Dioxidul de carbon este un element constitutiv atmosferic care joacă mai multe roluri vitale în mediu. Este un gaz cu efect de seră care captează radiația infraroșie în atmosferă. Acesta joacă un rol crucial în degradarea rocilor. Este sursa de carbon pentru plante. Este depozitat în biomasă, în materie organică din sedimente și în roci carbonatate, cum ar fi calcarul.

clima

Ciclul carbonului

Sursa primară de carbon/CO 2 este degajarea din interiorul Pământului la crestele midocene, vulcanii hotspot și arcurile vulcanice legate de subducție. O mare parte din CO 2 eliberat în zonele de subducție este derivat din metamorfismul rocilor carbonatice care se subductează cu scoarța oceanică. O mare parte din extragerea totală a CO 2, în special sub formă de creste midocene și vulcani cu fierbinte, a fost stocată în manta când s-a format Pământul. O parte din carbonul degazat rămâne CO 2 în atmosferă, altele sunt dizolvate în oceane, unele carbon sunt reținute ca biomasă în organismele vii sau moarte și în descompunere, iar altele sunt legate în roci carbonatate. Carbonul este îndepărtat în depozitarea pe termen lung prin înmormântarea stratelor sedimentare, în special cărbunele și șisturile negre care stochează carbonul organic din biomasa nedecadată și din rocile carbonatice precum calcarul (carbonatul de calciu).

Plantele, algele și bacteriile fotosintetice folosesc energia din lumina soarelui pentru a combina dioxidul de carbon (C0 2) din atmosferă cu apa (H 2 O) pentru a forma carbohidrați. Acești carbohidrați stochează energie. Oxigenul (O 2) este un produs secundar care este eliberat în atmosferă. Acest proces este cunoscut sub numele de fotosinteză. dioxid de carbon + apă + lumina soarelui -> carbohidrați + oxigen

CO 2 + H 2 O + lumina soarelui -> CH 2 O + O 2

Plantele (și algele și bacteriile fotosintetice) folosesc apoi o parte din carbohidrații depozitați ca sursă de energie pentru a-și îndeplini funcțiile de viață. Unii dintre carbohidrați rămân ca biomasă (cea mai mare parte a plantei etc.). Consumatorii precum animale, ciuperci și bacterii își obțin energia din acest exces de biomasă, fie în timp ce trăiesc, fie morți și se descompun. Oxigenul din atmosferă este combinat cu carbohidrați pentru a elibera energia stocată. Apa și dioxidul de carbon sunt produse secundare. oxigen + carbohidrați -> energie + apă + carbohidrați

O 2 + CH 2 O -> energie + H 2 O + CO 2

Observați că fotosinteza și respirația sunt în esență opusul unul altuia. Fotosinteza elimină CO 2 din atmosferă și îl înlocuiește cu O 2. Respirația ia O 2 din atmosferă și îl înlocuiește cu CO 2. Cu toate acestea, aceste procese nu sunt în echilibru. Nu toată materia organică este oxidată. Unele sunt îngropate în roci sedimentare. Rezultatul este că, de-a lungul timpului geologic, a existat mai mult oxigen introdus în atmosferă și dioxid de carbon eliminat prin fotosinteză decât invers.

Dioxidul de carbon și celelalte gaze atmosferice se dizolvă în apele de suprafață. Gazele dizolvate sunt în echilibru cu gazul din atmosferă. Dioxidul de carbon reacționează cu apa în soluție pentru a forma acidul slab, acidul carbonic. Acidul carbonic se disociază în ioni de hidrogen și ioni de bicarbonat. Ionii de hidrogen și apa reacționează cu cele mai comune minerale (silicați și carbonați) modificând mineralele. Produsele intemperiilor sunt predominant argile (un grup de minerale silicatice) și ioni solubili precum calciu, fier, sodiu și potasiu. Ionii de bicarbonat rămân, de asemenea, în soluție; un rest al acidului carbonic care a fost folosit pentru a rezista la stânci.

