Universitatea Politehnica Bucuresti Ingineria Sistemelor Biotehnice/Ingineria Mediului

PROIECT BAZELE ECOLOGIEI

CIRCUITUL CARBONULUI IN NATURA

Profesor indrumator: Carmen Otilia Rusanescu

Student: Truica Anne-Marie

Grupa:724

-An universitar 2013/2014-

CUPRINS

Cap.1 CICLUL BIOGEOCHIMIC, GENERALITĂŢI

1.1.CE ESTE UN CICLU BIOGEOCHIMIC

1.2.CARACTERISTICILE UNUI CICLU BIOGEOCHIMIC

1.3.CIRCUITUL HIDROLOGIC

Cap.2 CIRCUITUL BIOGEOCHIMIC AL CARBONULUI

2.1. CARBONUL – ISTORIE ŞI ETIMOLOGIE

2.2. CARACTERISTICI NOTABILE

2.3. COMPUŞI ANORGANICI

2.4. LANŢURI DE CARBON

2.5. IZOTOPI

2.6. CARBONUL, PROPRIETĂŢI FIZICE ŞI CHIMICE

2.7. CICLUL CARBONULUI

2.8 CONCLUZII

2

Cap.1 CIRCUITE BIOGEOCHIMICE, GENERALITĂŢI

1.1CE ESTE UN CICLU BIOGEOCHIMIC

Fluxul de energie nu este doar un simplu transfer de la un individ la altul, de la un

nivel trofic la următorul. Nici circuitul materiei nu reprezintă doar deplasarea în spaţiu a

elementelor chimice. Este vorba de procese complexe în care au loc nu doar circulaţia

materiei şi energiei, dar şi transformarea acestora.

Înainte de apariţia vieţii pe Pământ nu existau decât circuite geochimice.În cadrul

acestor circuite elementele chimice se deplasau lent între cele trei compartimente abiotice

: suprafaţa uscatului şi sedimente, oceanul planetar şi atmosferă. Astfel spre deosebire de

caracterul unidirecţional al fluxului de energie prin ecosisteme, elementele chimice

antrenate în procesele metabolice au o mişcare ciclică, fiind mereu reutilizate, trecând

mereu din materia anorganică (materia nevie) în materie vie şi invers.

Activitatea biochimică a sistemelor vii se manifestă, în linii mari, prin realizarea,

în raport cu mediul , a două funcţii esenţiale: concentrarea (acumularea) şi dispersarea

selectivă a elementelor.

Acumularea biogeochimică realizată de organisme în diferite perioade geologice a

avut ca efect formarea depozitelor sedimentare, terestre sau marine, a unor zăcăminte

minerale. Efectul acumulării biogeochimice actuale devine evident în cazul unor metale

grele sau substanţe toxice, a căror concentrare de-a lunugul lanţurilor trofice poate deveni

periculoasă pentru consumatorii de ordin superior, inclusiv pentru om.

În sistemele vii , elementele chimice participă la realizarea structurilor , a

reacţiilor chimice şi la ciclurile biogeochimice , în mod diferit în funcţie de proprietăţile

lor. Astfel carbonul are o viteză mai mare de circulaţie decît azotul, fosforul şi sulful,

elemente care participă la formarea acizilor nucleici, proteinelor.

În organisme, au fost identificate circa 50 de elemente chimice, diferenţiate prin

participarea lor relativă la formarea substanţelor organice. Categoria cea mai importantă o

3

reprezintă macroelementele, care contribuie cu peste 99%, fapt pentru care sunt

cunoscute sub denumirea de elemente biogene, fiind reprezentate de : carbon, hidrogen,

oxigen, azot, fosfor, sulf.Acestora li se adaugă microelementele : sodiu, calciu, fier,

aluminiu, magneziu, şi ultramicroelementele : As,Mo, Se etc.(Botnariuc N.,)

Fiecare dintre elementele chimice se înglobează într-un ciclu biogeochimic

specific.

1.2 CARACTERISTICILE UNUI CICLU BIOGEOCHIMIC

În circuitul fiecărui element putem deosebi două compartimente ( componente)

sau două categorii de componente : unul sau mai multe rezervoare, de obicei de natură

nebiologică, situate în atmosferă, hidrosferă sau litosferă şi un compartiment de ciclare,

cel biologic, care determină în mod activ procesul de reciclare al elementului dat.

Transferul elementelor chimice dintr-un rezervor în altul se realizează de-a lungul unor

căi de transport. Circuitele au sporit în complexitate o dată cu apariţia biosferei. Aceasta

este extrem de dinamică, preluarea, transformarea, stocarea şi exportarea elementelor

chimice şi a compuşilor realizându-se cu viteză mare. Organismele vii au calitatea de a

acumula selectiv, de a transforma şi dispersa în spaţiu şi timp elementele acumulate,

procesele decurgând mult mai rapid comparativ cu cu cele geochimice. Circuitele care

includ, pe lângă rezervoarele abiotice şi componenta biotică, se numesc circuite

biogeochimice ( se referă la circulaţia elementelor chimice din apă, aer, sol în

organismele vii şi înapoi în mediu).(Cogălniceanu D.,2006)

