Upload
robby-tailor
View
320
Download
15
Embed Size (px)
Citation preview
Universitatea Politehnica Bucuresti Ingineria Sistemelor Biotehnice/Ingineria Mediului
PROIECT BAZELE ECOLOGIEI
CIRCUITUL CARBONULUI IN NATURA
Profesor indrumator: Carmen Otilia Rusanescu
Student: Truica Anne-Marie
Grupa:724
-An universitar 2013/2014-
CUPRINS
Cap.1 CICLUL BIOGEOCHIMIC, GENERALITĂŢI
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 ŞI ETIMOLOGIE
2.2. CARACTERISTICI NOTABILE
2.3. COMPUŞI ANORGANICI
2.4. LANŢURI DE CARBON
2.5. IZOTOPI
2.6. CARBONUL, PROPRIETĂŢI FIZICE ŞI CHIMICE
2.7. CICLUL CARBONULUI
2.8 CONCLUZII
2
Cap.1 CIRCUITE BIOGEOCHIMICE, GENERALITĂŢI
1.1CE ESTE UN CICLU BIOGEOCHIMIC
Fluxul de energie nu este doar un simplu transfer de la un individ la altul, de la un
nivel trofic la următorul. Nici circuitul materiei nu reprezintă doar deplasarea în spaţiu a
elementelor chimice. Este vorba de procese complexe în care au loc nu doar circulaţia
materiei şi energiei, dar şi transformarea acestora.
Înainte de apariţia vieţii pe Pământ nu existau decât circuite geochimice.În cadrul
acestor circuite elementele chimice se deplasau lent între cele trei compartimente abiotice
: suprafaţa uscatului şi sedimente, oceanul planetar şi atmosferă. Astfel spre deosebire de
caracterul unidirecţional al fluxului de energie prin ecosisteme, elementele chimice
antrenate în procesele metabolice au o mişcare ciclică, fiind mereu reutilizate, trecând
mereu din materia anorganică (materia nevie) în materie vie şi invers.
Activitatea biochimică a sistemelor vii se manifestă, în linii mari, prin realizarea,
în raport cu mediul , a două funcţii esenţiale: concentrarea (acumularea) şi dispersarea
selectivă a elementelor.
Acumularea biogeochimică realizată de organisme în diferite perioade geologice a
avut ca efect formarea depozitelor sedimentare, terestre sau marine, a unor zăcăminte
minerale. Efectul acumulării biogeochimice actuale devine evident în cazul unor metale
grele sau substanţe toxice, a căror concentrare de-a lunugul lanţurilor trofice poate deveni
periculoasă pentru consumatorii de ordin superior, inclusiv pentru om.
În sistemele vii , elementele chimice participă la realizarea structurilor , a
reacţiilor chimice şi la ciclurile biogeochimice , în mod diferit în funcţie de proprietăţile
lor. Astfel carbonul are o viteză mai mare de circulaţie decît azotul, fosforul şi sulful,
elemente care participă la formarea acizilor nucleici, proteinelor.
În organisme, au fost identificate circa 50 de elemente chimice, diferenţiate prin
participarea lor relativă la formarea substanţelor organice. Categoria cea mai importantă o
3
reprezintă 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 adaugă microelementele : sodiu, calciu, fier,
aluminiu, magneziu, şi ultramicroelementele : As,Mo, Se etc.(Botnariuc N.,)
Fiecare dintre elementele chimice se înglobează într-un ciclu biogeochimic
specific.
1.2 CARACTERISTICILE UNUI CICLU BIOGEOCHIMIC
În circuitul fiecărui element putem deosebi două compartimente ( componente)
sau două categorii de componente : unul sau mai multe rezervoare, de obicei de natură
nebiologică, situate în atmosferă, hidrosferă sau litosferă şi un compartiment de ciclare,
cel biologic, care determină în mod activ procesul de reciclare al elementului dat.
Transferul elementelor chimice dintr-un rezervor în altul se realizează de-a lungul unor
căi de transport. Circuitele au sporit în complexitate o dată cu apariţia biosferei. Aceasta
este extrem de dinamică, preluarea, transformarea, stocarea şi exportarea elementelor
chimice şi a compuşilor realizându-se cu viteză mare. Organismele vii au calitatea de a
acumula selectiv, de a transforma şi dispersa în spaţiu şi timp elementele acumulate,
procesele decurgând mult mai rapid comparativ cu cu cele geochimice. Circuitele care
includ, pe lângă rezervoarele abiotice şi componenta biotică, se numesc circuite
biogeochimice ( se referă la circulaţia elementelor chimice din apă, aer, sol în
organismele vii şi înapoi în mediu).(Cogălniceanu D.,2006)
Dată fiind specificitatea însuşirilor chimice ale fiecărui element, precum şi
specificitatea metabolică a populaţiilor ce alcătuiesc biocenozele, fiecare element are un
circuit caracteristic. Ne referim astfel la circuitele elementelor (carbon, azot, fosfor,
calciu, etc) dar şi la circuitele unor compuşi chimici naturali cum este apa sau sintetici (de
exemplu circuitului pesticidelor). Deşi circuitele diferitelor elemente sunt cel mai adesea
analizate şi prezentate separat, adesea nu se desfăşoară izolate unele faţă de altele, ci sunt
cuplate în adevărate catene biogeochimice.(Cogălniceanu D.,2006)
Societatea umană este unică prin aceea că necesită şi utilizează, pe lângă cele
aproximativ 40 de elemente esenţiale, aproape toate celelalte elemente, dar a inclus în
circuite şi elemente noi, sintetice. Astfel, o serie de metale rare şi tranziţionale, inclusiv
cele radioactive, au fost introduse în cantităţi mari în circuite. O serie de compuşi de
4
sinteză au atins concentraţii semnificative în mediu şi putem vorbi deja de ciclurile lor
biogeochimice.
