Kita terbuat dari karbon, kita makan karbon, dan peradaban kita –
perekonomian, perumahan, cara kita bertransportasi – dibangun dengan
karbon. Kita membutuhkan karbon, namun kebutuhan ini juga terbelut
dengan salah satu masalah paling serius yang kita hadapi sekarang:
perubahan iklim global.
Dibentuk di dalam jantung bintang-bintang yang menua, karbon merupakan elemen keempat terbanyak di alam semesta kita. Kebanyakan karbon bumi – sekitar 65.500 milyar metrik ton – tersimpan dalam bebatuan. Sisanya berada di lautan, atmosfer, tanaman, tanah, dan bahan bakar fosil.
”]”]Karbon mengalir antara masing-masing penampungan (reservoir) dalam pertukaran yang disebut siklus karbon, yang memiliki komponen lambat dan cepat. Setiap perubahan dalam siklus karbon yang bergeser dari satu reservoir menempatkan lebih banyak karbon di penampungan lain. Perubahan yang menempatkan gas karbon ke atmosfer hasil dalam suhu lebih hangat di Bumi.
Ini
diagram siklus karbon cepat menunjukkan pergerakan karbon antara
daratan, atmosfer, dan lautan. Nomor kuning adalah fluks yang alami, dan
merah merupakan kontribusi manusia dalam gigaton karbon per tahun.
Nomor Putih menunjukkan karbon yang tersimpan. (Diagram diadaptasi dari
U.S. DOE, Biological dan Environmental Research Information System.)
Termostat ini bekerja selama beberapa ratus ribu tahun, sebagai bagian dari siklus karbon lambat. Ini berarti bahwa untuk waktu yang lebih pendek periode-puluhan hingga seratus ribu tahun-suhu bumi dapat bervariasi. Dan, pada kenyataannya, Bumi berayun antara zaman es dan periode hangat interglasial pada skala waktu ini. Bagian dari siklus karbon bahkan mungkin memperbesar perubahan temperatur jangka pendek ini.
Masa
pengangkatan/peninggian puncak Himalaya, dimulai 50 juta tahun lalu,
mengatur ulang termostat Bumi dengan menyediakan sumber besar batuan
segar untuk menarik lebih banyak karbon ke dalam siklus karbon lambat
melalui pelapukan kimiawi. Penurunan mengakibatkan suhu dan pembentukan
lapisan es mengubah rasio antara berat dan ringan oksigen di laut dalam,
seperti yang ditunjukkan dalam grafik ini. (Grafik berdasarkan data
dari Zachos at al, 2001..)
Melalui serangkaian reaksi kimia dan aktivitas tektonik, karbon membutuhkan antara 100-200 juta tahun untuk bergerak di antara bebatuan, tanah, laut, dan atmosfer dalam siklus karbon lambat. Rata-rata, 1013-1014 gram (10-100 juta metrik ton) perpindahan karbon melalui siklus karbon lambat setiap tahun. Sebagai perbandingan, emisi karbon manusia ke atmosfer berada di urutan 1015 gram, sedangkan siklus karbon bergerak cepat 1016-1017 gram karbon per tahun.
Gerakan karbon dari atmosfer ke litosfer (batuan) dimulai dengan hujan. Karbon atmosfer menggabungkan dengan air untuk membentuk asam-asam karbonat yang lemah jatuh ke permukaan dalam hujan. Asam melarutkan batu-sebuah proses yang disebut pelapukan kimiawi dan melepaskan kalsium, magnesium, kalium, atau natrium ion. Sungai membawa ion ke laut.
Sungai
membawa ion-kalsium hasil pelapukan kimiawi batuan-ke laut, di mana
mereka bereaksi dengan karbonat terlarut dalam air. Produk dari reaksi,
kalsium karbonat, kemudian disimpan ke dasar laut, di mana ia menjadi
kapur. (Foto © 2009 Greg Carley.)
Batu
gamping, atau sepupu metamorfik nya, marmer, adalah batuan terbuat
terutama dari kalsium karbonat. Jenis batuan ini sering terbentuk dari
tubuh tumbuhan dan hewan laut, dan kerang serta kerangka mereka dapat
dipertahankan sebagai fosil. Karbon dikurung dalam batu kapur dapat
disimpan untuk jutaan atau bahkan ratusan juta-tahun. (Foto © 2008
Rookuzz (Hmm).)
Ini
lapisan batubara di Skotlandia pada awalnya lapisan sedimen, kaya
karbon organik. Lapisan sedimen akhirnya terkubur di bawah tanah, dan
panas serta tekanan mengubahnya menjadi batubara. Bahan bakar fosil
batubara dan lainnya merupakan sumber energi yang mudah digunakan, namun
ketika mereka dibakar, karbon yang tersimpan dilepaskan ke atmosfer.
Hal ini mengubah keseimbangan siklus karbon, dan mengubah iklim Bumi.
(Foto © 2010 Sandchem.)
Saat gunung berapi meletus, mereka melepaskan gas ke atmosfer dan menutupi tanah dengan batu silikat segar untuk memulai siklus itu lagi. Saat ini, gunung berapi memancarkan antara 130 dan 380 juta metrik ton karbon dioksida per tahun. Sebagai perbandingan, manusia memancarkan sekitar 30 miliar ton karbon dioksida per tahun-100-300 kali lebih dari gunung berapi-oleh pembakaran bahan bakar fosil.
Proses kimiawi yang mengatur tarian ini antara laut, tanah, dan atmosfer. Jika karbon dioksida meningkat di atmosfer karena peningkatan aktivitas vulkanik, misalnya, suhu meningkat, menyebabkan lebih banyak hujan, yang larut batuan lebih, menciptakan lebih banyak ion yang pada akhirnya akan deposit lebih banyak karbon di dasar laut. Dibutuhkan beberapa ratus ribu tahun untuk menyeimbangkan siklus karbon lambat melalui pelapukan kimiawi.
