Ciclo do carbono

O ciclo do carbono ou ciclo do carbono é o sistema de conversões químicas de compostos contendo carbono nos sistemas globais litosfera , hidrosfera , atmosfera terrestre e biosfera, bem como a troca desses compostos entre essas esferas terrestres . O conhecimento deste ciclo incluindo seus subprocessos torna possível, entre outras coisas, avaliar as intervenções humanas no clima e, portanto, seus efeitos sobre o aquecimento global e reagir de forma adequada.

Consideração do sistema

Diagrama do ciclo do carbono: os números pretos indicam quantos bilhões de toneladas ou gigatoneladas de carbono (Gt C) estão nos vários reservatórios; os números roxos indicam quanto carbono é trocado entre as instalações de armazenamento individuais por ano (Gt / a C).

O sistema "terra" é visto como um sistema fechado . O fornecimento de carbono, por exemplo, por meio de meteoritos ou processos químicos nucleares , e a perda de carbono, por exemplo, por meio de viagens espaciais, são ignorados . Sob esta condição, o conteúdo total de carbono do sistema “terra” pode ser considerado constante.

Representação esquemática dos termos

Cada um dos cinco subsistemas atmosfera , hidrosfera , litosfera , biosfera e pedosfera forma um depósito de carbono ouReservatório de carbono . Tal reservatório tem uma capacidade de armazenamento e um estoque de carbono armazenado , também chamado de reservatório de carbono . Um reservatório é caracterizado pelas formas de armazenamento de carbono. Por exemplo, a litosfera armazena carbono na forma de rochas carbonáticas ( calcário ), a biosfera na forma de compostos de carbono orgânico e nos esqueletos calcários de animais.

Entre os reservatórios existem Fluxos de carbono (também fluxos de carbono ). Parâmetros importantes que resultam dos rios são o tempo de permanência no reservatório, a vazão e a vazão (vazões). Se um reservatório R ₁ libera mais carbono por unidade de tempo para outro reservatório R ₂ do que absorve dele, R ₁ é umFonte de carbono em relação a R ₂ , enquanto R _{2 é} um sumidouro de carbono . No contexto do ciclo do carbono, isto éOrçamento de carbono , também balanço de carbono , uma declaração orçamentária das entradas e saídas de um reservatório. (O termo orçamento de carbono pode - especialmente na política climática - também se referir especificamente à capacidade de absorção da atmosfera, que permanece até que a temperatura global exceda um certo limite, consulte o orçamento de CO _2. )

Os termos descritos aqui podem geralmente ser usados ​​para qualquer reservatório e também para outras substâncias além do carbono. No contexto das mudanças climáticas atuais, eles são freqüentemente usados ​​como um reservatório de referência em relação à atmosfera.

As taxas de fluxo podem mudar. Por exemplo, espera-se que a capacidade de absorção dos oceanos diminua com o aumento da concentração de CO ₂ na atmosfera. Os reservatórios podem inverter seus papéis como resultado da mudança relativa nas taxas de fluxo, por ex. B. de um sumidouro de carbono para uma fonte de carbono. Por exemplo, a biosfera terrestre é uma fonte de carbono no inverno do hemisfério norte e um sumidouro de carbono no verão porque a massa de terra é maior no hemisfério norte. Isso pode ser visto nos altos e baixos anuais da curva de Keeling , que mostra o conteúdo de CO ₂ da atmosfera.

Armazenamento de carbono

A quantidade global de carbono é de 75 milhões de Gt.

a atmosfera

Em 2017, a atmosfera continha cerca de 850 Gt de carbono. Isso é cerca de 0,001% do carbono global total. A atmosfera e a biosfera são os menores estoques de carbono. O conteúdo de carbono da atmosfera é particularmente sensível a mudanças nas taxas de fluxo. Devido aos processos bioquímicos, no entanto, a atmosfera tem as maiores taxas de fluxo de carbono e, portanto, faz parte dos ciclos de curto prazo.

O composto de carbono predominante em termos de quantidade (e produto da decomposição de outros gases residuais ) é o dióxido de carbono (CO ₂ ). Uma vez que a queima de combustíveis fósseis, desde o início da industrialização, adicionou carbono de longo prazo como CO ₂ aos fluxos de materiais no meio ambiente , a concentração de dióxido de carbono na atmosfera terrestre aumenta . Em 2017 era de 406 ml / m³ (corresponde a ppmv); um aumento de aproximadamente 130 ppm em comparação com o valor pré-industrial de pouco menos de 280 ppm.

