Ciklus ugljika

mini|desno|400px|**Dijagram kruženje ugljika u geobiosferi**. Crni brojevi pokazuju koliko ugljika ima u odgovarajućim sferama, u milijardama tona (x 109 tona, što se  odnosi na 2004.). Tamno plavi brojevi označavaju koliko  ugljika prelazi iz jednog u drugi rezervoar. Sedimenti ne uključuju oko 70 miliona milijarda (70 x 1016 tona) ugljičnih stijena i kerogena.
[mini|desno|300px|[Šume čuvaju oko 86 % ugljika iznad tla i 73 % ugljika u tlu.]]
[mini|desno|300px|[Fosilna goriva kao što su nafta, ugalj i prirodni plin, oslobađaju ugljik u obliku ugljik-dioksida, koji je bio milionima godina spremljen u geosferi.]]
mini|desno|300px|Okeani su najveći rezervoar ugljika
**Ciklus ugljika** ili **ugljikov ciklus** je biogeokemijski ciklus, u kojem ugljik kruži između biosfere, pedosfere, geosfere, hidrosfere i atmosfere na Zemlji. To je jedan od najvažnijih geobiohemijskih ciklusa na Zemlji koji omogućava da ugljik ponovno iskoriste novi organizmi.

Ovaj  ciklus kruženja materije otkrili su Antoine Lavoisire i Joseph Priestley, a kasnije je razvio Humphry Davy. Ugljikov ciklus uključuje sljedeće glavne rezervoare ugljika:
* Zemljina atmosfera;
*Zemljinu biosferu, koja obično uključuje sisteme slatke vode i nežive organske materijale, kao što je ugljik u tlu;
* okeane sa kontinentalnim morima, uključujući otopljeni anorganski ugljik, kao sve žive i nežive morske organizme;
* sedimente, uključujući fosilna goriva
* Unutrašnjost planete Zemlje, što se odnosi na ugljik koji se nalazi u Zemljinoj kori i plaštu, a ispušta se u atmosferu i hidrosferu preko vulkana i geotermalnih izvora
Godišnje kretanje ugljika ili izmjena između pomenutih rezeorvara, javlja se zbog različitih hemijskih, geoloških i bioloških procesa. Okean jenajveći spremnik ugljika, ali dijelovi u dubokim okeanima ga ne razmjenjuju tako brzo s atmosferom. 
Proračun svjetskog ugljika je ravnoteža izmjena (ulaza i izlaza) ugljika između raznih spremnika. Taj proračun nam govori da li je  neki od njih služi izvor ili taložnik ugljika.

## Ugljik u Zemljinoj atmosferi
U Zemljinoj atmosferi, ugljik prvenstveno postoji kao plin ugljik-dioksid (CO2). Iako ga ima samo mali dio (oko 0,039 %), ima veoma važnu ulogu u održavanju života. Ostali plinovi koji sadrže ugljik su metan i hloroflorougljik (CFC ili freoni – zbog antropogenog uticaja). Stablašice, trave i ostale zelene biljke, pretvaraju ugljik-dioksid u ugljikohidrate, u procesu  fotosinteze, oslobađajući kisik koji odlazi u zrak. Taj proces je prilično obilan u novijim šumama, gdje stabla još uvijek rastu. Kod listopadnih šuma taj proces je najsnažniji i u proljeće, kada šuma lista. To je dobro vidljivo na Keelingovoj krivulji mjerenja koncentracije ugljik-dioksida. Prevladava najviše u proljeće, na Sjevernoj hemisferi, jer južna nema toliko kopna u umjerenom pojasu. 
* Šume čuvaju oko  86 % ugljika iznad tla i 73 % ugljika u tlu.
* Površina okeana, idući prema polovima ima sve više ugljika, jer što je morska voda hladnija, pa može otopiti više ugljik-dioksida iz zraka, pretvarajući je u ugljičnu kiselinu (H2CO3). Značajnu ulogu ima termohalinska pokretna traka, koja premješta gušću površinku vodu u unutrašnjost okeana.
* Gornji slojevi okeana, okarakterizirani su velikom biološkom produktivnošću, organizmi pretvaraju ugljik u organska tkiva ili karbonate za tvrde zaštitne ljušture, kao što su školjke ili puževi. Ugljik se obično taloži prema dnu.
* Razgradnja ugljik-silikatnih stijena. Ugljična kiselina reagira s razgrađenim stijenama i stvara bikarbonatne ione, koje koriste morski organizmi za izgradnju tvrdih zaštitnik ljušturnih oklopa. Ovaj ugljik tu ostaje trajno vezan i ne vraća se u atmosferu.
*U 1958.  Izmjereno je  u zvjezdarnici Mauna Loa, na Havajima, da u atmosferi ima 0,032 % ugljik-dioksida, dok je 2010. bilo 0,0385 %.
Ugljik se oslobađa u atmosferu na nekoliko načina:
* u toku  ćelijskog disanja, biljaka i životinja. To je egzotermna reakcija, koja oslobađa energiju u obliku toplote (kao nusproizvoda), a uključuje ragradnju molekula ugljikohidrata na ugljik-dioksid i vodu;
* raspadanjem životinja i biljaka. Gljive i bakterije su u  ekosistemu reducenti, koji  razlažu ugljikove spojeve mrtvih organizama, pretvarajući ugljik u ugljik-dioksid ili metan;
*izgaranjem organskih tvari, koje oksidiraju ugljik u ugljik-dioksid. Fosilna goriva kao što su nafta, ugalj i prirodni plin, oslobađaju ugljik-dioksid, koji je bio milionima godina zarobljen u geosferi. Oksidacija  biogoriva također  oslobađa ugljik-dioksid, koji je bio spremljen samo određeni broj godina;
* proizvodnjom cementa, kada se zagrijava krečnjak, oslobađa se ugljik-dioksid (CaCO3), da bi se dobio kreč (CaO), kao sastojak cementa; 
* oslobađanjem otopljenog ugljik-dioksida sa površine toplijih okeana, koji se vraća u atmosferu
* rekristalizacijom vulkanskih stijena, kada se oslobađaju plinovi koji odlaze u atmosferu. Vulkanski plinovi su prije svega vodena para, ugljik-dioksid i sumpor-dioksid.