Dată fiind specificitatea însuşirilor chimice ale fiecărui element, precum şi

specificitatea metabolică a populaţiilor ce alcătuiesc biocenozele, fiecare element are un

circuit caracteristic. Ne referim astfel la circuitele elementelor (carbon, azot, fosfor,

calciu, etc) dar şi la circuitele unor compuşi chimici naturali cum este apa sau sintetici (de

exemplu circuitului pesticidelor). Deşi circuitele diferitelor elemente sunt cel mai adesea

analizate şi prezentate separat, adesea nu se desfăşoară izolate unele faţă de altele, ci sunt

cuplate în adevărate catene biogeochimice.(Cogălniceanu D.,2006)

Societatea umană este unică prin aceea că necesită şi utilizează, pe lângă cele

aproximativ 40 de elemente esenţiale, aproape toate celelalte elemente, dar a inclus în

circuite şi elemente noi, sintetice. Astfel, o serie de metale rare şi tranziţionale, inclusiv

cele radioactive, au fost introduse în cantităţi mari în circuite. O serie de compuşi de

4

sinteză au atins concentraţii semnificative în mediu şi putem vorbi deja de ciclurile lor

biogeochimice.

Circuitele biogeochimice pot fi clasificate după mai multe criterii, dar unul dintre

cele mai importante criterii este cel spaţial, conform căruia circuitele pot fi :

Locale

Regionale

Globale

Înţelegerea problematicii circulaţiei elementelor şi compuşilor chimici este extrem

de utilă pentru reducerea poluării.

Circuitele biogeochimice pot fi studiate cantitativ prin estimarea mai multor

parametri caracteristici :

1. Mărimea rezervoarelor şi respectiv mărimea compartimentului de ciclare

2. Fluxul măsoară cantitatea din elementul respectiv ce tranzitează într-un

interval de timp o anumită cale de transport

3. Perioada de rezidenţă reprezintă timpul cât rămâne o cantitate din elementul

respectiv într-un rezervor sau compartiment şi se estimează pe baza

raportului dintre mărimea rezervorului şi flux.(Cogălniceanu D.,2006)

În natură se pot distinge două mari categorii de circuite biogeochimice globale :

circuite gazoase, în care rezervorul principal al elementelor este atmosfera (ex. Carbounl,

azotul, oxigenul) şi circuite sedimentare, în care rezervorul principal al elementelor îl

reprezintă litosfera.(N. Botnariuc)

Ciclurile gazoase se mai numesc şi cicluri închise sau perfecte, deoarece ieşirile din

rezervor sunt aproximativ echilibrate prin intrări în timp ce pierderile din ciclurile

sedimentare nu sunt echilibrate şi de aceea ele se mai numesc şi deschise sau imperfecte.

Antrenarea elementelor chimice în circuitele biogeochimice este dependentă de

energia radiantă solară ce determină, printre altele, evaporarea apei, circulaţia maselor de

aer şi apă procesele biologice.Unul din ciclurile biogeochimice de bază, ce

interacţionează cu toate celelalte având un rol important în desfăşurarea acestora este

circuitul apei.

5

1.3.CIRCUITUL HIDROLOGIC

Apa este o resursă regenerabilă de imoprtanţă vitală pentru existenţa vieţii pe

Pământ. Oceanul Planetar acoperă 71% din suprafaţa globului şi înmagazinează cea mai

mare parte din rezervele de apă 97%, în gheţari sunt acumulate 2% şi doar 1% reprezintă

apa vehiculată în circuitul hidrilogic şi accesibilă pentru satisfacerea necesităţilor

societăţii umane.

Volumul mediu anual de apă cuprins în circuitul hidrologic este de 500 000km3.De

pe suprafaţa oceanelor se evaporă anual 430 000 km3, iar de pe suprafaţa uscatului 70

000km3. Aproximativ o cincime din energia radiantă solară este consumată anual pentru

evaporarea apei. Soarele acţionează astfel ca o pompă ce trimite apă din hidrosferă,

litosferă şi biosferă în atmosferă. (Cogălniceanu D.,2006)

Cap.2 CIRCUITUL BIOGEOCHIMIC AL CARBONULUI

2.1.CARBONUL – ISTORIE ŞI ETIMOLOGIE

Carbonul a fost descoperit în preistorie şi era cunoscut anticilor, care îl preparau

prin arderea materialului organic în spaţii fără mult oxigen (creând cărbune). Diamantele

au fost întotdeauna considerate rare şi frumoase. Unul dintre ultimii alotropi ai

carbonului, fulerenul, a fost descoperit ca produs secundar în experimente din anii 1980.

Numele său vine din francezul charbone, care, la rândul său, vine din latinescul carbo,

însemnând cărbune. În germană şi olandeză, numele carbonului sunt Kohlenstoff şi,

respectiv, kolstof, ambele însemnând literal "materia (stofa) cărbunelui".