Desde o início da industrialização, um total de aproximadamente 635 Gt de carbono (corresponde a aproximadamente 2300 Gt CO ₂ ) foi liberado por combustíveis fósseis, dos quais quase metade permaneceu na atmosfera e um bom quarto cada foi absorvido pelos oceanos e ecossistemas terrestres (a partir de 2019).

Hidrosfera

Todos os corpos d'água, bem como as calotas polares , mantos de gelo e geleiras, são contados como parte da hidrosfera ( criosfera ). A hidrosfera contém 38.000 Gt C na forma de CO ₂ dissolvido , hidrogenocarbonato e íons carbonato . Isso corresponde a 0,045% do conteúdo global de carbono. Também há vestígios de metano dissolvido e matéria orgânica suspensa .

O dióxido de carbono preso no gelo não participa dos processos de troca rápida com a atmosfera.

Litosfera

A litosfera compreende as camadas externas de rocha sólida da Terra e com 99,95% do carbono total global representa o maior reservatório de carbono. Devido às baixas taxas de fluxo, a litosfera faz parte dos ciclos de carbono de longo prazo.

• Sedimentos e as rochas carbonáticas resultantes :

Carbonatos: Calcita CaCO ₃ e Dolomita CaMg (CO ₃ ) ₂ 60.000.000 Gt C

Querogênio (substâncias orgânicas fósseis, por exemplo, no xisto betuminoso ) 15.000.000 Gt C

Hidratos gasosos 10.000 Gt C

• Carvão , gás natural , petróleo 4.100 Gt C
• Pedosfera com húmus , turfa , sedimentos, minerais 1.500 Gt
• grafite

Em condições “normais”, os hidratos de gás são substâncias gasosas em cujas moléculas com forças de ligação fracas as moléculas de água estão ligadas em um arranjo regular. O acúmulo de moléculas de água acontece sob certas condições: solução em água, baixa temperatura, alta pressão. Os hidratos resultantes são principalmente sólidos. Os hidratos de metano são particularmente importantes para o ciclo do carbono . As moléculas de metano estão encerradas em cavidades na estrutura cristalina (ver clatratos ). Eles podem ser encontrados em sedimentos marinhos e no solo permafrost . O metano dos hidratos de metano é produzido pela decomposição microbiana anaeróbia de substâncias orgânicas. Se a água estiver supersaturada com metano e em temperaturas logo acima do ponto de congelamento, bem como em alta pressão (no mar a 500 m de profundidade), os hidratos de metano são formados. Ao alterar as condições de pressão e temperatura, grandes quantidades de metano podem ser liberadas brevemente e chegar à atmosfera.

O metano emitido a partir dos depósitos pode ser usado por arquéias quimioautotróficas sob condições anóxicas : Metanossarcinales anaeróbicos obrigatórios , oxidantes de metano, formam ácido acético (ácido etanóico) a partir do metano:

${\ displaystyle \ mathrm {2 \ CH_ {4} +2 \ H_ {2} O \ longrightarrow CH_ {3} COOH + 4 \ H_ {2}}}$

Este ácido etanóico é usado pela bactéria Desulfosarcina (em simbiose com os chamados Methanosarcinales) para gerar energia no que é conhecido como respiração de sulfato :

${\ displaystyle \ mathrm {CH_ {3} COOH + SO_ {4} ^ {2 -} \ longrightarrow 2 \ HCO_ {3} ^ {-} + H_ {2} S}}$

Estima-se que 0,300 Gt de metano sejam consumidos anualmente por meio dessa simbiose, ou seja, mais de 80% do metano produzido pelas arquéias no sedimento.
Sob condições óxidas , o metano pode ser completamente oxidado com oxigênio elementar (O ₂ ) a dióxido de carbono e água por bactérias aeróbicas oxidantes de metano :

${\ displaystyle \ mathrm {CH_ {4} +2 \ O_ {2} \ longrightarrow CO_ {2} +2 \ H_ {2} O}}$

biosfera

O carbono é um elemento relativamente raro no universo e na terra (as porcentagens significam as razões dos números atômicos):

• Elementos mais comuns no universo: hidrogênio (92,7%) e hélio (7,2%), ( carbono apenas 0,008%)
• Elementos mais comuns na crosta terrestre: oxigênio 49%, ferro 19%, silício 14%, magnésio 12,5% ( carbono apenas 0,099%)
• Elementos mais comuns no corpo humano: hidrogênio (60,6%), oxigênio (25,7%) e carbono (10,7%)

Um desenvolvimento da vida com base no carbono, portanto, só é possível se os seres vivos fizerem uso do ciclo global do carbono e gerarem eles próprios um ciclo fechado do carbono.

