5.6. Ugljenik se kreće kroz životnu sredinu

Mira Terzić; Tatjana Ivošević; Mladen Franko; Dragana Milićević

5. ČOVEK ŽIVI I ODLUČUJE O BUDUĆNOSTI SVOJE OKOLINE

5.6. Ugljenik se kreće kroz životnu sredinu

Svi živi organizmi se zasnivaju na atomu ugljenika. Svaki živi organizam ima komponente ugljenika unutar ćelije, kao što su masti i proteini. Oko 18% mase tela čoveka čine atomi ugljenika. Bez ugljenikovog jedinjenja ugljen-dioksida ne bi mogao postojati ni život na Zemlji jer je ugljenik od vitalnog značaja za proizvodnju organskih materija u biljkama putem fotosinteze.

Animacija kruženja ugljenika u šumi

_{Wikimedia Commons (Public Domain)}

Jedinjenja ugljenika mogu biti gasovitog (ugljen-dioksid, zemni gas), tečnog (benzin, ugljena kiselina) ili čvrstog agregatnog stanja (karbonati).

Ugljenik je i deo današnje moderne industrije. Fosilna goriva (ugalj, prirodni gas) koja se uveliko koriste kao izvor energije, nastala su od jedinjenja ugljenika u biljkama i algama, koje su davno postojale na Zemlji.

Imajući u vidu rasprostranjenost ugljenika, bitno je poznavati njegovo neprekidno kretanje — kruženje ugljenika. To je jedan od najvažnijih biogeohemijskih ciklusa na Zemlji.

Gde se nalazi ugljenik na našoj planeti?

Ugljenik je svuda oko nas:

Biosfera

Svi živi organizmi sadrže element ugljenik u obliku organskih materija poput ugljenjih hidrata. Ima ga i u uginulim organizmima.

Atmosfera:

Ugljenik je kao gas prisutan u vazduhu u obliku ugljen-dioksida (CO₂) i metana (CH₄).

Hidrosfera:

Kao rastvoren ugljen-dioksid i u obliku karbonata (CaCO₃).

Litosfera:

U organskoj formi: raspadnuta organska materija, humus, fosilno gorivo (ugalj, ulje, prirodni gas, škriljci itd.)

U neorganskoj formi: u stenama koje sadrže ugljenik (karbonatni sedimenti, dolomit itd.).

Da li je ugljenik opasan za čoveka?

Ugljen-dioksid se nalazi u vazduhu i čovek ga neprekidno udiše. Opasan je za zdravlje čoveka samo u velikim koncentracijama iznad 2000 ppm i pri dugotrajnoj izloženosti.

Znate li šta je to sindrom bolesnih zgrada?

Postoji sindrom bolesnih zgrada (sick-building syndrom), koji je direktno povezan sa kvalitetom unutrašnjeg vazduha. Dugotrajni boravak ljudi u zatvorenim neprozračnim ili nedovoljno ventiliranim prostorima kod odraslih uzrokuje poremećaj koncentracije, pospanost, gubitak imuniteta. Kod dece je ovaj sindrom posebno negativan jer zbog nedovoljno kiseonika izostaje pravilni razvoj mekih tkiva i kardiovaskularnog sistema. Dakle, odrasli, a posebno deca, moraju boraviti na svežem i što čistijem vazduhu.

Šta je kruženje ugljenika?

Kruženje ugljenika je niz bioloških, hemijskih, fizičkih i geoloških procesa u kojima se sav ugljenik neprestano menja i pretvara u različite oblike postojanja. On se u toku kruženja transportuje između živog i neživog sveta.

Kretanje ugljenika kroz biosferu, geosferu, hidrosferu, atmosferu i unutrašnjost Zemlje nije jednostavan proces. Globalno kruženje ugljenika je trenutno od velikog značaja zbog njegove uloge u klimatskim sistemima i zbog čovekovih aktivnosti koje imaju uticaj na promene u klimi (npr. spaljivanje fosilnih goriva).

