KOOLSTOFCYCLUS: KENMERKEN, STADIA, BELANG - MILIEU - 2026

De koolstofcyclus is het circulatieproces van dit chemische element in lucht, water, bodem en levende wezens. Het is een biogeochemische cyclus van het gastype en de meest voorkomende vorm van koolstof in de atmosfeer is kooldioxide (CO2).

De grootste koolstofvoorraden bevinden zich in de oceanen, fossiele brandstoffen, organisch materiaal en sedimentair gesteente. Evenzo is het essentieel in de lichaamsstructuur van levende organismen en komt het via fotosynthese als CO2 in de trofische ketens.

Fotosynthesizers (planten, fytoplankton en cyanobacteriën) absorberen koolstof uit atmosferische CO2 en vervolgens halen herbivoren het uit deze organismen. Deze worden geconsumeerd door carnivoren en tenslotte worden alle dode organismen verwerkt door ontbinders.

Naast de atmosfeer en levende wezens wordt koolstof aangetroffen in de bodem (edafosfeer) en in water (hydrosfeer). In de oceanen nemen fytoplankton, macroalgen en aquatische angiospermen de in het water opgeloste CO2 op om fotosynthese uit te voeren.

Koolstofcyclus illustratie

CO2 wordt opnieuw in de atmosfeer of in het water opgenomen door de ademhaling van respectievelijk terrestrische en aquatische levende wezens. Zodra levende wezens dood zijn, wordt koolstof opnieuw in de fysieke omgeving geïntegreerd als CO2 of als onderdeel van sedimentair gesteente, steenkool of olie.

De koolstofcyclus is erg belangrijk omdat deze verschillende functies vervult, zoals deel uitmaken van levende wezens, helpen bij het reguleren van de planetaire temperatuur en de zuurgraad van het water. Evenzo draagt ​​het bij aan de erosieve processen van afzettingsgesteenten en dient het als een energiebron voor de mens.

kenmerken

Koolstof

Dit element staat op de zesde plaats in overvloed in het heelal en door zijn structuur kan het bindingen vormen met andere elementen zoals zuurstof en waterstof. Het wordt gevormd door vier elektronen (vierwaardig) die covalente chemische bindingen vormen die polymeren met complexe structurele vormen kunnen vormen.

De atmosfeer

Koolstof wordt in de atmosfeer voornamelijk als kooldioxide (CO2) aangetroffen in een aandeel van 0,04% van de samenstelling van lucht. Hoewel de concentratie van atmosferische koolstof de afgelopen 170 jaar aanzienlijk is veranderd als gevolg van menselijke industriële ontwikkeling.

Vóór de industriële periode varieerde de concentratie van 180 tot 280 ppm (parts per million) en vandaag overschrijdt deze 400 ppm. Daarnaast is er methaan (CH4) in een veel kleinere hoeveelheid en koolmonoxide (CO) in kleine sporen.

CO2 en methaan (CH4)

Deze op koolstof gebaseerde gassen hebben de eigenschap langegolfenergie (warmte) te absorberen en uit te stralen. Om deze reden reguleert zijn aanwezigheid in de atmosfeer de planetaire temperatuur door te voorkomen dat de warmte die door de aarde wordt uitgestraald naar de ruimte ontsnapt.

Van deze twee gassen vangt methaan meer warmte op, maar CO2 speelt de meest bepalende rol vanwege zijn relatieve overvloed.

De biologische wereld

Het grootste deel van de structuur van levende organismen bestaat uit koolstof, essentieel voor de vorming van eiwitten, koolhydraten, vetten en vitamines.

De lithosfeer

Koolstof maakt deel uit van de organische stof en lucht in de bodem, het komt ook voor in elementaire vorm zoals koolstof, grafiet en diamant. Op dezelfde manier is het een fundamenteel onderdeel van de koolwaterstoffen (olie, bitumen) die in diepe afzettingen worden aangetroffen.

