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碳循环

发表于 2022-2-14 15:01:12
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碳是可以在地球上和地球内找到的众多自然元素之一。它是仅次于氢、氦和氧的最丰富的元素之一,是人类、动物和植物生命不可分割的一部分。碳在生物学中尤为重要,因为它可以很容易地在各种有机分子中形成多重键。这些键很牢固,这意味着它们可以形成环和长链,这是大多数活细胞的骨架。

这些碳键还拥有大量能量,可以储存起来,如果碳键断裂则释放出来。正因为如此,碳是生物重要且经常使用的燃料来源。

碳在哪里被发现?
碳存在于地球的所有四个球体中。岩石圈,或地球的岩石和地球部分,含有大量的碳。事实上,它是构成地壳的前 15 种元素。碳也可以在大气中找到,最常见的形式是二氧化碳,一种由碳和氧组成的有机化合物。包括地球上所有水体的水圈也含有二氧化碳形式的碳,生物圈也是如此,生物圈是用于所有有机生命的术语。

碳循环
地球上的碳,以及四个地球球体中的碳,都在不断地运动。这种碳和碳化合物的交换就是所谓的碳循环。有多种过程,包括天然的和合成的,导致碳从一个球体交换到另一个球体。有时碳在地球系统内快速移动,有时它可以在一个地方保留多年,因此交换速度要慢得多。因此,有两个区别。这些被称为快速循环和慢速循环。

快速循环
顾名思义,快速循环包括碳交换中发生得更快的那些方面。这包括在生物体之间传递的碳,以及生物与大气之间的碳交换。通过这种方式,快速循环以寿命来衡量:任何给定生物体的寿命,无论是植物还是动物。

光合作用
以二氧化碳 (CO 2 ) 形式存在于大气中的碳被植物吸收。植物生命利用二氧化碳、阳光和水,在称为光合作用的过程中将它们转化为糖。碳是通过植物叶子上的气孔从空气中提取的。然后,它与阳光和水相互作用,为植物提供生长所需的能量。氧气和糖是这个过程的产物。这就是为什么植物对人类生命如此重要,因为它们提供氧气。没有碳,这个过程就不可能存在。

消耗
植物在被消耗时也可以将其碳转移给动物。当植物被吃掉时,它的能量储备就会转移到那个生物身上,植物内的碳原子也是如此。这是快速循环的第二部分。碳在任何给定的生态系统中通过食物链移动,因为较小的猎物被食物链中较高的捕食者吃掉。碳保留在食物链中,直到植物或动物死亡后通过分解或通过呼吸作用释放出来。

呼吸
如上所述,植物吸收CO 2并释放氧气(O 2)。包括人类在内的动物吸入这种O 2。人类和动物的呼吸过程涉及这些 O 2分子与碳结合以产生 CO 2。呼吸过程,我们通常简单地认为是呼吸,为我们的血液和身体提供必要的氧气,并产生 CO 2副产品,然后我们将其呼出或释放回大气中。通过这种方式,碳很容易从大气中转移到植物、动物身上,然后又回到空气中。在这个快速的碳循环中,碳不断地运动。每年大约有 1,000 到 100,000 万吨碳通过快速碳循环。

分解
植物或动物死亡后会发生分解。一旦它死了,细菌就会分解这些生物体中的物质,破坏这些强碳化合物之间的键。随着这些键的断裂,CO 2被释放回大气中。通过这种方式,碳完成了一个完整的循环,从空气中移动到植物和/或动物中,然后返回到大气中。

慢循环
虽然大量的碳在快循环中循环,但碳循环的另一个方面被称为慢循环。在这个循环中,大气和岩石圈(主要包括地壳)之间的碳交换速度要慢得多,历经数千亿年。地壳中的许多岩石和矿物都含有碳或碳化合物。

酸雨
从大气到地球的碳交换以几种不同的方式发生。其中一种方法是通过雨水。CO 2在空气中积聚并使雨水饱和,形成温和型酸雨. 这种雨水的酸性使其侵蚀坚硬的岩石,随着时间的推移溶解和侵蚀它。随着岩石的风化,矿物质被释放出来,进而产生无机碳。碳和酸性雨水也可以降落在海洋中。当碳含量高的水进入海洋时,它会溶解并产生碳酸氢根离子。然后它可以与钙结合产生称为碳酸氢钙的化合物,这是构成贝壳和许多甲壳类动物的重要成分。沉入海底的贝壳(例如,当贝类死亡时)最终会随着时间和压力而压实并融合到海床中,成为岩石圈的一部分。

分解和化石燃料
以类似的方式,当有机生命死亡并开始分解时,它们可能会被困在泥土、沙子或沼泽中。在正常分解中,碳键被细菌分解并释放回大气中。但在其他情况下,有机体不会以有氧方式分解,碳会被捕获。随着时间的推移,巨大的压力将压缩和捕获这些正在分解的碳基生命形式,从而产生大量碳基燃料,即化石燃料。当构造板块移动时,或者更常见的是,当它们被人类开采和燃烧作为燃料时,这些燃料可以自然地从岩石圈中释放出来。通过这种方式,碳的循环速度要慢得多,但仍会从大气中循环,进入地下,最终又返回。

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