اتبع الكربون

اصنع نموذجًا لدورة الكربون وخزاناتها الرئيسية ومعدلات تدفقها باستخدام الأرز.

يُعد فهم دورة الكربون أمرًا أساسيًّا لفهم التغيرات البيئية؛ مثل الاحتباس الحراري وتحمض المحيطات. يوضح هذا النموذج الوفرة النسبية للكربون في كلٍّ من خزانات الكربون الرئيسية للأرض، كما يُظهر التبادلات السنوية بين هذه الخزانات.

الأدوات والخامات

• خمسة أرطال (2.5 كيلوجرام تقريبًا) أرز (أو أية حبوب أو مادة صغيرة أخرى).

• أكواب أو أوعية أخرى لحساب الأرز ووزنه.

• ميزان.

• قلم سميك (ماركر) دائم.

• أربعة أكياس بلاستيكية بسحاب سعة جالون.

• خمسة أكياس بلاستيكية سعة كوارت (ربع جالون) أو بحجم السندويتش.

• صندوق أبعاده 10 سم * 10 سم * 10 سم (يمكن صنعه من كرتونة حليب سعة نصف جالون من الورق المقوى، مقطوعة إلى نصفين).

• عصا قياس مترية.

• صور خزانات الكربون.

التجميع

ملحوظة: جيجا طن من الكربون GtC وبيتاجرام من الكربون PgC هي الوحدات الأساسية لقياس الكربون على مقاييس التدوير الكوكبية. واحد جيجا طن يساوي مليار طن متري من الكربون (أو بيتاجرام واحدًا، وهو 1015 جرامًا). وهما قابلان للتبديل، وسوف نستخدم جيجا طن من الكربون GtC في هذه الوجبة العلمية الخفيفة.

1. قبل أن تبدأ، اسأل المشاركين عما إذا كان بإمكانهم التفكير في أيٍّ من خزانات الكربون الموجودة على الأرض. خزانات الكربون الخمسة الرئيسية هي: الصخور، والغلاف الجوي، والمحيطات، والمحيط الحيوي الأرضي، والوقود الأحفوري.

2. على كل مشارك أن يحصي 100 حبة أرز، وعليك دمج 5 منها ليصبح الإجمالي 500 حبة. أوجد كتلة هذا المقدار. (في عينتنا، 500 حبة أرز تحتوي على كتلة 15 جرامًا). لإنشاء نموذج دقيق للوفرة النسبية للكربون الموجود في كل من خزانات الكربون الخمسة الرئيسية، اعتبر أن كل حبة أرز تمثل 1 جيجا طن من الكربون GtC. إذا كانت لديك مجموعة كبيرة، فستتمكن من استخدام كل تلك المئات «الإضافية» من حبوب الأرز للخطوة التالية.

3. باستخدام الرسم البياني أدناه، احسب عدد جرامات الأرز التي تمثل كمية الكربون في كل من الخزانات الأربعة (المدرجة بالخط السميك) باستثناء الصخور.

ماذا تفعل وماذا تلاحظ؟

ستساعدك هذه التحقيقات على نمذجة كيفية تدفق الكربون من خزان إلى آخر.

ملحوظة: قبل أن تبدأ، لاحظ الوفرة النسبية للكربون في كل من الخزانات الخمسة. تحتوي الصخور على كربون أكثر بكثير من الخزانات الأربعة الأخرى مجتمعة. ونظرًا إلى أن الصخور جزء من دورة الكربون البطيئة، فهي ليست جزءًا من التبادلات التي ستضع لها نموذجًا في هذه الوجبة الخفيفة.

المسار 1: التدفق بين الغلاف الجوي والمحيط الحيوي الأرضي

يبلغ التدفق الطبيعي بين الغلاف الجوي والمحيط الحيوي الأرضي نحو 120 جيجا طن من الكربون GtC سنويًّا في كل اتجاه. في الغلاف الجوي الأرضي، تزيل عملية التمثيل الضوئي نحو 120 جيجا طن من الكربون GtC من الغلاف الجوي كل عام. ويؤدي تحلل المواد الحيوية والتنفس من النباتات وميكروبات التربة إلى إعادة 120 جيجا طن من الكربون GtC إلى الغلاف الجوي كل عام.

لنمذجة هذا التفاعل، أزل 120 حبة أرز من كيس الغلاف الجوي وضعها في كيس سعة كوارت (ربع جالون). ثم افعل الشيء نفسه مع كيس المحيط الحيوي الأرضي. استبدل هذين الكيسين المتساويين الحجم أثناء مناقشة كيفية تدفق الكربون من خزان إلى آخر. نمذِج هذا التبادل السنوي عدة مرات بينما تراجع الطرق التي يدور بها الكربون من خزان إلى آخر.

المسار الثاني: التدفق بين المحيط والغلاف الجوي

يدور الكربون بين المحيط والغلاف الجوي بمعدل 90 جيجا طن من الكربون GtC سنويًّا في كل اتجاه. يحدث معظم هذا التبادل عن طريق الانتشار على سطح المحيط.

