lovesouthernsocial.com

Chu trình cacbon là chuyển động dịch chuyển của nguyên tố cacbon trong các môi trường khác nhau

Hình ảnh đã được chỉnh sửa và thay đổi kích thước bởi Mitchell Griest, có sẵn trên Unsplash

Chu trình cacbon là sự chuyển dịch của nguyên tố cacbon trong các môi trường khác nhau, bao gồm đá, đất, đại dương và thực vật. Điều này ngăn không cho nó tích tụ hoàn toàn trong khí quyển và ổn định nhiệt độ Trái đất. Đối với địa chất, có hai loại chu kỳ carbon: chu kỳ chậm kéo dài hàng trăm nghìn năm và chu kỳ nhanh kéo dài hàng chục đến 100.000 năm.

carbon

Carbon là một nguyên tố hóa học được tìm thấy rất nhiều trong đá và ở mức độ thấp hơn, trong đất, đại dương, rau quả, khí quyển, cơ thể sống và các vật thể. Nó được rèn trong các vì sao, là nguyên tố phong phú thứ tư trong vũ trụ và cần thiết cho việc duy trì sự sống trên Trái đất như chúng ta đã biết. Tuy nhiên, ông cũng là một trong những nguyên nhân của một vấn đề đáng kể: biến đổi khí hậu.

Theo quy mô thời gian rất dài (hàng triệu đến hàng chục triệu năm), sự chuyển động của các mảng kiến ​​tạo và sự thay đổi tốc độ carbon xâm nhập vào bên trong Trái đất có thể làm thay đổi nhiệt độ toàn cầu. Trái đất đã trải qua sự thay đổi này trong 50 triệu năm qua, từ vùng khí hậu cực kỳ nóng của kỷ Phấn trắng (khoảng 145 đến 65 triệu năm trước) đến vùng khí hậu băng giá trong kỷ Pleistocen (khoảng 1,8 triệu đến 11.500 năm trước).

chu kỳ chậm

Thông qua một loạt các phản ứng hóa học và hoạt động kiến ​​tạo, carbon mất từ ​​100 đến 200 triệu năm để di chuyển giữa đá, đất, đại dương và khí quyển trong chu trình carbon diễn ra chậm rãi. Trung bình, từ 10 đến 100 triệu tấn carbon đi qua chu kỳ chậm trong một năm. Để so sánh, lượng phát thải carbon của con người vào bầu khí quyển là 10 tỷ tấn, trong khi chu kỳ carbon nhanh chóng di chuyển từ 10 đến 100 tỷ carbon mỗi năm.

Sự di chuyển của cacbon từ khí quyển đến thạch quyển (đá) bắt đầu bằng mưa. Carbon trong khí quyển, kết hợp với nước, tạo thành axit cacbonic, được lắng đọng trên bề mặt thông qua mưa. Axit này hòa tan đá trong một quá trình được gọi là phong hóa hóa học, giải phóng các ion canxi, magiê, kali hoặc natri. Các ion này được vận chuyển đến sông và từ sông ra đại dương.

• Nguồn gốc của nhựa gây ô nhiễm đại dương là gì?
• Axit hóa đại dương: một vấn đề nghiêm trọng đối với hành tinh

Trong đại dương, các ion canxi kết hợp với các ion bicacbonat để tạo thành canxi cacbonat, thành phần tích cực trong thuốc kháng axit. Trong đại dương, hầu hết canxi cacbonat được tạo ra bởi các sinh vật tạo vỏ (vôi hóa) (như san hô) và sinh vật phù du (như coccolithophores và foraminifera). Sau khi những sinh vật này chết đi, chúng sẽ chìm xuống đáy biển. Theo thời gian, các lớp vỏ và trầm tích bị nén chặt và biến thành đá, lưu trữ carbon, tạo ra các loại đá trầm tích như đá vôi.

