Em formação

46.3C: O Ciclo do Carbono - Biologia


O carbono entra na atmosfera na forma de dióxido de carbono por meio do ciclo do carbono e retorna ao carbono orgânico por meio da fotossíntese.

objetivos de aprendizado

  • Distinguir entre os ciclos biológicos e biogeoquímicos do carbono

Pontos chave

  • O carbono está presente em todas as moléculas orgânicas; compostos de carbono contêm grandes quantidades de energia, que os humanos usam como combustível.
  • O ciclo biológico do carbono é a troca rápida de carbono entre os seres vivos; autótrofos usam dióxido de carbono produzido por heterótrofos para produzir glicose e oxigênio, que são então utilizados por heterótrofos.
  • O ciclo biogeoquímico ocorre em uma taxa muito mais lenta do que o ciclo biológico, uma vez que o carbono é armazenado em reservatórios de carbono por longos períodos de tempo.
  • O dióxido de carbono da atmosfera se dissolve na água, combinando-se com as moléculas de água para formar o ácido carbônico, que se ioniza em íons carbonato e bicarbonato.
  • A maior parte do carbono do oceano está na forma de íons de bicarbonato, que podem se combinar com o cálcio da água do mar para formar carbonato de cálcio (CaCO3), um dos principais componentes das conchas de organismos marinhos.
  • O carbono pode entrar no solo como resultado da decomposição de organismos vivos, do desgaste das rochas, da erupção de vulcões e de outros sistemas geotérmicos.

Termos chave

  • subducção: movimento de uma placa tectônica abaixo da outra
  • recurso não renovável: recurso, como combustível fóssil, que é regenerado muito lentamente ou não é regenerado
  • autotrófico: Qualquer organismo que pode sintetizar seus alimentos a partir de substâncias inorgânicas, usando calor ou luz como fonte de energia
  • heterotrofo: um organismo que requer um suprimento externo de energia na forma de alimentos, pois não pode sintetizar a sua própria

O Ciclo do Carbono

O carbono, o segundo elemento mais abundante nos organismos vivos, está presente em todas as moléculas orgânicas. Seu papel na estrutura das macromoléculas é de primordial importância para os organismos vivos. Os compostos de carbono contêm formas especialmente altas de energia, que os humanos usam como combustível. Desde 1800 (início da Revolução Industrial), o número de países que usam grandes quantidades de combustíveis fósseis aumentou, o que elevou os níveis de dióxido de carbono na atmosfera. Este aumento no dióxido de carbono tem sido associado às mudanças climáticas e outros distúrbios dos ecossistemas da Terra. É uma grande preocupação ambiental em todo o mundo.

O ciclo do carbono é mais facilmente estudado como dois subciclos interconectados: um lidando com a rápida troca de carbono entre os organismos vivos e outro lidando com o ciclo de longo prazo do carbono por meio de processos geológicos.

O Ciclo Biológico do Carbono

Os organismos vivos estão conectados de várias maneiras, até mesmo entre ecossistemas. Um bom exemplo dessa conexão é a troca de carbono entre autótrofos e heterótrofos. O dióxido de carbono é o bloco de construção básico que a maioria dos autótrofos usa para construir compostos multicarbonatos e de alta energia, como a glicose. A energia captada do sol é usada por esses organismos para formar as ligações covalentes que unem os átomos de carbono. Essas ligações químicas armazenam essa energia para uso posterior no processo de respiração. A maioria dos autótrofos terrestres obtém seu dióxido de carbono diretamente da atmosfera, enquanto os autótrofos marinhos o adquirem na forma dissolvida (ácido carbônico, H2CO3) Independentemente de como o dióxido de carbono é adquirido, um subproduto do processo é o oxigênio. Os organismos fotossintéticos são responsáveis ​​por depositar aproximadamente 21 por cento do conteúdo de oxigênio na atmosfera que observamos hoje.

Os heterótrofos adquirem os compostos de carbono de alta energia dos autótrofos consumindo-os e quebrando-os pela respiração para obter energia celular, como o ATP. O tipo mais eficiente de respiração, a respiração aeróbica, requer oxigênio obtido da atmosfera ou dissolvido na água. Assim, há uma troca constante de oxigênio e dióxido de carbono entre os autótrofos (que precisam do carbono) e os heterótrofos (que precisam do oxigênio). A troca de gases através da atmosfera e da água é uma maneira pela qual o ciclo do carbono conecta todos os organismos vivos na Terra.

O ciclo biogeoquímico do carbono

O movimento do carbono pela terra, pela água e pelo ar é complexo e, em muitos casos, ocorre muito mais lentamente do que o ciclo biológico do carbono. O carbono é armazenado por longos períodos no que são conhecidos como reservatórios de carbono, que incluem a atmosfera, corpos de água líquida (principalmente oceanos), sedimentos oceânicos, solo, sedimentos terrestres (incluindo combustíveis fósseis) e o interior da Terra.

Como afirmado, a atmosfera, um importante reservatório de carbono na forma de dióxido de carbono, é essencial para o processo de fotossíntese. O nível de dióxido de carbono na atmosfera é muito influenciado pelo reservatório de carbono nos oceanos. A troca de carbono entre a atmosfera e os reservatórios de água influencia a quantidade de carbono encontrada em cada local; cada um afeta o outro reciprocamente. Dióxido de carbono (CO2) da atmosfera se dissolve na água, combinando-se com as moléculas de água para formar o ácido carbônico. Em seguida, ele se ioniza em íons carbonato e bicarbonato.

Mais de 90% do carbono do oceano é encontrado na forma de íons de bicarbonato. Alguns desses íons se combinam com o cálcio da água do mar para formar carbonato de cálcio (CaCO3), um dos principais componentes das conchas de organismos marinhos. Esses organismos eventualmente formam sedimentos no fundo do oceano. Ao longo do tempo geológico, o carbonato de cálcio forma calcário, que constitui o maior reservatório de carbono da Terra.

Em terra, o carbono é armazenado no solo como resultado da decomposição de organismos vivos ou do intemperismo de rochas e minerais terrestres. Este carbono pode ser lixiviado para os reservatórios de água pelo escoamento superficial. Mais profundamente no subsolo, na terra e no mar, estão os combustíveis fósseis: os restos de plantas decompostos anaerobicamente que levam milhões de anos para se formar. Os combustíveis fósseis são considerados um recurso não renovável porque seu uso excede em muito sua taxa de formação. Um recurso não renovável é regenerado muito lentamente ou não é regenerado. Outra forma de o carbono entrar na atmosfera é a partir da terra, pela erupção de vulcões e outros sistemas geotérmicos. Os sedimentos de carbono do fundo do oceano são levados para as profundezas da terra pelo processo de subducção: o movimento de uma placa tectônica sob a outra. O carbono é liberado como dióxido de carbono quando um vulcão entra em erupção ou de fontes hidrotermais vulcânicas.

O dióxido de carbono também é adicionado à atmosfera pela criação e criação de gado. O grande número de animais terrestres criados para alimentar a crescente população da Terra resulta em níveis aumentados de dióxido de carbono na atmosfera devido às práticas agrícolas, respiração e produção de metano. Este é outro exemplo de como a atividade humana afeta indiretamente os ciclos biogeoquímicos de maneira significativa. Embora grande parte do debate sobre os efeitos futuros do aumento do carbono atmosférico nas mudanças climáticas se concentre nos combustíveis fósseis, os cientistas levam em consideração os processos naturais, como vulcões e respiração, ao modelar e prever o impacto futuro desse aumento.


