วัฏจักรคาร์บอนคืออะไร?
วัฏจักรคาร์บอนคือการเคลื่อนที่ของธาตุคาร์บอนในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน
แก้ไขและปรับขนาดรูปภาพโดย Mitchell Griest มีอยู่ใน Unsplash
วัฏจักรคาร์บอนคือการเคลื่อนตัวของธาตุคาร์บอนในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน รวมทั้งหิน ดิน มหาสมุทร และพืช สิ่งนี้จะป้องกันไม่ให้มันก่อตัวขึ้นอย่างสมบูรณ์ในชั้นบรรยากาศและทำให้อุณหภูมิของโลกคงที่ สำหรับธรณีวิทยา วัฏจักรคาร์บอนมีสองประเภท: แบบช้าซึ่งใช้เวลาหลายแสนปี และแบบเร็วซึ่งใช้เวลาหลายสิบถึง 100,000 ปี
คาร์บอน
คาร์บอนเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่พบในหินมากมาย และในดิน มหาสมุทร ผัก บรรยากาศ สิ่งมีชีวิตและวัตถุ มันถูกหล่อหลอมในดวงดาว ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่มีมากเป็นอันดับสี่ในจักรวาล และจำเป็นต่อการดำรงชีวิตบนโลกอย่างที่เราทราบ อย่างไรก็ตาม เขายังเป็นหนึ่งในสาเหตุของปัญหาสำคัญ นั่นคือ การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ
ในช่วงเวลาที่ยาวนานมาก (หลายล้านถึงสิบล้านปี) การเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลกและการเปลี่ยนแปลงของอัตราที่คาร์บอนแทรกซึมเข้าสู่ภายในโลกสามารถเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิโลกได้ โลกได้รับการเปลี่ยนแปลงนี้ในช่วง 50 ล้านปีที่ผ่านมา ตั้งแต่สภาพอากาศที่ร้อนจัดในยุคครีเทเชียส (ประมาณ 145 ถึง 65 ล้านปีก่อน) ไปจนถึงภูมิอากาศแบบน้ำแข็งของไพลสโตซีน (ประมาณ 1.8 ล้านถึง 11,500 ปีก่อน)
รอบช้า
คาร์บอนใช้เวลาระหว่าง 100 ถึง 200 ล้านปีในการเคลื่อนตัวระหว่างหิน ดิน มหาสมุทร และบรรยากาศในวัฏจักรคาร์บอนที่เกิดขึ้นอย่างช้าๆ ผ่านชุดของปฏิกิริยาเคมีและกิจกรรมการแปรสัณฐาน โดยเฉลี่ย คาร์บอนระหว่าง 10 ถึง 100 ล้านตันจะผ่านวงจรช้าๆ ในหนึ่งปี สำหรับการเปรียบเทียบ การปล่อยก๊าซคาร์บอนของมนุษย์สู่ชั้นบรรยากาศอยู่ที่ 10 พันล้านตัน ในขณะที่วัฏจักรคาร์บอนอย่างรวดเร็วจะเคลื่อนจาก 10 ถึง 100 พันล้านคาร์บอนต่อปี
การเคลื่อนที่ของคาร์บอนจากชั้นบรรยากาศไปยังธรณีภาค (หิน) เริ่มด้วยฝน คาร์บอนในบรรยากาศรวมกับน้ำจะทำให้เกิดกรดคาร์บอนิกซึ่งถูกฝนสะสมบนพื้นผิว กรดนี้ละลายหินในกระบวนการที่เรียกว่าการผุกร่อนทางเคมี โดยปล่อยแคลเซียม แมกนีเซียม โพแทสเซียม หรือโซเดียมไอออน ไอออนเหล่านี้ถูกส่งไปยังแม่น้ำและจากแม่น้ำสู่มหาสมุทร
- ต้นกำเนิดของพลาสติกที่ก่อให้เกิดมลพิษในมหาสมุทรคืออะไร?