1. Dioxidul de carbon este îndepărtat din atmosferă prin dizolvarea în apă și formarea acidului carbonic CO 2 + H 2 O -> H 2 CO 3 (acid carbonic)

2. Acidul carbonic este folosit pentru a rezista la roci, producând ioni de bicarbonat, alți ioni și argile H 2 CO 3 + H 2 O + minerale silicate -> HCO 3 - + cationi (Ca ++, Fe ++, Na +, etc. .) + argile

3. Carbonatul de calciu este precipitat din ioni de calciu și bicarbonat din apa de mare de către organisme marine precum coral Ca ++ + 2HCO 3 - -> CaCO 3 + CO 2 + H 2 O carbonul este acum stocat pe fundul mării în straturi de calcar

Metamorfismul carbonatilor

O parte din acest carbon este returnat în atmosferă prin metamorfismul calcarului la adâncime în zonele de subducție sau în centurile orogene CaCO 3 + SiO 2 -> CO 2 + CaSiO 3

urmat de degajare la arcul vulcanic.

Efectul de seră

Cea mai mare parte a energiei solare care cade pe suprafața Pământului se află în porțiunea de lumină vizibilă a spectrului electromagnetic. Acest lucru se datorează în mare parte faptului că atmosfera Pământului este transparentă la aceste lungimi de undă (știm cu toții că, cu un strat de ozon funcțional, frecvențele mai înalte, cum ar fi ultravioletele, sunt în mare parte ecranate). O parte din lumina soarelui este reflectată înapoi în spațiu, în funcție de albedo sau de reflectivitatea suprafeței. O parte din lumina soarelui se transformă în infraroșu (frecvență mai mică decât lumina vizibilă). În timp ce gazele dominante ale atmosferei (azot și oxigen) sunt transparente la infraroșu, așa-numitele gaze cu efect de seră, în principal vapori de apă (H 2 O), dioxid de carbon și metan (CH 4), absorb radiația infraroșie. Ei colectează această energie termică și o țin în atmosferă. Deși ne îngrijorăm cu privire la posibila încălzire globală din CO 2 suplimentar pe care îl introducem în atmosferă prin arderea combustibililor fosili, dacă nu ar exista CO 2 în atmosferă, clima globală ar fi semnificativ mai rece.

Clima tampon

Datorită rolului CO 2 în climă, feedback-ul din ciclul carbonului acționează pentru a menține temperaturile globale în anumite limite, astfel încât clima să nu fie niciodată prea fierbinte sau prea rece pentru a susține viața pe Pământ. Procesul este un exemplu pe scară largă al principiului LeChatelier. Acest principiu chimic afirmă că, dacă o reacție la echilibru este perturbată prin adăugarea sau îndepărtarea unui produs sau reactant, reacția se va regla astfel încât să încerce să readucă acea specie chimică la concentrația sa inițială. De exemplu, deoarece acidul carbonic este eliminat din soluție prin degradarea rocilor, reacția se va regla producând mai mult acid carbonic. Și din moment ce CO 2 dizolvat este în echilibru cu CO 2 atmosferic, mai mult CO 2 este eliminat din atmosferă pentru a înlocui cel eliminat din soluție prin intemperii.

Dacă concentrația de CO 2 crește în atmosferă din cauza unei rate crescute de degazare, temperatura globală va crește. Creșterea temperaturii și CO 2 mai dizolvat vor duce la o degradare crescută a rocilor crustale ca urmare a unor viteze de reacție mai rapide (efectul temperaturii) și a unei acidități mai mari. Meteorizarea îmbunătățită va consuma excesul de CO 2, răcind astfel clima.

Dacă temperatura globală se răcește ca urmare a unor forțe astronomice sau a efectului de circulație tectonică/oceanică, temperaturile mai scăzute vor avea ca rezultat rate mai mici de intemperii chimice. Meteorizarea scăzută înseamnă că mai puțin CO 2 este extras din atmosferă de reacțiile meteorologice, lăsând mai mult CO2 în atmosferă pentru a crește temperaturile.

Dacă mai multe roci devin disponibile pentru o intemperie rapidă ca urmare a ridicării muntelui, intemperia îmbunătățită va reduce CO 2 atmosferic și va scădea temperaturile globale. Dar temperaturile scăzute vor încetini viteza de reacție, folosind astfel mai puțin CO2, permițând astfel temperarea temperaturilor.