Kruženje ugljenika:

Globalni ciklus ugljenika se može podeliti na:

geološko kruženje, koje funkcioniše u velikim vremenskim razmerama (milioni godina), i
biološko/fizičko kruženje, koji funkcioniše na kraćim vremenskim skalama (od jednog dana do hiljada godina).

Oba ova ciklusa su međusobno povezana.

Ovde će biti prikazani samo glavni koraci u kruženju ugljenika.

Geološko kruženje ugljenika

Pojednostavljen šematski prikaz geološkog kruženja ugljenika

Geološko kruženje ugljenika između tla, stena, okeana i atmosfere obuhvata niz hemijskih reakcija i tektonskih aktivnosti. Za ovo kretanje ugljeniku je potrebno 100-200 miliona godina.

Ovaj ciklus može se opisati praćenjem ugljenika od trenutka njegove pojave u atmosferi tokom vulkanske erupcije u obliku ugljen-dioksida. U atmosferi ugljen-dioksid može da dođe u kontakt sa vodom. Kako je ugljen-dioksid je rastvorljiv u vodi, rastvoriće se u njoj i formirati slabu ugljenu kiselinu (H₂CO₃).

Ova kiselina na površinu Zemlje dospeva sa kišom i reaguje sa stenama. Kiselina rastvara stene i oslobađa jone kalcijuma, magnezijuma, kalijuma ili natrijuma. Reke nose jone u okean. Joni u okeanima reaguju sa bikarbonatnim jonima (HCО₃^–) rastvorenim u vodi i stvara se kalcijum karbonat (CaCO₃). Nastali kalcijum karbonat se taloži na dnu okeana stvarajući slojeve sedimenata.

Kako se ugljen-dioksid ponovo vraća u atmosferu?

Aktivnošću tektonskih ploča ovi sedimenti tonu dublje u Zemljin omotač, da bi se pod uslovima velikih pritisaka i temperature krečnjak topio i reagovao sa drugim mineralima oslobađajući ugljen-dioksid. Ovaj ugljen-dioksid se ponovo vraća u atmosferu kroz vulkanske erupcije.

Nastajanje slabe ugljene kiseline ( $\text{H}_2\text{CO}_3$ ):

$\text{CO}_2+\text{H}_2\text{O}\rightarrow\text{H}_2\text{CO}_3$

Rastvaranje stena:

$2\text{CO}_2+\text{H}_2\text{O}+\text{CaSiO}_3\rightarrow\text{Ca}^{2+}+2(\text{H}\text{CO}_3^-)+\text{SiO}_2$

U okeanima:

$\text{Ca}^{2+}+2(\text{H}\text{CO}_3^-)\rightarrow\text{CaCO}_3+\text{CO}_2+\text{H}_2\text{O}$

Duboko u unutrašnjosti Zemlje termičkim razlaganjem oslobađa se ugljen-dioksid:

$\text{CaCO}_3+\text{SiO}_2\rightarrow\text{CaSiO}_3+\text{CO}_2$

Degradacija stena pomoću ugljen-dioksida i njegova ugradnja u sedimente na okeanskom dnu jeste jedan od značajnih procesa smanjivanja sadržaja ugljen-dioksida u atmosferi. Na ovaj način velike količine ugljen-dioksida napuštaju atmosferu.

Ukoliko želite da saznate više geološkom (sporom) kruženju ugljenika pogledajte video:

Biološko kruženje ugljenika?

Može se reći da proces biološkog kruženja ugljenika kroz živa bića, započinje u atmosferi u kojoj se ugljenik uglavnom nalazi u obliku ugljen-dioksida (CO₂).

Biljke i alge (autotrofni organizmi) koriste ugljen-dioksid (CO₂) direktno iz atmosfere da bi napravile hranu u procesu fotosinteze.One skladište ugljen-dioksid u obliku organske materije (glukoza). Uskladišteni ugljenik ostaje dok:

ne dospe u druge organizme preko lanca ishrane, ili
biljka ili organizam ne ugine.

Kakav je put ugljenika kroz lance ishrane?