As formas de armazenamento de carbono na biosfera são, por um lado, substâncias orgânicas e, por outro lado, carbonatos (geralmente carbonato de cálcio CaCO ₃ ). Os materiais de construção para esqueletos são de particular importância , como exoesqueletos feitos de materiais orgânicos: quitina em artrópodes ( caranguejos , aracnídeos , insetos ), exoesqueletos feitos de carbonatos em moluscos , foraminíferos e coccolitoforídeos , esqueletos internos feitos de carbonatos em corais , estes formam uma média de calcário de recife de 0,640 Gt anualmente .

Os ecossistemas terrestres contêm 800 Gt C, 3 Gt C marinhos na biosfera, o que corresponde a um total de 0,001% do carbono global total. Como a atmosfera, a biosfera é um dos menores estoques de carbono, mas é o motor dos ciclos de curto prazo.

Pedosfera

Existe pelo menos quatro vezes a quantidade de carbono no solo do que na atmosfera. Publicações mais antigas, por outro lado, presumiam que o solo armazena apenas cerca de 1500 bilhões de toneladas de carbono, ou seja, cerca de duas vezes a quantidade da atmosfera. Uma vez que grande parte do carbono armazenado no solo está em solos permafrost , parte dele será liberado conforme o aquecimento global progride e o degelo do permafrost. Mas o aquecimento global também pode liberar quantidades cada vez maiores de carbono de solos em outras regiões do mundo.

Processos dentro dos sistemas

a atmosfera

Principalmente os processos de transporte físico ocorrem dentro da atmosfera. Como o vento causa mistura constante, a concentração de CO ₂ nas camadas inferiores da atmosfera é a mesma em todos os lugares.

O CO ₂ só pode ser coletado no solo em locais protegidos do vento por um longo período de tempo . Exemplo: lagos de dióxido de carbono em minas ou cavernas localizadas em áreas com atividade vulcânica.

As substâncias residuais orgânicas são oxidadas em CO ₂ (e água) com constantes de tempo de um dia a dez anos .

Hidrosfera

Operações de transporte

Cerca de 92 Gt de carbono são armazenados em reservatórios de água, como mares ou lagos, e 90 Gt são liberados novamente a cada ano.

• Bomba física de carbono: No mar, as massas de água que se afundam transportam carbono brevemente para grandes profundidades dos oceanos.
• Bomba de carbono biológico: O afundamento de organismos marinhos transporta carbono para o fundo dos oceanos a longo prazo.

Devido à absorção de CO ₂ da atmosfera terrestre, os oceanos são sumidouros de carbono que representam fatores atenuantes das mudanças climáticas - ao mesmo tempo, uma maior absorção de CO ₂ leva à acidificação dos mares .

Reações químicas e equilíbrios

Há um equilíbrio químico entre as várias formas de carbono inorgânico (as porcentagens se aplicam às condições T = 10 ° C, pH = 8, salinidade 34,3 ‰ - como existem , por exemplo, em grandes áreas dos oceanos):

${\ displaystyle \ mathrm {{CO_ {2} \ atop 1 \, \%} {+ 3 \ H_ {2} O \ {\ overrightarrow {\ longleftarrow}} \ \ atop \} {H_ {2} CO_ {3 } \ atop 0 \, \%} {+ 2 \ H_ {2} O \ {\ overrightarrow {\ longleftarrow}} \ \ atop \} {HCO_ {3} ^ {-} \ atop 94 \, \%} { + H_ {2} O + H_ {3} O ^ {+} \ {\ overrightarrow {\ longleftarrow}} \ \ no topo \} {CO_ {3} ^ {2-} \ no topo 5 \, \%} {+ 2 \ H_ {3} O ^ {+} \ em cima \}}}$

Quando a concentração de CO ₂ na atmosfera aumenta ligeiramente, a hidrosfera absorve mais dióxido de carbono para restaurar o equilíbrio relativo. No entanto, mudanças maiores nas concentrações alteram a posição de equilíbrio quando os limites das capacidades de absorção são atingidos. Mudanças nas condições também mudam a posição de equilíbrio, por exemplo, quando o limite de capacidade de CO ₂ na água cai. O aquecimento global, por exemplo, desloca o equilíbrio para a esquerda.