2.2 CARACTERISTICI NOTABILE

Carbonul este un element remarcabil din mai multe motive. Printre formele sale

diferite se numără una dintre cele mai moi (grafit) şi una dintre cele mai dure (diamant)

dintre substanţele cunoscute. Mai mult, are o capacitate deosebită de a forma legături

chimice cu alţi atomi mici, incluzând atomii de carbon, iar mărimea sa îl face capabil de a

forma legături multiple(fig.1). Datorită acestor proprietăţi, carbonul poate forma aproape

zece milioane de compuşi chimici diferiţi. Compuşii de carbon reprezintă baza vieţii pe

Pământ şi ciclul carbon-azot produce o parte din energia radiată de Soare şi de alte stele.

6

În plus, carbonul are cele mai înalte puncte de topire/sublimare dintre toate elementele.

La presiunea atmosferică nu are punct de topire deoarece punctul său triplu este la 10

MPa (100 bari), deci sublimează la peste 4000 K. Astfel, el rămâne solid la temperaturi

mai înalte decât cele mai mari puncte de topire ale metalelor, precum wolframul sau

reniul, indiferent de forma sa alotropică.

Carbonul nu a fost creat în timpul Big Bang-ului, deoarece are nevoie de

producerea unei coliziuni triple de particule alfa (nuclee de heliu). Universul s-a extins

iniţial şi apoi s-a răcit prea repede pentru ca acest lucru să fie posibil. Oricum, este produs

în interiorul stelelor în ramura orizontală, unde un nucleu de heliu este transformat în

carbon prin procesul triplu-alfa. A fost de asemenea creat în stări multi-atomice.

fig.1 Carbonul (http://ro.wikipedia.org/wiki/Imagine:C-TableImage.png)

2.3.COMPUŞI ANORGANICI

Cel mai cunoscut şi important oxid al carbonului este bioxidul de carbon, CO2. Este

o componentă minoră a atmosferei Pământului, produs şi folosit de toate fiinţele vii, şi un

compus volatil în altă parte. În apă formează urme de acid formic, HCO2H, dar ca

majoritatea compuşilor cu mai mulţi atomi de oxigen la un singur carbon este instabil.

Prin acest intermediar, sunt produşi ioni carbonaţi. Unele minerale importante sunt

carbonaţii, precum calcitul. Disulfura de carbon, CS2, este similară.

7

Alţi oxizi sunt monoxidul de carbon, CO, şi neobişnuitul suboxid de carbon, C3O2.

Monoxidul de carbon se formează prin combustie incompletă şi este un gaz incolor şi

inodor. Fiecare moleculelă conţine o legătură triplă, care este foarte puţin polară,

rezultând tendinţa de a se ataşa permanent de moleculele de hemoglobină, deci gazul este

foarte otrăvitor.

Cinura, CN are o structură similară şi se comportă ca un ion halid; (CN)2, este

înrudită.Cu metalele reactive, precum wolframul, carbonul formează fie carburi, C-, fie

acetilide, C22-, aliaje cu puncte de topire foarte înalte. Aceşti anioni sunt de asemenea

asociaţi cu metanul şi acetilena, ambii fiind acizi foarte slabi. Cu o electronegativitate de

2,5, carbonul formează de obicei legături covalente. Unele carburi au matrice covalente,

de exemplu carborundul, SiC, care seamănă cu diamantul.

2.4.LANŢURI DE CARBON

Carbonul are capacitatea de a forma lanţuri lungi cu legături C-C. Această

proprietate se numeşte concatenare. Legăturile carbon-carbon sunt destul de puternice şi

anormal de stabile. Această caracteristică este importantă deoarece permite carbonului să

formeze un număr foarte mare de compuşi; de fapt, există mai mulţi compuşi chimici

care conţin carbon decât toţi compuşii celorlalte elemente chimice la un loc.Cea mai

simplă formă de moleculă organică este hidrocarbura - o familie mare de molecule

organice care, prin definiţie, sunt compuşi din atomi de hidrogen legaţi de un lanţ de

atomi de carbon. Lungimea catenei, catenele laterale (ramificaţii) şi grupele funcţionale

influenţează proprietăţile moleculelor organice.

2.5.IZOTOPI

Carbonul are doi izotopi naturali stabili: carbon-12, sau 12C, (98.89%) şi carbon-13,

sau 13C, (1.11%), şi un radioizotop natural, dar instabil, carbon-14 sau 14C. Există 15

izotopi cunoscuţi ai carbonului, iar cel care există cel mai puţin este 8C, care dispare prin

emisie de protoni şi degradare alpha. Are un timp de înjumătăţire de 1,98739x10-21. În

1961, Uniunea Internaţională de Chimie Pură şi Aplicată a adoptat izotopul carbon-12 ca