Circuitele biogeochimice pot fi clasificate după mai multe criterii, dar unul dintre
cele mai importante criterii este cel spaţial, conform căruia circuitele pot fi :
Locale
Regionale
Globale
Înţelegerea problematicii circulaţiei elementelor şi compuşilor chimici este extrem
de utilă pentru reducerea poluării.
Circuitele biogeochimice pot fi studiate cantitativ prin estimarea mai multor
parametri caracteristici :
1. Mărimea rezervoarelor şi respectiv mărimea compartimentului de ciclare
2. Fluxul măsoară cantitatea din elementul respectiv ce tranzitează într-un
interval de timp o anumită cale de transport
3. Perioada de rezidenţă reprezintă timpul cât rămâne o cantitate din elementul
respectiv într-un rezervor sau compartiment şi se estimează pe baza
raportului dintre mărimea rezervorului şi flux.(Cogălniceanu D.,2006)
În natură se pot distinge două mari categorii de circuite biogeochimice globale :
circuite gazoase, în care rezervorul principal al elementelor este atmosfera (ex. Carbounl,
azotul, oxigenul) şi circuite sedimentare, în care rezervorul principal al elementelor îl
reprezintă litosfera.(N. Botnariuc)
Ciclurile gazoase se mai numesc şi cicluri închise sau perfecte, deoarece ieşirile din
rezervor sunt aproximativ echilibrate prin intrări în timp ce pierderile din ciclurile
sedimentare nu sunt echilibrate şi de aceea ele se mai numesc şi deschise sau imperfecte.
Antrenarea elementelor chimice în circuitele biogeochimice este dependentă de
energia radiantă solară ce determină, printre altele, evaporarea apei, circulaţia maselor de
aer şi apă procesele biologice.Unul din ciclurile biogeochimice de bază, ce
interacţionează cu toate celelalte având un rol important în desfăşurarea acestora este
circuitul apei.
5
1.3.CIRCUITUL HIDROLOGIC
Apa este o resursă regenerabilă de imoprtanţă vitală pentru existenţa vieţii pe
Pământ. Oceanul Planetar acoperă 71% din suprafaţa globului şi înmagazinează cea mai
mare parte din rezervele de apă 97%, în gheţari sunt acumulate 2% şi doar 1% reprezintă
apa vehiculată în circuitul hidrilogic şi accesibilă pentru satisfacerea necesităţilor
societăţii umane.
Volumul mediu anual de apă cuprins în circuitul hidrologic este de 500 000km3.De
pe suprafaţa oceanelor se evaporă anual 430 000 km3, iar de pe suprafaţa uscatului 70
000km3. Aproximativ o cincime din energia radiantă solară este consumată anual pentru
evaporarea apei. Soarele acţionează astfel ca o pompă ce trimite apă din hidrosferă,
litosferă şi biosferă în atmosferă. (Cogălniceanu D.,2006)
Cap.2 CIRCUITUL BIOGEOCHIMIC AL CARBONULUI
2.1.CARBONUL – ISTORIE ŞI ETIMOLOGIE
Carbonul a fost descoperit în preistorie şi era cunoscut anticilor, care îl preparau
prin arderea materialului organic în spaţii fără mult oxigen (creând cărbune). Diamantele
au fost întotdeauna considerate rare şi frumoase. Unul dintre ultimii alotropi ai
carbonului, fulerenul, a fost descoperit ca produs secundar în experimente din anii 1980.
Numele său vine din francezul charbone, care, la rândul său, vine din latinescul carbo,
însemnând cărbune. În germană şi olandeză, numele carbonului sunt Kohlenstoff şi,
respectiv, kolstof, ambele însemnând literal "materia (stofa) cărbunelui".
2.2 CARACTERISTICI NOTABILE
Carbonul este un element remarcabil din mai multe motive. Printre formele sale
diferite se numără una dintre cele mai moi (grafit) şi una dintre cele mai dure (diamant)
dintre substanţele cunoscute. Mai mult, are o capacitate deosebită de a forma legături
chimice cu alţi atomi mici, incluzând atomii de carbon, iar mărimea sa îl face capabil de a
forma legături multiple(fig.1). Datorită acestor proprietăţi, carbonul poate forma aproape
zece milioane de compuşi chimici diferiţi. Compuşii de carbon reprezintă baza vieţii pe
Pământ şi ciclul carbon-azot produce o parte din energia radiată de Soare şi de alte stele.
