karbonkretsløpet – Store norske leksikon

Detalj fra Keeling-kurven. De sykliske årstidsvariasjonene i CO₂-konsentrasjonen skyldes vegetasjonssyklus og viser en topp i CO₂-konsentrasjon april og lavest i august. Når våren kommer gir fotosyntesen på land og i vann på den nordlige halvkulen netto opptak av CO₂ fra omgivelsene i perioden april til august. Om vinteren er det cellerespirasjon og antropogene CO₂-utslipp som dominerer og CO₂-konsnetrasjonen stiger. Konsentrasjonen av CO₂ i atmosfæren har økt fra ca. 277 ppm i førindustriell tid til globalt gjennomsnitt ca. 412 ppm i 2020. Keelingkurven er det viktigste og mest synlige beviset hva som skjer I den globale karbonsyklus og resultatet av den menneskelige aktiviteten. Datasett: Pieter Tans, NOAA/GML og Ralph Keeling.

Utsnitt fra Keelingkurven

Av HAa.

Lisens: CC BY SA 3.0

Karbonkretsløpet er omsetning og omdanning av organiske og uorganiske karbonforbindelser i biologiske, kjemiske og geologiske prosesser. Uorganisk karbon i form av karbondioksid (CO₂) er den viktigste komponenten i karbonkretsløpet.

Faktaboks

Også kjent som: globale karbonsyklus

Karbon er en nødvendig bestanddel av alt liv. Karbondioksid blir bundet gjennom fotosyntese med sollys som energikilde, i planter på land, samt makroalger, fytoplankton og blågrønnbakterier i vann. I noen nisjer uten oksygen er det fotosyntetiserende bakterier som lager organiske materiale.

Den biologiske delen

Den biologiske delen av karbonsyklus består av biologiske reduksjons-oksidasjonsreaksjoner med transport av elektroner i biologiske proteinstrømkretser.

CO₂ blir bundet av enzymet rubisko og redusert i Calvinsyklus med elektroner fra vann i oksygenproduserende fotosyntese. I denne prosessen med biologisk CO₂ -fanget blir CO₂ fjernet fra atmosfære og vann.

Alle livsprosessene trenger energi. og denne energien kommer fra oksidasjon av biomasse og mat. I celleåndingen skjer det trinnvise oksidasjoner med forflytning av elektroner. De organiske karbonmolekylene blir oksidert til karbondioksid som blir sendt tilbake til atmosfæren, mens elektronene til slutt reagerer med oksygen og på nytt danner vann.

Ikke alle de organiske karbonforbindelsene blir omsatt til energi. En del av dem blir brukt som grunnleggende bestanddeler i oppbygning av cellene i alle levende organismer: bakterier, sopp, planter, dyr og mennesker.

Forstyrrelser i karbonsyklus

Den naturlige globale karbonsyklus er betydelig forstyrret og påvirket av menneskelig aktivitet. Fossilt karbon i kull, olje og naturgass opprinnelig laget fra fotosyntese gjennom mange millioner år inneholder organiske karbonforbindelser og elektroner. Når man brenner opp fossile karbonreserver skjer det en oksidasjon, men ved høy temperatur, til forskjell fra biologisk oksidasjon. I høytemperaturoksidasjonen blir elektronene overført til oksygen i en rask prosess. Det blir dannet vann som straks fordamper grunnet den høye temperaturen og karbonforbindelsene blir oksidert til CO₂.

Keeling-kurven

Keeling-kurven var det første beviset på de gigantiske naturlige svingningene i CO₂-konsenetrasjon i atmosfæren som skyldes fotosyntese og cellerespirasjon, men også hvordan karbonsyklus blir påvirket av menneskelig aktivitet.

Kurven viser konsentrasjon av CO₂, men den er resultat av store flukser av CO₂. En fluks vil si hvor mye CO₂ som passerer per arealenhet og tidsenhet. Når Keeling-kurven stiger skyldes det endringer i CO₂-fluksene i biosfæren, atmosfæren og hydrosfæren. CO₂ sammen med vanndamp, metan og lystgass absorberer varmestråling og gir oppvarming av atmosfæren som resulterer i klimaendringer.

Hovedårsaken i den kontinuerlige økningen i CO₂-konsentrasjonen i atmosfæren fra 1950 er bruk av fossilt brennstoff, endret arealbruk med hogging av skog, grøfting av myrområder, skogbranner, brenning av biomasse, søppelbrenning, samt CO₂ fra industri (olje og gass-, sement-, smelteverk- og mineralgjødselindustri).