8

bază pentru greutăţile atomice.Carbonul-14 are un timp de înjumătăţire de 5730 ani şi

este folosit intens pentru datarea materialelor pe bază de carbon

2.6.CARBONUL, PROPRIETĂŢI FIZICE ŞI CHIMICE

Carbonul are simbolul C, element crucial al existenţei organismelor şi care are mai

multe aplicaţi industriale. Numărul atomic al C este 6; elementul este in gr. a IV al

sistemului periodic al elementelor. Greutatea atomică a C este 12,01115. Cele 3 stări

naturale ale carbonului sunt- diamantul, grafitul si carbonul amortiu -ele sunt solide cu o

temperatură de topire extrem de ridicată şi sunt insolubile în toţi solvenţii la temperaturi

normale. Proprietăţile fizice ale celor 3 tipuri de C nu prea diferă din cauza diferenţelor în

structura cristalină. În diamant, cel mai dur material cunoscut, fiecare atom este în

legătură cu alţi 4 atomi într-un schelet 3D(fig 2), grafitul consistă în legături săptămânale

de straturi de atomi care sunt aranjaţi în hexagon (fig.3). C amorfiu este caracterizat de un

grad scăzut de cristalinitate. C amorfiu pur poate fi obţinut prin încălzirea zahărului la

900 grade în absenţa aerului. C are abilitatea unică de a face legături cu alţi atomi de C

pentru a forma, lanturi si inele complexe. Această proprietate duce la un număr aproape

infinit de compuşi ai carbonului cel mai comun element fiind cel care conţine C şi

H2.Primii compuşi ai C au fost identificaţi în materia vie la începutul sec 19. La

temperaturi normale C are o radioactivitate scăzută. La temperaturi ridicate reacţioneaza

cu aproape toate metalele pentru a forma carburi, iar cu oxigenul formează monoxidul de

carbon si dioxidul de carbon. De asemenea carbonul formeaza compusi cu multe

elemente nemetalice desi unele ca si C tetraclorid trebuie format indirect.

9

fig.2 Forma de diamante a carbonului (http://ro.wikipedia.org/wiki/Diamant)

fig.3 Forma de grafit a carbonului (http://ro.wikipedia.org/wiki/Grafit)

C nu este un element răspândit în natura deşi este într-un procent de 0,025% din

atmosfera Pământului. Se găseşte cel mai des sub forma de carbonat. CO2 este un compus

important al atmosferei şi este principala sursă de carbon încorporat în materia vie .

Plantele folosind fotosinteza transformă CO2 în compuşi organici de carbon care este

consumat de alte organisme

2.7.CICLUL CARBONULUI

Ciclul carbonului e important pentru viaţa pe Pămînt deoarece este in legătură cu

schimbările climatice, cu ciclul hidrologic, cu ciclul nutrienţilor precum şi cu biomasa

produsă în urma fotosintezei pe sol sau în oceane. Pentru a înţelege mai bine importanţa

acestui element precum şi a ciclului său în natură, trebuie mai întâi să înţelegem cu

„ funcţionează” mediul înconjurător şi cum reacţionează oamenii în viaţa de zi cu zi.

Carbonul nu face parte din elementele cele mai răspândite în natură : din numărul

total de atomi ai scoarţei Pământului, atomii de carbon reprezintă numai 0,14

%.Participarea lor la constituţia chimică a materiei vii le conferă însă o importanţă majoră

şi caracterul de element omniprezent. Dar carbonul şi compuşii săi joacă un rol

10

excepţional nu numai în existenţa biosferei, ci şi în existenţa stelelor.Migraţia ciclică pe

care atomii de carbon o realizează astfel prin sistemele lipsite de viaţă şi prin cele

biologice constituie unul dintre cele mai însemnate cicluri biogeochimice, ciclu ce poate

fi reprezentat ca un sistem multicompartimentat, sistem cu şase

compartimente( rezervoare): 1)stratosfera , 2)troposfera, 3) biosfera , 4) humusul,

5)stratul mixt al mărilor şi oceanelor şi 6) stratul adânc al oceanelor.

Rolul biologic al carbonului , ca şi rolul lui în ecologia globală a ecosferei este de

prim rang.

Structura atomului de carbon este de aşa natură încât permite îndeplinirea a două

funcţii esenţiale : în primul rând această stuctură face posibilă legarea atomilor de C între

ei , prin legături simple sau duble, putând forma lanţuri sau cicluri de atomi care

constituie „scheletul” tuturor moleculelor şi macromoleculelor organice. În al doilea rând,

această structură îi permite să reacţioneze cu late elemente atât prin cedarea de electroni (

forma oxidată , de pildă, prin unirea cu O, care tinde să capteze electroni), cât şi prin

acceptarea de electroni ( forma redusă, de pildă, prin unirea cu H, care pierde mai uşor

electronul său). De exemplu unirea atomului de C cu atomul de H duce la eliberarea a

99kcal, energia care devine disponibilă pentru diferitele necesităţi ale organismelor. Din

acelaşi motiv compuşii carbonului ( combustibili fosili) reprezintă până în prezent ,

principala sursă de energie pentru nevoile omenirii.

Rolul ecologic global al carbonului nu este mai puţin important. Carbonul din

atmosferă sub formă de CO2, reprezintă un ecran care opreşte radiaţiile termice, infraroşii,

emise de suprafaţa Pământului, determinând aşa numitul „efect de seră” al cărui

intensitate depinde de concentraţia CO2 din atmosferă. Pe această cale CO2 influenţează

condiţiile climatice globale.

În hidrosferă, CO2 dizolvat formează acidul carbonic , care combinat cu Ca dă

carbonat şi bicarbonat. Transformarea reversibilă CaCO3 – Ca(HCO3)2 devine

mecanismul principal de tamponare a variaţiilor ph-ului din mediul acvatic.