- การทำให้เป็นกรดในมหาสมุทร: ปัญหาร้ายแรงสำหรับโลก
ในมหาสมุทร แคลเซียมไอออนจะรวมกับไอออนของไบคาร์บอเนตเพื่อสร้างแคลเซียมคาร์บอเนต ซึ่งเป็นสารออกฤทธิ์ในยาลดกรด ในมหาสมุทร แคลเซียมคาร์บอเนตส่วนใหญ่ผลิตโดยสิ่งมีชีวิตที่สร้างเปลือก (กลายเป็นปูน) (เช่น ปะการัง) และแพลงก์ตอน (เช่น coccolithophores และ foraminifera) หลังจากที่สิ่งมีชีวิตเหล่านี้ตาย พวกมันจะจมลงสู่พื้นทะเล เมื่อเวลาผ่านไป ชั้นของเปลือกหอยและตะกอนจะถูกบดอัดและกลายเป็นหิน กักเก็บคาร์บอน ทำให้เกิดหินตะกอน เช่น หินปูน
หินคาร์บอเนตประมาณ 80% ถูกสร้างขึ้นด้วยวิธีนี้ ส่วนที่เหลืออีก 20% ประกอบด้วยคาร์บอนที่เกิดจากสิ่งมีชีวิต (อินทรีย์คาร์บอน) ที่ย่อยสลาย ความร้อนและความดันบีบอัดสารอินทรีย์ที่อุดมด้วยคาร์บอนเป็นเวลาหลายล้านปี ก่อตัวเป็นหินตะกอน เช่น หินดินดาน ในกรณีพิเศษ เมื่ออินทรียวัตถุจากพืชที่ตายแล้วสะสมอย่างรวดเร็ว โดยไม่มีเวลาสลายตัว ชั้นของคาร์บอนอินทรีย์จะกลายเป็นน้ำมัน ถ่านหิน หรือก๊าซธรรมชาติแทนที่จะเป็นหินตะกอน เช่น หินดินดาน
ในรอบช้า คาร์บอนจะกลับสู่บรรยากาศผ่านกิจกรรมภูเขาไฟ นั่นเป็นเพราะว่าเมื่อพื้นผิวโลกและเปลือกโลกในมหาสมุทรชนกัน ตัวหนึ่งจะจมอยู่ใต้อีกก้อนหนึ่ง และหินที่มันเคลื่อนตัวจะหลอมละลายภายใต้ความร้อนและความดันสูง หินที่ร้อนจัดจะรวมตัวกันเป็นแร่ธาตุซิลิเกต ปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์
- คาร์บอนไดออกไซด์: CO2 คืออะไร?
เมื่อภูเขาไฟระเบิด พวกมันจะขับก๊าซออกสู่ชั้นบรรยากาศและปกคลุมพื้นโลกด้วยหินทราย เริ่มต้นวัฏจักรใหม่อีกครั้ง ภูเขาไฟปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ระหว่าง 130 ถึง 380 ล้านเมตริกตันต่อปี สำหรับการเปรียบเทียบ มนุษย์ปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ประมาณ 30 พันล้านตันต่อปี ซึ่งมากกว่าภูเขาไฟ 100 ถึง 300 เท่า ซึ่งเป็นการเผาเชื้อเพลิงฟอสซิล
- แอลกอฮอล์หรือน้ำมันเบนซิน?
หากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มขึ้นในชั้นบรรยากาศเนื่องจากกิจกรรมภูเขาไฟที่เพิ่มขึ้น เช่น อุณหภูมิที่สูงขึ้น ทำให้มีฝนมากขึ้น ซึ่งจะละลายหินมากขึ้น ทำให้เกิดไอออนมากขึ้นซึ่งจะสะสมคาร์บอนมากขึ้นในก้นมหาสมุทรในที่สุด ต้องใช้เวลาสองสามแสนปีในการปรับสมดุลของวัฏจักรคาร์บอนที่ช้า
อย่างไรก็ตาม รอบช้ายังมีองค์ประกอบที่เร็วกว่าเล็กน้อย: มหาสมุทร ที่พื้นผิวซึ่งอากาศมาบรรจบกับน้ำ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะละลายและระบายออกจากมหาสมุทรโดยแลกเปลี่ยนกับบรรยากาศอย่างต่อเนื่อง เมื่ออยู่ในมหาสมุทร ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะทำปฏิกิริยากับโมเลกุลของน้ำเพื่อปล่อยไฮโดรเจน ทำให้มหาสมุทรมีความเป็นกรดมากขึ้น ไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากับคาร์บอเนตจากการผุกร่อนของหินเพื่อผลิตไบคาร์บอเนตไอออน
ก่อนยุคอุตสาหกรรม มหาสมุทรปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สู่ชั้นบรรยากาศโดยสมดุลกับคาร์บอนที่มหาสมุทรได้รับระหว่างการสึกหรอของหิน อย่างไรก็ตาม เมื่อความเข้มข้นของคาร์บอนในบรรยากาศเพิ่มขึ้น ตอนนี้มหาสมุทรก็กำจัดคาร์บอนออกจากชั้นบรรยากาศมากกว่าที่ปล่อยออกมา กว่าพันปี มหาสมุทรจะดูดซับคาร์บอนพิเศษมากถึง 85% ที่ผู้คนใส่เข้าไปในบรรยากาศโดยการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล แต่กระบวนการนี้ช้าเพราะเชื่อมโยงกับการเคลื่อนที่ของน้ำจากพื้นผิวมหาสมุทรไปยังระดับความลึก