## Ugljik u biosferi
Ugljik je osnovni sastojak žive supstance svih oblika života na Zemlji. Oko 50% suhe težine (bez vode) živih organizama čini ugljik. Ima značajnu ulogu u izgradnji ćelijske membrane, u biohemijskim procesima i ishrani svih živih ćelija. Živi organizmi sadrže oko 575 x 1012 kg ugljika, od čega najviše imaju stablašice. Zemlja ima oko 1 500 x 1012 kg ugljika, uglavnom u obliku organskog ugljika.
* Autotrofi su producenti organske supstance koji stvaraju svoje gradivne strukture, uz potrošnju ugljik-dioksida iz zraka ili iz vode u kojoj žive. Za to im je potrebna  vanjska energija, a to je uglavnom sunčeva svjetlosna energija, koja omogućuje fotosintezu. Vrlo mala grupa autotrofa koristi hemijsku energiju u procesu zvanom hemosinteza. Najvažniji autotrofi su okeanski i morski fitoplanktoni i kopnene stablašice. Fotosinteza se odvija uz hemijsku reakciju: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2
* Iz biosfere,  ugljik se iznosi preko  heterotrofnih organizama, u lancima i mrežama  ishrane, koji se  hrane drugim organizmima ili njihovim dijelovima. To uključuje gljive ili bakterije koje koriste mrtvi materijal, u procesima vrenja, fermentacije  ili raspadanjem. 
* Većina ugljika napušta biosferu preko ćelijskog disanja, pri kojem se oslobađa ugljik-dioksid, prema hemijskoj  reakciji: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O. Drugi oblik je nećelijsko disanje, kojim se oslobada metan u okolinu, atmosferu ili hidrosferu (močvarski plin).
* Izgaranje biomasa (šumski požari, drvo za gorenje) isto oslobađa znatnu količinu ugljiik-dioksida u atmosferu.
* Ugljik može kružiti biosferom kao mrtva tvar (kao treset), koja ostaje u geosferi. Egzoskelet ili kalcij-karbonat iz ljuštura životinja, u procesu sedimentacije, može postati krečnjak. 
*Ugljik kruži i u dubokom okeanu, gdje se određene vrste plaštašaa, koje isto stvaraju tvrdu zaštitu, talože na dnu okeana.

## Ugljik u hidrosferi
Okeani sadrže oko 36.000 x 1012 kg ugljika, uglavnom u obliku bikarbonatnih iona. Ekstremne oluje, kao što su uragani i tajfuni, odnose velike količine ugljika, jer ispiru velike količine sedimenata. Jedna studija u Tajvanu je izvjestila da je jedan tajfun više isprao ugljika u okean, nego kiše koje padaju cijelu godinu. Ti bikarbonatni ioni su vrlo važni za uspostavljanje pH vrijednosti u okeanima. 
Ugljik se stalno razmjenjuje između okeana i atmosfere. U područjima uzlaznih struja, ugljik se oslobađa u atmosferu. Suprotno tome, padavine prenose ugljični dioksid u okeane. Kada se ugljik-dioksid otopi u okeanskoj vodi, slijedi čitav niz hemijskih reakcija, koje su u djelimičnoj ravnoteži:
:Otapanje:
:CO2(atmosferski) ⇌ CO2(otopljen)
Pretvaranje u ugljičnu kiselinu:
:CO2(otopljen) + H2O ⇌ H2CO3
:Prva ionizacija:
:H2CO3 ⇌ H+ + HCO3− (bikarbonatni ion)
:Druga ionizacija:
:HCO3− ⇌ H+ + CO3−− (karbonatni ion)
Ravnoteža tih procesa se utvrđuje mjerenjima, koja su pokazala da je količina otopljenog ugljika u okeanima oko 10 % količine onoga u atmosferi. Ako se količina ugljik-dioksida poveća za 10 % u atmosferi, količina otopljenog ugljika u okeanima se poveća za samo 1 %.
U okeanima, otopljeni karbonati reagiraju  pretežno s kalcijem, stvarajući kruti kalcij-karbonat – krečnjak (CaCO3), ugrađen uglavnom u zaštitne kućice za mikroskopske organizme. Nakon što ti organizmi uginu, krečnjak se taloži na dnu, što ujedno prestavlja najveći rezervoar u cijelom ugljikovom ciklusu.

## Reference 
Kategorija:Ekologija
Kategorija:Neorganska hemija
Kategorija:Hemijski procesi
Kategorija:Hemija tla
Kategorija:Fotosinteza