A szénkörforgás vagy szénciklus az a biogeokémiai ciklus, amely által a szén, mint kémiai elem kicserélődik a bioszféra, az atmoszféra, a tengerek, a talaj és a litoszféra között. A szén a biológiai eredetű anyagok legfontosabb összetevője, de nagy mennyiségben jelen van egyes kőzetekben (mint a mészkő) is. Működése – a nitrogénkörforgással és a vízkörforgással együtt – kulcsfontosságú a földi élet fennmaradása szempontjából. A körforgásba egyaránt beletartozik a bioszférában gyors tempóban újrahasznosított szén, de annak hosszú távú raktározása a talajban, a kőzetekben vagy az óceánban is. Az ember éves szénkibocsátásának mintegy negyede kerül a hasonló szénraktárakba.
Az emberek a mezőgazdaság terjedésével évezredek óta beleavatkoznak a szénkörforgásba, és az ipari forradalmat követően a fosszilis tüzelőanyagok (kőszén, kőolaj, földgáz) égetésével és a cementgyártással jelentős szénáramlást indítottak el a geoszférából az atmoszférába. A szén-dioxid koncentrációja azóta 52%-kal növekedett a légkörben, az üvegházhatás által egyre inkább felmelegítve a Föld felszínét. A magas CO2-koncentráció elsavasítja az óceánokat, károsítva a tengeri élővilágot és annak szénmegkötő képességét.
Főbb összetevői
A szénkörforgást először Antoine Lavoisier és Joseph Priestley írta le, de Humphry Davy is sokat tett a fogalom megismertetéséért.Holmes, Richard (2008). "The Age Of Wonder", Pantheon Books. . A globális szénciklus alapvető részei a gyűjtőhelyek (rezervoárok) amelyek között a szén kicserélődhet. A jelentősebb rezervoárok a következők: Az atmoszféra A szárazföldi bioszféra A világóceán (benne az oldott állapotú szervetlen szénvegyületek és a tengeri élőlények) Az üledékek (beleértve a fosszilis tüzelőanyagokat, az édesvízi rendszereket és az élettelen szerves anyagokat) A Föld belseje (a földköpeny és a földkéreg)
A rezervoárok között a szén különféle kémiai, fizikai, geológiai és biológiai folyamatok által közlekedik. A legnagyobb aktív szénmennyiség a Föld felszínén az óceánokban található. Az atmoszféra, az óceán, a szárazföldi ökoszisztémák és az üledék közötti szénmozgás nagyjából kiegyensúlyozott és az ember beavatkozása nélkül stabil marad.
Az atmoszféra
A szén a Föld atmoszférájában elsősorban szén-dioxid és metán formájában van jelen. Mindkettő elnyeli az infravörös sugárzást és visszatartja a hőt, így részben ők felelősek a légkör üvegházhatásáért. A metán hatékonyabb, de jóval kevesebb van belőle, mint a szén-dioxidból és élettartama is rövidebb; így ebből a szempontból a kettő közül a szén-dioxid a jelentősebb.
A szén-dioxidot leginkább a fotoszintetizáló növények vonják ki a levegőből, így kerül a szárazföldi vagy óceáni bioszférába. Ezenkívül közvetlenül is oldódik a vizekben (óceán, tavak stb.), de az esőcseppekben is. Oldott állapotban a vízzel reagálva szénsavat képez, amely csökkenti a víz pH-ját, savasabb lesz tőle. A savas eső a kőzetekbe (pl. mészkő) szivárogva elősegíti azok mállását. Általánosságban savasítja a felszíneket vagy onnan bemosódik az óceánba.
Az utóbbi két évszázadban az emberi tevékenység közel 50%-kal növelte a légkör széntartalmát (2020-as állapot szerint), elsősorban a szén-dioxid koncentrációjának növelése által, amit főleg a fosszilis tüzelőanyagok égetésével, cementgyártással, illetve az ökoszisztémák pusztításával (erdőirtás) ért el.
A felszíni kőzetek szilikátos ásványai természetes úton fokozatosan karbonátos kőzetekké alakulnak át, ez az ún. karbonát-szilikát ciklus. Nagyon hosszú távon (több milliárd év múlva) a naptevékenység erősödésével ez az átalakulás, a szilikátok mállása várhatóan fokozódni fog és kivonja az atmoszférából a szén-dioxid többségét. Amikor majd a CO2 koncentrációja 50 ppm alá esik, a fotoszintézis lehetetlenné válik majd. Ennek időpontja egyes modellek szerint 600 millió év múlva következik be. Mintegy 1,1 milliárd év múlva az óceánok elpárolognak és a víz súrlódáscsökkentő hatásának hiányában leáll a lemeztektonika. A vulkanikus aktivitás megszűnik és nem kerül több szén-dioxid a légkörbe, amitől a szénciklus teljesen leáll; mindez 1-2 milliárd év múlva várható.
