UHLÍKOVÝ CYKLUS: CHARAKTERISTIKA, STUPNE, VÝZNAM - PROSTREDIE - 2026

Uhlíkový cyklus je proces obehu tohto chemického prvku vo vzduchu, vode, pôde a živých organizmov. Je to biogeochemický cyklus plynového typu a najhojnejšou formou uhlíka v atmosfére je oxid uhličitý (CO2).

Najväčšie zásoby uhlíka sú v oceánoch, fosílnych palivách, organických látkach a sedimentárnych horninách. Rovnako je nevyhnutná v štruktúre tela živých organizmov a prostredníctvom fotosyntézy vstupuje do trofických reťazcov ako CO2.

Fotosyntetizátory (rastliny, fytoplanktón a cyanobaktérie) absorbujú uhlík z atmosférického CO2 a potom ho z týchto organizmov vyberajú bylinožravce. Konzumujú ich mäsožravce a nakoniec všetky mŕtve organizmy spracovávajú rozkladače.

Okrem atmosféry a živých bytostí sa uhlík nachádza v pôde (edafosféra) a vo vode (hydrosféra). V oceánoch, fytoplanktóne, makro riasach a vodných angiopermásoch sa CO2 rozpustí vo vode a vykonáva fotosyntézu.

Ilustrácia uhlíkového cyklu

CO2 sa znovu integruje do atmosféry alebo vody dýchaním suchozemských a vodných živočíchov. Akonáhle sú živé bytosti mŕtve, uhlík sa znovu integruje do fyzického prostredia ako CO2 alebo ako súčasť sedimentárnych hornín, uhlia alebo ropy.

Cyklus uhlíka je veľmi dôležitý, pretože plní rôzne funkcie, napríklad je súčasťou živých bytostí, pomáha regulovať teplotu planéty a kyslosť vody. Rovnako prispieva k erozívnym procesom sedimentárnych hornín a slúži ako zdroj energie pre človeka.

vlastnosti

uhlík

Tento prvok sa vo vesmíre nachádza na šiestom mieste a jeho štruktúra mu umožňuje vytvárať väzby s inými prvkami, ako sú kyslík a vodík. Tvoria ho štyri elektróny (štvormocné), ktoré tvoria kovalentné chemické väzby schopné tvoriť polyméry s komplexnými štruktúrnymi formami.

Atmosféra

Uhlík sa v atmosfére vyskytuje hlavne ako oxid uhličitý (CO2) v podiele 0,04% na zložení vzduchu. Aj keď sa koncentrácia atmosférického uhlíka v posledných 170 rokoch podstatne zmenila v dôsledku ľudského priemyselného rozvoja.

Pred priemyselným obdobím sa koncentrácia pohybovala v rozmedzí od 180 do 280 ppm (ppm) a dnes presahuje 400 ppm. Okrem toho je v menšom množstve metán (CH4) a v malých stopách oxid uhoľnatý (CO).

CO2 a metán (CH4)

Tieto plyny na báze uhlíka majú schopnosť absorbovať a vyžarovať energiu dlhej vlny (teplo). Z tohto dôvodu jej prítomnosť v atmosfére reguluje planétovú teplotu tým, že bráni úniku tepla vyžarovaného Zemou do vesmíru.

Z týchto dvoch plynov metán zachytáva viac tepla, ale CO2 má rozhodujúcu úlohu vzhľadom na jeho relatívnu hojnosť.

Biologický svet

Väčšina zo štruktúry živých organizmov je tvorená uhlíkom, nevyhnutným pre tvorbu bielkovín, uhľohydrátov, tukov a vitamínov.

Litosféra

Uhlík je súčasťou organickej hmoty a vzduchu v pôde, nachádza sa tiež v elementárnej forme, ako je uhlík, grafit a diamant. Rovnako je to zásadná časť uhľovodíkov (ropa, bitúmeny) nachádzajúcich sa v hlbokých ložiskách.

