O ciclo do carbono, um fenômeno essencial, ilustra o movimento do carbono em seus estados elementares e combinados na Terra. Diamante e grafite representam as formas elementares do carbono. Além disso, em estados combinados, o carbono encontrado como carbonatos em minerais e, de forma significativa, como gás dióxido de carbono na atmosfera. Essa complexa dinâmica destaca a versatilidade e a presença onipresente do carbono em diversos aspectos da Terra.

Primeiramente, o carbono, essencial à vida na Terra, desempenha um papel crucial na formação de moléculas complexas, incluindo proteínas e DNA. Assim, além de estar presente em organismos vivos, este elemento também se encontra na atmosfera na forma de dióxido de carbono (CO2). Dessa maneira, o carbono, uma força vital, regula a temperatura do nosso planeta, sustenta a vida, integra-se à nossa alimentação e serve como uma fonte vital de energia para impulsionar a economia global.

Definição do Ciclo do Carbono

O ciclo do carbono é o processo em que os compostos de carbono são trocados entre a biosfera, geosfera, pedosfera, hidrosfera e atmosfera da Terra. Dessa maneira, a ciclo do carbono, um processo dinâmico, delineia a trajetória constante dos átomos de carbono da atmosfera para a Terra e de volta para a atmosfera. Em um ambiente fechado, como o nosso planeta e sua atmosfera, a quantidade total de carbono permanece constante, mas sua distribuição entre a atmosfera, a Terra, os oceanos e os organismos vivos está em fluxo constante.

Na Terra, a maior reserva de carbono encontra-se em rochas e sedimentos, enquanto o restante distribui-se nos oceanos, na atmosfera e nos seres vivos. Esses são os reservatórios, ou sumidouros, que participam do ciclo contínuo do carbono. O carbono é liberado para a atmosfera por meio de vários mecanismos, como a morte de organismos, erupções vulcânicas, incêndios e a queima de combustíveis fósseis.

No oceano, o carbono é trocado entre as águas superficiais e a atmosfera, enquanto uma parte é armazenada nas profundezas do oceano por períodos prolongados.A intervenção humana, especialmente através da queima de combustíveis fósseis e do desenvolvimento de terras, desempenha um papel significativo no ciclo do carbono. Como resultado, a concentração de dióxido de carbono na atmosfera está aumentando rapidamente, atingindo níveis superiores aos registrados nos últimos 3,6 milhões de anos. Essa mudança tem implicações profundas para o equilíbrio do nosso planeta e destaca a necessidade urgente de abordar as causas do aumento do CO2 atmosférico.

Etapas do Ciclo do Carbono

Exploraremos agora as etapas fundamentais que compõem o processo do ciclo do carbono:

Absorção na Atmosfera:

• Inicia-se com a absorção do carbono presente na atmosfera pelas plantas durante o processo vital da fotossíntese.

Bioacumulação nas Plantas:

• Este ciclo continua com as plantas absorvendo o carbono atmosférico, transformando-o em biomassa.
• Animais, ao consumirem essas plantas, bioacumulam o carbono em seus corpos, perpetuando o ciclo.

Decomposição e Retorno à Atmosfera:

• À medida que plantas e animais completam seus ciclos de vida, o processo de decomposição entra em cena.
• Durante a decomposição, o carbono é liberado de volta à atmosfera na forma de dióxido de carbono (CO2).

Transformação em Combustíveis Fósseis:

• Uma parcela do carbono, ao longo de milênios, não retorna imediatamente à atmosfera e, em vez disso, evolui para combustíveis fósseis, como carvão, petróleo e gás natural.

Utilização Humana e Emissões:

• Estes combustíveis fósseis extraídos são cruciais para várias atividades humanas, como produção de energia e transporte.
• No entanto, esse uso resulta na emissão de carbono de volta à atmosfera, principalmente na forma de CO2.

Entretanto, essas fases formam um ciclo contínuo, onde o carbono transita incessantemente entre diferentes reservatórios, desempenhando um papel vital na regulação do equilíbrio do carbono na Terra. Portanto, uma compreensão aprofundada desses processos é essencial para abordar questões relacionadas às mudanças climáticas e promover práticas sustentáveis.

O ciclo do carbono lento

Através de uma série de reações químicas e atividades tectônicas, o carbono leva entre 100-200 milhões de anos para se mover entre as rochas, o solo, o oceano e a atmosfera no lento ciclo do carbono. Contudo, em média, 1.013 a 1.014 gramas (10–100 milhões de toneladas métricas) de carbono passam pelo ciclo lento do carbono todos os anos. Em comparação, as emissões humanas de carbono para a atmosfera são da ordem de 1.015 gramas, enquanto o ciclo rápido do carbono movimenta 1.016 a 1.017 gramas de carbono por ano.