Litosfera

sedimentação

Durante a sedimentação , as substâncias inorgânicas e orgânicas pouco solúveis afundam lentamente. A velocidade de afundamento depende do tamanho da partícula e da densidade da água e pode ser muito baixa em águas não perturbadas. A sedimentação dos esqueletos calcários dos Coccolithophoridae desempenha um papel importante no ciclo do carbono .

Diagênese

Diagênese é a consolidação a longo prazo de sedimentos soltos por meio de transformações químicas, físicas e bióticas. Por exemplo, os esqueletos de calcário dos microrganismos são convertidos em calcário. Os depósitos orgânicos são gradualmente convertidos em substâncias inorgânicas ou outras substâncias orgânicas sob certas condições, como aquelas encontradas em mares rasos quentes e com baixo teor de oxigênio. Surgem querogênios (por exemplo, no xisto betuminoso ), alcatrão ( betume ), carbono , grafite e óleo , bem como metano. A taxa de diagênese é de 0,2 Gt C por ano.

metamorfose

A metamorfose é a transformação a longo prazo da rocha sólida devido ao aumento da pressão e da temperatura: a subducção dos sedimentos no fundo do mar aumenta a pressão e a temperatura. As seguintes transformações químicas ocorrem na interface entre os sedimentos de cal e silicato ( areia ):

${\ displaystyle \ mathrm {CaCO_ {3} + SiO_ {2} \ longrightarrow CaSiO_ {3} + CO_ {2} \ uparrow}}$

A calcita se transforma em silicato de cálcio ( volastonita )

${\ displaystyle \ mathrm {3 \ CaMg (CO_ {3}) _ {2} +4 \ SiO_ {2} + H_ {2} O \ longrightarrow Mg_ {3} Si_ {4} O_ {10} (OH) _ {2} +3 \ CaCO_ {3} +3 \ CO_ {2} \ uparrow}}$

Dolomita se transforma em pedra - sabão ou talco

O CO ₂ liberado neste processo se dissolve no magma líquido e, em seguida, é liberado no caso de uma erupção vulcânica ou escapa imediatamente por fendas ou vulcões .
Por meio de mudanças tectônicas , os silicatos resultantes são transportados para a superfície e expostos ao intemperismo.

biosfera

As plantas ligam cerca de 123 Gt de carbono por ano, dos quais 60 Gt são liberados de volta para a atmosfera por meio da respiração das plantas , o resto é ligado como biomassa ou carregado para o solo. A decomposição bacteriana e a respiração liberam cerca de 60 Gt. Os humanos causam a transferência de cerca de 9 Gt de carbono da litosfera para a atmosfera a cada ano , principalmente por meio da queima de combustíveis fósseis, mas também pela produção de cimento , que também libera CO ₂ . Dentro da biosfera, há um fluxo de carbono dos organismos autotróficos que produzem matéria orgânica para os organismos heterotróficos que consomem matéria orgânica . A matéria orgânica é transportada pelo vento e pelos animais. Um ciclo fechado só é possível através da mediação da atmosfera e da hidrosfera.

Subciclos de carbono

Um reservatório é tanto uma fonte quanto um sumidouro para os fluxos de carbono.

Uma troca constante ocorre entre os estoques de carbono por meio de processos químicos, físicos, geológicos e biológicos.

Ciclo inorgânico de longo prazo

Esses são processos geoquímicos que podem ocorrer por um período de vários milhares a bilhões de anos.

Intemperismo mecânico

Grandes blocos de pedra podem ser quebrados em porções cada vez menores como resultado de tensões térmicas ( por exemplo, fragmentação do gelo ), pressão (por exemplo, geleiras ), bem como erosão do vento e da água . Esse material triturado é transportado por rios e novamente depositado no estuário . Esses sedimentos podem novamente ser submetidos a metamorfose por subducção.

Intemperismo químico

O intemperismo do calcário e da rocha de silicato remove CO ₂ da atmosfera por meio do uso de água . O carbonato de hidrogênio resultante é solúvel e permanece na hidrosfera.

• Intemperismo da calcita: (Veja também: cársico , sumidouro , caverna )

${\ displaystyle \ mathrm {CaCO_ {3} + H_ {2} O + CO_ {2} \ longrightarrow Ca (HCO_ {3}) _ {2}}}$

• Intemperismo Dolomita:

${\ displaystyle \ mathrm {CaMg (CO_ {3}) _ {2} +2 \ H_ {2} O + 2 \ CO_ {2} \ longrightarrow Ca (HCO_ {3}) _ {2} + Mg (HCO_ { 3}) _ {2}}}$

• Intemperismo de silicato:

${\ displaystyle \ mathrm {CaSiO_ {3} + H_ {2} O + 2 \ CO_ {2} \ longrightarrow Ca (HCO_ {3}) _ {2} + SiO_ {2}}}$

SiO ₂ (areia de quartzo) e CaCO ₃ (cal) entram na crosta terrestre por subducção . Lá, eles são derretidos pelo calor e reagem para formar silicato e CO _2, que por sua vez atingem a superfície da Terra por meio de vulcões. Este ciclo é denominado ciclo carbonato-silicato . Mais CO _{2 é} ligado do que emitido, de modo que o conteúdo de CO ₂ da atmosfera é reduzido.

