miniaturadaimagem|270x270px|Ciclo do carbono nos oceanos (IPCC) O ciclo do carbono nos oceanos (ou ciclo marinho do carbono) é composto por processos que trocam carbono entre vários reservatórios no oceano, bem como entre a atmosfera, o interior da Terra e o fundo do mar. O ciclo do carbono é o resultado de muitas forças que interagem em várias escalas de tempo e espaço, que fazem o carbono circular pelo planeta, garantindo que ele esteja disponível globalmente. O ciclo oceânico do carbono é um processo central para o ciclo global do carbono e abrange tanto o (carbono não associado a um ser vivo, como o dióxido de carbono) quanto o carbono orgânico (carbono que é, ou foi, incorporado a um ser vivo). Parte do ciclo do carbono marinho compreende a transformação do carbono entre matéria viva e não viva.
Três processos principais (ou bombas) que compõem o ciclo do carbono marinho trazem o dióxido de carbono (CO2) atmosférico para o interior do oceano e o distribuem pelos ecossistemas marinhos. Essas três bombas são: (1) a bomba de solubilidade, (2) a bomba de carbonato e (3) a bomba biológica. O total de carbono ativo na superfície da Terra por períodos inferiores a 10 000 anos é de aproximadamente 40 000 gigatoneladas de C (Gt C, uma gigatonelada é um bilhão de toneladas, ou o peso de aproximadamente 6 milhões de baleias azuis), e cerca de 95% (~38 000 Gt C) é armazenado no oceano, principalmente como . A diversidade do carbono inorgânico dissolvido no ciclo de carbono marinho é o principal controlador da química ácido-base nos oceanos.
As plantas e as algas da Terra (produtores primários) são responsáveis pelos maiores fluxos anuais de carbono. Embora a quantidade de carbono armazenada na biota marinha (~3 GtC) seja muito pequena em comparação com a vegetação terrestre (~610 GtC), a quantidade de carbono trocada (o fluxo) por esses grupos é quase igual - cerca de 50 GtC cada. Os organismos marinhos vinculam os ciclos de carbono e oxigênio por meio de processos como a fotossíntese. O ciclo do carbono marinho também está biologicamente ligado aos ciclos do nitrogênio e do fósforo por uma relação estequiométrica quase constante C:N:P de 106:16:1, também conhecida como relação Redfield Ketchum Richards (RKR), que afirma que os organismos tendem a absorver nitrogênio e fósforo incorporando novo carbono orgânico. Da mesma forma, a matéria orgânica decomposta por bactérias libera fósforo e nitrogênio.
Com base nas publicações da NASA, da Organização Meteorológica Mundial, do IPCC e do Conselho Internacional para a Exploração do Mar, bem como de cientistas da NOAA, do Instituto Oceanográfico de Woods Hole, do Instituto de Oceanografia Scripps, da CSIRO e do Laboratório Nacional de Oak Ridge, os impactos humanos no ciclo do carbono marinho são significativos. Antes da Revolução Industrial, o oceano era uma fonte líquida de CO2 para a atmosfera, enquanto agora a maior parte do carbono que entra no oceano vem do dióxido de carbono atmosférico (CO2).
Nas últimas décadas, o oceano atuou como um sumidouro de CO2 antropogênico, absorvendo cerca de um quarto do CO2 produzido pelos seres humanos por meio da queima de combustíveis fósseis e mudanças no uso da terra. Ao fazer isso, o oceano agiu como um amortecedor, retardando um pouco o aumento dos níveis de CO2 atmosférico. No entanto, essa absorção de CO2 antropogênico também causou a acidificação dos oceanos. A mudança climática, resultado desse excesso de CO2 na atmosfera, aumentou a temperatura do oceano e da atmosfera. A taxa reduzida de aquecimento global ocorrida entre 2000 e 2010 pode ser atribuída a um aumento observado no conteúdo de calor do oceano superior.