Sendo assim, o movimento do carbono da atmosfera para a litosfera (rochas) começa com a chuva. O carbono atmosférico combina-se com a água para formar um ácido fraco – o ácido carbônico – que cai na superfície durante a chuva. Posteriormente, esse ácido dissolve as rochas em um processo chamado intemperismo químico, liberando íons de cálcio, magnésio, potássio ou sódio. Os rios, por sua vez, transportam esses íons para o oceano.

E no oceano…

No oceano, os íons de cálcio combinam-se com os íons de bicarbonato para formar carbonato de cálcio, o componente ativo dos antiácidos e a substância branca calcária que se acumula nas torneiras em áreas com água dura. Assim, na contemporaneidade, a maior parte do carbonato de cálcio é produzida por organismos construtores de conchas (calcificantes), como os corais, e pelo plâncton, incluindo os cocolitóforos e os foraminíferos. Após a morte desses organismos, eles afundam no fundo do mar. Ao longo do tempo, camadas de conchas e sedimentos se solidificam, transformando-se em rocha e armazenando o carbono no calcário e seus derivados.

Atualmente, apenas 80% das rochas que contêm carbono são produzidas dessa forma. Os 20% restantes contêm carbono proveniente de seres vivos (carbono orgânico) incorporado em camadas de lama. O calor e a pressão agem sobre a lama e o carbono ao longo de milhões de anos, formando rochas sedimentares, como o xisto. Em situações especiais, quando a matéria vegetal morta se acumula mais rapidamente do que pode decair, camadas de carbono orgânico transformam-se em petróleo, carvão ou gás natural, em vez de rochas sedimentares como o xisto.

O ciclo lento devolve carbono à atmosfera através dos vulcões.

As superfícies terrestres e oceânicas da Terra assentam em várias placas crustais móveis. Quando as placas colidem, uma afunda sob a outra, e a rocha que ela carrega derrete sob o calor e a pressão extremos. A rocha aquecida se recombina em minerais de silicato, liberando dióxido de carbono.

Quando os vulcões entram em erupção, eles liberam o gás para a atmosfera e cobrem a terra com rocha de silicato fresca para reiniciar o ciclo. Atualmente, os vulcões emitem entre 130 e 380 milhões de toneladas métricas de dióxido de carbono por ano. Para efeito de comparação, os seres humanos emitem cerca de 30 mil milhões de toneladas de dióxido de carbono por ano – 100 a 300 vezes mais do que os vulcões – através da queima de combustíveis fósseis.

A química regula essa dança entre o oceano, a terra e a atmosfera. Se o dióxido de carbono aumentar na atmosfera devido a um aumento na atividade vulcânica, por exemplo, as temperaturas sobem, levando a mais chuva, que dissolve mais rochas, criando mais íons que acabarão por depositar mais carbono no fundo do oceano. São necessárias algumas centenas de milhares de anos para reequilibrar o lento ciclo do carbono através da meteorização química.

No entanto, o ciclo lento do carbono também contém um componente ligeiramente mais rápido: o oceano.

Com efeito, na superfície, onde o ar encontra a água, o gás dióxido de carbono se dissolve e sai do oceano em uma troca constante com a atmosfera. Uma vez no oceano, o gás dióxido de carbono reage com as moléculas de água para liberar hidrogênio, tornando o oceano mais ácido. Contudo, o hidrogênio reage com o carbonato do intemperismo das rochas para produzir íons bicarbonato.

Antes da era industrial, o oceano liberava dióxido de carbono para a atmosfera em equilíbrio com o carbono que o oceano recebia durante o desgaste das rochas. No entanto, à medida que as concentrações de carbono na atmosfera aumentaram, o oceano agora retira mais carbono da atmosfera do que liberta. Ao longo de milênios, o oceano absorverá até 85% do carbono extra que as pessoas colocaram na atmosfera através da queima de combustíveis fósseis, mas o processo é lento porque está ligado ao movimento da água da superfície do oceano para suas profundezas.

Entretanto, os ventos, as correntes e a temperatura controlam a taxa à qual o oceano retira dióxido de carbono da atmosfera. (Ver O Balanço de Carbono dos Oceanos no Observatório da Terra.) É provável que as mudanças nas temperaturas e nas correntes oceânicas tenham ajudado a remover o carbono e depois a restaurá-lo na atmosfera durante os poucos milhares de anos em que as eras glaciais começaram e terminaram.

