commoldura|Esquema do Ciclo do Carbono O carbono (símbolo químico: C) é o quarto elemento mais abundante no Universo, depois do hidrogênio (H), hélio (He) e oxigênio (O), e é o pilar da vida como a conhecemos.
Existem basicamente duas formas de carbono, uma orgânica, presente nos organismos vivos e mortos, não decompostos, e outra inorgânica, presente nas rochas.
Pela respiração, decomposição e combustão, o gás carbônico é lançado no ambiente. Pela fotossíntese é retirado.
No planeta Terra, o carbono circula através dos oceanos, da atmosfera, da terra e do seu interior, num grande ciclo biogeoquímico. Este ciclo pode ser dividido em dois tipos: o ciclo "lento" ou geológico, e o ciclo "rápido" ou biológico.
Ciclo geológico Este ciclo, que opera a uma escala de milhões de anos é integrado a própria estrutura do planeta e iniciou-se há cerca de 4,55 bilhões de anos, quando na formação do Sistema Solar e da Terra, tendo origem nos planetesimais (pequenos corpos que se formaram a partir da nebulosa solar) e nos meteoritos portadores de carbono que colidiram com a Terra. Nesse sentido, mais de 99% do carbono terrestre está contido na litosfera, sendo a maioria carbono inorgânico, armazenado em rochas sedimentares como as rochas calcárias. O carbono orgânico contido na litosfera está armazenado em depósitos de combustíveis fósseis.
Numa escala geológica, existe um ciclo entre a crosta terrestre (litosfera), os oceanos (hidrosfera) e a atmosfera. O Dióxido de Carbono (CO2) da atmosfera, combinado com a água, forma o ácido carbônico, o qual reage lentamente com o cálcio e com o magnésio da crosta terrestre, formando carbonatos. Através dos processos de erosão (chuva), estes carbonatos são arrastados para os oceanos, onde se acumulam no seu leito em camadas, ou são assimilados por organismos marinhos que eventualmente, depois de morrerem, também se depositam no fundo do mar. Estes sedimentos vão-se acumulando ao longo de milhares de anos, formando rochas sedimentares como as rochas calcárias.
O ciclo continua quando as rochas sedimentares do leito marinho são arrastadas para o manto da Terra, por um processo de subducção (processo pelo qual uma placa tectónica descende por baixo de outra). Desta forma, as rochas sedimentares são sujeitas a grandes pressões e temperaturas debaixo da superfície da Terra, fundindo parcialmente e reagindo com outros minerais, libertando CO2. O manto terrestre participa deste ciclo. O CO2 é devolvido a atmosfera através das erupções vulcânicas e outros tipos de atividades vulcânicas, completando-se assim o ciclo.
Os balanços entre os diversos processos do ciclo do carbono geológico controlaram a concentração de CO2 presente na atmosfera ao longo de centenas de milhares de anos. Os mais antigos sedimentos geológicos, datados de épocas anteriores ao desenvolvimento da vida na Terra, apontam para concentrações de CO2 atmosférico 100 vezes superiores aos atuais, proporcionando um forte efeito de estufa. Por outro lado, medições dos núcleos de gelo retirados na Antártida e na Groenlândia, permitem estimar as concentrações do CO2 que, durante a última era glacial, eram cerca de metade das atuais (em 2005: 379,1 ppmv de CO2).
Para o carbono orgânico, com origem na matéria orgânica incompletamente decomposta na ausência de oxigênio, a qual deu origem ao carvão, petróleo e gás natural, qualquer troca significativa entre os diversos depósitos efetua-se também a uma escala geológica. Isto foi correto até há cerca de 200 anos, com o início da Revolução Industrial e a exploração e utilização (combustão) em grande escala dos combustíveis fósseis, ações que passaram a libertar para a atmosfera o carbono destes reservatórios em forma de CO2.