Tvorba uhlíka

Keď vegetácia umiera v povodiach jazier, močiaroch alebo na plytkých moriach, úlomky rastlín sa hromadia vo vrstvách pokrytých vodou. Potom sa vytvorí pomalý anaeróbny proces rozkladu spôsobený baktériami.

Sedimenty pokrývajú vrstvy rozkladajúceho sa organického materiálu, ktorý prechádza progresívnym procesom obohacovania uhlíka milióny rokov. To prechádza štádiom rašeliny (50% uhlíka), hnedého uhlia (55 až 75%), uhlia (75 až 90%) a nakoniec antracitu (90% alebo viac).

Tvorba oleja

Začína sa pomalým aeróbnym rozkladom, potom nasleduje anaeróbna fáza pozostávajúca z pozostatkov planktónu, zvierat a morských alebo jazerných rastlín. Táto organická hmota bola pochovaná sedimentárnymi vrstvami a vystavená vysokým teplotám a tlakom vo vnútri Zeme.

Vzhľadom na svoju nižšiu hustotu však olej stúpa cez póry sedimentárnych hornín. Nakoniec sa buď zachytí v nepriepustných oblastiach alebo vytvorí plytké bitúmenové východiská.

Hydrosféra

Hydrosféra udržuje plynnú výmenu s atmosférou, najmä kyslíkom a uhlíkom vo forme CO2 (rozpustného vo vode). Uhlík sa nachádza vo vode, najmä v oceánoch, hlavne vo forme hydrogenuhličitanových iónov.

Bikarbonátové ióny hrajú dôležitú úlohu pri regulácii pH morského prostredia. Na druhej strane, na morskom dne je veľké množstvo metánu zachyteného ako hydráty metánu.

Kyslý dážď

Uhlík tiež preniká medzi plynným médiom a kvapalinou, keď CO2 reaguje s atmosférickou vodnou parou a vytvára H2CO3. Táto kyselina sa zráža s dažďovou vodou a okysľuje pôdy a vody.

Fázy uhlíkového cyklu

Zachytávanie a ukladanie uhlíka. Zdroj: Carbon_sequestration-2009-10-07.svg: * LeJean Hardin a Jamie Platené práce: Jarl Arntzen (diskusia) odvodené dielo: Ortisa / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0 )

Ako každý biogeochemický cyklus, uhlíkový cyklus je zložitý proces tvorený sieťou vzťahov. Ich rozdelenie do definovaných etáp je iba prostriedkom na ich analýzu a porozumenie.

- Geologické štádium

lístky

Vstupy uhlíka do tejto fázy pochádzajú v menšej miere z atmosféry kyslým dažďom a vzduchom filtrovaným do zeme. Hlavným prínosom sú však príspevky živých organizmov, a to tak ich výkalom, ako aj ich telom, keď zomrú.

Skladovanie a obeh

V tejto fáze sa uhlík ukladá a pohybuje sa v hlbokých vrstvách litosféry, ako je uhlie, ropa, plyn, grafit a diamanty. Je tiež súčasťou uhličitanových hornín, zachytených v permafroste (zamrznutá zemná vrstva v polárnych zemepisných šírkach) a rozpustená vo vode a vzduchu v póroch pôdy.

V dynamike doskovej tektoniky sa uhlík dostáva aj do hlbších vrstiev plášťa a je súčasťou magmy.

odchody

Pôsobením dažďa na vápenaté skaly ich eroduje a vápnik sa uvoľňuje spolu s ďalšími prvkami. Vápnik z erózie týchto uhličitanových hornín sa premýva do riek a odtiaľ do oceánov.

Podobne, CO ₂ sa uvoľní , keď je trvalo zamrznutej pôdy topenia alebo nadmernou oranie pôdy. Hlavný výstup je však poháňaný človekom získavaním uhlia, ropy a plynu z litosféry a ich spaľovaním ako paliva.