Karbon
yang tersimpan dalam batuan secara alami dikembalikan ke atmosfer oleh
gunung berapi. Dalam foto ini, Rusia Kizimen Volcano melepas abu dan
gas-gas vulkanik pada bulan Januari 2011. Kizimen terletak di
Semenanjung Kamchatka, di mana Lempeng Pasifik mensubduksi di bawah
Asia. (Foto © 2011 Artyom Bezotechestvo / Foto Kamchatka.)
Sebelum era industri, karbon dioksida laut dibuang ke atmosfer dalam keseimbangan dengan karbon lautan diterima selama pelapukan batuan. Namun, karena konsentrasi karbon di atmosfer telah meningkat, laut sekarang mengambil lebih banyak karbon dari atmosfer daripada melepaskan. Selama ribuan tahun, lautan akan menyerap sampai 85 persen dari karbon tambahan orang telah dimasukkan ke dalam atmosfer oleh pembakaran bahan bakar fosil, namun proses ini lambat karena terikat dengan gerakan air dari permukaan laut ke kedalamannya.
Sementara itu, angin, arus, dan suhu mengontrol tingkat di mana lautan mengambil karbon dioksida dari atmosfer.
Waktu yang diperlukan karbon untuk bergerak melalui siklus karbon cepat diukur dalam masa hidup. Siklus karbon cepat sebagian besar pergerakan karbon melalui bentuk kehidupan di Bumi, atau biosfer. Antara 1015 dan 1017 gram (1.000 menjadi 100.000 juta ton metrik) yang bergerak karbon melalui siklus karbon cepat setiap tahun.
Karbon memainkan peran penting dalam biologi karena kemampuannya untuk membentuk ikatan- hingga sebanyak empat per-atom dalam pelbagai molekul organik kompleks yang seolah tanpa akhir. Banyak molekul organik mengandung atom karbon yang telah membentuk ikatan yang kuat untuk atom karbon lainnya, menggabungkan ke dalam rantai panjang dan cincin. Rantai dan cincin karbon tersebut merupakan dasar dari sel-sel hidup. Misalnya, DNA tersusun dari dua molekul terjalin dibangun di sekitar sebuah rantai karbon.
Ikatan dalam rantai karbon panjang mengandung banyak energi. Ketika rantai pecah, energi yang tersimpan dilepaskan. Energi ini membuat molekul karbon merupakan sumber bahan bakar untuk semua makhluk hidup.
Selama
fotosintesis, tanaman menyerap karbon dioksida dan cahaya matahari
untuk menciptakan bahan bakar glukosa dan gula lainnya-untuk membangun
struktur tanaman. Proses ini membentuk dasar dari siklus (biologis)
karbon cepat. (Ilustrasi diadaptasi dari Penjual PJ et al, 1992..)
CO2 + H2O + energi = CH2O + O2
Empat hal bisa terjadi untuk memindahkan karbon dari tanaman dan kembali ke atmosfir, namun semuanya melibatkan reaksi kimia yang sama. Tanaman memecah gula untuk mendapatkan energi yang mereka butuhkan untuk tumbuh. Hewan (termasuk orang) memakan tanaman atau plankton, dan memecah gula tanaman untuk mendapatkan energi. Tanaman dan mati plankton dan pembusukan (yang dimakan oleh bakteri) pada akhir musim tumbuh. Atau api mengkonsumsi tanaman. Dalam setiap kasus, oksigen menggabungkan dengan gula untuk melepaskan air, karbon dioksida, dan energi. Reaksi kimia dasar terlihat seperti ini:
CH2O + O2 = CO2 + H2O + energi
Dalam semua empat proses, karbon dioksida dilepaskan dalam reaksi biasanya berakhir di atmosfer. Siklus karbon cepat begitu erat terkait dengan kehidupan pabrik yang musim tanam dapat dilihat dengan cara karbon dioksida di atmosfer berfluktuasi. Pada musim dingin belahan bumi utara, saat beberapa tanaman darat yang tumbuh dan banyak yang membusuk, konsentrasi karbon dioksida atmosfer naik. Selama musim semi, ketika tanaman mulai tumbuh lagi, konsentrasi menurun. Seolah-olah bumi bernapas.
(Grafik
oleh Marit Jentoft-Nilsen dan Robert Simmon, dengan menggunakan data
dari Laboratorium Penelitian Sistem Bumi NOAA Maps oleh Robert Simmon
dan Reto Stöckli,. Menggunakan data MODIS.)
Puncak siklus ini pada bulan Agustus, dengan sekitar 2 bagian per juta karbon dioksida ditarik keluar dari atmosfer. Dalam dioksida karbon mengembalikan gugur dan musim dingin, sebagai vegetasi mati kembali di belahan bumi utara, dekomposisi dan respirasi ke atmosfer.
Peta-peta ini menunjukkan produktivitas primer bersih (jumlah karbon dikonsumsi oleh tanaman) pada lahan (hijau) dan di lautan (biru) selama bulan Agustus dan Desember, 2010. Pada Agustus, daerah hijau Amerika Utara, Eropa, dan Asia merupakan tanaman menggunakan karbon dari atmosfer untuk tumbuh. Pada bulan Desember, produktivitas primer bersih di lintang tinggi adalah negatif, yang melampaui peningkatan musiman di vegetasi di belahan bumi selatan. Akibatnya, jumlah karbon dioksida di atmosfer meningkat.
Ditinggalkan tidak terganggu, siklus karbon cepat dan lambat mempertahankan konsentrasi yang relatif stabil karbon di atmosfer, tanah, tanaman, dan laut. Tapi ketika ada perubahan jumlah karbon dalam satu penampungan, riak efeknya melalui yang lain.