لنمذجة هذا التفاعل، أزل 90 حبة أرز من كيس الغلاف الجوي وضعها في كيس جديد سعة كوارت (ربع جالون). ثم افعل الشيء نفسه مع كيس المحيط. استبدل هذين الكيسين المتساويين الحجم أثناء مناقشة كيفية تدفق الكربون من خزان إلى آخر. نمذِج هذا التبادل السنوي عدة مرات بينما تراجع الطرق التي يدور بها الكربون من خزان إلى آخر.

لاحظ أنه، حتى الآن، فإن دورة الكربون متوازنة، وليس لأي مخزن مكاسب أو خسارة صافية.

المسار الثالث: التدفق من الوقود الأحفوري

يؤدي استخدام الإنسان للوقود الأحفوري (الذي يؤدي حرقه إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي) إلى تغيير توازن الكربون؛ إذ يضيف 9.4 (±0.5) جيجا طن من الكربون GtC إلى الغلاف الجوي كل عام. والتغيرات في استخدام الأراضي، مثل إزالة الغابات، تزيل جزءًا من بالوعة الكربون (المواد الموجودة في البيئة الطبيعية القادرة على امتصاص الكربون الزائد)، ومن ثمَّ «تساهم» في إضافة 1.5 (±0.7) جيجا طن من الكربون GtC زيادة؛ لذلك تساهم التأثيرات البشرية بنحو 11 مليار جيجا طن من الكربون GtC سنويًّا في الغلاف الجوي. 

لنمذجة هذا التفاعل، أحصِ 11 حبة أرز من كيس الوقود الأحفوري.

لا يذهب كل هذا الكربون إلى الغلاف الجوي؛ لأن الخزانات الأخرى تمتص بعضًا من هذا الكربون المضاف. في كل عام، يُمتص 4 جيجا طن من الكربون GtC (ممثلة بأربع حبات من الأرز) من خزان الوقود الأحفوري بواسطة المحيط الحيوي الأرضي، ويُمتص 3 جيجا طن من الكربون GtC (3 حبات أرز) بواسطة خزان المحيط. ينتج من هذا ربح صافٍ في خزان الغلاف الجوي يبلغ 5 جيجا طن كربون GtC (5 حبات أرز) سنويًّا مع اختلال في الموازنة يبلغ 0.5 جيجا طن من الكربون GtC سنويًّا تشير إلى تقدير مبالغ فيه من الانبعاثات و/أو تقدير مخفض للبالوعات (انظر المعادلة أدناه).

متوسط التدفقات السنوية

زيادة الغلاف الجوي

انبعاثات من الوقود الأحفوري

صافي الانبعاثات من التغيرات في استخدام الأراضي

الامتصاص المحيطي

بالوعة الكربون الأرضية

=

+

-

-

ما الذي يحدث؟

يمثل هذا النشاط نموذجًا لدورة الكربون السريعة، والتي تتضمن خزانات الكربون في المحيط والغلاف الجوي والمحيط الحيوي. وتحدث دورة الكربون السريعة على مدى شهور إلى سنوات. بينما تتضمن دورة الكربون البطيئة، وهي الجزء الجيوكيميائي لدورة الكربون، تدوير الصخور المحتوية على الكربون، وتستغرق آلاف إلى ملايين السنين، ولا تمثل في هذا التمرين.

كان دوران الكربون بين المحيط والغلاف الجوي والمحيط الحيوي متوازنًا حتى الثورة الصناعية، عندما استخرج الوقود الأحفوري من الصخور (حيث كان جزءًا من دورة الكربون البطيئة) وجرى حرقه للحصول على الطاقة، مما أدى إلى إطلاق كمية ضخمة من الكربون (في شكل ثاني أكسيد الكربون) في الغلاف الجوي، وفي دورة الكربون السريعة؛ نتيجة لذلك، لم تعد دورة الكربون متوازنة.

اليوم، يضاف الكربون من الوقود الأحفوري، وهو عادة جزء من دورة الكربون البطيئة، إلى الغلاف الجوي، ولا تستطيع دورة الكربون السريعة امتصاصه بالمعدل نفسه. أدى ذلك إلى زيادة كمية الكربون في الغلاف الجوي بنحو 5 جيجا طن من الكربون GtC سنويًّا (2018). وفي حين أن العمليات الطبيعية يمكن أن تستهلك هذا الكربون الإضافي، فإن هذه العمليات جزء من دورة الكربون البطيئة، وتستغرق مئات الآلاف إلى ملايين السنين.

إن عواقب الكربون الإضافي في الغلاف الجوي كثيرة، وتشمل زيادة درجات حرارة الغلاف الجوي والمحيطات، وارتفاع مستوى سطح البحر، وتحمض المحيطات.