Koolstofvorming

Wanneer vegetatie sterft in meerbekkens, moerassen of ondiepe zeeën, hoopt plantresten zich op in lagen die bedekt zijn met water. Een langzaam anaëroob afbraakproces veroorzaakt door bacteriën wordt dan gegenereerd.

De sedimenten bedekken de lagen van ontbindend organisch materiaal dat gedurende miljoenen jaren een progressief proces van koolstofverrijking ondergaat. Dit gaat door een stadium van turf (50% koolstof), bruinkool (55-75%), steenkool (75-90%) en tenslotte antraciet (90% of meer).

Olievorming

Het begint met een langzame aërobe afbraak, daarna is er een anaerobe fase, bestaande uit overblijfselen van plankton, dieren en zee- of meerplanten. Deze organische stof werd begraven door sedimentaire lagen en blootgesteld aan hoge temperaturen en drukken in de aarde.

Gezien de lagere dichtheid stijgt olie echter door de poriën van afzettingsgesteenten. Uiteindelijk raakt het ofwel opgesloten in ondoordringbare gebieden of vormt het ondiepe bitumineuze ontsluitingen.

De hydrosfeer

De hydrosfeer zorgt voor een gasuitwisseling met de atmosfeer, vooral zuurstof en koolstof in de vorm van CO2 (oplosbaar in water). Koolstof komt voor in water, vooral in de oceanen, voornamelijk in de vorm van bicarbonaationen.

Bicarbonaationen spelen een belangrijke rol bij het reguleren van de pH van het mariene milieu. Aan de andere kant zitten er op de zeebodem grote hoeveelheden methaan vast als methaanhydraten.

Zure regen

Koolstof dringt ook door tussen het gasvormige medium en de vloeistof, wanneer CO2 reageert met atmosferische waterdamp en H2CO3 vormt. Dit zuur slaat neer met regenwater en verzuurt bodem en water.

Stadia van de koolstofcyclus

Koolstof winning en opslag. Bron: Carbon_sequestration-2009-10-07.svg: * LeJean Hardin en Jamie Pay afgeleid werk: Jarl Arntzen (talk) afgeleid werk: Ortisa / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0 )

Zoals elke biogeochemische cyclus is de koolstofcyclus een complex proces dat bestaat uit een netwerk van relaties. Hun scheiding in gedefinieerde fasen is slechts een middel voor hun analyse en begrip.

- Geologische fase

Kaartjes

Koolstofinputs in dit stadium komen in mindere mate uit de atmosfeer, door zure regen en naar de grond gefilterde lucht. De belangrijkste input is echter de bijdrage van levende organismen, zowel door hun uitwerpselen als door hun lichaam als ze sterven.

Opslag en circulatie

In deze fase wordt koolstof opgeslagen en beweegt het zich in diepe lagen van de lithosfeer zoals steenkool, olie, gas, grafiet en diamanten. Het maakt ook deel uit van carbonaatgesteenten, gevangen in permafrost (bevroren grondlaag op polaire breedtegraden) en wordt opgelost in het water en de lucht van de bodemporiën.

In de dynamica van de platentektoniek bereikt koolstof ook de diepere lagen van de mantel en maakt het deel uit van het magma.

Vertrek

De werking van regen op kalkhoudend gesteente erodeert ze en calcium wordt samen met andere elementen vrijgegeven. Het calcium van de erosie van deze carbonaatgesteenten wordt in de rivieren weggespoeld en van daaruit naar de oceanen.

Evenzo komt CO ₂ vrij wanneer de permafrost ontdooit of door overploegen van de grond. De belangrijkste output wordt echter door de mens aangedreven door steenkool, olie en gas uit de lithosfeer te winnen om ze als brandstof te verbranden.

