Chu trình carbon

Chu trình carbon là một chu trình sinh địa hóa học, trong đó carbon được trao đổi giữa sinh quyển, thổ nhưỡng quyển, địa quyển và khí quyển của Trái Đất. Nó là một trong các chu trình quan trọng nhất của Trái Đất và cho phép carbon được tái chế và tái sử dụng trong khắp sinh quyển và bởi tất cả các sinh vật của nó.
Chu trình carbon khởi thủy được Joseph Priestley và Antoine Lavoisier phát hiện ra và được Humphry Davy phổ biến. Hiện nay nó thường được coi như là bao gồm các nguồn chứa chính sau đây của carbon, được liên kết với nhau bởi các con đường trao đổi:
Sự di chuyển hàng năm của carbon, hay sự trao đổi carbon giữa các nguồn chứa, xảy ra là do các quá trình hóa học, vật lý, địa chất và sinh học khác nhau. Đại dương chứa vũng hoạt hóa lớn nhất của carbon gần bề mặt Trái Đất, nhưng phần đại dương sâu của vũng này lại không trao đổi nhanh với khí quyển vì thiếu ảnh hưởng và tác động từ bên ngoài, chẳng hạn như miệng phun thủy nhiệt hay rò rỉ giếng dầu vùng nước sâu không bị kiềm chế.
Quỹ carbon toàn cầu là sự cân bằng của các trao đổi (thu nhận và giải phóng hay đến và đi) của carbon giữa các nguồn chứa carbon hay giữa một vòng trao đổi cụ thể (chẳng hạn như giữa khí quyển với sinh quyển) trong chu trình carbon. Sự thẩm tra quỹ carbon của một vũng hay một nguồn chứa có thể cung cấp thông tin về việc vũng hay nguồn chứa này đang vận hành như là một nguồn giải phóng hay nguồn thu giữ carbon dioxide.
Trong khí quyển.
Carbon tồn tại trong khí quyển Trái Đất chủ yếu dưới dạng khí carbon dioxide (CO2). Mặc dù chỉ chiếm một tỷ lệ phần trăm nhỏ trong khí quyển (khoảng 0,03% tính theo mol), nhưng nó lại có vai trò thiết yếu trong việc hỗ trợ sự sống. Các khí khác chứa carbon có trong khí quyển là methan và các chlorofluorocarbon (các loại khí thứ hai này có nguồn gốc hoàn toàn nhân tạo). Cây cối và các loại thực vật xanh khác như cỏ chuyển hóa carbon dioxide thành các carbohydrat thông qua quang hợp, giải phóng oxy trong quá trình này. Quá trình này là mạnh nhất trong các khu rừng tương đối mới, nơi sự phát triển của cây cối là nhanh hơn cả. Tác động là mạnh nhất trong các khu rừng lá sớm rụng vào giai đoạn ra lá trong mùa xuân. Điều này có thể thấy được như là tín hiệu hàng năm trong đường cong Keeling của hàm lượng CO2 đã đo đạc được kể từ năm 1958 tới nay. Sự giảm xuống hàng năm của hàm lượng carbon dioxide tại Bắc bán cầu trong mùa xuân là chi phối, do tại đây có nhiều đất đai hơn trong các vĩ độ ôn đới so với ở Nam bán cầu.
Carbon được giải phóng vào khí quyển theo vài cách:
Trong sinh quyển.
Carbon là thành phần thiết yếu của sự sống trên Trái Đất. Khoảng một nửa trọng lượng khô của phần lớn các sinh vật là carbon. Nó có vai trò quan trọng trong kết cấu, hóa sinh học và dinh dưỡng của mọi tế bào. Các sinh khối giữ khoảng 575 tỉ tấn carbon, phần lớn trong số này dưới dạng gỗ. Đất giữ khoảng 1.500 tỉ tấn, chủ yếu dưới dạng carbon hữu cơ, và có lẽ với khoảng một phần ba của nó là các dạng carbon vô cơ, như carbonat calci.
Carbon lưu giữ trong sinh quyển chịu ảnh hưởng của một số quá trình ở các thang thời gian khác nhau. Trong khi sản xuất chủ đạo ròng tuân theo chu kỳ hàng ngày và chu kỳ mùa, carbon có thể được lưu giũ tới vài trăm năm trong cây gỗ và tới hàng nghìn năm trong đất. Các thay đổi trong các vũng carbon dài hạn này (như chặt phá hay trồng rừng hoặc thông qua các thay đổi có liên quan tới nhiệt độ trong sự hô hấp của đất) có thể ảnh hưởng tới sự thay đổi khí hậu toàn cầu.
