ნახშირბადის ციკლი

ნახშირბადის ციკლი — ბიოგეოქიმიური ციკლი, რომლის საშუალებითაც ნახშირბადი მოძრაობს დედამიწის ბიოსფეროში, პედოსფეროში, გეოსფეროში, ჰიდროსფეროსა და ატმოსფეროში. ნახშირბადი არის ბიოლოგიური ნაერთების ძირითადი კომპონენტი, ისევე როგორც მრავალი არაორგანული მინერალის , როგორიცაა მაგალითად კირქვა. აზოტისა და წყლის ციკლთან ერთად, ნახშირბადის ციკლი მოიცავს მოვლენათა თანმიმდევრობას, რომლებიც მნიშვნელოვანია, რომ დედამიწაზე შესაძლებელი იყოს სიცოცხლის არსებობა.
ნახშირბადის ციკლი აღმოაჩინა ანტუან ლავუაზიემ და ჟოზეფ პრისტლმა, ხოლო პოპულარიზება გაუწია ჰამფრი დეივმა.
ძირითადი კომპონენტები
ატმოსფერო
დედამიწის ატმოსფეროში ნახშირბადი ორი ძირითადი ნაერთის სახით არსებობს, ესენია ნახშირბადის დიოქსიდი და მეთანი. ეს ორივე აირადი ნივთიერება შთანთქავს ატმოსფეროში შემოსულ სითბოს და გარკვეულწილად ისინი არიან პასუხისმგებელნი სათბურის ეფექტზე. მეთანი, ნახშირორჟანთან შედარებით, უფრო ძლიერ სათბურის ეფექტს წარმოქმნის, მაგრამ ის ბევრად უფრო ნაკლები კონცენტრაციით არსებობს დედამიწის ატმოსფეროში და ამავე დროს მალევე ქრება, რაც არ ახასიათებს ნახშირორჟანგს და ეს ფაქტი მას, ამ ორი ნივთიერებიდან, მთავარ სათბურის აირად აქცევს.
ნახშირორჟანგი ატმოსფეროდან შთაინთქმება, პირველ რიგში, ფოტოსინთეზის პროცესით და ციკლის საშუალებით მოძრაობს ხმელეთისა და ოკეანის ბიოსფეროში. ატმოსფეროში არსებული ნახშირბადის დიოქსიდი პირდაპირ იხსნება წყალში (ოკეანე, ტბები, ზღვები და ა.შ.), ასევე იშლება ნალექებში, და პერიოდულად წვიმის საშუალებით ჩამოირეცხება. წყალში გახსნისას, ნახშირორჟანგი რეაქციაში შედის წყლის მოლეკულებთან და წარმოქმნის ნახშირმჟავას, რაც ხელს უწყობს ოკეანის გამჟავიანებას.
ბოლო ორი საუკუნის განმავლობაში ადამიანის საქმიანობამ მნიშვნელოვნად გაზარდა ნახშირბადის კონცენტრაცია ატმოსფეროში, ძირითადად, ნახშირორჟანგის სახით, გამოყოფის პროცესის ამგვარი ზრდა გამოწვეულია წიაღისეული საწვავის მზარდი ტემპით მოხმარებით. მას შემდეგ, რაც დედამიწის ოკეანეები აორთქლდება, დაახლოებით 1,1 მილიარდ წელიწადში, ფილების ტექტონიკა, სავარაუდოდ, შეწყდება წყლის ნაკლებობის გამო. ნახშირბადის ციკლი მომავალში დასრულდება 1-2 მილიარდ წლებს შორის.
ბიოსფერო
ბიოსფეროში არსებული ყველა ორგანიზმი შეიცავს ნახშირორჟანგს, ცოცხალი და მკვდარიც. ნახშირბადის დაახლოებით 500 გიგატონა მასა ინახება მიწის ზემოთ მცხოვრებ მცენარეებსა და სხვა ცოცხალ ორგანიზმებში, ხოლო ნიადაგში დაახლოებით 1 500 გიგატონა ნახშირბადია. ხმელეთის ბიოსფეროში ნახშირბადის უმეტესობა ორგანული ნივთიერებების შემადგენლობაში შედის, ხოლო ნიადაგის ნახშირბადის დაახლოებით მესამედი ინახება არაორგანულ ფორმით, მაგალითად, კალციუმის კარბონატის სახით. ორგანული ნახშირბადი არის დედამიწაზე მცხოვრები ყველა ორგანიზმის ძირითადი კომპონენტი.