ในขณะเดียวกัน ลม กระแสน้ำ และอุณหภูมิจะควบคุมอัตราที่มหาสมุทรกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากชั้นบรรยากาศ (ดูสมดุลคาร์บอนในมหาสมุทรที่หอดูดาวโลก) มีแนวโน้มว่าการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและกระแสน้ำในมหาสมุทรได้ช่วยขจัดคาร์บอนและคืนคาร์บอนสู่ชั้นบรรยากาศในช่วงสองสามพันปีที่ยุคน้ำแข็งเริ่มต้นและสิ้นสุด
วัฏจักรคาร์บอนที่รวดเร็ว
เวลาที่คาร์บอนใช้ในการผ่านวัฏจักรคาร์บอนอย่างรวดเร็วนั้นวัดได้ตลอดช่วงชีวิต วัฏจักรคาร์บอนอย่างรวดเร็วนั้นเป็นการเคลื่อนที่ของคาร์บอนผ่านรูปแบบชีวิตบนโลกหรือในชีวมณฑล คาร์บอนประมาณ 1,000 ถึง 100,000 ล้านเมตริกตันผ่านวัฏจักรคาร์บอนอย่างรวดเร็วในแต่ละปี
คาร์บอนมีบทบาทสำคัญในชีววิทยาเนื่องจากความสามารถในการสร้างพันธะต่างๆ ได้ถึงสี่พันธะต่ออะตอม ในอาร์เรย์ของโมเลกุลอินทรีย์ที่ซับซ้อนซึ่งดูเหมือนไม่มีที่สิ้นสุด โมเลกุลอินทรีย์จำนวนมากประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนที่สร้างพันธะที่แข็งแกร่งกับอะตอมของคาร์บอนอื่น ๆ รวมกันเป็นสายโซ่ยาวและวงแหวน โซ่และวงแหวนคาร์บอนดังกล่าวเป็นรากฐานของเซลล์ที่มีชีวิต ตัวอย่างเช่น ดีเอ็นเอประกอบด้วยโมเลกุลที่พันกันสองโมเลกุลที่สร้างขึ้นรอบสายคาร์บอน
พันธะในโซ่คาร์บอนยาวมีพลังงานเป็นจำนวนมาก เมื่อกระแสน้ำแยกออกจากกัน พลังงานที่เก็บไว้จะถูกปล่อยออกมา พลังงานนี้ทำให้โมเลกุลคาร์บอนเป็นแหล่งเชื้อเพลิงที่ดีเยี่ยมสำหรับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด
พืชและแพลงก์ตอนพืชเป็นส่วนประกอบหลักของวัฏจักรคาร์บอนอย่างรวดเร็ว แพลงก์ตอนพืช (สิ่งมีชีวิตขนาดเล็กในมหาสมุทร) และพืชนำก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากชั้นบรรยากาศโดยการดูดซับเข้าไปในเซลล์ของพวกมัน การใช้พลังงานจากดวงอาทิตย์ พืชและแพลงก์ตอนจะรวมคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) และน้ำเข้าด้วยกันเพื่อสร้างน้ำตาล (CH2O) และออกซิเจน ปฏิกิริยาเคมีมีลักษณะดังนี้:
CO2 + H2O + พลังงาน = CH2O + O2
คาร์บอนสามารถเคลื่อนที่ออกจากพืชและกลับสู่ชั้นบรรยากาศได้ แต่คาร์บอนทั้งหมดเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเคมีแบบเดียวกัน พืชย่อยสลายน้ำตาลเพื่อให้ได้พลังงานที่จำเป็นในการเจริญเติบโต สัตว์ (รวมทั้งคน) กินพืชหรือแพลงก์ตอนและสลายน้ำตาลของพืชเพื่อเป็นพลังงาน พืชและแพลงก์ตอนตายและเน่า (แบคทีเรียกินเข้าไป) หรือถูกไฟเผาผลาญ ในทุกกรณี ออกซิเจนจะรวมกับน้ำตาลเพื่อปล่อยน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และพลังงาน ปฏิกิริยาเคมีพื้นฐานมีลักษณะดังนี้:
CH2O + O2 = CO2 + H2O + พลังงาน
ในกระบวนการทั้งสี่ คาร์บอนไดออกไซด์ที่ปล่อยออกมาในปฏิกิริยามักจะจบลงในชั้นบรรยากาศ วัฏจักรคาร์บอนอย่างรวดเร็วเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับชีวิตพืชจนสามารถเห็นฤดูปลูกได้จากการที่คาร์บอนไดออกไซด์ลอยอยู่ในบรรยากาศ ในฤดูหนาวของซีกโลกเหนือ เมื่อมีพืชบนบกเพียงไม่กี่ต้นและหลายต้นก็ผุพัง ความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศจะเพิ่มขึ้น ในช่วงฤดูใบไม้ผลิ เมื่อพืชเริ่มเติบโตอีกครั้ง ความเข้มข้นจะลดลง เหมือนโลกกำลังหายใจ
การเปลี่ยนแปลงในวัฏจักรคาร์บอน
โดยไม่ถูกรบกวน วัฏจักรคาร์บอนที่รวดเร็วและช้าจะรักษาความเข้มข้นของคาร์บอนที่ค่อนข้างคงที่ในบรรยากาศ พื้นดิน พืช และมหาสมุทร แต่เมื่อมีอะไรเปลี่ยนแปลงปริมาณคาร์บอนในอ่างเก็บน้ำแห่งหนึ่ง