Životinje (primarni potrošači) se hrane biljkama. Sledeći u lancu ishrane su sekundarni, pa tercijarni potrošači, itd. Tako jedinjenja ugljenika (organska materija) prolaze kroz lanac ishrane. Deo organske materije (glukoze) razgrađuje se u procesu disanja i ugljen-dioksid ponovo odlazi u atmosferu.

Ugljendioksid je ponovo u atmosferi! Ciklus se ponavlja!

Jedino biljke koriste ugljen-dioksid, sve druge karike u lancu ga stvaraju!

disanje:

glukoza + kiseonik →

→ ugljen-dioksid +

+ voda + energija

Šta se dešava sa ugljenikom kada biljka ili životinja ugine?

Kada biljka ili životinja ugine, razgrađivači (gljive i bakterije) u atmosferu vraćaju ugljenik u obliku ugljen-dioksida.

Da li je baš uvek tako?

Ukoliko se ostaci uginulih organizama nađu u posebnim uslovima (dno okeana, duboko pod zemljom, niske temperature), tada je proces truljenja usporen. Od ovakvih ostataka vekovnom transformacijom nastaju fosilna goriva. Ugljenik se dugo zadržava, stoga kruženje ugljenika traje dugo.

Tek kada sagore fosilna goriva, ugljenik se u obliku ugljen-dioksida ponovo vraća u atmosferu.

Putevi ugljenika nakon uginuća organizama.

Za okeane se kaže da su najveći „aktivni“ rezervoari u kruženju ugljenika, ali kako ugljenik dospeva u okeane?

_{Prilagođeno od Sebastian Pena Lambarri/Unsplash (Unsplash licence)}

On ulazi u okean putem različitih mehanizama. Ovde ćemo spomenuti dva najznačajnija mehanizma:

fizičku pumpu, koja je rezultat cirkulacije okeana i
biološku pumpu, koja prenosi površinski ugljenik ka morskom dnu preko mreže hrane.

Kako ulazi ugljenik u okean pomoću fizičke pumpe?

Šematski prikaz pojednostavljene „fizičke pumpe“
_{Prilagođeno od Jeremy Bishop/Unsplash (Unsplash licence)}

Ugljen-dioksid poseduje osobinu da se može rastvarati u vodi. Njegova rastvorljivost je veća u hladnoj vodi. Zbog toga voda lakše rastvara ugljen-dioksid u polarnim oblastima. Ova teža površinska voda tone dole ka većim dubinama. Na taj način je ugljen-dioksid zaštićen od daljeg kontakta sa atmosferom. Kada jednom stigne u oblasti gde se okean slabo kreće, ugljen-dioksid ostaje tamo stotinama godina. Međutim, tamo gde postoje jače morske struje, one ga nose nazad na površinu.

Fizička pumpa deluje na drugoj vremenskoj skali.

Velike koncentracije ugljen-dioksida u atmosferi nanose štetu okeanima, njihove vode postaju kisele zbog viška rastvorenog ugljen-dioksida, što predstavlja pretnju mnogim morskim vrstama.

Kako radi biološka pumpa?

Biološka pumpa je deo procesa kruženja ugljenika. Ona transformiše komponente ugljenika u nove komponente i prenosi ugljenik kroz okean. Ovaj proces dovodi do dugotrajnog taloženja ugljenika u dubljim slojevima vode.Tu glavnu ulogu imaju mikroorganizmi, fitoplaktoni koji tu žive i za njih se obično kaže da su „trava mora“, zato što su i oni izvor kiseonika.

Baš kao i biljke na kopnu, fitoplaktoni kroz proces fotosinteze uzimaju ugljen-dioksid u površinskom sloju vode kako bi ga transformisali u hranu (organski ugljenik) i pri tome oslobađaju kiseonik. Na taj način smanjuju količinu ugljenika u atmosferi.

Kao i drugi živi organizmi i fitoplaktoni dišu. Deo ugljen-dioksida se tako vraća u atmosferu.

Šematski prikaz pojednostavljene biološke pumpe
_{Prilagođeno od TERC (CC BY-NC-SA 3.0 DEED)}

Šta se dalje dešava sa organskom materijom (hranom)?