ნახშირბადის ხმელეთის ბიოსფეროს ტოვებს რამდენიმე გზით. ორგანული ნივთიერების წვა და სუნთქვა სწრაფად ათავისუფლებს მას ატმოსფეროში . ნიადაგში არსებული ნახშირბადი შესაძლოა იქ დარჩეს ათასობით წელი, სანამ მდინარეების მიერ არ გამოირეცხება და გაიფანტება ატმოსფეროში. 1989 და 2008 წლებში ნიადაგში ნახშირბადის დიოქსიდის შემცველობა იზრდებოდა დაახლოებით 0,1%-ით წელიწადში. 2008 წელს მისი გლობალურმა რაოდენობა ნიადაგში 98 მილიარდი ტონა იყო. ამ პროცესის რამდენიმე დასაბუთებული ახსნა არსებობს, მაგრამ სავარაუდოდ ახსნა ისაა, რომ ტემპერატურის მატებასთან ერთად იზრდება ნიადაგში არსებული ორგანული ნივთიერებების დაშლის ტემპი, რაც ზრდის ნახშირორჟანგის მაჩვენებელს. ნიადაგში ნახშირბადის არსებობის ხანგრძლივობა დამოკიდებულია ადგილობრივ კლიმატურ პირობებზე, რომელიც იცვლება კლიმატის ცვლილებასთან ერთად.
ოკეანეები
ნახშირბადის შემცველი მასალა გავრცელებულია ოკეანეში, იგი ძირითადად ატმოსფერული ნახშირორჟანგის დაშლის გზით შემოდის, რომლის მცირე ნაწილი გარდაიქმნება კარბონატად. იგი ასევე ოკეანეში ხვდება მდინარეების საშუალებით, რომლებიც მდიდარი არიან ნაშალი არაორგანული ნივთიერებებით. ნახშირორჟანგი ძირითადად შთაინთქმება ფოტოსინთეზის საშუალებით, ასევე ორგანიზმების მიერ, რომლებიც კარბონატულ საშენ მასალას ამზადებენ. ოკეანეების pH საშუალოდ 8,2-ის ტოლია, ხოლო ნახშირბადის დიოქსიდის მაღალი კონცეტრაცია მჟავიანობას ცვლის ნეიტრალური pH-ის მიმართულებით.
ოკეანეების მიერ ამ აირის შთანთქმას დიდი მნიშვნელობა აქვს ატმოსფეროში მისი კონცენტრაციის კონტროლისთვის, რომელიც ძირითადად ადამიანების მიერ გამოიყოფა. თუმცა, ეს პროცესი არ შემოიფარგლება მხოლოდ ამით, ვინაიდან დიდი რაოდენობით შეწოვა იმოქმედებს ოკეანის მჟავიანობაზე და აქ მცოვრებ ცოცხალ ორგანიზმებზე. ხოლო გამჟავიანება დიდ ზეგავლენას მოახდენს კარბონატული საფარის მქონე არსებებზე, ვინაიდან მათი სასიცოცხლოდ აუცილებელი საფარი დაიშლება.
გეოსფერო
ნახშირბადის ციკლი გეოლოგიურ დონეზე მოქმედებს ბევრად ნელა, ნახშირბადის ციკლის სხვა ნაწილებთან შედარებით, როგორიცაა მაგალითად ატმოსფერო.
ნახშირბადის უმეტესობა ინერტულად ინახება დედამიწის ლითოსფეროში. დედამიწის მანტიაში შენახული ნახშირბადის დიდი ნაწილი, აქ ინახება მას შემდეგ, რაც დედამიწა ჩამოყალიბდა. გეოსფეროში არსებული ნახშირბადის დაახლოებით 80% არის კირქვაში და მისგან მიღებულ ნაერთებში, რომლებიც წარმოიქმნება წყლის ორგანიზმების მიერ შექმნილი კალციუმის კარბონატის ნალექისგან. დანარჩენი 20% წარმოიქმნება ხმელეთზე მცხოვრები ორგანიზმების სიკვდილის შემდეგ, მაღალი სიცხისა და წნევის ქვეშ, გარდაცვლილი სხეული იშლება ნახშირბადშემველ ნაერთებად. დღეს ამ ორგანულ მასალას წიაღისეული საწვავის სახით ვიცნობთ, რომელსაც ადამიანები ყოველდღიურ ცხოვრებაში აქტიურად მოვიხმართ. მოპოვების შემდეგ, წიაღისეული საწვავი იწვის ენერგიის გამოყოფით, თუმცა ატმოსფეროში ასევე გამოიყოფა ნახშირორჟანგი. დღესდღეობით გეოსფეროში შენახული ორგანული ნახშირბადი შეიძლება იქ დარჩეს მილიონობით წლის განმავლობაში.ნახშირბადს შეუძლია დატოვოს გეოსფერო მრავალი გზით, მაგალითად ნახშირორჟანგი ატმოსფეროსა და ოკეანეში შეიძლება გამოთავისუფლდეს ვულკანების საშუალებით.