ในอดีตของโลก วัฏจักรคาร์บอนได้เปลี่ยนแปลงไปตามการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ความแปรปรวนในวงโคจรของโลกทำให้ปริมาณพลังงานที่โลกได้รับจากดวงอาทิตย์เปลี่ยนแปลงไป และนำไปสู่วัฏจักรของยุคน้ำแข็งและช่วงเวลาที่อบอุ่น เช่น สภาพอากาศในปัจจุบันของโลก (ดู มิลูติน มิลาโควิช) ยุคน้ำแข็งเกิดขึ้นเมื่อฤดูร้อนในซีกโลกเหนือเย็นลงและน้ำแข็งสะสมอยู่บนโลก ซึ่งจะทำให้วัฏจักรคาร์บอนช้าลง ในขณะเดียวกัน ปัจจัยหลายประการ รวมถึงอุณหภูมิที่เย็นลงและการเติบโตของแพลงก์ตอนพืชที่เพิ่มขึ้น อาจทำให้ปริมาณคาร์บอนในมหาสมุทรเพิ่มขึ้นจากชั้นบรรยากาศ การลดลงของคาร์บอนในบรรยากาศทำให้เย็นลงอีก ในทำนองเดียวกัน เมื่อสิ้นสุดยุคน้ำแข็งครั้งสุดท้ายเมื่อ 10,000 ปีที่แล้ว คาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่ออุณหภูมิอุ่นขึ้น
การเปลี่ยนแปลงในวงโคจรของโลกกำลังเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องในวัฏจักรที่คาดเดาได้ ในอีกประมาณ 30,000 ปี วงโคจรของโลกจะเคลื่อนตัวมากพอที่จะลดแสงอาทิตย์ในซีกโลกเหนือจนถึงระดับที่นำไปสู่ยุคน้ำแข็งสุดท้าย
ทุกวันนี้ การเปลี่ยนแปลงของวัฏจักรคาร์บอนกำลังเกิดขึ้นเพราะผู้คน เราทำลายวัฏจักรคาร์บอนด้วยการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลและการตัดไม้ทำลายป่า
การตัดไม้ทำลายป่าจะปล่อยคาร์บอนที่เก็บไว้ในลำต้น ลำต้น และใบ - ชีวมวล การล้างป่าจะทำให้พืชที่อาจนำคาร์บอนออกจากชั้นบรรยากาศในขณะที่เติบโตได้ มีแนวโน้มทั่วโลกที่จะแทนที่ป่าไม้ด้วยการปลูกพืชเชิงเดี่ยวและทุ่งหญ้าเลี้ยงสัตว์ซึ่งเก็บคาร์บอนน้อยลง นอกจากนี้เรายังเปิดเผยดินที่ขับคาร์บอนจากการสลายตัวของพืชสู่ชั้นบรรยากาศ ปัจจุบัน มนุษย์ปล่อยคาร์บอนออกสู่ชั้นบรรยากาศเพียงไม่ถึงพันล้านตันในแต่ละปีผ่านการเปลี่ยนแปลงการใช้ที่ดิน
หากปราศจากการแทรกแซงของมนุษย์ คาร์บอนจากเชื้อเพลิงฟอสซิลจะค่อยๆ รั่วไหลสู่ชั้นบรรยากาศผ่านกิจกรรมของภูเขาไฟในวัฏจักรคาร์บอนที่ช้าเป็นเวลาหลายล้านปี โดยการเผาไหม้ถ่านหิน น้ำมัน และก๊าซธรรมชาติ เราเร่งกระบวนการ โดยปล่อยคาร์บอนจำนวนมหาศาล (คาร์บอนที่ใช้เวลาสะสมนับล้านปี) สู่ชั้นบรรยากาศทุกปี การทำเช่นนี้จะทำให้คาร์บอนเปลี่ยนจากรอบช้าเป็นรอบเร็ว ในปี 2552 มนุษย์ปล่อยคาร์บอนประมาณ 8.4 พันล้านตันสู่ชั้นบรรยากาศโดยการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล
นับตั้งแต่เริ่มการปฏิวัติอุตสาหกรรม เมื่อผู้คนเริ่มเผาเชื้อเพลิงฟอสซิล ความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศได้เพิ่มขึ้นจากประมาณ 280 ส่วนในล้านส่วนเป็น 387 ส่วนในล้านส่วน เพิ่มขึ้น 39% ซึ่งหมายความว่าสำหรับทุกๆ ล้านโมเลกุลในชั้นบรรยากาศ ตอนนี้ 387 โมเลกุลเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งเป็นความเข้มข้นสูงสุดในรอบสองล้านปี ความเข้มข้นของก๊าซมีเทนเพิ่มขึ้นจาก 715 ส่วนในพันล้านส่วนในปี 1750 เป็น 1,774 ส่วนต่อพันล้านส่วนในปี 2548 ซึ่งเป็นระดับความเข้มข้นสูงสุดในรอบอย่างน้อย 650,000 ปี
ผลของการเปลี่ยนแปลงวัฏจักรคาร์บอน
ภาพ: วัฏจักรคาร์บอน - NASA
คาร์บอนส่วนเกินทั้งหมดนั้นต้องไปที่ไหนสักแห่ง จนถึงตอนนี้ พืชบนบกและในมหาสมุทรได้ดูดซับคาร์บอนส่วนเกิน 55% ในชั้นบรรยากาศ ในขณะที่ประมาณ 45% ยังคงอยู่ในชั้นบรรยากาศ ในที่สุด ดินและมหาสมุทรดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ส่วนเกินส่วนใหญ่ แต่มากถึง 20% สามารถอยู่ในชั้นบรรยากาศเป็นเวลาหลายพันปี
