Ciclo do carbono - Carbon cycle
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O ciclo do carbono é o ciclo biogeoquímico pelo qual o carbono é trocado entre a biosfera , pedosfera , geosfera , hidrosfera e atmosfera da Terra . O carbono é o principal componente dos compostos biológicos, bem como o principal componente de muitos minerais, como o calcário . Junto com o ciclo do nitrogênio e o ciclo da água , o ciclo do carbono compreende uma sequência de eventos que são essenciais para tornar a Terra capaz de sustentar a vida. Ele descreve o movimento do carbono conforme ele é reciclado e reutilizado em toda a biosfera, bem como processos de longo prazo de sequestro de carbono e liberação de sumidouros de carbono . Os sumidouros de carbono na terra e no oceano absorvem atualmente cerca de um quarto das emissões antrópicas de carbono a cada ano.
Os humanos perturbaram o ciclo biológico do carbono por muitos séculos, modificando o uso da terra e, além disso, com a recente mineração em escala industrial de carbono fóssil ( carvão , extração de petróleo e gás e fabricação de cimento ) da geosfera. O dióxido de carbono na atmosfera aumentou quase 52% em relação aos níveis pré-industriais até 2020, forçando um maior aquecimento atmosférico e da superfície da Terra pelo sol. O aumento do dióxido de carbono também aumentou a acidez da superfície do oceano em cerca de 30% devido ao dióxido de carbono dissolvido, ácido carbônico e outros compostos, e está alterando fundamentalmente a química marinha . A maior parte do carbono fóssil foi extraída apenas na última metade do século passado e as taxas continuam a aumentar rapidamente, contribuindo para as mudanças climáticas causadas pelo homem . As maiores consequências para o ciclo do carbono e para a biosfera, que capacita criticamente a civilização humana, ainda estão para acontecer devido à vasta, porém limitada, inércia do sistema terrestre . Restaurar o equilíbrio deste sistema natural é uma prioridade internacional, descrita no Acordo do Clima de Paris e no Objetivo de Desenvolvimento Sustentável 13 .
Componentes principais
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| Ciclos biogeoquímicos |
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O ciclo do carbono foi descrito pela primeira vez por Antoine Lavoisier e Joseph Priestley e popularizado por Humphry Davy . O ciclo global do carbono agora é geralmente dividido nos seguintes reservatórios principais de carbono interconectados por vias de troca:
- A atmosfera
- A biosfera terrestre
- O oceano , incluindo carbono inorgânico dissolvido e biota marinha viva e não viva
- Os sedimentos , incluindo combustíveis fósseis , sistemas de água doce e material orgânico não vivo.
- O interior da Terra ( manto e crosta ). Esses estoques de carbono interagem com os outros componentes por meio de processos geológicos.
As trocas de carbono entre os reservatórios ocorrem como resultado de vários processos químicos, físicos, geológicos e biológicos. O oceano contém o maior reservatório ativo de carbono próximo à superfície da Terra. Os fluxos naturais de carbono entre a atmosfera, o oceano, os ecossistemas terrestres e os sedimentos são bastante equilibrados; portanto, os níveis de carbono seriam praticamente estáveis sem a influência humana.
Atmosfera
O carbono na atmosfera da Terra existe em duas formas principais: dióxido de carbono e metano . Ambos os gases absorvem e retêm calor na atmosfera e são parcialmente responsáveis pelo efeito estufa . O metano produz um maior efeito estufa por volume em comparação com o dióxido de carbono, mas existe em concentrações muito mais baixas e tem vida mais curta do que o dióxido de carbono, tornando o dióxido de carbono o gás de efeito estufa mais importante dos dois.
O dióxido de carbono é removido da atmosfera principalmente por meio da fotossíntese e entra na biosfera terrestre e oceânica. O dióxido de carbono também se dissolve diretamente da atmosfera em corpos d'água (oceano, lagos, etc.), bem como se dissolve na precipitação quando as gotas de chuva caem na atmosfera. Quando dissolvido em água, o dióxido de carbono reage com as moléculas de água e forma ácido carbônico , que contribui para a acidez do oceano. Ele pode então ser absorvido pelas rochas por meio do intemperismo. Também pode acidificar outras superfícies em que toca ou ser arrastado para o oceano.
As atividades humanas nos últimos dois séculos aumentaram a quantidade de carbono na atmosfera em quase 50% a partir do ano 2020, principalmente na forma de dióxido de carbono, tanto pela modificação da capacidade dos ecossistemas de extrair dióxido de carbono da atmosfera quanto pela sua emissão diretamente, por exemplo, queimando combustíveis fósseis e fabricando concreto.