Ciclo orbital da Terra Mudanças periódicas na forma das órbitas da Terra ao redor do Sol foram as principais responsáveis por mudanças no ciclo do carbono e na atmosfera mundial durante e no meio da Extinção em Massa Triássico-Jurássica (cerca de 201 milhões de anos antes, quando aproximadamente 80% das espécies sempre desapareceu na Terra) e o evento anóxico oceânico toarciano (aproximadamente 183 milhões de anos atrás). Alterações periódicas na forma da órbita da Terra em torno do Sol afetam a quantidade de energia recebida pela Terra, que por sua vez afeta os processos climáticos e ambientais, bem como o ciclo do carbono, nas escalas local, regional e global.
Ciclo biológico O ciclo biológico do Carbono é relativamente rápido: estima-se que a renovação do carbono atmosférico ocorre a cada 20 anos.
Na ausência da influência antropogênica (causada pelo homem), no ciclo biológico existem três reservatórios ou "stocks": terrestre (20.000 Gt), atmosfera (750 Gt), oceanos (40.000 Gt). Este ciclo desempenha um papel importante nos fluxos de carbono entre os diversos stocks, através dos processos da fotossíntese e da respiração.
Através do processo da fotossíntese, as plantas absorvem a energia solar e CO2 da atmosfera, produzindo oxigênio e hidratos de carbono (açúcares como a glicose), que servem de base para o crescimento das plantas. Os animais e as plantas utilizam os hidratos de carbono pelo processo de respiração, utilizando a energia contida nos hidratos de carbono e emitindo CO2. Juntamente com a decomposição orgânica (forma de respiração das bactérias e fungos), a respiração devolve o carbono, biologicamente fixado nos stocks terrestres (nos tecidos da biota, na camada de solo e na turfa), para a atmosfera.
As equações químicas que regem estes dois processos são:
Fotossíntese 6CO2 + 6H2O + energía (luz solar) → C6H12O6 + 6O2
Respiração C6H12O6 (matéria orgânica) + 6O2 → 6CO2 + 6 H2O + energia
É possível verificar que a maior troca entre o stock terrestre e stock atmosférico resulta dos processos da fotossíntese e da respiração. Nos dias de Primavera e Verão as plantas absorvem a luz solar e o CO2 da atmosfera e, paralelamente, os animais, plantas e micróbios, através da respiração devolvem o CO2. Quando a temperatura ou umidade é muito baixa, por exemplo no Inverno ou em desertos, a fotossíntese e a respiração reduz-se ou cessa, assim como o fluxo de carbono entre a superfície terrestre e a atmosfera. Devido à declinação da Terra e à desigual distribuição de vegetação dos hemisférios, existe uma flutuação ao longo do ano a qual é visível nos diversos gráficos da variação da concentração anual do CO2, como por exemplo na curva de Keeling. Em 1958 o cientista Charles David Keeling (oceanógrafo do Scripps Institute of Oceanography),iniciou uma série de experiências no monte Mauna Loa, Havai, que lhe permitiram medir, com bastante precisão, a concentração de CO2 na atmosfera.thumbnail|direita|350px|Curva de Keeling: Concentrações de CO2 Atmosférico medidas em Mauna Loa, Havai Mauna Loa Observatory.
Apesar do stock atmosférico de carbono ser o menor dos três (com cerca de 750 Gt de carbono), este stock determina a concentração de CO2 na atmosfera, cuja concentração pode influenciar o clima terrestre. Ainda mais, os fluxos anuais entre o stock atmosférico e os outros dois stocks (oceanos e terrestre) são cerca de um quarto da dimensão do stock atmosférico, o que representa uma grande sensibilidade às mudanças nos fluxos.
Os oceanos representam o maior stock dos três, cinquenta vezes maior que o stock atmosférico. Existem transferências entre estes dois stocks através de processos químicos que estabelecem um equilíbrio entre as camadas superficiais dos oceanos e as concentrações no ar acima da superfície. A quantidade de CO2 que o oceano absorve depende da temperatura do mesmo e da concentração já presente. Temperaturas baixas da superfície do oceano potenciam uma maior absorção do CO2 atmosférico, enquanto temperaturas mais altas podem causar a emissão de CO2.