Di masa lalu Bumi, siklus karbon telah berubah dalam menanggapi perubahan iklim. Variasi di orbit Bumi mengubah jumlah Bumi menerima energi dari Matahari dan mengarah ke siklus zaman es dan periode hangat seperti iklim bumi saat ini. (Lihat Milutin Milankovitch.) Zaman es berkembang ketika musim panas belahan bumi utara dingin dan es terbangun di atas tanah, yang pada gilirannya memperlambat siklus karbon. Sementara itu, sejumlah faktor termasuk suhu dingin dan pertumbuhan fitoplankton meningkat mungkin telah meningkatkan jumlah karbon samudra mengeluarkan dari atmosfer. Penurunan karbon di atmosfer menyebabkan pendinginan tambahan. Demikian pula, pada akhir Zaman Es terakhir, 10.000 tahun yang lalu, karbon dioksida di atmosfer meningkat secara dramatis karena suhu hangat.
Tingkat
karbon dioksida di atmosfer telah berhubungan erat dengan suhu selama
800.000 tahun terakhir. Meskipun perubahan suhu tersebut dipicu oleh
variasi di orbit Bumi, suhu global yang meningkat merilis CO2 ke
atmosfer, yang pada gilirannya menghangatkan Bumi pada gilirannya.
(Grafik oleh Robert Simmon, dengan menggunakan data dari Lüthi et al.,
2008, dan Jouzel dkk., 2007.)
Hari ini, perubahan dalam siklus karbon sedang terjadi karena orang-orang. Kita mengacaukan siklus karbon dengan pembakaran bahan bakar fosil dan pembukaan lahan.
Ketika kita menebangi hutan, kita menghapus pertumbuhan padat tanaman yang telah disimpan karbon dalam kayu, batang, dan daun-biomassa. Dengan menghapus hutan, kita menghilangkan tanaman yang lain akan mengambil karbon dari atmosfer saat mereka tumbuh. Kita cenderung untuk menggantikan pertumbuhan padat dengan tanaman atau padang rumput, yang menyimpan karbon kurang. Kita juga mengekspos tanah yang melepas karbon dari materi tanaman membusuk ke atmosfer. Manusia saat ini memancarkan hanya sedikit di bawah miliar ton karbon ke atmosfer per tahun melalui perubahan penggunaan lahan.
Pembakaran
bahan bakar fosil adalah sumber utama dari karbon dioksida yang
meningkat di atmosfer saat ini. (Foto © 2009 stevendepolo.)
Emisi
karbon dioksida oleh manusia (terutama dari pembakaran bahan bakar
fosil, dengan kontribusi dari produksi semen) telah berkembang terus
sejak awal revolusi industri. Sekitar setengah dari emisi ini
dikeluarkan oleh siklus karbon cepat setiap tahun, sisanya tetap berada
di atmosfer. (Grafik oleh Robert Simmon, dengan menggunakan data dari
Carbon Dioxide Information Analysis Center dan Global Carbon Project.)
Semua karbon tambahan ini perlu pergi ke suatu tempat. Sejauh ini, tanaman darat dan laut telah mengambil sampai sekitar 55 persen dari karbon tambahan yang orang-orang telah buang ke dalam atmosfir sementara sekitar 45 persen tetap di atmosfer. Akhirnya, tanah dan lautan akan mengambil sebagian besar karbon dioksida ekstra, namun sebanyak 20 persen mungkin tetap berada di atmosfer selama ribuan tahun.
Perubahan dalam siklus karbon memengaruhi setiap reservoir. Kelebihan karbon di atmosfer menghangatkan planet ini dan membantu tanaman di tanah tumbuh lebih banyak. Kelebihan karbon di laut membuat air lebih asam, menempatkan kehidupan laut dalam bahaya.
Atmosfer
Penting bahwa begitu banyak karbon dioksida tetap berada di atmosfer karena CO2 adalah gas yang paling penting untuk mengendalikan suhu bumi. Karbon dioksida, metana, dan gas rumah kaca halokarbon adalah yang menyerap berbagai energi termasuk energi inframerah (panas) yang dipancarkan oleh Bumi-dan kemudian memancarkan kembali itu. Energi yang dipancarkan kembali perjalanan ke segala arah, tetapi beberapa kembali ke Bumi, di mana ia memanaskan permukaan. Tanpa gas rumah kaca, bumi akan menjadi -18 derajat Celcius beku (0 derajat Fahrenheit). Dengan terlalu banyak gas rumah kaca, bumi akan seperti Venus, mana suasana rumah kaca membuat suhu sekitar 400 derajat Celsius (750 Fahrenheit).
Peningkatan
kosentrasi karbon dioksida menghangatkan atmosfer. Peningkatan
temperatur menghasilkan tingkat penguapan yang lebih tinggi dan suasana
basah, yang mengarah ke lingkaran setan pemanasan lebih lanjut. (Foto ©
2011 Patrick Wilken.)
Konsentrasi uap air di udara dikendalikan oleh suhu bumi. Suhu hangat menguapkan lebih banyak air dari lautan, memperluas massa udara, dan mengakibatkan kelembaban yang lebih tinggi. Pendingin menyebabkan uap air mengembun dan jatuh sebagai hujan, hujan es, atau salju.
Karbon dioksida, di sisi lain, tetap gas pada kisaran suhu atmosfer yang lebih luas daripada air. Molekul karbon dioksida memberikan pemanasan rumah kaca awal yang diperlukan untuk menjaga konsentrasi uap air. Ketika konsentrasi karbon dioksida menurun, Bumi mendingin, sebagian uap air jatuh dari atmosfer, dan pemanasan rumah kaca yang disebabkan oleh tetes uap air. Demikian juga, ketika karbon dioksida konsentrasi meningkat, suhu udara naik, dan lebih banyak uap air menguap ke atmosfer-yang kemudian menguatkan pemanasan rumah kaca.
