कार्बन चक्र
कार्बन चक्र जैव-भूरासायनिक चक्र है जिसके द्वारा कार्बन का जीवमंडल, मृदामंडल, भूमंडल, जलमंडल और पृथ्वी के वायुमंडल के साथ विनिमय होता है। यह पृथ्वी के सबसे महत्वपूर्ण चक्रों में एक है और जीवमंडल तथा उसके समस्त जीवों के साथ कार्बन के पुनर्नवीनीकरण और पुनरुपयोग को अनुमत करता है.
कार्बन चक्र की खोज प्रारंभिक रूप से जोसेफ़ प्रिस्टली और एंटोनी लावाइसियर ने की और हमफ़्री डेवी ने इसे प्रतिपादित किया। अब इसे आम तौर पर विनिमय मार्गों द्वारा जुड़े पांच प्रमुख कार्बन भंडार के रूप में माना गया है। ये भंडार हैं:
कार्बन के वार्षिक संचलन, भंडारों के बीच कार्बन विनिमय, विभिन्न रासायनिक, भौतिक, भूवैज्ञानिक और जैविक प्रक्रियाओं की वजह से होते हैं। पृथ्वी की सतह के निकट समुद्र के पास कार्बन का सबसे बड़ा सक्रिय कुंड है, लेकिन इस कुंड का गहरा सागर वाला अंश वायुमंडल के साथ तेजी से विनिमय नहीं करता है।
वैश्विक कार्बन बजट कार्बन भंडारों के बीच या कार्बन चक्र के एक विशिष्ट चक्र (उदा., वायुमंडल ↔ जीवमंडल) के बीच कार्बन के विनिमय का संतुलन (आय और नुक्सान) है। एक कुंड या भंडार के कार्बन बजट का परीक्षण यह जानकारी उपलब्ध करा सकता है कि कुंड या भंडार कार्बन डाइऑक्साइड के स्रोत के रूप में काम कर रहा है या विलय गर्त के रूप में.
पृथ्वी के वायुमंडल में कार्बन मुख्य रूप से गैसीय कार्बन डाइऑक्साइड (CO) के रूप में मौजूद है। हालांकि यह वायुमंडल का छोटा प्रतिशत है (ग्रामाणु आधार पर लगभग 0.04%), यह जीवन के समर्थन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। वायुमंडल में मौजूद कार्बन युक्त अन्य गैसें हैं मीथेन और क्लोरोफ़्लोरोकार्बन (परवर्ती संपूर्णतः मानवोद्भविक है). वृक्ष प्रकाश संश्लेषण के दौरान, प्रक्रिया में ऑक्सीजन को छोड़ते हुए, कार्बन डाइऑक्साइड को कार्बोहाइड्रेट में बदलते हैं। यह प्रक्रिया अपेक्षाकृत नए जंगलों में अधिक होता है, जहां वृक्षों का विकास और भी तेजी से होता है। इसका प्रभाव वसंत के दौरान पत्ते निकलते समय पर्णपाती जंगलों में ज़्यादा रहता है। यह मापे गए CO सांद्रता के कीलिंग वक्र में वार्षिक संकेत के रूप में सुस्पष्ट है। उत्तरी गोलार्द्ध वसंत प्रबल रहता है, चूंकि वहां शीतोष्ण अक्षांश पर दक्षिणी गोलार्द्ध की तुलना में काफ़ी ज़्यादा भूमि है।
वायुमंडल में कार्बन कई तरीक़ों से छोड़ा जा सकता है:
लगभग 42,000 गिगाटन कार्बन जीवमंडल में मौजूद है। कार्बन पृथ्वी पर जीवन का एक अनिवार्य हिस्सा है। यह सभी जीवित कोशिकाओं की संरचना, जैव-रसायन और पोषण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।  अन्यथा, अनाक्सीय श्वसन होता है और आस-पास के परिवेश में मीथेन छोड़ता है, जो अंततः वायुमंडल या जलमंडल में अपनी राह बनाता है (उदा., कच्छ गैस या उदर-वायु के रूप में). जीवमंडल में कार्बन का भंडारण विभिन्न काल-मानों में असंख्य प्रक्रियाओं द्वारा प्रभावित होता है: जबकि शुद्ध प्राथमिक उत्पादकता दैनिक और मौसमी चक्र का अनुसरण करती है, कार्बन वृक्षों पर सैकड़ों वर्ष और मिट्टी में हज़ारों वर्षों तक संग्रहित किया जा सकता है। इस प्रकार उन दीर्घकालिक कार्बन कुंडों में परिवर्तन (उदा. वनरोपण या वनों की कटाई के ज़रिए अथवा मृदा श्वसन में तापमान-संबंधी परिवर्तनों के माध्यम से) वैश्विक जलवायु परिवर्तन को प्रभावित कर सकता है।