A szárazföldi bioszféra
A szárazföldi bioszféra valamennyi itteni élőlény (legyen az élő vagy holt) testében, illetve a talajban lekötött szerves szenet foglalja magába. A növényekben és állatokban összesen kb. 500 gigatonna szén, míg a talajban 1500 gigatonna található. Ez a szén főleg szerves vegyületek formájában van jelen, de nagyjából a harmada szervetlen formában van lekötve, pl. kalcium-karbonátban. A szén az élőlények testének egyik alapvető összetevője. A növények és egyes baktériumok (autotróf szervezetek) kivonják a légkörből a szén-dioxidot és szerves vegyületekké alakítják át, míg az állatok és gombák (heterotrófok) más élőlények lebontása révén jutnak az életfenntartáshoz szükséges szénhez.
Mivel a szén felvétele a növények életműködésétől függ, ezért mértéke napi és éves ciklus szerint változik. Ez a hatás jól megfigyelhető a légkör CO2-tartalmát mutató Keeling-görbén. Mértéke az északi féltekén jóval erősebb, mert a nagyobb szárazföldterület miatt ebben a régióban erősebbek az évszakváltozások hatásai a növények életfunkcióira (télen a mérsékelt övben és északabbra a növények nagy része felfüggeszti a fotoszintézist).
A szén különféle módokon léphet ki a szárazföldi bioszférából. Leggyorsabb módja a szerves anyag direkt elégetése vagy az élőlények sejtlégzése révén; ilyenkor CO2 formájában a légkörbe távozik. A folyók bemoshatják az óceánokba vagy hosszú időre nyugvó állapotba kerülhet a talajban. A talajban tárolt szén akár több ezer évig is ott maradhat, míg az erózió belemossa a folyókba vagy a talajlégzéssel bekerül az atmoszférába. 1989 és 2008 között a hőmérséklet emelkedése miatt a talajlégzés mértéke évente mintegy 0,1%-kal nőtt. 2008-as becslés szerint a talajlégzés által kibocsátott CO2 nagyjából 98 milliárd tonna volt, háromszor annyi, mint amennyi a fosszilis tüzelőanyagok égetése révén kerül a légkörbe (ez nem a nettó anyagforgalmat jelenti, mert közben hasonló mennyiségű szén kötődik meg a talajban). A jelenség pontos magyarázata nem ismert, de egyik oka lehet hogy a magas hőmérséklet miatt fokozódott a talaj szerves anyagainak bomlása. Feltételezhető hogy a klímaváltozás hatására megváltozik a szén talajban való tartózkodásának ideje is.
+ Jelentős széntárolási kapacitások (2000-es becslés) Helyszín Mennyiség(gigatonna) Atmoszféra 720 Ócean (összes) 38 400 szervetlen 37 400 szerves 1000 felszíni réteg 670 mélyréteg 36 730 Litoszféra Üledékes karbonátkőzet > 60 000 000 Kerogének 15 000 000 Szárazföldi bioszféra (összes) 2000 Élő biomassza 600 – 1000 Holt biomassza 1200 Vízi bioszféra 1 – 2 Fosszilis tüzelőanyagok (összes) 4130 Kőszén 3510 Kőolaj 230 Földgáz 140 Egyéb (tőzeg) 250
Az óceán Az óceánt ebből a szempontból érdemes felosztani egy felszíni rétegre (amely rendszeresen kapcsolatban áll a légkörrel) és egy mélyrétegre (amely a mintegy száz méternyi keveredési zóna alatt helyezkedik el). Az oldott szervetlen szén a felszíni réteg és a légkör között gyors ütemben cserélődik, fenntartva a kettő közti egyensúlyt. Ennek a rétegnek a szervetlen széntartalma kb. 15%-kal magasabb, de jóval nagyobb térfogata miatt a mélytenger sokkal több szenet foglal magába; itt található a világ legnagyobb aktívan forgatott széntartaléka, amely 50%-szer annyi szenet tartalmaz, mint az egész atmoszféra. A rétegek közötti lassú kicserélődés miatt azonban egy új egyensúlyi állapot beállása több száz évig is eltarthat.