คาร์บอนส่วนเกินในชั้นบรรยากาศทำให้โลกอบอุ่นและช่วยให้พืชบนบกโตขึ้น คาร์บอนที่มากเกินไปในมหาสมุทรทำให้น้ำมีความเป็นกรดมากขึ้น ทำให้สัตว์ทะเลมีความเสี่ยง เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับหัวข้อนี้ในบทความ: "การทำให้เป็นกรดของมหาสมุทร: ปัญหาร้ายแรงสำหรับโลก"
บรรยากาศ
เป็นสิ่งสำคัญที่คาร์บอนไดออกไซด์ยังคงอยู่ในชั้นบรรยากาศมาก เนื่องจาก CO2 เป็นก๊าซที่สำคัญที่สุดในการควบคุมอุณหภูมิของโลก คาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน และฮาโลคาร์บอนเป็นก๊าซเรือนกระจกที่ดูดซับพลังงานได้หลากหลาย รวมถึงพลังงานอินฟราเรด (ความร้อน) ที่โลกปล่อยออกมา แล้วปล่อยกลับคืนมาอีกครั้ง พลังงานที่ปล่อยออกมาอีกครั้งจะเดินทางในทุกทิศทาง แต่บางส่วนก็กลับมายังโลก ทำให้พื้นผิวร้อนขึ้น หากไม่มีก๊าซเรือนกระจก โลกจะถูกแช่แข็งที่อุณหภูมิ -18°C ด้วยก๊าซเรือนกระจกจำนวนมาก โลกจะเป็นเหมือนดาวศุกร์ โดยที่ชั้นบรรยากาศรักษาอุณหภูมิไว้ที่ 400 องศาเซลเซียส
เนื่องจากนักวิทยาศาสตร์ทราบความยาวคลื่นของพลังงานที่ก๊าซเรือนกระจกแต่ละชนิดดูดซับและความเข้มข้นของก๊าซในบรรยากาศ พวกเขาสามารถคำนวณได้ว่าก๊าซแต่ละชนิดมีส่วนทำให้เกิดภาวะโลกร้อนมากน้อยเพียงใด คาร์บอนไดออกไซด์ทำให้เกิดภาวะเรือนกระจกประมาณ 20% ของโลก ไอน้ำคิดเป็นประมาณ 50%; และเมฆเป็นตัวแทนของ 25% ส่วนที่เหลือเกิดจากอนุภาคขนาดเล็ก (ละอองลอย) และก๊าซเรือนกระจกที่มีขนาดเล็กกว่า เช่น มีเทน
- กระป๋องสเปรย์สามารถรีไซเคิลได้หรือไม่?
ความเข้มข้นของไอน้ำในอากาศจะถูกควบคุมโดยอุณหภูมิของโลก อุณหภูมิที่อุ่นขึ้นจะระเหยน้ำออกจากมหาสมุทรมากขึ้น ขยายมวลอากาศและทำให้มีความชื้นมากขึ้น ความเย็นทำให้ไอน้ำควบแน่นและตกลงมาเป็นฝน ลูกเห็บ หรือหิมะ
ในทางกลับกัน คาร์บอนไดออกไซด์ยังคงเป็นก๊าซในช่วงอุณหภูมิบรรยากาศที่กว้างกว่าน้ำ โมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ให้ความร้อนเริ่มต้นที่จำเป็นต่อการรักษาความเข้มข้นของไอน้ำ เมื่อความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ลดลง โลกจะเย็นตัวลง ไอน้ำบางส่วนจะหยดลงมาจากชั้นบรรยากาศ และความร้อนจากเรือนกระจกที่เกิดจากไอน้ำลดลง ในทำนองเดียวกัน เมื่อความเข้มข้นของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สูงขึ้น อุณหภูมิของอากาศก็สูงขึ้นและไอน้ำจะระเหยออกสู่บรรยากาศมากขึ้น ซึ่งจะช่วยเพิ่มความร้อนให้กับเรือนกระจก
ดังนั้นในขณะที่คาร์บอนไดออกไซด์มีส่วนทำให้เกิดภาวะเรือนกระจกน้อยกว่าไอน้ำ นักวิทยาศาสตร์พบว่าก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นก๊าซที่กำหนดอุณหภูมิ คาร์บอนไดออกไซด์ควบคุมปริมาณไอน้ำในบรรยากาศและขนาดของปรากฏการณ์เรือนกระจก
การเพิ่มความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ทำให้โลกร้อนขึ้นแล้ว ในขณะที่ก๊าซเรือนกระจกกำลังเพิ่มสูงขึ้น อุณหภูมิโลกโดยเฉลี่ยก็เพิ่มขึ้น 0.8 องศาเซลเซียส (1.4 องศาฟาเรนไฮต์) ตั้งแต่ปี 1880
อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นนี้ไม่ใช่การอุ่นขึ้นทั้งหมดที่เราจะได้เห็นโดยพิจารณาจากความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ในปัจจุบัน ความร้อนในเรือนกระจกไม่ได้เกิดขึ้นทันทีเพราะมหาสมุทรดูดซับความร้อน ซึ่งหมายความว่าอุณหภูมิของโลกจะเพิ่มขึ้นอีกอย่างน้อย 0.6 องศาเซลเซียส (1 องศาฟาเรนไฮต์) เนื่องจากมีคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศอยู่แล้ว ระดับอุณหภูมิที่สูงกว่านั้นขึ้นอยู่กับว่ามนุษย์คาร์บอนจะปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศอีกมากเพียงใดในอนาคต
มหาสมุทร
ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ประมาณ 30% ที่ผู้คนใส่เข้าไปในบรรยากาศจะกระจายสู่มหาสมุทรผ่านการแลกเปลี่ยนทางเคมีโดยตรง การละลายคาร์บอนไดออกไซด์ในมหาสมุทรจะสร้างกรดคาร์บอนิกซึ่งเพิ่มความเป็นกรดของน้ำ หรือมากกว่านั้น มหาสมุทรที่เป็นด่างเล็กน้อยจะกลายเป็นด่างน้อยกว่าเล็กน้อย ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1750 ค่า pH ของพื้นผิวมหาสมุทรลดลง 0.1 ซึ่งทำให้ความเป็นกรดเปลี่ยนแปลงไป 30%
ความเป็นกรดของมหาสมุทรส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตในทะเลในสองวิธี อย่างแรก กรดคาร์บอนิกทำปฏิกิริยากับคาร์บอเนตไอออนในน้ำเพื่อสร้างไบคาร์บอเนต อย่างไรก็ตาม คาร์บอเนตไอออนเหล่านี้เป็นสิ่งที่สัตว์สร้างเปลือกเช่นปะการังจำเป็นต้องสร้างเปลือกแคลเซียมคาร์บอเนต ด้วยคาร์บอเนตที่มีอยู่น้อยลง สัตว์จำเป็นต้องใช้พลังงานมากขึ้นเพื่อสร้างเปลือกของพวกมัน ส่งผลให้เปลือกบางลงและเปราะบางมากขึ้น
ประการที่สอง ยิ่งน้ำที่มีความเป็นกรดมากเท่าไหร่ แคลเซียมคาร์บอเนตก็จะยิ่งละลายได้ดีขึ้นเท่านั้นในระยะยาว ปฏิกิริยานี้จะช่วยให้มหาสมุทรดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ส่วนเกินได้ เนื่องจากน้ำที่เป็นกรดมากขึ้นจะละลายหินได้มากขึ้น ปล่อยไอออนของคาร์บอเนตมากขึ้น และเพิ่มความสามารถของมหาสมุทรในการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ อย่างไรก็ตาม ในระหว่างนี้ น้ำที่เป็นกรดมากขึ้นจะละลายเปลือกคาร์บอเนตของสิ่งมีชีวิตในทะเล ทำให้เป็นหลุมและอ่อนแอ
มหาสมุทรที่อุ่นขึ้น ซึ่งเป็นผลจากภาวะเรือนกระจก ยังสามารถลดปริมาณแพลงก์ตอนพืชที่อุดมสมบูรณ์ ซึ่งจะเติบโตได้ดีที่สุดในน่านน้ำที่เย็นและอุดมด้วยสารอาหาร ซึ่งอาจจำกัดความสามารถของมหาสมุทรในการดึงคาร์บอนออกจากชั้นบรรยากาศผ่านวัฏจักรคาร์บอนอย่างรวดเร็ว
ในทางกลับกัน คาร์บอนไดออกไซด์มีความจำเป็นต่อการเจริญเติบโตของพืชและแพลงก์ตอนพืช การเพิ่มขึ้นของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สามารถเพิ่มการเจริญเติบโตได้โดยการใส่ปุ๋ยแพลงก์ตอนพืชและพืชในมหาสมุทร (เช่น หญ้าทะเล) เพียงไม่กี่ชนิดที่ใช้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์โดยตรงจากน้ำ อย่างไรก็ตาม สปีชีส์ส่วนใหญ่ไม่ได้รับความช่วยเหลือจากการเพิ่มขึ้นของคาร์บอนไดออกไซด์
โลก
พืชบนบกดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ประมาณ 25% ที่มนุษย์ปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศ ปริมาณคาร์บอนที่พืชดูดซับนั้นแตกต่างกันอย่างมากในแต่ละปี แต่โดยทั่วไป พืชในโลกได้เพิ่มปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ที่พวกมันดูดซับตั้งแต่ทศวรรษ 1960 การเพิ่มขึ้นนี้เพียงบางส่วนเท่านั้นที่เกิดขึ้นจากการปล่อยเชื้อเพลิงฟอสซิลโดยตรง
ด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศที่มากขึ้นที่สามารถเปลี่ยนเป็นสสารพืชในการสังเคราะห์ด้วยแสง พืชจึงสามารถเติบโตได้ใหญ่ขึ้น การเติบโตที่เพิ่มขึ้นนี้เรียกว่าการปฏิสนธิคาร์บอน แบบจำลองคาดการณ์ว่าพืชสามารถเติบโตได้ 12 ถึง 76 เปอร์เซ็นต์หากคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ตราบใดที่ไม่มีสิ่งอื่นใด เช่น การขาดแคลนน้ำ จำกัดการเจริญเติบโต อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์ไม่รู้ว่าก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มการเติบโตของพืชในโลกจริงมากแค่ไหน เพราะพืชต้องการมากกว่าคาร์บอนไดออกไซด์ในการเจริญเติบโต