Se o calcário for intemperizado por outros ácidos, por exemplo , ácido sulfúrico , que pode ser formado a partir de sulfeto de hidrogênio e dióxido de enxofre liberado por vulcões por oxidação e reação com água, o CO _{2 é liberado} na atmosfera:

${\ displaystyle \ mathrm {CaCO_ {3} + H_ {2} SO_ {4} \ longrightarrow CaSO_ {4} + H_ {2} O + CO_ {2} \ uparrow}}$

Precipitação

A calcita é precipitada a partir de uma solução saturada de hidrogenocarbonato de cálcio, aumentando o valor do pH, pelo qual o CO ₂ é liberado:

${\ displaystyle \ mathrm {Ca (HCO_ {3}) _ {2} \ longrightarrow CaCO_ {3} \ downarrow + H_ {2} O + CO_ {2} \ uparrow}}$.

Esta reação é intensificada em particular pelo aumento do valor do pH (básico) como resultado do consumo de CO ₂ ( organismos autotróficos ) e pela alta evaporação da água. (Ver também: estalactite , estalagmite , terraço de sinterização )

Organismos como mexilhões , caracóis e protozoários também precipitam calcita para construir esqueletos , invólucros e conchas . Pequenos organismos marinhos ( foraminíferos e coccolitoforídeos ), cujos exoesqueletos se sedimentam após a morte dos organismos, formando sedimentos calcários, e os corais , que constroem palitos de coral a partir do carbonato de cálcio, são de particular importância . A concentração de CO ₂ aumenta significativamente acima dos recifes de coral . Estima-se que todos os recifes da Terra (285.000 km²) precipitam 0,64 Gt de carbonato de cálcio por ano. Mais de 0,28 Gt CO _{2 são} liberados no processo. No entanto, apenas uma parte disso é liberado na atmosfera (veja também: História do clima ).

O ciclo é fechado novamente de duas maneiras:

1. Por meio da metamorfose (veja acima), o CO _{2 é liberado} na atmosfera e
2. Os estoques de coral, rochas sedimentares e rochas de silicato são trazidos à superfície por mudanças tectônicas e, portanto, expostos ao intemperismo.

Ciclo de carbono geoquímico de longo prazo

Ciclo inorgânico de curto prazo

De acordo com um estudo de Li Yu da Universidade de Lanzhou, o carbono inorgânico é depositado em bacias endorreicas (água estagnada sem drenagem) com alta taxa de evaporação . Exemplos de tais bacias endorreicas são o Mar de Aral ou o Delta do Okavango . Yu estima que cerca de 0,152 Gt de carbono são depositados na litosfera anualmente e em todo o mundo dessa forma.

Outro processo rápido de formação de rochas carbonáticas é o surgimento de rochas de praia em litorais tropicais. Em condições adequadas, a formação de rochas com deposição de carbono ocorre em anos ou mesmo meses.

Ciclo orgânico de longo prazo

ciclo de carbono biogeoquímico de longo prazo

Esses são processos bioquímicos que são inicialmente rápidos, mas estão associados a processos geológicos de longo prazo. O material orgânico sedimentado não é mais completamente decomposto em condições anóxicas . Apenas uma pequena parte é convertida em CO ₂ pelas bactérias anaeróbias . A formação de camadas com mais camadas de sedimentos e o afundamento em maiores profundidades aumentam a pressão e a temperatura. Como resultado, as biomoléculas orgânicas são convertidas em querogênio ( por exemplo, hidrocarbonetos ) ou carbono ( carvão ) na ausência de ar .

