چرخه کربن – به زبان ساده

مقدمه

همانطور که گفته شد، عنصر کربن، در «مخازن» (Reservoirs) متفاوتی وجود دارد. هر تغییری در چرخه کربن که سبب خروج کربن از یک مخزن شود، موجب اضافه شدن کربن بیشتری به دیگر مخازن خواهد بود. تغییراتی که سبب قرارگیری گازهای کربن در اتمسفر شوند، گرمای زمین را بوجود می‌آورند.

چرخه کربن آهسته

فیلم آموزش کربن و آلوتروپ‌های آن در فرادرس

کلیک کنید

موجودات زنده

نقش آتشفشان‌ها در چرخه کربن آهسته

چرخه کربن آهسته، از طریق آتشفشان‌ها، کربن را به اتمسفر وارد می‌کند. همانطور که می‌دانید، زمین و اقیانوس‌ها روی صفحات تکتونیکی قرار دارند و زمانی که این صفحات با یکدیگر برخورد کنند، یکی از صفحات به زیر دیگری خواهد رفت و موجب می‌شود تا این صفحه زیرین، گرما و فشار بیشتری را متحمل شود و در نهایت با تبدیل به سیلیس، دی‌اکسید کربن آزاد خواهد کرد.

به هنگام فوران آتشفشان‌ها، گازهایی به اتمسفر وارد و سنگ‌هایی از جنس سیلیس در سطح زمین پخش می‌شوند که موجب آغاز دوباره چرخه کربن خواهند بود. در حال حاضر، آتشفشان‌ها در هر سال حدود 130-380 میلیون تن دی‌اکسید کربن را به زمین وارد می‌کنند. البته برای مقایسه، بهتر است بیان کنیم که انسان‌ها سالیانه ۳۰ میلیارد تن دی‌اکسید کربن تولید می‌کنند که این مقدار، 100--200 برابر بیشتر از آتشفشان‌ها ذکر می‌شود. انسان‌ها این مقدار از دی‌اکسید کربن را از طریق سوزاندن سوخت‌های فسیلی به طبیعت وارد می‌کنند.

نقش اقیانوس‌ها در چرخه کربن آهسته

چرخه کربن سریع

هیدروکربن‌ها

پیوندهای موجود در مولکول‌های آلی با زنجیر طویل، حاوی مقدار بسیار زیادی از انرژی هستند. زمانی که این پیوندها شکسته شوند، انرژی ذخیره شده در آن‌ها آزاد می‌شود. همین انرژی آزاد شده، مولکول‌های کربن را به منبع مناسبی از سوخت موجودات زنده تبدیل کرده است.

گیاهان

انرژی + $$\mathrm { CH } _ { 2 } \mathrm { O } + \mathrm { O } _ { 2 } = \mathrm { CO } _ { 2 } + \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { O }$$

در تمامی چهار مرحله بالا، دی‌اکسید کربن آزاد شده، به اتمسفر راه پیدا می‌کند. چرخه سریع کربن به طور مستقیم با زندگی گیاهان پیوند خورده است به گونه‌ای که تغییرات دی‌اکسید کربن را در تغییرات فصل‌ها می‌توان مشاهده کرد. در زمستان،‌ زمانی که رشد گیاهان محدود می‌شود و بسیاری از آن‌ها در حال تجزیه شدن هستند، غلظت دی‌اکسید کربن در اتمسفر افزایش پیدا می‌کند. در مقابل، به هنگام بهار و رشد گیاهان، از این غلظت کاسته خواهد شد، گویی زمین در حال تنفس است.

تغییرات در چرخه کربن

لازم به ذکر است که چرخه کربن آهسته و سریع، هردو به غلظت پایدار کربن در اتمسفر، زمین، گیاهان و اقیانوس‌ها کمک می‌کنند. اما هرگاه تغییری در مقدار کربن یکی از این مخازن بوجود بیاید، این تغییر به صورت یک موج، بر دیگر منابع نیز اثر می‌گذارد.

در زمان‌های بسیار دور، چرخه کربن در پاسخ به تغییرات اقلیمی، تغییر می‌کرد. تغییرات در چرخش زمین سبب می‌شد که میزان انرژی دریافتی از خورشید تغییر کند و در اثر همین تغییرات بود که عصرهای یخبندان و دوره‌های گرمایش زمین پدید آمدند. عصرهای یخبندان زمانی بوجود می‌آمدند که در نیمکره شمالی، دما در تابستان پایین بود و به تبع آن یخ‌ها شروع به رشد می‌کردند. در نتیجه این سرما،‌ سرعت چرخه کربن پایین آمد. در همین زمان، برخی از عوامل همچون دمای پایین و افزایش رشد فیتوپلانکتون‌ها موجب افزایش میزان کربن دریافتی اقیانوس‌ها از اتمسفر شد.