Khoảng 80% đá cacbonat được tạo ra theo cách này. 20% còn lại chứa carbon có nguồn gốc từ sinh vật sống (carbon hữu cơ) bị phân hủy. Nhiệt và áp suất nén vật liệu hữu cơ giàu carbon qua hàng triệu năm, tạo thành đá trầm tích như đá phiến sét. Trong những trường hợp đặc biệt, khi chất hữu cơ từ thực vật chết tích tụ nhanh chóng, không kịp phân hủy, các lớp cacbon hữu cơ trở thành dầu, than hoặc khí tự nhiên chứ không phải đá trầm tích như đá phiến sét.

Trong chu kỳ chậm, carbon được trả lại bầu khí quyển thông qua hoạt động của núi lửa. Đó là bởi vì khi bề mặt của Trái đất và lớp vỏ đại dương va chạm, một cái chìm xuống bên dưới cái kia và đá mà nó mang theo sẽ tan chảy dưới sức nóng và áp suất cực lớn. Đá được nung nóng sẽ tái kết hợp thành khoáng chất silicat, giải phóng khí cacbonic.

• Carbon Dioxide: CO2 là gì?

Khi núi lửa phun trào, chúng thải khí vào khí quyển và bao phủ trái đất bằng đá silic, bắt đầu lại chu kỳ. Núi lửa thải ra từ 130 đến 380 triệu tấn carbon dioxide mỗi năm. Để so sánh, con người thải ra khoảng 30 tỷ tấn carbon dioxide mỗi năm - gấp 100 đến 300 lần so với núi lửa - đốt nhiên liệu hóa thạch.

• Rượu hay xăng?

Ví dụ, nếu carbon dioxide tăng lên trong khí quyển do hoạt động núi lửa tăng lên, nhiệt độ tăng, dẫn đến mưa nhiều hơn, làm tan nhiều đá hơn, tạo ra nhiều ion hơn và cuối cùng lắng đọng nhiều carbon hơn dưới đáy đại dương. Phải mất vài trăm nghìn năm để cân bằng lại chu trình cacbon chậm.

Tuy nhiên, chu kỳ chậm cũng chứa một thành phần nhanh hơn một chút: đại dương. Ở bề mặt, nơi không khí gặp nước, khí cacbonic sẽ hòa tan và thoát ra ngoài đại dương để trao đổi liên tục với khí quyển. Khi ở trong đại dương, khí carbon dioxide phản ứng với các phân tử nước để giải phóng hydro, làm cho đại dương có tính axit hơn. Hydro phản ứng với cacbonat từ quá trình phong hóa đá để tạo ra các ion bicacbonat.

Trước thời đại công nghiệp, đại dương phun carbon dioxide vào khí quyển cân bằng với lượng carbon mà đại dương nhận được trong quá trình mài mòn của đá. Tuy nhiên, khi nồng độ carbon trong khí quyển tăng lên, đại dương hiện loại bỏ nhiều carbon khỏi khí quyển hơn lượng thải ra. Qua nhiều thiên niên kỷ, đại dương sẽ hấp thụ tới 85% lượng carbon bổ sung mà con người đưa vào khí quyển bằng cách đốt nhiên liệu hóa thạch, nhưng quá trình này diễn ra chậm vì nó liên quan đến sự di chuyển của nước từ bề mặt đại dương đến độ sâu của nó.

Trong khi đó, gió, dòng chảy và nhiệt độ kiểm soát tốc độ đại dương loại bỏ carbon dioxide khỏi khí quyển. (Xem Cân bằng carbon trong đại dương tại Đài quan sát Trái đất.) Có khả năng những thay đổi về nhiệt độ và dòng chảy của đại dương đã giúp loại bỏ carbon và khôi phục carbon cho khí quyển trong vài nghìn năm kỷ băng hà bắt đầu và kết thúc.

Chu trình cacbon nhanh

Thời gian để cacbon đi qua chu trình cacbon nhanh chóng được đo trong một đời người. Chu trình cacbon nhanh về cơ bản là sự di chuyển của cacbon qua các dạng sống trên Trái đất hoặc trong sinh quyển. Khoảng 1.000 đến 100.000 triệu tấn carbon đi qua chu kỳ carbon nhanh chóng mỗi năm.