Jadi sementara karbon dioksida menyumbang lebih sedikit untuk efek rumah kaca secara keseluruhan daripada uap air, para ilmuwan telah menemukan bahwa karbon dioksida adalah gas yang menetapkan suhu. Karbon dioksida mengontrol jumlah uap air di atmosfer dan dengan demikian ukuran efek rumah kaca.
Konsentrasi karbon dioksida sudah menyebabkan planet ini memanas. Pada saat yang sama bahwa gas rumah kaca telah meningkat, suhu global rata-rata telah meningkat 0,8 derajat Celsius (1,4 derajat Fahrenheit) sejak 1880.
Dengan
siklus musiman dihapus, konsentrasi karbon dioksida atmosfer yang
diukur pada Mauna Loa Volcano, Hawaii, menunjukkan peningkatan yang
stabil sejak tahun 1957. Pada saat yang sama suhu rata-rata global
meningkat sebagai akibat dari panas yang terperangkap oleh CO2 tambahan
dan konsentrasi uap air meningkat. (Grafik oleh Robert Simmon,
menggunakan data CO2 dari Laboratorium Penelitian Sistem Bumi NOAA dan
data suhu dari Institut Goddard untuk Studi Ruang Angkasa.)
Samudra
Sekitar 30% dari karbon dioksida yang yang orang-orang telah buang ke dalam atmosfer telah menyebar ke laut melalui pertukaran kimia langsung. Pelarutan karbon dioksida di laut menciptakan asam karbonat, yang meningkatkan keasaman air. Atau lebih tepatnya, samudra sedikit basa menjadi sedikit kurang basa. Sejak tahun 1750, pH permukaan laut telah menurun sebesar 0,1, perubahan 30 persen keasaman.
Beberapa
kelebihan CO2 yang diemisikan oleh aktivitas manusia larut dalam
samudra, menjadi asam karbonat. Peningkatan karbon dioksida tidak hanya
mengarah ke lautan hangat, tetapi juga untuk lautan lebih asam. (Foto ©
2010 Way Out West News.)
Kedua, air lebih asam, semakin baik larut kalsium karbonat. Dalam jangka panjang, reaksi ini akan memungkinkan laut untuk menyerap kelebihan karbon dioksida karena air lebih asam akan melarutkan batu lebih, melepaskan ion karbonat lebih, dan meningkatkan kapasitas laut untuk menyerap karbon dioksida. Sementara itu, meskipun, lebih banyak air asam akan melarutkan cangkang karbonat organisme laut, membuat mereka berlubang dan lemah.
Lautan yang lebih hangat – hasil dari efek rumah kaca – juga dapat menurunkan kelimpahan fitoplankton, yang tumbuh lebih baik dalam periaran yang dingin dan kaya nutrisi. Hal ini dapat membatasi kemampuan laut untuk mengambil karbon dari atmosfer melalui siklus karbon cepat.
Di sisi lain, karbon dioksida sangat penting untuk pertumbuhan tanaman dan fitoplankton. Peningkatan karbon dioksida dapat meningkatkan pertumbuhan dengan pemupukan mereka beberapa spesies tanaman fitoplankton dan laut (seperti rumput laut) yang mengambil karbon dioksida langsung dari air. Namun, spesies yang paling tidak dibantu oleh peningkatan ketersediaan karbon dioksida.
Tanah
Tanaman di darat telah mengambil sekitar 25% dari karbon dioksida bahwa manusia telah dimasukkan ke dalam atmosfer. Jumlah karbon yang diambil tanaman sangat bervariasi dari tahun ke tahun, tetapi secara umum, tanaman di dunia telah meningkatkan jumlah karbon dioksida mereka serap sejak tahun 1960. Hanya beberapa dari peningkatan tersebut terjadi sebagai akibat langsung dari emisi bahan bakar fosil.
Dengan lebih banyak karbon dioksida atmosfer yang tersedia untuk mengkonversi ke materi tanaman dalam fotosintesis, tanaman mampu tumbuh lebih. Ini peningkatan pertumbuhan disebut sebagai fertilisasi karbon. Model memperkirakan bahwa tanaman akan tumbuh 12% sampai 76% lebih banyak jika karbon dioksida atmosfer adalah dua kali lipat, asalkan tidak ada yang lain, seperti kekurangan air, batas-batas pertumbuhan mereka. Namun, para ilmuwan tidak tahu berapa banyak karbon dioksida meningkat pertumbuhan tanaman di dunia nyata, karena tanaman membutuhkan lebih dari karbon dioksida untuk tumbuh.
Tanaman juga membutuhkan air, sinar matahari, dan nutrisi, terutama nitrogen. Jika tanaman tidak memiliki salah satu dari hal-hal ini, tidak akan tumbuh terlepas dari bagaimana berlimpah kebutuhan lainnya. Ada batas untuk berapa banyak tanaman dapat mengambil karbon dari atmosfer, dan yang membatasi variasi dari daerah ke daerah. Sejauh ini, tampak bahwa pertumbuhan fertilisasi karbon dioksida tanaman meningkat sampai tanaman mencapai batasan dalam jumlah air atau nitrogen yang tersedia.
Beberapa perubahan dalam penyerapan karbon adalah hasil dari keputusan penggunaan lahan. Pertanian telah menjadi jauh lebih intensif, sehingga kita dapat menumbuhkan lebih banyak pangan pada lahan yang sempit. Di ketinggian tinggi dan sedang, lahan pertanian ditinggalkan kembali menjadi hutan, dan hutan-hutan ini menyimpan karbon lebih banyak, baik dalam kayu dan tanah, dibandingkan tanaman pangan. Di banyak tempat, kita mencegah karbon tanaman dari memasuki atmosfer dengan memadamkan kebakaran hutan. Hal ini memungkinkan bahan kayu (yang menyimpan karbon) untuk menumpuk. Semua keputusan penggunaan lahan yang membantu tanaman menyerap karbon yang hasilkan manusia di belahan bumi utara.