• Petróleo: O querogênio das rochas (rocha mãe de petróleo) pode ser transformado em petróleo. Por meio da migração (“migração”), isso cria depósitos de petróleo. Acredita-se que os depósitos de petróleo mais antigos tenham 3 bilhões de anos. A principal origem do petróleo foi de 500 a 1000 milhões de anos atrás. Ele se originou em mares rasos e quentes, semelhantes a lagunas, devido ao afundamento de plantas e animais mortos. Os hidrocarbonetos gasosos, principalmente o metano (CH ₄ ), podem atingir a superfície da terra por meio de rachaduras e fendas na rocha . No oceano, as bactérias podem usar esse gás como fonte de energia, oxidando -o em CO ₂ :

${\ displaystyle \ mathrm {CH_ {4} +2 \ O_ {2} \ longrightarrow CO_ {2} +2 \ H_ {2} O}}$

O óleo cru emergindo à superfície perde seus compostos voláteis e se solidifica em asfalto viscoso , piche ou cera de terra (ver: Lago de asfalto ).

• Carvão: os depósitos de carvão surgiram nas charnecas da floresta da Idade Carbonífera, por volta de 359 a 299 milhões de anos atrás. Se o carvão for transportado para a superfície da Terra por processos tectônicos, ele pode ser oxidado a CO ₂ pelas bactérias .

Ciclo orgânico de curto prazo

ciclo bioquímico do carbono de curto prazo

Esses são processos bioquímicos de assimilação e dissimilação que ocorrem rapidamente e podem estar sujeitos a flutuações sazonais.

• Por meio da fotossíntese de plantas, algas ( fitoplâncton ) e bactérias, substâncias orgânicas são produzidas a partir do CO ₂ com a ajuda da energia luminosa.
• Por meio da respiração celular , o carbono é oxidado dessas substâncias de volta a CO ₂ com a ajuda do oxigênio . Muitos organismos fermentam sob deficiência de oxigênio, por meio do qual as substâncias orgânicas são mineralizadas em CO ₂ ou são incompletamente decompostas em outras substâncias orgânicas, como o metano.

Interferência humana no ciclo do carbono

Provoca o aumento da concentração de dióxido de carbono na atmosfera

Aumento na concentração de volume de CO ₂ [ppm] na atmosfera e a temperatura média da superfície

Emissões mundiais de CO ₂ do uso de combustíveis fósseis, produção de cimento e queima

A análise de poços no gelo da Antártica mostra que a concentração global de volume de dióxido de carbono na atmosfera nunca excedeu 300 ppm pelos últimos 650.000 anos. Durante a era do gelo, era 180 ppm mais baixo do que durante os períodos quentes . A concentração aumentou acentuadamente desde o início da industrialização . A curva azul no gráfico à direita resulta de medições contínuas da estação Global Atmosphere Watch (estação GAW) Mauna Loa no Havaí desde 1958. É chamada de curva de Keeling . Essas medições resultam em aumentos anuais no conteúdo de CO ₂ da atmosfera correspondendo a vários gigatoneladas de carbono (Gt C). As emissões antropogênicas listadas abaixo são um pouco mais do que o dobro. Parte é absorvida pelos oceanos acidificados pelo CO ₂ , parte pelas plantas terrestres que crescem mais exuberantemente devido ao CO ₂ .

As emissões estão atualmente estagnadas (de 2014 a 2016) em 10 Gt C por ano. De longe, a maior contribuição é a queima de combustíveis fósseis ( petróleo bruto , gás natural , carvão ), seguida pela liberação de CO ₂ durante o cimento e o aço produção , consulte a lista dos maiores fabricantes de cimento ou da indústria siderúrgica / tabelas e gráficos .

Os compostos fósseis de carbono atuam como agentes redutores na produção de aço . Na produção de cimento, o CO ₂ é proveniente do carbonato de cálcio, que reage com a argila (silicato de alumínio) para formar silicato de cálcio. Uma parte do CO ₂ liberado é retirada do ar quando se assenta devido à formação de carbonato de cálcio. Em contraste, com a argamassa de cal usada anteriormente, o CO _{2 foi} novamente ligado quantitativamente.

O CO ₂ também _é liberado durante a produção de vidro :

${\ displaystyle \ mathrm {Na_ {2} CO_ {3} + SiO_ {2} \ longrightarrow Na_ {2} SiO_ {3} + CO_ {2} \ uparrow}}$

O carbonato de sódio reage com o dióxido de silício (areia) para formar silicato de sódio.

