ما هي دورات الكربون؟
دورات الكربون هي حركات الإزاحة لعنصر الكربون في بيئات مختلفة
الصورة التي تم تحريرها وتغيير حجمها بواسطة Mitchell Griest ، متاحة على Unsplash
دورات الكربون هي حركات الإزاحة لعنصر الكربون في بيئات مختلفة ، بما في ذلك الصخور والتربة والمحيطات والنباتات. هذا يمنعه من التراكم الكامل في الغلاف الجوي ويثبت درجة حرارة الأرض. بالنسبة للجيولوجيا ، هناك نوعان من دورة الكربون: الدورة البطيئة ، والتي تستغرق مئات الآلاف من السنين ، والسريعة ، والتي تستغرق عشرات إلى 100000 عام.
الكربون
الكربون عنصر كيميائي موجود بكثرة في الصخور ، وبدرجة أقل ، في التربة والمحيطات والخضروات والغلاف الجوي والكائن الحي للكائنات الحية والأشياء. تم تشكيله في النجوم ، لكونه رابع أكثر العناصر وفرة في الكون وضروري للحفاظ على الحياة على الأرض كما نعرفها. ومع ذلك ، فهو أيضًا أحد أسباب مشكلة كبيرة: تغير المناخ.
على مدى فترات زمنية طويلة جدًا (ملايين إلى عشرات الملايين من السنين) ، يمكن أن تؤدي حركة الصفائح التكتونية والتغيرات في معدل اختراق الكربون إلى باطن الأرض إلى تغيير درجة الحرارة العالمية. شهدت الأرض هذا التغيير على مدار الخمسين مليون سنة الماضية ، من المناخات شديدة الحرارة في العصر الطباشيري (منذ حوالي 145 إلى 65 مليون سنة) إلى المناخات الجليدية في العصر الجليدي (حوالي 1.8 مليون إلى 11500 سنة مضت).
الدورة البطيئة
من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية والنشاط التكتوني ، يستغرق الكربون ما بين 100 و 200 مليون سنة للتنقل بين الصخور والتربة والمحيطات والغلاف الجوي في دورة الكربون التي تحدث ببطء. في المتوسط ، يمر ما بين عشرة إلى 100 مليون طن من الكربون خلال الدورة البطيئة في عام واحد. للمقارنة ، تبلغ انبعاثات الكربون البشرية في الغلاف الجوي 10 مليارات طن ، بينما تنتقل دورة الكربون السريعة من 10 إلى 100 مليار كربون سنويًا.
تبدأ حركة الكربون من الغلاف الجوي إلى الغلاف الصخري (الصخور) بالمطر. يشكل الكربون الموجود في الغلاف الجوي ، جنبًا إلى جنب مع الماء ، حمض الكربونيك ، الذي يترسب على السطح من خلال المطر. يعمل هذا الحمض على إذابة الصخور في عملية تسمى التجوية الكيميائية ، وإطلاق الكالسيوم أو المغنيسيوم أو البوتاسيوم أو أيونات الصوديوم. يتم نقل هذه الأيونات إلى الأنهار ومن الأنهار إلى المحيط.
- ما هو أصل البلاستيك الذي يلوث المحيطات؟
- تحمض المحيطات مشكلة خطيرة للكوكب
في المحيط ، تتحد أيونات الكالسيوم مع أيونات البيكربونات لتكوين كربونات الكالسيوم ، العنصر النشط في مضادات الحموضة. في المحيط ، يتم إنتاج معظم كربونات الكالسيوم عن طريق كائنات بناء القواقع (التكلس) (مثل الشعاب المرجانية) والعوالق (مثل coccolithophores و foraminifera). بعد موت هذه الكائنات ، تغرق في قاع البحر. بمرور الوقت ، يتم ضغط طبقات الأصداف والرواسب وتحويلها إلى صخور ، مما يؤدي إلى تخزين الكربون ، مما يؤدي إلى ظهور الصخور الرسوبية مثل الحجر الجيري.