Perubahan
dalam penutupan lahan-hutan diubah menjadi ladang dan ladang dikonversi
ke hutan-memiliki efek yang sesuai pada siklus karbon. Di beberapa
negara belahan bumi utara, banyak peternakan yang ditinggalkan di awal
abad 20 dan tanah kembali menjadi hutan. Akibatnya, karbon ditarik
keluar dari atmosfer dan disimpan di pohon pada lahan. (Foto © 2007
Husein Kadribegic.)
Perubahan terbesar dalam siklus karbon tanah mungkin hadir karena perubahan iklim. Karbon dioksida meningkatkan suhu, memperpanjang musim tanam dan kelembaban meningkat. Kedua faktor telah menyebabkan beberapa pertumbuhan tanaman tambahan. Namun, suhu yang lebih hangat juga menekan tanaman. Dengan musim tanam yang lebih panjang, hangat, tanaman membutuhkan lebih banyak air untuk bertahan hidup. Para ilmuwan telah melihat bukti bahwa tanaman di belahan bumi utara memperlambat pertumbuhan mereka di musim panas karena suhu hangat dan kekurangan air.
Kering,tanaman kekurangan air juga lebih rentan terhadap kebakaran dan serangga ketika musim tumbuh menjadi lebih lama. Jauh di utara, di mana peningkatan suhu memiliki dampak terbesar, hutan sudah mulai terbakar lebih banyak, melepaskan karbon dari tanaman dan tanah ke atmosfer. Hutan tropis mungkin juga sangat rentan terhadap pengeringan. Dengan sedikit air, pohon-pohon tropis memperlambat pertumbuhan mereka dan mengambil karbon kurang, atau mati dan melepaskan karbon mereka disimpan ke atmosfer.
Pemanasan yang disebabkan oleh meningkatnya gas rumah kaca juga dapat “panggang” tanah, mempercepat tingkat di mana karbon merembes di beberapa tempat. Ini adalah perhatian khusus di bagian ujung utara, di mana tanah beku- lapisan es abadi/permafrost – mencair. Permafrost mengandung deposit kaya karbon dari materi tanaman yang telah terakumulasi selama ribuan tahun karena dingin memperlambat pembusukan. Ketika menghangatkan tanah, membusuk bahan organik dan karbon-dalam bentuk metana dan karbon dioksida-merembes ke atmosfer.
Penelitian saat ini memperkirakan bahwa lapisan es di belahan bumi utara memegang 1.672 miliar ton (Petagrams) karbon organik. Jika hanya 10 persen ini permafrost yang mencair, bisa melepaskan karbon dioksida ke atmosfer cukup ekstra untuk menaikkan suhu suatu tambahan 0,7 derajat Celcius (1,3 derajat Fahrenheit) pada tahun 2100.
artikel ini disalin lengkap dari: http://catatan.legawa.com/2011/07/siklus-karbon/
halaman utama website: http://catatan.legawa.com
jika mencari artikel yang lebih menarik lagi, kunjungi halaman utama website tersebut. Terimakasih!
Dibentuk di dalam jantung bintang-bintang yang menua, karbon merupakan elemen keempat terbanyak di alam semesta kita. Kebanyakan karbon bumi – sekitar 65.500 milyar metrik ton – tersimpan dalam bebatuan. Sisanya berada di lautan, atmosfer, tanaman, tanah, dan bahan bakar fosil.
”]”]Karbon mengalir antara masing-masing penampungan (reservoir) dalam pertukaran yang disebut siklus karbon, yang memiliki komponen lambat dan cepat. Setiap perubahan dalam siklus karbon yang bergeser dari satu reservoir menempatkan lebih banyak karbon di penampungan lain. Perubahan yang menempatkan gas karbon ke atmosfer hasil dalam suhu lebih hangat di Bumi.
Termostat ini bekerja selama beberapa ratus ribu tahun, sebagai bagian dari siklus karbon lambat. Ini berarti bahwa untuk waktu yang lebih pendek periode-puluhan hingga seratus ribu tahun-suhu bumi dapat bervariasi. Dan, pada kenyataannya, Bumi berayun antara zaman es dan periode hangat interglasial pada skala waktu ini. Bagian dari siklus karbon bahkan mungkin memperbesar perubahan temperatur jangka pendek ini.
Melalui serangkaian reaksi kimia dan aktivitas tektonik, karbon membutuhkan antara 100-200 juta tahun untuk bergerak di antara bebatuan, tanah, laut, dan atmosfer dalam siklus karbon lambat. Rata-rata, 1013-1014 gram (10-100 juta metrik ton) perpindahan karbon melalui siklus karbon lambat setiap tahun. Sebagai perbandingan, emisi karbon manusia ke atmosfer berada di urutan 1015 gram, sedangkan siklus karbon bergerak cepat 1016-1017 gram karbon per tahun.
Gerakan karbon dari atmosfer ke litosfer (batuan) dimulai dengan hujan. Karbon atmosfer menggabungkan dengan air untuk membentuk asam-asam karbonat yang lemah jatuh ke permukaan dalam hujan. Asam melarutkan batu-sebuah proses yang disebut pelapukan kimiawi dan melepaskan kalsium, magnesium, kalium, atau natrium ion. Sungai membawa ion ke laut.
Saat gunung berapi meletus, mereka melepaskan gas ke atmosfer dan menutupi tanah dengan batu silikat segar untuk memulai siklus itu lagi. Saat ini, gunung berapi memancarkan antara 130 dan 380 juta metrik ton karbon dioksida per tahun. Sebagai perbandingan, manusia memancarkan sekitar 30 miliar ton karbon dioksida per tahun-100-300 kali lebih dari gunung berapi-oleh pembakaran bahan bakar fosil.