În ciclul biogeochimic al C există câteva rezervoare . atmosfera conţine circa 700

109 t carbon,sub formă de CO2 care se află în permanent schimb cu biosfera şi cu

hidrosfera. Biosfera conţine aproximativ 800 109 t, deci ceva mai mult decât atmosfera.

Humusul şi turba reprezintă un uriaş rezervor de carbon , conţinând între 1000 109 şi

11

3000 109t . Apa oceanelor conţine şi mai mari cantităţi de carbon. Sub formă de

carbonaţi în sistemul carbonaţi – bicarbonaţi, cantiatea de carbon se ridică la 40 000 109

t, iar sub formă de substanţă organică dizolvată 3 000 109 t.

Deşi rezervele de combustibil fosil nu se cunosc cu exactitate, conţinutul lor în C se

estmiează în prezent la 10 1012 t. Cel mai mare rezervor de C îl reprezintă sedimentele

de carbonaţi ( calcare, dolomite) al căror conţinut în C este estimat la 20 1015 t.

Transferul C de la un rezervor la altul se datorează atât unor procese biologice cât

şi interacţiunii lor cu procesele fizico-chimice.

Două procese biologice au rol esenţial în acest transfer : fotosinteza, prin care CO2

din atmosferă sau apă e încorporat în plante, transformat în substanţe organice şi

respiraţia prin care acelaşi compus este restituit atmosferei sau hidrosferei.

6CO2 + 6H2O + E (energie solară) → C6H12O6 + 6O2 fotosinteză

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + E (energie) respiraţie

În linii mari, în condiţii naturale normale aceste două procese se echilibrează

reciproc constituind un sistem tampon esenţial care menţine relativ constantă concentraţia

de CO2 din atmosferă.Desigur, fixarea carbonului prin fotosinteză depăşeşte cantitatea de

carbon eliberată în procesul respiraţiei, diferenţa reprezentând producţia netă a plantelor.

Echilibrarea se datorează faptului că producţia primară netă este parţial consumată, direct

sau indirect de consumatori de diferite ordine şi oxidată până la CO2 şi H2O, iar partea

neconsumată – cadavrele atât ale producătorilor primari cât şi ale celor secundari – este

degradată treptat de grupul descompunătorilor, cu eliminare de CO2 în apă şi atmosferă.

În mod natural tendinţele de schimbare a concentraţiei de CO2 din atmosferă sunt

autoreglate. Dacă apare o tendinţă de creştere a CO2 din atmosferă intervine conexiunea

inversă negativă frânând această tendinţă pe două căi : pe de o parte creşte consumul de

CO2 în procesul fotosintezei plantelor terestre, pe de altă parte , creşterea tensiunii CO2

din atmosferă duce la sporirea cantităţii gazului solvit în apă, unde o mai mare cantitate

de carbonaţi se transformă în bicarbonaţi. CO2 solvit în apă, ca şi cel din bicarbonaţi ,

poate fi folosit de plantele acvatice.

12

Imperfecţiunea acestui circuit constă în faptul că din el se produc „scurgeri” de C şi

aceasta pe două căi mai importante : depunerea carbonului în sedimente, sub formă de

carbonaţi provenind din formaţiuni scheletice, şi formarea zăcămintelor de combustibili

fosili (turbă, cărbuni, de pământ, petrol). Pe cale naturală, revenirea în circuit a

carbonului din aceste formaţiuni geologice este doar parţială şi se produce în timp

îndelungat, chiar din punct de vedere geologic, prin proces de orogeneză, când

formaţiunile respective ajung la suprafaţă şi sunt supuse proceselor de dezagregare

chimică şi eroziune.

Bilanţul circuitului global al C, deşi serveşte drept model al circuitelor

biogeochimice echilibrate pare a fi destul de instabil, mai ales în perioade mari de timp.

Modelarea matematică a circuitului gobal al C în ecosferă arată posibilitatea unor

oscilaţii de lungă durată a concentraţiei de C. De asemenea, din model se constată că

sistemul atmosferă – plantele terestre- solul, are capacitatea de atenuare a influenţelor

antropogene asupra concentraţiei acestui element.

Nu se cunoaşte valoarea reală a schimburilor de CO2 dintre apa oceanului şi

atmosferă. Această valoare depinde de numeroşi factori : tensiunea parţială a CO2 din aer

şi din apă, la rândul ei tensiunea CO2 din apă depinde de intensitatea fotosintezei

fitoplanctonului care şi ea este influenţată de lumina incidentă, de temperatură, de

cantitatea de nutrienţi din apă, de cantitatea şi activitatea consumatorilor.. De asemenea

concentraţia de CO2 din păturile superficiale depinde de intensitatea activităţii

descompunătorilor ( bacterii) şi de intensitatea schimburilor cu straturile mai adânci ale

apei care conţin cantităţi mari de substanţă organică dizolvată.

