Ciclul Carbonului in Natura

Universitatea Ovidius, Constana

Facultatea de tiine ale Naturii i tiine Agricole

Specializarea Ecologie i Protecia Mediului, Anul III

CICLURI BIOGEOCHIMICE

CICLUL CARBONULUI

Profesor ndrumtor,

Galatchi Liviu-Daniel

CUPRINS

Cap.1 CICLUL BIOGEOCHIMIC, GENERALITI

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 I ETIMOLOGIE

2.2. CARACTERISTICI NOTABILE 2.3. COMPUI ANORGANICI 2.4. LANURI DE CARBON

2.5. IZOTOPI

2.6. CARBONUL, PROPRIETI FIZICE I CHIMICE

2.7. CICLUL CARBONULUI 2.8 CONCLUZII

Cap.1 CIRCUITE BIOGEOCHIMICE, GENERALITI

1.1CE ESTE UN CICLU BIOGEOCHIMICFluxul de energie nu este doar un simplu transfer de la un individ la altul, de la un nivel trofic la urmtorul. Nici circuitul materiei nu reprezint doar deplasarea n spaiu a elementelor chimice. Este vorba de procese complexe n care au loc nu doar circulaia materiei i energiei, dar i transformarea acestora.

nainte de apariia vieii pe Pmnt nu existau dect circuite geochimice.n cadrul acestor circuite elementele chimice se deplasau lent ntre cele trei compartimente abiotice : suprafaa uscatului i sedimente, oceanul planetar i atmosfer. Astfel spre deosebire de caracterul unidirecional al fluxului de energie prin ecosisteme, elementele chimice antrenate n procesele metabolice au o micare ciclic, fiind mereu reutilizate, trecnd mereu din materia anorganic (materia nevie) n materie vie i invers.

Activitatea biochimic a sistemelor vii se manifest, n linii mari, prin realizarea, n raport cu mediul , a dou funcii eseniale: concentrarea (acumularea) i dispersarea selectiv a elementelor.

Acumularea biogeochimic realizat de organisme n diferite perioade geologice a avut ca efect formarea depozitelor sedimentare, terestre sau marine, a unor zcminte minerale. Efectul acumulrii biogeochimice actuale devine evident n cazul unor metale grele sau substane toxice, a cror concentrare de-a lunugul lanurilor trofice poate deveni periculoas pentru consumatorii de ordin superior, inclusiv pentru om.

n sistemele vii , elementele chimice particip la realizarea structurilor , a reaciilor chimice i la ciclurile biogeochimice , n mod diferit n funcie de proprietile lor. Astfel carbonul are o vitez mai mare de circulaie dect azotul, fosforul i sulful, elemente care particip la formarea acizilor nucleici, proteinelor.

n organisme, au fost identificate circa 50 de elemente chimice, difereniate prin participarea lor relativ la formarea substanelor organice. Categoria cea mai important o reprezint 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 adaug microelementele : sodiu, calciu, fier, aluminiu, magneziu, i ultramicroelementele : As,Mo, Se etc.(Botnariuc N.,)

Fiecare dintre elementele chimice se nglobeaz ntr-un ciclu biogeochimic specific.

1.2 CARACTERISTICILE UNUI CICLU BIOGEOCHIMICn circuitul fiecrui element putem deosebi dou compartimente ( componente) sau dou categorii de componente : unul sau mai multe rezervoare, de obicei de natur nebiologic, situate n atmosfer, hidrosfer sau litosfer i un compartiment de ciclare, cel biologic, care determin n mod activ procesul de reciclare al elementului dat. Transferul elementelor chimice dintr-un rezervor n altul se realizeaz de-a lungul unor ci de transport. Circuitele au sporit n complexitate o dat cu apariia biosferei. Aceasta este extrem de dinamic, preluarea, transformarea, stocarea i exportarea elementelor chimice i a compuilor realizndu-se cu vitez mare. Organismele vii au calitatea de a acumula selectiv, de a transforma i dispersa n spaiu i timp elementele acumulate, procesele decurgnd mult mai rapid comparativ cu cu cele geochimice. Circuitele care includ, pe lng rezervoarele abiotice i componenta biotic, se numesc circuite biogeochimice ( se refer la circulaia elementelor chimice din ap, aer, sol n organismele vii i napoi n mediu).(Coglniceanu D.,2006)

Dat fiind specificitatea nsuirilor chimice ale fiecrui element, precum i specificitatea metabolic a populaiilor ce alctuiesc biocenozele, fiecare element are un circuit caracteristic. Ne referim astfel la circuitele elementelor (carbon, azot, fosfor, calciu, etc) dar i la circuitele unor compui chimici naturali cum este apa sau sintetici (de exemplu circuitului pesticidelor). Dei circuitele diferitelor elemente sunt cel mai adesea analizate i prezentate separat, adesea nu se desfoar izolate unele fa de altele, ci sunt cuplate n adevrate catene biogeochimice.(Coglniceanu D.,2006)