6
În plus, carbonul are cele mai înalte puncte de topire/sublimare dintre toate elementele.
La presiunea atmosferică nu are punct de topire deoarece punctul său triplu este la 10
MPa (100 bari), deci sublimează la peste 4000 K. Astfel, el rămâne solid la temperaturi
mai înalte decât cele mai mari puncte de topire ale metalelor, precum wolframul sau
reniul, indiferent de forma sa alotropică.
Carbonul nu a fost creat în timpul Big Bang-ului, deoarece are nevoie de
producerea unei coliziuni triple de particule alfa (nuclee de heliu). Universul s-a extins
iniţial şi apoi s-a răcit prea repede pentru ca acest lucru să fie posibil. Oricum, este produs
în interiorul stelelor în ramura orizontală, unde un nucleu de heliu este transformat în
carbon prin procesul triplu-alfa. A fost de asemenea creat în stări multi-atomice.
fig.1 Carbonul (http://ro.wikipedia.org/wiki/Imagine:C-TableImage.png)
2.3.COMPUŞI ANORGANICI
Cel mai cunoscut şi important oxid al carbonului este bioxidul de carbon, CO2. Este
o componentă minoră a atmosferei Pământului, produs şi folosit de toate fiinţele vii, şi un
compus volatil în altă parte. În apă formează urme de acid formic, HCO2H, dar ca
majoritatea compuşilor cu mai mulţi atomi de oxigen la un singur carbon este instabil.
Prin acest intermediar, sunt produşi ioni carbonaţi. Unele minerale importante sunt
carbonaţii, precum calcitul. Disulfura de carbon, CS2, este similară.
7
Alţi oxizi sunt monoxidul de carbon, CO, şi neobişnuitul suboxid de carbon, C3O2.
Monoxidul de carbon se formează prin combustie incompletă şi este un gaz incolor şi
inodor. Fiecare moleculelă conţine o legătură triplă, care este foarte puţin polară,
rezultând tendinţa de a se ataşa permanent de moleculele de hemoglobină, deci gazul este
foarte otrăvitor.
Cinura, CN are o structură similară şi se comportă ca un ion halid; (CN)2, este
înrudită.Cu metalele reactive, precum wolframul, carbonul formează fie carburi, C-, fie
acetilide, C22-, aliaje cu puncte de topire foarte înalte. Aceşti anioni sunt de asemenea
asociaţi cu metanul şi acetilena, ambii fiind acizi foarte slabi. Cu o electronegativitate de
2,5, carbonul formează de obicei legături covalente. Unele carburi au matrice covalente,
de exemplu carborundul, SiC, care seamănă cu diamantul.
2.4.LANŢURI DE CARBON
Carbonul are capacitatea de a forma lanţuri lungi cu legături C-C. Această
proprietate se numeşte concatenare. Legăturile carbon-carbon sunt destul de puternice şi
anormal de stabile. Această caracteristică este importantă deoarece permite carbonului să
formeze un număr foarte mare de compuşi; de fapt, există mai mulţi compuşi chimici
care conţin carbon decât toţi compuşii celorlalte elemente chimice la un loc.Cea mai
simplă formă de moleculă organică este hidrocarbura - o familie mare de molecule
organice care, prin definiţie, sunt compuşi din atomi de hidrogen legaţi de un lanţ de
atomi de carbon. Lungimea catenei, catenele laterale (ramificaţii) şi grupele funcţionale
influenţează proprietăţile moleculelor organice.
2.5.IZOTOPI
Carbonul are doi izotopi naturali stabili: carbon-12, sau 12C, (98.89%) şi carbon-13,
sau 13C, (1.11%), şi un radioizotop natural, dar instabil, carbon-14 sau 14C. Există 15
izotopi cunoscuţi ai carbonului, iar cel care există cel mai puţin este 8C, care dispare prin
emisie de protoni şi degradare alpha. Are un timp de înjumătăţire de 1,98739x10-21. În
1961, Uniunea Internaţională de Chimie Pură şi Aplicată a adoptat izotopul carbon-12 ca
8
bază pentru greutăţile atomice.Carbonul-14 are un timp de înjumătăţire de 5730 ani şi
este folosit intens pentru datarea materialelor pe bază de carbon
2.6.CARBONUL, PROPRIETĂŢI FIZICE ŞI CHIMICE
Carbonul are simbolul C, element crucial al existenţei organismelor şi care are mai
multe aplicaţi industriale. Numărul atomic al C este 6; elementul este in gr. a IV al
sistemului periodic al elementelor. Greutatea atomică a C este 12,01115. Cele 3 stări
naturale ale carbonului sunt- diamantul, grafitul si carbonul amortiu -ele sunt solide cu o
temperatură de topire extrem de ridicată şi sunt insolubile în toţi solvenţii la temperaturi
normale. Proprietăţile fizice ale celor 3 tipuri de C nu prea diferă din cauza diferenţelor în
structura cristalină. În diamant, cel mai dur material cunoscut, fiecare atom este în
legătură cu alţi 4 atomi într-un schelet 3D(fig 2), grafitul consistă în legături săptămânale
de straturi de atomi care sunt aranjaţi în hexagon (fig.3). C amorfiu este caracterizat de un
grad scăzut de cristalinitate. C amorfiu pur poate fi obţinut prin încălzirea zahărului la
900 grade în absenţa aerului. C are abilitatea unică de a face legături cu alţi atomi de C
pentru a forma, lanturi si inele complexe. Această proprietate duce la un număr aproape
infinit de compuşi ai carbonului cel mai comun element fiind cel care conţine C şi
H2.Primii compuşi ai C au fost identificaţi în materia vie la începutul sec 19. La
temperaturi normale C are o radioactivitate scăzută. La temperaturi ridicate reacţioneaza
cu aproape toate metalele pentru a forma carburi, iar cu oxigenul formează 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.