Estimativas de novos sumidouros de carbono em potencial

Arborização

O reflorestamento e o melhor manejo (controle da erosão, seleção de espécies, mudanças no uso das plantações , conversão de campos em pastagens e outras medidas) aumentam a eficácia do consumo de CO ₂ por meio da fotossíntese das plantas cultivadas. Isso resulta em um consumo de 1,202 a 1,589 Gt C por ano. (O intervalo da estimativa resulta da incerteza na estimativa do efeito das florestas recém-florestadas, que é de 0,197 a 0,584 Gt C por ano.) No entanto, isso é compensado por uma liberação de 1,788 Gt C por ano devido ao corte e queimar. O papel dos oceanos no ciclo global do carbono, especialmente como sumidouro de carbono, foi discutido 1990–2002 examinado no projeto de pesquisa internacional JGOFS ( Joint Global Ocean Flux Study ).

Uso sustentável da madeira

O uso sustentável da madeira pode reduzir o aumento da concentração de dióxido de carbono na atmosfera e, consequentemente, o efeito estufa. Ao usar madeira em uma floresta com manejo sustentável, o carbono armazenado na madeira é retirado da atmosfera por um longo período de tempo. Sem o uso de madeira, por exemplo em uma floresta natural ou primitiva, o carbono armazenado é liberado de volta para a atmosfera como dióxido de carbono através da decomposição das árvores. A floresta na Alemanha armazena carbono correspondendo a cerca de 8% das emissões anuais de dióxido de carbono. Como resultado, o uso crescente de madeira, por exemplo, na construção civil ou na construção de móveis, pode armazenar carbono da atmosfera a longo prazo. Uma mesa de madeira armazena cerca de 23 kg de carbono, o equivalente a cerca de 83 kg de dióxido de carbono. Um banco de jardim feito de madeira local tem cerca de metade disso. Para efeito de comparação: 83 kg de dióxido de carbono correspondem à quantidade que um automóvel alemão de passageiros emite em média para percorrer uma distância de cerca de 520 km. Após a vida útil, a madeira ainda pode ser mantida como estoque de carbono por meio da reciclagem, ou a energia armazenada pode ser aproveitada por meio de incineração, onde é produzido apenas o dióxido de carbono que foi removido da atmosfera anteriormente por sua formação.

consequências

Efeitos na fotossíntese

Uma concentração de volume de dióxido de carbono de 1 ‰ seria ótima para a fotossíntese em plantas terrestres. Porém, o aumento da taxa de fotossíntese é menor do que o esperado, uma vez que a enzima responsável pela carboxilação ( RuBisCO ) reage em função da temperatura. Conforme a temperatura aumenta, a taxa de carboxilação do Rubisco diminui. Isso se aplica à fotossíntese C3 . Desde que a taxa de oxidação da substância orgânica aumente de acordo com o princípio termoquímico com o aumento da temperatura, há um feedback positivo dinâmico de ambos os processos com o resultado de um aumento mais rápido do conteúdo de CO ₂ atmosférico : aumento do conteúdo de CO ₂ da atmosfera - aumento da temperatura - aumento da taxa de oxidação com uma taxa de carboxilação inferior ou inadequadamente crescente - aumento do conteúdo de CO ₂ na atmosfera. Essa dinâmica diminui à medida que a taxa de carboxilação e a taxa de oxidação convergem cada vez mais. Se a taxa de oxidação cair abaixo da taxa de carboxilação, o teor de CO ₂ atmosférico e a temperatura diminuem. O Rubisco reage à queda de temperatura com taxas de carboxilação mais altas. Aqui, também, há novamente um feedback positivo, com temperaturas e níveis de CO ₂ caindo mais rapidamente. A causa da dinâmica pode ser encontrada na bifuncionalidade dependente da temperatura do Rubisco. A seguinte conclusão pode ser tirada disso para a situação atual das mudanças climáticas: Uma vez que a dinâmica antropogênica do aumento da temperatura e dos níveis de CO ₂ na atmosfera tenha decolado, uma dinâmica própria se desenvolverá que não pode ser interrompida pelas mãos humanas.

Perturbação dos circuitos

O aumento da concentração de dióxido de carbono na atmosfera leva a um aumento da dissolução de CO ₂ na água do mar. A formação de ácido carbônico diminui o valor de pH da água ( mais ácido ). Isso dificulta a precipitação biogênica e abiogênica do calcário. Como resultado, a quantidade de fitoplâncton deve diminuir e a taxa de fotossíntese diminuir.

A redução do valor do pH da chuva e da água teria que aumentar o desgaste do calcário e, portanto, o consumo de CO ₂ . Como as taxas de fluxo geoquímico são muito baixas, esse efeito não desempenha um papel no curto prazo.

Significado para a mudança climática

Sem a intervenção humana, um equilíbrio de estado estacionário relativamente estável foi estabelecido no curso do desenvolvimento da Terra . Cada participante do ciclo libera e absorve carbono sem nenhuma mudança significativa na distribuição do carbono.

