چرخه کربن

چرخهٔ کربن چرخه‌ای بیوژئوشیمی است که فرایند مداوم ترکیب و آزادسازی کربن و اکسیژن را در میان زیست‌کره، خاک‌کره، آب‌کره، خاک‌سپهر و جو زمین توصیف می‌کند و در آن انرژی و حرارت ذخیره و دفع می‌گردد. همراه با چرخهٔ نیتروژن و چرخهٔ آب، چرخهٔ کربن نیز شامل دنباله‌ای از رویدادها است که باعث برقراری زندگی روی زمین می‌شود. چرخهٔ کربن نقش بسیار مهمی بر اثر گلخانه‌ای و گرم‌شدن زمین دارد، از این‌رو آگاهی یافتن از عملکرد آن، دخالت انسان در آب و هوا را ممکن ساخته و برای اندازه‌گیری تأثیر آن و یافتن پاسخی مناسب برای آیندهٔ زمین امری کلیدی به‌شمار می‌رود.
کربن در طی چرخه‌اش به دو بخش سریع (کوتاه‌مدت) و کند (درازمدت) تقسیم می‌شود. چرخهٔ سریع کربن می‌تواند چند دقیقه تا چند سال را برگیرد؛ در مقابل آن چرخه کند کربن بازهٔ زمانی طولانی‌تری، چندین میلیون سال را دربردارد. تفاوت اصلی بین چرخه‌های کند و سریع کربن در نوع ذخیره‌سازی و مدت‌زمان آن است. چرخهٔ کربن برای اولین بار توسط جوزف پریستلی شیمیدان انگلیسی و آنتوان لاووازیه دانشمند فرانسوی کشف و توسط هامفری دیوی به عموم شناسانده شد.
از آغاز انقلاب صنعتی تاکنون، فعالیت‌های انسان چرخهٔ کربن را به‌طور مستقیم با اضافه‌کردن کربن به جو زمین تغییر بسیاری داده‌است. استفاده از سوخت‌های سنگواره‌ای، جنگل‌زدایی، تغییر پوشش زمین، آلودگی هوا و خسارت‌های گیاهی جزئی از این تغییرات هستند که تأثیر زیادی روی این چرخه گذاشته‌اند. غلظت کربن دی‌اکسید در جو زمین از سال ۲۰۰۰ تا ۲۰۰۹ به‌طور سالانه ۲ پی‌پی‌ام در حال افزایش بود و از تاریخ اکتبر ۲۰۱۲ به ۳۹۱ پی‌پی‌ام رسیده‌است. با توجه به نمودارهای سنجش، این غلظت پیش از انقلاب صنعتی کمتر از ۲۸۰ پی‌پی‌ام بود. سازمان جهانی دیده‌بان جو در سال ۱۹۶۰ میلادی سازمان جهانی دیده‌بان جو به منظور همین نگرانی‌ها و کنترل جو زمین با هدف «مشاهدهٔ ترکیبات شیمیایی و خصوصیات فیزیکی جو زمین در مقیاس‌های جهانی و منطقه‌ای» تأسیس گردید که توسط سازمان جهانی هواشناسی و سازمان ملل متحد برنامه‌ریزی و پشتیبانی می‌شود.
کربن دی‌اکسید در فتوسنتز مورد استفاده قرار می‌گیرد و نیز یک گاز گلخانه‌ای برجسته است. با وجود غلظت نسبتاً کوچکش نسبت به دیگر گازها در اتمسفر بخش مهمی از جو زمین است که اشعه مادون قرمز را در طول موج ۴٫۲۶ میکرومتر و ۱۴٫۹۹ میکرومتر جذب و ساطع می‌کند، در نتیجه نقش مهمی در اثر گلخانه‌ای دارد. سطح فعلی این گاز در اتمسفر بالاتر از هر سطح دیگری در طول تاریخ نسبت به ۸۰۰ هزارسال گذشته یا احتمالاً حتی ۲۰ میلیون سال گذشته رسیده‌است.