46.3 Ciclos Biogeoquímicos

Ao final desta seção, você será capaz de fazer o seguinte:

  • Discuta os ciclos biogeoquímicos da água, carbono, nitrogênio, fósforo e enxofre
  • Explique como as atividades humanas impactaram esses ciclos e as consequências potenciais para a Terra

A energia flui direcionalmente através dos ecossistemas, entrando como luz solar (ou moléculas inorgânicas para quimioautótrofos) e saindo como calor durante as muitas transferências entre níveis tróficos. No entanto, a matéria que constitui os organismos vivos é conservada e reciclada. Os seis elementos mais comuns associados a moléculas orgânicas - carbono, nitrogênio, hidrogênio, oxigênio, fósforo e enxofre - assumem uma variedade de formas químicas e podem existir por longos períodos na atmosfera, na terra, na água ou abaixo da superfície da Terra . Processos geológicos, como intemperismo, erosão, drenagem de água e subducção das placas continentais, todos desempenham um papel nesta reciclagem de materiais. Como a geologia e a química têm papéis importantes no estudo desse processo, a reciclagem da matéria inorgânica entre os organismos vivos e seu ambiente é chamada de ciclo biogeoquímico.

A água contém hidrogênio e oxigênio, que são essenciais para todos os processos vivos. A hidrosfera é a área da Terra onde ocorre o movimento e armazenamento da água. Na superfície ou abaixo dela, a água ocorre na forma líquida ou sólida em rios, lagos, oceanos, águas subterrâneas, calotas polares e geleiras. E ocorre como vapor d'água na atmosfera. O carbono é encontrado em todas as macromoléculas orgânicas e é um importante constituinte dos combustíveis fósseis. O nitrogênio é o principal componente de nossos ácidos nucléicos e proteínas e é fundamental para a agricultura humana. O fósforo, um dos principais componentes do ácido nucléico (junto com o nitrogênio), é um dos principais ingredientes dos fertilizantes artificiais usados ​​na agricultura e seus impactos ambientais associados em nossas águas superficiais. O enxofre é crítico para o dobramento 3-D das proteínas, como na ligação de dissulfeto.

O ciclo desses elementos está interligado. Por exemplo, o movimento da água é crítico para a lixiviação de nitrogênio e fosfato para rios, lagos e oceanos. Além disso, o próprio oceano é um grande reservatório de carbono. Assim, os nutrientes minerais são reciclados, rápida ou lentamente, por toda a biosfera, de um organismo vivo para outro e entre o mundo biótico e o abiótico.

Link para aprendizagem

Acesse este site para saber mais sobre os ciclos biogeoquímicos.

O Ciclo da Água (Hidrológico)

A água é a base de todos os processos vivos na Terra. Ao examinar as reservas de água na Terra, 97,5% dela é água salgada não potável (Figura 46.12). Da água restante, 99% está bloqueada no subsolo como água ou gelo. Assim, menos de 1 por cento da água doce é facilmente acessível a partir de lagos e rios. Muitos seres vivos, como plantas, animais e fungos, dependem dessa pequena quantidade de água doce de superfície, cuja falta pode ter efeitos massivos na dinâmica do ecossistema. Para ter sucesso, os organismos devem se adaptar a fontes flutuantes de água. Os humanos, é claro, desenvolveram tecnologias para aumentar a disponibilidade de água, como cavar poços para coletar água subterrânea, armazenar água da chuva e usar a dessalinização para obter água potável do oceano.

A ciclagem da água é extremamente importante para a dinâmica do ecossistema. A água tem grande influência no clima e, portanto, nos ambientes dos ecossistemas. A maior parte da água da Terra é armazenada por longos períodos nos oceanos, no subsolo e como gelo. A Figura 46.13 ilustra o tempo médio que uma molécula de água individual pode passar nos principais reservatórios de água da Terra. O tempo de residência é uma medida do tempo médio que uma molécula de água individual permanece em um reservatório específico.

Existem vários processos que ocorrem durante o ciclo da água, mostrado na Figura 46.14. Esses processos incluem o seguinte:

  • evaporação / sublimação
  • condensação / precipitação
  • fluxo de água subterrâneo
  • escoamento superficial / derretimento de neve
  • fluxo

O ciclo da água é impulsionado pela energia do sol à medida que aquece os oceanos e outras águas superficiais. Isso leva à evaporação (água em vapor de água) da água de superfície líquida e à sublimação (gelo em vapor de água) de água congelada, que deposita grandes quantidades de vapor de água na atmosfera. Com o tempo, esse vapor de água se condensa em nuvens como gotículas líquidas ou congeladas e é eventualmente seguido por precipitação (chuva ou neve), que retorna a água para a superfície da Terra. A chuva eventualmente penetra no solo, onde pode evaporar novamente se estiver perto da superfície, fluir abaixo da superfície ou ser armazenada por longos períodos. Mais facilmente observado é o escoamento superficial: o fluxo de água doce da chuva ou do gelo derretido. O escoamento pode então seguir seu caminho através de riachos e lagos até os oceanos ou fluir diretamente para os próprios oceanos.

Link para aprendizagem

Acesse este site para saber mais sobre o abastecimento de água doce do mundo.

A chuva e o escoamento superficial são as principais formas pelas quais os minerais, incluindo carbono, nitrogênio, fósforo e enxofre, são transportados da terra para a água. Os efeitos ambientais do escoamento serão discutidos posteriormente, conforme esses ciclos são descritos.

O Ciclo do Carbono

O carbono é o segundo elemento mais abundante nos organismos vivos. O carbono está presente em todas as moléculas orgânicas e seu papel na estrutura das macromoléculas é de fundamental importância para os organismos vivos.

O ciclo do carbono é mais facilmente estudado como dois subciclos interconectados: um lidando com a rápida troca de carbono entre os organismos vivos e outro lidando com o ciclo de longo prazo do carbono por meio de processos geológicos. Todo o ciclo do carbono é mostrado na Figura 46.15.

Link para aprendizagem

Clique neste link para ler informações sobre o Programa de Ciência do Ciclo do Carbono dos Estados Unidos.

O Ciclo Biológico do Carbono

Os organismos vivos estão conectados de várias maneiras, até mesmo entre ecossistemas. Um bom exemplo dessa conexão é a troca de carbono entre autótrofos e heterótrofos dentro e entre os ecossistemas por meio do dióxido de carbono atmosférico. O dióxido de carbono é o bloco de construção básico que a maioria dos autótrofos usa para construir multicarbono, compostos de alta energia, como a glicose. A energia captada do sol é usada por esses organismos para formar as ligações covalentes que unem os átomos de carbono. Essas ligações químicas, portanto, armazenam essa energia para uso posterior no processo de respiração. A maioria dos autótrofos terrestres obtém seu dióxido de carbono diretamente da atmosfera, enquanto os autótrofos marinhos o adquirem na forma dissolvida (ácido carbônico, H2CO3 -). Independentemente de como o dióxido de carbono é adquirido, um subproduto do processo é o oxigênio. Os organismos fotossintéticos são responsáveis ​​por depositar aproximadamente 21% do conteúdo de oxigênio da atmosfera que observamos hoje.