Arealer hvor det tidligere var skog og planter blir nedbygget av boliger, hytter, veier, og industri. Når skog hogges går det mange år før det skjer netto opptak av CO₂ i fotosyntesen. Grunnen er at i skogbunnen er det store mengder organisk materiale som blir omsatt til CO₂ av cellerespirasjon av bakterier, sopp og jordfaunaen, før eventuelt etter mange år hvor skogen igjen blir en nettoprodusent. CO₂ blir også produsert ved vulkanutbrudd.

Binding av karbon

Den viktigste reaksjon for binding av karbondioksid i organiske forbindelser er fotosyntesen. Den generelle formelen for fotosyntesen er:

\[\ce{6CO2 + 12 H2O -> C6H12O6 + 6O2 + 6H2O}\]

Når plantebiomasse laget av fotosyntetiske organismer blir brukt som mat og næring, kalles det celleånding. Det er på et vis det motsatte av fotosyntese. Den generelle reaksjonsligningen for dette er:

\[\ce{C6H12O6 + 6 O2 -> 6 CO2 + 6H2O + energi}\]

Sammen med oksygen, nitrogen, fosfor og hydrogen danner karbon hovedstrukturen i grunnleggende organiske molekyler i oppbygning av alle levende organismer.

I Norge er det stor satsing på karbonfangst og lagring i tilknytning til produksjon av sement, mineralgjdøsel og søppelforbrenning.

Karbon i næringskjeder og trofiske nivåer

Etter at karbonet er bundet i en organisme, kan denne bli spist av andre organismer. På denne måten kan karbon «vandre» mellom ulike organismer i lang tid før det slipper ut i atmosfæren igjen som karbondioksid.

For eksempel kan planter bli spist av beitende dyr, og de beitende dyrene kan bli spist av rovdyr.

En næringskjede består sjelden av mer enn fire trinn. I hvert trofisk trinn i omsetning av biomasse blir det produsert CO₂. Mens luften vi puster inn inneholder rundt 0,04 prosent CO₂, inneholder luften vi puster ut rundt 5 prosent CO₂.

Utslipp av karbondioksid

Celleånding hos bakterier, arkebakterier, sopp, planter og dyr gjør at karbondioksid slippes ut i atmosfæren igjen.

Gjeller og lunger hos dyr gjør at oksygen tilføres kroppen, noe som er nødvendig for celleånding, og sørger for at karbondioksid kan slippe ut. I planter skjer det meste av gassutveksling gjennom spalteåpninger i bladene. Hos neddykkete vannplanter og alger skjer gassutvekslingen ved diffusjon.

Brenning av organisk materiale er en rask oksidasjon med elektronoverføring til oksygen og produksjon av mye varme.

Et eksempel på forbrenning av en organisk forbindelse som gir karbondioksid er forbrenning av metan (CH₄):

\[\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O + energi}\]

Med lite oksygen skjer det ufullstendig oksidasjon av metan til giftig karbonmonoksid (CO) og vann:

\[\ce{CH4 + \frac 32 O2 -> CO + 2H2O + energi}\]

Respirasjonskvotienter

Hvor mye karbon og oksygen det er i molekylene som blir omsatt i celleåndingen påvirker hvor mye oksygen som blir forbrukt og hvor mye karbondioksid som blir produsert. Dette uttrykkes som en respirasjonskvotient (RQ).

Karbohydrater, lipider, organiske syrer og protein blir metabolisert for å lage energi og molekylære bestanddeler til å bygge opp organismene. I reaksjonen blir oksygen forbrukt, mens karbondioksid, vann og energi blir produsert. Ved å måle mengde forholdet mellom oksygen tatt opp av kroppen og karbondioksid utskilt, kan man få informasjon om hva er hovedbestanddelen i maten man spiser.

For karbohydrater, her vist ved glukose (C₆H₁₂O₆), blir respirasjonskvotienten slik:

RQ= (mol CO₂ utskilt) /(mol O₂ tatt opp) = 6CO₂/6O₂= 1

\[\ce{C6H12O6 + 6 O2 -> 6 CO2 + 6H2O}\]

Fett og fettsyrer inneholder mye energi grunnet forholdsvis mye karbon sammenlignet med oksygen. Respirasjonskvotienten blir derfor mindre enn 1.

