دورة الكربون

ما هي دورة الكربون؟

تعد دورة الكربون أو دورة ثاني أكسيد الكربون جزءًا مهمًا من الحياة اليومية، نظرًا لوفرة الكربون الموجود في جميع عناصر الحياة بما في ذلك الحيوانات والصخور والهواء والماء وغير ذلك، فإن دورة الكربون هي تلك التي تتحرك وتتغير باستمرار بسبب الطبيعة المتغيرة باستمرار للأشياء التي يتكون منها الكربون.
الكربون هو رابع أكثر العناصر شيوعًا الموجودة على الأرض وهو مسؤول عن غالبية أنواع الوقود البشري ويوجد في العديد من الخزانات المختلفة، تم العثور على الغالبية في الغلاف الصخري والذي يتكون من الصخور، يتم تخزين غالبية الكربون في كربونات رسوبية وكيروجينات بينما ينتشر الباقي بين المحيط والغلاف الجوي والكتلة الحيوية مثل النباتات والحيوانات والوقود الأحفوري، ويُعرف هذا باسم تخزين الكربون.
يتدفق الكربون بين كل خزان في تبادل يسمى دورة الكربون والتي تحتوي على مكونات بطيئة وسريعة، أي تغيير في الدورة ينقل الكربون من أحد الخزانات بوضع المزيد من الكربون الى الخزانات الأخرى، حيث تؤدي التغييرات التي تنشر غازات الكربون في الغلاف الجوي إلى ارتفاع درجات الحرارة على الأرض.
على المدى البعيد يبدو أن دورة الكربون بشكل عام تحافظ على توازن يمنع كل الكربون الموجود على الأرض من دخول الغلاف الجوي أو من تخزينه بالكامل في الصخور، حيث يساعد هذا التوازن في الحفاظ على درجة حرارة الأرض مستقرة نسبيًا مثل منظم الحرارة.

كيف تعمل دورة الكربون؟

الأنشطة التي من صنع الإنسان مثل احتراق الوقود الأحفوري وتدفئة المنازل تطلق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، كما يؤدي التنفس من قبل البشر والحيوانات إلى إدخال الكربون في الغلاف الجوي على شكل ثاني أكسيد الكربون، تمتلك النباتات عملية تسمى التمثيل الضوئي والتي تمكنها من أخذ ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي والماء من التربة لتكوين التمثيل الضوئي (السكريات والنشويات والكربوهيدرات والبروتينات)، وهكذا يصبح الكربون جزءًا من النباتات.
لا تصنع الحيوانات طعامها وتأكل النباتات أو الحيوانات الأخرى للبقاء على قيد الحياة، حيث يتم تقسيم الطعام الذي يتناولونه إلى سكريات ونشويات من خلال عملية تسمى التمثيل الغذائي، عندما تتنفس الحيوانات يعود ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي حيث تستخدمه النباتات مرة أخرى.
عندما تموت كل من النباتات والحيوانات فإنها تتحول إلى وقود أحفوري يتكون من الكربون على مدى ملايين السنين، يحدث هذا عندما تتحلل مواد التحلل مثل البكتيريا والفطريات إلى النباتات والحيوانات الميتة وتطلق الكربون المخزن بداخلها، عندما نحرق هذه الأنواع من الوقود الأحفوري فإنها تعود إلى الغلاف الجوي كثاني أكسيد الكربون، مرة أخرى ستستخدم النباتات الكربون من الغلاف الجوي وستبدأ العملية برمتها مرة أخرى.
ينتقل الكربون من نوع تخزين إلى آخر من خلال بعض المسارات المتعددة للتبادل وهذا هو السبب في أن حرق الوقود الأحفوري يساهم بشكل كبير في ظاهرة الاحتباس الحراري؛ لأن الكربون المنطلق من الوقود المحفوظ تحت الأرض يصبح مشبعًا بالهواء في الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى مناخ أكثر دفئًا، إن أهم المسارات التي ينتقل عليها الكربون هي الغلاف الجوي والمحيطات والرواسب والوقود الأحفوري والمحيط الحيوي وانهيار الكتلة الحيوية وداخل الأرض.
ثاني أكسيد الكربون هو أحد غازات الدفيئة الذي يحبس الحرارة في الغلاف الجوي، بدونه وغيره من غازات الدفيئة سيكون هذا العالم كوكبًا متجمدًا، في المائة عام الماضية قمنا بحرق الكثير من الوقود الأحفوري لدرجة أن هناك حوالي 30٪ أكثر من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي اليوم.