Carbon đóng một vai trò thiết yếu trong sinh học vì khả năng hình thành nhiều liên kết - lên đến bốn liên kết trên mỗi nguyên tử - trong một dãy các phân tử hữu cơ phức tạp dường như vô tận. Nhiều phân tử hữu cơ chứa các nguyên tử cacbon đã hình thành liên kết bền chặt với các nguyên tử cacbon khác, kết hợp thành chuỗi dài và vòng. Các chuỗi và vòng carbon như vậy là nền tảng của các tế bào sống. Ví dụ, DNA được tạo thành từ hai phân tử đan xen nhau được xây dựng xung quanh một chuỗi carbon.

Trái phiếu trong chuỗi carbon dài chứa rất nhiều năng lượng. Khi các dòng điện tách ra, năng lượng tích trữ được giải phóng. Năng lượng này làm cho các phân tử carbon trở thành nguồn nhiên liệu tuyệt vời cho mọi sinh vật.

Thực vật và thực vật phù du là thành phần chính của chu trình cacbon nhanh chóng. Thực vật phù du (các sinh vật cực nhỏ trong đại dương) và thực vật lấy khí cacbonic ra khỏi khí quyển bằng cách hấp thụ vào tế bào của chúng. Sử dụng năng lượng từ mặt trời, thực vật và sinh vật phù du kết hợp carbon dioxide (CO2) và nước để tạo thành đường (CH2O) và oxy. Phản ứng hóa học như sau:

CO2 + H2O + năng lượng = CH2O + O2

Có thể xảy ra trường hợp carbon di chuyển từ một nhà máy và quay trở lại bầu khí quyển, nhưng chúng đều liên quan đến phản ứng hóa học giống nhau. Thực vật phân hủy đường để lấy năng lượng cần thiết để phát triển. Động vật (bao gồm cả người) ăn thực vật hoặc sinh vật phù du và phân hủy đường của thực vật để lấy năng lượng. Thực vật và sinh vật phù du chết và thối rữa (bị vi khuẩn ăn) hoặc bị lửa thiêu rụi. Trong mọi trường hợp, oxy kết hợp với đường để giải phóng nước, carbon dioxide và năng lượng. Phản ứng hóa học cơ bản diễn ra như sau:

CH2O + O2 = CO2 + H2O + năng lượng

Trong tất cả bốn quá trình, carbon dioxide được giải phóng trong phản ứng thường kết thúc trong khí quyển. Chu trình carbon nhanh chóng liên kết chặt chẽ với đời sống thực vật đến mức có thể thấy được mùa sinh trưởng bằng cách carbon dioxide trôi nổi trong khí quyển. Vào mùa đông ở Bắc bán cầu, khi ít thực vật trên đất liền mọc lên và nhiều cây đang mục rữa, nồng độ carbon dioxide trong khí quyển tăng lên. Trong suốt mùa xuân, khi cây bắt đầu phát triển trở lại, nồng độ thuốc giảm xuống. Nó giống như Trái đất đang thở.

Những thay đổi trong chu trình carbon

Không bị xáo trộn, các chu trình carbon nhanh và chậm duy trì nồng độ carbon tương đối ổn định trong khí quyển, đất đai, thực vật và đại dương. Nhưng khi bất cứ thứ gì thay đổi lượng carbon trong một bể chứa, thì hiệu ứng sẽ lan truyền qua các bể chứa khác.

Trong quá khứ của Trái đất, chu trình carbon đã thay đổi để ứng phó với biến đổi khí hậu. Các biến thể trong quỹ đạo của Trái đất làm thay đổi lượng năng lượng mà Trái đất nhận được từ Mặt trời và dẫn đến chu kỳ kỷ băng hà và thời kỳ ấm áp giống như khí hậu Trái đất hiện nay. (Xem Milutin Milankovitch) Kỷ băng hà phát triển khi mùa hè ở Bắc bán cầu nguội đi và băng tích tụ trên trái đất, do đó làm chậm chu kỳ carbon. Trong khi đó, một số yếu tố, bao gồm nhiệt độ mát hơn và tăng sinh thực vật phù du, có thể đã làm tăng lượng carbon mà đại dương đã loại bỏ khỏi bầu khí quyển. Lượng carbon trong khí quyển giảm xuống gây ra hiện tượng lạnh hơn nữa. Tương tự như vậy, vào cuối Kỷ Băng hà cuối cùng, cách đây 10.000 năm, carbon dioxide trong khí quyển tăng lên đáng kể khi nhiệt độ ấm lên.

