کربن یک عنصر ضروری برای تمام اشکال حیات روی زمین است. خواه این اشکال حیات برای کمک به تولید مواد غذایی کربن دریافت کنند یا کربن را به عنوان بخشی از تنفس آزاد کنند، دریافت و خروجی کربن جزئی از زندگی گیاهی و جانوری است.

کربن در یک حرکت ثابت از مکانی به مکان دیگر منتقل می شود، در مخازن معروف ذخیره می ‌شود و از طریق فرآیندهای مختلفی از جمله فتوسنتز، سوزاندن سوخت‌های فسیلی و تنفس ریوی بین این مخازن حرکت می‌ کند. حرکت کربن از مخزنی به مخزن دیگر به عنوان چرخه کربنی شناخته می شود.

کربن را می توان در مخازن مختلفی از جمله گیاهان و جانوران ذخیره کرد، به همین دلیل است که آنها اشکال حیات کربنی در نظر گرفته می شوند. کربن توسط گیاهان برای ساختن برگ ‌ها و ساقه‌ها استفاده می‌ شود که سپس توسط حیوانات هضم شده و برای رشد سلولی استفاده می ‌شود.

در جو کربن به شکل گازهایی مانند دی اکسید کربن ذخیره می شود. همچنین در اقیانوس‌ها ذخیره می‌ شود و توسط بسیاری از موجودات دریایی جذب می‌ شود. برخی از موجودات، مانند صدف یا مرجان، از کربن برای تشکیل پوسته و اسکلت استفاده می کنند. بیشتر کربن موجود در این سیاره در سنگ ها، مواد معدنی و دیگر رسوبات مدفون در زیر سطح سیاره وجود دارد.

چرخه کربن در اکوسیستم ها مهم است زیرا کربن را که یک عنصر حیاتی است از جو و اقیانوس ها به موجودات زنده و دوباره به جو و اقیانوس ها منتقل می کند. اگر تعادل بین این دو مخزن  به هم بخورد، عواقب جدی مانند گرم شدن کره زمین و اختلال در آب و هوا ممکن است رخ دهد. دانشمندان در حال حاضر به دنبال راه‌ هایی هستند که انسان‌ ها می ‌توانند از سایر سوخت‌های غیر کربنی برای انرژی استفاده کنند. انرژی هسته ای، انرژی خورشیدی، نیروی باد و نیروی آب، چند منبع انرژی جایگزین هستند که در حال بررسی هستند.

چرخه کربن در زمین

از آنجایی که زمین یک سیستم بسته است، مقدار کربن روی این سیاره هرگز تغییر نمی کند. با این حال، مقدار کربن در یک مخزن خاص می تواند در طول زمان با حرکت کربن از یک مخزن به مخزن دیگر تغییر کند. برای مثال، مقداری کربن موجود در جو ممکن است توسط گیاهان برای تولید غذا در طول فتوسنتز جذب شود. سپس این کربن می تواند خورده شود و در حیواناتی که گیاهان را می خورند، ذخیره شود.

هنگامی که جانوران می میرند، تجزیه می شوند و بقایای آنها به رسوب تبدیل می شود و کربن ذخیره شده را در لایه هایی به دام می اندازد که در نهایت به سنگ یا مواد معدنی تبدیل می شود. برخی از این رسوبات ممکن است سوخت های فسیلی مانند زغال سنگ، نفت یا گاز طبیعی را تشکیل دهند که با سوزاندن سوخت، کربن را به اتمسفر باز می گرداند.

چرخه کربن برای زندگی روی زمین حیاتی است. طبیعت تمایل دارد سطح کربن را متعادل نگه دارد، به این معنی که مقدار کربن آزاد شده طبیعی از مخازن برابر با مقداری است که به طور طبیعی توسط مخازن جذب می شود.

حفظ تعادل چرخه کربن به سیاره اجازه می دهد تا برای زندگی مهمان نواز بماند. دانشمندان بر این باورند که انسان ها با سوزاندن سوخت های فسیلی این تعادل را بر هم زده اند و بیش از حد معمول کربن به اتمسفر اضافه کرده اند که نتیجه آن تغییرات آب و هوایی و گرم شدن کره زمین است.