Societatea uman este unic prin aceea c necesit i utilizeaz, pe lng cele aproximativ 40 de elemente eseniale, aproape toate celelalte elemente, dar a inclus n circuite i elemente noi, sintetice. Astfel, o serie de metale rare i tranziionale, inclusiv cele radioactive, au fost introduse n cantiti mari n circuite. O serie de compui de sintez au atins concentraii semnificative n mediu i putem vorbi deja de ciclurile lor biogeochimice.

Circuitele biogeochimice pot fi clasificate dup mai multe criterii, dar unul dintre cele mai importante criterii este cel spaial, conform cruia circuitele pot fi :

Locale

Regionale

Globale

nelegerea problematicii circulaiei elementelor i compuilor chimici este extrem de util pentru reducerea polurii.

Circuitele biogeochimice pot fi studiate cantitativ prin estimarea mai multor parametri caracteristici :

1. Mrimea rezervoarelor i respectiv mrimea compartimentului de ciclare

2. Fluxul msoar cantitatea din elementul respectiv ce tranziteaz ntr-un interval de timp o anumit cale de transport

3. Perioada de reziden reprezint timpul ct rmne o cantitate din elementul respectiv ntr-un rezervor sau compartiment i se estimeaz pe baza raportului dintre mrimea rezervorului i flux.(Coglniceanu D.,2006)

n natur se pot distinge dou mari categorii de circuite biogeochimice globale : circuite gazoase, n care rezervorul principal al elementelor este atmosfera (ex. Carbounl, azotul, oxigenul) i circuite sedimentare, n care rezervorul principal al elementelor l reprezint litosfera.(N. Botnariuc)

Ciclurile gazoase se mai numesc i cicluri nchise sau perfecte, deoarece ieirile din rezervor sunt aproximativ echilibrate prin intrri n timp ce pierderile din ciclurile sedimentare nu sunt echilibrate i de aceea ele se mai numesc i deschise sau imperfecte.

Antrenarea elementelor chimice n circuitele biogeochimice este dependent de energia radiant solar ce determin, printre altele, evaporarea apei, circulaia maselor de aer i ap procesele biologice.Unul din ciclurile biogeochimice de baz, ce interacioneaz cu toate celelalte avnd un rol important n desfurarea acestora este circuitul apei.

1.3.CIRCUITUL HIDROLOGICApa este o resurs regenerabil de imoprtan vital pentru existena vieii pe Pmnt. Oceanul Planetar acoper 71% din suprafaa globului i nmagazineaz cea mai mare parte din rezervele de ap 97%, n gheari sunt acumulate 2% i doar 1% reprezint apa vehiculat n circuitul hidrilogic i accesibil pentru satisfacerea necesitilor societii umane.Volumul mediu anual de ap cuprins n circuitul hidrologic este de 500 000km3.De pe suprafaa oceanelor se evapor anual 430 000 km3, iar de pe suprafaa uscatului 70 000km3. Aproximativ o cincime din energia radiant solar este consumat anual pentru evaporarea apei. Soarele acioneaz astfel ca o pomp ce trimite ap din hidrosfer, litosfer i biosfer n atmosfer. (Coglniceanu D.,2006)