Ľudská činnosť na základe spotreby uhľovodíkov uvoľňuje uhlík do atmosféry

- Hydrologická fáza

lístky

Keď atmosférický CO ₂ prichádza do kontaktu s vodnou hladinou, rozpúšťa sa tvoriť kyselina uhličitá a metán z morského dna vstupuje litosféry, ako bola zistená v Arktíde. Okrem toho ióny HCO ₃ vstupujú do riek a oceánov v dôsledku erózie uhličitanových hornín v litosfére a umývaní pôdy.

Keď prší, voda prenáša uhlík vo forme oxidu uhličitého z atmosféry a z hornín. Po dosiahnutí oceánu ho používajú koraly, planktón a iné vodné živočíchy. Tieto živé zvieratá - koraly, planktóny a vodné živočíchy - umierajú a vstupujú do uhlíka do pôdy

Skladovanie a obeh

CO2 sa rozpúšťa vo vode a tvorí kyselinu uhličitú (H2CO3), rozpúšťa uhličitan vápenatý v škrupinách a vytvára uhličitan vápenatý (Ca (HCO3) 2). Preto sa uhlík nachádza a cirkuluje vo vode hlavne ako CO2, H2CO3 a Ca (HCO3) 2.

Na druhej strane si morské organizmy udržiavajú konštantnú výmenu uhlíka s vodným prostredím prostredníctvom fotosyntézy a dýchania. Veľké zásoby uhlíka sú tiež vo forme hydrátov metánu na morskom dne, zmrazené nízkymi teplotami a vysokými tlakmi.

odchody

Oceán vymieňa plyny s atmosférou, vrátane CO2 a metánu, a časť metánu sa uvoľňuje do atmosféry. Nedávno sa v hĺbkach menších ako 400 m, napríklad pri pobreží Nórska, zistil nárast úniku metánu v oceáne.

Zvýšenie globálnej teploty zohrieva vodu v hĺbkach nie viac ako 400 ma uvoľňuje tieto hydráty metánu. Podobný proces sa vyskytol v pleistocéne, ktorý uvoľňoval veľké množstvo metánu, viac zahrieval Zem a spôsobil koniec doby ľadovej.

- Atmosférická fáza

lístky

Uhlík vstupuje do atmosféry dýchaním živých bytostí a bakteriálnou metanogénnou aktivitou. Podobne v dôsledku vegetačných požiarov (biosféra), výmeny s hydrosférou, spaľovania fosílnych palív, sopečnej aktivity a uvoľňovania zo zeme (geologické).

Vypustenie geologického uhlíka do atmosféry vypuknutím sopky. Autor: Ciencia1.com

Skladovanie a obeh

V atmosfére je uhlík hlavne v plynnej forme, ako je CO2, metán (CH4) a oxid uhoľnatý (CO). Podobne nájdete vo vzduchu suspendované uhlíkové častice.

odchody

Hlavnými výstupmi uhlíka z atmosférického stupňa je CO2, ktorý sa rozpúšťa v morskej vode a ktorý sa používa vo fotosyntéze.

- Biologické štádium

lístky

Uhlík vstupuje do biologického stupňa ako CO2 prostredníctvom fotosyntetického procesu uskutočňovaného rastlinami a fotosyntetickými baktériami. Podobne ióny Ca2 + a HCO3-, ktoré sa dostanú do mora eróziou a ktoré používajú rôzne organizmy pri výrobe lastúr.

Rastliny a mikroorganizmy absorbujú oxid uhličitý z atmosféry a prostredníctvom fotosyntézy ho prevádzajú na kyslík a energiu

Skladovanie a obeh

Každá bunka, a teda telá živých bytostí, sa skladá z vysokého podielu uhlíka, ktorý tvorí bielkoviny, uhľohydráty a tuky. Tento organický uhlík cirkuluje cez biosféru cez trofické siete od primárnych výrobcov.

Angiospermy, paprade, pečeňové krepy, machy, riasy a cyanobaktérie ju zahŕňajú fotosyntézou. Potom tieto organizmy konzumujú bylinožravce, ktoré budú potravou pre mäsožravce.