Heterótrofos e autótrofos são parceiros na troca biológica de carbono (especialmente os consumidores primários, principalmente herbívoros). Os heterótrofos adquirem os compostos de carbono de alta energia dos autótrofos ao consumi-los e quebrá-los pela respiração para obter energia celular, como o ATP. O tipo mais eficiente de respiração, a respiração aeróbica, requer oxigênio obtido da atmosfera ou dissolvido na água. Assim, há uma troca constante de oxigênio e dióxido de carbono entre os autótrofos (que precisam do carbono) e os heterótrofos (que precisam do oxigênio). A troca de gases através da atmosfera e da água é uma maneira pela qual o ciclo do carbono conecta todos os organismos vivos na Terra.

O ciclo biogeoquímico do carbono

O movimento do carbono através da terra, da água e do ar é complexo e, em muitos casos, ocorre muito mais lentamente geologicamente do que visto entre organismos vivos. O carbono é armazenado por longos períodos no que são conhecidos como reservatórios de carbono, que incluem a atmosfera, corpos de água líquida (principalmente oceanos), sedimentos oceânicos, solo, sedimentos terrestres (incluindo combustíveis fósseis) e o interior da Terra.

Como afirmado, a atmosfera é um importante reservatório de carbono na forma de dióxido de carbono e é essencial para o processo de fotossíntese. O nível de dióxido de carbono na atmosfera é muito influenciado pelo reservatório de carbono nos oceanos. A troca de carbono entre a atmosfera e os reservatórios de água influencia a quantidade de carbono encontrada em cada local, e cada um afeta o outro reciprocamente. Dióxido de carbono (CO2) da atmosfera se dissolve em água e se combina com moléculas de água para formar ácido carbônico e, em seguida, ioniza-se em íons carbonato e bicarbonato (Figura 46.16)

Os coeficientes de equilíbrio são tais que mais de 90 por cento do carbono no oceano é encontrado como íons de bicarbonato. Alguns desses íons se combinam com o cálcio da água do mar para formar carbonato de cálcio (CaCO3), um dos principais componentes das conchas de organismos marinhos. Esses organismos eventualmente formam sedimentos no fundo do oceano. Ao longo do tempo geológico, o carbonato de cálcio forma calcário, que constitui o maior reservatório de carbono da Terra.

Em terra, o carbono é armazenado no solo como resultado da decomposição de organismos vivos (por decompositores) ou do intemperismo de rochas terrestres e minerais. Esse carbono pode ser lixiviado para os reservatórios de água pelo escoamento superficial. Mais profundamente no subsolo, na terra e no mar, estão os combustíveis fósseis: os restos de plantas decompostos anaerobicamente que levam milhões de anos para se formar. Os combustíveis fósseis são considerados um recurso não renovável porque seu uso excede em muito sua taxa de formação. Um recurso não renovável, como o combustível fóssil, é regenerado muito lentamente ou não é regenerado. Outra forma de o carbono entrar na atmosfera é a partir da terra (incluindo a terra abaixo da superfície do oceano) pela erupção de vulcões e outros sistemas geotérmicos. Os sedimentos de carbono do fundo do oceano são levados para as profundezas da Terra pelo processo de subducção: o movimento de uma placa tectônica sob a outra. O carbono é liberado como dióxido de carbono quando um vulcão entra em erupção ou de fontes hidrotermais vulcânicas.

Os seres humanos contribuem para o carbono atmosférico pela queima de combustíveis fósseis e outros materiais. Desde a Revolução Industrial, os humanos aumentaram significativamente a liberação de carbono e compostos de carbono, o que, por sua vez, afetou o clima e o meio ambiente em geral.

A criação de animais por humanos também aumenta o carbono atmosférico. O grande número de animais terrestres criados para alimentar a crescente população da Terra resulta no aumento dos níveis de dióxido de carbono na atmosfera devido às práticas agrícolas, respiração e produção de metano. Este é outro exemplo de como a atividade humana afeta indiretamente os ciclos biogeoquímicos de maneira significativa. Embora grande parte do debate sobre os efeitos futuros do aumento do carbono atmosférico nas mudanças climáticas se concentre nos combustíveis fósseis, os cientistas levam em consideração os processos naturais, como vulcões e respiração, ao modelar e prever o impacto futuro desse aumento.

O Ciclo do Nitrogênio

Colocar nitrogênio no mundo dos vivos é difícil. As plantas e o fitoplâncton não estão equipados para incorporar nitrogênio da atmosfera (que existe como N triplamente covalente fortemente ligado2), embora esta molécula constitua aproximadamente 78 por cento da atmosfera. O nitrogênio entra no mundo vivo por meio de bactérias de vida livre e simbióticas, que incorporam nitrogênio em suas macromoléculas por meio da fixação de nitrogênio (conversão de N2) As cianobactérias vivem na maioria dos ecossistemas aquáticos onde a luz solar está presente e desempenham um papel fundamental na fixação de nitrogênio. As cianobactérias são capazes de usar fontes inorgânicas de nitrogênio para “fixar” o nitrogênio. Rhizobium as bactérias vivem simbioticamente nos nódulos das raízes das leguminosas (como ervilhas, feijões e amendoins) e fornecem-lhes o nitrogênio orgânico de que precisam. (Por exemplo, os jardineiros costumam cultivar ervilhas para produzir e para adicionar nitrogênio ao solo naturalmente. Essa prática remonta aos tempos antigos, mesmo que a ciência só tenha sido compreendida recentemente.) Bactérias de vida livre, como Azotobacter, também são fixadores de nitrogênio importantes.

O nitrogênio orgânico é especialmente importante para o estudo da dinâmica do ecossistema, uma vez que muitos processos do ecossistema, como produção primária e decomposição, são limitados pelo suprimento disponível de nitrogênio. Conforme mostrado na Figura 46.17, o nitrogênio que entra nos sistemas vivos pela fixação de nitrogênio é sucessivamente convertido de nitrogênio orgânico de volta a gás nitrogênio pelas bactérias. Esse processo ocorre em três etapas nos sistemas terrestres: amonificação, nitrificação e desnitrificação. Primeiro, o processo de amonificação converte resíduos nitrogenados de animais vivos ou dos restos de animais mortos em amônio (NH4 +) por certas bactérias e fungos. Em segundo lugar, o amônio é convertido em nitritos (NO2 -) por bactérias nitrificantes, como Nitrosomonas, por meio da nitrificação. Posteriormente, os nitritos são convertidos em nitratos (NO3 -) por organismos semelhantes. Terceiro, ocorre o processo de desnitrificação, por meio do qual bactérias, como Pseudomonas e Clostridium, converte os nitratos em gás nitrogênio, permitindo que ele entre novamente na atmosfera.

Conexão Visual

Qual das seguintes afirmações sobre o ciclo do nitrogênio é falsa?

  1. A amonificação converte matéria nitrogenada orgânica de organismos vivos em amônio (NH4 + ).
  2. A desnitrificação por bactérias converte nitratos (NO3 -) para gás nitrogênio (N2).
  3. A nitrificação por bactérias converte nitratos (NO3 -) para nitritos (NO2 − ).
  4. Bactérias fixadoras de nitrogênio convertem gás nitrogênio (N2) em compostos orgânicos.

A atividade humana pode liberar nitrogênio no meio ambiente por dois meios principais: a combustão de combustíveis fósseis, que libera diferentes óxidos de nitrogênio, e pelo uso de fertilizantes artificiais na agricultura, que são então levados para lagos, riachos e rios pelo escoamento superficial. O nitrogênio atmosférico está associado a vários efeitos nos ecossistemas da Terra, incluindo a produção de chuva ácida (como ácido nítrico, HNO3) e gás de efeito estufa (como óxido nitroso, N2O) potencialmente causando mudanças climáticas. Um dos principais efeitos do escoamento de fertilizantes é a eutrofização de água salgada e água doce, um processo pelo qual o escoamento de nutrientes causa o crescimento excessivo de microorganismos, esgotando os níveis de oxigênio dissolvido e matando a fauna do ecossistema.