Todavia, essa dinâmica complexa evidencia a interconexão entre os diferentes elementos do ciclo do carbono e destaca a sensibilidade do sistema terrestre a alterações climáticas e atividades humanas. O entendimento desses processos é crucial para uma gestão sustentável e a mitigação dos impactos das mudanças climáticas.

O ciclo do carbono rápido

O tempo que o carbono leva para passar pelo ciclo rápido do carbono é medido em uma vida útil. Nesse sentido, o ciclo rápido do carbono é, em grande parte, o movimento do carbono através das formas de vida na Terra, ou na biosfera. Assim, anualmente, entre 1.015 e 1.017 gramas (1.000 a 100.000 milhões de toneladas métricas) de carbono participam ativamente do ciclo rápido do carbono.

Com efeito, O carbono desempenha um papel essencial na biologia devido à sua capacidade de formar muitas ligações – até quatro por átomo – numa variedade aparentemente infinita de moléculas orgânicas complexas.

Além disso, inúmeras moléculas orgânicas contêm átomos de carbono que estabeleceram ligações robustas com outros átomos de carbono, configurando-se em longas cadeias e anéis. Então essas cadeias e anéis de carbono constituem a base das células vivas. Um exemplo é o DNA, composto por duas moléculas entrelaçadas construídas em torno de uma cadeia de carbono.

As ligações nas longas cadeias de carbono armazenam considerável energia. Assim, quando essas cadeias se rompem, a energia acumulada é liberada. Essa energia torna as moléculas de carbono uma excelente fonte de combustível para todos os seres vivos. O ciclo rápido do carbono, ao facilitar a transferência rápida desse elemento entre os organismos vivos, a atmosfera e os oceanos, é crucial para a manutenção da vida na Terra.

As plantas e o fitoplâncton são os principais componentes do ciclo rápido do carbono.

O fitoplâncton, organismos microscópicos do oceano, e as plantas retiram dióxido de carbono da atmosfera, absorvendo-o em suas células. Utilizando a energia do Sol, tanto as plantas quanto o plâncton combinam dióxido de carbono (CO2) e água para formar açúcar (CH2O) e oxigênio. A reação química é a seguinte:

CO₂ + H₂O + energia -> CH₂O + O₂

Quatro processos distintos podem ocorrer para mover o carbono de uma planta e devolvê-lo à atmosfera, mas todos envolvem a mesma reação química.

• As plantas decompõem o açúcar para obter a energia necessária para crescer.
• Os animais, incluindo as pessoas, consomem as plantas ou o plâncton e decompõem o açúcar das plantas para obter energia.
• As plantas e o plâncton morrem e apodrecem, sendo decompostos por bactérias no final da estação de crescimento.
• Ou o fogo consome as plantas. Em cada caso, o oxigênio combina-se com o açúcar para liberar água, dióxido de carbono e energia. A reação química básica é a seguinte:

CH₂O + O₂ -> CO₂ + H₂O + energia

Entretanto, nos quatro processos, o dióxido de carbono liberado na reação geralmente acaba na atmosfera. O rápido ciclo do carbono está intimamente ligado à vida vegetal que a estação de crescimento pode ser observada pela variação nas concentrações atmosféricas de dióxido de carbono. Sendo assim, durante o inverno do Hemisfério Norte, quando poucas plantas terrestres crescem e muitas estão em decomposição, as concentrações atmosféricas de dióxido de carbono aumentam. Durante a primavera, quando as plantas começam a crescer novamente, as concentrações caem. Esse fenômeno é comparável à Terra respirando.

Vamos continuar num próximo! Até já já!

Referências:

• https://education.nationalgeographic.org/resource/carbon-cycle/
• https://earthobservatory.nasa.gov/features/CarbonCycle
• https://byjus.com/biology/carbon-cycle/
• https://scied.ucar.edu/learning-zone/earth-system/biogeochemical-cycles

Veja Mais:

• Ar condicionado: Ciclo vicioso
• Combustível Renovável: Já ouviu falar de Gasolina DROP-IN?
• Cadeias carbônicas: Exercícios de classificação
• Dica: Como diminuir o consumo de plástico? 
• Superpopulação: Sabe quais são as causas e efeitos?
• Dicas e ideias para ajudar o meio ambiente 
• Petróleo e gás: Olhando para o Horizonte 
• Ciclone Extratropical: O que é?