Cap.2 CIRCUITUL BIOGEOCHIMIC AL CARBONULUI2.1.CARBONUL ISTORIE I ETIMOLOGIE

Carbonul a fost descoperit n preistorie i era cunoscut anticilor, care l preparau prin arderea materialului organic n spaii fr mult oxigen (crend crbune). Diamantele au fost ntotdeauna considerate rare i frumoase. Unul dintre ultimii alotropi ai carbonului, fulerenul, a fost descoperit ca produs secundar n experimente din anii 1980. Numele su vine din francezul charbone, care, la rndul su, vine din latinescul carbo, nsemnnd crbune. n german i olandez, numele carbonului sunt Kohlenstoff i, respectiv, kolstof, ambele nsemnnd literal "materia (stofa) crbunelui".2.2 CARACTERISTICI NOTABILECarbonul este un element remarcabil din mai multe motive. Printre formele sale diferite se numr una dintre cele mai moi (grafit) i una dintre cele mai dure (diamant) dintre substanele cunoscute. Mai mult, are o capacitate deosebit de a forma legturi chimice cu ali atomi mici, incluznd atomii de carbon, iar mrimea sa l face capabil de a forma legturi multiple(fig.1). Datorit acestor proprieti, carbonul poate forma aproape zece milioane de compui chimici diferii. Compuii de carbon reprezint baza vieii pe Pmnt i ciclul carbon-azot produce o parte din energia radiat de Soare i de alte stele. n plus, carbonul are cele mai nalte puncte de topire/sublimare dintre toate elementele. La presiunea atmosferic nu are punct de topire deoarece punctul su triplu este la 10 MPa (100 bari), deci sublimeaz la peste 4000 K. Astfel, el rmne solid la temperaturi mai nalte dect cele mai mari puncte de topire ale metalelor, precum wolframul sau reniul, indiferent de forma sa alotropic.Carbonul nu a fost creat n timpul Big Bang-ului, deoarece are nevoie de producerea unei coliziuni triple de particule alfa (nuclee de heliu). Universul s-a extins iniial i apoi s-a rcit prea repede pentru ca acest lucru s fie posibil. Oricum, este produs n interiorul stelelor n ramura orizontal, unde un nucleu de heliu este transformat n carbon prin procesul triplu-alfa. A fost de asemenea creat n stri multi-atomice.

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

2.3.COMPUI ANORGANICICel mai cunoscut i important oxid al carbonului este bioxidul de carbon, CO2. Este o component minor a atmosferei Pmntului, produs i folosit de toate fiinele vii, i un compus volatil n alt parte. n ap formeaz urme de acid formic, HCO2H, dar ca majoritatea compuilor cu mai muli atomi de oxigen la un singur carbon este instabil. Prin acest intermediar, sunt produi ioni carbonai. Unele minerale importante sunt carbonaii, precum calcitul. Disulfura de carbon, CS2, este similar.Ali oxizi sunt monoxidul de carbon, CO, i neobinuitul suboxid de carbon, C3O2. Monoxidul de carbon se formeaz prin combustie incomplet i este un gaz incolor i inodor. Fiecare moleculel conine o legtur tripl, care este foarte puin polar, rezultnd tendina de a se ataa permanent de moleculele de hemoglobin, deci gazul este foarte otrvitor.

Cinura, CN are o structur similar i se comport ca un ion halid; (CN)2, este nrudit.Cu metalele reactive, precum wolframul, carbonul formeaz fie carburi, C-, fie acetilide, C22-, aliaje cu puncte de topire foarte nalte. Aceti anioni sunt de asemenea asociai cu metanul i acetilena, ambii fiind acizi foarte slabi. Cu o electronegativitate de 2,5, carbonul formeaz de obicei legturi covalente. Unele carburi au matrice covalente, de exemplu carborundul, SiC, care seamn cu diamantul.

2.4.LANURI DE CARBONCarbonul are capacitatea de a forma lanuri lungi cu legturi C-C. Aceast proprietate se numete concatenare. Legturile carbon-carbon sunt destul de puternice i anormal de stabile. Aceast caracteristic este important deoarece permite carbonului s formeze un numr foarte mare de compui; de fapt, exist mai muli compui chimici care conin carbon dect toi compuii celorlalte elemente chimice la un loc.Cea mai simpl form de molecul organic este hidrocarbura - o familie mare de molecule organice care, prin definiie, sunt compui din atomi de hidrogen legai de un lan de atomi de carbon. Lungimea catenei, catenele laterale (ramificaii) i grupele funcionale influeneaz proprietile moleculelor organice.2.5.IZOTOPICarbonul are doi izotopi naturali stabili: carbon-12, sau 12C, (98.89%) i carbon-13, sau 13C, (1.11%), i un radioizotop natural, dar instabil, carbon-14 sau 14C. Exist 15 izotopi cunoscui ai carbonului, iar cel care exist cel mai puin este 8C, care dispare prin emisie de protoni i degradare alpha. Are un timp de njumtire de 1,98739x10-21. n 1961, Uniunea Internaional de Chimie Pur i Aplicat a adoptat izotopul carbon-12 ca baz pentru greutile atomice.Carbonul-14 are un timp de njumtire de 5730 ani i este folosit intens pentru datarea materialelor pe baz de carbon2.6.CARBONUL, PROPRIETI FIZICE I CHIMICE

