کربن مهمترین عنصر موجودات زنده و جزئی از هوا، آب و خاک است که دائماَ بین این بخش‌ها چرخ میزند. چرخه کربن، نیتروژن و آب سه حادثه کلیدی زمین از نظر زندگی پایدار محسوب میشود. دیاکسیدکربن ترکیب حد واسط و مهمترین شکل تبادل در چرخه کربن است. در اثر فعالیت بشر، تولید دیاکسیدکربن بیش از مصرف آن گردیده و اثر گلخانه‌ای ناشی از آن منجر به گرمایش زمین شده است. عوامل پیچیده مؤثر بر وضعیت دیاکسیدکربن جو نشان میدهد که برای پیش‌بینی وضع آینده، لازم است اندازه‌گیری‌های مکرر و دقیق از مناطق و طبقات مختلف جو انجام شده و داده‌ها مدل‌سازی کامپیوتری شوند.
عنصر کربن میان اقیانوس‌ها، جو، اکوسیستم‌ها و ژئوسفر تبادل میشود و چرخ میزند. در دیاگرام، چرخه سریع کربن بین این بخش‌ها بر حسب میلیارد تن در سال نشان داده شده است. اعداد زرد جریان طبیعی کربن در اجزاء ساختار و رنگ قرمز نقش انسان (میلیارد تن در سال) را نشان میدهد و اعداد سفید مبین کربن ذخیره است. انرژی فرایندهای حیات از سوختن ترکیبات کربن‌دار و تبدیل آنها به دیاکسیدکربن تأمین میشود. بنابرین این گاز توسط همه موجودات و گیاهان، تولید و به جو ارسال میشود. در فرایند فتوسنتز، CO2 توسط گیاهان به ترکیبات آلی تبدیل میشود. سوزاندن سوخت‌های فسیلی نیز تولید دی‌اکسید کربن می‌کند و به جو افزوده میشود. تبادل جوی CO2 با اقیانوس‌ها بصورت دائم برقرار است.
در زمین مناطق یا فرایندهایی وجود دارند که گاز CO2 را تولید و یا آن را مصرف می‌کنند. بودجه‌بندی کربن بمعنی بررسی توازن بین مصرف و تولید این گاز در مخازن کربن یا حتی یک مخزن مشخص می‌باشد. از طریق بودجه‌بندی کربن می‌توان دریافت که یک مخزن در حال افزایش یا کاهش است. گاز CO2 کمترین جزء گازهای موجود در جو (حدود 0/02 درصد در برابر 16 درصد اکسیژن و 80 درصد نیتروژن) را بخود اختصاص میدهد ولی در توازن انرژی سیاره نقش مهمی بازی می‌کند.
کربن آتمسفر
کربن جو زمین به 2 صورت دی‌اکسید کربن و متان است. هر دو آنها در جو زمین مثل پتو عمل کرده و امواج با طول موج بلند را به دام می‌اندازند و از خروج گرما از زمین جلوگیری می‌کنند و لذا «گاز گلخانه‌ای» نامیده میشوند. اثر گلخانه‌ای هر واحد حجم گاز متان بیش از دیاکسیدکربن است ولی چون غلظت کمتری دارد و سریع‌تر از بین می‌رود، دیاکسیدکربن مهمترین گاز گلخانه‌ای محسوب میشود. دیاکسیدکربن در حال حاضر 63 درصد سهم گرمای گلخانه‌ای را بخود اختصاص میدهد و نقش درازمدت آن نیز همچنان رو به افزایش است. گاز CO2 اضافی مدت مدیدی بصورت بار اضافی در جو می‌ماند. اگر بنا باشد زمین با تکیه بر مکانیسم‌های طبیعی (فرسایش و رسوب‌گذاری) CO2 اضافی را فرایند کند، هزاران سال طول می‌کشد.
زمین بدون دیاکسیدکربن و دیگر گازهای گلخانه‌ای یخ میزند. مقدار مناسب این گازها در جو برای ایجاد دمای مناسب جو زمین اهمیت دارد. ولی انسان بقدری سوخت فسیلی از زمین بیرون آورده و آنها را سوزانده است که مقدار دیاکسیدکربن جو در مقایسه با 150 سال پیش حدود 30 درصد بیشتر شده و زمین را گرم‌تر کرده است. مقایسه ترکیب لایه‌های مختلف یخ‌های قطبی نشان میدهد که در مقایسه با 420 هزار سال گذشته دی‌اکسید کربن جو بیشتر شده است.