يتم إنشاء حوالي 80 ٪ من صخور الكربونات بهذه الطريقة. 20٪ المتبقية تحتوي على الكربون الناشئ من الكائنات الحية (الكربون العضوي) المتحللة. تعمل الحرارة والضغط على ضغط المواد العضوية الغنية بالكربون على مدى ملايين السنين ، مكونين صخور رسوبية مثل الصخر الزيتي. في حالات خاصة ، عندما تتراكم المواد العضوية من النباتات الميتة بسرعة ، مع عدم وجود وقت للتحلل ، تصبح طبقات الكربون العضوي زيتًا أو فحمًا أو غازًا طبيعيًا بدلاً من الصخور الرسوبية مثل الصخر الزيتي.
في الدورة البطيئة ، يعود الكربون إلى الغلاف الجوي من خلال النشاط البركاني. ذلك لأنه عندما تصطدم أسطح الأرض وقشرة المحيط ، يغوص أحدهما تحت الآخر ويذوب الصخر الذي يحمله تحت حرارة وضغط شديدين. تتحد الصخور الساخنة إلى معادن السيليكات ، وتطلق ثاني أكسيد الكربون.
- ثاني أكسيد الكربون: ما هو ثاني أكسيد الكربون؟
عندما تندلع البراكين ، فإنها تطرد الغاز إلى الغلاف الجوي وتغطي الأرض بالصخور السيليسية ، لتبدأ الدورة من جديد. تنبعث من البراكين ما بين 130 و 380 مليون طن متري من ثاني أكسيد الكربون سنويًا. للمقارنة ، ينبعث البشر حوالي 30 مليار طن من ثاني أكسيد الكربون سنويًا - 100 إلى 300 مرة أكثر من البراكين - يحرقون الوقود الأحفوري.
- الكحول أم البنزين؟
إذا ارتفع ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بسبب زيادة النشاط البركاني ، على سبيل المثال ، ترتفع درجات الحرارة ، مما يؤدي إلى مزيد من الأمطار ، مما يؤدي إلى إذابة المزيد من الصخور ، مما يؤدي إلى تكوين المزيد من الأيونات التي تودع في النهاية المزيد من الكربون في قاع المحيط. يستغرق الأمر بضع مئات الآلاف من السنين لإعادة التوازن إلى دورة الكربون البطيئة.
ومع ذلك ، تحتوي الدورة البطيئة أيضًا على مكون أسرع قليلاً: المحيط. على السطح ، حيث يلتقي الهواء بالماء ، يذوب غاز ثاني أكسيد الكربون ويخرج من المحيط في تبادل مستمر مع الغلاف الجوي. بمجرد وصوله إلى المحيط ، يتفاعل غاز ثاني أكسيد الكربون مع جزيئات الماء لإطلاق الهيدروجين ، مما يجعل المحيط أكثر حمضية. يتفاعل الهيدروجين مع الكربونات من تجوية الصخور لإنتاج أيونات البيكربونات.
قبل العصر الصناعي ، كان المحيط ينفث ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بالتوازن مع الكربون الذي تلقته المحيطات أثناء تآكل الصخور. ومع ذلك ، مع زيادة تركيزات الكربون في الغلاف الجوي ، يزيل المحيط الآن المزيد من الكربون من الغلاف الجوي أكثر مما يطلقه. على مدى آلاف السنين ، سيمتص المحيط ما يصل إلى 85٪ من الكربون الإضافي الذي يضعه الناس في الغلاف الجوي عن طريق حرق الوقود الأحفوري ، لكن العملية بطيئة لأنها مرتبطة بحركة المياه من سطح المحيط إلى أعماقها.
وفي الوقت نفسه ، تتحكم الرياح والتيارات ودرجة الحرارة في معدل إزالة المحيط لثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي. (انظر توازن الكربون في المحيطات في مرصد الأرض). من المحتمل أن التغيرات في درجات حرارة المحيطات والتيارات ساعدت على إزالة الكربون واستعادة الكربون إلى الغلاف الجوي في بضعة آلاف من السنين التي بدأت وانتهت فيها العصور الجليدية.
دورة الكربون السريعة
يتم قياس الوقت الذي يستغرقه الكربون في دورة الكربون السريعة في العمر. دورة الكربون السريعة هي في الأساس حركة الكربون من خلال أشكال الحياة على الأرض أو في المحيط الحيوي. يمر حوالي 1،000 إلى 100،000 مليون طن متري من الكربون خلال دورة الكربون السريعة كل عام.