Deo organskog ugljenika ulazi u lanac ishrane. Prva karika lanca ishrane na kopnu su biljojedi, a u moru to su zooplanktoni. Zatim slede potrošači višeg reda. Na ovaj način se ugljenik kreće kroz lanac ishrane. Baš kao i na kopnu potrošači u moru putem disanja „reemituju“ ugljen-dioksid i na taj način ga vraćaju u vodu.

Kada uginu organizmi, šta se dešava sa ugljenikom?

Kada organizmi uginu, počinju da tonu u okean. Dok tonu, deo materije razlažu i bakterije. Samo mali deo (1-2 %) stigne do dna okeana i nastaju sedimenti/sedimentne stene. Kada bakterije razlažu uginule životinje, oslobađa se ugljen-dioksid u dubinama okeana u hladnoj vodi i taj ugljen-dioksid ostaje zarobljen hiljadama godina kako u okeanu, tako i u sedimentima.

Šta bi se dogodilo kada bi se pumpe „isključile“?

Ukoliko bi se pumpe isključile, koncentracija atmosferskog ugljen-dioksida bi postala znatno veća. Smatra se da biološka pumpa „potopi“ oko 300 miliona tona ugljenika na dno okeana.

Posledice?

Postoje negativne posledice po klimu i stvara se efekat staklene bašte. Smatra se da su okeani apsorbovali 30–50% ugljen-dioksida proizvedenog sagorevanjem fosilnog goriva od početka industrijske ere.

Možete li da zamislite kako bi Zemlja danas izgledala da je sav proizveden ugljen-dioksid ostao u atmosferi?

Biološka pumpa:

Kakav značaj ima kruženje ugljenika u ekosistemu?

Kruženje ugljenika je u suštini prirodan način za ponovnu upotrebu atoma ugljenika. Kruženjem ugljenik neprekidno prelazi iz organskog u neorganski oblik i obrnuto.
Kruženje ugljenika osigurava da postoji kontinualno snabdevanje ugljen-dioksida za fotosintezu. Kroz fotosintezu se proizvodi hrana na Zemlji i stvara se biomasa, koja se kasnije može koristiti kao gorivo (obnovljiv izvor energije).
Kruženje ugljenika omogućava da energija teče kroz ekosistem putem lanca ishrane.
Ugljenik iz uginulih organizama može da formira fosilna goriva i sedimentne stene.
Ugljen-dioksid ima ključnu ulogu u zarobljavanju toplote u atmosferi. Povećani nivoi ugljen-dioksida dovode do porasta temperature. Poznavanje i razumevanje procesa kako se ugljenik apsorbuje i oslobađa kruženjem pomaže nam da shvatimo klimatske promene i predvidimo globalno zagrevanje.
Još jedan faktor koji čini kruženje ugljenika važnim jeste to da ugljenik ima centralnu ulogu u sagorevanju i spaljivanju. U poslednjih 200 godina kruženje ugljenika sagorevanjem fosilnih goriva se drastično promenilo, čime su izbačene ogromne koncentracije ugljen-dioksida u atmosferu. Višak se morao negde uskladištiti. Dobar deo tog viška primili su okeani.

Čovek utiče na prirodne procese kruženja ugljenika, i to u negativnom smislu. Zbog delatnosti čoveka se koncentracija ugljen-dioksida u atmosferi neprekidno povećava. To i ne bi bio problem da ugljen-dioksid nije gas staklene bašte. Više o gasovima staklene bašte saznajte čitajući drugu knjigu. Da bismo bolje razumeli procese kruženja ugljenika, pomažu nam i sateliti.

Učimo kroz muziku o kruženju ugljenika:

Zemlja se brzo menja. U njenoj atmosferi je sve više ugljenika.

Koga ili šta vidite kao uzrok negativnih promena atmosfere?

Da li uzrok valja potražiti u našem ponašanju?

Da li svojim ponašanjem možemo doprineti smanjenju emisije ugljenika?

License

Icon for the Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License

UPOZNAJMO SVET I NAČINIMO GA BOLJIM ZA ŽIVOT Copyright © 2024 by University of Nova Gorica Press is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License, except where otherwise noted.

License

Share This Book