Proses kimiawi yang mengatur tarian ini antara laut, tanah, dan atmosfer. Jika karbon dioksida meningkat di atmosfer karena peningkatan aktivitas vulkanik, misalnya, suhu meningkat, menyebabkan lebih banyak hujan, yang larut batuan lebih, menciptakan lebih banyak ion yang pada akhirnya akan deposit lebih banyak karbon di dasar laut. Dibutuhkan beberapa ratus ribu tahun untuk menyeimbangkan siklus karbon lambat melalui pelapukan kimiawi.
Sebelum era industri, karbon dioksida laut dibuang ke atmosfer dalam keseimbangan dengan karbon lautan diterima selama pelapukan batuan. Namun, karena konsentrasi karbon di atmosfer telah meningkat, laut sekarang mengambil lebih banyak karbon dari atmosfer daripada melepaskan. Selama ribuan tahun, lautan akan menyerap sampai 85 persen dari karbon tambahan orang telah dimasukkan ke dalam atmosfer oleh pembakaran bahan bakar fosil, namun proses ini lambat karena terikat dengan gerakan air dari permukaan laut ke kedalamannya.
Sementara itu, angin, arus, dan suhu mengontrol tingkat di mana lautan mengambil karbon dioksida dari atmosfer.
Waktu yang diperlukan karbon untuk bergerak melalui siklus karbon cepat diukur dalam masa hidup. Siklus karbon cepat sebagian besar pergerakan karbon melalui bentuk kehidupan di Bumi, atau biosfer. Antara 1015 dan 1017 gram (1.000 menjadi 100.000 juta ton metrik) yang bergerak karbon melalui siklus karbon cepat setiap tahun.
Karbon memainkan peran penting dalam biologi karena kemampuannya untuk membentuk ikatan- hingga sebanyak empat per-atom dalam pelbagai molekul organik kompleks yang seolah tanpa akhir. Banyak molekul organik mengandung atom karbon yang telah membentuk ikatan yang kuat untuk atom karbon lainnya, menggabungkan ke dalam rantai panjang dan cincin. Rantai dan cincin karbon tersebut merupakan dasar dari sel-sel hidup. Misalnya, DNA tersusun dari dua molekul terjalin dibangun di sekitar sebuah rantai karbon.
Ikatan dalam rantai karbon panjang mengandung banyak energi. Ketika rantai pecah, energi yang tersimpan dilepaskan. Energi ini membuat molekul karbon merupakan sumber bahan bakar untuk semua makhluk hidup.
CO2 + H2O + energi = CH2O + O2
Empat hal bisa terjadi untuk memindahkan karbon dari tanaman dan kembali ke atmosfir, namun semuanya melibatkan reaksi kimia yang sama. Tanaman memecah gula untuk mendapatkan energi yang mereka butuhkan untuk tumbuh. Hewan (termasuk orang) memakan tanaman atau plankton, dan memecah gula tanaman untuk mendapatkan energi. Tanaman dan mati plankton dan pembusukan (yang dimakan oleh bakteri) pada akhir musim tumbuh. Atau api mengkonsumsi tanaman. Dalam setiap kasus, oksigen menggabungkan dengan gula untuk melepaskan air, karbon dioksida, dan energi. Reaksi kimia dasar terlihat seperti ini:
CH2O + O2 = CO2 + H2O + energi
Dalam semua empat proses, karbon dioksida dilepaskan dalam reaksi biasanya berakhir di atmosfer. Siklus karbon cepat begitu erat terkait dengan kehidupan pabrik yang musim tanam dapat dilihat dengan cara karbon dioksida di atmosfer berfluktuasi. Pada musim dingin belahan bumi utara, saat beberapa tanaman darat yang tumbuh dan banyak yang membusuk, konsentrasi karbon dioksida atmosfer naik. Selama musim semi, ketika tanaman mulai tumbuh lagi, konsentrasi menurun. Seolah-olah bumi bernapas.
Puncak siklus ini pada bulan Agustus, dengan sekitar 2 bagian per juta karbon dioksida ditarik keluar dari atmosfer. Dalam dioksida karbon mengembalikan gugur dan musim dingin, sebagai vegetasi mati kembali di belahan bumi utara, dekomposisi dan respirasi ke atmosfer.
Peta-peta ini menunjukkan produktivitas primer bersih (jumlah karbon dikonsumsi oleh tanaman) pada lahan (hijau) dan di lautan (biru) selama bulan Agustus dan Desember, 2010. Pada Agustus, daerah hijau Amerika Utara, Eropa, dan Asia merupakan tanaman menggunakan karbon dari atmosfer untuk tumbuh. Pada bulan Desember, produktivitas primer bersih di lintang tinggi adalah negatif, yang melampaui peningkatan musiman di vegetasi di belahan bumi selatan. Akibatnya, jumlah karbon dioksida di atmosfer meningkat.
Ditinggalkan tidak terganggu, siklus karbon cepat dan lambat mempertahankan konsentrasi yang relatif stabil karbon di atmosfer, tanah, tanaman, dan laut. Tapi ketika ada perubahan jumlah karbon dalam satu penampungan, riak efeknya melalui yang lain.