يلعب الكربون دورًا أساسيًا في علم الأحياء بسبب قدرته على تكوين العديد من الروابط - ما يصل إلى أربعة لكل ذرة - في مجموعة لا نهاية لها على ما يبدو من الجزيئات العضوية المعقدة. تحتوي العديد من الجزيئات العضوية على ذرات كربون شكلت روابط قوية مع ذرات كربون أخرى ، تتحد في سلاسل وحلقات طويلة. سلاسل وحلقات الكربون هذه هي أساس الخلايا الحية. على سبيل المثال ، يتكون الحمض النووي من جزيئين متشابكين مبنيين حول سلسلة كربون.
الروابط في سلاسل الكربون الطويلة تحتوي على الكثير من الطاقة. عندما تنفصل التيارات ، يتم تحرير الطاقة المخزنة. تجعل هذه الطاقة جزيئات الكربون مصدرًا ممتازًا للوقود لجميع الكائنات الحية.
تعتبر النباتات والعوالق النباتية من المكونات الرئيسية لدورة الكربون السريعة. تقوم العوالق النباتية (الكائنات الحية الدقيقة في المحيط) والنباتات بإخراج ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي عن طريق امتصاصه في خلاياها. باستخدام الطاقة من الشمس ، تجمع النباتات والعوالق بين ثاني أكسيد الكربون (CO2) والماء لتكوين السكر (CH2O) والأكسجين. التفاعل الكيميائي مثل هذا:
ثاني أكسيد الكربون + H2O + الطاقة = CH2O + O2
يمكن أن يحدث أن ينتقل الكربون من النبات ويعود إلى الغلاف الجوي ، لكن جميعها تنطوي على نفس التفاعل الكيميائي. تكسر النباتات السكر للحصول على الطاقة اللازمة للنمو. الحيوانات (بما في ذلك البشر) تأكل النباتات أو العوالق وتكسر سكر النبات للحصول على الطاقة. تموت النباتات والعوالق وتتعفن (تأكلها البكتيريا) أو تلتهمها النيران. في جميع الحالات ، يتحد الأكسجين مع السكر لإطلاق الماء وثاني أكسيد الكربون والطاقة. يحدث التفاعل الكيميائي الأساسي على النحو التالي:
CH2O + O2 = CO2 + H2O + طاقة
في جميع العمليات الأربع ، عادةً ما ينتهي ثاني أكسيد الكربون المنطلق في التفاعل في الغلاف الجوي. ترتبط دورة الكربون السريعة ارتباطًا وثيقًا بالحياة النباتية بحيث يمكن رؤية موسم النمو من خلال كيفية طفو ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. في فصل الشتاء في نصف الكرة الشمالي ، عندما ينمو عدد قليل من النباتات البرية ويتحلل العديد منها ، تزداد تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. خلال الربيع ، عندما تبدأ النباتات في النمو مرة أخرى ، تنخفض التركيزات. يبدو الأمر كما لو أن الأرض تتنفس.
التغييرات في دورة الكربون
إذا تركت دورات الكربون السريعة والبطيئة دون عائق ، فإنها تحافظ على تركيز ثابت نسبيًا للكربون في الغلاف الجوي والأرض والنباتات والمحيط. ولكن عندما يغير أي شيء كمية الكربون في أحد الخزانات ، فإن التأثير ينتشر من خلال الخزانات الأخرى.
في ماضي الأرض ، تغيرت دورة الكربون استجابة لتغير المناخ. تغير الاختلافات في مدار الأرض كمية الطاقة التي تتلقاها الأرض من الشمس وتؤدي إلى دورة من العصور الجليدية والفترات الدافئة مثل مناخ الأرض الحالي. (انظر ميلوتين ميلانكوفيتش) تطورت العصور الجليدية عندما برد صيف نصف الكرة الشمالي وتراكم الجليد على الأرض ، مما أدى بدوره إلى إبطاء دورة الكربون. وفي الوقت نفسه ، قد تكون عوامل عدة ، بما في ذلك درجات الحرارة المنخفضة وزيادة نمو العوالق النباتية ، قد أدت إلى زيادة كمية الكربون التي أزالها المحيط من الغلاف الجوي. تسبب الانخفاض في الكربون الجوي في مزيد من التبريد. وبالمثل ، في نهاية العصر الجليدي الأخير ، قبل 10000 عام ، زاد ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بشكل كبير مع ارتفاع درجات الحرارة.