Măsurătorile arată că proporţia de CO2 din atmosfera diferitelor regiuni ale globului

variază puţin, ca şi în limitele grosimii troposferei. Există o uşoară creştere a CO2 în zona

ecuatorială şi o scădere la latitudini mari. Explicaţia acestui gradient constă în

solubilitatea mai mare a CO2 în apele polare reci decât în apa caldă , fapt care determină o

scădere a CO2 din atmosferă.Excesul de CO2 din apele reci este transportat treptat spre

sud prin curenţi de adâncime, spre zonele mai calde unde este degajat apoi în atmosferă.

Cantitatea de CO2 transportată pe această cale dinspre polul nord spre ecuator este

estimată la 2 1010 t/an .

13

Rolul vegetaţiei terestre nu este nici el constant în circuitul global al C. În mod

normal, vegetaţia terestră, forestieră, datorită producţiei primare nete ridicate este

aspirator de CO2 din atmosferă. Dar, în cursul evoluţiei geologice- schimbările de climă,

extinderi ale zonelor secetoase, transgresiuni sau regresiuni ale apelor oceanice,

activitatea vulcanică, dacă ducea la restrângerea pădurilor sau pe alte căi, puteau

determina creşteri ale concentraţiei de CO2 din atmosferă şi din contră extinderea

pădurilor putea avea efect invers.

Studiul activităţii vulcanice din Paleozoic până în prezent,făcut pe baza variaţiei

cantităţii rocilor de origine vulcanică, arată că intensitatea vulcanismului se schimbă

ritmic aproximativ la 100 milioane ani.În acelaşi timp, detreminarea concentraţiei de CO2

din atmosferă, făcută pe baza evaluării cantităţii de CO2 fixate în calcare, arată că variaţia

acestei concentraţii corespundea cu vriaţia intensităţii vulcanismului. Mersul curbei arată

că pe la mijlocul Cretacicului a început scăderea concentraţiei CO2 din atmosferă şi ea s-a

accentuat în Oligocen şi mai ales în Pliocen şi Pleistocen, fapt care a dus la scăderea

temperaturii la suprafaţa pământului şi la aparţia glaciaţiunilor.

În etapa antropogenă şi mai ales de când a început perioada industrializării, deci de

acum aproximativ 200 ani, influenţa activităţii umane se face resimţită tot mai mult

asupra circuitului global al carbonului.

2.7. CICLUL BIOGEOCHIMIC AL CARBONULUI ÎN MEDIUL MARIN

Carbonul este al patrulea element ca abundenţă din Univers, după hidrogen, heliu şi

oxigen este „piatra de temelie” vieţii de Pămînt. Este elementul ce apare în toate

substanţele organice de la combustibilii fosili până la ADN. Pe Terra, carbonul se

deplasează prin geosfere într-un ciclu biogeochimic majpor.

Ciclul carbonului este relativ simplu, acesta se bazează în principal pe dioxidul de

carbon, care reprezintă numai 0,03% din atmosferă pământului.Acest ciclu presupune

conversia CO2 anorganic în compuşi organici şi remineralizarea ulterioară în CO2. De

aceea, se numeşte ciclu biogeochimic, presupune deci, circuitul unui element chimic atât

prin sisteme biologice cât şi prin sisteme geologice. Ciclul global al carbonului poate fi

împărţit în în două categorii : ciclul geologic, care operează la o scară mare de timp

14

( milionae de ani), şi ciclul biogeochimic, crar operează la o scară mult mai mică (de la

zile la mii de ani)

Cilclul gelologic- miliarde de ani în urmă, corpuri mici care s-au format din

nebuloasa solară şi meteoriţi ce conţineau carbon au bombardat suprafaţa planetei

noastre, ca urmare conţinutul în carbon al Pământului s- a îmbogăţit continuu.Încă de

atunci, acidul carbonic, a fost încet, dar contiunuu combinat cu calciu şi magneziu în

scoarţa Pămîntului şi a format carbonaţi insolubili. Apoi, prin eroziune carbonaţii au fost

transportaţi în ocean şi depuşi pe fundu ceanic. Ciclul continuă pe măsura ce aceştia sunt

introduşi în manta prin subducţia plăcilor litosferice la marginea platourilor continentale

şi este reintrodus în atmosferă ca CO2 în timpul erupţiilor vulcanice. Acest întreg

mecanism controlează concentraţia de CO2 din atmosferă pe perioade de sute de milioane

de ani. Sedimentele foarte vechi sugerează că înainte de a evoula viaţa pe Pământ,

concentraţia de CO2 putea fi de o sută de ori mai mare decât în prezent ceea ce ar fi

produs un puternic efect de seră.Pe de altă parte, probe din calotele de gheaţă din

Antarctica şi Groenlanda au condus la ipoteza că în timpul ultimei perioade glaciare

concentraţia de CO2 era de numai jumătate faţă de cea din prezent.

Ciclul biogeochimic- activitatea biologică joacă un rol important în circulaţia

carbonului în şi din pământ şi ocean prin procesul de fotosinteză şi prin respiraţie.