Carbono marinho Os compostos de carbono podem ser distinguidos como orgânicos ou inorgânicos, e dissolvidos ou particulados, dependendo de sua composição. O carbono orgânico forma a espinha dorsal dos principais componentes dos compostos orgânicos, como proteínas, lipídios, carboidratos e ácidos nucleicos. O carbono inorgânico é encontrado principalmente em compostos simples, como dióxido de carbono, ácido carbônico, bicarbonato e carbonato (CO2, H2CO3, HCO3-, CO32-, respectivamente).
O carbono marinho é ainda separado em fases particuladas e dissolvidas. Esses grupos são definidos operacionalmente pela separação física - o carbono dissolvido passa por um filtro de 0,2 μm, enquanto o carbono particulado não.
Carbono inorgânico Há dois tipos principais de carbono inorgânico encontrados nos oceanos. O (DIC) é composto de bicarbonato (HCO3-), carbonato (CO32-) e dióxido de carbono (incluindo CO2 dissolvido e ácido carbônico H2CO3). O DIC pode ser convertido em (PIC) por meio da precipitação de CaCO3 (biológica ou abiótica). O DIC também pode ser convertido em carbono orgânico particulado (POC) por meio da fotossíntese e da quimioautotrofia (ou seja, produção primária). O DIC aumenta com a profundidade à medida que as partículas de carbono orgânico afundam e são respiradas. O oxigênio livre diminui com o aumento do DIC porque o oxigênio é consumido durante a respiração aeróbica.
O carbono inorgânico particulado (PIC) é a outra forma de carbono inorgânico encontrada no oceano. A maior parte do PIC é o CaCO3 que compõe as conchas de vários organismos marinhos, mas também pode se formar em . Os peixes marinhos também excretam carbonato de cálcio durante a osmorregulação.
Algumas das espécies de carbono inorgânico no oceano, como o bicarbonato e o carbonato, são os principais contribuintes para a alcalinidade, um amortecedor natural do oceano que evita mudanças drásticas na acidez (ou pH). O ciclo do carbono marinho também afeta as taxas de reação e dissolução de alguns compostos químicos, regula a quantidade de dióxido de carbono na atmosfera e a temperatura da Terra.
Carbono orgânico Assim como o carbono inorgânico, há duas formas principais de carbono orgânico encontradas no oceano (dissolvido e particulado). O carbono orgânico dissolvido (DOC) é definido operacionalmente como qualquer molécula orgânica que possa passar por um filtro de 0,2 μm. O DOC é convertível em carbono orgânico particulado por meio da heterotrofia e também pode ser convertido novamente em carbono inorgânico dissolvido (DIC) por meio da respiração.
Essas moléculas de carbono orgânico capturadas pelo filtro são definidas como carbono orgânico particulado (POC). O POC é composto por organismos (vivos ou mortos), sua matéria fecal e detritos. O POC também é convertível em DOC por meio da desagregação de moléculas e da exsudação pelo fitoplâncton, por exemplo. O POC é geralmente convertido em DIC por meio de heterotrofia e respiração.