التغييرات في مدار الأرض تحدث باستمرار ، في دورات يمكن التنبؤ بها. في غضون 30000 عام تقريبًا ، سيكون مدار الأرض قد تحول بدرجة كافية لتقليل ضوء الشمس في نصف الكرة الشمالي إلى المستويات التي أدت إلى العصر الجليدي الأخير.
اليوم ، تحدث تغييرات في دورة الكربون بسبب الناس. نقوم بتعطيل دورة الكربون عن طريق حرق الوقود الأحفوري وإزالة الغابات.
تؤدي إزالة الغابات إلى إطلاق الكربون المخزن في الجذوع والسيقان والأوراق - الكتلة الحيوية. من خلال إزالة الغابات ، يتم القضاء على النباتات التي كانت ستأخذ الكربون من الغلاف الجوي أثناء نموها. هناك اتجاه عالمي لاستبدال الغابات بالزراعة الأحادية والمراعي التي تخزن كميات أقل من الكربون. نكشف أيضًا عن التربة التي تطرد الكربون من المواد النباتية المتحللة إلى الغلاف الجوي. في الوقت الحالي ، ينبعث البشر ما يقل قليلاً عن مليار طن من الكربون في الغلاف الجوي كل عام من خلال التغييرات في استخدام الأراضي.
بدون تدخل بشري ، سيتسرب الكربون من الوقود الأحفوري ببطء إلى الغلاف الجوي من خلال النشاط البركاني على مدى ملايين السنين في دورة الكربون البطيئة. من خلال حرق الفحم والنفط والغاز الطبيعي ، نقوم بتسريع العملية ، وإطلاق كميات هائلة من الكربون (الكربون الذي استغرق ملايين السنين لتتراكم) في الغلاف الجوي كل عام. من خلال القيام بذلك ، نقوم بنقل 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.
منذ بداية الثورة الصناعية ، عندما بدأ الناس في حرق الوقود الأحفوري ، زادت تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي من حوالي 280 جزءًا في المليون إلى 387 جزءًا في المليون ، بزيادة قدرها 39٪. هذا يعني أنه مقابل كل مليون جزيء في الغلاف الجوي ، 387 منها هي الآن ثاني أكسيد الكربون - وهو أعلى تركيز منذ مليوني سنة. زادت تركيزات الميثان من 715 جزءًا في المليار في عام 1750 إلى 1774 جزءًا في المليار في عام 2005 ، وهو أعلى تركيز في ما لا يقل عن 650 ألف عام.
آثار تغيير دورة الكربون
الصورة: دورات الكربون - ناسا
كل هذا الكربون الإضافي يحتاج إلى مكان ما. حتى الآن ، امتصت النباتات الأرضية والمحيطية 55٪ من الكربون الإضافي في الغلاف الجوي ، بينما بقي حوالي 45٪ في الغلاف الجوي. في نهاية المطاف ، تمتص التربة والمحيطات معظم ثاني أكسيد الكربون الإضافي ، ولكن يمكن أن يبقى ما يصل إلى 20٪ في الغلاف الجوي لآلاف السنين.
يعمل الكربون الزائد في الغلاف الجوي على تدفئة الكوكب ويساعد النباتات الأرضية على النمو بشكل أكبر. يجعل الكربون الزائد في المحيط المياه أكثر حمضية ، مما يعرض الحياة البحرية للخطر. تعرف على المزيد حول هذا الموضوع في مقال: "تحمض المحيطات: مشكلة خطيرة للكوكب".