Em um futuro distante (2 a 3 bilhões de anos), a taxa na qual o dióxido de carbono é absorvido pelo solo por meio do ciclo carbonato-silicato provavelmente aumentará devido às mudanças esperadas no sol à medida que envelhece. O esperado aumento de luminosidade do Sol provavelmente acelerará a taxa de desgaste da superfície. Isso acabará fazendo com que a maior parte do dióxido de carbono na atmosfera seja espremido na crosta terrestre como carbonato. Uma vez que a concentração de dióxido de carbono na atmosfera caia abaixo de aproximadamente 50 partes por milhão (as tolerâncias variam entre as espécies), a fotossíntese C 3 não será mais possível. Previu-se que isso ocorreria 600 milhões de anos a partir do presente, embora os modelos variem.
Uma vez que os oceanos da Terra evaporem em cerca de 1,1 bilhão de anos a partir de agora, as placas tectônicas irão provavelmente parar devido à falta de água para lubrificá-las. A falta de vulcões bombeando dióxido de carbono fará com que o ciclo do carbono termine entre 1 bilhão e 2 bilhões de anos no futuro.
Biosfera terrestre
A biosfera terrestre inclui o carbono orgânico em todos os organismos vivos na terra, tanto vivos quanto mortos, bem como o carbono armazenado nos solos . Cerca de 500 gigatoneladas de carbono são armazenados acima do solo em plantas e outros organismos vivos, enquanto o solo contém aproximadamente 1.500 gigatoneladas de carbono. A maior parte do carbono na biosfera terrestre é carbono orgânico, enquanto cerca de um terço do carbono do solo é armazenado em formas inorgânicas, como carbonato de cálcio . O carbono orgânico é o principal componente de todos os organismos vivos na Terra. Os autótrofos o extraem do ar na forma de dióxido de carbono, convertendo-o em carbono orgânico, enquanto os heterótrofos recebem carbono ao consumir outros organismos.
Como a absorção de carbono na biosfera terrestre depende de fatores bióticos, ela segue um ciclo diurno e sazonal. Em CO
2medições, esse recurso é aparente na curva de Keeling . É mais forte no hemisfério norte porque este hemisfério tem mais massa de terra do que o hemisfério sul e, portanto, mais espaço para os ecossistemas absorverem e emitirem carbono.
O carbono deixa a biosfera terrestre de várias maneiras e em diferentes escalas de tempo. A combustão ou respiração do carbono orgânico libera-o rapidamente na atmosfera. Também pode ser exportado para o oceano por meio de rios ou permanecer sequestrado em solos na forma de carbono inerte. O carbono armazenado no solo pode permanecer lá por até milhares de anos antes de ser levado para os rios pela erosão ou liberado na atmosfera através da respiração do solo . Entre 1989 e 2008, a respiração do solo aumentou cerca de 0,1% ao ano. Em 2008, o total global de CO
2liberado pela respiração do solo foi de aproximadamente 98 bilhões de toneladas, cerca de 10 vezes mais carbono do que os humanos estão colocando na atmosfera a cada ano pela queima de combustível fóssil (isso não representa uma transferência líquida de carbono do solo para a atmosfera, já que a respiração é amplamente compensada por entradas de carbono no solo). Existem algumas explicações plausíveis para essa tendência, mas a explicação mais provável é que o aumento das temperaturas aumentou as taxas de decomposição da matéria orgânica do solo , o que aumentou o fluxo de CO
2. A duração do sequestro de carbono no solo depende das condições climáticas locais e, portanto, das mudanças no curso das mudanças climáticas .
| Piscina | Quantidade (gigatoneladas) |
|---|---|
| Atmosfera | 720 |
| Oceano (total) | 38.400 |
| Inorgânico total | 37.400 |
| Orgânico total | 1.000 |
| Camada superficial | 670 |
| Camada profunda | 36.730 |
| Litosfera | |
| Carbonatos sedimentares | > 60.000.000 |
| Kerogens | 15.000.000 |
| Biosfera terrestre (total) | 2.000 |
| Biomassa viva | 600 - 1.000 |
| Biomassa morta | 1.200 |
| Biosfera aquática | 1 - 2 |
| Combustíveis fósseis (total) | 4.130 |
| Carvão | 3.510 |
| Óleo | 230 |
| Gás | 140 |
| Outro ( turfa ) | 250 |
oceano
O oceano pode ser conceitualmente dividido em uma camada superficial dentro da qual a água faz contato frequente (diário a anual) com a atmosfera e uma camada profunda abaixo da profundidade típica da camada mista de algumas centenas de metros ou menos, dentro da qual o tempo entre contatos consecutivos podem ser séculos. O carbono inorgânico dissolvido (DIC) na camada superficial é trocado rapidamente com a atmosfera, mantendo o equilíbrio. Em parte porque sua concentração de DIC é cerca de 15% maior, mas principalmente devido ao seu maior volume, o oceano profundo contém muito mais carbono - é o maior reservatório de carbono em ciclo ativo do mundo, contendo 50 vezes mais do que a atmosfera - mas o a escala de tempo para atingir o equilíbrio com a atmosfera é de centenas de anos: a troca de carbono entre as duas camadas, impulsionada pela circulação termohalina , é lenta.