Những thay đổi trong quỹ đạo Trái đất đang diễn ra liên tục, theo những chu kỳ có thể đoán trước được. Trong khoảng 30.000 năm nữa, quỹ đạo của Trái đất sẽ dịch chuyển đủ để làm giảm lượng ánh sáng mặt trời ở Bắc bán cầu xuống mức dẫn đến kỷ băng hà cuối cùng.

Ngày nay, những thay đổi trong chu trình carbon đang diễn ra là do con người. Chúng ta phá vỡ chu trình carbon bằng cách đốt nhiên liệu hóa thạch và phá rừng.

Phá rừng giải phóng carbon được lưu trữ trong thân, cành và lá - sinh khối. Bằng cách phá rừng, các loài thực vật có thể lấy carbon từ khí quyển khi chúng phát triển sẽ bị loại bỏ. Có một xu hướng trên toàn thế giới là thay thế rừng bằng độc canh và đồng cỏ, những nơi tích trữ ít carbon hơn. Chúng tôi cũng cho đất thải ra khí carbon từ thực vật phân hủy vào bầu khí quyển. Hiện nay, con người đang thải ra chỉ dưới một tỷ tấn carbon vào khí quyển mỗi năm thông qua các thay đổi sử dụng đất.

Nếu không có sự can thiệp của con người, carbon từ nhiên liệu hóa thạch sẽ từ từ rò rỉ vào khí quyển thông qua hoạt động của núi lửa trong hàng triệu năm theo chu kỳ carbon chậm. Bằng cách đốt than, dầu và khí đốt tự nhiên, chúng ta đẩy nhanh quá trình, giải phóng một lượng lớn carbon (carbon đã mất hàng triệu năm để tích tụ) vào bầu khí quyển mỗi năm. Bằng cách này, chúng ta chuyển carbon từ chu trình chậm sang chu trình nhanh. Năm 2009, con người thải ra khoảng 8,4 tỷ tấn carbon vào khí quyển bằng cách đốt nhiên liệu hóa thạch.

Kể từ khi bắt đầu cuộc Cách mạng Công nghiệp, khi con người bắt đầu đốt nhiên liệu hóa thạch, nồng độ carbon dioxide trong khí quyển đã tăng từ khoảng 280 phần triệu lên 387 phần triệu, tức là tăng 39%. Điều này có nghĩa là cứ một triệu phân tử trong khí quyển, 387 trong số chúng hiện là carbon dioxide - nồng độ cao nhất trong hai triệu năm. Nồng độ mêtan tăng từ 715 phần tỷ năm 1750 lên 1.774 phần tỷ năm 2005, nồng độ cao nhất trong ít nhất 650.000 năm.

Ảnh hưởng của việc thay đổi chu trình carbon

Hình ảnh: Chu kỳ carbon - NASA

Tất cả lượng carbon dư thừa đó cần phải đi đâu đó. Cho đến nay, thực vật trên cạn và đại dương đã hấp thụ 55% lượng carbon dư thừa trong khí quyển, trong khi khoảng 45% vẫn còn trong khí quyển. Cuối cùng, đất và đại dương hấp thụ hầu hết lượng khí cacbonic bổ sung, nhưng tới 20% có thể tồn tại trong khí quyển trong nhiều nghìn năm.