أنواع دورة الكربون:

إن تبادل الكربون بين عدة خزانات مختلفة للتخزين من خلال العمليات البيولوجية والجيولوجية والكيميائية والفيزيائية المتعددة، تُعرف هذه العمليات بدورة الكربون، حيث تنقسم دورة الكربون إلى نوعين رئيسيين من الحركة يعرفان بالدورات السريعة والبطيئة، وفيما يلي تفصيل لكيفية عمل الاثنين:

• دورة الكربون البطيئة: هي جزء من الدورة التي ترى انتقال الكربون بين الصخور والمحيطات والتربة، يمكن أن تستغرق العملية مئات الملايين من السنين ومن هنا جاء اسم “دورة الكربون البطيئة”.
  لكي ينتقل الكربون من الغلاف الجوي إلى الصخور ينتقل الكربون من خلال هطول الأمطار، وعندما يختلط الكربون بمياه الأمطار في الغلاف الجوي فإنه يخلق أمطارًا حمضية قليلة؛ نظرًا لأن مزيج الكربون والعناصر الأخرى يشكل حمض الكربونيك، يعمل هذا الحمض على إذابة الصخور ببطء على مدى فترة طويلة من الزمن في عملية تُعرف أكثر باسم “التجوية الكيميائية، تطلق الصخور مكونات كيميائية مثل المغنيسيوم والصوديوم والكالسيوم والتي تنقلها الأنهار إلى المحيط.
  عندما تصل هذه الأيونات إلى المحيط فإنها تبدأ في الاندماج مع عناصر أخرى لتشكيل عناصر جديدة، الكالسيوم على سبيل المثال يندمج مع أيونات البيكربونات مما ينتج مادة كيميائية جديدة تسمى كربونات الكالسيوم، كربونات الكالسيوم هي مادة بيضاء طباشيرية تظهر في أسطح الجرف وفي أي منطقة بها ماء عسر.
  تتكون كربونات الكالسيوم أيضًا من كائنات مثل العوالق والشعاب المرجانية، وعندما تموت هذه الكائنات الحية تسقط جثثها على قاع المحيط، حيث تنضغط على مدى فترات طويلة من الزمن بواسطة القذائف والصخور الرسوبية، وهذا يحبس الكربون في الصخور المتولدة حديثًا مثل الحجر الجيري.
  على الأرض يتم تخزين الكربون العضوي في الوحل، حيث تسحق كميات كبيرة من الحرارة والضغط الطين وتضغط على المادة العضوية المحتبسة بداخله، بعد ملايين السنين ستشكل هذه الكائنات والطين الذي تغلفه صخورًا مثل الصخر الزيتي وهو نوع من الصخور الرسوبية.
  من حين لآخر وفي ظل الظروف المناسبة يمكن أن تتراكم المواد النباتية والحيوانية الميتة بشكل أسرع بكثير من قدرة الطبقات الموجودة على التحلل، عندما يتم استيفاء هذه الشروط يمكن أن يؤدي غالبًا إلى تكوين أنواع أخرى من تخزين الوقود مثل النفط أو الغاز أو الفحم.
  من أجل عودة الكربون إلى الغلاف الجوي، حيث يجب إطلاق هذه الصخور والوقود عبر البراكين، تتحرك صخور قاع البحر وحجرها باستمرار وعندما تصطدم ببعضها البعض يمكن أن تتسبب الحرارة والضغط الهائلان في ذوبان الصخور، عندما يتم تسخين الصخور بهذه الطريقة فإنها تطلق ثاني أكسيد الكربون.
  ثم تثور البراكين وتطلق غاز ثاني أكسيد الكربون هذا مرة أخرى في الغلاف الجوي، بينما تطلق أيضًا مساحات من صخور السيليكات فوق الأرض، مع إطلاق هذه الصخرة الجديدة تبدأ دورة الكربون البطيئة من جديد، حيث ينطلق الكربون في الغلاف الجوي ويسقط على الصخور الجديدة ليعود إلى المحيط ويشكل كربونات جديدة.
  إن أسرع عنصر في دورة الكربون البطيئة هو المحيط الذي ينفث كميات كبيرة من غاز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بينما يذوب أيضًا غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يتلقاها من الغلاف الجوي، يتسبب هذا التبادل الثابت في إنتاج المحيط للهيدروجين مما يجعله أكثر حمضية، بحيث يمكن للمياه أن تتغلب على الصخور الموجودة على الشواطئ.
  