Herbivorous zvieratá konzumujú rastliny a uvoľňujú oxid uhličitý do atmosféry. Keď tieto zvieratá uhynú, znovu integrujú uhlík do pôdy. To isté sa deje s koralom a planktónom na morskom dne

odchody

Hlavným únikom uhlíka z tohto štádia na ostatných v uhlíkovom cykle je smrť živých bytostí, ktoré ho znovu začleňujú do pôdy, vody a atmosféry. Masívnou a drastickou formou smrti a uvoľňovania uhlíka sú lesné požiare, ktoré produkujú veľké množstvá CO2.

Na druhej strane najdôležitejším zdrojom metánu do atmosféry sú plyny, ktoré hospodárske zvieratá vypudzujú v tráviacich procesoch. Podobne aktivita metanogénnych anaeróbnych baktérií rozkladajúcich organické látky v bažinách a ryžových plodinách je zdrojom metánu.

dôležitosť

Cyklus uhlíka je dôležitý vďaka relevantným funkciám, ktoré tento prvok plní na planéte Zem. Jeho vyvážený obeh umožňuje regulovať všetky tieto dôležité funkcie na udržanie planétových podmienok ako funkcie života.

V živých bytostiach

Uhlík je hlavným prvkom v štruktúre buniek, pretože je súčasťou uhľohydrátov, bielkovín a tukov. Tento prvok je základom celej chémie života, od DNA po bunkové membrány a organely, tkanivá a orgány.

Regulácia teploty Zeme

CO2 je hlavný skleníkový plyn, ktorý umožňuje udržiavať vhodnú teplotu pre život na Zemi. Bez atmosférických plynov, ako je CO2, vodná para a iné, by teplo vyžarované Zemou úplne uniklo do vesmíru a planéta by bola zmrazenou hmotou.

Globálne otepľovanie

Na druhej strane, prebytok CO2 emitovaného do atmosféry, ako je ten, ktorý v súčasnosti spôsobuje človek, narušuje prirodzenú rovnováhu. To spôsobuje prehriatie planéty, čo mení globálnu klímu a negatívne ovplyvňuje biodiverzitu.

Regulácia pH oceánu

CO2 a metán rozpustený vo vode sú súčasťou komplexného mechanizmu na reguláciu pH vody v oceánoch. Čím vyšší je obsah týchto plynov vo vode, pH sa stáva kyslejším, čo je pre vodný život negatívne.

Zdroj energie

Uhlie je nevyhnutnou súčasťou fosílnych palív, a to minerálneho uhlia, ropy a zemného plynu. Hoci jeho použitie je spochybňované z dôvodu negatívnych účinkov na životné prostredie, ako napríklad globálne prehrievanie a uvoľňovanie ťažkých kovov.

Ekonomická hodnota

Uhlie je minerál, ktorý vytvára zdroje pracovných a ekonomických ziskov pre jeho použitie ako palivo a hospodársky rozvoj ľudstva je založený na použití tejto suroviny. Na druhej strane, vo svojej kryštalickej forme diamantu, oveľa vzácnejšej, má veľkú ekonomickú hodnotu pre použitie ako vzácny kameň.

Referencie

1. Calow, P. (Ed.) (1998). Encyklopédia ekológie a environmentálneho manažmentu.
2. Christopher R. a Fielding, CR (1993). Prehľad nedávneho výskumu fluviálnej sedimentológie. Sedimentárna geológia.
3. Espinosa-Fuentes, M. De la L., Peralta-Rosales, OA a Castro-Romero, T. Biogeochemical cykly. Kapitola 7. Mexická správa o zmene klímy, skupina I, vedecké základy. Modely a modelovanie.
4. Margalef, R. (1974). Ecology. Vydania Omega.
5. Miller, G. a TYLER, JR (1992). Ekológia a životné prostredie. Grupo Editorial Iberoamérica SA de CV
6. Odum, EP a Warrett, GW (2006). Základy ekológie. Piate vydanie. Thomson.