O carbono entra no oceano principalmente por meio da dissolução do dióxido de carbono atmosférico, uma pequena fração do qual é convertida em carbonato . Também pode entrar no oceano por meio de rios como carbono orgânico dissolvido . É convertido por organismos em carbono orgânico por meio da fotossíntese e pode ser trocado ao longo da cadeia alimentar ou precipitado nas camadas mais profundas e ricas em carbono dos oceanos como tecido mole morto ou em conchas como carbonato de cálcio . Circula nesta camada por longos períodos de tempo antes de ser depositado como sedimento ou, eventualmente, retornar às águas superficiais através da circulação termohalina. Os oceanos são básicos (~ pH 8,2), portanto, CO
2 a acidificação muda o pH do oceano para neutro.
Absorção oceânica de CO
2é uma das formas mais importantes de sequestro de carbono, que limita o aumento de dióxido de carbono causado pelo homem na atmosfera. No entanto, esse processo é limitado por uma série de fatores. CO
2a absorção torna a água mais ácida, o que afeta os biossistemas dos oceanos. A taxa projetada de aumento da acidez oceânica pode retardar a precipitação biológica de carbonatos de cálcio , diminuindo assim a capacidade do oceano de absorver CO
2.
Geosfera
O componente geológico do ciclo do carbono opera lentamente em comparação com as outras partes do ciclo global do carbono. É um dos determinantes mais importantes da quantidade de carbono na atmosfera e, portanto, das temperaturas globais.
A maior parte do carbono da Terra é armazenado de forma inerte na litosfera terrestre . Muito do carbono armazenado no manto da Terra foi armazenado lá quando a Terra se formou. Parte dele foi depositado na forma de carbono orgânico da biosfera. Do carbono armazenado na geosfera, cerca de 80% é calcário e seus derivados, que se formam a partir da sedimentação de carbonato de cálcio armazenado nas conchas de organismos marinhos. Os 20% restantes são armazenados como querogênios formados pela sedimentação e soterramento de organismos terrestres sob alta temperatura e pressão. O carbono orgânico armazenado na geosfera pode permanecer lá por milhões de anos.
O carbono pode deixar a geosfera de várias maneiras. O dióxido de carbono é liberado durante o metamorfismo das rochas carbonáticas, quando elas são subduzidas no manto terrestre. Esse dióxido de carbono pode ser liberado na atmosfera e no oceano por meio de vulcões e pontos de acesso . Também pode ser removido por humanos por meio da extração direta de querogênios na forma de combustíveis fósseis . Após a extração, os combustíveis fósseis são queimados para liberar energia e emitir o carbono que armazenam na atmosfera.
Carbono terrestre no ciclo da água
No diagrama à direita:
- As partículas atmosféricas atuam como núcleos de condensação de nuvens , promovendo a formação de nuvens.
- As gotas de chuva absorvem carbono orgânico e inorgânico por meio da eliminação de partículas e da adsorção de vapores orgânicos enquanto caem em direção à Terra.
- Erupções em chamas e vulcânicas produzem moléculas aromáticas policíclicas altamente condensadas (ou seja, carbono negro ) que retornam à atmosfera junto com gases de efeito estufa, como o CO 2 .
- As plantas terrestres fixam o CO 2 atmosférico por meio da fotossíntese , devolvendo uma fração à atmosfera por meio da respiração . A lignina e a celulose representam até 80% do carbono orgânico nas florestas e 60% nas pastagens.
- A serapilheira e o carbono orgânico da raiz se misturam com material sedimentar para formar solos orgânicos onde o carbono orgânico derivado de plantas e petrogênico é armazenado e transformado por atividade microbiana e fúngica.
- Água absorve planta e estabeleceu-se derivados de aerossol carbono orgânico dissolvido (DOC) e carbono inorgânico dissolvido (DIC), que passa sobre a copa de florestas (ou seja interceptada ) e ao longo de troncos de plantas / hastes (isto é stemflow ). As transformações biogeoquímicas ocorrem quando a água penetra na solução do solo e nos reservatórios de água subterrânea e o fluxo superficial ocorre quando os solos estão completamente saturados ou a chuva ocorre mais rapidamente do que a saturação nos solos.