Respiraţia utilizează carbohidraţi şi oxigen şi elimină CO2, apă şi energie. Fotosinteza, ia

CO2 şi apă şi produce carbohidraţi şi oxigen. Ceea ce se produce prin respiraţie se

consumă prin fotosinteză şi invers. Reacţiile sunt complementare şi se realizează cu

transfer de energie. Fotosinteza se bazează pe energia solară şi o stochează în

carbohidraţi, iar respiraţia eliberează acestă energie.

Fotosinteza şi respiraţia joacă un rol important în ciclul geologic de lungă durată a

carbonului. În oceane, o parte din carbon este luată de fitoplancton pentru a-şi construi

ţesuturile din carbonat de calciucare după maortea acestora este înmagazinat pe fundul

mării şi formează sedimentele.De-a lungul timpului, când fotosinteza depăşeşte respiraţia,

materia organică se acumulează timp de milioane de ani şi formează depozite de cărbuni

15

şi petrol. Toate aceste procese mediate reprezintă circuitul CO2 din atmosferă şi stocarea

carbonului în sedimentele geologice.

Cantitatea de totală de carbon anorganic dizolvat în oceane este de 50 de ori mai

mare decât în atmosferă şi la scară milenară oceanele determină concentraţia atmosferică

de CO2 şi nu invers.Atmosfera schimbă permanent dioxid de carbon cu apa oceanică,

schimbul având loc la suprafaţa oceanului. Acest schimb, care însumează 90 gigatone de

C pe an în fiecare direcţie, conduce la o rapidă echilibrare a atmosferei cu suprafatţa

apei.În urma dizolvării în apă , CO” formează un acid slab care reacţionează cu anionii

carbonaţi şi apa pentru a forma bicarbonaţi.Capacitatea sistemului carbonatic oceanic de

a compensa schimbările concentraţiei CO2 este limitată şi depinde de adaosul de cationi

de la descompunerea relativ lentă a rocilor. Deoarece rata emisiilor de CO2 antropogenic

este cu câteva ordine de magnitudine mai mare decât sursa de cationi minerali, în timp de

cîteva milenii capacitatea suprafeţei oceanelor de a absoarbe CO2 va scădea în mod

inevitabil pe măsură ce concentraţia gazelor va creşte. Concentraţia C organic total

dizolvat în ocean creşte semnificativ sub 300 m adâncime, unde aceasta rămâne evident

deasupra valorii echilibrului suprafaţa oceanică-atmosferă în toate bazinele oceanice.

Concentraţia mare a C anorganic în interiorul oceanului rezultă din combinarea a două

procese fundamentale : „pompa solubilităţii” şi „pompa biologică”. Eficienţa pompei

solubilităţii depinde de circulaţia termohalină şi de schimbările sezoniere latitudinale în

ventilarea oceanică. Dioxidul de C e mult mai solubil în ape reci şisaline şi de aceea

reţinerea CO2 atmosferic în interiorul oceanului este controlat de formarea maselor de

apă reci, cu densitate mare, la latitudini mari.

Procesele biologice contribuie de asemenea la absorbţia de CO2 atmosferic în

ocean.Fotosinteza fitoplanctonului consumă CO2 determinând scăderea presiunii parţiale

a acestuia în partea superioară a oceanului şi în consecinţă susţine absorbţia CO2 din

atmosferă. Aproximativ 25% din C fixat în partea superioară a oceanului se scufundă în

interiorul acestuia unde este oxidat prin respiraţia heterotrofică microbiană, crescând

concentraţia carbonului anorganic dizolvat. Exportul carbonului organic de la suprafaţă

spre interiorul oceanului în prezent însumează 11-16 Gt C/an. Acest proces menţine

concentraţia CO2 atmosferic la o valoare mai mică cu 150-200 ppmv(parts per million by

16

volume), decât ar fi dacă tot fitoplanctonul din ocean ar dispărea. În adiţie la pompa

biologică organică, câteva specii de fito- şi zooplancton formează teste de CaCO3 care se

scufundă în adâncul oceanului, unde o parte din acestea se dizolvă. Acest ciclu al C

anorganic conduce la o reducere a C anorganic dizolvat la suprafaţa oceanului faţă de

adâncime şi de aceea se numeşte şi „pmpa carbonatică”.Procesul de precipitare a

carbonaţilor creşte totuşi presiunea parţială a CO2. De aici, de- a lungul câtorva secole, în

timp ce pompa caronatică scade, concentraţia C anorganic dizolvat în partea superioară a

oceanului, produce simultan o difuziune a CO2 dinspre ocean spre atmosferă.

Sursa de C şi fixarea acestuia : producţia de C în stratul de la suprafaţa oceanului

este influenţată de lumina solară şi de către nutrienţi. Nutrienţi sunt furnizaţi fie din surse

terestre, fie prin remineralizarea în masa de apă. C care e fixat în zona fotică este

scufundat spre adâncimile mari unde remineralizarea este intensă. Cantitatea C

transportat spre adâncuri este limitată de către nutrienţi şi lumina solară disponibilă în

aceeaşi măsură ca şi C din apele de suprafaţă. În partea marginală a oceanelor, dinamica

curenţilor şi vântul produc procesul de upwelling, care aduc înapoi spre suprafaţă

nutrienţi remineralizaţi. Productivitatea care este adesea limitată de concentraţia scăzută a

nutrienţilor în zona fotică, va fi simulată de aceste materiale care au suferit procesul de

upwelling. Astfel, zonele costiere pot recepţiona cantităţi mari de nutrienţi şi carbon de la

straturile profunde de apă. Acesată legătură dinamică între straturileadânci şi cele

superioare ale coloanei de apă precum şi legătura cu sursa de nutrienţi terestră, explică

rata mare a productivităţii care se înregistrează în zonele marginale ale oceanului.

