الكربون هو العمود الفقري الكيميائي لجميع أشكال الحياة على الأرض ورابع أكثر العناصر وفرة في الكون.
تنظم مركبات الكربون درجة حرارة الأرض، وهي الغذاء الذي يحافظ علينا، وتوفر الطاقة التي تغذي اقتصادنا العالمي.
ما هي دورة الكربون؟
تصف دورة الكربون العملية التي تنتقل من خلالها ذرات الكربون باستمرار من الغلاف الجوي للأرض إلى الغلاف الجوي للأرض والعودة إلى الغلاف الجوي. ولأن كوكبنا وغلافه الجوي يشكلان بيئة مغلقة، فإن كمية الكربون في هذا النظام لا تتغير. أينما يوجد الكربون – في الغلاف الجوي أو على الأرض – فهو في حالة تغير مستمر.
تبدأ حركة الكربون من الغلاف الجوي إلى الغلاف الصخري (الصخور) بالمطر. يتحد الكربون الموجود في الغلاف الجوي مع الماء ليشكل حمضًا ضعيفًا – حمض الكربونيك – الذي يسقط على السطح عند هطول الأمطار، ثم يذوب الحمض في الصخور ويطلق أيونات الكالسيوم أو المغنسيوم أو البوتاسيوم أو الصوديوم. الأنهار تحمل الأيونات إلى المحيط.
تخزين الكربون وتبادله
يتم تخزين معظم الكربون الموجود على الأرض – حوالي 65.5 تريليون طن – في الصخور والرواسب، بينما يتم تخزين الباقي في المحيطات والغلاف الجوي والكائنات الحية، والتي تعمل كخزانات أو أحواض يتم من خلالها إعادة تدوير الكربون. وفي حالة المحيطات، يلعب المحيط دورًا مهمًا في تخزين الكربون، حيث يحتوي على كربون أكثر بـ 50 مرة من الغلاف الجوي. يمكن أن يحدث هذا التبادل الثنائي للكربون بسرعة بين المياه السطحية للمحيطات والغلاف الجوي، ولكن يمكن تخزين الكربون لعدة قرون في أعماق المحيطات.
دورة الكربون على الأرض
يوجد الكربون في الغلاف الجوي على شكل ثاني أكسيد الكربون ويدخل الغلاف الجوي أيضًا من خلال العمليات الطبيعية مثل التنفس والتطبيقات الصناعية مثل حرق الوقود الأحفوري. تتضمن عملية التمثيل الضوئي أن تأخذ النباتات ثاني أكسيد الكربون لإنتاج الكربوهيدرات.
دورة الكربون في المحيطات
إنها في الأساس دورة كربون، ولكنها تحدث في البحر. ومن الناحية البيئية، تمتص المحيطات كمية من الكربون أكبر مما تنبعث منه. ولهذا السبب يطلق عليه “بالوعة الكربون”. تقوم الحيوانات البحرية بتحويل الكربون إلى كربونات الكالسيوم، وهي المادة الخام اللازمة لصنع الأصداف الصلبة، المشابهة لتلك الموجودة في المحار.
عندما تموت الكائنات الحية التي تحتوي على كربونات الكالسيوم، تتحلل أجسامها، تاركة وراءها قشورها الصلبة. تتراكم هذه الصخور في قاع البحر وتتفكك في النهاية بواسطة الأمواج ويتم ضغطها تحت ضغط هائل لتشكل الحجر الجيري.
لذلك، عندما تتعرض صخور الحجر الجيري للهواء، فإنها تتعرض للتجوية وينطلق الكربون في الغلاف الجوي على شكل ثاني أكسيد الكربون.
ما هي أنواع دورة الكربون؟
يمكن تصنيف دورة الكربون إلى نوعين بناءً على مدة العملية:
أ- قصير المدى: يحدث هذا النوع خلال فترة زمنية قصيرة نسبياً، وسمي بهذا الاسم لأنه يستغرق أياماً أو شهوراً أو سنوات حتى يتدفق الكربون عبر تجمعات الكربون المختلفة. في المتوسط، فإنه يزيح حوالي 1016 إلى 1017 جرامًا من الكربون سنويًا.