- O carbono orgânico derivado da biosfera terrestre e da produção primária in situ é decomposto por comunidades microbianas em rios e riachos junto com a decomposição física (ou seja, foto-oxidação ), resultando em um fluxo de CO 2 dos rios para a atmosfera que são da mesma ordem de magnitude como a quantidade de carbono sequestrado anualmente pela biosfera terrestre. Macromoléculas derivadas da terra, como a lignina e o carbono negro, são decompostas em componentes e monômeros menores , sendo finalmente convertidas em CO 2 , intermediários metabólicos ou biomassa .
- Lagos, reservatórios e várzeas normalmente armazenam grandes quantidades de carbono orgânico e sedimentos, mas também apresentam heterotrofia líquida na coluna de água, resultando em um fluxo líquido de CO 2 para a atmosfera que é aproximadamente uma ordem de magnitude menor do que os rios. A produção de metano também é tipicamente alta nos sedimentos anóxicos de várzeas, lagos e reservatórios.
- A produção primária é normalmente aumentada em plumas de rio devido à exportação de nutrientes fluviais . No entanto, as águas estuarinas são uma fonte de CO 2 para a atmosfera, globalmente.
- Os pântanos costeiros armazenam e exportam carbono azul . Pântanos e pântanos são sugeridos por terem um fluxo equivalente de CO 2 para a atmosfera na forma de rios, globalmente.
- As plataformas continentais e o oceano aberto normalmente absorvem CO 2 da atmosfera.
- A bomba biológica marinha sequestra uma fração pequena, mas significativa, do CO 2 absorvido como carbono orgânico nos sedimentos marinhos (consulte a próxima seção).
A bomba biológica marinha
A bomba biológica marinha é o sequestro de carbono biologicamente conduzido pelo oceano da atmosfera e do escoamento terrestre para o interior do oceano profundo e para os sedimentos do fundo do mar . A bomba biológica não é tanto o resultado de um único processo, mas sim a soma de uma série de processos, cada um dos quais pode influenciar o bombeamento biológico. A bomba transfere cerca de 11 bilhões de toneladas de carbono todos os anos para o interior do oceano. Um oceano sem a bomba biológica resultaria em níveis atmosféricos de CO 2 cerca de 400 ppm mais altos do que os atuais.
A maior parte do carbono incorporado na matéria biológica orgânica e inorgânica é formada na superfície do mar, onde pode então começar a afundar no fundo do oceano. O oceano profundo obtém a maior parte de seus nutrientes da coluna de água superior quando eles afundam na forma de neve marinha . Este é composto de animais e micróbios mortos ou moribundos, matéria fecal, areia e outros materiais inorgânicos.
A bomba biológica é responsável por transformar o carbono inorgânico dissolvido (DIC) em biomassa orgânica e bombeá-lo na forma particulada ou dissolvida no oceano profundo. Nutrientes inorgânicos e dióxido de carbono são fixados durante a fotossíntese pelo fitoplâncton, os quais liberam matéria orgânica dissolvida (DOM) e são consumidos pelo zooplâncton herbívoro. Zooplâncton maior - como copépodes , egest fecais pellets - que podem ser reingestidos e afundar ou coletar com outros detritos orgânicos em agregados maiores, de afundamento mais rápido. DOM é parcialmente consumido por bactérias e respirado; o DOM refratário restante é advectado e misturado no mar profundo. DOM e agregados exportados para as águas profundas são consumidos e respirados, retornando assim o carbono orgânico para o enorme reservatório do oceano profundo de DIC.
Uma única célula fitoplanctônica tem uma taxa de afundamento de cerca de um metro por dia. Dado que a profundidade média do oceano é de cerca de quatro quilômetros, pode levar mais de dez anos para que essas células atinjam o fundo do oceano. No entanto, por meio de processos como coagulação e expulsão em pelotas fecais de predadores, essas células formam agregados. Esses agregados têm taxas de afundamento ordens de magnitude maiores do que células individuais e completam sua jornada às profundezas em questão de dias.
Cerca de 1% das partículas que saem da superfície do oceano chegam ao fundo do mar e são consumidas, respiradas ou enterradas nos sedimentos. O efeito líquido desses processos é remover o carbono na forma orgânica da superfície e devolvê-lo ao DIC em profundidades maiores, mantendo um gradiente oceano de superfície a profundo de DIC. A circulação termohalina retorna o DIC do oceano profundo para a atmosfera em escalas de tempo milenares. O carbono enterrado nos sedimentos pode ser subduzido no manto terrestre e armazenado por milhões de anos como parte do ciclo lento do carbono (veja a próxima seção).
Ciclos rápidos e lentos
O ciclo rápido do carbono opera através da biosfera, consulte o diagrama no início do artigo ↑
Existe um ciclo de carbono rápido e lento. O ciclo rápido opera na biosfera e o ciclo lento opera nas rochas . O ciclo rápido ou biológico pode se completar em anos, movendo o carbono da atmosfera para a biosfera e, em seguida, de volta para a atmosfera. O ciclo lento ou geológico pode levar milhões de anos para ser concluído, movendo o carbono pela crosta terrestre entre as rochas, o solo, o oceano e a atmosfera.
