چرخه کربن چیست و چه نقشی در حفظ حیات دارد؟

چرخه کربن روندی جهت بازیافت اتمهای کربن در طبیعت است زیرا کربن پایه و اساس حیات بر روی کره زمین را تشکیل می دهد. چرخه کربن حرکت کربن را در حالت های عنصری و ترکیبی روی زمین نشان می دهد.

کربن برای تشکیل مولکولهای پیچیده مانند پروتئین و DNA مورد نیاز است. این عنصر همچنین در جو به صورت دی اکسید کربن (CO2) یافت می شود. کربن به تنظیم دمای زمین کمک می کند  و هر نوع زندگی را ممکن می سازد ، کربن ماده اصلی موجود در مواد غذایی است و منبع اصلی انرژی را برای تأمین سوخت اقتصاد جهانی ما فراهم می کند. در مبحث چرخه کربن علوم نهم همه ما تاحدودی با اهمیت این چرخه برای حفظ حیات آشنا می شویم. برای کسب اطلاعات بیشتر در رابطه با اهمیت کربن و چرخه آن در طبیعت در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه ما باشید.

 

 

چرخه کربن را توضیح دهید

چرخه کربن فرآیندی را توصیف می کند که در آن اتمهای کربن به طور مداوم از جو به زمین حرکت می کنند و سپس به جو باز می گردند. از آنجا که سیاره ما و جو آن یک محیط بسته را تشکیل می دهند ، میزان کربن در این سیستم تغییر نمی کند. جایی که کربن در آن وجود دارد – در جو یا زمین – دائماً در جریان است. در درس چرخه کربن چیست علوم نهم بطور کامل این مباحث شرح داده شده است.

روی زمین  بیشتر کربن در سنگها و رسوبات ذخیره می شود در حالی که باقی آن در اقیانوس ، جو و بدن موجودات زنده واقع شده است. اینها مخازنی هستند که چرخه کربن در آنها جریان دارد. وقتی موجودات می میرند ، آتشفشان ها فوران می کنند ، آتش می سوزد یا سوخت های فسیلی سوزانده می شوند کربن وارد جو می شود. در مورد اقیانوس ، کربن به طور مداوم بین آبهای سطح اقیانوس و جو رد و بدل می شود یا برای مدت زمان طولانی در اعماق اقیانوس ذخیره می شود.

انسان ها از طریق فعالیت هایی مانند سوزاندن سوخت های فسیلی یا توسعه زمین نقش عمده ای در چرخه کربن دارند. در نتیجه ، میزان دی اکسید کربن در جو به سرعت در حال افزایش است. در حال حاضر CO2 موجود در جو به طور قابل توجهی بیشتر از هر زمان  دیگری افزایش یافته است. در مبحث چرخه کربن را توضیح دهید علوم نهم به این موارد پرداخته شده است.

مراحل چرخه کربن

در زیر مراحل اصلی مربوط به روند چرخه کربن شرح داده شده است:

کربن موجود در جو جهت فتوسنتز توسط گیاهان جذب می شود. این گیاهان سپس توسط حیوانات مصرف می شوند و کربن در بدن آنها تجمع زیستی می یابد. این حیوانات و گیاهان سرانجام می میرند و پس از تجزیه ، کربن به جو باز می شود.

مقداری از کربنی که به جو آزاد نمی شود  در نهایت به سوخت های فسیلی تبدیل می شود.این سوختهای فسیلی سپس برای فعالیت های بشر مورد استفاده قرار می گیرد  که کربن بیشتری را به اتمسفر وارد می کند. فیلم چرخه کربن علوم نهم این روند را به وضوح به ما نشان می دهد.

چرخه کربن در خشکی

کربن موجود در جو به شکل دی اکسید کربن وجود دارد. کربن از طریق فرآیندهای طبیعی مانند تنفس و کاربردهای صنعتی مانند سوزاندن سوخت های فسیلی وارد جو می شود. روند فتوسنتز شامل جذب CO2 توسط گیاهان برای تولید کربوهیدرات است. این معادله به شرح زیر است:

CO_۲ + H_۲O + energy → (CH_۲O)n +O_۲

ترکیبات کربن در طول زنجیره غذایی از تولیدکنندگان به مصرف کنندگان منتقل می شود. اکثر کربن از طریق تنفس به صورت دی اکسید کربن دفع می شود. نقش تجزیه کننده ها خوردن ارگانیسم مرده و برگرداندن کربن از بدن آنها به جو است.