الغلاف الجوي
من المهم أن يبقى الكثير من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي لأن ثاني أكسيد الكربون هو أهم غاز للتحكم في درجة حرارة الأرض. ثاني أكسيد الكربون والميثان والهالوكربونات هي غازات دفيئة تمتص نطاقًا واسعًا من الطاقة - بما في ذلك طاقة الأشعة تحت الحمراء (الحرارة) المنبعثة من الأرض - ثم تعيد إطلاقها. تنتقل الطاقة المعاد إرسالها في جميع الاتجاهات ، لكن بعضها يعود إلى الأرض ، مما يؤدي إلى تسخين السطح. بدون غازات الاحتباس الحراري ، ستتجمد الأرض عند -18 درجة مئوية. مع وجود الكثير من غازات الدفيئة ، ستكون الأرض مثل كوكب الزهرة ، حيث يحافظ الغلاف الجوي على درجات حرارة تبلغ حوالي 400 درجة مئوية.
نظرًا لأن العلماء يعرفون الأطوال الموجية للطاقة التي يمتصها كل غاز من غازات الدفيئة وتركيز الغازات في الغلاف الجوي ، فيمكنهم حساب مقدار مساهمة كل غاز في الاحتباس الحراري. يتسبب ثاني أكسيد الكربون في حوالي 20٪ من تأثير الاحتباس الحراري على الأرض ؛ يمثل بخار الماء حوالي 50٪ ؛ وتمثل السحب 25٪. الباقي ناتج عن جزيئات صغيرة (الهباء الجوي) وغازات دفيئة أصغر مثل الميثان.
- هل علب الهباء الجوي قابلة لإعادة التدوير؟
يتم التحكم في تركيزات بخار الماء في الهواء من خلال درجة حرارة الأرض. تؤدي درجات الحرارة الأكثر دفئًا إلى تبخر المزيد من المياه من المحيطات ، وتوسع الكتل الهوائية وتؤدي إلى زيادة الرطوبة. يتسبب التبريد في تكثف بخار الماء وسقوطه كمطر أو صقيع أو ثلج.
من ناحية أخرى ، يظل ثاني أكسيد الكربون غازًا في نطاق درجات حرارة الغلاف الجوي أوسع من الماء. توفر جزيئات ثاني أكسيد الكربون التدفئة الأولية اللازمة للحفاظ على تركيزات بخار الماء. عندما تنخفض تركيزات ثاني أكسيد الكربون ، تبرد الأرض ، ويتساقط بعض بخار الماء من الغلاف الجوي ، وتسخن الدفيئة بسبب قطرات بخار الماء. وبالمثل ، عندما ترتفع تركيزات ثاني أكسيد الكربون ، ترتفع درجة حرارة الهواء ويتبخر المزيد من بخار الماء في الغلاف الجوي - مما يزيد من تسخين الدفيئة.
لذا ، في حين أن ثاني أكسيد الكربون يساهم بدرجة أقل في تأثير الاحتباس الحراري من بخار الماء ، فقد وجد العلماء أن ثاني أكسيد الكربون هو الغاز الذي يحدد درجة الحرارة. يتحكم ثاني أكسيد الكربون في كمية بخار الماء في الغلاف الجوي وبالتالي حجم تأثير الاحتباس الحراري.
تؤدي تركيزات ثاني أكسيد الكربون المتزايدة بالفعل إلى ارتفاع درجة حرارة الكوكب. بينما تتزايد غازات الدفيئة ، ارتفع متوسط درجات الحرارة العالمية بمقدار 0.8 درجة مئوية (1.4 درجة فهرنهايت) منذ عام 1880.
هذه الزيادة في درجة الحرارة ليست كل الاحترار الذي سنراه بناءً على التركيزات الحالية لثاني أكسيد الكربون. لا يحدث تسخين الدفيئة على الفور لأن المحيط يمتص الحرارة. هذا يعني أن درجة حرارة الأرض سترتفع بمقدار 0.6 درجة مئوية أخرى على الأقل (درجة فهرنهايت واحدة) بسبب ثاني أكسيد الكربون الموجود بالفعل في الغلاف الجوي. وتعتمد الدرجة التي ترتفع فيها درجات الحرارة عن ذلك جزئيًا على مقدار الكربون الذي يطلقه البشر في الغلاف الجوي في المستقبل.