În microstratul de la suprafaţă, în primii milimetri, productivitatea neustonică pe

unitatea de volum poate fi mult mai mare decât productivitatea planctonică în stratul de

dedesubt. C poate creşte de 4-16 ori faţă de stratul imediat inferior. Acest microstrat ,

datorită poziţiei sale între atmosferă şi ocean şi a creşterii biomasei şi activităţii

microbiene poate fi un factor important în calcularea fluxului C între atmosferă şi ocean.

În adiţie la fluxurile naturale de C, prin activităţile antropogenice în special arderea

combustibililor fosili şi defrişările, se eliberează un surplus de CO2 în atmosferă. Datorită

acestui fapt concentraţia CO2 atmosferic este astăzi mult mai mare decât era înainte de

17

perioada antropogenă.Totuşi, nu tot CO2 emis în urma activităţilor umane rămâne în

atmosferă.Oceanele absorb o parte din acestea. De exemplu din figură se poate observa

că arderea combustibililor fosili eliberează aproximativ 5Gt de C pe an în atmosferă şi că

prin defrişare se contribuie cu 1,6 Gt C/an.(fig 4)

fig.4. Diagrama ciclului carbonului care arată rezervele de carbon precum şi schimburile de gaze între atmosferă hidrosferă şi geosferă în gigatone de C.Omenirea adaugă la acest ciclu cam 5,5 miliarde de tone de dioxid de carbon pe an, în cea mai mare parte fiind eliberată în atmosferă. (Source: NASA)

2.8. CONCLUZII

Dintre toate elementele din tabelul periodic, carbonul este cel mai remarcabil şi este

uneori numit baza vieţii pe Pământ.Carbonul este un element chimic nemetalic, larg

răspândit, unul dintre elementele chimice esenţiale ale materiei vii şi ale compuşilor

chimici organici şi anorganici. Datorită proprietăţilor sale, are capacitatea de a forma

diferiţi compuşi, cu o importanţă majoră în mediul înconjurător. Astfel ca şi element

18

chimic, pe baza C14 se poate face datarea organismelor, stabilirea vârstei vestiigilor

materiale , prin analiza realizată prin descompunerea cantităţii de CO2 care se află în

obiectele respective.

Un alt rol important al C îl constituie - ciclul carbonului în natrură,care este

reprezentat de totalitatea următoarelor procese : în timpul fotosintezei, atomii de C din

dioxidul de carbon intră în compuşii organici din plante; aici ei sunt transformaţi în

dioxid de carbon în urma reacţiilor de oxidare, în cadrul schimbului de substanţe de către

plante; ierbivorele care consumă plantele preiau acest compus, care ajunge apoi la nivelul

carnivorelor ce se hrănesc cu ierbivorele şi eliberează carbon, care intră din nou în acest

ciclu.

Dintre compuşii anorganici ai C, CO2 şi CO sunt cei mai importanţi.CO2 există în

stare naturală în aer( reprezintă 0,2-0,3% din totalul de C accesibil)), în urma arderilor de

materie organică sau a putrezirii şi descompunerii acesteia. În ţesuturile animale, CO2

este rezultat în urma proceselor metabolice de ardere internă, după care e eliminat în

atmosferă. De aici e preluat şi absorbit din atmosferă de către apa mării şi de plante şi

descompus de clorofilă în procesul de fotosinteză, din care rezultă C şi O.Această

creştere continuă a CO2 contribuie la efectul de seră şi duce la încălzirea globală. Un alt

gaz, CO este toxic şi este eliberat împreună cu gazele de eşapament, precum şi în urma

proceselor obişnuite de ardere gazelor sau în fumul de ţigară.

Ciclul biogeochimic al C relevă faptul că în cea mai mare parte (95%) din acest

element se află depozitat în litosferă, sub formă de carbonat de calciu şi alţi carbonaţi,

deci într-o formă mai puţin accesibilă.

19

BIBLIOGRAFIE

1. Botnariuc N., Vădineanu A., „Ecologie”, Ed.Didactică şi

Pedagogică, Bucureşti, 1982

2. Cogălniceanu D., „Principiile ecologiei sistemice, note de

curs”, Constanţa, 2006

3. Gomoiu T.M., „Sisteme supraindividuale – note de curs”,

Constanţa, 2007

4. Soran V., Borce M., „Omul şi biosfera”, Ed. Ştiinţifică şi

Enciclopedică, Bucureşti, 1985

5. http://ro.wikipedia.org

6. http://earthobservatory.nasa.goy

7. http://www.globalcarbonproject.org/

8. Enciclopedia „Arborele Lumii”

20