Bombas de carbono marítimas
Bomba de solubilidade
esquerda|miniaturadaimagem|250x250px|O carbono é separado em quatro grupos distintos com base no fato de ser orgânico/inorgânico e estar dissolvido/particulado. Os processos associados a cada seta descrevem a transformação associada à transferência de carbono de um grupo para outro Os oceanos armazenam o maior conjunto de carbono reativo do planeta como DIC, introduzido como resultado da dissolução do dióxido de carbono atmosférico na água do mar – a bomba de solubilidade. As concentrações aquosas de CO2, ácido carbônico, íon bicarbonato e íon carbonato compreendem o carbono inorgânico dissolvido (DIC). O DIC circula por todo o oceano por meio da circulação termoalina, o que facilita a enorme capacidade de armazenamento de DIC do oceano. As equações químicas abaixo mostram as reações pelas quais o CO2 passa depois que entra no oceano e se transforma em sua forma aquosa.O ácido carbônico se dissocia rapidamente em íons de hidrogênio livre (tecnicamente, hidrônio) e bicarbonato.O íon de hidrogênio livre encontra o carbonato, já presente na água devido à dissolução do CaCO3, e reage para formar mais íons de bicarbonato.As espécies dissolvidas nas equações acima, em sua maioria bicarbonato, compõem o sistema de alcalinidade de carbonato, o principal contribuinte para a alcalinidade da água do mar. miniaturadaimagem|250x250px|Dissociação do dióxido de carbono conforme a Lei de Henry
Bomba de carbonato A bomba de carbonato, às vezes chamada de contra bomba de carbonato, começa com organismos marinhos na superfície do oceano produzindo carbono inorgânico particulado (PIC) na forma de carbonato de cálcio (calcita ou aragonita, CaCO3). Esse CaCO3 é o que forma partes duras do corpo, como as conchas. A formação dessas conchas aumenta o CO2 atmosférico devido à produção de CaCO3 na seguinte reação com estequiometria simplificada:Os cocolitóforos, um grupo quase onipresente de fitoplâncton que produz conchas de carbonato de cálcio, são os principais contribuintes para a bomba de carbonato. Devido à sua abundância, os cocolitóforos têm implicações significativas na química do carbonato, nas águas superficiais que habitam e no oceano abaixo: eles fornecem um grande mecanismo para o transporte descendente de CaCO3. O fluxo de CO2 ar-mar induzido por uma comunidade biológica marinha pode ser determinado pela razão de precipitação - a proporção de carbono do carbonato de cálcio em comparação com a do carbono orgânico no material particulado que afunda no fundo do oceano (PIC/POC). A bomba de carbonato atua como um feedback negativo sobre o CO2 levado para o oceano pela bomba de solubilidade. Ela ocorre em menor magnitude do que a bomba de solubilidade. esquerda|miniaturadaimagem|250x250px| na superfície do mar. Primeiro, o dióxido de carbono reage com a água para formar ácido carbônico. Concentração na década de 1990 (da )
Bomba biológica O carbono orgânico particulado, criado por meio da produção biológica, pode ser liberado do oceano superior em um fluxo comumente chamado de bomba biológica, ou respirado (equação 6) de volta em carbono inorgânico. No primeiro caso, o carbono inorgânico dissolvido é biologicamente convertido em matéria orgânica pela fotossíntese (equação 5) e outras formas de autotrofismo que, em seguida, afunda e é, em parte ou totalmente, digerida por heterótrofos. O carbono orgânico particulado pode ser classificado como , semilábil ou refratário, conforme a facilidade com que os organismos podem decompô-lo para obter alimentos. A fotossíntese pelo fitoplâncton é a principal fonte de moléculas lábeis e semilábeis, e é a fonte indireta da maioria das moléculas refratárias. As moléculas lábeis estão presentes em baixas concentrações fora das células (na faixa de picomolar) e têm meia-vida de apenas alguns minutos quando livres no oceano. Elas são consumidas pelos micróbios dentro de horas ou dias após a produção e estão presentes na superfície dos oceanos, onde contribuem com a predominância do fluxo de carbono lábil. As moléculas semilábeis, muito mais difíceis de consumir, podem atingir profundidades de centenas de metros abaixo da superfície antes de serem metabolizadas. A MOD refratária é composta em grande parte por moléculas altamente conjugadas, como hidrocarbonetos aromáticos policíclicos ou lignina. MOD refratária pode atingir profundidades superiores a 1 000 m e circula pelos oceanos durante milhares de anos. Ao longo de um ano, aproximadamente 20 gigatoneladas de carbono lábil e semilábil fixado fotossinteticamente são absorvidas pelos heterótrofos, enquanto menos de 0,2 gigatonelada de carbono refratário é consumido. A matéria orgânica marinha dissolvida (MOD) pode armazenar tanto carbono quanto o atual suprimento de CO2 atmosférico, mas os processos industriais estão alterando o equilíbrio deste ciclo.
Entradas As entradas para o ciclo de carbono marinho são numerosas, mas as principais contribuições, em uma base líquida, vêm da atmosfera e dos rios. As fissuras hidrotermais geralmente fornecem carbono equivalente à quantidade que consomem. miniaturadaimagem|250x250px|Fluxo global de CO2 ar-mar - IPCC 2007
Atmosfera