सागर में लगभग 36,000 गिगाटन कार्बन मौजूद है, जिसमें अधिकांश बाइकार्बोनेट आयन के रूप में है (लगभग 90%, जिसमें बाक़ी कार्बोनेट है) हरीकेन और टाइफ़ून जैसे प्रचंड तूफ़ान बहुत ज़्यादा कार्बन दफ़नाते हैं, क्योंकि वे इतना ज़्यादा अवसाद दूर धो डालते हैं। उदाहरण के लिए, जियॉलोजी पत्रिका के जुलाई 2008 के अंक में एक दल ने रिपोर्ट किया कि ताइवान में एक अकेला टाइफ़ून सागर में-अवसाद के रूप में-इतना ज्यादा कार्बन दफ़नाता है, जितना पूरे वर्ष उस देश की सभी अन्य बारिशें. अकार्बनिक कार्बन, यानी कार्बन-कार्बन या कार्बन-हाइड्रोजन बांड रहित कार्बन यौगिक, जल के अंदर अपनी प्रतिक्रियाओं में महत्वपूर्ण हैं। यह कार्बन विनिमय सागर के pH को नियंत्रित करने के लिए महत्वपूर्ण हो जाता है और कार्बन के स्रोत या विलय के रूप में अलग भी हो सकता है। कार्बन का वायुमंडल और सागर के बीच आसानी से विनिमय होता है। समुद्री ऊर्ध्व-प्रवाही क्षेत्रों में, कार्बन वायुमंडल में विमोचित होता है। इसके विपरीत, अधो-प्रवाही क्षेत्रों में कार्बन (CO ) का अंतरण वायुमंडल से समुद्र की ओर होता है। जब CO समुद्र में प्रवेश करता है, वह सिलसिलेवार प्रतिक्रियाओं में भाग लेता है, जो स्थानीय रूप से संतुलन में हैं:
समाधान:
कार्बोनिक अम्ल में रूपांतरण:
प्रथम आयनीकरण:
द्वितीय आयनीकरण:
प्रतिक्रियाओं का यह सेट, जिसमें प्रत्येक का अपना संतुलन गुणांक है, महासागरों में अकार्बनिक कार्बन के स्वरूप को निर्धारित करता है. समुद्री जल के लिए प्रयोगाश्रित रूप से निर्धारित गुणांक, स्वयं तापमान, दबाव और अन्य आयनों की मौजूदगी (विशेषकर बोरेट) के लिए प्रकार्य हैं। महासागर में संतुलन प्रभावशाली रूप से बाइकार्बोनेट का पक्ष लेते हैं। चूंकि यह आयन वायुमंडलीय CO से तीन चरण दूर है, समुद्र में अकार्बनिक कार्बन का भंडारण स्तर, CO के वायुमंडलीय आंशिक दबाव के प्रति इकाई का अनुपात नहीं है। समुद्र के लिए कारक है दस: अर्थात् वायुमंडलीय CO में 10% वृद्धि के प्रति, समुद्री भंडारण (संतुलन में) वृद्धि लगभग 1% होती है, जहां वास्तविक घटक स्थानीय परिस्थितियों पर निर्भर हैं। इस मध्यवर्ती कारक को अक्सर रोजर रेवेल के नाम पर "रेवेल फैक्टर" कहा जाता है।
महासागरों में द्रवीभूत कार्बोनेट, विशेषकर सूक्ष्म जीवों के खोल के रूप में, ठोस कैल्शियम कार्बोनेट, CaCO, अवक्षेपित करने के लिए द्रवीभूत कैल्शियम के साथ संयोजित होता है। जब ये जीव मर जाते हैं, उनके खोल डूब जाते हैं और सागर तल पर जमा हो जाते हैं। समय के साथ ये कार्बोनेट अवसाद चूना पत्थर बनाते हैं, जो कार्बन चक्र में कार्बन का सबसे बड़ा भंडार है। महासागरों में द्रवीभूत कैल्शियम, कैल्शियम-सिलिकेट चट्टानों के रासायनिक अपक्षय से आता है, जिस समय भू-जल में कार्बोनिक और अन्य अम्ल, कैल्शियम वाले खनिजों के साथ प्रतिक्रिया करते हुए घोल में कैल्शियम आयन विमोचित करते हैं और नई एल्यूमिनियम से समृद्ध चिकनी खनिज मिट्टी और स्फटिक जैसे अविलेय खनिज पदार्थ के अवशेष पीछे छोड़ जाते हैं।