عصر یخبندان

کاهش کربن اتمسفری،‌ سرمای بیشتری را برای زمین به همراه داشت. به همین دلیل با اتمام آخرین عصر یخبندان در 10 هزار سال قبل، دی‌اکسید کربن در اتمسفر به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش یافت. تغییراتی که در مدار زمین رخ می‌دهد، در دوره‌های ثابت و قابل پیش‌بینی انجام می‌شود. این تغییرات به گونه‌ای بود تا میزان نور تابشی در نیمکره شمالی کاهش یابد که به تبع آن، آخرین عصر یخبندان اتفاق افتاد. امروزه، تغییرات در چرخه کربن توسط انسان‌ها صورت می‌گیرد.

تغییرات چرخه کربن با قطع درختان

با قطع درختان توسط انسان، ذخیره عظیم کربن در ساقه، تنه و برگ‌های گیاهان و درختان از بین می‌رود. البته در مواردی، انسان‌ها با کاشت گیاهان و درختان، سعی در جایگزینی این منابع دارند اما بذر گیاهان، کربن کمتری را در خود ذخیره می‌کنند. انسان‌ها در حال حاضر، سالانه بیش از میلیاردها تن کربن را از طریق تغییر نوع استفاده از زمین،‌ به جو وارد می‌کنند.

سوخت‌های فسیلی

اثرات تغییر چرخه کربن

تمامی این کربن اضافی وارد شده به جو، باید به مخزن دیگری منتقل شود. گیاهان، درختان و اقیانوس‌ها در حدد ۵۵ درصد این کربن اضافی را جذب کرده‌اند اما 45 درصد باقیمانده در جو حضور دارد. البته زمین و اقیانوس‌ها بیشتر کربن اضافی را جذب می‌کنند اما مقادیر زیادی نیز برای هزاران سال در اتمسفر باقی خواهد ماند.

فیلم آموزش علوم‌تجربی نهم زیست و زمین‌شناسی در فرادرس

کلیک کنید

تغییرات در چرخه کربن، بر روی تمامی مخازن، اثرگذار است. کربن اضافی موجب گرم شدن زمین و به تبع آن، رشد بیشتر گیاهان و درختان می‌شود. علاوه بر این، کربن اضافی در اقیانوس‌ها، خاصیت اسیدی آب‌ را افزایش می‌دهد که برای موجودات آبزی بسیار خطرناک است.

تاثیرات بر اتمسفر

غلظت بخار آب موجود در جو توسط دمای زمین کنترل می‌شود. گرمای بیشتر، تبخیر بیشتر آب از اقیانوس‌ها و افزایش رطوبت را به همراه دارد. کاهش دما نیز بارش باران و برف را نتیجه می‌دهد. از طرف دیگر، دی‌اکسید کربن نسبت به آب، در بازه دمایی بیشتری به حالت گاز قرار دارد. مولکول‌های دی‌اکسید کربن، گرمای اولیه را برای تثبیت غلظت بخار آب فراهم می‌کنند. زمانی که غلظت دی‌اکسید کربن افت پیدا کند، دمای زمین کاهش می‌یابد و بر اثر این کاهش دما، غلظت بخارات آب اتمسفر کم و به تبع آن،‌ اثر گلخانه‌ای ناشی از بخار آب نیز کم می‌شود. به همین صورت،‌ زمانی که غلظت دی‌اکسید کربن افزایش پیدا کند، دما بیشتر و دوباره بخار آب به جو وارد خواهد شد که افزایش اثر گلخانه‌ای را به همراه دارد.

بنابراین، درحالیکه دی‌اکسید کربن نسبت به بخار آب، نقش کمتری دارد اما دانشمندان دریافته‌اند که این گاز، وظیفه تنظیم دما را به عهده دارد. در حقیقت، گاز دی‌اکسید کربن، میزان بخار آب موجود در جو را کنترل و به همین شکل، میزان اثر گلخانه‌ای را نیز کنترل می‌کند.

تاثیرات بر اقیانوس‌ها

در حدود ۳۰ درصد دی‌اکسید کربنی که انسان‌ها به اتمسفر وارد کرده‌اند، از طریق واکنش‌های شیمیایی به اقیانوس‌ها نفوذ کرده است. انحلال دی‌اکسید کربن در اقیانونس‌ها موجب تولید دی‌اکسید کربن خواهد شد. در ابتدا کربنیک اسید با یون‌های کربنات موجود در آب واکنش می‌دهد تا بی‌کربنات به تولید برسد. البته برخی از یون‌های کربنات توسط مرجان‌ها برای تولید صدف بکار گرفته می‌شوند. اگر این جانوران، کربنات کمی در اختیار داشته باشند، باید انرژی بیشتری برای ساخت صدف‌های خود مصرف کنند.