Um processo semelhante ocorre no ciclo do nitrogênio marinho, onde os processos de amonificação, nitrificação e desnitrificação são realizados por bactérias marinhas. Parte desse nitrogênio cai no fundo do oceano como sedimento, que pode então ser movido para a terra em tempo geológico pela elevação da superfície da Terra e, assim, incorporado à rocha terrestre. Embora o movimento do nitrogênio da rocha diretamente para os sistemas vivos tenha sido tradicionalmente visto como insignificante em comparação com o nitrogênio fixado da atmosfera, um estudo recente mostrou que esse processo pode de fato ser significativo e deve ser incluído em qualquer estudo do ciclo global do nitrogênio. 3

O Ciclo do Fósforo

O fósforo é um nutriente essencial para os processos vivos, é um componente importante do ácido nucléico e dos fosfolipídios e, como o fosfato de cálcio, constitui os componentes de suporte dos nossos ossos. O fósforo é frequentemente o nutriente limitante (necessário para o crescimento) em ecossistemas aquáticos (Figura 46.18).

O fósforo ocorre na natureza como o íon fosfato (PO4 3−). Além do escoamento de fosfato como resultado da atividade humana, o escoamento de superfície natural ocorre quando ele é lixiviado de rocha contendo fosfato por intemperismo, enviando fosfatos para rios, lagos e oceano. Esta rocha tem origem no oceano. Os sedimentos oceânicos contendo fosfato são formados principalmente a partir dos corpos dos organismos oceânicos e de suas excreções. No entanto, em regiões remotas, cinzas vulcânicas, aerossóis e poeira mineral também podem ser fontes significativas de fosfato. Este sedimento é então movido para a terra ao longo do tempo geológico pela elevação de áreas da superfície da Terra.

O fósforo também é trocado reciprocamente entre o fosfato dissolvido no oceano e os ecossistemas marinhos. O movimento do fosfato do oceano para a terra e através do solo é extremamente lento, com o íon fosfato médio tendo um tempo de residência oceânico entre 20.000 e 100.000 anos.

Conforme discutido no Capítulo 44, o excesso de fósforo e nitrogênio que entra nesses ecossistemas do escoamento de fertilizantes e do esgoto causa o crescimento excessivo de microorganismos e esgota o oxigênio dissolvido, o que leva à morte de muitos ecossistemas da fauna, como crustáceos e peixes finos. Esse processo é responsável por zonas mortas em lagos e na foz de muitos rios importantes (Figura 46.19).

Conforme discutido anteriormente, uma zona morta é uma área dentro de um ecossistema de água doce ou marinho onde grandes áreas estão esgotadas de sua flora e fauna normais, essas zonas podem ser causadas por eutrofização, derramamento de óleo, despejo de produtos químicos tóxicos e outras atividades humanas. O número de zonas mortas vem aumentando há vários anos, e mais de 400 dessas zonas estavam presentes em 2008. Uma das piores zonas mortas está na costa dos Estados Unidos, no Golfo do México, onde o escoamento de fertilizantes do A bacia do rio Mississippi criou uma zona morta de mais de 8.463 milhas quadradas. O escoamento de fosfato e nitrato de fertilizantes também afeta negativamente vários ecossistemas de lagos e baías, incluindo a Baía de Chesapeake, no leste dos Estados Unidos.

Conexão do dia a dia

Baía de Chesapeake

A Baía de Chesapeake há muito é avaliada como uma das áreas mais belas do planeta, agora está em perigo e é reconhecida como um ecossistema em declínio. Na década de 1970, a Baía de Chesapeake foi um dos primeiros ecossistemas a identificar zonas mortas, que continuam a matar muitos peixes e espécies de fundo, como mariscos, ostras e minhocas. Várias espécies diminuíram na Baía de Chesapeake devido ao escoamento superficial das águas contendo excesso de nutrientes de fertilizantes artificiais usados ​​na terra. A fonte dos fertilizantes (com alto teor de nitrogênio e fosfato) não se limita às práticas agrícolas. Existem muitas áreas urbanas próximas e mais de 150 rios e riachos desaguam na baía que transportam fertilizantes de gramados e jardins. Portanto, o declínio da Baía de Chesapeake é uma questão complexa e requer a cooperação da indústria, da agricultura e dos proprietários comuns.

De particular interesse para os conservacionistas é a população de ostras - estima-se que mais de 200.000 acres de recifes de ostras existiam na baía em 1700, mas esse número agora diminuiu para apenas 36.000 acres. A colheita de ostras já foi uma grande indústria para a Baía de Chesapeake, mas caiu 88% entre 1982 e 2007. Esse declínio foi devido não apenas ao escoamento de fertilizantes e zonas mortas, mas também à colheita excessiva. As ostras requerem uma certa densidade populacional mínima porque devem estar muito próximas para se reproduzir. A atividade humana alterou a população e as localizações das ostras, perturbando enormemente o ecossistema.

A restauração da população de ostras na Baía de Chesapeake está em andamento há vários anos com sucesso misto. Muitas pessoas não apenas consideram as ostras boas para comer, mas também limpam a baía. As ostras são filtrantes e, à medida que comem, limpam a água à sua volta. No século XVIII, estimou-se que levava apenas alguns dias para a população de ostras filtrar todo o volume da baía. Hoje, com as mudanças nas condições da água, estima-se que a população atual levaria quase um ano para fazer o mesmo trabalho.

Os esforços de restauração vêm ocorrendo há vários anos por organizações sem fins lucrativos, como a Chesapeake Bay Foundation. O objetivo da restauração é encontrar uma maneira de aumentar a densidade populacional para que as ostras possam se reproduzir com mais eficiência. Muitas variedades resistentes a doenças (desenvolvidas no Virginia Institute of Marine Science para o College of William and Mary) estão agora disponíveis e têm sido usadas na construção de recifes de ostras experimentais. Os esforços para limpar e restaurar a baía da Virgínia e Delaware foram prejudicados porque grande parte da poluição que entra na baía vem de outros estados, o que enfatiza a necessidade de cooperação interestadual para obter uma restauração bem-sucedida.

As novas e vigorosas variedades de ostras também geraram uma nova indústria economicamente viável - a aquicultura de ostras - que não apenas fornece ostras para alimentação e lucro, mas também tem o benefício adicional de limpar a baía.

O Ciclo do Enxofre

O enxofre é um elemento essencial para as macromoléculas dos seres vivos. Como parte do aminoácido cisteína, está envolvida na formação de ligações dissulfeto dentro das proteínas, que ajudam a determinar seus padrões de dobramento 3-D e, portanto, suas funções. Conforme mostrado na Figura 46.21, o enxofre circula entre os oceanos, a terra e a atmosfera. O enxofre atmosférico é encontrado na forma de dióxido de enxofre (SO2) e entra na atmosfera de três maneiras: a partir da decomposição de moléculas orgânicas, da atividade vulcânica e fontes geotérmicas e da queima de combustíveis fósseis pelo homem.