افزایش تولید CO2 و ارسال آن به آتمسفر بر شرایط آب و هوا، شیمی اقیانوس‌ها و بدنبال آن اکوسیستم‌های دریایی و زمینی اثر می‌گذارد. اثر گرمایش ناشی از افزایش CO2 و دیگر گازهای گلخانه‌ای بر کشاورزی و سیستم‌های طبیعی و متغیرهای مختلف محیطی اثر می‌گذارد. افزایش CO2 همچنین بصورت مستقیم موجب افزایش اسیدیته آب اقیانوس‌ها میشود. این گاز در آب حل میشود و اسید کربنیک تولید می‌کند که اثرات فرسایشی بر پوسته‌ها و مواد اسکلتی بسیاری از ارگانیسم‌های دریایی دارد. اثرات بعدی آنها بر اکوسیستم‌ها هنوز بخوبی درک نشده است. این گاز بصورت مستقیم در آب حل میشود و علاوه بر اسیدی کردن اقیانوس‌ها موجب تولید باران اسیدی میشود. اسید کربنیک توسط خاک یا سنگ جذب شده و هوادهی رخ میدهد.
متان. متان بطور طبیعی زیر زمین و زیر کف دریاها وجود دارد و به سطح زمین راه می‌یابد و به متان آتمسفری افزوده میشود. بخش قابل توجه گاز مایع و معادن زغال سنگ، متان است. بعلاوه متان بطور روزمره و بشیوه میکروبی و صنعتی تولید میشود. میکروارگانیسم‌ها در فرایند چندمرحله‌ای «متانوژنز» و برای تأمین انرژی خود از گاز کربنیک تولید متان می‌کنند. متانوژنز در واقع نوعی تنفس بی‌هوازی در ارگانیسم‌هایی است که در باطلاق‌ها، شکمبه نشخوارکنندگان، روده موریانه و شرایط شبیه آن انجام میشود. روش دیگر تولید متان، تولید بیوگاز از کود دامی، فاضلاب‌ها و دیگر مواد آلی ضایعاتی در شرایط بی‌هوازی است. مزرعه برنج نیز در طول دوره رشد خود تولید گاز متان می‌کند. متان تولیدی گاوها 16 درصد کل متان تولیدشده سالانه است. یک بررسی نشان داد که مجموعه بخش دامپروری (گاو، مرغ و خوک) 37 درصد متان تولید شده توسط انسان را شامل میشود. روش‌های دارویی و تغییرات جیره‌ای برای کاهش متان در نشخوارکنندگان توصیه شده است.
کربن خاک
تمام موجودات زنده و مرده و از جمله کربن ذخیره خاک، منبع کربن خاک نامیده میشوند. حدود 500 گیگاتن کربن بصورت گیاهان و موجودات زنده ذخیره شده است در حالی که خاک دارای 1500 مگا تن کربن است. قسمت عمده کربن خاک بصورت آلی و یک‌سوم بصورت غیر آلی (کربنات کلسیم و امثال آن) است. کربن آلی جزء مهم موجودات زنده است که توسط گیاهان (اتوتروف) تولید شده و در اختیار هتروتروف‌ها گذاشته میشود. جذب کربن توسط خاک تابع عوامل بیوتیک است و لذا چرخه فصلی و روزانه دارد. اندازه‌گیری نوسانات روزانه و فصلی گاز CO2 زمین را منحنی کیلینگ (Keeling curve) می‌نامند. در نیمکره شمالی این چرخه قوی‌تر است زیرا در مقایسه با نیمکره جنوبی، زمین و اکوسیستم بیشتری دارد که کربن را جذب یا دفع نمایند.
کربن به طرق مختلف خاک را ترک می‌کند. سوختن یا تنفس کربن آلی آن را به جو باز می‌گرداند. مقداری از آن به دریا می‌رسد. کربن ذخیره در خاک قبل از فرسایش و ورود به رودخانه‌ها و یا از طریق تنفس خاک هزاران سال در آن جا می‌ماند. بین سال‌های 1989 و 2008 تنفس خاک 0/1 درصد در سال افزایش یافته است. در سال 2008 کل CO2 رها شده از خاک در زمین برابر 98 میلیارد تن بود که مقدار آن 10 برابر بیش از کربنی است که انسان به طبیعت وارد می‌کند. این پدیده توجیه‌های مختلفی دارد ولی مهمترین آنها این است که افزایش دما موجب افزایش سرعت تخریب مواد آلی خاک میشود و در نتیجه جریان CO2 افزایش می‌یابد.