محيط
ينتشر حوالي 30٪ من ثاني أكسيد الكربون الذي يضعه الناس في الغلاف الجوي في المحيط من خلال التبادل الكيميائي المباشر. ينتج عن ذوبان ثاني أكسيد الكربون في المحيط حمض الكربونيك ، مما يزيد من حموضة الماء. أو بالأحرى ، يصبح المحيط القلوي قليلاً أقل قلوية. منذ عام 1750 ، انخفض الرقم الهيدروجيني لسطح المحيط بنسبة 0.1 ، وهو تغير بنسبة 30٪ في الحموضة.
يؤثر تحمض المحيطات على الكائنات البحرية بطريقتين. أولاً ، يتفاعل حمض الكربونيك مع أيونات الكربونات في الماء لتكوين بيكربونات. ومع ذلك ، فإن هذه الأيونات الكربونية نفسها هي ما تحتاجه حيوانات بناء القواقع مثل المرجان لإنتاج قذائف كربونات الكالسيوم. مع توفر كربونات أقل ، تحتاج الحيوانات إلى إنفاق المزيد من الطاقة لبناء أصدافها. نتيجة لذلك ، تصبح الأصداف أرق وأكثر هشاشة.
ثانيًا ، كلما زادت نسبة الماء الحمضي ، كان من الأفضل إذابة كربونات الكالسيوم.على المدى الطويل ، سيسمح هذا التفاعل للمحيط بامتصاص ثاني أكسيد الكربون الزائد لأن المزيد من المياه الحمضية ستذيب المزيد من الصخور ، وتطلق المزيد من أيونات الكربونات ، وتزيد من قدرة المحيط على امتصاص ثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك ، في غضون ذلك ، سيؤدي المزيد من المياه الحمضية إلى إذابة أصداف الكربونات للكائنات البحرية ، مما يجعلها ضعيفة وضعيفة.
المحيطات الأكثر دفئًا - وهي نتاج تأثير الاحتباس الحراري - يمكن أن تقلل أيضًا من وفرة العوالق النباتية ، التي تنمو بشكل أفضل في المياه الباردة الغنية بالمغذيات. يمكن أن يحد هذا من قدرة المحيط على استخراج الكربون من الغلاف الجوي من خلال دورة الكربون السريعة.
من ناحية أخرى ، فإن ثاني أكسيد الكربون ضروري لنمو النباتات والعوالق النباتية. يمكن أن تؤدي زيادة ثاني أكسيد الكربون إلى زيادة النمو عن طريق تخصيب تلك الأنواع القليلة من العوالق النباتية والنباتات المحيطية (مثل الأعشاب البحرية) التي تأخذ ثاني أكسيد الكربون مباشرة من الماء. ومع ذلك ، فإن معظم الأنواع لا يساعدها التوافر المتزايد لثاني أكسيد الكربون.
الارض
امتصت النباتات على الأرض ما يقرب من 25٪ من ثاني أكسيد الكربون الذي يضعه الإنسان في الغلاف الجوي. تختلف كمية الكربون التي تمتصها النباتات اختلافًا كبيرًا من سنة إلى أخرى ، ولكن بشكل عام ، زادت نباتات العالم من كمية ثاني أكسيد الكربون التي تمتصها منذ الستينيات ، وقد حدث جزء فقط من هذه الزيادة كنتيجة مباشرة لانبعاثات الوقود الأحفوري.
مع توفر المزيد من ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي للتحويل إلى مادة نباتية في عملية التمثيل الضوئي ، تمكنت النباتات من النمو بشكل أكبر. تُعرف هذه الزيادة في النمو باسم التخصيب بالكربون. تتنبأ النماذج بأن النباتات يمكن أن تنمو بنسبة 12 إلى 76 في المائة أكثر إذا تضاعف ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ، طالما أن لا شيء آخر ، مثل ندرة المياه ، يحد من نموها. ومع ذلك ، لا يعرف العلماء مقدار ثاني أكسيد الكربون الذي يزيد من نمو النبات في العالم الحقيقي ، لأن النباتات تحتاج إلى أكثر من ثاني أكسيد الكربون للنمو.