CH2O) n + O2 → CO2 + H2O)

 

چرخه کربن در اقیانوس

از نظر زیست محیطی ، اقیانوس ها بیش از مقداری که کربن دفع می کنند آنرا جذب می کنند. از این رو  آن را “ته نشست کربن” می نامند. حیوانات دریایی کربن را به کربنات کلسیم تبدیل می کنند که یک ماده اولیه ساختاری برای تولید پوسته های سخت مانند صدف ها است.

وقتی ارگانیسم های دریایی با پوسته های کربنات کلسیم می میرند ، بدن آنها تجزیه می شود و پوسته های سخت خود را بر جای می گذارند. اینها در کف دریا جمع می شوند و در نهایت توسط امواج تجزیه می شوند و تحت فشار زیاد متراکم می شوند و سنگ آهک تشکیل می دهند.

وقتی این سنگهای آهک در معرض هوا قرار بگیرند ، دچار هوازدگی شده و کربن به صورت دی اکسید کربن دوباره در جو آزاد می شود. در مبحث چرخه کربن را تعریف کنید علوم نهم این موارد بطور کامل شرح داده شده است.

اهمیت چرخه کربن

حتی اگر دی اکسید کربن به مقدار کم در جو یافت شود نقش بسیار مهمی در تعادل انرژی دارد و تشعشعات خورشید با موج بلند را به دام می اندازد. بنابراین ، مانند یک پتو بر روی کره زمین عمل می کند. اگر چرخه کربن مختل شود  عواقب جدی مانند تغییرات آب و هوایی و گرم شدن کره زمین در پی خواهد داشت.

کربن یک جز جدایی ناپذیر از هر شکل حیات روی زمین از پروتئین ها و لیپیدها گرفته تا حتی DNA سلولهای ما است. علاوه بر این ، تمام  حیات شناخته شده روی زمین بر اساس کربن است. از این رو ، چرخه کربن همراه با چرخه نیتروژن و اکسیژن ، نقشی حیاتی در وجود حیات روی زمین دارد.

انواع چرخه کربن

چرخه کربن آهسته

از طریق یک سری واکنش های شیمیایی و فعالیت های تکتونیکی  بین ۱۰۰ تا ۲۰۰ میلیون سال طول می کشد تا کربن در چرخه کند کربن بین سنگها ، خاک ، اقیانوس و جو حرکت کند. به طور متوسط ، هر سال ۱۰۱۳ تا ۱۰۱۴ گرم (۱۰ تا ۱۰۰ میلیون تن) کربن در چرخه کند حرکت می کند. در مقایسه ، میزان انتشار کربن توسط انسان در جو ۱۰۱۵ گرم است ، در حالی که کربن در چرخه سریع ۱۰۱۶ تا ۱۰۱۷ گرم کربن در سال حرکت می کند.

حرکت کربن از اتمسفر به سمت لیتوسفر (سنگها) با باران آغاز می شود. کربن اتمسفر با آب ترکیب می شود و یک اسید ضعیف ایجاد می کند – اسید کربنیک – که با باران به سطح می افتد. این اسید سنگها را حل می کند – روندی به نام هوازدگی شیمیایی – و یونهای کلسیم ، منیزیم ، پتاسیم یا سدیم آزاد می کند. رودخانه ها یون ها را به اقیانوس منتقل می کنند و باقی وقایع  در اقیانوس اتفاق می افتد.

چرخه سریع کربن

چرخه سریع کربن عمدتا حرکت کربن از طریق اشکال حیات روی زمین یا زیست کره است. هر ساله بین ۱۰۱۵ تا ۱۰۱۷ گرم (۱۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰۰ میلیون متر تن) کربن در چرخه سریع حرکت می کند.

کربن به دلیل توانایی ایجاد پیوندهای اضافی – حداکثر چهار عدد در هر اتم – در یک تنوع به ظاهر بی پایان از مولکول های آلی پیچیده ، در زیست شناسی نقش اساسی دارد. بسیاری از مولکولهای آلی حاوی اتمهای کربن هستند که پیوندهای محکمی با سایر اتمهای کربن ایجاد کرده و در زنجیره های طولانی و حلقه ها ترکیب شده اند. چنین زنجیره ها و حلقه های کربنی اساس سلول های زنده هستند. به عنوان مثال ،  DNA از دو مولکول بهم پیوسته ساخته شده است که در اطراف یک زنجیره کربن ساخته شده است.