ნახშირბადის ღრმა ციკლი
მიუხედავად იმისა, რომ დედამიწის ზედაპირიდან დაშორებულ ღრმა წერტილებში, ნახშირბადის ციკლი ჯერ კიდევ არ არის ბოლომდე შესწავლილი, ითვლება, რომ ის ისეთივე მნიშვნელოვანია, როგორც ატმოსფეროში, გეოსფეროსა და ლითოსფეროში მიმდინარე ციკლები. ნახშირბადის ეს „ღრმა ციკლი“ ძალზე მნიშვნელოვანია დედამიწის ზედაპირსა და ატმოსფეროს შორის ნახშირბადის მოძრაობაზე. თუ ეს პროცესი არ იარსებებდა, ნახშირბადი დარჩებოდა ატმოსფეროში, სადაც იგი მიაღწევდა უკიდურესად მაღალ კონცენტრაციას. ამრიგად, ნახშირბადის ღრმა ციკლი მნიშვნელოვან როლს თამაშობს ხმელეთზე სიცოცხლის არსებობისთვის აუცილებელი პირობების შექმნაში. ამ საკითხის შესწავლა საკმაოდ რთულია, რადგანაც ქვედა მანტია და ბირთვი 660-დან 2 891 კმ-მდე და 2 891-დან 6-371 კილომეტრამდე ვრცელდება დედამიწის სიღრმეში. შესაბამისად, ამ პროცესთან დაკავშირებით, ბევრი რამ ცნობილი არ არის.
ადამიანის გავლენა
ინდუსტრიული რევოლუციის შემდეგ, ადამიანის საქმიანობამ შეცვალა ნახშირბადის ციკლი, რის შედეგადაც ატმოსფეროში ნახშირბადის დიოქსიდის რაოდენობა გაიზარდა. ნახშირბადის ციკლზე, ადამიანის მიერ, ყველაზე დიდ ზეგავლენად წიაღისეული საწვავის დიდი რაოდენობით გამოყენება ითვლება, ვინაიდან წვის დროს გამონაბოლქვი პირდაპირ ჰაერში ვრცელდება. წიაღისეულის მოპოვებაც, ნახშირბადის ციკლის ერთ-ერთი ნაწილია, კერძოდ, ნახშირბადის გეოსფეროდან ატმოსფეროში გადატანა.
ადამიანები ასევე გავლენას ახდენენ ნახშირბადის ციკლზე, რაც ცვლის ხმელეთისა და ოკეანეების ბიოსფეროს. გასული რამდენიმე საუკუნის განმავლობაში, ადამიანის მიერ პირდაპირი და არაპირდაპირი გზით გამოწვეულმა მიწათსარგებლობისთვის დედამიწის საფარის ცვლილებამ განაპირობა ბიომრავალფეროვნების შემცირება, რაც ამცირებს ეკოსისტემების რაოდენობას, ორგანიზმთა გარეომოს მიმართ შემგუებლობასა და ნახშირბადის ატმოსფეროდან შთანთქმის ხარისხს.
გარემოზე ადამიანის მიერ გამოწვეულმა სხვა ცვლილებებმა შეცვალეს ეკოსისტემები და მათი ატმოსფეროდან ნახშირბადის შთანთქმის უნარი. მაგალითად, ჰაერის დაბინძურება ზიანს აყენებს მცენარეებსა და ნიადაგს, ხოლო მრავალი სახის სოფლის მეურნეობა და მიწადმოქმედება იწვევს ეროზიას, ნიადაგიდან ნახშირბადის გამორეცხვასა და მცენარეთა პროდუქტიულობის შემცირებას.