พืชยังต้องการน้ำ แสงแดด และสารอาหาร โดยเฉพาะไนโตรเจน ถ้าพืชไม่มีสิ่งเหล่านี้ พืชก็ไม่เติบโต ไม่ว่าความต้องการอื่นๆ จะมากเพียงใด มีการจำกัดปริมาณคาร์บอนที่พืชสามารถดึงออกมาจากชั้นบรรยากาศได้ และขีดจำกัดนี้จะแตกต่างกันไปในแต่ละภูมิภาค จนถึงตอนนี้ ดูเหมือนว่าการปฏิสนธิคาร์บอนไดออกไซด์จะเพิ่มการเจริญเติบโตของพืชจนกว่าพืชจะมีปริมาณน้ำหรือไนโตรเจนถึงขีดจำกัด
การเปลี่ยนแปลงการดูดซับคาร์บอนบางส่วนเป็นผลมาจากการตัดสินใจใช้ที่ดิน การเกษตรเข้มข้นขึ้นมาก ดังนั้นเราจึงสามารถปลูกอาหารได้มากขึ้นโดยใช้พื้นที่น้อย ในละติจูดสูงและกลาง ดินแดนที่ถูกทิ้งร้างกำลังกลับคืนสู่ป่า และป่าเหล่านี้กักเก็บคาร์บอนทั้งในไม้และในดินมากกว่าพืชผล ในหลาย ๆ แห่ง เราป้องกันคาร์บอนจากพืชไม่ให้เข้าสู่บรรยากาศด้วยการดับไฟ ซึ่งช่วยให้วัสดุที่เป็นไม้ (ซึ่งเก็บคาร์บอน) ก่อตัวขึ้นได้ การตัดสินใจใช้ที่ดินทั้งหมดนี้ช่วยให้พืชดูดซับคาร์บอนที่มนุษย์ปล่อยออกมาในซีกโลกเหนือ
อย่างไรก็ตาม ในเขตร้อนชื้น ป่าไม้ถูกกำจัดออกไป มักจะถูกไฟเผา และปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา ในปี 2551 การตัดไม้ทำลายป่าคิดเป็น 12% ของการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ของมนุษย์ทั้งหมด
การเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ที่สุดในวัฏจักรคาร์บอนบนบกมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ คาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มอุณหภูมิ ยืดฤดูปลูกและเพิ่มความชื้น ปัจจัยทั้งสองนำไปสู่การเจริญเติบโตของพืชเพิ่มเติม อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิที่อุ่นขึ้นก็สร้างความเครียดให้กับพืชเช่นกัน ด้วยฤดูปลูกที่ยาวนานและอบอุ่นขึ้น พืชต้องการน้ำมากขึ้นเพื่อความอยู่รอด นักวิทยาศาสตร์ได้เห็นหลักฐานแล้วว่าพืชในซีกโลกเหนือจะเติบโตช้าในฤดูร้อนเนื่องจากอุณหภูมิที่ร้อนและขาดแคลนน้ำ
พืชที่แห้งและเน้นน้ำยังอ่อนไหวต่อไฟและแมลงเมื่อฤดูปลูกนานขึ้น ในตอนเหนือสุดที่อุณหภูมิสูงส่งผลกระทบมากที่สุด ป่าไม้ได้เริ่มเผาผลาญมากขึ้นแล้ว โดยปล่อยคาร์บอนจากพืชและดินสู่ชั้นบรรยากาศ ป่าเขตร้อนยังสามารถแห้งแล้งได้ง่ายมาก เมื่อมีน้ำน้อยลง ต้นไม้ในเขตร้อนชื้นจะชะลอการเจริญเติบโตและดูดซับคาร์บอนน้อยลง หรือตายและปล่อยคาร์บอนที่เก็บไว้ออกสู่ชั้นบรรยากาศ
ภาวะโลกร้อนที่เกิดจากก๊าซเรือนกระจกที่เพิ่มสูงขึ้นยังสามารถ "ย่าง" ดิน เร่งอัตราที่คาร์บอนจะระบายออกไปในบางสถานที่ เรื่องนี้น่าเป็นห่วงอย่างยิ่งในตอนเหนือสุดที่พื้นดินเยือกแข็ง - ดินเยือกแข็ง - กำลังละลาย Permafrost มีการสะสมของคาร์บอนจากสสารของพืชที่สะสมมานานนับพันปีเนื่องจากความหนาวเย็นทำให้การสลายตัวช้าลง เมื่อดินอุ่นขึ้น สารอินทรีย์จะสลายตัวและคาร์บอนในรูปของก๊าซมีเทนและคาร์บอนไดออกไซด์จะเข้าสู่บรรยากาศ
การวิจัยในปัจจุบันประมาณการว่าดินเยือกแข็งในซีกโลกเหนือมีคาร์บอนอินทรีย์ 1,672 พันล้านตัน (เพตาแกรม) ถ้าเพียง 10% ของการละลายของชั้นดินเยือกแข็งนั้น ก็สามารถปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ส่วนเกินออกสู่ชั้นบรรยากาศได้มากพอที่จะทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้น 0.7 องศาเซลเซียส (1.3 องศาฟาเรนไฮต์) ในปี 2100