• دورة الكربون السريعة: يعتبر الكربون عنصرًا أساسيًا لجميع الكائنات الحية على الأرض وتبادل الكربون عبر هذه الكائنات الحية هو ما يُعرف بدورة الكربون السريعة، بينما تستغرق العناصر داخل دورة الكربون البطيئة مئات الملايين من السنين فإن الحركات داخل دورة الكربون السريعة تحدث خلال عمر كائن حي معين.
  داخل الكائنات الحية يعد الكربون أحد العناصر الأكثر أهمية؛ نظرًا لعدد الروابط الكيميائية التي يمكن أن تتكون داخل كل ذرة (حتى أربعة لكل ذرة)، هذا يعني أنه يمكن دمجها مع مواد كيميائية أخرى بعدة طرق معقدة، كما أنه أحد أهم أجزاء الحمض النووي والذي يتكون من جزيئات متشابكة مثبتة على سلسلة من ذرات الكربون.
  الكائنات الحية الرئيسية المرتبطة بدورة الكربون السريعة هي النباتات ومخلوقات المحيط الصغيرة المعروفة باسم العوالق النباتية، كل من هذه الكائنات الحية تمتص ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي وتقوم بعملية التمثيل الضوئي له لخلط ثاني أكسيد الكربون مع الماء لإنتاج السكر والأكسجين.
  هناك أربع طرق أساسية يمكن من خلالها إعادة الكربون الموجود في النباتات إلى الغلاف الجوي وهم كما يلي:
  1. تقوم النباتات بتفكيك السكر الذي تنتجه لتحفيز النمو.
  2. تأكل الحيوانات النباتات (أو في حالة المحيط العوالق) وتقوم بتفكيك السكر الذي تنتجه هذه الكائنات لتغذية نموها أو تنفسها.
  3. تموت العوالق أو النباتات وتستهلكها البكتيريا والكائنات الدقيقة الأخرى في حالة تسوس.
  4. تستسلم النباتات لإطلاق النار.
  في كل هذه الأمثلة يتحد السكر الناتج عن هذه الكائنات مع الأكسجين لتوليد الطاقة بالإضافة إلى إطلاق الماء وثاني أكسيد الكربون، وعند استيفاء إحدى الظروف المذكورة أعلاه ينتهي الأمر بثاني أكسيد الكربون بالعودة إلى الغلاف الجوي، حيث تعد دورة الكربون السريعة جزءًا أساسيًا من نمو النباتات وحياة العوالق وهذه الكائنات الحية مسؤولة عن الكثير من حركة الكربون على الأرض.
  في فصل الشتاء عندما تموت النباتات (أو في الواقع في المناطق الباردة حيث لا تنمو بسهولة) هناك ارتفاع ملحوظ في تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، ومع ذلك في فصل الربيع تنخفض هذه التركيزات مرة أخرى.
  

كيف تتغير دورة الكربون؟

لطالما كانت دورة الكربون تتقلب وتتغير استجابة للأحداث الكبرى مثل التغيرات في المناخ، على سبيل المثال عندما حدثت العصور الجليدية في الماضي تباطأت دورة الكربون بشكل ملحوظ، وعندما حدث هذا أدت البرودة إلى زيادة نمو العوالق النباتية مما زاد من تأثير التبريد على الأرض، عندما انتهت العصور الجليدية ارتفعت مستويات الكربون في الغلاف الجوي بشكل كبير استجابةً لذلك.
ومع ذلك مع إدخال الصناعة البشرية سرعان ما تضطرب دورة الكربون بتسريع تغيراتها الطبيعية، حيث يؤدي إزالة النباتات وحرق الوقود الأحفوري إلى إطلاق المزيد من الكربون في الغلاف الجوي والذي يجب عادةً إطلاقه ببطء مع عدم ترك النباتات لامتصاصه.