Lượng carbon dư thừa trong khí quyển làm ấm hành tinh và giúp cây trồng trên đất liền lớn hơn. Lượng carbon dư thừa trong đại dương làm cho nước có tính axit cao hơn, khiến các sinh vật biển gặp nguy hiểm. Tìm hiểu thêm về chủ đề này trong bài viết: "Axit hóa các đại dương: một vấn đề nghiêm trọng đối với hành tinh".

Không khí

Điều quan trọng là có rất nhiều carbon dioxide vẫn còn trong khí quyển vì CO2 là khí quan trọng nhất để kiểm soát nhiệt độ Trái đất. Carbon dioxide, methane và halocarbon là những khí nhà kính hấp thụ nhiều loại năng lượng - bao gồm cả năng lượng hồng ngoại (nhiệt) do Trái đất phát ra - và sau đó tái phát ra. Năng lượng tái phát truyền đi theo mọi hướng, nhưng một số quay trở lại Trái đất, làm nóng bề mặt. Nếu không có khí nhà kính, Trái đất sẽ bị đóng băng ở -18 ° C. Với rất nhiều khí nhà kính, Trái đất sẽ giống như sao Kim, nơi bầu khí quyển duy trì nhiệt độ khoảng 400 ° C.

Bởi vì các nhà khoa học biết các bước sóng năng lượng mà mỗi khí nhà kính hấp thụ và nồng độ của các khí trong khí quyển, họ có thể tính toán mức độ đóng góp của mỗi khí vào sự nóng lên toàn cầu. Điôxít cacbon gây ra khoảng 20% ​​hiệu ứng nhà kính trên Trái đất; hơi nước chiếm khoảng 50%; và mây chiếm 25%. Phần còn lại là do các hạt nhỏ (sol khí) và các khí nhà kính nhỏ hơn như mêtan gây ra.

• Bình xịt có thể tái chế được không?

Nồng độ hơi nước trong không khí được kiểm soát bởi nhiệt độ Trái đất. Nhiệt độ ấm hơn làm bốc hơi nhiều nước hơn từ các đại dương, làm giãn nở các khối khí và dẫn đến độ ẩm lớn hơn. Làm mát làm cho hơi nước ngưng tụ và rơi xuống dưới dạng mưa, mưa đá hoặc tuyết.

Mặt khác, carbon dioxide vẫn là một chất khí trong một phạm vi nhiệt độ khí quyển rộng hơn so với nước. Các phân tử carbon dioxide cung cấp nhiệt ban đầu cần thiết để duy trì nồng độ hơi nước. Khi nồng độ carbon dioxide giảm xuống, Trái đất sẽ lạnh đi, một số hơi nước từ khí quyển giảm xuống và hệ thống sưởi nhà kính do hơi nước giảm xuống. Tương tự như vậy, khi nồng độ carbon dioxide tăng lên, nhiệt độ không khí tăng lên và nhiều hơi nước bốc hơi vào khí quyển - điều này làm khuếch đại sự nóng lên của nhà kính.

Vì vậy, trong khi carbon dioxide đóng góp ít hơn vào hiệu ứng nhà kính so với hơi nước, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng carbon dioxide là khí quyết định nhiệt độ. Carbon dioxide kiểm soát lượng hơi nước trong khí quyển và do đó quy mô của hiệu ứng nhà kính.

Nồng độ carbon dioxide ngày càng tăng đã khiến hành tinh nóng lên. Trong khi khí nhà kính đang gia tăng, nhiệt độ trung bình toàn cầu đã tăng 0,8 độ C (1,4 độ F) kể từ năm 1880.

Sự gia tăng nhiệt độ này không phải là tất cả sự ấm lên mà chúng ta sẽ thấy dựa trên nồng độ hiện tại của carbon dioxide. Việc sưởi ấm trong nhà kính không xảy ra ngay lập tức vì đại dương hấp thụ nhiệt. Điều này có nghĩa là nhiệt độ Trái đất sẽ tăng thêm ít nhất 0,6 độ C (1 độ F) do khí carbon dioxide đã có trong khí quyển. Mức độ tăng nhiệt độ vượt quá mức đó một phần phụ thuộc vào lượng carbon mà con người thải ra khí quyển trong tương lai.