Carbonul are simbolul C, element crucial al existenei organismelor i care are mai multe aplicai industriale. Numrul atomic al C este 6; elementul este in gr. a IV al sistemului periodic al elementelor. Greutatea atomic a C este 12,01115. Cele 3 stri naturale ale carbonului sunt- diamantul, grafitul si carbonul amortiu -ele sunt solide cu o temperatur de topire extrem de ridicat i sunt insolubile n toi solvenii la temperaturi normale. Proprietile fizice ale celor 3 tipuri de C nu prea difer din cauza diferenelor n structura cristalin. n diamant, cel mai dur material cunoscut, fiecare atom este n legtur cu ali 4 atomi ntr-un schelet 3D(fig 2), grafitul consist n legturi sptmnale de straturi de atomi care sunt aranjai n hexagon (fig.3). C amorfiu este caracterizat de un grad sczut de cristalinitate. C amorfiu pur poate fi obinut prin nclzirea zahrului la 900 grade n absena aerului. C are abilitatea unic de a face legturi cu ali atomi de C pentru a forma, lanturi si inele complexe. Aceast proprietate duce la un numr aproape infinit de compui ai carbonului cel mai comun element fiind cel care conine C i H2.Primii compui ai C au fost identificai n materia vie la nceputul sec 19. La temperaturi normale C are o radioactivitate sczut. La temperaturi ridicate reacioneaza cu aproape toate metalele pentru a forma carburi, iar cu oxigenul formeaz 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.

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 rspndit n natura dei este ntr-un procent de 0,025% din atmosfera Pmntului. Se gsete cel mai des sub forma de carbonat. CO2 este un compus important al atmosferei i este principala surs de carbon ncorporat n materia vie . Plantele folosind fotosinteza transform CO2 n compui organici de carbon care este consumat de alte organisme

2.7.CICLUL CARBONULUICiclul carbonului e important pentru viaa pe Pmnt deoarece este in legtur cu schimbrile climatice, cu ciclul hidrologic, cu ciclul nutrienilor precum i cu biomasa produs n urma fotosintezei pe sol sau n oceane. Pentru a nelege mai bine importana acestui element precum i a ciclului su n natur, trebuie mai nti s nelegem cu funcioneaz mediul nconjurtor i cum reacioneaz oamenii n viaa de zi cu zi.Carbonul nu face parte din elementele cele mai rspndite n natur : din numrul total de atomi ai scoarei Pmntului, atomii de carbon reprezint numai 0,14 %.Participarea lor la constituia chimic a materiei vii le confer ns o importan major i caracterul de element omniprezent. Dar carbonul i compuii si joac un rol excepional nu numai n existena biosferei, ci i n existena stelelor.Migraia ciclic pe care atomii de carbon o realizeaz astfel prin sistemele lipsite de via i prin cele biologice constituie unul dintre cele mai nsemnate cicluri biogeochimice, ciclu ce poate fi reprezentat ca un sistem multicompartimentat, sistem cu ase compartimente( rezervoare): 1)stratosfera , 2)troposfera, 3) biosfera , 4) humusul, 5)stratul mixt al mrilor i oceanelor i 6) stratul adnc al oceanelor.

Rolul biologic al carbonului , ca i rolul lui n ecologia global a ecosferei este de prim rang.

Structura atomului de carbon este de aa natur nct permite ndeplinirea a dou funcii eseniale : n primul rnd aceast stuctur face posibil legarea atomilor de C ntre ei , prin legturi simple sau duble, putnd forma lanuri sau cicluri de atomi care constituie scheletul tuturor moleculelor i macromoleculelor organice. n al doilea rnd, aceast structur i permite s reacioneze cu late elemente att prin cedarea de electroni ( forma oxidat , de pild, prin unirea cu O, care tinde s capteze electroni), ct i prin acceptarea de electroni ( forma redus, de pild, prin unirea cu H, care pierde mai uor electronul su). De exemplu unirea atomului de C cu atomul de H duce la eliberarea a 99kcal, energia care devine disponibil pentru diferitele necesiti ale organismelor. Din acelai motiv compuii carbonului ( combustibili fosili) reprezint pn n prezent , principala surs de energie pentru nevoile omenirii.

Rolul ecologic global al carbonului nu este mai puin important. Carbonul din atmosfer sub form de CO2, reprezint un ecran care oprete radiaiile termice, infraroii, emise de suprafaa Pmntului, determinnd aa numitul efect de ser al crui intensitate depinde de concentraia CO2 din atmosfer. Pe aceast cale CO2 influeneaz condiiile climatice globale.

n hidrosfer, CO2 dizolvat formeaz acidul carbonic , care combinat cu Ca d carbonat i bicarbonat. Transformarea reversibil CaCO3 Ca(HCO3)2 devine mecanismul principal de tamponare a variaiilor ph-ului din mediul acvatic.

n ciclul biogeochimic al C exist cteva rezervoare . atmosfera conine circa 700109 t carbon,sub form de CO2 care se afl n permanent schimb cu biosfera i cu hidrosfera. Biosfera conine aproximativ 800109 t, deci ceva mai mult dect atmosfera. Humusul i turba reprezint un uria rezervor de carbon , coninnd ntre 1000109 i 3000109t . Apa oceanelor conine i mai mari cantiti de carbon. Sub form de carbonai n sistemul carbonai bicarbonai, cantiatea de carbon se ridic la 40 000 109 t, iar sub form de substan organic dizolvat 3 000 109 t.