Di masa lalu Bumi, siklus karbon telah berubah dalam menanggapi perubahan iklim. Variasi di orbit Bumi mengubah jumlah Bumi menerima energi dari Matahari dan mengarah ke siklus zaman es dan periode hangat seperti iklim bumi saat ini. (Lihat Milutin Milankovitch.) Zaman es berkembang ketika musim panas belahan bumi utara dingin dan es terbangun di atas tanah, yang pada gilirannya memperlambat siklus karbon. Sementara itu, sejumlah faktor termasuk suhu dingin dan pertumbuhan fitoplankton meningkat mungkin telah meningkatkan jumlah karbon samudra mengeluarkan dari atmosfer. Penurunan karbon di atmosfer menyebabkan pendinginan tambahan. Demikian pula, pada akhir Zaman Es terakhir, 10.000 tahun yang lalu, karbon dioksida di atmosfer meningkat secara dramatis karena suhu hangat.
Hari ini, perubahan dalam siklus karbon sedang terjadi karena orang-orang. Kita mengacaukan siklus karbon dengan pembakaran bahan bakar fosil dan pembukaan lahan.
Ketika kita menebangi hutan, kita menghapus pertumbuhan padat tanaman yang telah disimpan karbon dalam kayu, batang, dan daun-biomassa. Dengan menghapus hutan, kita menghilangkan tanaman yang lain akan mengambil karbon dari atmosfer saat mereka tumbuh. Kita cenderung untuk menggantikan pertumbuhan padat dengan tanaman atau padang rumput, yang menyimpan karbon kurang. Kita juga mengekspos tanah yang melepas karbon dari materi tanaman membusuk ke atmosfer. Manusia saat ini memancarkan hanya sedikit di bawah miliar ton karbon ke atmosfer per tahun melalui perubahan penggunaan lahan.
Semua karbon tambahan ini perlu pergi ke suatu tempat. Sejauh ini, tanaman darat dan laut telah mengambil sampai sekitar 55 persen dari karbon tambahan yang orang-orang telah buang ke dalam atmosfir sementara sekitar 45 persen tetap di atmosfer. Akhirnya, tanah dan lautan akan mengambil sebagian besar karbon dioksida ekstra, namun sebanyak 20 persen mungkin tetap berada di atmosfer selama ribuan tahun.
Perubahan dalam siklus karbon memengaruhi setiap reservoir. Kelebihan karbon di atmosfer menghangatkan planet ini dan membantu tanaman di tanah tumbuh lebih banyak. Kelebihan karbon di laut membuat air lebih asam, menempatkan kehidupan laut dalam bahaya.
Atmosfer
Penting bahwa begitu banyak karbon dioksida tetap berada di atmosfer karena CO2 adalah gas yang paling penting untuk mengendalikan suhu bumi. Karbon dioksida, metana, dan gas rumah kaca halokarbon adalah yang menyerap berbagai energi termasuk energi inframerah (panas) yang dipancarkan oleh Bumi-dan kemudian memancarkan kembali itu. Energi yang dipancarkan kembali perjalanan ke segala arah, tetapi beberapa kembali ke Bumi, di mana ia memanaskan permukaan. Tanpa gas rumah kaca, bumi akan menjadi -18 derajat Celcius beku (0 derajat Fahrenheit). Dengan terlalu banyak gas rumah kaca, bumi akan seperti Venus, mana suasana rumah kaca membuat suhu sekitar 400 derajat Celsius (750 Fahrenheit).
Konsentrasi uap air di udara dikendalikan oleh suhu bumi. Suhu hangat menguapkan lebih banyak air dari lautan, memperluas massa udara, dan mengakibatkan kelembaban yang lebih tinggi. Pendingin menyebabkan uap air mengembun dan jatuh sebagai hujan, hujan es, atau salju.
Karbon dioksida, di sisi lain, tetap gas pada kisaran suhu atmosfer yang lebih luas daripada air. Molekul karbon dioksida memberikan pemanasan rumah kaca awal yang diperlukan untuk menjaga konsentrasi uap air. Ketika konsentrasi karbon dioksida menurun, Bumi mendingin, sebagian uap air jatuh dari atmosfer, dan pemanasan rumah kaca yang disebabkan oleh tetes uap air. Demikian juga, ketika karbon dioksida konsentrasi meningkat, suhu udara naik, dan lebih banyak uap air menguap ke atmosfer-yang kemudian menguatkan pemanasan rumah kaca.
Jadi sementara karbon dioksida menyumbang lebih sedikit untuk efek rumah kaca secara keseluruhan daripada uap air, para ilmuwan telah menemukan bahwa karbon dioksida adalah gas yang menetapkan suhu. Karbon dioksida mengontrol jumlah uap air di atmosfer dan dengan demikian ukuran efek rumah kaca.
Konsentrasi karbon dioksida sudah menyebabkan planet ini memanas. Pada saat yang sama bahwa gas rumah kaca telah meningkat, suhu global rata-rata telah meningkat 0,8 derajat Celsius (1,4 derajat Fahrenheit) sejak 1880.
Samudra
Sekitar 30% dari karbon dioksida yang yang orang-orang telah buang ke dalam atmosfer telah menyebar ke laut melalui pertukaran kimia langsung. Pelarutan karbon dioksida di laut menciptakan asam karbonat, yang meningkatkan keasaman air. Atau lebih tepatnya, samudra sedikit basa menjadi sedikit kurang basa. Sejak tahun 1750, pH permukaan laut telah menurun sebesar 0,1, perubahan 30 persen keasaman.
Kedua, air lebih asam, semakin baik larut kalsium karbonat. Dalam jangka panjang, reaksi ini akan memungkinkan laut untuk menyerap kelebihan karbon dioksida karena air lebih asam akan melarutkan batu lebih, melepaskan ion karbonat lebih, dan meningkatkan kapasitas laut untuk menyerap karbon dioksida. Sementara itu, meskipun, lebih banyak air asam akan melarutkan cangkang karbonat organisme laut, membuat mereka berlubang dan lemah.
Lautan yang lebih hangat – hasil dari efek rumah kaca – juga dapat menurunkan kelimpahan fitoplankton, yang tumbuh lebih baik dalam periaran yang dingin dan kaya nutrisi. Hal ini dapat membatasi kemampuan laut untuk mengambil karbon dari atmosfer melalui siklus karbon cepat.
