CICLO DEL CARBONIO: CARATTERISTICHE, FASI, IMPORTANZA - AMBIENTE - 2024

Il ciclo del carbonio è il processo di circolazione di questo elemento chimico nell'aria, nell'acqua, nel suolo e negli esseri viventi. È un ciclo biogeochimico di tipo gassoso e la forma più abbondante di carbonio nell'atmosfera è l'anidride carbonica (CO2).

Le maggiori riserve di carbonio si trovano negli oceani, nei combustibili fossili, nella materia organica e nelle rocce sedimentarie. Allo stesso modo, è essenziale nella struttura corporea degli organismi viventi ed entra nelle catene trofiche come CO2 attraverso la fotosintesi.

I fotosintetizzatori (piante, fitoplancton e cianobatteri) assorbono il carbonio dalla CO2 atmosferica, quindi gli erbivori lo prendono da questi organismi. Questi vengono consumati dai carnivori e infine tutti gli organismi morti vengono elaborati dai decompositori.

Oltre all'atmosfera e agli esseri viventi, il carbonio si trova nel suolo (edafosfera) e nell'acqua (idrosfera). Negli oceani, il fitoplancton, le macroalghe e le angiosperme acquatiche assorbono la CO2 disciolta nell'acqua per effettuare la fotosintesi.

Illustrazione del ciclo del carbonio

La CO2 viene reintegrata nell'atmosfera o nell'acqua attraverso la respirazione rispettivamente di esseri viventi terrestri e acquatici. Una volta che gli esseri viventi sono morti, il carbonio viene reintegrato nell'ambiente fisico come CO2 o come parte di rocce sedimentarie, carbone o petrolio.

Il ciclo del carbonio è molto importante perché svolge diverse funzioni come far parte degli esseri viventi, aiutando a regolare la temperatura planetaria e l'acidità dell'acqua. Allo stesso modo, contribuisce ai processi erosivi delle rocce sedimentarie e funge da fonte di energia per l'essere umano.

caratteristiche

Carbonio

Questo elemento è al sesto posto in abbondanza nell'Universo e la sua struttura gli consente di formare legami con altri elementi come l'ossigeno e l'idrogeno. È formato da quattro elettroni (tetravalenti) che formano legami chimici covalenti capaci di costituire polimeri con forme strutturali complesse.

L'atmosfera

Il carbonio si trova nell'atmosfera principalmente come anidride carbonica (CO2) in una proporzione dello 0,04% della composizione dell'aria. Sebbene la concentrazione di carbonio atmosferico sia cambiata sostanzialmente negli ultimi 170 anni a causa dello sviluppo industriale umano.

Prima del periodo industriale, la concentrazione variava da 180 a 280 ppm (parti per milione) e oggi supera i 400 ppm. Inoltre, c'è metano (CH4) in una proporzione molto minore e monossido di carbonio (CO) in piccole tracce.

CO2 e metano (CH4)

Questi gas a base di carbonio hanno la proprietà di assorbire e irradiare energia a onde lunghe (calore). Per questo la sua presenza nell'atmosfera regola la temperatura planetaria, impedendo la fuga nello spazio del calore irradiato dalla Terra.

Di questi due gas, il metano cattura più calore, ma la CO2 gioca il ruolo più determinante a causa della sua relativa abbondanza.

Il mondo biologico

La maggior parte della struttura degli organismi viventi è costituita da carbonio, essenziale nella formazione di proteine, carboidrati, grassi e vitamine.

La litosfera

Il carbonio fa parte della materia organica e dell'aria nel suolo, si trova anche in forma elementare come carbonio, grafite e diamante. Allo stesso modo, è una parte fondamentale degli idrocarburi (petrolio, bitumi) presenti nei depositi profondi.

Formazione di carbonio

Quando la vegetazione muore nei bacini lacustri, nelle paludi o nei mari poco profondi, i detriti vegetali si accumulano negli strati coperti dall'acqua. Viene quindi generato un lento processo di decomposizione anaerobica causato dai batteri.

I sedimenti ricoprono gli strati di materiale organico in decomposizione che subisce un progressivo processo di arricchimento di carbonio nel corso di milioni di anni. Questo passa attraverso uno stadio di torba (50% di carbonio), lignite (55-75%), carbone (75-90%) e infine antracite (90% o più).

Formazione di olio

Inizia con una lenta decomposizione aerobica, poi c'è una fase anaerobica, costituita da resti di plancton, animali e piante marine o lacustri. Questa materia organica è stata sepolta da strati sedimentari e sottoposta ad alte temperature e pressioni all'interno della Terra.

Tuttavia, data la sua minore densità, l'olio sale attraverso i pori delle rocce sedimentarie. Alla fine, rimane intrappolato in aree impermeabili o forma affioramenti bituminosi poco profondi.