đại dương

Khoảng 30% lượng khí cacbonic mà con người đưa vào khí quyển đã khuếch tán ra đại dương thông qua quá trình trao đổi hóa học trực tiếp. Hòa tan carbon dioxide trong đại dương tạo ra axit cacbonic, làm tăng độ axit của nước. Hay đúng hơn, một đại dương hơi kiềm trở nên ít kiềm hơn một chút. Kể từ năm 1750, độ pH của bề mặt đại dương đã giảm 0,1, độ axit thay đổi 30%.

Quá trình axit hóa đại dương ảnh hưởng đến các sinh vật biển theo hai cách. Đầu tiên, axit cacbonic phản ứng với các ion cacbonat trong nước để tạo thành bicacbonat. Tuy nhiên, chính những ion cacbonat này là những gì các động vật có vỏ như san hô cần để tạo ra vỏ cacbonat canxi. Với ít cacbonat có sẵn, động vật cần tiêu tốn nhiều năng lượng hơn để xây dựng vỏ của chúng. Kết quả là, lớp vỏ ngày càng mỏng hơn và dễ vỡ hơn.

Thứ hai, nước càng có tính axit, thì canxi cacbonat hòa tan càng tốt.Về lâu dài, phản ứng này sẽ cho phép đại dương hấp thụ carbon dioxide dư thừa vì nước có tính axit hơn sẽ hòa tan nhiều đá hơn, giải phóng nhiều ion cacbonat hơn và tăng khả năng hấp thụ carbon dioxide của đại dương. Tuy nhiên, trong khi đó, nước có tính axit cao hơn sẽ hòa tan lớp vỏ cacbonat của các sinh vật biển, khiến chúng bị rỗ và yếu đi.

Các đại dương ấm hơn - một sản phẩm của hiệu ứng nhà kính - cũng có thể làm giảm sự phong phú của thực vật phù du, vốn phát triển tốt nhất ở những vùng nước lạnh, giàu chất dinh dưỡng. Điều này có thể hạn chế khả năng của đại dương trong việc chiết xuất carbon từ khí quyển thông qua chu trình carbon nhanh chóng.

Mặt khác, carbon dioxide cần thiết cho sự phát triển của thực vật và thực vật phù du. Sự gia tăng carbon dioxide có thể làm tăng sự phát triển bằng cách bón phân cho một số loài thực vật phù du và thực vật đại dương (chẳng hạn như cỏ biển) lấy carbon dioxide trực tiếp từ nước. Tuy nhiên, hầu hết các loài không được giúp đỡ bởi sự gia tăng sẵn có của carbon dioxide.

Trái đất

Thực vật trên cạn đã hấp thụ khoảng 25% lượng khí cacbonic mà con người đưa vào khí quyển. Lượng carbon mà thực vật hấp thụ rất khác nhau giữa các năm, nhưng nhìn chung, thực vật trên thế giới đã tăng lượng carbon dioxide mà chúng hấp thụ kể từ những năm 1960. Chỉ một phần của sự gia tăng này là do phát thải nhiên liệu hóa thạch trực tiếp.

Với nhiều carbon dioxide trong khí quyển có sẵn để chuyển đổi thành chất thực vật trong quá trình quang hợp, thực vật đã có thể phát triển lớn hơn. Sự gia tăng tăng trưởng này được gọi là sự thụ tinh carbon. Các mô hình dự đoán rằng thực vật có thể phát triển nhiều hơn từ 12 đến 76% nếu carbon dioxide trong khí quyển tăng gấp đôi, miễn là không có gì khác, như khan hiếm nước, hạn chế sự phát triển của chúng. Tuy nhiên, các nhà khoa học không biết có bao nhiêu carbon dioxide đang làm tăng sự phát triển của thực vật trong thế giới thực, bởi vì thực vật cần nhiều hơn carbon dioxide để phát triển.