Dei rezervele de combustibil fosil nu se cunosc cu exactitate, coninutul lor n C se estmieaz n prezent la 10 1012 t. Cel mai mare rezervor de C l reprezint sedimentele de carbonai ( calcare, dolomite) al cror coninut n C este estimat la 201015 t.

Transferul C de la un rezervor la altul se datoreaz att unor procese biologice ct i interaciunii lor cu procesele fizico-chimice.

Dou procese biologice au rol esenial n acest transfer : fotosinteza, prin care CO2 din atmosfer sau ap e ncorporat n plante, transformat n substane organice i respiraia prin care acelai compus este restituit atmosferei sau hidrosferei.

6CO2 + 6H2O + E (energie solar) C6H12O6 + 6O2 fotosintezC6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + E (energie) respiraien linii mari, n condiii naturale normale aceste dou procese se echilibreaz reciproc constituind un sistem tampon esenial care menine relativ constant concentraia de CO2 din atmosfer.Desigur, fixarea carbonului prin fotosintez depete cantitatea de carbon eliberat n procesul respiraiei, diferena reprezentnd producia net a plantelor. Echilibrarea se datoreaz faptului c producia primar net este parial consumat, direct sau indirect de consumatori de diferite ordine i oxidat pn la CO2 i H2O, iar partea neconsumat cadavrele att ale productorilor primari ct i ale celor secundari este degradat treptat de grupul descompuntorilor, cu eliminare de CO2 n ap i atmosfer.

n mod natural tendinele de schimbare a concentraiei de CO2 din atmosfer sunt autoreglate. Dac apare o tendin de cretere a CO2 din atmosfer intervine conexiunea invers negativ frnnd aceast tendin pe dou ci : pe de o parte crete consumul de CO2 n procesul fotosintezei plantelor terestre, pe de alt parte , creterea tensiunii CO2 din atmosfer duce la sporirea cantitii gazului solvit n ap, unde o mai mare cantitate de carbonai se transform n bicarbonai. CO2 solvit n ap, ca i cel din bicarbonai , poate fi folosit de plantele acvatice.

Imperfeciunea acestui circuit const n faptul c din el se produc scurgeri de C i aceasta pe dou ci mai importante : depunerea carbonului n sedimente, sub form de carbonai provenind din formaiuni scheletice, i formarea zcmintelor de combustibili fosili (turb, crbuni, de pmnt, petrol). Pe cale natural, revenirea n circuit a carbonului din aceste formaiuni geologice este doar parial i se produce n timp ndelungat, chiar din punct de vedere geologic, prin proces de orogenez, cnd formaiunile respective ajung la suprafa i sunt supuse proceselor de dezagregare chimic i eroziune.

Bilanul circuitului global al C, dei servete drept model al circuitelor biogeochimice echilibrate pare a fi destul de instabil, mai ales n perioade mari de timp.

Modelarea matematic a circuitului gobal al C n ecosfer arat posibilitatea unor oscilaii de lung durat a concentraiei de C. De asemenea, din model se constat c sistemul atmosfer plantele terestre- solul, are capacitatea de atenuare a influenelor antropogene asupra concentraiei acestui element.

Nu se cunoate valoarea real a schimburilor de CO2 dintre apa oceanului i atmosfer. Aceast valoare depinde de numeroi factori : tensiunea parial a CO2 din aer i din ap, la rndul ei tensiunea CO2 din ap depinde de intensitatea fotosintezei fitoplanctonului care i ea este influenat de lumina incident, de temperatur, de cantitatea de nutrieni din ap, de cantitatea i activitatea consumatorilor.. De asemenea concentraia de CO2 din pturile superficiale depinde de intensitatea activitii descompuntorilor ( bacterii) i de intensitatea schimburilor cu straturile mai adnci ale apei care conin cantiti mari de substan organic dizolvat.

Msurtorile arat c proporia de CO2 din atmosfera diferitelor regiuni ale globului variaz puin, ca i n limitele grosimii troposferei. Exist o uoar cretere a CO2 n zona ecuatorial i o scdere la latitudini mari. Explicaia acestui gradient const n solubilitatea mai mare a CO2 n apele polare reci dect n apa cald , fapt care determin o scdere a CO2 din atmosfer.Excesul de CO2 din apele reci este transportat treptat spre sud prin cureni de adncime, spre zonele mai calde unde este degajat apoi n atmosfer. Cantitatea de CO2 transportat pe aceast cale dinspre polul nord spre ecuator este estimat la 21010 t/an .