O ciclo rápido do carbono envolve processos biogeoquímicos de prazo relativamente curto entre o meio ambiente e os organismos vivos na biosfera (veja o diagrama no início do artigo ). Inclui movimentos de carbono entre a atmosfera e os ecossistemas terrestres e marinhos, bem como solos e sedimentos do fundo do mar. O ciclo rápido inclui ciclos anuais envolvendo fotossíntese e ciclos decadais envolvendo crescimento vegetativo e decomposição. As reações do ciclo rápido do carbono às atividades humanas determinarão muitos dos impactos mais imediatos das mudanças climáticas.
O ciclo lento do carbono envolve processos geoquímicos de médio a longo prazo pertencentes ao ciclo da rocha (veja o diagrama à direita). A troca entre o oceano e a atmosfera pode levar séculos, e o desgaste das rochas pode levar milhões de anos. O carbono do oceano precipita-se no fundo do oceano, onde pode formar rochas sedimentares e ser subduzido no manto terrestre . Os processos de construção de montanhas resultam no retorno desse carbono geológico à superfície da Terra. Lá, as rochas são desgastadas e o carbono é devolvido à atmosfera por desgaseificação e ao oceano por meio de rios. Outro carbono geológico retorna ao oceano por meio da emissão hidrotérmica de íons de cálcio. Em um determinado ano, entre 10 e 100 milhões de toneladas de carbono se movem em torno desse ciclo lento. Isso inclui vulcões retornando carbono geológico diretamente para a atmosfera na forma de dióxido de carbono. No entanto, isso é menos de um por cento do dióxido de carbono lançado na atmosfera pela queima de combustíveis fósseis.
Ciclo profundo do carbono
Embora o ciclo profundo do carbono não seja tão bem compreendido quanto o movimento do carbono através da atmosfera, biosfera terrestre, oceano e geosfera, não deixa de ser um processo importante. O ciclo profundo do carbono está intimamente ligado ao movimento do carbono na superfície e na atmosfera da Terra. Se o processo não existisse, o carbono permaneceria na atmosfera, onde se acumularia em níveis extremamente altos por longos períodos de tempo. Portanto, ao permitir que o carbono retorne à Terra, o ciclo profundo do carbono desempenha um papel crítico na manutenção das condições terrestres necessárias para a existência de vida.
Além disso, o processo também é significativo simplesmente devido às enormes quantidades de carbono que transporta pelo planeta. Na verdade, estudar a composição do magma basáltico e medir o fluxo de dióxido de carbono dos vulcões revela que a quantidade de carbono no manto é realmente maior do que na superfície da Terra por um fator de mil. Perfurar e observar fisicamente os processos de carbono nas profundezas da Terra é evidentemente extremamente difícil, já que o manto inferior e o núcleo se estendem de 660 a 2.891 km e 2.891 a 6.371 km de profundidade na Terra, respectivamente. Conseqüentemente, não se sabe muito sobre o papel do carbono nas profundezas da Terra. No entanto, várias evidências - muitas das quais vêm de simulações de laboratório de condições profundas da Terra - indicaram mecanismos para o movimento do elemento para baixo no manto inferior, bem como as formas que o carbono assume nas temperaturas e pressões extremas dessa camada. Além disso, técnicas como a sismologia levaram a uma maior compreensão da presença potencial de carbono no núcleo da Terra.
Carbono no manto inferior
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O carbono entra no manto principalmente na forma de sedimentos ricos em carbonato nas placas tectônicas da crosta oceânica, que puxam o carbono para o manto ao serem subdivididos . Não se sabe muito sobre a circulação do carbono no manto, especialmente nas profundezas da Terra, mas muitos estudos tentaram aumentar nossa compreensão do movimento e das formas do elemento na região. Por exemplo, um estudo de 2011 demonstrou que o ciclo do carbono se estende até o manto inferior . O estudo analisou diamantes superprofundos raros em um local em Juína, Brasil , determinando que a composição em massa de algumas das inclusões dos diamantes correspondia ao resultado esperado de derretimento de basalto e cristalização sob baixas temperaturas e pressões do manto. Assim, as descobertas da investigação indicam que pedaços de litosfera oceânica basáltica atuam como o principal mecanismo de transporte de carbono para o interior profundo da Terra. Esses carbonatos subduzidos podem interagir com os silicatos do manto inferior , eventualmente formando diamantes superprofundos como o encontrado.