Cây cũng cần nước, ánh sáng mặt trời và chất dinh dưỡng, đặc biệt là nitơ. Nếu cây không có một trong những thứ này, nó sẽ không phát triển, bất kể nhu cầu khác dồi dào đến mức nào. Có một giới hạn về lượng các-bon thực vật có thể lấy từ khí quyển và giới hạn này khác nhau giữa các vùng. Cho đến nay, dường như việc bón phân carbon dioxide làm tăng sự phát triển của thực vật cho đến khi cây đạt đến giới hạn về lượng nước hoặc nitơ có sẵn.

Một số thay đổi trong việc hấp thụ carbon là kết quả của các quyết định sử dụng đất. Nông nghiệp đã trở nên thâm canh hơn nhiều, vì vậy chúng ta có thể trồng nhiều lương thực hơn trên diện tích đất ít hơn. Ở các vĩ độ cao và trung bình, những vùng đất bị bỏ hoang đang trở lại thành rừng, và những khu rừng này tích trữ nhiều carbon hơn cả gỗ và đất so với cây trồng. Ở nhiều nơi, chúng tôi ngăn chặn carbon thực vật xâm nhập vào khí quyển bằng cách dập tắt các đám cháy. Điều này cho phép vật liệu gỗ (lưu trữ carbon) tích tụ. Tất cả các quyết định sử dụng đất này đang giúp thực vật hấp thụ carbon do con người thải ra ở Bắc bán cầu.

Tuy nhiên, ở vùng nhiệt đới, rừng đang bị chặt phá, thường là do lửa, và điều này giải phóng carbon dioxide. Năm 2008, nạn phá rừng chiếm khoảng 12% tổng lượng khí thải carbon dioxide của con người.

Những thay đổi lớn nhất trong chu trình carbon trên cạn có khả năng xảy ra do biến đổi khí hậu. Khí cacbonic làm tăng nhiệt độ, kéo dài mùa trồng trọt và tăng độ ẩm. Cả hai yếu tố đều dẫn đến sự phát triển bổ sung của cây trồng. Tuy nhiên, nhiệt độ ấm hơn cũng gây căng thẳng cho cây. Với mùa sinh trưởng dài hơn và ấm hơn, cây cần nhiều nước hơn để tồn tại. Các nhà khoa học đã tìm thấy bằng chứng cho thấy thực vật ở Bắc bán cầu chậm phát triển vào mùa hè vì nhiệt độ nóng và khan hiếm nước.

Các loại cây khô và thiếu nước cũng dễ bị cháy và côn trùng hơn khi mùa sinh trưởng kéo dài hơn. Ở vùng viễn bắc, nơi nhiệt độ tăng có tác động lớn nhất, rừng đã bắt đầu đốt nhiều hơn, giải phóng carbon từ thực vật và đất vào bầu khí quyển. Rừng nhiệt đới cũng có thể cực kỳ dễ bị khô. Với ít nước hơn, cây nhiệt đới chậm phát triển và hấp thụ ít carbon hơn, hoặc chết và thải carbon dự trữ vào khí quyển.

Sự ấm lên do khí nhà kính tăng lên cũng có thể làm "rang" đất, đẩy nhanh tốc độ thoát khí carbon ở một số nơi. Điều này đặc biệt đáng lo ngại ở vùng cực bắc, nơi mặt đất đóng băng - băng vĩnh cửu - đang tan băng. Permafrost chứa nhiều cặn carbon từ thực vật đã tích tụ hàng nghìn năm do lạnh làm chậm quá trình phân hủy. Khi đất ấm lên, chất hữu cơ phân hủy và carbon - dưới dạng mêtan và carbon dioxide - đi vào bầu khí quyển.

Nghiên cứu hiện tại ước tính rằng lớp băng vĩnh cửu ở Bắc bán cầu chứa 1,672 tỷ tấn (Petagram) carbon hữu cơ. Nếu chỉ 10% lớp băng vĩnh cửu đó tan ra, nó có thể giải phóng đủ lượng carbon dioxide bổ sung vào khí quyển để làm tăng nhiệt độ thêm 0,7 độ C (1,3 độ F) vào năm 2100.