9
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 răspândit în natura deşi este într-un procent de 0,025% din
atmosfera Pământului. Se găseşte cel mai des sub forma de carbonat. CO2 este un compus
important al atmosferei şi este principala sursă de carbon încorporat în materia vie .
Plantele folosind fotosinteza transformă CO2 în compuşi organici de carbon care este
consumat de alte organisme
2.7.CICLUL CARBONULUI
Ciclul carbonului e important pentru viaţa pe Pămînt deoarece este in legătură cu
schimbările climatice, cu ciclul hidrologic, cu ciclul nutrienţilor precum şi cu biomasa
produsă în urma fotosintezei pe sol sau în oceane. Pentru a înţelege mai bine importanţa
acestui element precum şi a ciclului său în natură, trebuie mai întâi să înţelegem cu
„ funcţionează” mediul înconjurător şi cum reacţionează oamenii în viaţa de zi cu zi.
Carbonul nu face parte din elementele cele mai răspândite în natură : din numărul
total de atomi ai scoarţei Pământului, atomii de carbon reprezintă numai 0,14
%.Participarea lor la constituţia chimică a materiei vii le conferă însă o importanţă majoră
şi caracterul de element omniprezent. Dar carbonul şi compuşii săi joacă un rol
10
excepţional nu numai în existenţa biosferei, ci şi în existenţa stelelor.Migraţia ciclică pe
care atomii de carbon o realizează astfel prin sistemele lipsite de viaţă şi prin cele
biologice constituie unul dintre cele mai însemnate cicluri biogeochimice, ciclu ce poate
fi reprezentat ca un sistem multicompartimentat, sistem cu şase
compartimente( rezervoare): 1)stratosfera , 2)troposfera, 3) biosfera , 4) humusul,
5)stratul mixt al mărilor şi oceanelor şi 6) stratul adânc al oceanelor.
Rolul biologic al carbonului , ca şi rolul lui în ecologia globală a ecosferei este de
prim rang.
Structura atomului de carbon este de aşa natură încât permite îndeplinirea a două
funcţii esenţiale : în primul rând această stuctură face posibilă legarea atomilor de C între
ei , prin legături simple sau duble, putând forma lanţuri sau cicluri de atomi care
constituie „scheletul” tuturor moleculelor şi macromoleculelor organice. În al doilea rând,
această structură îi permite să reacţioneze cu late elemente atât prin cedarea de electroni (
forma oxidată , de pildă, prin unirea cu O, care tinde să capteze electroni), cât şi prin
acceptarea de electroni ( forma redusă, de pildă, prin unirea cu H, care pierde mai uşor
electronul său). De exemplu unirea atomului de C cu atomul de H duce la eliberarea a
99kcal, energia care devine disponibilă pentru diferitele necesităţi ale organismelor. Din
acelaşi motiv compuşii carbonului ( combustibili fosili) reprezintă până în prezent ,
principala sursă de energie pentru nevoile omenirii.
Rolul ecologic global al carbonului nu este mai puţin important. Carbonul din
atmosferă sub formă de CO2, reprezintă un ecran care opreşte radiaţiile termice, infraroşii,
emise de suprafaţa Pământului, determinând aşa numitul „efect de seră” al cărui
intensitate depinde de concentraţia CO2 din atmosferă. Pe această cale CO2 influenţează
condiţiile climatice globale.
În hidrosferă, CO2 dizolvat formează acidul carbonic , care combinat cu Ca dă
carbonat şi bicarbonat. Transformarea reversibilă CaCO3 – Ca(HCO3)2 devine
mecanismul principal de tamponare a variaţiilor ph-ului din mediul acvatic.
În ciclul biogeochimic al C există câteva rezervoare . atmosfera conţine circa 700
109 t carbon,sub formă de CO2 care se află în permanent schimb cu biosfera şi cu
hidrosfera. Biosfera conţine aproximativ 800 109 t, deci ceva mai mult decât atmosfera.