کربن اقیانوس
اقیانوس‌ها بالاترین مقدار کربن بازچرخ جهان را دارند و از نظر مقدار کربن ذخیره بعد از کربن لیتوسفری رتبه دوم را دارد. لایه‌های سطحی اقیانوس‌ها حجم عظیمی از کربن را در خود جا میدهد و قادر به تبادل مستقیم با جو است. با این وجود غلظت لایه‌های عمقی کربن غیرآلی حل شده 15 درصد بیش از لایه‌های سطحی است. این لایه‌ها مدت طولانی‌تری در آنجا انبار میشوند. بین این دو لایه اقیانوسی دائماً تبادل وجود دارد. این تبادل را «چرخش ترموهالین» (Thermohaline circulation) می‌نامند که بر اساس شیب غلظت اقیانوس‌ها در مقیاس جهانی عمل می‌کند و تابع گرمای سطحی و جریان‌های آب شیرین قرار دارد. کربن از طریق حل شدن دیاکسیدکربن جو وارد اقیانوس میشود و تبدیل به کربنات می‌گردد. کربن همچنین بصورت کربن آلی محلول از رودخانه‌ها به اقیانوس وارد میشود. این منابع توسط موجودات زنده آن و از طریق فتوسنتز بدل به کربن آلی شده و وارد زنجیره غذایی شده و یا در لایه‌های عمقی اقیانوس رسوب می‌کند که لایه‌های غنی از کربن بصورت بافت نرم مرده یا پوسته‌های کربنات کلسیم می‌باشند. کربن در این لایه مدت زیادی می‌چرخد تا در نهایت بصورت رسوب در آید و یا از طریق جریان ترموهالین به آبهای سطحی باز گردد.
جذب اقیانوسی CO2 یکی از اشکال مهم جداسازی کربن است که باعث محدود کردن نقش انسان در افزایش دیاکسیدکربن جو میشود. اما این فرایند محدود و تابع چند عامل است. از آنجا که سرعت حل شدن گاز کربنیک در آب اقیانوس‌ها تابع هواخوردگی صخره‌ها است و این فرایند آهسته‌تر از تولید گاز گلخانه‌ای توسط انسان است، لذا در آینده جذب CO2 توسط اقیانوس‌ها کاهش می‌یابد. جذب CO2 از طرفی موجب اسیدی شدن آب میشود و این خود بر بیوسیستم‌ها اثر می‌گذارد. با افزایش اسیدیته آب اقیانوس‌ها، رسوب بیولوژیکی کربنات کلسیم در اقیانوس‌ها آهسته میشود و ظرفیت اقیانوس‌ها برای جذب دیاکسیدکربن کاهش می‌یابد.
کربن ژئولوژیک
جزء ژئولوژیک چرخه کربن در مقایسه با دیگر اجزاء آهسته‌تر عمل می‌کند. با این وجود یکی از مهمترین دترمینان‌های مقدار کربن جو و گرمایش زمین است. قسمت عمده کربن زمین بصورت بی‌اثر در لیتوسفر زمین می‌باشد. قسمت عمده کربن ذخیره پوسته زمین در زمان شکل‌گیری آن ذخیره گردید. مقداری از آن بصورت کربن آلی از بیوسفر گرفته شده بود. حدود 80 درصد کربن ذخیره ژئوسفر آهک و مشتقات آن است که از رسوبات کربنات کلسیم ذخیره پوسته موجودات دریایی شکل می‌گیرد. 20 درصد باقیمانده بصورت «کروژن‌ها» ذخیره میشود که از طریق رسوب و دفن موجودات آلی روی زمین و در نتیجه گرما و فشار ایجاد میشوند. کربن آلی ذخیره‌شده در ژئوسفر ممکن است میلیون ها سال در همان جا باقی بماند.
کربن به روش‌های گوناگون ژئوسفر را ترک می‌کند. در جریان متامورفوز، صخره‌های کربناته وقتی به سمت پوسته زمین می‌آیند مقدار دیاکسیدکربن رها می‌کنند که بصورت آتش‌فشان به جو یا اقیانوس‌ها انتقال می‌یابد. این منابع ممکن است بصورت مستقیم و بشکل سوخت فسیلی توسط انسان برداشت شود. بعد از برداشت این منابع سوخته و بصورت CO2 به هوا فرستاده میشود.
اثر انسان
از زمان انقلاب صنعتی فعالیت‌های انسان موجب تغییرات قابل توجهی در چرخه کربن شده است. اثر بزرگ و مستقیم انسان بر چرخه کربن، تولید مستقیم آن از طریق سوزاندن سوخت‌های فسیلی است که کربن را از ژئوسفر به آتسمفر می‌برد. انسان بصورت غیرمستقیم و از طریق تغییرات بیوسفر دریایی و زمین نیز بر چرخه کربن اثر می‌گذارد.