No entanto, os carbonatos que descem para o manto inferior encontram outros destinos além de formarem diamantes. Em 2011, os carbonatos foram submetidos a um ambiente semelhante ao de 1.800 km de profundidade na Terra, bem dentro do manto inferior. Isso resultou nas formações de magnesita , siderita e numerosas variedades de grafite . Outros experimentos - bem como observações petrológicas - apóiam essa afirmação, indicando que a magnesita é, na verdade, a fase carbonática mais estável na maior parte do manto. Isso é em grande parte resultado de sua temperatura de fusão mais alta. Consequentemente, os cientistas concluíram que os carbonatos sofrem redução à medida que descem para o manto antes de serem estabilizados em profundidade por ambientes de baixa fugacidade de oxigênio . Magnésio, ferro e outros compostos metálicos atuam como tampões durante todo o processo. A presença de formas elementares reduzidas de carbono como grafite indicaria que os compostos de carbono são reduzidos à medida que descem para o manto.
O polimorfismo altera a estabilidade dos compostos de carbonato em diferentes profundidades da Terra. Para ilustrar, as simulações de laboratório e os cálculos da teoria funcional da densidade sugerem que os carbonatos coordenados tetraedricamente são mais estáveis em profundidades que se aproximam do limite núcleo-manto . Um estudo de 2015 indica que a alta pressão do manto inferior faz com que as ligações de carbono façam a transição de orbitais hibridizados sp 2 para sp 3 , resultando em ligações tetraédricas de carbono ao oxigênio. Grupos trigonais de CO 3 não podem formar redes polimerizáveis, enquanto o CO 4 tetraédrico pode, significando um aumento no número de coordenação do carbono e, portanto, mudanças drásticas nas propriedades dos compostos de carbonato no manto inferior. Como exemplo, estudos teóricos preliminares sugerem que a alta pressão faz com que a viscosidade do fundido de carbonato aumente; a menor mobilidade do derretimento como resultado de sua viscosidade aumentada causa grandes depósitos de carbono profundamente no manto.
Conseqüentemente, o carbono pode permanecer no manto inferior por longos períodos de tempo, mas grandes concentrações de carbono freqüentemente encontram seu caminho de volta para a litosfera. Esse processo, chamado de liberação de gás de carbono, é o resultado do manto carbonatado submetido à fusão descompressiva, bem como das plumas do manto que transportam compostos de carbono para a crosta. O carbono é oxidado em sua ascensão em direção a pontos quentes vulcânicos, onde é então liberado como CO 2 . Isso ocorre para que o átomo de carbono corresponda ao estado de oxidação dos basaltos em erupção nessas áreas.
Carbono no núcleo
Embora a presença de carbono no núcleo da Terra seja bem limitada, estudos recentes sugerem que grandes estoques de carbono podem ser armazenados nesta região. Ondas de cisalhamento (S) que se movem através do núcleo interno viajam a cerca de cinquenta por cento da velocidade esperada para a maioria das ligas ricas em ferro. Como a composição do núcleo é considerada uma liga de ferro cristalino e uma pequena quantidade de níquel, essa anomalia sísmica indica a presença de elementos leves, incluindo carbono, no núcleo. Na verdade, estudos usando células de bigorna de diamante para replicar as condições no núcleo da Terra indicam que o carboneto de ferro (Fe 7 C 3 ) corresponde à velocidade e densidade de onda do núcleo interno. Portanto, o modelo do carboneto de ferro poderia servir como evidência de que o núcleo contém até 67% do carbono da Terra. Além disso, outro estudo descobriu que nas condições de pressão e temperatura do núcleo interno da Terra, o carbono se dissolvia no ferro e formava uma fase estável com a mesma composição de Fe 7 C 3 - embora com uma estrutura diferente da mencionada anteriormente. Em resumo, embora a quantidade de carbono potencialmente armazenada no núcleo da Terra não seja conhecida, estudos recentes indicam que a presença de carbonetos de ferro pode explicar algumas das observações geofísicas.
Influência humana no ciclo do carbono
2foram causados por diferentes fontes que aumentaram uma após a outra ( Global Carbon Project )
2as emissões mostram que a maioria das emissões está sendo absorvida por sumidouros de carbono, incluindo o crescimento das plantas, absorção do solo e absorção do oceano ( Global Carbon Project )
Desde a revolução industrial , e especialmente desde o final da Segunda Guerra Mundial , a atividade humana perturbou substancialmente o ciclo global do carbono, redistribuindo grandes quantidades de carbono da geosfera. Os humanos também continuaram a mudar as funções dos componentes naturais da biosfera terrestre com mudanças na vegetação e outros usos da terra. Compostos de carbono artificiais (sintéticos) foram projetados e fabricados em massa que persistirão por décadas a milênios no ar, na água e nos sedimentos como poluentes. As mudanças climáticas estão ampliando e forçando mais mudanças humanas indiretas no ciclo do carbono, como consequência de vários feedbacks positivos e negativos .