Humusul şi turba reprezintă un uriaş rezervor de carbon , conţinând între 1000 109 şi
11
3000 109t . Apa oceanelor conţine şi mai mari cantităţi de carbon. Sub formă de
carbonaţi în sistemul carbonaţi – bicarbonaţi, cantiatea de carbon se ridică la 40 000 109
t, iar sub formă de substanţă organică dizolvată 3 000 109 t.
Deşi rezervele de combustibil fosil nu se cunosc cu exactitate, conţinutul lor în C se
estmiează în prezent la 10 1012 t. Cel mai mare rezervor de C îl reprezintă sedimentele
de carbonaţi ( calcare, dolomite) al căror conţinut în C este estimat la 20 1015 t.
Transferul C de la un rezervor la altul se datorează atât unor procese biologice cât
şi interacţiunii lor cu procesele fizico-chimice.
Două procese biologice au rol esenţial în acest transfer : fotosinteza, prin care CO2
din atmosferă sau apă e încorporat în plante, transformat în substanţe organice şi
respiraţia prin care acelaşi compus este restituit atmosferei sau hidrosferei.
6CO2 + 6H2O + E (energie solară) → C6H12O6 + 6O2 fotosinteză
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + E (energie) respiraţie
În linii mari, în condiţii naturale normale aceste două procese se echilibrează
reciproc constituind un sistem tampon esenţial care menţine relativ constantă concentraţia
de CO2 din atmosferă.Desigur, fixarea carbonului prin fotosinteză depăşeşte cantitatea de
carbon eliberată în procesul respiraţiei, diferenţa reprezentând producţia netă a plantelor.
Echilibrarea se datorează faptului că producţia primară netă este parţial consumată, direct
sau indirect de consumatori de diferite ordine şi oxidată până la CO2 şi H2O, iar partea
neconsumată – cadavrele atât ale producătorilor primari cât şi ale celor secundari – este
degradată treptat de grupul descompunătorilor, cu eliminare de CO2 în apă şi atmosferă.
În mod natural tendinţele de schimbare a concentraţiei de CO2 din atmosferă sunt
autoreglate. Dacă apare o tendinţă de creştere a CO2 din atmosferă intervine conexiunea
inversă negativă frânând această tendinţă pe două căi : pe de o parte creşte consumul de
CO2 în procesul fotosintezei plantelor terestre, pe de altă parte , creşterea tensiunii CO2
din atmosferă duce la sporirea cantităţii gazului solvit în apă, unde o mai mare cantitate
de carbonaţi se transformă în bicarbonaţi. CO2 solvit în apă, ca şi cel din bicarbonaţi ,
poate fi folosit de plantele acvatice.
12
Imperfecţiunea acestui circuit constă în faptul că din el se produc „scurgeri” de C şi
aceasta pe două căi mai importante : depunerea carbonului în sedimente, sub formă de
carbonaţi provenind din formaţiuni scheletice, şi formarea zăcămintelor de combustibili
fosili (turbă, cărbuni, de pământ, petrol). Pe cale naturală, revenirea în circuit a
carbonului din aceste formaţiuni geologice este doar parţială şi se produce în timp
îndelungat, chiar din punct de vedere geologic, prin proces de orogeneză, când
formaţiunile respective ajung la suprafaţă şi sunt supuse proceselor de dezagregare
chimică şi eroziune.
Bilanţul circuitului global al C, deşi serveşte drept model al circuitelor
biogeochimice echilibrate pare a fi destul de instabil, mai ales în perioade mari de timp.
Modelarea matematică a circuitului gobal al C în ecosferă arată posibilitatea unor
oscilaţii de lungă durată a concentraţiei de C. De asemenea, din model se constată că
sistemul atmosferă – plantele terestre- solul, are capacitatea de atenuare a influenţelor
antropogene asupra concentraţiei acestui element.
Nu se cunoaşte valoarea reală a schimburilor de CO2 dintre apa oceanului şi
atmosferă. Această valoare depinde de numeroşi factori : tensiunea parţială a CO2 din aer
şi din apă, la rândul ei tensiunea CO2 din apă depinde de intensitatea fotosintezei
fitoplanctonului care şi ea este influenţată de lumina incidentă, de temperatură, de
cantitatea de nutrienţi din apă, de cantitatea şi activitatea consumatorilor.. De asemenea
concentraţia de CO2 din păturile superficiale depinde de intensitatea activităţii
descompunătorilor ( bacterii) şi de intensitatea schimburilor cu straturile mai adânci ale
apei care conţin cantităţi mari de substanţă organică dizolvată.
Măsurătorile arată că proporţia de CO2 din atmosfera diferitelor regiuni ale globului
variază puţin, ca şi în limitele grosimii troposferei. Există o uşoară creştere a CO2 în zona
ecuatorială şi o scădere la latitudini mari. Explicaţia acestui gradient constă în
solubilitatea mai mare a CO2 în apele polare reci decât în apa caldă , fapt care determină o
scădere a CO2 din atmosferă.Excesul de CO2 din apele reci este transportat treptat spre
sud prin curenţi de adâncime, spre zonele mai calde unde este degajat apoi în atmosferă.