Em terra, o enxofre é depositado de quatro maneiras principais: precipitação, precipitação direta da atmosfera, intemperismo das rochas e fontes geotérmicas (Figura 46.21). O enxofre atmosférico é encontrado na forma de dióxido de enxofre (SO2), e conforme a chuva cai na atmosfera, o enxofre é dissolvido na forma de ácido sulfuroso fraco (H2TÃO3) O enxofre também pode cair diretamente da atmosfera em um processo chamado precipitação radioativa. Além disso, o desgaste de rochas contendo enxofre libera enxofre no solo. Essas rochas se originam de sedimentos oceânicos que são movidos para a terra pela elevação geológica dos sedimentos oceânicos. Os ecossistemas terrestres podem então fazer uso desses sulfatos de solo (SO 4 - SO 4 -) e, com a morte e decomposição desses organismos, liberar o enxofre de volta para a atmosfera como sulfeto de hidrogênio (H2S) gás.

O enxofre entra no oceano através do escoamento da terra, da precipitação atmosférica e de fontes geotérmicas subaquáticas. Alguns ecossistemas (Figura 46.9) dependem de quimioautotróficos usando enxofre como fonte de energia biológica. Esse enxofre, então, sustenta os ecossistemas marinhos na forma de sulfatos.

As atividades humanas têm desempenhado um papel importante na alteração do equilíbrio do ciclo global do enxofre. A queima de grandes quantidades de combustíveis fósseis, especialmente do carvão, libera grandes quantidades de gás sulfureto de hidrogênio na atmosfera. A chuva ácida é causada pela queda da água da chuva no solo por meio desse gás dióxido de enxofre, transformando-o em ácido sulfúrico fraco. A chuva ácida danifica o meio ambiente natural ao baixar o pH dos lagos, o que mata grande parte da fauna residente e também afeta o meio ambiente feito pelo homem por meio da degradação química dos edifícios. Por exemplo, muitos monumentos de mármore, como o Lincoln Memorial em Washington, DC, sofreram danos significativos com a chuva ácida ao longo dos anos.


DMCA Complaint

Se você acredita que o conteúdo disponível por meio do Site (conforme definido em nossos Termos de Serviço) viola um ou mais de seus direitos autorais, notifique-nos fornecendo um aviso por escrito ("Aviso de violação") contendo as informações descritas abaixo para o designado agente listado abaixo. Se Varsity Tutors tomar medidas em resposta a um Aviso de Infração, ele fará uma tentativa de boa fé para entrar em contato com a parte que disponibilizou tal conteúdo por meio do endereço de e-mail mais recente, se houver, fornecido por tal parte aos Tutores do Varsity.

Seu Aviso de violação pode ser encaminhado para a parte que disponibilizou o conteúdo ou para terceiros, como ChillingEffects.org.

Informamos que você será responsabilizado por danos (incluindo custos e honorários advocatícios) caso expresse indevidamente que um produto ou atividade está infringindo seus direitos autorais. Portanto, se você não tiver certeza de que o conteúdo localizado ou vinculado ao site viola seus direitos autorais, você deve primeiro entrar em contato com um advogado.

Siga estas etapas para registrar um aviso:

Você deve incluir o seguinte:

Uma assinatura física ou eletrônica do proprietário dos direitos autorais ou de uma pessoa autorizada a agir em seu nome Uma identificação dos direitos autorais alegados como tendo sido violados Uma descrição da natureza e localização exata do conteúdo que você alega violar seus direitos autorais, em suficiente detalhes para permitir que os tutores do time do colégio encontrem e identifiquem positivamente esse conteúdo, por exemplo, exigimos um link para a questão específica (não apenas o nome da questão) que contém o conteúdo e uma descrição de qual parte específica da questão - uma imagem, um link, o texto, etc - sua reclamação refere-se ao seu nome, endereço, número de telefone e endereço de e-mail e uma declaração sua: (a) que você acredita de boa fé que o uso do conteúdo que você alega infringir seus direitos autorais é não autorizado por lei, ou pelo proprietário dos direitos autorais ou agente do proprietário (b) que todas as informações contidas em seu Aviso de violação são precisas e (c) sob pena de perjúrio, que você é o proprietário dos direitos autorais ou uma pessoa autorizada a agir em seu nome.

Envie sua reclamação para o nosso agente designado em:

Charles Cohn Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suíte 300
St. Louis, MO 63105


O Ciclo Rápido do Carbono

O tempo que o carbono leva para se mover através do ciclo rápido do carbono é medido em uma vida. O ciclo rápido do carbono é em grande parte o movimento do carbono através das formas de vida na Terra ou na biosfera. Entre 10 15 e 10 17 gramas (1.000 a 100.000 milhões de toneladas métricas) de carbono passam pelo ciclo rápido do carbono a cada ano.

O carbono desempenha um papel essencial na biologia devido à sua capacidade de formar muitas ligações - até quatro por átomo - em uma variedade aparentemente infinita de moléculas orgânicas complexas. Muitas moléculas orgânicas contêm átomos de carbono que formaram fortes ligações com outros átomos de carbono, combinando-se em longas cadeias e anéis. Essas cadeias de carbono e anéis são a base das células vivas. Por exemplo, o DNA é feito de duas moléculas entrelaçadas construídas em torno de uma cadeia de carbono.

As ligações nas longas cadeias de carbono contêm muita energia. Quando as cadeias se separam, a energia armazenada é liberada. Essa energia torna as moléculas de carbono uma excelente fonte de combustível para todos os seres vivos.

Durante a fotossíntese, as plantas absorvem dióxido de carbono e luz solar para criar combustível e glicose e outros açúcares para a construção de estruturas de plantas. Este processo forma a base do ciclo rápido (biológico) do carbono. (Ilustração adaptada de P.J. Sellers et al., 1992.)

As plantas e o fitoplâncton são os principais componentes do ciclo rápido do carbono. O fitoplâncton (organismos microscópicos no oceano) e as plantas retiram o dióxido de carbono da atmosfera ao absorvê-lo em suas células. Usando a energia do Sol, as plantas e o plâncton combinam dióxido de carbono (CO2) e água para formar açúcar (CH2O) e oxigênio. A reação química é parecida com esta:

Quatro coisas podem acontecer para mover o carbono de uma planta e devolvê-lo à atmosfera, mas todas envolvem a mesma reação química. As plantas quebram o açúcar para obter a energia de que precisam para crescer. Animais (incluindo pessoas) comem as plantas ou plâncton e quebram o açúcar da planta para obter energia. As plantas e o plâncton morrem e se decompõem (são comidos pelas bactérias) no final da estação de crescimento. Ou o fogo consome plantas. Em cada caso, o oxigênio se combina com o açúcar para liberar água, dióxido de carbono e energia. A reação química básica é assim:

Em todos os quatro processos, o dióxido de carbono liberado na reação geralmente acaba na atmosfera. O ciclo rápido do carbono está tão intimamente ligado à vida das plantas que a estação de crescimento pode ser vista pela forma como o dióxido de carbono flutua na atmosfera. No inverno do hemisfério norte, quando poucas plantas terrestres estão crescendo e muitas estão em decomposição, as concentrações de dióxido de carbono na atmosfera aumentam. Durante a primavera, quando as plantas começam a crescer novamente, as concentrações caem. É como se a Terra estivesse respirando.

A vazante e o fluxo do ciclo rápido do carbono são visíveis na mudança das estações. Como as grandes massas de terra do Hemisfério Norte são verdes na primavera e no verão, elas retiram carbono da atmosfera. Este gráfico mostra a diferença nos níveis de dióxido de carbono em relação ao mês anterior, com a tendência de longo prazo removida.