ადამიანები აგრეთვე გავლენას ახდენენ ოკეანის ნახშირბადის ციკლზე. კლიმატის ცვლილების ამჟამინდელი ტემპი იწვევს ოკეანეებში ტემპერატურის მატებას, ამრიგად იცვლება ეკოსისტემებიც. ასევე, მჟავა წვიმები და დაბინძურებული ჩამონადენი, რომელიც წარმოიქმნება სოფლის მეურნეობისგან და ინდუსტრიისგან, მკვეთრად ცვლის ოკეანის ქიმიურ შედგენილობას. ასეთ ცვლილებებს შეიძლება ჰქონდეს დრამატული გავლენა ძალზე მგრძნობიარე ეკოსისტემებზე, როგორიცაა მაგალითად მარჯნის რიფი, რის შემდეგადაც შეუძლებელი გახდება ოკეანეების მიერ ატმოსფერული ნახშირორჟანგის ათვისება და შთანთქმა.
2015 წლის 12 ნოემბერს, NASA- ს მეცნიერებმა განაცხადეს, რომ ადამიანების გამო ატმოსფეროში ნახშირბადის დიოქსიდის დონე კვლავაც იზრდება და მან შესაძლოა მიაღწიოს ისეთ ნიშნულს, რომელიც დედამიწაზე ასობით ათასი წლის განმავლობაში არ ყოფილა. ამჟამად, წიაღისეული საწვავის დაწვის შედეგად გამოთავისუფლებული ნახშირორჟანგის გამოყოფის სიჩქარე, მცენარეებისა და ოკეანეების მიერ შთნთქმის სიჩქარესთან შედარებით ორჯერ მეტია.
ლიტერატურა
(Article about the missing carbon sink.)
Beth N. Orcutt, Isabelle Daniel, Rajdeep Dasgupta (Hrsg.): Deep Carbon – Past to Present. Oxford University Press, 2019, ISBN 978-1-108-67795-0, doi:10.1017/9781108677950 (Open Access, mit einem Schwerpunkt auf der Lithosphäre und die geologische Tiefenzeit, fasst die Ergebnisse des Deep Carbon Observatory zusammen).
David Archer: The Global Carbon Cycle (= Princeton Primers in Climate). Princeton University Press, 2011, ISBN 978-0-691-14413-9 (Einführung).
Praxis der Naturwissenschaften. In: Biologie in der Schule. Heft 3/53, 15. April 2004. Aulis Verlag Deubner, Köln Leipzig.
Одум Ю. Экология: В 2-х т. / пер. с англ. — М.:. Мир, 1986. — Т. 1. — С. 225—229.
Шилов И. А. Экология. — М.: Высшая школа, 1997. — С. 49—50.
Круговорот веществ // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
Энциклопедия живой природы. / Гл. редактор: акад. Чубарьян А. О.. — М.: Экслибрис, 2006. — Т. 5. — С. 10. — 160 с.
Houghton, R. A. (2005). «The contemporary carbon cycle». William H Schlesinger (editor), ed. Biogeochemistry. Amsterdam: Elsevier Science. pp. 473-513. ISBN 0-08-044642-6.
Janzen, H. H. (2004). «Carbon cycling in earth systems—a soil science perspective». Agriculture, Ecosystems & Environment 104 (3): 399-417. doi:10.1016/j.agee.2004.01.040.
Millero, Frank J. (2005). Chemical Oceanography (3 edición). CRC Press. ISBN 0-8493-2280-4.
რესურსები ინტერნეტში
Carbon Cycle Science Program – an interagency partnership.
NOAA's Carbon Cycle Greenhouse Gases Group
Global Carbon Project – initiative of the Earth System Science Partnership
UNEP – The present carbon cycle – Climate Change carbon levels and flows
NASA's Orbiting Carbon Observatory
CarboSchools , a European website with many resources to study carbon cycle in secondary schools.
Carbon and Climate, an educational website with a carbon cycle applet for modeling your own projection.
Klimaerwärmung: Der Ozean und seine Geheimnisse – Magazin für europäische Forschung, #48, Februar 2006
Video- und Multimedia-DVD im Ausleihbestand des Landesmedienzentrums Baden-Württemberg
Informationen zur Video- und Multimedia-DVD auf der Seite des Produzenten
El ciclo del carbono (Naturaleza educativa) Información sobre el ciclo del carbono.
CiclodelCarbono.com Información sobre el ciclo del carbono.
Serie de artículos sobre el ciclo del carbono.
სქოლიო
გეოქიმია
ფოტოსინთეზი
ნახშირბადი
ბიოგეოგრაფია
კლიმატის ცვლილება
გლობალური დათბობა
გლობალური ეკოლოგიური პრობლემები
გარემო
ეკოლოგიური პრობლემები
ეკოლოგია