Cantitatea de CO2 transportată pe această cale dinspre polul nord spre ecuator este
estimată la 2 1010 t/an .
13
Rolul vegetaţiei terestre nu este nici el constant în circuitul global al C. În mod
normal, vegetaţia terestră, forestieră, datorită producţiei primare nete ridicate este
aspirator de CO2 din atmosferă. Dar, în cursul evoluţiei geologice- schimbările de climă,
extinderi ale zonelor secetoase, transgresiuni sau regresiuni ale apelor oceanice,
activitatea vulcanică, dacă ducea la restrângerea pădurilor sau pe alte căi, puteau
determina creşteri ale concentraţiei de CO2 din atmosferă şi din contră extinderea
pădurilor putea avea efect invers.
Studiul activităţii vulcanice din Paleozoic până în prezent,făcut pe baza variaţiei
cantităţii rocilor de origine vulcanică, arată că intensitatea vulcanismului se schimbă
ritmic aproximativ la 100 milioane ani.În acelaşi timp, detreminarea concentraţiei de CO2
din atmosferă, făcută pe baza evaluării cantităţii de CO2 fixate în calcare, arată că variaţia
acestei concentraţii corespundea cu vriaţia intensităţii vulcanismului. Mersul curbei arată
că pe la mijlocul Cretacicului a început scăderea concentraţiei CO2 din atmosferă şi ea s-a
accentuat în Oligocen şi mai ales în Pliocen şi Pleistocen, fapt care a dus la scăderea
temperaturii la suprafaţa pământului şi la aparţia glaciaţiunilor.
În etapa antropogenă şi mai ales de când a început perioada industrializării, deci de
acum aproximativ 200 ani, influenţa activităţii umane se face resimţită tot mai mult
asupra circuitului global al carbonului.
2.7. CICLUL BIOGEOCHIMIC AL CARBONULUI ÎN MEDIUL MARIN
Carbonul este al patrulea element ca abundenţă din Univers, după hidrogen, heliu şi
oxigen este „piatra de temelie” vieţii de Pămînt. Este elementul ce apare în toate
substanţele organice de la combustibilii fosili până la ADN. Pe Terra, carbonul se
deplasează prin geosfere într-un ciclu biogeochimic majpor.
Ciclul carbonului este relativ simplu, acesta se bazează în principal pe dioxidul de
carbon, care reprezintă numai 0,03% din atmosferă pământului.Acest ciclu presupune
conversia CO2 anorganic în compuşi organici şi remineralizarea ulterioară în CO2. De
aceea, se numeşte ciclu biogeochimic, presupune deci, circuitul unui element chimic atât
prin sisteme biologice cât şi prin sisteme geologice. Ciclul global al carbonului poate fi
împărţit în în două categorii : ciclul geologic, care operează la o scară mare de timp
14
( milionae de ani), şi ciclul biogeochimic, crar operează la o scară mult mai mică (de la
zile la mii de ani)
Cilclul gelologic- miliarde de ani în urmă, corpuri mici care s-au format din
nebuloasa solară şi meteoriţi ce conţineau carbon au bombardat suprafaţa planetei
noastre, ca urmare conţinutul în carbon al Pământului s- a îmbogăţit continuu.Încă de
atunci, acidul carbonic, a fost încet, dar contiunuu combinat cu calciu şi magneziu în
scoarţa Pămîntului şi a format carbonaţi insolubili. Apoi, prin eroziune carbonaţii au fost
transportaţi în ocean şi depuşi pe fundu ceanic. Ciclul continuă pe măsura ce aceştia sunt
introduşi în manta prin subducţia plăcilor litosferice la marginea platourilor continentale
şi este reintrodus în atmosferă ca CO2 în timpul erupţiilor vulcanice. Acest întreg
mecanism controlează concentraţia de CO2 din atmosferă pe perioade de sute de milioane
de ani. Sedimentele foarte vechi sugerează că înainte de a evoula viaţa pe Pământ,
concentraţia de CO2 putea fi de o sută de ori mai mare decât în prezent ceea ce ar fi
produs un puternic efect de seră.Pe de altă parte, probe din calotele de gheaţă din
Antarctica şi Groenlanda au condus la ipoteza că în timpul ultimei perioade glaciare
concentraţia de CO2 era de numai jumătate faţă de cea din prezent.
Ciclul biogeochimic- activitatea biologică joacă un rol important în circulaţia
carbonului în şi din pământ şi ocean prin procesul de fotosinteză şi prin respiraţie.
Respiraţia utilizează carbohidraţi şi oxigen şi elimină CO2, apă şi energie. Fotosinteza, ia
CO2 şi apă şi produce carbohidraţi şi oxigen. Ceea ce se produce prin respiraţie se
consumă prin fotosinteză şi invers. Reacţiile sunt complementare şi se realizează cu
transfer de energie. Fotosinteza se bazează pe energia solară şi o stochează în
carbohidraţi, iar respiraţia eliberează acestă energie.