تحتاج النباتات أيضًا إلى الماء وأشعة الشمس والمغذيات ، وخاصة النيتروجين. إذا لم يكن لدى النبات أحد هذه الأشياء ، فإنه لا ينمو ، بغض النظر عن مدى وفرة الاحتياجات الأخرى. هناك حد لمقدار الكربون الذي يمكن أن تأخذه النباتات من الغلاف الجوي ، ويختلف هذا الحد من منطقة إلى أخرى. حتى الآن ، يبدو أن التسميد بثاني أكسيد الكربون يزيد من نمو النبات حتى يصل النبات إلى حد لكمية الماء أو النيتروجين المتاح.
بعض التغييرات في امتصاص الكربون هي نتيجة لقرارات استخدام الأراضي. أصبحت الزراعة أكثر كثافة بكثير ، لذلك يمكننا زراعة المزيد من الغذاء على مساحة أقل من الأراضي. في خطوط العرض العليا والمتوسطة ، تعود الأراضي المهجورة إلى الغابات ، وتخزن هذه الغابات كمية من الكربون ، في كل من الخشب والتربة ، أكثر بكثير من المحاصيل. في العديد من الأماكن ، نمنع الكربون النباتي من دخول الغلاف الجوي عن طريق إطفاء الحرائق. هذا يسمح للمواد الخشبية (التي تخزن الكربون) بالتراكم. تساعد كل قرارات استخدام الأراضي هذه النباتات على امتصاص الكربون الذي يطلقه البشر في نصف الكرة الشمالي.
ومع ذلك ، في المناطق الاستوائية ، يتم إزالة الغابات ، غالبًا من خلال الحرائق ، وهذا يؤدي إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون. في عام 2008 ، شكلت إزالة الغابات حوالي 12 ٪ من جميع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون البشرية.
من المرجح أن تحدث أكبر التغييرات في دورة الكربون الأرضية بسبب تغير المناخ. يعمل ثاني أكسيد الكربون على زيادة درجات الحرارة وإطالة موسم النمو وزيادة الرطوبة. أدى كلا العاملين إلى بعض نمو النبات الإضافي. ومع ذلك ، فإن درجات الحرارة الأكثر دفئًا تضغط أيضًا على النباتات. مع وجود موسم نمو أطول وأكثر دفئًا ، تحتاج النباتات إلى المزيد من الماء للبقاء على قيد الحياة. يرى العلماء بالفعل أدلة على أن النباتات في النصف الشمالي من الكرة الأرضية تبطئ النمو في الصيف بسبب درجات الحرارة المرتفعة وندرة المياه.
النباتات الجافة والمجهدة بالماء أكثر عرضة للحرائق والحشرات عندما تطول مواسم النمو. في أقصى الشمال ، حيث يكون لارتفاع درجات الحرارة التأثير الأكبر ، بدأت الغابات بالفعل في حرق المزيد ، مما أدى إلى إطلاق الكربون من النباتات والتربة في الغلاف الجوي. يمكن أن تكون الغابات الاستوائية أيضًا شديدة التأثر بالجفاف. مع قلة المياه ، تبطئ الأشجار الاستوائية نموها وتمتص كمية أقل من الكربون ، أو تموت وتطلق الكربون المخزن في الغلاف الجوي.
يمكن أن يؤدي الاحترار الناجم عن ارتفاع غازات الدفيئة إلى "تحميص" التربة ، مما يؤدي إلى تسريع معدل تصريف الكربون بعيدًا في بعض الأماكن. هذا مثير للقلق بشكل خاص في أقصى الشمال ، حيث تذوب الأرض المتجمدة - التربة الصقيعية -. تحتوي التربة الصقيعية الدائمة على رواسب غنية من الكربون من المواد النباتية التي تراكمت لآلاف السنين لأن البرد يبطئ التحلل. عندما ترتفع درجة حرارة التربة ، تتحلل المادة العضوية ويدخل الكربون - على شكل ميثان وثاني أكسيد الكربون - إلى الغلاف الجوي.