Este ciclo atinge o pico em agosto, com cerca de 2 partes por milhão de dióxido de carbono retirado da atmosfera. No outono e inverno, conforme a vegetação morre no hemisfério norte, a decomposição e a respiração devolvem o dióxido de carbono à atmosfera.

Esses mapas mostram a produtividade primária líquida (a quantidade de carbono consumido pelas plantas) na terra (verde) e nos oceanos (azul) durante agosto e dezembro de 2010. Em agosto, as áreas verdes da América do Norte, Europa e Ásia representam as plantas usando carbono da atmosfera para crescer. Em dezembro, a produtividade primária líquida em altas latitudes é negativa, o que compensa o aumento sazonal da vegetação no hemisfério sul. Como resultado, a quantidade de dióxido de carbono na atmosfera aumenta.

(Gráfico de Marit Jentoft-Nilsen e Robert Simmon, usando dados do NOAA Earth System Research Laboratory. Mapas de Robert Simmon e Reto St & oumlckli, usando dados MODIS.)


46.3C: O Ciclo do Carbono - Biologia

Por meio de uma série de reações químicas e atividade tectônica, o carbono leva entre 100-200 milhões de anos para se mover entre as rochas, o solo, o oceano e a atmosfera no lento ciclo do carbono. Em média, 10 13 a 10 14 gramas (10 & ndash100 milhões de toneladas métricas) de carbono passam pelo lento ciclo do carbono a cada ano. Em comparação, as emissões humanas de carbono para a atmosfera são da ordem de 10 15 gramas, enquanto o ciclo rápido do carbono movimenta 10 16 a 10 17 gramas de carbono por ano.

O movimento do carbono da atmosfera para a litosfera (rochas) começa com a chuva. O carbono atmosférico se combina com a água para formar um ácido fraco & ácido mdashcarbônico que cai à superfície na chuva. O ácido dissolve as rochas e um processo mdasha denominado intemperismo químico e libera íons de cálcio, magnésio, potássio ou sódio. Os rios carregam os íons para o oceano.

Os rios carregam íons de cálcio & mdash o resultado do intemperismo químico das rochas & mdash no oceano, onde eles reagem com o carbonato dissolvido na água. O produto dessa reação, o carbonato de cálcio, é então depositado no fundo do oceano, onde se torna calcário. (Fotografia e cópia de 2009 de Greg Carley.)

No oceano, os íons de cálcio combinam-se com os íons de bicarbonato para formar o carbonato de cálcio, o ingrediente ativo dos antiácidos e a substância branca que seca na torneira se você mora em uma área com água dura. No oceano moderno, a maior parte do carbonato de cálcio é feita por organismos construtores de conchas (calcificadores) (como corais) e plâncton (como coccolitóforos e foraminíferos). Depois que os organismos morrem, eles afundam no fundo do mar. Com o tempo, camadas de conchas e sedimentos são cimentadas e se transformam em rocha, armazenando o carbono em pedra e calcário e seus derivados.

O calcário, ou seu primo metamórfico, o mármore, é uma rocha feita principalmente de carbonato de cálcio. Esses tipos de rocha costumam ser formados a partir de corpos de plantas e animais marinhos, e suas conchas e esqueletos podem ser preservados como fósseis. O carbono retido no calcário pode ser armazenado por milhões e até centenas de milhões de anos. (Fotografia e cópia de 2008 Rookuzz (Hmm).)

Atualmente, apenas 80% das rochas contendo carbono são feitas dessa maneira. Os 20% restantes contêm carbono de seres vivos (carbono orgânico) que foram incorporados em camadas de lama. O calor e a pressão comprimem a lama e o carbono ao longo de milhões de anos, formando rochas sedimentares como o xisto. Em casos especiais, quando a matéria vegetal morta se acumula mais rápido do que pode se decompor, as camadas de carbono orgânico tornam-se óleo, carvão ou gás natural em vez de rocha sedimentar como o xisto.

Essa camada de carvão na Escócia era originalmente uma camada de sedimentos, rica em carbono orgânico. A camada sedimentar acabou sendo enterrada profundamente, e o calor e a pressão a transformaram em carvão. Coal and other fossil fuels are a convenient source of energy, but when they are burned, the stored carbon is released into the atmosphere. This alters the balance of the carbon cycle, and is changing Earth&rsquos climate. (Photograph ©2010 Sandchem.)

The slow cycle returns carbon to the atmosphere through volcanoes. Earth&rsquos land and ocean surfaces sit on several moving crustal plates. When the plates collide, one sinks beneath the other, and the rock it carries melts under the extreme heat and pressure. The heated rock recombines into silicate minerals, releasing carbon dioxide.

When volcanoes erupt, they vent the gas to the atmosphere and cover the land with fresh silicate rock to begin the cycle again. At present, volcanoes emit between 130 and 380 million metric tons of carbon dioxide per year. For comparison, humans emit about 30 billion tons of carbon dioxide per year&mdash100&ndash300 times more than volcanoes&mdashby burning fossil fuels.

Chemistry regulates this dance between ocean, land, and atmosphere. If carbon dioxide rises in the atmosphere because of an increase in volcanic activity, for example, temperatures rise, leading to more rain, which dissolves more rock, creating more ions that will eventually deposit more carbon on the ocean floor. It takes a few hundred thousand years to rebalance the slow carbon cycle through chemical weathering.

Carbon stored in rocks is naturally returned to the atmosphere by volcanoes. In this photograph, Russia&rsquos Kizimen Volcano vents ash and volcanic gases in January 2011. Kizimen is located on the Kamchatka Peninsula, where the Pacific Plate is subducting beneath Asia. (Photograph ©2011 Artyom Bezotechestvo/Photo Kamchatka.)

However, the slow carbon cycle also contains a slightly faster component: the ocean. At the surface, where air meets water, carbon dioxide gas dissolves in and ventilates out of the ocean in a steady exchange with the atmosphere. Once in the ocean, carbon dioxide gas reacts with water molecules to release hydrogen, making the ocean more acidic. The hydrogen reacts with carbonate from rock weathering to produce bicarbonate ions.

Before the industrial age, the ocean vented carbon dioxide to the atmosphere in balance with the carbon the ocean received during rock weathering. However, since carbon concentrations in the atmosphere have increased, the ocean now takes more carbon from the atmosphere than it releases. Over millennia, the ocean will absorb up to 85 percent of the extra carbon people have put into the atmosphere by burning fossil fuels, but the process is slow because it is tied to the movement of water from the ocean&rsquos surface to its depths.

In the meantime, winds, currents, and temperature control the rate at which the ocean takes carbon dioxide from the atmosphere. (See The Ocean&rsquos Carbon Balance on the Earth Observatory.) It is likely that changes in ocean temperatures and currents helped remove carbon from and then restore carbon to the atmosphere over the few thousand years in which the ice ages began and ended.


The Carbon Cycle

The carbon cycle describes how carbon transfers between different reservoirs located on Earth. This cycle is important for maintaining a stable climate and carbon balance on Earth.

Biology, Conservation, Earth Science

Quinault River Rainforest

Full of living entities, and the formerly living, the temperate rainforest at the Quinault River in Olympic Peninsula, Washington, and places like it are rich reservoirs of carbon.

Carbon is an essential element for all life forms on Earth. Whether these life forms take in carbon to help manufacture food or release carbon as part of respiration, the intake and output of carbon is a component of all plant and animal life.