Door menselijke activiteit, gebaseerd op het verbruik van koolwaterstoffen, komt koolstof vrij in de atmosfeer

- Hydrologische fase

Kaartjes

Bij atmosferische CO ₂ in contact met het wateroppervlak komt, lost deze vormen koolzuur en methaan uit de zeebodem komt in de aardkorst, zoals aangetoond in de Arctische. Bovendien komen HCO ₃ -ionen in rivieren en oceanen terecht als gevolg van de erosie van carbonaatgesteenten in de lithosfeer en grondwassing.

Als het regent, draagt ​​het water koolstof in de vorm van kooldioxide uit de atmosfeer en uit de rotsen. Bij het bereiken van de oceaan gebruiken koralen, plankton en andere waterdieren het om te groeien. Deze levende wezens - koralen, plankton en waterdieren - sterven en brengen de koolstof in de bodem

Opslag en circulatie

De CO2 lost op in water en vormt koolzuur (H2CO3), waardoor het calciumcarbonaat van de schalen wordt opgelost en calciumzuurcarbonaat (Ca (HCO3) 2) wordt gevormd. Daarom wordt koolstof gevonden en circuleert het in water voornamelijk als CO2, H2CO3 en Ca (HCO3) 2.

Aan de andere kant onderhouden mariene organismen een constante uitwisseling van koolstof met hun aquatische omgeving via fotosynthese en ademhaling. Ook zijn er grote reserves aan koolstof in de vorm van methaanhydraten op de zeebodem, bevroren door lage temperaturen en hoge drukken.

Vertrek

De oceaan wisselt gassen uit met de atmosfeer, waaronder CO2 en methaan, en een deel daarvan komt vrij in de atmosfeer. Onlangs is een toename van methaanlekkage in de oceaan waargenomen op diepten van minder dan 400 m, zoals voor de kust van Noorwegen.

Door de stijging van de temperatuur op aarde wordt het water verwarmd tot dieptes van niet meer dan 400 m en komen deze methaanhydraten vrij. Een soortgelijk proces vond plaats in het Pleistoceen, waarbij grote hoeveelheden methaan vrijkwamen, de aarde meer opwarmden en het einde van de ijstijd veroorzaakte.

- Sfeervol podium

Kaartjes

Koolstof komt de atmosfeer binnen door de ademhaling van levende wezens en door bacteriële methanogene activiteit. Evenzo door vegetatiebranden (biosfeer), uitwisseling met de hydrosfeer, verbranding van fossiele brandstoffen, vulkanische activiteit en vrijgave uit de grond (geologisch).

Afgifte van geologische koolstof in de atmosfeer door een uitbarstende vulkaan. Auteur: Ciencia1.com

Opslag en circulatie

Koolstof komt in de atmosfeer voornamelijk in gasvorm voor zoals CO2, methaan (CH4) en koolmonoxide (CO). Evenzo kun je koolstofdeeltjes in de lucht vinden.

Vertrek

De belangrijkste koolstofuitstoot van het atmosferische stadium is het CO2 dat oplost in oceaanwater en dat wordt gebruikt bij fotosynthese.

- Biologische fase

Kaartjes

Koolstof komt het biologische stadium binnen als CO2 via het fotosyntheseproces dat wordt uitgevoerd door planten en fotosynthetische bacteriën. Evenzo de Ca2 + en HCO3-ionen die door erosie de zee bereiken en door verschillende organismen worden gebruikt bij de vervaardiging van schelpen.

Planten en micro-organismen nemen koolstofdioxide op uit de atmosfeer en zetten dit via fotosynthese om in zuurstof en energie

Opslag en circulatie

Elke cel en dus ook de lichamen van levende wezens bestaan ​​uit een hoog aandeel koolstof, bestaande uit eiwitten, koolhydraten en vetten. Deze organische koolstof circuleert door de biosfeer via trofische webben van primaire producenten.

Angiospermen, varens, levermossen, mossen, algen en cyanobacteriën nemen het op door fotosynthese. Vervolgens worden deze organismen geconsumeerd door herbivoren, die voedsel zullen zijn voor carnivoren.

