Κύκλος του άνθρακα

Ο κύκλος του άνθρακα είναι ο βιογεωχημικός κύκλος στον οποίο ο άνθρακας ανταλλάσσεται μεταξύ της βιόσφαιρας, της υδρόσφαιρας και των γεωλογικών σχηματισμών της Γης. Ο άνθρακας είναι το κύριο συστατικό των βιολογικών ενώσεων καθώς και ένα σημαντικό συστατικό πολλών ορυκτών όπως ο ασβεστόλιθος. Μαζί με τον κύκλο του αζώτου και τον κύκλο του νερού, περιλαμβάνει μια ακολουθία γεγονότων που είναι βασικά για να γίνει η Γη ικανή να διατηρήσει τη ζωή. Ο κύκλος αυτός περιλαμβάνει την κίνηση του άνθρακα καθώς ανακυκλώνεται και επαναχρησιμοποιείται σε όλη τη βιόσφαιρα. Επίσης περιλαμβάνει τις μακροχρόνιες διαδικασίες δέσμευσης και απελευθέρωσής του από τις δεξαμενές άνθρακα. Τα βιολογικά και ανθρωπογενή μονοπάτια του είναι πολύ ταχύτερα από τα γεωχημικά μονοπάτια και, κατά συνέπεια, έχουν μεγαλύτερη επίδραση στη σύνθεση και στη θερμοκρασία της ατμόσφαιρας.

 Η Γη έχει έναν ενεργό φυσικό κύκλο του άνθρακα. Η ατμοσφαιρική δεξαμενή έχει αποθηκευμένη με φυσικό τρόπο γύρω στα 2200 δισ. τόνους διοξειδίου του άνθρακα (GtCO2). Κάθε χρόνο, περίπου 400 GtCO2 αφαιρούνται από την ατμόσφαιρα από τα δέντρα και άλλη βλάστηση στην ξηρά μέσω της φωτοσύνθεσης, και μια παρόμοια ποσότητα επιστρέφει σε αυτήν μέσω της διαπνοής των φυτών. Στον ωκεανό, περίπου 330 GtCO2 ανταλλάσσονται κάθε χρόνο μεταξύ της ατμόσφαιρας και των επιφανειακών υδάτων, με περισσότερο CO2 να απορροφάται στα κρύα νερά μεγάλου γεωγραφικού πλάτους και λιγότερο στους τροπικούς ωκεανούς, όπου τα βαθιά νερά πλούσια σε άνθρακα έρχονται στην επιφάνεια μέσω των ανύψωσης των ωκεάνιων υδάτων.Δεδομένα του πυρήνα του πάγου της Ανταρκτικής δείχνουν ότι για 800.000 χρόνια, μέχρι και τη Βιομηχανική Επανάσταση (περίπου 1750), η συγκέντρωση του CO2 στην ατμόσφαιρα περέμενε λιγότερο από περίπου 300 ppm, με τη συγκέντρωση αυτή να κυμαίνεται ανάμεσα σε παγετώδεις και διακλαδικούς κύκλους. Οι ανθρώπινες δραστηριότητες δεν επιδρούσαν τότε στον κύκλο, παρά μόνο ελάχιστα μέσω πυρκαγιών και εκκαθάρισης του εδάφους. Μετά τη Βιομηχανική Επανάσταση, οι ανθρωπογενείς εκπομπές άρχισαν να διαταράσσουν σημαντικά τον κύκλο του άνθρακα. Από το 1750, οι ανθρωπογενείς εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα από αμελητέα επίπεδα αυξήθηκαν σε 42 γιγατόνους CO2 το 2019. Αυτή η αύξηση σε εκπομπές CO2 είναι η βασική αιτία της κλιματικής αλλαγής. Μαζί με το μεθάνιο, το οξείδιο του αζώτου και άλλα αέρια του θερμοκηπίου (GHGs), οι ετήσιες εκπομπές έχουν αυξηθεί σε περίπου 59 GtCO2. Οι εκπομπές από την καύση των ορυκτών καυσίμων και τη χρήση της γης κατανέμονται στην ατμόσφαιρα, στη γη και στους ωκεανούς. Χωρίς την απομόνωση του άνθρακα από τη γη και τον ωκεανό, το επίπεδο του CO2 στην ατμόσφαιρα θα ήταν τώρα περίπου 600 ppm, με την αύξηση της θερμοκρασίας περίπου διπλάσια από αυτήν που παρατηρείται σήμερα.