Carbon is in a constant state of movement from place to place. It is stored in what are known as reservoirs, and it moves between these reservoirs through a variety of processes, including photosynthesis, burning fossil fuels, and simply releasing breath from the lungs. The movement of carbon from reservoir to reservoir is known as the carbon cycle.

Carbon can be stored in a variety of reservoirs, including plants and animals, which is why they are considered carbon life forms. Carbon is used by plants to build leaves and stems, which are then digested by animals and used for cellular growth. In the atmosphere, carbon is stored in the form of gases, such as carbon dioxide. It is also stored in oceans, captured by many types of marine organisms. Some organisms, such as clams or coral, use the carbon to form shells and skeletons. Most of the carbon on the planet is contained within rocks, minerals, and other sediment buried beneath the surface of the planet.

Because Earth is a closed system, the amount of carbon on the planet never changes. However, the amount of carbon in a specific reservoir can change over time as carbon moves from one reservoir to another. For example, some carbon in the atmosphere might be captured by plants to make food during photosynthesis. This carbon can then be ingested and stored in animals that eat the plants. When the animals die, they decompose, and their remains become sediment, trapping the stored carbon in layers that eventually turn into rock or minerals. Some of this sediment might form fossil fuels, such as coal, oil, or natural gas, which release carbon back into the atmosphere when the fuel is burned.

The carbon cycle is vital to life on Earth. Nature tends to keep carbon levels balanced, meaning that the amount of carbon naturally released from reservoirs is equal to the amount that is naturally absorbed by reservoirs. Maintaining this carbon balance allows the planet to remain hospitable for life. Scientists believe that humans have upset this balance by burning fossil fuels, which has added more carbon to the atmosphere than usual and led to climate change and global warming.

Full of living entities, and the formerly living, the temperate rainforest at the Quinault River in Olympic Peninsula, Washington, and places like it are rich reservoirs of carbon.


The ocean and carbon

The ocean plays an important part in the carbon cycle. Overall, the ocean is called a carbon ‘sink’ because it takes up more carbon from the atmosphere than it gives up.

Carbon dioxide from the atmosphere dissolves in the surface waters of the ocean. Some of the carbon dioxide stays as dissolved gas, but much of it gets turned into other things. Photosynthesis by tiny marine plants (phytoplankton) in the sunlit surface waters turns the carbon into organic matter. Many organisms use carbon to make calcium carbonate, a building material of shells and skeletons. Other chemical processes create calcium carbonate in the water. The using up of carbon by biological and chemical processes allows more carbon dioxide to enter the water from the atmosphere.


CAREER CONNECTION

Baía de Chesapeake

Figure 7: This (a) satellite image shows the Chesapeake Bay, an ecosystem affected by phosphate and nitrate runoff. A (b) member of the Army Corps of Engineers holds a clump of oysters being used as a part of the oyster restoration effort in the bay. (credit a: modification of work by NASA/MODIS credit b: modification of work by U.S. Army)

The Chesapeake Bay (Figure 7a) is one of the most scenic areas on Earth it is now in distress and is recognized as a case study of a declining ecosystem. In the 1970s, the Chesapeake Bay was one of the first aquatic ecosystems to have identified dead zones, which continue to kill many fish and bottom-dwelling species such as clams, oysters, and worms. Several species have declined in the Chesapeake Bay because surface water runoff contains excess nutrients from artificial fertilizer use on land. A fonte dos fertilizantes (com alto teor de nitrogênio e fosfato) não se limita às práticas agrícolas. Existem muitas áreas urbanas próximas e mais de 150 rios e riachos desaguam na baía que transportam fertilizantes de gramados e jardins. Thus, the decline of the Chesapeake Bay is a complex issue and requires the cooperation of industry, agriculture, and individual homeowners.

Of particular interest to conservationists is the oyster population (Figure 7b) it is estimated that more than 200,000 acres of oyster reefs existed in the bay in the 1700s, but that number has now declined to only 36,000 acres. Oyster harvesting was once a major industry for Chesapeake Bay, but it declined 88 percent between 1982 and 2007. This decline was caused not only by fertilizer runoff and dead zones, but also because of overharvesting. As ostras requerem uma certa densidade populacional mínima porque devem estar muito próximas para se reproduzir. Human activity has altered the oyster population and locations, thus greatly disrupting the ecosystem.

A restauração da população de ostras na Baía de Chesapeake está em andamento há vários anos com sucesso misto. Not only do many people find oysters good to eat, but the oysters also clean up the bay. They are filter feeders, and as they eat, they clean the water around them. Filter feeders eat by pumping a continuous stream of water over finely divided appendages (gills in the case of oysters) and capturing prokaryotes, plankton, and fine organic particles in their mucus. No século XVIII, estimou-se que levava apenas alguns dias para a população de ostras filtrar todo o volume da baía. Today, with the changed water conditions, it is estimated that the present population would take nearly a year to do the same job.

Restoration efforts have been ongoing for several years by non-profit organizations such as the Chesapeake Bay Foundation. O objetivo da restauração é encontrar uma maneira de aumentar a densidade populacional para que as ostras possam se reproduzir com mais eficiência. Muitas variedades resistentes a doenças (desenvolvidas no Virginia Institute of Marine Science para o College of William and Mary) estão agora disponíveis e têm sido usadas na construção de recifes de ostras experimentais. Efforts by Virginia and Delaware to clean and restore the bay have been hampered because much of the pollution entering the bay comes from other states, which emphasizes the need for interstate cooperation to gain successful restoration.

As novas e vigorosas variedades de ostras também geraram uma nova indústria economicamente viável - a aquicultura de ostras - que não apenas fornece ostras para alimentação e lucro, mas também tem o benefício adicional de limpar a baía.


The Carbon Cycle

After completing this section, you should be able to discuss Earth's carbon cycle, including the primary reservoirs and anthropogenic transfer mechanisms. You need not remember specific transfer rates or reservoir "sizes", but you should be able to identify the largest reservoirs and transfer mechanisms, as well as describe the consequences of the unbalanced, anthropogenic portions of the carbon cycle.

Concentrations of atmospheric carbon dioxide are increasing, largely because of the burning of fossil fuels. But, are trends in atmospheric carbon dioxide concentrations that straightforward? If you refer to the data from the Mauna Loa Observatory, you can see that there's a clear increase since the late 1950s, but there's also a yearly cycle that's apparent (note the regular ups and downs in the red trace). Carbon dioxide concentrations vary throughout the year because of plant photosynthesis. During warmer months, when plants are more actively growing, the process of photosynthesis uses carbon dioxide, which removes it from the air. During colder months, with less plant growth, atmospheric carbon dioxide concentrations increase again because less is being consumed by photosynthesis.

So, not all carbon dioxide that human activities have added to the atmosphere stays in the atmosphere (and not all carbon dioxide in the atmosphere comes from anthropogenic sources). As it turns out, Earth has a carbon cycle, which contains several carbon "reservoirs" (places that retain carbon), and carbon continuously gets exchanged between the earth and the atmosphere. But, the carbon cycle deals with more than just anthropogenic emissions and plant growth.

For starters, the earth-atmosphere system has a "carbon budget" of sorts, which, ideally, would be approximately balanced (exchanges of carbon between the earth and atmosphere would be equal). Historically, we know that the cycle hasn't been perfectly balanced at all times, because concentrations of atmospheric carbon dioxide have varied (historical concentrations have ups and downs). Still, over the long haul, the "ups" have been offset by the "downs" because of the earth-atmosphere system always seeking to balance the cycle. But, since the dawn of the industrial age, that balance has changed.