Os fluxos, sem interferências antropogênicas, são aproximadamente equivalentes, variando lentamente, i.e., a uma escala geológica. As diferenças, do ciclo rápido, são também explicadas pelos processos de fotossíntese e respiração: a vida nos oceanos consome grandes quantidades de CO2, no entanto o ciclo entre a fotossíntese e a respiração desenvolve-se muito rapidamente. O fitoplâncton é consumido pelo zooplâncton em apenas alguns dias, e apenas pequenas quantidades de carbono são acumuladas no fundo do mar, quando as conchas do zooplâncton, compostas por carbonato de cálcio (CaCO3), se depositam no fundo, após a sua morte. Depois de um longo período de tempo, este efeito representa uma significativa remoção de carbono da atmosfera.
Outro processo intermediário do ciclo biológico, o qual representa remoção de carbono da atmosfera, ocorre quando a fotossíntese excede a respiração e, lentamente, a matéria orgânica forma depósitos sedimentares que, na ausência de oxigênio e ao longo de milhões de anos, se transformam em combustíveis fósseis.
Os incêndios (naturais) são um outro elemento do ciclo rápido que adicionam CO2 para a atmosfera ao consumir a biomassa e matéria orgânica e ao provocar a morte de plantas que acabam por se decompor e formar também CO2.
Influências humanas
O armazenamento de carbono em depósitos fósseis supõe, na prática, uma diminuição dos níveis atmosféricos de dióxido de carbono. Estes depósitos estão estimados entre 4.000 e 10.000 Gt, e não figuram no ciclo rápido do carbono. No entanto as atividades antropogénicas (humanas), principalmente a queima de combustíveis fósseis e a desflorestação, têm vindo a incorporar fluxos de carbono novos no ciclo biológico provenientes destes depósitos, com significativa influência no ciclo global do carbono.
Estas atividades transferem mais CO2 para a atmosfera do que aquela que é possível remover naturalmente através da sedimentação do carbono, causando assim um aumento das concentrações atmosféricas de CO2 num curto período (centenas de anos). Esta influência humana, iniciada principalmente há 200 anos, quando a concentração de CO2 atmosférico se situava nas 280 ppm (0,028% da composição global da atmosfera), provocou, um aumento significativo da concentração de CO2, tendo atualmente ultrapassado as 400 ppm (mais de 30% em apenas 200 anos).
Estes valores situam a concentração presente como a mais elevada dos últimos 650.000 anos e talvez superior à registada há 20 milhões de anos.
Nem todo o CO2 emitido antropogenicamente fica retido na atmosfera. A taxa anual de emissões antropogénicas durante a década de 1990 situou-se, em média, nos 6,3 Gt. No entanto, no mesmo período, a concentração de CO2 atmosférico aumentou, em média, 3,2 Gt por ano. Isto deve-se, em parte, ao aumento da difusão do CO2 nos oceanos, que passaram a absorver cerca de 1,7 Gt por ano dos 6,3 Gt emitidos. As restantes 1,4 Gt por ano estimam-se que estejam relacionadas com processos na superfície da terra. Esta última parcela tem duas componentes: a alteração da utilização dos solos, principalmente desflorestação, que reduz a taxa de absorção de CO2 dos solos e outra parcela, ainda em estudo, que pode ter diferentes origens, entre as quais o aumento da taxa de absorção das plantas correspondente a um aumento da concentração atmosférica de CO2. Outro cenário possível é o recrescimento das florestas no Hemisfério Norte (em especial da floresta Boreal), que sofreu desflorestação no século passado. No entanto para esta parcela ainda está por determinar concretamente, sendo necessária investigação científica para obter novos dados que expliquem melhor este fenómeno. Mesmo o ciclo global de carbono é composto por diversas variáveis, as quais continuam a ser estudadas de forma a poder obter mais precisão nos modelos que determinam as influências antropogénicas neste ciclo.
|thumb|direita|350px|Variação de temperatura na Terra de 1860 até 2004