A légkörből az óceánba a szén leginkább a szén-dioxid oldódása révén lép be; ennek egy kis hányada karbonáttá alakul át. Egy másik forrás a folyók által szállított oldott szerves szén. A szervetlen szént az élőlények fotoszintézis útján szerves szénné alakítják át, aminek egy része bennmarad a tengeri táplálékláncban, a többi pedig lesüllyed az üledékbe, ahol halott szövetként fokozatosan lebomlik, vagy a csigaházakba, kagylóhéjakba, algavázakba épülve kalcium-karbonátként kiülepszik. A mélytengeri szén hosszú ideig cirkulálhat míg végül végleg az üledékbe kerül vagy a termohalin körfogás révén visszakerül a felszíni vizekbe. Az óceán összességében enyhén bázikus pH-jú (~pH 8,2), így a CO2-okozta savasodás a semleges felé tolja az egyensúlyt.
A szén-dioxid óceánok általi elnyelése a szénraktározás egyik legfontosabb formája, amely korlátozza az ember által a légkörbe kibocsátott szén hatásait. Azonban az elnyelésnek is megvannak a maga korlátai. A CO2 beoldódásától az óceán savasabbá váli, rontva a tengeri élőlények életkörülményeit. Minél savasabb a víz, annál kevesebb szenet tudnak beépíteni kalcium-karbonát formájában a vázakba és héjakba és ezzel csökken az óceán szén-dioxid elnyelő képessége is.
Geoszféra
A szénkörforgás többi részéhez képest a geológiai komponens igen lassan működik. Ennek ellenére ez a légkör széntartalmának egyik fő forrása, így alapvető szerepet játszik a globális éghajlat szabályozásában.
A Föld széntartalmának döntő többségét a litoszféra raktározza. A földköpeny szenének legnagyobb része a bolygó keletkezése óta nem is szabadult ki onnan.The Carbon Cycle and Earth's Climate Information sheet for Columbia University Summer Session 2012 Earth and Environmental Sciences Introduction to Earth Sciences I Egy másik része a bioszférából került bele üledékként. A biológiai eredetű szén mintegy 80%-át a mészkő és annak származékai rejtik, amelyek a tengeri élőlények kalcium-karbonátból álló mészvázából keletkeznek. A maradék 20%-ot a kerogén alkotja, amely a leülepedő elpusztult élőlények szerves széntartalmából jön létre (ennek egyik formája a kőolaj és a földgáz) a mélyebb kőzetrétegekben uralkodó nagy nyomáson és hőmérsékleten. A geoszférában tárolt szerves szén sok millió éven át ott maradhat.
A szén különféle módokon távozhat a geoszférából. Amikor a karbonátos kőzetek a lemeztektoknika során lesüllyednek a földköpenybe, metamorfózison mennek át és eközben szén-dioxid szabadul fel. Ez a szén-dioxid vulkánok, tektonikus hasadékok és egyéb geológialag aktív helyek révén kerülhet ki az atmoszférába. Ezenkívül az ember közvetlenül is kivonja a kerogéneket (kőolaj, földgáz) a kőzetekből, amiket aztán eléget.
A szén- és vízkörforgás kapcsolódása
A víz körforgása során szén is vándorol a különböző rezervoárok között, ezt mutatja be a jobb oldali ábra.
A légkörben lévő apró szilárd részecskék kondenzációs magvakként elősegítik a felhőképződést. A lehulló esőcseppek összegyűjtik az apró részecskéket és a gőzöket/gázokat, bennük pedig a szerves és szervetlen eredetű szenet is. Az égés és a vulkanikus tevékenység során CO2, valamint magas széntartalmú korom és pernye kerül a levegőbe. A növények fotoszintézissel megkötik a levegő CO2-ját, ennek azonban egy része sejtlégzésük következtében visszakerül a légkörbe. A lignin és a cellulóz mintegy 80%-át teszi ki az erdő szerves szénkészletének; a réteken ez 60%. Az elpusztult növények és növényi részek, gyökerek a talajra kerülnek, ahol a gombák és mikrobák átalakítják a talaj szerves vegyületeivé. Az eső a levegőben összegyűjtött szénen felül a növényekről is lemossa az oldható szerves és szervetlen szenet és magával viszi azt a talajba és a talajvízbe, ahol biogeokémiai folyamatok révén a szénvegyületek átalakulnak. Az átalakult szén visszajuthat a felszínre ha erős esőzések hatására a víz átitatja a talajt. A folyókban, patakokban termelődő vagy oda bekerülő szerves szénvegyületek fizikai (fotooxidáció) vagy a mikroorganizmusok biológiai hatására lebomlanak, ezáltal CO2 kerül a levegőbe. Ennek mennyisége ugyanabb a nagyságrendbe tartozik, mint amennyi szenet a szárazföldi bioszféra évente elraktároz. A folyók, víztározók, árterek nagy mennyiségű szerves szenet raktároznak üledék formájában. A vizükben szintén zajlik a szervas anyagok bontása, de ennek mértéke egy nagyságrenddel kisebb a folyókénál. Az oxigénszegény iszapban, üledékben metántermelő baktériumok élnek.