The primary reservoirs of carbon dioxide are the oceans, the terrestrial surface (primarily in plants and soil), and geological reserves of fossil fuels. The atmosphere is a carbon reservoir, too, but as you can see from the schematic of the carbon cycle below, the atmosphere contains a tiny fraction of the carbon (in the form of carbon dioxide) compared to the oceans and geological reserves.

The oceans are, by far, the largest reservoir of carbon, followed by geological reserves of fossil fuels, the terrestrial surface (plans and soil), and the atmosphere. But, carbon moves naturally between the earth and atmosphere continuously. For example, volcanoes and other geologic activity emit carbon dioxide into the atmosphere. On the other hand, the weathering of some rocks results in chemical reactions with atmospheric carbon dioxide that removes it from the atmosphere. Plant photosynthesis also removes carbon dioxide from the atmosphere and returns it to the terrestrial surface. Note in the diagram above that the natural exchanges (marked by purple arrows) between the atmosphere, ocean, and terrestrial surface are balanced (emissions into the atmosphere are balanced by transfer back to the ocean and terrestrial surface).

Geological reserves were largely left out of the cycle until industrialization resulted in the large-scale recovery and burning of carbon-based fossil fuels, which creates carbon dioxide as a byproduct. The transfer of carbon dioxide into the atmosphere from the burning of fossil fuels is actually much smaller than that which naturally occurs from the ocean and terrestrial surface, but it's an unbalanced part of the cycle.

Deforestation also adds carbon dioxide to the atmosphere, because wood is roughly 50 percent carbon. So, when forests are cleared, much of that carbon eventually makes its way into the atmosphere. This process is exacerbated when deforestation occurs via burning. While the amount of carbon dioxide added to the atmosphere each year from deforestation is somewhat uncertain (that's why a range of 1 to 2 billion kilograms per year is shown in the diagram), deforestation on a global scale may be responsible for more than a quarter of anthropogenic emissions, and it's also an unbalanced part of the cycle. So, deforestation has some global climate impacts, too, in addition to the local ones we discussed previously.

The important thing to take away from this discussion is that the anthropogenic transfers of carbon dioxide to the atmosphere (via fossil fuels and deforestation) are unbalanced parts of the cycle. No mechanisms perfectly balance them and transfer equal amounts of carbon dioxide back into the oceans and terrestrial surface. So, while the anthropogenic additions of carbon dioxide to the atmosphere are small compared to natural ones (refer to the carbon cycle diagram above), since they're unbalanced, the anthropogenic contributions gradually add up over time, which is why carbon dioxide concentrations in the atmosphere have increased more than 40 percent since pre-industrial days, and more than 25 percent just since the late 1950s.

However, the earth-atmosphere system is very dynamic, and as the earth has warmed and atmospheric carbon dioxide has increased, the rate of natural processes that remove carbon dioxide from the atmosphere has also increased, which has had the overall effect of removing some anthropogenic carbon dioxide from the atmosphere. It turns out that roughly half of the carbon dioxide that humans have emitted into the atmosphere has been returned to the oceans and terrestrial surface by natural processes. In other words, nature is doing its very best to seek balance and offset the increasing carbon dioxide concentrations in the atmosphere from human activity. But, these natural removal processes haven't been able to keep up with the rate of anthropogenic emissions, and show no signs of being able to in the future. As long as more carbon dioxide is being emitted into the atmosphere than is being removed, atmospheric concentrations of carbon dioxide will continue to increase, just as your bank account balance grows if you deposit more money than you withdraw over a period of time.

Resumo

  • Carbon is stored in four main reservoirs -- oceans (the largest reservoir), geological reserves of fossil fuels, the terrestrial surface (plants and soil, mainly), and the atmosphere.
  • Natural processes result in a continuous exchange of carbon between the atmosphere, oceans, and terrestrial surface, which ideally is approximately balanced.
  • Fossil fuel use and deforestation represent unbalanced additions to atmospheric carbon dioxide. Only about half of anthropogenic carbon dioxide in the atmosphere has been removed and returned to oceans and terrestrial surface by natural processes.
  • As long as more carbon dioxide is being emitted into the atmosphere than is being removed, atmospheric concentrations of carbon dioxide will continue to increase.

The end result of the increase in atmospheric carbon dioxide (and other greenhouse gases) is a strengthening greenhouse effect that gradually warms the planet. But, the observed warming trend since the late 1800s has hardly been as smooth and consistent as the increase in greenhouse gas concentrations. Up next, we'll take a closer look at the how scientists take Earth's temperature, and dial in on the details of the observed warming trends.


46.3C: The Carbon Cycle - Biology

Carbon is the fourth most abundant element in the Universe, after hydrogen, helium, and oxygen. On Earth, carbon cycles through the land, ocean, atmosphere, and the Earth's interior in a major biogeochemical cycle (the circulation of chemical components through the biosphere from or to the lithosphere, atmosphere, and hydrosphere). The global carbon cycle can be divided into two categories: the geological, which operates over large time scales (millions of years), and the biological/physical, which operates at shorter time scales (days to thousands of years).

Photosynthesis traps carbon dioxide from the atmosphere to produce glucose and it stores energy. Glucose, of course, is used to make other organic molecules and is used as a source of energy in respiration.

In respiration and in the oxidative decomposition of plant materials, the carbon in organic molecules is converted to CO2. Only a very small percentage of the organic carbon is sequestered in sediments.

The biological carbon cycle is not only faster than the geological carbon cycle. The amount of carbon taken up by photosynthesis and released back to the atmosphere by respiration each year is 1,000 times greater than the amount of carbon that moves through the geological cycle on an annual basis.

The biological carbon cycle plays a role in the long-term, geological cycling of carbon. The presence of land vegetation enhances the weathering of soil, leading to the uptake of carbon dioxide from the atmosphere. In the oceans, some of the carbon taken up by phytoplankton is used to make shells of calcium carbonate that settle to the bottom after the organisms die to form sediments. Marine animals, such as corals, also use dissolved carbon dioxide in biomineralization.

During the daytime in the growing season, leaves absorb sunlight and take up carbon dioxide from the atmosphere. Plants, animals and soil microbes consume the carbon in organic matter and return carbon dioxide to the atmosphere.

When conditions are too cold or too dry, photosynthesis and respiration cease along with the movement of carbon between the atmosphere and the land surface.

The amounts of carbon that move from the atmosphere through photosynthesis, respiration, and back to the atmosphere are large and produce oscillations in atmospheric carbon dioxide concentrations.

Significant amounts of carbon are stored in the biomass of forests and in the soil. Terrestrial sources release the stored carbon when forests are cleared for agriculture. Organisms in the ocean consume and release large quantities of carbon dioxide but ocean biological carbon cycles are faster than terrestrial cycles. There is virtually no storage of carbon as as biomass. Photosynthetic plankton are consumed by zooplankton within days to weeks.

Carbon dioxide exchange in the oceans is controlled by sea surface temperatures, circulating currents, and by the biological processes of photosynthesis and respiration. Carbon dioxide solvation is temperature dependent. Cold ocean temperatures favor the uptake of carbon dioxide from the atmosphere while warm temperatures can cause the ocean surface to release carbon dioxide. Cold, downward moving currents such as those that occur over the North Atlantic absorb carbon dioxide and transfer it to the deep ocean. Upward moving currents such as those in the tropics bring carbon dioxide up from depth and release it to the atmosphere.


Assista o vídeo: Gdyby Picasso był mikrobiologiem (Novembro 2021).