اهمیت چرخه کربن چیست؟

چرخه کربن نحوه حرکت عنصر کربن بین بیوسفر، هیدروسفر، جو و ژئوسفر زمین را توصیف می کند و به چند دلیل مهم است:

کربن یک عنصر ضروری برای همه حیات است، بنابراین درک چگونگی حرکت آن به ما کمک می کند تا فرآیندهای بیولوژیکی و عواملی را که بر آنها تأثیر می گذارد، درک کنیم.

یکی از اشکال کربن، گاز گلخانه ای دی اکسید کربن، CO2 است. افزایش سطح دی اکسید کربن زمین را عایق می کند و باعث افزایش دما می شود. درک چگونگی جذب و انتشار دی اکسید کربن به ما کمک می کند تا آب و هوا را درک کنیم و گرمایش جهانی را پیش بینی کنیم.

بنابراین مهم است که بدانید کجا ذخیره و آزاد می شود. کربن موجود در ماده زنده حدود ۱۰۰ برابر بیشتر از زمین است. سوزاندن سوخت های فسیلی مقادیر زیادی کربن را در جو و زمین آزاد می کند.

چرخه کربن به در دسترس بودن عناصر و ترکیبات دیگر گره خورده است. برای مثال، چرخه کربن با در دسترس بودن اکسیژن در جو گره خورده است. در طول فتوسنتز، گیاهان دی اکسید کربن را از هوا می گیرند و از آن برای تولید گلوکز (کربن ذخیره شده) استفاده می کنند، در حالی که اکسیژن آزاد می کنند.

مراحل چرخه کربن

در مجموع فرآیندهای بیولوژیکی و زمین شناسی در حفظ تعادل کربن در سیاره مهم هستند. چرخه کربن به مراحل زیر تقسیم می شود:

ورود کربن به اتمسفر

ورود کربن (به شکل دی اکسید کربن) در جو شروع چرخه کربن است. قبل از این، دی اکسید کربن از طریق فرآیند تنفس (فرآیندی که در آن موجودات انرژی از غذای خود آزاد می کنند) و احتراق (فرایند سوزاندن) می گذرد. چنین فرآیندهایی هر دو شامل آزاد کردن دی اکسید کربن در اتمسفر است.

جذب دی اکسید کربن توسط تولیدکنندگان

مرحله بعدی ورود دی اکسید کربن به فرآیند فتوسنتز است. موجودات فتوسنتزی مانند گیاهان و جلبک ها (که به عنوان تولید کننده نامیده می شوند) دی اکسید کربن را برای استفاده از انرژی و تولید مثل خود به قند تبدیل می کنند.

عبور از ترکیبات کربن در زنجیره غذایی

در ادامه مرحله فوق، ورود ترکیبات کربنی از خود گیاهان (تولیدکنندگان) به زنجیره غذایی است. هنگامی که حیوانات این گیاهان را مصرف می کنند (در نتیجه مصرف می کنند)، ترکیبات کربن توسط آنها دریافت می شود.

بازگشت کربن به اتمسفر

مرحله بعدی بازگشت کربن به اتمسفر به دلیل خوردن اجساد مرده حیوانات توسط تجزیه کننده ها (باکتری ها و قارچ ها) است. این به این دلیل است که فرآیند تجزیه دی اکسید کربن را به عنوان یک محصول جانبی تولید می کند.

انواع چرخه کربن

به طور کلی، چرخه کربن را می توان (بسته به مدت زمان وقوع آن) به دو نوع کوتاه مدت و بلند مدت تقسیم کرد.

کوتاه مدت

این نوع چرخه کربن شامل تغییرات سالانه ای است که در جو، اکوسیستم های زمینی و اکوسیستم دریایی رخ می دهد. دلیل این نامگذاری این است که حرکت کربن از طریق مخازن فقط در زمان نسبتاً کوتاهی (دقیقه، ساعت، روز، ماه یا سال) طول می کشد.

بلند مدت

این نوع چرخه کربن کندتر است زیرا هزاران تا میلیون ها سال طول می کشد تا اتفاق بیفتد. کربن اضافی حاصل از چرخه کوتاه مدت در مخزن دراز مدت ذخیره می شود تا زمانی که پس از مدت طولانی حذف شود.