ارتباط با آب‌وهوای جهان

«سامانهٔ» زمین به عنوان یک سامانهٔ بسته در نظر گرفته می‌شود از این‌رو تأمین کربن توسط روش‌هایی چون شهاب سنگ‌ها یا فرایندهای شیمیایی هسته‌ای از طریق پرواز فضایی مورد توجه قرار نمی‌گیرد. در سطح کلان از این سامانه تمامی محتوای کربن ثابت است و هر یک از چهار زیرسامانه مشخصه‌های گوناگونی با توجه به ظرفیت ذخیره‌سازی، مدت‌زمان، جریان ورودی و جریان خروجی را دارا می‌باشند. مولکول‌های مبتنی بر کربن جزئی اصلی از ترکیبات بیولوژیکی محسوب می‌شوند و برای زندگی روی زمین بسیار مهم هستند. کربن همچنین یکی از اجزاء مهم بسیاری از مواد معدنی است و در اشکال مختلف در جو وجود دارد. دی اکسید کربن تا حدی مسئول اثر گلخانه‌ای و گاز گلخانه‌ای نیز می‌باشد.
فعالیت‌های انسانی در دو قرن گذشته به‌طور جدی باعث تغییر چرخهٔ جهانی کربن، به ویژه در جو گردیده‌است. اگرچه سطح کربن دی‌اکسید به‌طور طبیعی در طول چند هزار سال گذشته تغییر کرده‌است اما فعالیت‌های انسان برای تولید گازهای گلخانه‌ای و کربن دی‌اکسید در اتمسفر بیش از نوسانات طبیعی است. تغییرات در میزان کربن دی‌اکسید موجود در اتمسفر به‌طور قابل ملاحظه‌ای باعث تغییر الگوهای آب‌وهوایی و به‌طور غیر مستقیم اقیانوس‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد. سطح کنونی دی‌اکسید کربن در جو، از اندازه‌گیری‌های ۴۲۰٫۰۰۰ سال پیش فراتر رفته‌است و این سطوح به سرعت در حال افزایش هستند که این امر نشان‌دهندهٔ اهمیت دانستن طرز کار چرخهٔ کربن و اثرات آن بر روی آب و هوای زمین است.

آب‌کره و اقیانوس‌ها

تمام آب‌ها، کلاهکهای یخی و یخچال‌های طبیعی به آب‌کره یا هیدروسفر تعلق می‌گیرند. اقیانوس‌ها شامل حدود ۳۶٫۰۰۰ گیگاتن کربن می‌باشند که ۹۰٪ آن در شکل ین بی‌کربنات و مابقی به صورت کربنات یافت می‌شوند. این مقدار فقط ۰٫۰۴۵٪از کربن موجود در جهان است. کربن دی‌اکسید به دام افتاده در یخ در پروسهٔ سریع تبادل با اتمسفر شرکت ندارد. اقیانوس‌ها حاوی فعال‌ترین کربن در جهان هستند و حدود ۳۶٫۰۰۰ گیگاتن کربن را بیشتر به شکل ین بی‌کربنات در خود جای‌داده‌اند. لایه‌های سطحی اقیانوس‌ها دارای مقادیر زیادی از کربن آلی محلول است که به سرعت با جو رد و بدل می‌شوند. غلظت لایه‌های کربن حل‌شده معدنی (دی‌آی‌سی) در عمق حدود ۱۵ درصد بیشتر از لایه سطحی است. دی‌آی‌سی در لایه‌های عمیق در دوره‌های زمانی طولانی‌تری ذخیره می‌شود. کربن از طریق گردش دماشوری در بین این دو لایه رد و بدل می‌شود.
راه‌های ورود کربن به اقیانوس‌ها عمدتاً انحلال کربن دی‌اکسید موجود در جو و تبدیل‌شدن به کربنات یا از طریق رودخانه‌ها به شکل کربن آلی محلول می‌باشد. کربن توسط موجودات زنده از طریق فتوسنتز به کربن آلی تبدیل می‌شود و می‌تواند در سراسر زنجیرهٔ مواد غذایی رد و بدل یا در اعماق اقیانوس رسوب‌شده و به لایه‌های غنی کربن به عنوان کربنات کلسیم رسوب بپیوندد. در این لایه برای دوره‌های بلند مدّت باقی می‌ماند و در نهایت یا به عنوان رسوبات باقی‌می‌ماند یا به آب‌های سطحی از طریق گردش دماشوری بازمی‌گردد. 
جذب اقیانوسی کربن دی‌اکسید یکی از مهم‌ترین انواع سلب کربن برای محدود کردن افزایش دی‌اکسید کربن توسط انسان در جو است. با این حال، این فرایند توسط تعدادی از عوامل خاص محدود شده‌است. از آنجا که نرخ انحلال کربن دی‌اکسید در اقیانوس به فرسایش سنگ‌ها در اثر هوا وابسته است و این فرایند آهسته‌تر از نرخ فعلی انتشار گازهای گلخانه‌ای توسط انسان طول می‌کشد، جذب کربن دی‌اکسید در اقیانوس در آینده کاهش می‌یابد. جذب کربن دی‌اکسید همچنین باعث اسیدی‌تر شدن آب می‌شود که بیوسیستم‌های اقیانوس را تحت تأثیر قرار می‌دهد. نرخ پیش‌بینی شدهٔ افزایش اسیدیتهٔ اقیانوسی ممکن است ته‌نشینی بیولوژیکی کلسیم کربنات را آهسته‌تر کند، که نتیجهٔ آن کاهش ظرفیت اقیانوس برای جذب کربن دی‌اکسید است.