تقدر الأبحاث الحالية أن التربة الصقيعية في نصف الكرة الشمالي تحتوي على 1672 مليار طن (بيتاغرام) من الكربون العضوي. إذا ذابت 10٪ فقط من التربة الصقيعية ، فقد تطلق كمية إضافية من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي لرفع درجات الحرارة بمقدار 0.7 درجة مئوية (1.3 درجة فهرنهايت) في عام 2100.
دراسة دورة الكربون
تدور العديد من الأسئلة التي لم يجيب عليها العلماء بعد حول دورة الكربون حول كيفية تغيرها. يحتوي الغلاف الجوي الآن على كمية من الكربون أكثر من أي وقت مضى خلال مليوني عام على الأقل. سيتغير كل خزان في الدورة مع مرور هذا الكربون خلال الدورة.
كيف ستكون هذه التغييرات؟ ماذا سيحدث للنباتات مع ارتفاع درجات الحرارة وتغير المناخ؟ هل يزيلون المزيد من الكربون من الغلاف الجوي أكثر مما يعودون؟ هل سيصبحون أقل إنتاجية؟ ما مقدار الكربون الإضافي الذي ستذوبه التربة الصقيعية في الغلاف الجوي وكم سيضخم هذا الاحترار؟ هل يغير دوران المحيط أو ارتفاع درجة حرارته معدل امتصاص المحيطات للكربون؟ هل ستصبح حياة المحيطات أقل إنتاجية؟ ما مقدار حموضة المحيطات وما هي التأثيرات التي سيكون لها؟
دور ناسا في الإجابة على هذه الأسئلة هو توفير رصدات الأقمار الصناعية العالمية والمراقبة الميدانية ذات الصلة. بحلول أوائل عام 2011 ، كان هناك نوعان من أجهزة الأقمار الصناعية يجمعان المعلومات ذات الصلة بدورة الكربون.
تعمل أدوات مقياس الطيف التصويري ذي الدقة المعتدلة (MODIS) ، التي تحلق على سواتل تيرا وأكوا التابعة لناسا ، على قياس كمية نباتات الكربون والعوالق النباتية التي تتحول إلى مادة أثناء نموها ، وهو مقياس يسمى صافي الإنتاجية الأولية. تقيس مستشعرات MODIS أيضًا عدد الحرائق التي تحدث وأين تحترق.
يوفر ساتلان من القمر الصناعي لاندسات عرضًا تفصيليًا للشعاب المرجانية في المحيطات ، وما ينمو على الأرض وكيف يتغير الغطاء الأرضي. من الممكن رؤية نمو مدينة أو تحولها من غابة إلى مزرعة. هذه المعلومات مهمة لأن استخدام الأراضي مسؤول عن ثلث جميع انبعاثات الكربون البشرية.
ستواصل أقمار ناسا المستقبلية هذه الملاحظات وستقيس أيضًا ثاني أكسيد الكربون والميثان في الغلاف الجوي والارتفاع وهيكل الغطاء النباتي.
ستساعدنا كل هذه التدابير في رؤية كيف تتغير دورة الكربون العالمية بمرور الوقت. سوف يساعدوننا في تقييم التأثير الذي نحدثه على دورة الكربون ، وإطلاق الكربون في الغلاف الجوي أو إيجاد طرق لتخزينه في مكان آخر. سيوضحون لنا كيف يغير تغير المناخ دورة الكربون وكيف تعمل الدورة المتغيرة على تغيير المناخ.
ومع ذلك ، سوف يلاحظ معظمنا التغييرات في دورة الكربون بطريقة شخصية أكثر. بالنسبة لنا ، فإن دورة الكربون هي الطعام الذي نأكله ، والكهرباء في منازلنا ، والغاز في سياراتنا ، والطقس فوق رؤوسنا. نظرًا لأننا جزء من دورة الكربون ، فإن قراراتنا بشأن كيفية عيشنا تتأرجح خلال الدورة. وبالمثل ، فإن التغييرات في دورة الكربون ستؤثر على الطريقة التي نعيش بها. نظرًا لأن كل واحد منا يفهم دوره في دورة الكربون ، فإن المعرفة تمكننا من التحكم في تأثيرنا الشخصي وفهم التغييرات التي نراها في العالم من حولنا.