Rolul vegetaiei terestre nu este nici el constant n circuitul global al C. n mod normal, vegetaia terestr, forestier, datorit produciei primare nete ridicate este aspirator de CO2 din atmosfer. Dar, n cursul evoluiei geologice- schimbrile de clim, extinderi ale zonelor secetoase, transgresiuni sau regresiuni ale apelor oceanice, activitatea vulcanic, dac ducea la restrngerea pdurilor sau pe alte ci, puteau determina creteri ale concentraiei de CO2 din atmosfer i din contr extinderea pdurilor putea avea efect invers.

Studiul activitii vulcanice din Paleozoic pn n prezent,fcut pe baza variaiei cantitii rocilor de origine vulcanic, arat c intensitatea vulcanismului se schimb ritmic aproximativ la 100 milioane ani.n acelai timp, detreminarea concentraiei de CO2 din atmosfer, fcut pe baza evalurii cantitii de CO2 fixate n calcare, arat c variaia acestei concentraii corespundea cu vriaia intensitii vulcanismului. Mersul curbei arat c pe la mijlocul Cretacicului a nceput scderea concentraiei CO2 din atmosfer i ea s-a accentuat n Oligocen i mai ales n Pliocen i Pleistocen, fapt care a dus la scderea temperaturii la suprafaa pmntului i la aparia glaciaiunilor.

n etapa antropogen i mai ales de cnd a nceput perioada industrializrii, deci de acum aproximativ 200 ani, influena activitii umane se face resimit tot mai mult asupra circuitului global al carbonului.

2.7. CICLUL BIOGEOCHIMIC AL CARBONULUI N MEDIUL MARINCarbonul este al patrulea element ca abunden din Univers, dup hidrogen, heliu i oxigen este piatra de temelie vieii de Pmnt. Este elementul ce apare n toate substanele organice de la combustibilii fosili pn la ADN. Pe Terra, carbonul se deplaseaz prin geosfere ntr-un ciclu biogeochimic majpor.

Ciclul carbonului este relativ simplu, acesta se bazeaz n principal pe dioxidul de carbon, care reprezint numai 0,03% din atmosfer pmntului.Acest ciclu presupune conversia CO2 anorganic n compui organici i remineralizarea ulterioar n CO2. De aceea, se numete ciclu biogeochimic, presupune deci, circuitul unui element chimic att prin sisteme biologice ct i prin sisteme geologice. Ciclul global al carbonului poate fi mprit n n dou categorii : ciclul geologic, care opereaz la o scar mare de timp ( milionae de ani), i ciclul biogeochimic, crar opereaz la o scar mult mai mic (de la zile la mii de ani)

Cilclul gelologic- miliarde de ani n urm, corpuri mici care s-au format din nebuloasa solar i meteorii ce conineau carbon au bombardat suprafaa planetei noastre, ca urmare coninutul n carbon al Pmntului s- a mbogit continuu.nc de atunci, acidul carbonic, a fost ncet, dar contiunuu combinat cu calciu i magneziu n scoara Pmntului i a format carbonai insolubili. Apoi, prin eroziune carbonaii au fost transportai n ocean i depui pe fundu ceanic. Ciclul continu pe msura ce acetia sunt introdui n manta prin subducia plcilor litosferice la marginea platourilor continentale i este reintrodus n atmosfer ca CO2 n timpul erupiilor vulcanice. Acest ntreg mecanism controleaz concentraia de CO2 din atmosfer pe perioade de sute de milioane de ani. Sedimentele foarte vechi sugereaz c nainte de a evoula viaa pe Pmnt, concentraia de CO2 putea fi de o sut de ori mai mare dect n prezent ceea ce ar fi produs un puternic efect de ser.Pe de alt parte, probe din calotele de ghea din Antarctica i Groenlanda au condus la ipoteza c n timpul ultimei perioade glaciare concentraia de CO2 era de numai jumtate fa de cea din prezent.

Ciclul biogeochimic- activitatea biologic joac un rol important n circulaia carbonului n i din pmnt i ocean prin procesul de fotosintez i prin respiraie. Respiraia utilizeaz carbohidrai i oxigen i elimin CO2, ap i energie. Fotosinteza, ia CO2 i ap i produce carbohidrai i oxigen. Ceea ce se produce prin respiraie se consum prin fotosintez i invers. Reaciile sunt complementare i se realizeaz cu transfer de energie. Fotosinteza se bazeaz pe energia solar i o stocheaz n carbohidrai, iar respiraia elibereaz acest energie.

