находится под океанами в виде двуокиси углерода (CO2), растворенной в воде.
- Ископаемое топливо: Третьим по величине пулом углерода являются ископаемые виды топлива, такие как уголь, бурый уголь, природный газ и нефть , которые образуются из остатков наземных и морских растений и животных при особой температуре и давлении.
- Поверхность океана: Углерод хранится в течение короткого времени в поверхностных водах в виде растворенного в воде CO2 или в телах живых морских растений и животных.
- Наземные пулы : весь углерод, который накапливается в деревьях и почве, образует еще один краткосрочный пул и высвобождается через несколько десятилетий или столетий, например, когда деревья вырубаются или умирают.
- Углекислый газ: Углерод, присутствующий в воздухе в газообразной форме, CO2, помогает сохранять тепло на земле . Без этого жизнь на земле в том виде, в каком она существует, была бы невозможна. Существует постоянное добавление и поглощение из этого углеродного пула.
Удаление углерода во флюсах
Количество углерода, которое перемещается каждый год, показано на диаграмме как PgC в год. CO2 удаляется из воздуха и фиксируется быстрыми ежедневными процессами. Образование органического вещества и поглотителей углерода происходит медленнее и требует времени.
- Фотосинтез. Зеленые растения используют CO2 вместе с водой и солнечной энергией в процессе, называемом фотосинтезом, для образования простых сахаров, а затем питательных веществ, необходимых растениям.
- Поглощение океанами — атмосферный CO2 поглощается и используется для фотосинтеза также в океанах. Здесь фитопланктоны являются эквивалентами растений, от которых зависит вся жизнь в океанах. Кроме того, растворенный в воде CO2 превращается в карбонат кальция и используется в панцирях и скелетах морских животных.
- Пищевая цепь. Когда травоядные поедают растения, а плотоядные и всеядные поедают других животных, этот углерод передается по пищевой цепи, помогая животным расти, жить и размножаться.
- Добавление органических веществ и подстилки. Когда растения и животные умирают, они разлагаются микробами с образованием гумуса или органических веществ, которые становятся частью почвы. Подстилка, которая образуется каждый год, когда деревья сбрасывают ветки и листья, и постоянно перерабатывает углерод в почву. Это частично используется для роста растений и поддерживает циркуляцию углерода, в то время как остальная часть образует почвенный углерод.
Формирование пулов углерода
Количество используемого CO2 и время, в течение которого он сохраняется в виде связанного углерода, варьируется в зависимости от различных организмов и процессов.
- Поскольку деревья живут долго и накапливают углерод в своих стволах, листьях и корнях, они действуют как поглотители углерода .
- Почвы накапливают углерод в виде органических веществ и мертвых корней, которые остаются в почве еще долго после того, как растение или дерево умирает; существует огромное количество биомассы в виде растущих живых корней деревьев и лугов в почве. Почвы образуют еще один важный поглотитель углерода.
- Некоторые раковины и скелеты морских животных накапливаются на дне океанов, образуя известняк.
Поглотители углерода являются важным потоком или процессом, который в конечном итоге приводит к образованию пулов углерода. В краткосрочной перспективе они производят наземные запасы углерода, а в долгосрочной перспективе — ископаемое топливо и горные породы.
Земля к океану
Когда реки впадают в океаны, они несут с собой отложения, богатые органическим веществом . Болота и приливные наводнения также ежегодно перемещают углерод в виде органического вещества в океаны.
Естественное выделение углекислого газа
В естественном углеродном цикле углерод высвобождается обратно в атмосферу в основном в результате дыхания и разложения.
- Дыхание растений. Большинство живых существ, микробов, растений и животных на суше дышат. Они вдыхают кислород и выдыхают CO2, расщепляя съеденную пищу. Это один из самых коротких циклов углерода.
- Разложение почвы и дыхание. Все разлагающиеся вещества на земле не превращаются в органические вещества. Часть углерода выбрасывается прямо в воздух в виде CO2. Микробы и мелкие животные, обитающие в почве, также ежедневно выделяют CO2 при дыхании.
- Потеря океана. Дыхание и разложение морских растений и животных также выделяют CO2 в пул углерода в атмосфере.
- Вулканы . Небольшое количество углерода выбрасывается в атмосферу в результате вулканической деятельности.
Деятельность человека с выделением углекислого газа
В дополнение к естественным потокам существует множество видов деятельности человека, которые выбрасывают связанный углерод обратно в атмосферу в виде CO2.
- Сжигание ископаемого топлива. Сжигание углерода поглощает древесину, уголь, природный газ, бензин для производства электроэнергии, отопления, приготовления пищи или транспорта, что является одним из основных способов выброса углерода обратно в воздух. Многие ископаемые виды топлива также используются в промышленных целях и дополнительно добавляют CO2 в атмосферу.
- Изменения в землепользовании — вырубка лесов , расчистка пастбищ для создания поселений, фермы, заменяющие естественный рост, и использование техники, приводящее к выбросам , имеют долгосрочные последствия. Это приводит к добавлению CO2 к атмосферному углеродному бассейну.
Различные перспективы из дополнительных диаграмм
Существует много типов диаграмм углеродного цикла, и они предоставляют различную информацию об этом жизненном цикле.
- Простой цикл : на диаграмме BBC изображен простой углеродный цикл. Так выглядел углеродный цикл в доиндустриальные времена, до 150 лет назад, когда количество движения углерода не было проблемой.
- Изменение климата : Углеродный цикл Университета Калгари представляет собой наглядный анализ того, как современная деятельность человека изменила хрупкий баланс в углеродном цикле.
- Химические процессы . Углеродный цикл Britannica фокусируется на различных химических реакциях, влияющих на потоки и пулы углерода, а не на количествах повторного использования углерода. Этот цикл интересен для людей, которые хотят знать, в каких формах существует углерод и как он меняется.
Использование углеродного цикла
Из- за деятельности человека за последние 150 лет содержание CO2 в атмосфере увеличилось на 30% . Поскольку CO2 в воздухе вызывает потепление, добавление большего количества CO2 в атмосферу также увеличивает его согревающий эффект. Это привело к глобальному потеплению и изменению климата. Понимание углеродного цикла и того, как и где его изменяет деятельность человека, может помочь найти эффективные пути и методы решения проблемы изменения климата.