ب – المدى الطويل : يستغرق حدوث هذا النوع آلاف السنين . يتم تخزين الكربون الزائد الناتج عن الدورة قصيرة المدى قبل وقت طويل من إطلاقه؛ ويستغرق الكربون ما بين 100 و200 مليون سنة للانتقال بين الصخور والتربة والمحيطات والغلاف الجوي كجزء من دورة الكربون البطيئة، من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية والأنشطة التكتونية. في المتوسط، يمر حوالي 1013 إلى 1014 جرامًا (10 إلى 100 مليون طن متري) من الكربون عبر دورة الكربون البطيئة كل عام، مقارنة بالانبعاثات البشرية للكربون في الغلاف الجوي بحوالي 1051 جرامًا. وتعيد الدورة البطيئة الكربون إلى الغلاف الجوي عن طريق البراكين، التي تطلق ما بين 130 و380 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون سنويًا.
مراحل دورة الكربون
فيما يلي الخطوات الرئيسية المتبعة في عملية دورة الكربون:
1- تمتص النباتات الكربون من الجو لتقوم بعملية التمثيل الضوئي.
2- تستهلك الحيوانات هذه النباتات وتقوم بتراكم الكربون في أجسامها.
3- تموت هذه الحيوانات والنباتات في النهاية، وعندما تتحلل ينطلق الكربون إلى الغلاف الجوي.
4- بعض الكربون الذي لا ينطلق في الغلاف الجوي ينتهي به الأمر إلى أن يتحول إلى وقود أحفوري.
5. يتم بعد ذلك استخدام هذا الوقود الأحفوري في الأنشطة التي من صنع الإنسان، مما يؤدي إلى إطلاق المزيد من الكربون في الغلاف الجوي.
أهمية دورة الكربون
تعد دورة الكربون جانبًا مهمًا لبقاء جميع أشكال الحياة على الأرض.
أ- من الناحية البيئية، يوفر الكربون العزل عن طريق حبس (عزل) الحرارة عن الشمس؛ على الرغم من وجود ثاني أكسيد الكربون بكميات ضئيلة في الغلاف الجوي، إلا أنه يلعب دورًا حيويًا في موازنة الطاقة وحبس الإشعاع الشمسي طويل الموجة. ولذلك فهو بمثابة بطانية فوق الكوكب. وإذا تعطلت دورة الكربون، فسيؤدي ذلك إلى عواقب كارثية مثل تغير المناخ والاحتباس الحراري.
ب- من الناحية البيولوجية، يعتبر الكربون حجر الزاوية في الحياة ويشكل روابط مستقرة مع العناصر الأخرى الضرورية للحياة. وهو جزء لا يتجزأ من كل أشكال الحياة على الأرض، من البروتينات والدهون إلى حمضنا النووي. وهكذا فإن دورة الكربون، إلى جانب دورة النيتروجين ودورة الأكسجين، تلعب دورًا أساسيًا في وجود الحياة على الأرض.
دور الإنسان في دورة الكربون
يلعب البشر دورًا رئيسيًا في دورة الكربون. ينبعث البشر نحو 30 مليار طن من ثاني أكسيد الكربون سنويا – أي ما يعادل 100 إلى 300 مرة أكثر من البراكين – من خلال أنشطة مثل حرق الوقود الأحفوري. ونتيجة لذلك، فإن كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي تتزايد بسرعة؛ مقارنة بما كانت عليه قبل 3.6 مليون سنة.
تؤدي التغيرات التي تنشر ثاني أكسيد الكربون عبر الغلاف الجوي إلى ارتفاع درجات الحرارة على الأرض، وبالتالي المزيد من الأمطار، مما يتسبب في ذوبان المزيد من الصخور، مما يؤدي إلى خلق المزيد من الأيونات التي ستؤدي في النهاية إلى ترسب المزيد من الكربون في قاع المحيطات. يستغرق الأمر بضع مئات الآلاف من السنين لإعادة التوازن إلى دورة الكربون البطيئة.
وبدون التدخل البشري، فإن الكربون الموجود في الوقود الأحفوري سوف يتسرب ببطء إلى الغلاف الجوي بسبب النشاط البركاني على مدى ملايين السنين كجزء من دورة الكربون البطيئة. ومن خلال حرق الفحم والنفط والغاز الطبيعي، نقوم بتسريع العملية، وإطلاق كميات هائلة من الكربون (الكربون الذي استغرق تراكمه ملايين السنين) في الغلاف الجوي كل عام. ومن خلال القيام بذلك، نقوم بتحويل الكربون من الدورة البطيئة إلى الدورة السريعة. في عام 2009، أطلق البشر حوالي 8.4 مليار طن من الكربون في الغلاف الجوي عن طريق حرق الوقود الأحفوري.