Fotosinteza i respiraia joac un rol important n ciclul geologic de lung durat a carbonului. n oceane, o parte din carbon este luat de fitoplancton pentru a-i construi esuturile din carbonat de calciucare dup maortea acestora este nmagazinat pe fundul mrii i formeaz sedimentele.De-a lungul timpului, cnd fotosinteza depete respiraia, materia organic se acumuleaz timp de milioane de ani i formeaz depozite de crbuni i petrol. Toate aceste procese mediate reprezint circuitul CO2 din atmosfer i stocarea carbonului n sedimentele geologice.

Cantitatea de total de carbon anorganic dizolvat n oceane este de 50 de ori mai mare dect n atmosfer i la scar milenar oceanele determin concentraia atmosferic de CO2 i nu invers.Atmosfera schimb permanent dioxid de carbon cu apa oceanic, schimbul avnd loc la suprafaa oceanului. Acest schimb, care nsumeaz 90 gigatone de C pe an n fiecare direcie, conduce la o rapid echilibrare a atmosferei cu suprafata apei.n urma dizolvrii n ap , CO formeaz un acid slab care reacioneaz cu anionii carbonai i apa pentru a forma bicarbonai.Capacitatea sistemului carbonatic oceanic de a compensa schimbrile concentraiei CO2 este limitat i depinde de adaosul de cationi de la descompunerea relativ lent a rocilor. Deoarece rata emisiilor de CO2 antropogenic este cu cteva ordine de magnitudine mai mare dect sursa de cationi minerali, n timp de cteva milenii capacitatea suprafeei oceanelor de a absoarbe CO2 va scdea n mod inevitabil pe msur ce concentraia gazelor va crete. Concentraia C organic total dizolvat n ocean crete semnificativ sub 300 m adncime, unde aceasta rmne evident deasupra valorii echilibrului suprafaa oceanic-atmosfer n toate bazinele oceanice. Concentraia mare a C anorganic n interiorul oceanului rezult din combinarea a dou procese fundamentale : pompa solubilitii i pompa biologic. Eficiena pompei solubilitii depinde de circulaia termohalin i de schimbrile sezoniere latitudinale n ventilarea oceanic. Dioxidul de C e mult mai solubil n ape reci isaline i de aceea reinerea CO2 atmosferic n interiorul oceanului este controlat de formarea maselor de ap reci, cu densitate mare, la latitudini mari.

Procesele biologice contribuie de asemenea la absorbia de CO2 atmosferic n ocean.Fotosinteza fitoplanctonului consum CO2 determinnd scderea presiunii pariale a acestuia n partea superioar a oceanului i n consecin susine absorbia CO2 din atmosfer. Aproximativ 25% din C fixat n partea superioar a oceanului se scufund n interiorul acestuia unde este oxidat prin respiraia heterotrofic microbian, crescnd concentraia carbonului anorganic dizolvat. Exportul carbonului organic de la suprafa spre interiorul oceanului n prezent nsumeaz 11-16 Gt C/an. Acest proces menine concentraia CO2 atmosferic la o valoare mai mic cu 150-200 ppmv(parts per million by volume), dect ar fi dac tot fitoplanctonul din ocean ar disprea. n adiie la pompa biologic organic, cteva specii de fito- i zooplancton formeaz teste de CaCO3 care se scufund n adncul oceanului, unde o parte din acestea se dizolv. Acest ciclu al C anorganic conduce la o reducere a C anorganic dizolvat la suprafaa oceanului fa de adncime i de aceea se numete i pmpa carbonatic.Procesul de precipitare a carbonailor crete totui presiunea parial a CO2. De aici, de- a lungul ctorva secole, n timp ce pompa caronatic scade, concentraia C anorganic dizolvat n partea superioar a oceanului, produce simultan o difuziune a CO2 dinspre ocean spre atmosfer.

Sursa de C i fixarea acestuia : producia de C n stratul de la suprafaa oceanului este influenat de lumina solar i de ctre nutrieni. Nutrieni sunt furnizai fie din surse terestre, fie prin remineralizarea n masa de ap. C care e fixat n zona fotic este scufundat spre adncimile mari unde remineralizarea este intens. Cantitatea C transportat spre adncuri este limitat de ctre nutrieni i lumina solar disponibil n aceeai msur ca i C din apele de suprafa. n partea marginal a oceanelor, dinamica curenilor i vntul produc procesul de upwelling, care aduc napoi spre suprafa nutrieni remineralizai. Productivitatea care este adesea limitat de concentraia sczut a nutrienilor n zona fotic, va fi simulat de aceste materiale care au suferit procesul de upwelling. Astfel, zonele costiere pot recepiona cantiti mari de nutrieni i carbon de la straturile profunde de ap. Acesat legtur dinamic ntre straturileadnci i cele superioare ale coloanei de ap precum i legtura cu sursa de nutrieni terestr, explic rata mare a productivitii care se nregistreaz n zonele marginale ale oceanului.