Mudanças no uso da terra
Desde a invenção da agricultura, os humanos têm influenciado direta e gradualmente o ciclo do carbono em escalas de tempo de um século, modificando a mistura de vegetação na biosfera terrestre. Ao longo dos últimos séculos, o uso direto e indireto da terra causado pelo homem e as mudanças na cobertura da terra (LUCC) levaram à perda de biodiversidade , o que reduz a resiliência dos ecossistemas aos estresses ambientais e diminui sua capacidade de remover carbono da atmosfera. Mais diretamente, geralmente leva à liberação de carbono dos ecossistemas terrestres para a atmosfera.
O desmatamento para fins agrícolas remove as florestas, que retêm grandes quantidades de carbono, e as substitui, geralmente por áreas agrícolas ou urbanas. Ambos os tipos de cobertura de terra de substituição armazenam quantidades comparativamente pequenas de carbono, de modo que o resultado líquido da transição é que mais carbono permaneça na atmosfera. No entanto, os efeitos na atmosfera e no ciclo geral do carbono podem ser intencionalmente e / ou naturalmente revertidos com o reflorestamento .
Extração de carbono fóssil
O maior e um dos impactos humanos de crescimento mais rápido no ciclo do carbono e na biosfera é a extração e queima de combustíveis fósseis , que transferem carbono diretamente da geosfera para a atmosfera. O dióxido de carbono também é produzido e liberado durante a calcinação do calcário para a produção de clínquer . O clínquer é um precursor industrial do cimento .
Em 2020, cerca de 450 gigatoneladas de carbono fóssil foram extraídos no total; uma quantidade próxima ao carbono contido em toda a biomassa terrestre viva da Terra. As taxas recentes de emissões globais diretamente para a atmosfera excederam a absorção pela vegetação e pelos oceanos. Foi esperado e observado que esses sumidouros removem cerca de metade do carbono atmosférico adicionado em cerca de um século. No entanto, sumidouros como o oceano têm propriedades de saturação em evolução , e projeta-se que uma fração substancial (20-35%, com base em modelos acoplados ) do carbono adicionado permaneça na atmosfera por séculos a milênios. A extração de carbono fóssil que aumenta os gases de efeito estufa na atmosfera é, portanto, descrita pelo IPCC, cientistas atmosféricos e oceânicos, como um compromisso de longo prazo da sociedade em viver em um clima em mudança e, em última análise, em um mundo mais quente.
Produtos químicos sintéticos
Quantidades menores de produtos petroquímicos artificiais , contendo carbono fóssil, podem ter efeitos inesperados e desproporcionais no ciclo biológico do carbono. Isso ocorre em parte porque eles foram criados propositalmente pelos humanos para se decomporem lentamente, o que permite sua persistência não natural e seu acúmulo por toda a biosfera. Em muitos casos, seus caminhos através do ciclo mais amplo do carbono também não estão bem caracterizados ou compreendidos.
Plásticos
Quase 400 milhões de toneladas de plástico foram fabricadas globalmente durante o ano de 2018 com taxas de crescimento anual próximas de 10%, e mais de 6 gigatoneladas produzidos no total desde 1950. Os plásticos eventualmente sofrem fragmentação como um primeiro passo típico em sua decomposição, e isso permite sua distribuição generalizada por correntes de ar e água. Os animais internalizam facilmente microplásticos e nanoplásticos por meio da ingestão e inalação, acompanhados de riscos de bioacumulação . Plásticos biodegradáveis colocados em aterros sanitários geram metano e dióxido de carbono que circulam pela atmosfera, a menos que sejam capturados. Uma grande revisão das evidências científicas no ano de 2019 não identificou consequências importantes para a sociedade humana nos níveis atuais, mas prevê riscos substanciais emergentes no próximo século. Um estudo de 2019 indicou que a degradação dos plásticos por meio da exposição ao sol libera dióxido de carbono e outros gases de efeito estufa. Bioplásticos com um ciclo de carbono mais natural e rápido foram desenvolvidos como uma alternativa a outros plásticos de uso único à base de petróleo .