Η γη έχει έχει συμβάλει στον περιορισμό της κλιματικής αλλαγής επειδή το αυξημένο ατμοσφαιρικό CO2 αυξάνει τη φωτοσύνθεση, η οποία με τη σειρά της τείνει να ενθαρρύνει περισσότερη ανάπτυξη των φυτών (ειδικά των δέντρων). Έτσι σχηματίζεται περισσότερη βιομάζα. Όταν τα φυτά πεθαίνουν, μέρος αυτής της πρόσθετης βιομάζας γίνεται οργανική ύλη, αυξάνοντας την αποθήκευση του άνθρακα στο έδαφος. Ωστόσο, αυτή η διαδικασία έχει όρια, γιατί περιορίζεται από παράγοντες, όπως η διαθεσιμότητα του νερού ή των θρεπτικών ουσιών. Επιπλέον οι επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής, όπως η ξηρασία των δασών, οι πυρκαγιές και η τήξη των πάγων, μπορούν ακόμη και να αντιστρέψουν αυτή τη διαδικασία.Στον ωκεανό, η αύξηση του ατμοσφαιρικού CO2 οδηγεί σε αναλογική αύξηση της ποσότητας CO2 που διαλύεται στην επιφάνεια του ωκεανού. Το μεγαλύτερο μέρος αυτού αντιδρά με ανθρακικά ιόντα στο θαλασσινό νερό για να σχηματίσει διττανθρακικά, μια διαδικασία που ενισχύει την ικανότητα του ωκεανού να απορροφά άνθρακα. Ωστόσο, η χημική αντίδραση γίνεται λιγότερο αποτελεσματική όταν ο ωκεανός έχει ήδη απορροφήσει πολύ CO2, μειώνοντας την πρόσληψή του, και δημιουργώντας έναν πιο όξινο ωκεανό. Μετά από αυτήν τη διαδικασία, ο ανόργανος άνθρακας στις διάφορες μορφές του μεταφέρεται στον βαθύ ωκεανό μέσω της κυκλοφορίας. Το 75% όλου του άνθρακα που απορροφάται από τον ωκεανό παραμένει στα κορυφαία 1000 μέτρα λόγω της αργής κυκλοφορίας των ωκεανών. Σε αντίθεση με τα χερσαία οικοσυστήματα, το θαλάσσιο πλαγκτόν περιορίζεται κυρίως από τη διαθεσιμότητα των θρεπτικών ουσιών και όχι από την έλλειψη του CO2, και ως εκ τούτου η ανάπτυξή του δεν αυξάνεται με την αύξηση του CO2 στον ωκεανό. Παράλληλα, η αυξημένη οξύτητα του ωκεανού επηρεάζει πολλά θαλάσσια είδη και οικοσυστήματα, ενώ η έμμεση επίδραση των αλλαγών του οικοσυστήματος στην απορρόφηση του CO2 από τον ωκεανό είναι άγνωστη.Η σωρευτική ποσότητα από τις εκπομπές είναι πιο σημαντική από τις ετήσιες εκπομπές στον καθορισμό του επιπέδου της κλιματικής αλλαγής, επειδή τα μόρια CO2 παραμένουν στην ατμόσφαιρα για μεγάλο χρονικό διάστημα (16 - 34% του CO2 θα παραμείνει στην ατμόσφαιρα για περισσότερα από 1000 χρόνια). Εάν η δημόσια πολιτική και οι επακόλουθες αλλαγές στη βιομηχανία και στις επιλογές των καταναλωτών οδηγήσουν σε μείωση των ετήσιων εκπομπών, οι ατμοσφαιρικές συγκεντρώσεις θα εξακολουθούν να αυξάνονται (αν και πιο αργά), από τη στιγμή που εκπέμπεται περισσότερο CO2 στην ατμόσφαιρα από ό,τι απορροφάται. Η παρακολούθηση της κατακράτησης του άνθρακα, και η μοντελοποίηση του κύκλου του άνθρακα για την κατανόηση των διαδικασιών, είναι ιδιαίτερα σημαντική.