การศึกษาวัฏจักรคาร์บอน
หลายคำถามที่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่ได้ตอบเกี่ยวกับวัฏจักรคาร์บอนที่โคจรรอบการเปลี่ยนแปลง ตอนนี้ชั้นบรรยากาศมีคาร์บอนมากกว่าเวลาใดๆ ในเวลาอย่างน้อยสองล้านปี อ่างเก็บน้ำแต่ละแห่งในวัฏจักรจะเปลี่ยนไปเมื่อคาร์บอนนั้นไหลผ่านวัฏจักร
การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้จะเป็นอย่างไร? จะเกิดอะไรขึ้นกับพืชเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นและสภาพอากาศเปลี่ยนแปลง? พวกเขาจะกำจัดคาร์บอนออกจากชั้นบรรยากาศมากกว่าที่จะกลับมาหรือไม่? พวกเขาจะมีประสิทธิผลน้อยลงหรือไม่? คาร์บอนที่เย็นจัดจะละลายในชั้นบรรยากาศได้มากเพียงใด และสิ่งนี้จะขยายภาวะโลกร้อนได้มากเพียงใด การไหลเวียนของมหาสมุทรหรือภาวะโลกร้อนเปลี่ยนอัตราการดูดซับคาร์บอนในมหาสมุทรหรือไม่? ชีวิตในมหาสมุทรจะมีประสิทธิผลน้อยลงหรือไม่? มหาสมุทรจะเป็นกรดมากแค่ไหนและมีผลกระทบอย่างไร?
บทบาทของ NASA ในการตอบคำถามเหล่านี้คือการจัดให้มีการสำรวจดาวเทียมทั่วโลกและการสังเกตการณ์ภาคสนามที่เกี่ยวข้อง ภายในต้นปี 2554 เครื่องมือดาวเทียมสองประเภทกำลังรวบรวมข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับวัฏจักรคาร์บอน
เครื่องมือ Spectroradiometer การถ่ายภาพความละเอียดระดับปานกลาง (MODIS) ซึ่งบินผ่านดาวเทียม Terra และ Aqua ของ NASA วัดปริมาณของพืชคาร์บอนและแพลงก์ตอนพืชกลายเป็นสสารในขณะที่พวกมันเติบโต การวัดที่เรียกว่าผลผลิตสุทธิขั้นต้น เซ็นเซอร์ MODIS ยังวัดจำนวนการเกิดเพลิงไหม้และจุดที่เกิดเพลิงไหม้อีกด้วย
ดาวเทียม Landsat สองดวงให้มุมมองโดยละเอียดเกี่ยวกับแนวปะการังในมหาสมุทร สิ่งที่กำลังเติบโตบนบกและการเปลี่ยนแปลงของพื้นที่ปกคลุม เป็นไปได้ที่จะเห็นการเติบโตของเมืองหรือการเปลี่ยนแปลงจากป่าเป็นฟาร์ม ข้อมูลนี้มีความสำคัญเนื่องจากการใช้ที่ดินรับผิดชอบหนึ่งในสามของการปล่อยคาร์บอนของมนุษย์ทั้งหมด
ดาวเทียม NASA ในอนาคตจะทำการสังเกตการณ์ต่อไป และจะวัดคาร์บอนไดออกไซด์และมีเทนในชั้นบรรยากาศ ความสูง และโครงสร้างพืชพรรณด้วย
มาตรการทั้งหมดเหล่านี้จะช่วยให้เราเห็นว่าวัฏจักรคาร์บอนทั่วโลกเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป สิ่งเหล่านี้จะช่วยเราประเมินผลกระทบที่เรามีต่อวัฏจักรคาร์บอน การปล่อยคาร์บอนสู่ชั้นบรรยากาศ หรือหาวิธีที่จะเก็บกักไว้ที่อื่น พวกเขาจะแสดงให้เราเห็นว่าการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศทำให้วัฏจักรคาร์บอนเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรและวัฏจักรที่เปลี่ยนไปทำให้สภาพอากาศเปลี่ยนแปลงไปอย่างไร
อย่างไรก็ตาม พวกเราส่วนใหญ่จะสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงของวัฏจักรคาร์บอนในลักษณะที่เป็นส่วนตัวมากขึ้น สำหรับเรา วัฏจักรคาร์บอนคืออาหารที่เรากิน ไฟฟ้าในบ้าน ก๊าซในรถของเรา และสภาพอากาศที่อยู่เหนือศีรษะของเรา เนื่องจากเราเป็นส่วนหนึ่งของวัฏจักรคาร์บอน การตัดสินใจของเราเกี่ยวกับการใช้ชีวิตแบบกระเพื่อมตลอดวัฏจักร การเปลี่ยนแปลงของวัฏจักรคาร์บอนก็จะส่งผลต่อวิถีชีวิตของเราเช่นเดียวกัน เมื่อเราแต่ละคนเข้าใจบทบาทของเราในวัฏจักรคาร์บอน ความรู้ช่วยให้เราควบคุมผลกระทบส่วนตัวและเข้าใจการเปลี่ยนแปลงที่เราเห็นในโลกรอบตัวเรา