Fotosinteza şi respiraţia joacă un rol important în ciclul geologic de lungă durată a
carbonului. În oceane, o parte din carbon este luată de fitoplancton pentru a-şi construi
ţesuturile din carbonat de calciucare după maortea acestora este înmagazinat pe fundul
mării şi formează sedimentele.De-a lungul timpului, când fotosinteza depăşeşte respiraţia,
materia organică se acumulează timp de milioane de ani şi formează depozite de cărbuni
15
şi petrol. Toate aceste procese mediate reprezintă circuitul CO2 din atmosferă şi stocarea
carbonului în sedimentele geologice.
Cantitatea de totală de carbon anorganic dizolvat în oceane este de 50 de ori mai
mare decât în atmosferă şi la scară milenară oceanele determină concentraţia atmosferică
de CO2 şi nu invers.Atmosfera schimbă permanent dioxid de carbon cu apa oceanică,
schimbul având loc la suprafaţa oceanului. Acest schimb, care însumează 90 gigatone de
C pe an în fiecare direcţie, conduce la o rapidă echilibrare a atmosferei cu suprafatţa
apei.În urma dizolvării în apă , CO” formează un acid slab care reacţionează cu anionii
carbonaţi şi apa pentru a forma bicarbonaţi.Capacitatea sistemului carbonatic oceanic de
a compensa schimbările concentraţiei CO2 este limitată şi depinde de adaosul de cationi
de la descompunerea relativ lentă a rocilor. Deoarece rata emisiilor de CO2 antropogenic
este cu câteva ordine de magnitudine mai mare decât sursa de cationi minerali, în timp de
cîteva milenii capacitatea suprafeţei oceanelor de a absoarbe CO2 va scădea în mod
inevitabil pe măsură ce concentraţia gazelor va creşte. Concentraţia C organic total
dizolvat în ocean creşte semnificativ sub 300 m adâncime, unde aceasta rămâne evident
deasupra valorii echilibrului suprafaţa oceanică-atmosferă în toate bazinele oceanice.
Concentraţia mare a C anorganic în interiorul oceanului rezultă din combinarea a două
procese fundamentale : „pompa solubilităţii” şi „pompa biologică”. Eficienţa pompei
solubilităţii depinde de circulaţia termohalină şi de schimbările sezoniere latitudinale în
ventilarea oceanică. Dioxidul de C e mult mai solubil în ape reci şisaline şi de aceea
reţinerea CO2 atmosferic în interiorul oceanului este controlat de formarea maselor de
apă reci, cu densitate mare, la latitudini mari.
Procesele biologice contribuie de asemenea la absorbţia de CO2 atmosferic în
ocean.Fotosinteza fitoplanctonului consumă CO2 determinând scăderea presiunii parţiale
a acestuia în partea superioară a oceanului şi în consecinţă susţine absorbţia CO2 din
atmosferă. Aproximativ 25% din C fixat în partea superioară a oceanului se scufundă în
interiorul acestuia unde este oxidat prin respiraţia heterotrofică microbiană, crescând
concentraţia carbonului anorganic dizolvat. Exportul carbonului organic de la suprafaţă
spre interiorul oceanului în prezent însumează 11-16 Gt C/an. Acest proces menţine
concentraţia CO2 atmosferic la o valoare mai mică cu 150-200 ppmv(parts per million by
16
volume), decât ar fi dacă tot fitoplanctonul din ocean ar dispărea. În adiţie la pompa
biologică organică, câteva specii de fito- şi zooplancton formează teste de CaCO3 care se
scufundă în adâncul oceanului, unde o parte din acestea se dizolvă. Acest ciclu al C
anorganic conduce la o reducere a C anorganic dizolvat la suprafaţa oceanului faţă de
adâncime şi de aceea se numeşte şi „pmpa carbonatică”.Procesul de precipitare a
carbonaţilor creşte totuşi presiunea parţială a CO2. De aici, de- a lungul câtorva secole, în
timp ce pompa caronatică scade, concentraţia C anorganic dizolvat în partea superioară a
oceanului, produce simultan o difuziune a CO2 dinspre ocean spre atmosferă.
Sursa de C şi fixarea acestuia : producţia de C în stratul de la suprafaţa oceanului
este influenţată de lumina solară şi de către nutrienţi. Nutrienţi sunt furnizaţi fie din surse
terestre, fie prin remineralizarea în masa de apă. C care e fixat în zona fotică este
scufundat spre adâncimile mari unde remineralizarea este intensă. Cantitatea C
transportat spre adâncuri este limitată de către nutrienţi şi lumina solară disponibilă în
aceeaşi măsură ca şi C din apele de suprafaţă. În partea marginală a oceanelor, dinamica
curenţilor şi vântul produc procesul de upwelling, care aduc înapoi spre suprafaţă
nutrienţi remineralizaţi. Productivitatea care este adesea limitată de concentraţia scăzută a
nutrienţilor în zona fotică, va fi simulată de aceste materiale care au suferit procesul de
upwelling. Astfel, zonele costiere pot recepţiona cantităţi mari de nutrienţi şi carbon de la
straturile profunde de apă. Acesată legătură dinamică între straturileadânci şi cele
superioare ale coloanei de apă precum şi legătura cu sursa de nutrienţi terestră, explică
rata mare a productivităţii care se înregistrează în zonele marginale ale oceanului.