پیوندهای موجود در زنجیره های طولانی کربن حاوی انرژی زیادی هستند. وقتی زنجیره ها از هم می پاشد ، انرژی ذخیره شده آزاد می شود. این انرژی باعث می شود که مولکول های کربن منبع عالی سوخت برای تمام موجودات زنده باشد.

در چرخه کربن دی اکسید کربن چگونه مصرف می شود؟

گیاهان و فیتوپلانکتون ها اجزای اصلی چرخه کربن هستند که نقش گیاهان در چرخه کربن را نشان می دهد. فیتوپلانکتون ها (ارگانیسم های میکروسکوپی در اقیانوس) و گیاهان با جذب دی اکسید کربن از جو و  با استفاده از انرژی خورشید و آب باعث تشکیل قند (CH2O) و اکسیژن می شوند.

CO2 + H2O + energy = CH2O + O2

گیاهان قند را تجزیه می کنند تا انرژی مورد نیاز برای رشد را بدست آورند. حیوانات  و انسان ها گیاهان یا پلانکتون را می خورند و قند گیاه را تجزیه می کنند تا انرژی بگیرند. گیاهان و پلانکتون ها در پایان فصل رشد می میرند و از بین می روند و کربن آزاد می شود.

در چرخه کربن، کربن به چه شکلی تولید می شود؟

کربن توسط گیاهان برای ساختن برگ و ساقه استفاده می شود ، سپس توسط حیوانات هضم می شود و برای رشد سلولی استفاده می شود. در اتمسفر ، کربن به صورت گازهایی مانند دی اکسید کربن ذخیره می شود. همچنین در اقیانوس ها ذخیره می شود و توسط بسیاری از موجودات دریایی جذب می شود. برخی ارگانیسم ها مانند صدف یا مرجان از کربن برای تشکیل پوسته و اسکلت استفاده می کنند.

مقداری از کربن موجود در جو توسط گیاهان گرفته شود تا در حین فتوسنتز غذا تهیه شود. سپس این کربن می تواند در حیواناتی که گیاهان را می خورند ، ذخیره شود. وقتی حیوانات می میرند ، تجزیه می شوند و بقایای آنها رسوب می کنند و کربن ذخیره شده را در لایه هایی به دام می اندازند که در نهایت به سنگ یا مواد معدنی تبدیل می شوند. برخی از این رسوبات ممکن است سوخت های فسیلی مانند ذغال سنگ ، نفت یا گاز طبیعی را تشکیل دهند که با سوختن سوخت ، کربن را دوباره به اتمسفر رها می کنند.

تاثیر انسان روی چرخه کربن

بدون دخالت انسان ، کربن موجود در سوخت های فسیلی از طریق فعالیت های آتشفشانی طی میلیون ها سال در چرخه کند کربن به آهستگی به جو نشت می کند. با سوزاندن زغال سنگ ، نفت و گاز طبیعی ، این روند را تسریع می کنیم و سالانه مقادیر زیادی کربن (کربنی که تجمع آن میلیون ها سال به طول انجامید) در جو آزاد می کنیم. با این کار کربن را از چرخه کند به چرخه سریع منتقل می کنیم. در سال ۲۰۰۹ ، انسان ها با سوزاندن سوخت های فسیلی حدود ۸/۴ میلیارد تن کربن در جو منتشر کردند.

از ابتدای انقلاب صنعتی  زمانی که انسان ها برای اولین بار سوزاندن سوخت های فسیلی را شروع کردند ، غلظت دی اکسید کربن در جو از حدود ۲۸۰ قسمت در میلیون به ۳۸۷ قسمت در میلیون افزایش یافته است که ۳۹ درصد افزایش یافته است. این بدان معناست که به ازای هر میلیون مولکول موجود در جو  ۳۸۷ از آنها اکنون دی اکسید کربن هستند – بالاترین غلظت در دو میلیون سال گذشته !