در چند قرن گذشته بهره‌برداری از زمین و تغییر پوشش زمین منجر به کاهش تنوع زیستی و در نتیجه کاهش انعطاف‌پذیری اکوسیستم‌ها در برابر تنش‌های محیطی شده است بطوری که توانایی آنها برای حذف آتسمفر از جو کاهش یافته است. اثر مستقیم آن انتقال کربن از اکوسیستم‌های زمین به آتسمفر است. جنگل‌زدایی موجب تخریب جنگل‌ها میشود. اکنون بجای اینکه زمین محلی برای ذخیره کربن باشد تبدیل به زمین کشاورزی یا مسکونی شده است. هر دو این تغییر کاربری اراضی، مقدار کمتری از کربن را در خود جا می‌دهند و نتیجه نهایی، ارسال کربن بیشتر به جو است.
دیگر تغییر ناشی از دخالت انسان، تغییر توانایی و حاصلخیزی اکوسیستم‌ها و توانایی آنها برای جمع کردن کربن از جو است. برای مثال آلودگی هوا به درخت‌ها و خاک آسیب زده و بسیاری از عملیات کشاورزی و تغییر کاربری زمین منجر به فرسایش بیشتر خاک شده و کربن بیشتری از خاک شسته میشود و در نتیجه باروری گیاهان کاهش می‌یابد. دما و CO2 بالای جو موجب افزایش تخریب و فساد مواد در خاک شده و در نتیجه CO2 ذخیره شده در مواد گیاهی سریع‌تر به آتمسفر باز می‌گردد.
افزایش سطح CO2 جو ممکن است منجر به تولید اولیه خام بیشتری توسط گیاهان شود. گاز CO2 موجب افزایش فتوسنتز می‌گردد و گیاهان بنحو مؤثری آب را مصرف می‌کنند زیرا لازم نیست روزنه برگ‌ها، خود را برای جذب CO2 مدت زیادی باز نگه دارند. این شیوه حاصلخیزی گیاهان بخصوص در گیاهان کربن-3 مناسب است زیرا گیاهان کربن-4 از قبل قادر به تمرکز مؤثر CO2 می‌باشند. این بر چرخه کربن اقیانوسی نیز اثر گذاشته است. تغییرات آب و هوایی کنونی منجر به دمای بالاتر اقیانوس‌ها شده و در نتیجه اکوسیستم‌های دریایی تغییر یافته است. همچنین باران‌های اسیدی و زهاب آلوده کشاورزی و صنعتی موجب تغییر شیمیایی اقیانوس‌ها میشوند. این گونه تغییرات اثرات شگرفی بر اکوسیستم‌های بسیار حساس صخره‌های مرجانی بجا می‌گذارند و در نتیجه توانایی اقیانوس‌ها برای جذب کربن از جو را در مقیاس منطقهای کاهش می‌دهند و باعث کاهش تنوع زیستی اقیانوس‌ها در سطح جهانی میشوند.
ضروریات جدید
لازم است گازهای گلخانه بطور مداوم و مرتب اندازه‌گیری شوند و دقت و قابلیت اعتماد اندازه‌گیری‌ها افزایش یابد تا بتوان درک بهتری از منابع تولید و مصرف CO2 و روند آنها داشت و ظرفیت پیش‌بینی وقایع آینده را افزایش داد. بنظر «اداره ملی اقیانوس و جو وزارت بازرگانی ایالات متحده» (NOAA)، برداشت مداوم و مکرر داده‌ها برای درک تکامل بالقوه آب و هوای زمین و انتخاب استراتژی مناسب مدیریت بین‌المللی اهمیت اساسی دارد. همچنین با وجود اطلاعات زیادی که در مورد دیاکسیدکربن زمین داریم، مدیریت مناسب و با حتمیت کربن مستلزم بدست آوردن اطلاعات منطقهای نیز هست. تغییرات منطقهای منابع تولید و مصرف CO2 نیز باید دنبال شوند بویژه اگر ارزیابی در مقیاس جهانی انجام شود. از طرفی برای تعمیق داده‌ها بهتر است شبکه‌ای از نمونه‌برداری‌ها را توسعه داد و حتی از مسیر پرواز هواپیماها و بالای برج‌ها و آسمان‌خراش‌ها بصورت مداوم نمونه‌برداری کرد تا توزیع دی‌اکسید کربن در ارتفاعات مختلف نیز بدست آید. با استفاده از اطلاعات بدست‌آمده، مدل‌های مناسبی ایجاد میشود تا بتوان به بهترین وجه تغییرات فضایی و موقتی گاز کربینک جو را معلوم ساخت. مدل‌سازی نشان میدهد که در چه نقطه‌ای باید سایت جدید زد و کدام سایت قدیمی را باید اصلاح کرد.
از مطالب نه قلم راضی هستید؟ ما را حمایت مالی کنید