Koloběh uhlíku

Uhlík se vyskytuje na Zemi téměř všude, v živé i neživé přírodě. Nejvíce je ho zastoupeno v minerálech, zejména tedy v uhličitanech, v schránkách mořských živočichů, kterými jsou tvořeny i současné kontinentální horniny, dále je vázán například v nerostném bohatství (ropa, zemní plyn…), ve formě CO₂ je zastoupen i v atmosféře.[1]

Mezi zemské rezervoáry uhlíku patří:[2]

• hydrosféra (rozpuštěný oxid uhličitý a organická hmota) – téměř 40 000 gigatun.
• sedimenty – uhličitany (uhličitan vápenatý, anglicky calcareous sediment obsahuje 80 000 000 gigatun),[3] látky s obsahem uhlíku, včetně fosilních paliv, která se odhadují na 746 gigatun.[4]
• atmosféra (CO₂) – okolo 800 gigatun
• biosféra (organická živá i neživá hmota) – okolo 1900 gigatun.

Uhlík existuje v atmosféře hlavně jako plyn oxid uhličitý. Přestože tvoří velmi malý podíl atmosféry (asi 0,04 %), je zásadní pro život na Zemi. K ostatním atmosférickým plynům, které obsahují uhlík, patří methan a antropogenní chlor-fluorované uhlovodíky.

Mezi nejvýznamnější toky uhlíku patří oboustranná výměna mezi biosférou (i v půdě) a atmosférou o velikosti zhruba 120 gigatun za rok. Dále vzájemná výměna mezi hydrosférou a atmosférou (100 gigatun za rok).^[zdroj?] Studie z roku 2022 ale ukázala, že cyklus je jinak velký (o 36 Gt za rok), než byly dřívější odhady a modely.[5]

Člověk uvolňuje již 10 Gt ročně (častěji se udává hmotnost vzniklého CO₂, ta je 3,67× větší).[6]

Uhlík se z atmosféry dostává pryč několika způsoby:

• Když svítí Slunce, autotrofní organismy (především rostliny) fotosyntetizují, přičemž pohlcují oxid uhličitý a mění ho na sacharidy a zároveň vylučují kyslík. Tento proces je nejrychlejší u lesů (či jiných biotopů), kde probíhá velmi rychlý růst nové biomasy (kterou představuje i mrtvé dřevo).

Množství rozpuštěného oxidu uhličitého v oceánu (rok 1990)

• Na mořské hladině se rozpouští atmosférický oxid uhličitý. Čím je voda chladnější, tím více CO₂ může pohltit. Tento jev je v přímé souvislosti s termohalinním výměníkem. Na mořském dně jej také váží bakterie.[7]
• Ve vyšších vrstvách oceánu fytoplankton (řasy, sinice) ukládají oxid uhličitý ve svých tkáních a schránkách. Schránky pak klesají ke dnu a zvětrávají. Zvětrávání těchto hornin způsobuje kyselina uhličitá. Při tomto procesu se uvolňují hydrogenuhličitany. Na dně se pak ukládají nánosy uhličitanů (např. vápenec).

Uhlík se do atmosféry dostává několika způsoby:

• Respirací živočichů a rostlin. Při této reakci se organické molekuly rozkládají na vodu a oxid uhličitý.
• Rozkládáním rostlinné a živočišné biomasy. Hlavní roli v tom mají houby a bakterie. Pokud je přítomen kyslík, mění organické látky na oxid uhličitý, pokud je prostředí anaerobní, mění organické látky na methan.
• Spalováním organického materiálu. Při spalování fosilních paliv (uhlí, ropa, zemní plyn) se rozpadají organické látky, které se po miliony let ukládaly v biosféře.
• Při sopečných erupcích se uvolňují plyny, které mimo jiné obsahují oxid uhličitý. Množství uhlíku, které takto vznikne, plně kompenzuje úbytek uhlíku při zvětrávání.

Rozlišují se dva typy uhlíkového cyklu: biologický a geochemický. Základní hnací silou biologického cyklu je fotosyntéza rostlin a dýchání živočichů. Jedna molekula v tímto cyklem projde za zhruba dvacet let. Geochemický cyklus je značně pomalejší a může funguje v závislosti na cyklu biologickém. Uhlíkový cyklus je složitým koloběhem, ve kterém se uhlík vyskytuje ve více formách, největší důležitost se však přikládá oxidu uhličitému. Uhlíkový cyklus je ovlivňován geochemickými procesy a také klimatem, člověk do něj významně zasahuje emisí právě oxidu uhličitého. Zhruba platí, že polovina člověkem vyprodukovaného CO₂ zůstává v atmosféře, druhá polovina skončí v oceánech a na pevnině. Zjistit podíl uhlíku v atmosféře je díky moderní technice snadné, avšak zatím nelze přesně určit jeho množství v půdě a oceánech. Největším problémem je však určit množství uhlíku v ekosystémech.[2]

Všechny živé organizmy v sobě vážou uhlík. Nejjednoduššími jsou bakterie, žijící na základě chemosyntézy, které získávají uhlík jednoduchými reakcemi anorganických látek. Zelené rostliny spotřebovávají CO₂ při fotosyntéze a přeměňují ho na kyslík, avšak stejně jako živočichové kyslík dýchají a přeměňují ho na oxid uhličitý. Po smrti živých organizmů dochází k rozkládání jejich těl, čímž vynikají uhlíkaté sloučeniny, ze kterých se později vytváří uhličitany, případně fosilní paliva. Stejně exkrecí organismů vzniká organický odpad, z něhož vznikají opět organické sloučeniny. Spalováním fosilních paliv poté vede ke zvýšení obsahu CO₂ v atmosféře. V atmosféře zůstává cca polovina CO₂, zbytek se dostává na pevninu a do oceánů, kde vytvářejí hydrogenuhličitany, uhličitany a CO₂ obsažené ve vodě (CO₂ je ve vodě rozpustné). Zvyšování podílu oxidu uhličitého v atmosféře se podílí na skleníkovém efektu, který zvyšuje teplotu vzduchu na Zemi, což znovu ovlivňuje živé organismy. Do uhlíkového cyklu je možné zahrnout potravní řetězec.