L'idrosfera

L'idrosfera mantiene uno scambio gassoso con l'atmosfera, in particolare ossigeno e carbonio sotto forma di CO2 (solubile in acqua). Il carbonio si trova nell'acqua, soprattutto negli oceani, principalmente sotto forma di ioni bicarbonato.

Gli ioni bicarbonato svolgono un ruolo importante nella regolazione del pH dell'ambiente marino. D'altra parte, sul fondo del mare ci sono grandi quantità di metano intrappolate come idrati di metano.

Pioggia acida

Il carbonio penetra anche tra il mezzo gassoso e il liquido, quando la CO2 reagisce con il vapore acqueo atmosferico e forma H2CO3. Questo acido precipita con l'acqua piovana e acidifica i suoli e le acque.

Fasi del ciclo del carbonio

Cattura e stoccaggio del carbonio. Fonte: Carbon_sequestration-2009-10-07.svg: * LeJean Hardin e Jamie Pay Lavoro derivativo: Jarl Arntzen (talk) lavoro derivato: Ortisa / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0 )

Come ogni ciclo biogeochimico, il ciclo del carbonio è un processo complesso costituito da una rete di relazioni. La loro separazione in fasi definite è solo un mezzo per la loro analisi e comprensione.

- Fase geologica

Biglietti

Gli apporti di carbonio in questa fase provengono in misura minore dall'atmosfera, dalle piogge acide e dall'aria filtrata al suolo. Tuttavia, l'input principale è il contributo degli organismi viventi, sia dai loro escrementi che dai loro corpi quando muoiono.

Stoccaggio e circolazione

In questa fase, il carbonio viene immagazzinato e si muove negli strati profondi della litosfera come carbone, petrolio, gas, grafite e diamanti. Fa anche parte delle rocce carbonatiche, intrappolate nel permafrost (strato di terreno ghiacciato a latitudini polari) e si dissolve nell'acqua e nell'aria dei pori del suolo.

Nella dinamica della tettonica a placche, il carbonio raggiunge anche gli strati più profondi del mantello e fa parte del magma.

Partenze

L'azione della pioggia sulle rocce calcaree le erode e il calcio viene rilasciato insieme ad altri elementi. Il calcio derivante dall'erosione di queste rocce carbonatiche viene trasportato nei fiumi e da lì negli oceani.

Allo stesso modo, la CO ₂ viene rilasciata quando il permafrost si scioglie o arando eccessivamente il terreno. Tuttavia, la produzione principale è guidata dall'uomo estraendo carbone, petrolio e gas dalla litosfera, per bruciarli come combustibile.

L'attività umana, basata sul consumo di idrocarburi, rilascia carbonio nell'atmosfera

- Fase idrologica

Biglietti

La CO ₂ atmosferica quando viene a contatto con la superficie dell'acqua si dissolve formando acido carbonico e il metano entra nella litosfera dal fondo del mare, come è stato rilevato nell'Artico. Inoltre, gli ioni HCO ₃ entrano nei fiumi e negli oceani a causa dell'erosione delle rocce carbonatiche nella litosfera e del lavaggio del suolo.

Quando piove, l'acqua trasporta carbonio sotto forma di anidride carbonica dall'atmosfera e dalle rocce. Una volta raggiunto l'oceano, i coralli, il plancton e altri animali acquatici lo usano per crescere. Questi esseri viventi - coralli, plancton e animali acquatici - muoiono e immettono il carbonio nel suolo

Stoccaggio e circolazione

La CO2 si dissolve in acqua formando acido carbonico (H2CO3), sciogliendo il carbonato di calcio dei gusci, formando carbonato acido di calcio (Ca (HCO3) 2). Pertanto, il carbonio si trova e circola nell'acqua principalmente come CO2, H2CO3 e Ca (HCO3) 2.

D'altra parte, gli organismi marini mantengono un costante scambio di carbonio con il loro ambiente acquatico tramite la fotosintesi e la respirazione. Inoltre, grandi riserve di carbonio si trovano sotto forma di idrati di metano sul fondo del mare, congelati da basse temperature e alte pressioni.

Partenze

L'oceano scambia gas con l'atmosfera, inclusi CO2 e metano, e una parte di quest'ultimo viene rilasciata nell'atmosfera. Recentemente, è stato rilevato un aumento delle perdite di metano oceanico a profondità inferiori a 400 m, come al largo della costa norvegese.

L'aumento della temperatura globale sta riscaldando l'acqua a profondità non superiori a 400 me rilasciando questi idrati di metano. Un processo simile si è verificato nel Pleistocene, rilasciando grandi quantità di metano, riscaldando maggiormente la Terra e causando la fine dell'era glaciale.