Trong thủy quyển.
Các đại dương chứa khoảng 36.000 tỉ tấn carbon, chủ yếu dưới dạng ion bicarbonat (trên 90%, với phần còn lại là carbonat). Các trận bão tố lớn vùi lấp một lượng lớn carbon, do chúng cuốn trôi nhiều trầm tích. Chẳng hạn, một tổ nghiên cứu từ Đại học bang Ohio đã thông báo trong số phát hành tháng 7 năm 2008 của tạp chí "Geology" rằng chỉ một trận bão tại Đài Loan đã vùi lấp một lượng carbon trong lòng đại dương dưới dạng trầm tích cũng nhiều bằng lượng carbon bị vùi lấp do toàn bộ các trận mưa trong cả một năm tại vùng đất này cộng lại. Carbon vô cơ (các hợp chất carbon không chứa liên kết carbon-carbon hay carbon-hydro), là quan trọng trong các phản ứng của chúng với nước. Sự trao đổi carbon này là quan trọng trong việc kiểm soát độ pH trong lòng đại dương và cũng có thể thay đổi như là nguồn cung cấp hay thu carbon. Carbon cũng sẵn sàng trao đổi giữa khí quyển và đại dương. Trong khu vực có sóng cuộn từ dưới lên của đại dương, carbon được giải phóng vào khí quyển. Ngược lại, tại các khu vực sóng cuộn từ bề mặt xuống sâu thì carbon dưới dạng CO2 lại từ không khí chuyển vào lòng đại dương. Khi CO2 chuyển vào lòng đại dương, nó tham gia vào một loạt các phản ứng, được cân bằng ở quy mô cục bộ:
Hòa tan:
Chuyển hóa thành acid carbonic:
Ion hóa bậc nhất:
Ion hóa bậc hai:
Mỗi phản ứng trong chuỗi các phản ứng hóa học này đều có hệ số cân bằng riêng của chính mình, xác định dạng mà carbon vô cơ chiếm giữ trong lòng đại dương. Các hệ số này, từng được xác định theo công thức kinh nghiệm cho nước biển, là các hàm số phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và sự tồn tại của các ion khác (đặc biệt là ion borat). Trong lòng đại dương, các cân bằng nghiêng về phía ion bicarbonat. Do ion này là bước thứ ba trong quá trình loại CO2 từ khí quyển, nên mức độ lưu giữ carbon vô cơ trong lòng đại dương không tỷ lệ thuận với áp suất thành phần của CO2 trong khí quyển. Hệ số đối với đại dương là khoảng 10, nghĩa là khi CO2 trong khí quyển tăng (giảm) 10% thì cân bằng lưu giữ trong đại dương chỉ tăng (giảm) khoảng 1%, với hệ số chính xác phụ thuộc vào các điều kiện tại khu vực đo đạc. Hệ số đệm này thường được gọi là "hệ số Revelle", đặt theo tên nhà khoa học Roger Revelle.
Trong lòng đại dương, carbonat hòa tan có thể kết hợp với calci hòa tan để kết tủa dưới dạng carbonat calci (CaCO3) rắn, chủ yếu dưới dạng mai hay vỏ của các vi sinh vật. Khi các sinh vật này chết đi, lớp vỏ của chúng trầm lắng xuống và tích tụ trên đáy biển. Theo thời gian, các trầm tích carbonat này tạo thành đá vôi, nguồn chứa carbon lớn nhất trong chu trình carbon. Calci hòa tan trong đại dương đến từ phong hóa hóa học của các loại khoáng vật silicat, trong đó acid carbonic và các acid khác có trong nước ngầm phản ứng với các khoáng vật chứa calci, giải phóng ra các ion calci tự do vào trong dung dịch và để lại phần bã của các khoáng vật sét giàu nhôm mới được hình thành cùng các khoáng chất không hòa tan, như thạch anh.
Luồng hấp thụ carbon dioxide vào trong lòng đại dương chịu ảnh hưởng bởi sự có mặt của các virus phổ biến rộng trong nước biển, gây nhiễm trùng cho nhiều loài vi khuẩn. Sự chết đi hàng loạt của vi khuẩn dẫn tới kết quả là làm gia tăng sự hô hấp carbon dioxide tại bề mặt tiếp giáp của khí quyển và đại dương, góp phần làm tăng vai trò của đại dương như là nguồn hấp thụ carbon.