Di sisi lain, karbon dioksida sangat penting untuk pertumbuhan tanaman dan fitoplankton. Peningkatan karbon dioksida dapat meningkatkan pertumbuhan dengan pemupukan mereka beberapa spesies tanaman fitoplankton dan laut (seperti rumput laut) yang mengambil karbon dioksida langsung dari air. Namun, spesies yang paling tidak dibantu oleh peningkatan ketersediaan karbon dioksida.
Tanah
Tanaman di darat telah mengambil sekitar 25% dari karbon dioksida bahwa manusia telah dimasukkan ke dalam atmosfer. Jumlah karbon yang diambil tanaman sangat bervariasi dari tahun ke tahun, tetapi secara umum, tanaman di dunia telah meningkatkan jumlah karbon dioksida mereka serap sejak tahun 1960. Hanya beberapa dari peningkatan tersebut terjadi sebagai akibat langsung dari emisi bahan bakar fosil.
Dengan lebih banyak karbon dioksida atmosfer yang tersedia untuk mengkonversi ke materi tanaman dalam fotosintesis, tanaman mampu tumbuh lebih. Ini peningkatan pertumbuhan disebut sebagai fertilisasi karbon. Model memperkirakan bahwa tanaman akan tumbuh 12% sampai 76% lebih banyak jika karbon dioksida atmosfer adalah dua kali lipat, asalkan tidak ada yang lain, seperti kekurangan air, batas-batas pertumbuhan mereka. Namun, para ilmuwan tidak tahu berapa banyak karbon dioksida meningkat pertumbuhan tanaman di dunia nyata, karena tanaman membutuhkan lebih dari karbon dioksida untuk tumbuh.
Tanaman juga membutuhkan air, sinar matahari, dan nutrisi, terutama nitrogen. Jika tanaman tidak memiliki salah satu dari hal-hal ini, tidak akan tumbuh terlepas dari bagaimana berlimpah kebutuhan lainnya. Ada batas untuk berapa banyak tanaman dapat mengambil karbon dari atmosfer, dan yang membatasi variasi dari daerah ke daerah. Sejauh ini, tampak bahwa pertumbuhan fertilisasi karbon dioksida tanaman meningkat sampai tanaman mencapai batasan dalam jumlah air atau nitrogen yang tersedia.
Beberapa perubahan dalam penyerapan karbon adalah hasil dari keputusan penggunaan lahan. Pertanian telah menjadi jauh lebih intensif, sehingga kita dapat menumbuhkan lebih banyak pangan pada lahan yang sempit. Di ketinggian tinggi dan sedang, lahan pertanian ditinggalkan kembali menjadi hutan, dan hutan-hutan ini menyimpan karbon lebih banyak, baik dalam kayu dan tanah, dibandingkan tanaman pangan. Di banyak tempat, kita mencegah karbon tanaman dari memasuki atmosfer dengan memadamkan kebakaran hutan. Hal ini memungkinkan bahan kayu (yang menyimpan karbon) untuk menumpuk. Semua keputusan penggunaan lahan yang membantu tanaman menyerap karbon yang hasilkan manusia di belahan bumi utara.
Perubahan terbesar dalam siklus karbon tanah mungkin hadir karena perubahan iklim. Karbon dioksida meningkatkan suhu, memperpanjang musim tanam dan kelembaban meningkat. Kedua faktor telah menyebabkan beberapa pertumbuhan tanaman tambahan. Namun, suhu yang lebih hangat juga menekan tanaman. Dengan musim tanam yang lebih panjang, hangat, tanaman membutuhkan lebih banyak air untuk bertahan hidup. Para ilmuwan telah melihat bukti bahwa tanaman di belahan bumi utara memperlambat pertumbuhan mereka di musim panas karena suhu hangat dan kekurangan air.
Kering,tanaman kekurangan air juga lebih rentan terhadap kebakaran dan serangga ketika musim tumbuh menjadi lebih lama. Jauh di utara, di mana peningkatan suhu memiliki dampak terbesar, hutan sudah mulai terbakar lebih banyak, melepaskan karbon dari tanaman dan tanah ke atmosfer. Hutan tropis mungkin juga sangat rentan terhadap pengeringan. Dengan sedikit air, pohon-pohon tropis memperlambat pertumbuhan mereka dan mengambil karbon kurang, atau mati dan melepaskan karbon mereka disimpan ke atmosfer.
Pemanasan yang disebabkan oleh meningkatnya gas rumah kaca juga dapat “panggang” tanah, mempercepat tingkat di mana karbon merembes di beberapa tempat. Ini adalah perhatian khusus di bagian ujung utara, di mana tanah beku- lapisan es abadi/permafrost – mencair. Permafrost mengandung deposit kaya karbon dari materi tanaman yang telah terakumulasi selama ribuan tahun karena dingin memperlambat pembusukan. Ketika menghangatkan tanah, membusuk bahan organik dan karbon-dalam bentuk metana dan karbon dioksida-merembes ke atmosfer.
Penelitian saat ini memperkirakan bahwa lapisan es di belahan bumi utara memegang 1.672 miliar ton (Petagrams) karbon organik. Jika hanya 10 persen ini permafrost yang mencair, bisa melepaskan karbon dioksida ke atmosfer cukup ekstra untuk menaikkan suhu suatu tambahan 0,7 derajat Celcius (1,3 derajat Fahrenheit) pada tahun 2100.
artikel ini disalin lengkap dari: http://catatan.legawa.com/2011/07/siklus-karbon/
halaman utama website: http://catatan.legawa.com
jika mencari artikel yang lebih menarik lagi, kunjungi halaman utama website tersebut. Terimakasih!
No comments:
Post a Comment