În microstratul de la suprafaţă, în primii milimetri, productivitatea neustonică pe
unitatea de volum poate fi mult mai mare decât productivitatea planctonică în stratul de
dedesubt. C poate creşte de 4-16 ori faţă de stratul imediat inferior. Acest microstrat ,
datorită poziţiei sale între atmosferă şi ocean şi a creşterii biomasei şi activităţii
microbiene poate fi un factor important în calcularea fluxului C între atmosferă şi ocean.
În adiţie la fluxurile naturale de C, prin activităţile antropogenice în special arderea
combustibililor fosili şi defrişările, se eliberează un surplus de CO2 în atmosferă. Datorită
acestui fapt concentraţia CO2 atmosferic este astăzi mult mai mare decât era înainte de
17
perioada antropogenă.Totuşi, nu tot CO2 emis în urma activităţilor umane rămâne în
atmosferă.Oceanele absorb o parte din acestea. De exemplu din figură se poate observa
că arderea combustibililor fosili eliberează aproximativ 5Gt de C pe an în atmosferă şi că
prin defrişare se contribuie cu 1,6 Gt C/an.(fig 4)
fig.4. Diagrama ciclului carbonului care arată rezervele de carbon precum şi schimburile de gaze între atmosferă hidrosferă şi geosferă în gigatone de C.Omenirea adaugă la acest ciclu cam 5,5 miliarde de tone de dioxid de carbon pe an, în cea mai mare parte fiind eliberată în atmosferă. (Source: NASA)
2.8. CONCLUZII
Dintre toate elementele din tabelul periodic, carbonul este cel mai remarcabil şi este
uneori numit baza vieţii pe Pământ.Carbonul este un element chimic nemetalic, larg
răspândit, unul dintre elementele chimice esenţiale ale materiei vii şi ale compuşilor
chimici organici şi anorganici. Datorită proprietăţilor sale, are capacitatea de a forma
diferiţi compuşi, cu o importanţă majoră în mediul înconjurător. Astfel ca şi element
18
chimic, pe baza C14 se poate face datarea organismelor, stabilirea vârstei vestiigilor
materiale , prin analiza realizată prin descompunerea cantităţii de CO2 care se află în
obiectele respective.
Un alt rol important al C îl constituie - ciclul carbonului în natrură,care este
reprezentat de totalitatea următoarelor procese : în timpul fotosintezei, atomii de C din
dioxidul de carbon intră în compuşii organici din plante; aici ei sunt transformaţi în
dioxid de carbon în urma reacţiilor de oxidare, în cadrul schimbului de substanţe de către
plante; ierbivorele care consumă plantele preiau acest compus, care ajunge apoi la nivelul
carnivorelor ce se hrănesc cu ierbivorele şi eliberează carbon, care intră din nou în acest
ciclu.
Dintre compuşii anorganici ai C, CO2 şi CO sunt cei mai importanţi.CO2 există în
stare naturală în aer( reprezintă 0,2-0,3% din totalul de C accesibil)), în urma arderilor de
materie organică sau a putrezirii şi descompunerii acesteia. În ţesuturile animale, CO2
este rezultat în urma proceselor metabolice de ardere internă, după care e eliminat în
atmosferă. De aici e preluat şi absorbit din atmosferă de către apa mării şi de plante şi
descompus de clorofilă în procesul de fotosinteză, din care rezultă C şi O.Această
creştere continuă a CO2 contribuie la efectul de seră şi duce la încălzirea globală. Un alt
gaz, CO este toxic şi este eliberat împreună cu gazele de eşapament, precum şi în urma
proceselor obişnuite de ardere gazelor sau în fumul de ţigară.
Ciclul biogeochimic al C relevă faptul că în cea mai mare parte (95%) din acest
element se află depozitat în litosferă, sub formă de carbonat de calciu şi alţi carbonaţi,
deci într-o formă mai puţin accesibilă.
19
BIBLIOGRAFIE
1. Botnariuc N., Vădineanu A., „Ecologie”, Ed.Didactică şi
Pedagogică, Bucureşti, 1982
2. Cogălniceanu D., „Principiile ecologiei sistemice, note de
curs”, Constanţa, 2006
3. Gomoiu T.M., „Sisteme supraindividuale – note de curs”,
Constanţa, 2007
4. Soran V., Borce M., „Omul şi biosfera”, Ed. Ştiinţifică şi
Enciclopedică, Bucureşti, 1985
5. http://ro.wikipedia.org
6. http://earthobservatory.nasa.goy
7. http://www.globalcarbonproject.org/
8. Enciclopedia „Arborele Lumii”
20