Uorganisk karbon

Løst i vann

Karbondioksid løst i vann blir omdannet til karbonsyre (H₂CO₃) i likevekt med karbondioksid (CO₂), hydrogenkarbonat (HCO₃^-) og karbonat (CO₃^2-).

\[\ce{CO2 + H2O <-> H2CO3 <-> H+ + HCO3^{-}}\]

\[\ce{HCO3^{-} <-> H+ + CO3^{2-}}\]

Mengden karbondioksid som blir løst i vann avhenger av løselighetskoeffisienten og partialtrykket til karbondioksid i atmosfæren. Jo høyere partialtrykk desto mer karbondioksid blir løst.

Løseligheten minsker med økende temperatur og med økt saltholdighet i vann Ved høyere temperatur er det løst forholdsvis mer oksygen enn karbondioksid, noe som er med på å forklare økt fotorespirasjon ved økt temperatur.

Enzymet karbonsyreanhydrase katalyserer denne reaksjonen i organismer.

Utfelling med karbonat

Karbonat i vann blir felt med kalsium og danner kalkstein (kalsiumkarbonat) i form av mineralene kalsitt eller aragonitt. Mesteparten av karbonreservene i havet finnes som kalsiumkarbonat (CaCO₃) og noe magnesiumkarbonat.

\[\ce{Ca2+ + 2HCO3^{-} <-> CaCO3 + CO2 + H2O}\]

I tillegg inngår kalsiumkarbonat som et biomineral i flere arter, som blant annet kalkflagellater og koraller. Økt mengde CO₂ i atmosfæren gir økt forsuring av vann med dårlig bufferkapaistet og kan skade organismer med kalkskall.

Biomasse på Jorden

Tørket plantebiomasse er laget fra ca. 90% CO₂, 7% vann og 3% mineraler. Det betyr at mesteparten av tørket plantemateriale har sin opprinnelse fra CO₂. 6CO₂ har molekylmasse 6∙(12 +16) = 168. Glukose (C₆H₁₂O₆ ) har molekylmasse 6∙12 + 12∙1 + 6∙16 =180. Det vil si at CO₂ utgjør (168/180)∙100= ca.93% av plantebiomassen. 12H fra vann (12∙1) fra tilsvarer ca. (12/180)∙100= 7%. Karbon (C) utgjør ca. 40-50% av tørr plantebiomasse. Glukose (C₆H₁₂O₆) er bare en av tusenvis av forskjellige organiske karbonforbindelser laget i fotosyntesen og brukt som eksempel. Det er ikke de samme vannmolekylene som befinner seg på venstre og høyre side av reaksjonspilen vist over, men reaksjonen er satt opp slik for å vise det viktige prinsipp at oksygen i atmosfæren bare kommer fra vann (H₂O) og ikke fra CO₂.

HAa.

Lisens: CC BY SA 3.0

Total biomasse på Jorden er rundt 550 gigatonn karbon. Av dette utgjør

plantene rundt 450 gigatonn, 80 prosent
sopp rundt 12 gigatonn, 2,2 prosent
dyr rundt 2 gigatonn, 0,36 prosent
bakterier rundt 70 gigatonn, 12,7 prosent
virus rundt 0,2 gigatonn, 0,04 prosent

Måleenheter for karbonmengder

Mengden karbondioksid i atmosfæren blir angitt som deler per million (ppm). Siden vanninnholdet i luft varierer mye, er konsentrasjonen av karbondioksid angitt som mengde karbondioksid i tørr luft. For eksempel tilsvarer 400 ppm karbondioksid 0,04 volumprosent karbondioksid= 400 mikromol CO₂ per mol tørr luft.

Mengden tørr biomasse er angitt i måleenheten gigatonn karbon (GtC) som tilsvarer petagram karbon (PgC). Man regner alltid med tørr biomasse siden det er store variasjoner i vanninnholdet i biologisk materiale.

1 petagram (Pg) = 10¹⁵ gram = 1 gigatonn

1 gigatonn (Gt) = 10⁹ tonn = 1 000 000 000 tonn

1 tonn= 1000 kg= 10⁶ gram

Karbonmengdene er angitt som enten mengde karbon (C) eller som mengde CO₂.

Gigatonn karbon (GtC) kan omregnes til gigatonn CO₂ (GtCO₂) ved å gange med \(\ce{\frac{44}{12}}\) hvor CO₂ har molekylmassen 44 og C har atommasse 12.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.

Du må være logget inn for å kommentere.

Vi mangler fagansvarlig for Biogeokjemi

Vil du bli fagansvarlig? Ta kontakt