في كل عام، تمتص المحيطات وتطلق نحو 90 جيجا طن من الكربون GtC، إلى حد كبير عن طريق الانتشار عبر واجهة الهواء والمحيط. وتُعرف العمليات الفيزيائية التي تتحكم في شفط ثاني أكسيد الكربون في المياه الأكثر برودة والأعمق (حيث يكون ثاني أكسيد الكربون أكثر قابلية للذوبان)، وخلط مياه المحيط في الأعماق الوسيطة، مجتمعة باسم «مضخة الذوبان»، وليست جزءًا من هذا النموذج.

تعمل عملية التمثيل الضوئي للعوالق النباتية على تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى كربون عضوي يجري إرجاعه بشكل كبير إلى مياه المحيطات على شكل ثاني أكسيد الكربون عن طريق التنفس الميكروبي والتحلل. يُطلق على الجزء الصغير من الكربون العضوي المغلف بعوالق معينة في كتل مقاومة للتحلل والتي تشفط إلى قاع المحيط اسم «المضخة الحيوية». تتحكم مضخة الذوبان والمضخة الحيوية معًا في كمية الكربون المنقولة إلى أعماق المحيطات وتبادل ثاني أكسيد الكربون بين المحيط والغلاف الجوي.

المضي قدمًا

تعتمد كميات الكربون المستخدمة في هذا النموذج على الكربون الصلب، وهو ليس الشكل الذي يتخذه الكربون في جميع خزانات الكربون الموجودة على الأرض. كما ترى في هذه القائمة، يمكن أن يتخذ الكربون عدة أشكال مختلفة.

الصخور: 65,300,000 جيجا طن من الكربون GtC

يتكون الكربون في الصخور في الغالب من كربونات صلبة، مثل الحجر الجيري (كربونات الكالسيوم، CaCO₃). وتعد الصخور إلى حد بعيد أكبر خزان للكربون على الأرض، إلا أن التغيرات في تدفق الكربون من هذا الخزان وإليه بطيئة للغاية، وليس لها تأثير حقيقي في التغيرات في دورة الكربون العالمية على فترات زمنية بشرية (عشرات إلى آلاف السنين). تعد دورة صخور الكربون جزءًا من دورة الكربون البطيئة، والتي تستغرق مئات الآلاف إلى ملايين السنين.

الغلاف الجوي: 879 جيجا طن من الكربون GtC (في 2018)

في الغلاف الجوي، يكون الكربون في صورة غازية، والغاز المحتوي على الكربون الأكثر وفرة هو ثاني أكسيد الكربون (CO₂)؛ والبعض الآخر الميثان (CH₄)، وأول أكسيد الكربون (CO).

المحيط: 40,453 جيجا طن من الكربون GtC

يظهر الكربون على سطح المحيط في هيئة ثاني أكسيد الكربون (CO₂) الذائب، وحمض الكربونيك (H₂CO₃)، وأيونات البيكربونات (^-HCO₃)، وأيونات الكربونات (CO₃^-2). ويجري التحكم في الوفرة النسبية لمركبات الكربون هذه بواسطة الرقم الهيدروجيني للماء. يذوب ثاني أكسيد الكربون في مياه البحر مكونًا حمض الكربونيك الذي يطلق أيونات هيدروجين إيجابية +H. تتحد أيونات الهيدروجين الإيجابية +H مع الكربونات في مياه البحر لتكوين البيكربونات، والتي لا تفلت بسهولة من المحيط.

المحيط الحيوي الأرضي: 1950 جيجا طن من الكربون GtC

يتخذ الكربون الموجود في المحيط الحيوي –معظمه مواد نباتية وتربة عضوية– شكل سكريات بسيطة مثل الجلوكوز أو الفركتوز، وجزيئات أكثر تعقيدًا مثل النشا والسليلوز.

الوقود الأحفوري: 1,000 جيجا طن من الكربون GtC

يشتمل الكربون الموجود في الوقود الأحفوري على الفحم الصلب، ونفط الهيدروكربون السائل، وغاز ميثان الهيدروكربون، والذي نتج من التمثيل الضوئي منذ مئات ملايين السنين والدفن اللاحق. نظرًا إلى أن الوقود الأحفوري يعزل في الصخور، فهو أيضًا جزء من دورة الكربون البطيئة.

المصادر

كمية الكربون التي تتحرك بين الخزانات تتغير كل عام. استند استخدام البيانات في هذه الوجبة الخفيفة إلى التدفقات السنوية من 2005 إلى 2014. وفيما يلي بعض المصادر التي استخدمناها:

http://www.esd.ornl.gov/projects/qen/carbon2.html

http://www.ess.uci.edu/~reeburgh/fig1.html

Le Quéré, Corinne; et al. "Global carbon budget 2018." Earth System Science Data, 10, 2041 - 2194, 2018

IPCC Fifth Assessment Report, Climate Change 2013: The Physical Science Basis.  URL: https://www.ipcc.ch/report/ar5/wg1

Exploratorium, 2020 

by the Exploratorium 2020 ©