Herbivore dieren consumeren planten en geven kooldioxide af in de atmosfeer. Wanneer deze dieren sterven, integreren ze koolstof opnieuw in de grond. Hetzelfde gebeurt met koraal en plankton op de oceaanbodem

Vertrek

De belangrijkste koolstoflekkage van dit stadium naar andere in de koolstofcyclus is de dood van levende wezens die het opnieuw integreren in de bodem, het water en de atmosfeer. Een massale en ingrijpende vorm van koolstofsterfte en -uitstoot zijn bosbranden die grote hoeveelheden CO2 produceren.

Aan de andere kant is de belangrijkste bron van methaan in de atmosfeer de gassen die door vee worden uitgestoten tijdens hun spijsverteringsprocessen. Evenzo is de activiteit van methanogene anaërobe bacteriën die organisch materiaal in moerassen en rijstgewassen afbreken, een bron van methaan.

Belang

De koolstofcyclus is belangrijk vanwege de relevante functies die dit element vervult op planeet Aarde. Zijn evenwichtige circulatie maakt het mogelijk om al deze relevante functies voor het behoud van planetaire omstandigheden te regelen als een functie van het leven.

In levende wezens

Koolstof is het belangrijkste element in de structuur van cellen omdat het deel uitmaakt van koolhydraten, eiwitten en vetten. Dit element is de basis van alle chemie van het leven, van DNA tot celmembranen en organellen, weefsels en organen.

De regulering van de temperatuur op aarde

CO2 is het belangrijkste broeikasgas, dat het mogelijk maakt om een ​​geschikte temperatuur te handhaven voor het leven op aarde. Zonder atmosferische gassen zoals CO2, waterdamp en andere, zou de warmte die door de aarde wordt uitgestoten volledig de ruimte in ontsnappen en zou de planeet een bevroren massa zijn.

Opwarming van de aarde

Aan de andere kant doorbreekt een teveel aan CO2 dat in de atmosfeer wordt uitgestoten, zoals dat momenteel door mensen wordt veroorzaakt, het natuurlijke evenwicht. Hierdoor raakt de planeet oververhit, wat het mondiale klimaat verandert en de biodiversiteit negatief beïnvloedt.

Regulatie van oceanische pH

In water opgeloste CO2 en methaan maken deel uit van het complexe mechanisme om de pH van water in de oceanen te reguleren. Hoe hoger het gehalte aan deze gassen in het water, de pH wordt zuurder, wat negatief is voor het waterleven.

Krachtbron

Steenkool is een essentieel onderdeel van fossiele brandstoffen, zowel minerale steenkool, olie als aardgas. Hoewel het gebruik ervan in twijfel wordt getrokken vanwege de negatieve milieueffecten die het veroorzaakt, zoals wereldwijde oververhitting en het vrijkomen van zware metalen.

Economische waarde

Steenkool is een mineraal dat bronnen van werk en economische winst genereert voor het gebruik ervan als brandstof en de economische ontwikkeling van de mensheid is gebaseerd op het gebruik van deze grondstof. Aan de andere kant is het in zijn gekristalliseerde vorm van diamant, veel zeldzamer, van grote economische waarde voor zijn gebruik als kostbare steen.

Referenties

1. Calow, P. (Ed.) (1998). De encyclopedie van ecologie en milieubeheer.
2. Christopher R. en Fielding, CR (1993). Een overzicht van recent onderzoek in de sedimentologie van de rivier. Sedimentaire geologie.
3. Espinosa-Fuentes, M. De la L., Peralta-Rosales, OA en Castro-Romero, T. Biogeochemische cycli. Hoofdstuk 7. Mexicaans rapport over klimaatverandering, Groep I, Wetenschappelijke bases. Modellen en modellering.
4. Margalef, R. (1974). Ecologie. Omega-edities.
5. Miller, G. en TYLER, JR (1992). Ecologie en milieu. Grupo Hoofdartikel Iberoamérica SA de CV
6. Odum, EP en Warrett, GW (2006). Grondbeginselen van ecologie. Vijfde editie. Thomson.