- Fase atmosferica

Biglietti

Il carbonio entra nell'atmosfera dalla respirazione degli esseri viventi e dall'attività metanogena batterica. Allo stesso modo, da incendi di vegetazione (biosfera), scambio con l'idrosfera, combustione di combustibili fossili, attività vulcanica e rilascio dal suolo (geologico).

Rilascio di carbonio geologico nell'atmosfera da parte di un vulcano in eruzione. Autore: Ciencia1.com

Stoccaggio e circolazione

Nell'atmosfera, il carbonio è principalmente sotto forma gassosa come CO2, metano (CH4) e monossido di carbonio (CO). Allo stesso modo, puoi trovare particelle di carbonio sospese nell'aria.

Partenze

Le principali emissioni di carbonio dallo stadio atmosferico sono la CO2 che si dissolve nell'acqua dell'oceano e quella utilizzata nella fotosintesi.

- Fase biologica

Biglietti

Il carbonio entra nella fase biologica come CO2 attraverso il processo di fotosintesi svolto dalle piante e dai batteri fotosintetici. Allo stesso modo, gli ioni Ca2 + e HCO3- che raggiungono il mare per erosione e sono utilizzati da vari organismi nella fabbricazione di conchiglie.

Piante e microrganismi assorbono l'anidride carbonica dall'atmosfera e la convertono in ossigeno ed energia attraverso la fotosintesi

Stoccaggio e circolazione

Ogni cellula e quindi i corpi degli esseri viventi sono costituiti da un'elevata percentuale di carbonio, costituendo proteine, carboidrati e grassi. Questo carbonio organico circola attraverso la biosfera attraverso le reti trofiche dei produttori primari.

Angiosperme, felci, epatiche, muschi, alghe e cianobatteri lo incorporano per fotosintesi. Quindi questi organismi vengono consumati dagli erbivori, che saranno cibo per i carnivori.

Gli animali erbivori consumano piante e rilasciano anidride carbonica nell'atmosfera. Quando questi animali muoiono reintegrano il carbonio nel suolo. La stessa cosa accade con il corallo e il plancton sul fondo dell'oceano

Partenze

La principale perdita di carbonio da questa fase ad altre del ciclo del carbonio è la morte di esseri viventi che la reintegrano nel suolo, nell'acqua e nell'atmosfera. Una forma massiccia e drastica di morte e rilascio di carbonio sono gli incendi boschivi che producono grandi quantità di CO2.

D'altra parte, la fonte più importante di metano nell'atmosfera sono i gas espulsi dal bestiame nei loro processi digestivi. Allo stesso modo, l'attività dei batteri anaerobici metanogeni che decompongono la materia organica nelle paludi e nelle colture di riso è una fonte di metano.

Importanza

Il ciclo del carbonio è importante a causa delle funzioni rilevanti che questo elemento svolge sul pianeta Terra. La sua circolazione equilibrata permette di regolare tutte queste funzioni rilevanti per il mantenimento delle condizioni planetarie in funzione della vita.

Negli esseri viventi

Il carbonio è l'elemento principale nella struttura delle cellule in quanto fa parte di carboidrati, proteine ​​e grassi. Questo elemento è la base di tutta la chimica della vita, dal DNA alle membrane cellulari e agli organelli, ai tessuti e agli organi.

La regolazione della temperatura terrestre

La CO2 è il principale gas serra, che consente di mantenere una temperatura adeguata per la vita sulla Terra. Senza gas atmosferici come CO2, vapore acqueo e altri, il calore emesso dalla Terra sfuggirebbe completamente nello spazio e il pianeta sarebbe una massa congelata.

Riscaldamento globale

D'altra parte, un eccesso di CO2 emesso in atmosfera, come quello attualmente causato dall'uomo, rompe l'equilibrio naturale. Ciò provoca il surriscaldamento del pianeta, che altera il clima globale e influisce negativamente sulla biodiversità.

Regolazione del pH oceanico

La CO2 e il metano disciolti nell'acqua fanno parte del complesso meccanismo di regolazione del pH dell'acqua negli oceani. Maggiore è il contenuto di questi gas nell'acqua, il pH diventa più acido, il che è negativo per la vita acquatica.

Fonte di potere

Il carbone è una parte essenziale dei combustibili fossili, sia carbone minerale, petrolio e gas naturale. Sebbene il suo utilizzo sia messo in dubbio a causa degli effetti ambientali negativi che produce, come il surriscaldamento globale e il rilascio di metalli pesanti.

Valore economico

Il carbone è un minerale che genera fonti di lavoro e profitti economici per il suo utilizzo come combustibile e lo sviluppo economico dell'Umanità si basa sull'utilizzo di questa materia prima. D'altra parte, nella sua forma cristallizzata di diamante, molto più raro, è di grande valore economico per il suo utilizzo come pietra preziosa.

Riferimenti

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