n microstratul de la suprafa, n primii milimetri, productivitatea neustonic pe unitatea de volum poate fi mult mai mare dect productivitatea planctonic n stratul de dedesubt. C poate crete de 4-16 ori fa de stratul imediat inferior. Acest microstrat , datorit poziiei sale ntre atmosfer i ocean i a creterii biomasei i activitii microbiene poate fi un factor important n calcularea fluxului C ntre atmosfer i ocean.

n adiie la fluxurile naturale de C, prin activitile antropogenice n special arderea combustibililor fosili i defririle, se elibereaz un surplus de CO2 n atmosfer. Datorit acestui fapt concentraia CO2 atmosferic este astzi mult mai mare dect era nainte de perioada antropogen.Totui, nu tot CO2 emis n urma activitilor umane rmne n atmosfer.Oceanele absorb o parte din acestea. De exemplu din figur se poate observa c arderea combustibililor fosili elibereaz aproximativ 5Gt de C pe an n atmosfer i c prin defriare se contribuie cu 1,6 Gt C/an.(fig 4)

fig.4. Diagrama ciclului carbonului care arat rezervele de carbon precum i schimburile de gaze ntre atmosfer hidrosfer i geosfer n gigatone de C.Omenirea adaug la acest ciclu cam 5,5 miliarde de tone de dioxid de carbon pe an, n cea mai mare parte fiind eliberat n atmosfer. (Source: NASA)

2.8. CONCLUZII

Dintre toate elementele din tabelul periodic, carbonul este cel mai remarcabil i este uneori numit baza vieii pe Pmnt.Carbonul este un element chimic nemetalic, larg rspndit, unul dintre elementele chimice eseniale ale materiei vii i ale compuilor chimici organici i anorganici. Datorit proprietilor sale, are capacitatea de a forma diferii compui, cu o importan major n mediul nconjurtor. Astfel ca i element chimic, pe baza C14 se poate face datarea organismelor, stabilirea vrstei vestiigilor materiale , prin analiza realizat prin descompunerea cantitii de CO2 care se afl n obiectele respective.

Un alt rol important al C l constituie - ciclul carbonului n natrur,care este reprezentat de totalitatea urmtoarelor procese : n timpul fotosintezei, atomii de C din dioxidul de carbon intr n compuii organici din plante; aici ei sunt transformai n dioxid de carbon n urma reaciilor de oxidare, n cadrul schimbului de substane de ctre plante; ierbivorele care consum plantele preiau acest compus, care ajunge apoi la nivelul carnivorelor ce se hrnesc cu ierbivorele i elibereaz carbon, care intr din nou n acest ciclu.

Dintre compuii anorganici ai C, CO2 i CO sunt cei mai importani.CO2 exist n stare natural n aer( reprezint 0,2-0,3% din totalul de C accesibil)), n urma arderilor de materie organic sau a putrezirii i descompunerii acesteia. n esuturile animale, CO2 este rezultat n urma proceselor metabolice de ardere intern, dup care e eliminat n atmosfer. De aici e preluat i absorbit din atmosfer de ctre apa mrii i de plante i descompus de clorofil n procesul de fotosintez, din care rezult C i O.Aceast cretere continu a CO2 contribuie la efectul de ser i duce la nclzirea global. Un alt gaz, CO este toxic i este eliberat mpreun cu gazele de eapament, precum i n urma proceselor obinuite de ardere gazelor sau n fumul de igar.

Ciclul biogeochimic al C relev faptul c n cea mai mare parte (95%) din acest element se afl depozitat n litosfer, sub form de carbonat de calciu i ali carbonai, deci ntr-o form mai puin accesibil.BIBLIOGRAFIE

1. Botnariuc N., Vdineanu A., Ecologie, Ed.Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1982

2. Coglniceanu D., Principiile ecologiei sistemice, note de curs, Constana, 2006

3. Gomoiu T.M., Sisteme supraindividuale note de curs, Constana, 2007

4. Soran V., Borce M., Omul i biosfera, Ed. tiinific i Enciclopedic, Bucureti, 1985

5. http://ro.wikipedia.org6. http://earthobservatory.nasa.goy7. http://www.globalcarbonproject.org/8. Enciclopedia Arborele LumiiPAGE 20

_1239782864.unknown

_1239783130.unknown

_1239783347.unknown

_1239820971.unknown

_1239783227.unknown

_1239783075.unknown

_1239782700.unknown

_1239782825.unknown

_1239782558.unknown