Halocarbonos
Halocarbonos são compostos menos prolíficos desenvolvidos para diversos usos na indústria; por exemplo, como solventes e refrigerantes . No entanto, o acúmulo de concentrações relativamente pequenas (partes por trilhão) de gases de clorofluorocarbono , hidrofluorocarbono e perfluorocarbono na atmosfera é responsável por cerca de 10% do forçamento radiativo direto total de todos os gases de efeito estufa de vida longa (ano 2019); que inclui forçar a partir de concentrações muito maiores de dióxido de carbono e metano. Os clorofluorcarbonetos também causam a destruição do ozônio estratosférico . Esforços internacionais estão em andamento sob o Protocolo de Montreal e Protocolo de Kyoto para controlar o rápido crescimento na fabricação industrial e uso desses gases ambientalmente potentes. Para algumas aplicações, alternativas mais benignas, como as hidrofluoroolefinas , foram desenvolvidas e estão sendo introduzidas gradualmente.
representadas em um modelo estilizado
Feedback das mudanças climáticas
As tendências atuais nas mudanças climáticas levam a temperaturas e acidez oceânicas mais altas , modificando assim os ecossistemas marinhos. Além disso, a chuva ácida e o escoamento poluído da agricultura e da indústria mudam a composição química do oceano. Essas mudanças podem ter efeitos dramáticos em ecossistemas altamente sensíveis, como recifes de coral , limitando assim a capacidade do oceano de absorver carbono da atmosfera em uma escala regional e reduzindo a biodiversidade oceânica globalmente.
As trocas de carbono entre a atmosfera e outros componentes do sistema terrestre, coletivamente conhecidas como o ciclo do carbono, constituem atualmente importantes feedbacks negativos (amortecedores) sobre o efeito das emissões antropogênicas de carbono nas mudanças climáticas. Os sumidouros de carbono na terra e no oceano absorvem atualmente cerca de um quarto das emissões antrópicas de carbono a cada ano.
Espera-se que esses feedbacks enfraqueçam no futuro, ampliando o efeito das emissões antrópicas de carbono nas mudanças climáticas. O grau em que eles irão enfraquecer, entretanto, é altamente incerto, com modelos do sistema terrestre prevendo uma ampla gama de absorção de carbono terrestre e oceânica, mesmo em cenários idênticos de concentração atmosférica ou de emissão. As emissões de metano do Ártico indiretamente causadas pelo aquecimento global antropogênico também afetam o ciclo do carbono e contribuem para um maior aquecimento.
Galeria
Epífitas em fios elétricos. Este tipo de planta leva tanto CO
2 e água da atmosfera para viver e crescer.
CO
2na atmosfera da Terra se metade das emissões do aquecimento global não forem absorvidas.
( Simulação de computador da NASA ).
A atividade humana desde a era industrial mudou o equilíbrio do ciclo natural do carbono. As unidades estão em gigatoneladas.
Veja também
- Ciclo biogeoquímico - Ciclagem de substâncias através dos compartimentos bióticos e abióticos da Terra
- Mitigação das mudanças climáticas - Ações para limitar a magnitude das mudanças climáticas e seu impacto nas atividades humanas
- Dióxido de carbono na atmosfera da Terra - constituinte atmosférico; gás de efeito estufa
- Pegada de carbono - impacto ambiental
- Sequestro de carbono - Captura e armazenamento de longo prazo de dióxido de carbono atmosférico
- Ciclo de carbonato-silicato - transformação de longo prazo de rochas de silicato em rochas de carbonato por intemperismo e sedimentação, e a transformação de rochas de carbonato de volta em rochas de silicato por metamorfismo e vulcanismo
- acidificação do oceano
- Ciclo de carbono do permafrost
- Limites planetários - conceito envolvendo processos do sistema terrestre
Referências
Leitura adicional
- Appenzeller, Tim (fevereiro de 2004). “O caso do carbono ausente” . Revista National Geographic . (Artigo sobre o sumidouro de carbono ausente.)
- Houghton, RA (2005). “O ciclo contemporâneo do carbono”. Em William H. Schlesinger (ed.). Biogeoquímica . Amsterdam: Elsevier Science. pp. 473 -513. ISBN 978-0-08-044642-4.
- Janzen, HH (2004). "Ciclo de carbono em sistemas terrestres - uma perspectiva da ciência do solo". Agricultura, Ecossistemas e Meio Ambiente . 104 (3): 399–417. CiteSeerX 10.1.1.466.622 . doi : 10.1016 / j.agee.2004.01.040 .
- Millero, Frank J. (2005). Oceanografia Química (3 ed.). CRC Press. ISBN 978-0-8493-2280-8.
links externos
- Carbon Cycle Science Program - uma parceria entre agências.
- Grupo de gases de efeito estufa do ciclo de carbono da NOAA
- Global Carbon Project - iniciativa da Earth System Science Partnership
- PNUMA - O presente ciclo do carbono - Mudanças climáticas níveis e fluxos de carbono
- Observatório Orbital de Carbono da NASA, arquivado em 9 de setembro de 2018 na máquina Wayback
- CarboSchools , um site europeu com muitos recursos para estudar o ciclo do carbono nas escolas secundárias.
- Carbon and Climate , um site educacional com um miniaplicativo de ciclo de carbono para modelar sua própria projeção.