Quando os combustíveis fósseis são queimados , o carbono, parte do qual foi armazenado por milhões de anos, é liberado na atmosfera terrestre na forma de CO ₂ . No limiar do século 21, a humanidade “produzia” cerca de 8,7 Gt C por ano. O equilíbrio instável é perturbado. O resultado é o aquecimento global , para o qual contribui significativamente a proporção crescente do gás de efeito estufa CO ₂ na atmosfera terrestre.

Para neutralizar isso, tentativas estão sendo feitas para desenvolver processos para remover o excesso de carbono da atmosfera e armazená-lo no reservatório de sedimentos ( sequestro de CO ₂ ).

Veja também: consequências do aquecimento global

Problemas de soluções técnicas

Estão sendo discutidas soluções para o problema do CO ₂ que, embora tecnicamente viáveis, não podem ser controladas e os danos ecológicos conseqüentes não podem ser avaliados:

• Liquefação de CO ₂ e introdução em instalações de armazenamento subterrâneas herméticas, como camadas de carvão não lavráveis , depósitos de sal extraídos , camadas de rocha que contêm águas profundas e campos de petróleo e gás esgotados. Este último já está sendo usado em “ Sleipner ”, uma plataforma de perfuração de gás e petróleo da norueguesa Statoil , onde 20.000 t de CO ₂ são bombeados semanalmente de volta para os depósitos explorados. Este método é considerado relativamente seguro porque as camadas de areia do depósito retêm petróleo e gás natural há milhões de anos.
• Despejo de CO ₂ congelado (o chamado gelo seco ) no mar. Durante o afundamento, o gelo seco se dissolve, o que aumenta a concentração de CO ₂ e diminui o pH da água, o que leva ao envenenamento local dos organismos.
• Liquefação e injeção no mar a uma profundidade de 600 m. Ali deveriam se formar hidratos gasosos que, devido à sua maior densidade, teriam que afundar. Os testes mostraram que os hidratos gasosos se formaram, mas voltaram à superfície.
• Liquefação e injeção no fundo do mar abaixo de 3.000 m. Aqui, o CO ₂ teria que permanecer líquido e formar grandes lagos de dióxido de carbono em sumidouros. Testes mostraram que o CO ₂ não permaneceu líquido, mas formou hidratos de gás de grande volume que poderiam subir novamente. Como a formação de hidratos de gás aumenta a concentração do conteúdo de sal da água circundante por meio do congelamento do gelo de água doce, todos os organismos seriam danificados aqui. Além disso, o CO ₂ não podia ser controlado nesta profundidade: inesperadamente, tomou um grande volume e não pôde ser coletado em sumidouros, pois as menores correntes distribuíram as gotas de CO ₂ . Esta versão é favorecida pelo governo dos EUA. Um experimento em grande escala no verão de 2002 nas costas do Havaí e da Noruega foi interrompido por enquanto devido à resistência maciça de residentes e vários grupos ambientais.

Observações

Os números são estimativas e podem variar muito dependendo da literatura utilizada. Nem sempre é claro o que está resumido nos respectivos fluxos de carbono. As informações nem sempre são completas. Isso cria problemas como o balanço de carbono da biosfera terrestre: a entrada de 120 Gt C por ano devido à assimilação é compensada por uma saída de apenas 116 Gt C por ano devido à dissimilação e formação de detritos. Isso significa que o saldo carece de 4 Gt C por ano.

Veja também

• Balanço de CO ₂
• Floresta das Terras Alemãs

literatura

• Beth N. Orcutt, Isabelle Daniel, Rajdeep Dasgupta (Eds.): Deep Carbon - Past to Present . Oxford University Press, 2019, ISBN 978-1-108-67795-0 , doi : 10.1017 / 9781108677950 (Acesso aberto, com foco na litosfera e tempo de profundidade geológica, resume os resultados do Deep Carbon Observatory ). 
• David Archer : The Global Carbon Cycle (=  Princeton Primers in Climate ). Princeton University Press, 2011, ISBN 978-0-691-14413-9 (Introdução). 
• Prática da ciência . In: Biologia na Escola . Issue 3/53, April 15, 2004. Aulis Verlag Deubner, Cologne Leipzig.

Links da web

• Global Warming: The Ocean and Its Secrets - Magazine for European Research, # 48, fevereiro de 2006
• Vídeo e DVD multimídia na carteira de crédito do State Media Center Baden-Württemberg
• Informações em vídeo e DVD multimídia no site do produtor

Evidência individual

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