از طرفی، دی‌اکسید کربن برای رشد گیاهان و فیتوپلانکتون‌ها ضروری است. افزایش دی‌اکسید کربن، موجب افزایش رشد و نمو گیاهان دریایی و فیتوپلاکنتون‌ها خواهد شد. این مواد در نهایت می‌توانند به طور مستقیم، دی‌اکسید کربن را از آب دریافت کنند.

تاثیرات بر زمین

گیاهان خشکی،‌ در حدود ۲۵ درصد دی‌اکسید کربن تولیدی انسان را دریافت می‌کنند. مقداری که این گیاهان جذب می‌کنند، سال به سال تغییر می‌کند اما به طور کلی، این مقدار دریافتی از سال 1960 رو به افزایش است. به دلیل وجود دی‌اکسید کربن اتمسفری،‌ درختان، رشد بیشتری پیدا کردند. مدل‌ها پیش‌بینی می‌کنند که اگر دی‌اکسید کربن اتمسفری افزایش پیدا کند،‌ رشد گیاهان بین ۱۲ تا ۷۶ درصد افزایش پیدا خواهد کرد.

علاوه بر این، گیاهان برای رشد به مواد دیگری همچون آب، نور خورشید و مواد مغذی نیاز دارد و هرقدر هم که مواد مختلفی در دسترس باشند، فقدان یکی از آن‌ها،‌ عدم رشد گیاه را به همراه دارد. بنابراین، اینطور به نظر می‌رسد که افزایش دی‌اکسید کربن،‌ رشد بیشتر را تا زمانی به همراه دارد که مقدار کافی آب یا نیتروژن وجود داشته باشد.

استفاده از زمین

البته در مناطق استوایی، روز به روز از راه‌های مختلف همچون آتش‌سوزی، موجب کاهش حجم جنگل‌ها و آزاد شدن کربن می‌شوند بطوریکه در سال ۲۰۰۸، ۱۲ درصد از کربن تولیدی مربوط به بیابان‌زایی بوده است.

تغییرات اقلیمی

اصلی‌ترین دلیل تغییر در چرخه کربن به دلیل تغییرات آب و هوایی است. همانطور که پیش‌تر نیز مطرح شد، وجود دی‌اکسید کربن موجب افزایش دما، رطوبت و رشد گیاهان خواهد شد. البته در اثر این افزایش دما، گیاهان به آب بیشتری برای رشد کردن نیاز دارند. مشاهدات دانشمندان در نیمکره شمالی نشان داده است که گیاهان این مناطق، به دلیل کمبود آب،‌ سرعت رشد خود را در فصول گرم کاهش داده‌اند.

فیلم مجموعه آموزش دروس شیمی – از دروس دانشگاهی تا کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

این نوع از گیاهان که به دلیل کمبود آب و افزایش دما تحت استرس قرار گرفته‌اند، بیشتر در معرض آفات و آتش‌سوزی هستند. در نهایت، این آتش‌سوزی‌ها، ورود کربن بیشتر به اتمسفر و چرخه کربن را به همراه دارد. همچنین،‌ جنگل‌های استوایی نیز به شدت در معرض خشکسالی قرار دارند. در صورت عدم وجود آب کافی، درختان استوایی سرعت رشد خود را پایین می‌آورند و کربن کمتری را جذب می‌کنند یا اینکه با از بین رفتن این درختان، کربن ذخیره شده در آن‌ها نیز آزاد خواهد شد.

پرمافراست

مطالعه چرخه کربن

سوالات بسیاری که دانشمندان در خصوص چرخه کربن دارند، به نحوه تغییر آن مربوط می‌شود. اتمسفر زمین در حال حاضر، بیشترین کربن را از ۲ میلیون سال پیش تا بحال دارد. این مقدار کربن، با ورود به هر مخزن،‌ تغییراتی در چرخه کربن ایجاد می‌کند. نحوه این تغییرات، و تاثیر آن بر عوامل مختلف در چرخه کربن، از موضوعات مورد مطالعه دانشمندان است.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• مجموعه آموزش‌های مهندسی شیمی
• آموزش شیمی عمومی
• معرفی رشته زمین شناسی — از تحصیل تا اشتغال
• اتمسفر و لایه‌های جو — از صفر تا صد

^^