اثرات تغییر چرخه کربن بر حیات

تاکنون ، گیاهان زمینی و اقیانوس حدود ۵۵ درصد از کربن اضافی که انسان وارد جو کرده اند را گرفته اند در حالی که حدود ۴۵ درصد آنها در جو باقی مانده اند. زمین و اقیانوس های بیشتر دی اکسید کربن اضافی را به خود اختصاص می دهند ، اما ممکن است حدود ۲۰ درصد آن برای هزاران سال در جو باقی بماند.تغییرات در چرخه کربن بر هر مخزن کربنی تأثیر می گذارد. کربن بیش از حد در اقیانوس باعث اسیدی شدن آب می شود و حیات دریایی را به خطر می اندازد.

احتمالاً بزرگترین تغییرات در چرخه کربن زمین باعث تغییرات آب و هوایی خواهد شد. دی اکسید کربن باعث افزایش دما ، افزایش فصل رشد و افزایش رطوبت می شود. هر دو عامل منجر به رشد اضافی گیاهان می شود. با این حال ، دمای گرمتر باعث تنش گیاهان نیز می شود. با رشد و افزایش فصل رشد ، گیاهان برای زنده ماندن به آب بیشتری احتیاج دارند.

خشکی گیاهان و تنش های آبی نیز با طولانی شدن فصول رشد در معرض آتش سوزی و حشرات هستند. مثلا جنگل ها شروع به سوختن کرده و کربن را از گیاهان و خاک وارد جو می کنند. جنگل های گرمسیری نیز ممکن است به شدت در معرض خشک شدن باشند. با کمبود آب ، درختان گرمسیری رشد خود را کاهش می دهند و کربن کمتری می گیرند  یا می میرند و کربن ذخیره شده خود را به اتمسفر رها می کنند. این اختلالات درنهایت تعادل اکوسیستم های زمین را تحت تاثیر قرار داده و حیات را در کره زمین تهدید می کند.

چرخه کربن به زبان ساده

چرخه کربن مانند یک سیستم بازیافت طبیعی برای عنصر ضروری به نام کربن است. کربن بخش مهمی از هوا، زمین و همه موجودات زنده است. در یک دایره حرکت می کند و از شکلی به شکل دیگر تغییر می کند. مراحل چرخه کربن نشان می‌دهند که کربن چگونه در موجودات زنده، جو، اقیانوس‌ها و خاک‌ها چرخش می‌کند و تعادل ظریفی را حفظ می‌کند که بر تمام حیات روی زمین تأثیر می‌گذارد. در اینجا مراحل اولیه چرخه کربن آمده است:

فتوسنتز

گیاهان دی اکسید کربن هوا را می گیرند و از نور خورشید برای تبدیل آن به غذا (گلوکز) برای خود استفاده می کنند. در طی این فرآیند، اکسیژن به عنوان یک محصول جانبی در هوا آزاد می شود.

مصرف

حیوانات گیاهان (یا سایر حیواناتی که گیاهان خورده اند) را در یک زنجیره غذایی می خورند و با انجام این کار، کربنی را که گیاهان ذخیره  شده است را جذب می کنند.

تنفس

جانوران نفس می کشند (تنفس می کنند)، به این معنی که آنها اکسیژن هوا را دریافت کرده و دی اکسید کربن را دوباره به جو آزاد می کنند.

تجزیه

هنگامی که گیاهان و حیوانات می میرند، بقایای آنها تجزیه می شود. در طی این فرآیند تجزیه، کربن دوباره به خاک و هوا آزاد می شود.

فسیل شدن

در طی دوره های طولانی، برخی از بقایای کربن دار گیاهان و جانوران به سوخت های فسیلی مانند زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی تبدیل می شوند که در اعماق پوسته زمین ذخیره می شوند.

احتراق

وقتی چیزهایی مانند چوب یا سوخت های فسیلی (زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی) می سوزند، کربن ذخیره شده را در هوا آزاد می کنند..

 

جذب اقیانوس و سینک کربن

اقیانوس ها دی اکسید کربن را از اتمسفر جذب می کنند و به عنوان یک مخزن عظیم عمل می کنند. این جذب به تنظیم میزان کربن موجود در جو کمک می کند. با این حال، جذب بیش از حد می تواند منجر به اسیدی شدن اقیانوس شود که می تواند به حیات دریایی آسیب برساند.