تأثیرات بشری

از آغاز انقلاب صنعتی تاکنون، فعالیت‌های انسانی چرخهٔ کربن را با تغییر توابع آن به‌طور مستقیم با اضافه کردن کربن به اتمسفر تغییرداده‌است. بزرگ‌ترین و مستقیم‌ترین نفوذ انسان در چرخهٔ کربن استفادهٔ مستقیم از سوخت‌های سنگواره‌ای است که کربن به صورت مستقیم از خاک کره به جو زمین انتقال می‌یابد. انسان‌ها همچنین چرخهٔ کربن را به‌طور غیرمستقیم با تغییر بیوسفر زمینی و اقیانوسی تحت تأثیر قرار می‌دهند.
در طول چند سدهٔ گذشته، استفادهٔ انسان از زمین و تغییر پوشش آن منجر به از دست رفتن تنوع زیستی گردیده‌است؛ این کار به تنش‌های زیست‌محیطی تبدیل شده و کاهش انعطاف‌پذیری و توانایی اکوسیستم‌ها را برای دفع کربن از جو زمین به دنبال دارد. جنگل‌ها مقدار زیادی از کربن را گرفته و آن را تبدیل می‌کنند، اما جنگل‌زدایی برای مصارف کشاورزی این روند را دچار اختلال می‌کند. پوشش‌های جدید و بدون درخت مقادیر کمی از کربن را ذخیره می‌کنند که نتیجهٔ نهایی آن ذخیرهٔ بیشتر کربن در جو می‌باشد.
تغییرات انسان همانند آلودگی هوا، خسارت به گیاهان و خاک، شستن کربن از خاک و دیگر تغییرات زیست‌محیطی، بهره‌وری اکوسیستم‌ها و توانایی آن‌ها برای حذف کربن از اتمسفر را تحت تأثیر قرار می‌دهد. دمای بالا و سطح کربن دی‌اکسید در جو باعث افزایش میزان تجزیه در خاک می‌شود و نتیجهٔ آن بازگشت سریع‌تر کربن دی‌اکسید ذخیره شده در مواد گیاهی به اتمسفر است. افزایش سطح کربن دی‌اکسید در جو همچنین منجر به افزایش نرخ فتوسنتز می‌شود زیرا گیاهان دیگر نیاز به بازنگه‌داشتن روزنهٔ هوایی‌شان برای مدّت طولانی ندارند تا کربن دی‌اکسید بیشتری را جذب کنند و نتیجهٔ آن استفادهٔ بیشتر از آب است.
انسان بر چرخهٔ اقیانوسی کربن نیز تأثیر می‌گذارد؛ روند جاری در تغییرات آب و هوایی منجر به دمای بالاتر اقیانوس‌ها شده، در نتیجه تغییرات اکوسیستمی به‌عمل می‌آید. همچنین باران اسیدی و روان‌آب‌های آلودهٔ کشاورزی و صنعتی باعث تغییر چشمگیری در ترکیب شیمیایی اقیانوس می‌شوند. چنین تغییراتی تأثیرات چشمگیری در اکوسیستم‌های حساس همانند آب‌سنگ‌های مرجانی دارند و توانایی اقیانوس‌ها در جذب کربن از جو را در مقیاس منطقه‌ای محدود می‌کنند که کاهش تنوع زیستی اقیانوسی در سطح جهان را به دنبال دارد.