Nghiên cứu chu trình cacbon

Nhiều câu hỏi mà các nhà khoa học vẫn chưa trả lời được về chu trình carbon xoay quanh việc nó đang thay đổi như thế nào. Khí quyển hiện chứa nhiều carbon hơn bất kỳ thời điểm nào trong ít nhất hai triệu năm. Mỗi bể chứa trong chu kỳ sẽ thay đổi khi lượng carbon đó đi qua chu kỳ.

Những thay đổi này sẽ như thế nào? Điều gì sẽ xảy ra với thực vật khi nhiệt độ tăng và khí hậu thay đổi? Liệu chúng có loại bỏ nhiều carbon khỏi khí quyển hơn là chúng quay trở lại? Liệu họ có trở nên kém năng suất hơn không? Lớp băng vĩnh cửu sẽ tan chảy trong khí quyển thêm bao nhiêu carbon và điều này sẽ khuếch đại sự nóng lên bao nhiêu? Sự lưu thông hoặc sự nóng lên của đại dương có làm thay đổi tốc độ đại dương hấp thụ cacbon không? Cuộc sống đại dương sẽ trở nên kém hiệu quả hơn? Đại dương sẽ axit hóa đến mức nào và nó sẽ có những tác động gì?

Vai trò của NASA trong việc trả lời những câu hỏi này là cung cấp các quan sát vệ tinh toàn cầu và các quan sát thực địa liên quan. Vào đầu năm 2011, hai loại thiết bị vệ tinh đang thu thập thông tin liên quan đến chu trình carbon.

Dụng cụ quang phổ hình ảnh độ phân giải vừa phải (MODIS), bay qua các vệ tinh Terra và Aqua của NASA, đo lượng carbon và thực vật phù du biến thành vật chất khi chúng phát triển, một phép đo được gọi là năng suất sơ cấp thuần. Cảm biến MODIS cũng đo lường bao nhiêu đám cháy xảy ra và nơi chúng cháy.

Hai vệ tinh Landsat cung cấp một cái nhìn chi tiết về các rạn san hô đại dương, những gì đang phát triển trên đất liền và lớp phủ đất đang thay đổi như thế nào. Có thể thấy sự phát triển của một thành phố hoặc sự chuyển đổi từ rừng sang nông trại. Thông tin này rất quan trọng vì sử dụng đất là nguyên nhân tạo ra một phần ba tổng lượng khí thải carbon của con người.

Các vệ tinh trong tương lai của NASA sẽ tiếp tục những quan sát này và cũng sẽ đo carbon dioxide và methane trong bầu khí quyển, độ cao và cấu trúc thảm thực vật.

Tất cả các biện pháp này sẽ giúp chúng ta thấy được chu kỳ carbon toàn cầu đang thay đổi như thế nào theo thời gian. Chúng sẽ giúp chúng tôi đánh giá tác động của chúng tôi đối với chu trình carbon, giải phóng carbon vào khí quyển hoặc tìm cách lưu trữ nó ở nơi khác. Họ sẽ cho chúng ta thấy biến đổi khí hậu đang thay đổi chu trình carbon và chu kỳ thay đổi đang làm thay đổi khí hậu như thế nào.

Tuy nhiên, hầu hết chúng ta sẽ quan sát những thay đổi trong chu trình carbon theo cách cá nhân hơn. Đối với chúng ta, chu trình carbon là thực phẩm chúng ta ăn, điện trong nhà, khí đốt trong ô tô và thời tiết trên đầu chúng ta. Vì chúng ta là một phần của chu trình carbon, nên các quyết định của chúng ta về cách chúng ta sống bị xáo trộn trong suốt chu trình. Tương tự như vậy, những thay đổi trong chu trình carbon sẽ ảnh hưởng đến cách chúng ta sống. Khi mỗi chúng ta hiểu được vai trò của mình trong chu trình carbon, kiến ​​thức cho phép chúng ta kiểm soát tác động cá nhân của mình và hiểu những thay đổi mà chúng ta đang thấy ở thế giới xung quanh.