炭素循環：特性、段階、重要性 - 環境 - 2025

炭素循環は、空気、水、土壌や生活の事で、この化学元素の循環過程です。これはガスタイプの生物地球化学サイクルであり、大気中の炭素の最も豊富な形態は二酸化炭素（CO2）です。

炭素の最大貯蔵量は、海、化石燃料、有機物、堆積岩にあります。同様に、それは生物の身体構造に不可欠であり、光合成を通じてCO2として栄養連鎖に入ります。

光合成装置（植物、植物プランクトン、シアノバクテリア）は大気中のCO2から炭素を吸収し、草食動物はこれらの生物から炭素を取り込みます。これらは肉食動物によって消費され、最後にすべての死んだ生物は分解者によって処理されます。

大気や生物に加えて、炭素は土壌（edaphosphere）や水（hydrosphere）にも見られます。海では、植物プランクトン、大型藻類、水生被子植物が水中に溶解したCO2を取り込み、光合成を行います。

炭素循環図

CO2は、それぞれ陸生生物と水生生物の呼吸によって大気または水に再統合されます。生物が死ぬと、炭素はCO2として、または堆積岩、石炭、石油の一部として、物理環境に再統合されます。

炭素循環は、生物の一部であるなどのさまざまな機能を果たし、惑星の温度と水の酸性度の調整に役立つため、非常に重要です。同様に、それは堆積岩の侵食プロセスに貢献し、人間のエネルギー源として機能します。

特徴

炭素

この元素は宇宙で6番目に多く、その構造により、酸素や水素などの他の元素と結合を形成することができます。複雑な構造を持つポリマーを構成できる共有化学結合を形成する4つの電子（4価）によって形成されます。

雰囲気

炭素は、大気中、主に二酸化炭素（CO2）として空気の0.04％を占めています。大気中の炭素濃度は、人間の産業開発により、過去170年間で大幅に変化しました。

工業化以前は、濃度は180〜280 ppm（100万分の1）でしたが、現在は400 ppmを超えています。さらに、メタン（CH4）の割合ははるかに少なく、一酸化炭素（CO）は微量です。

CO2とメタン（CH4）

これらの炭素ベースのガスには、長波エネルギー（熱）を吸収および放射する特性があります。このため、大気中に存在することで、地球から放射された熱が宇宙空間に逃げるのを防ぎ、惑星の温度を調整します。

これらの2つのガスのうち、メタンはより多くの熱を捕捉しますが、CO2はその相対的な豊富さのために最も決定的な役割を果たします。

生物の世界

生物の構造のほとんどは炭素で構成されており、タンパク質、炭水化物、脂肪、ビタミンの形成に不可欠です。

リソスフェア

炭素は土壌中の有機物と空気の一部であり、炭素、グラファイト、ダイヤモンドなどの元素の形でも見られます。同様に、それは深い堆積物で見つかる炭化水素（オイル、ビチューメン）の基本的な部分です。

炭素形成

植物が湖沼、沼地、または浅い海で死ぬと、植物の破片が水に覆われた層に蓄積します。次に、細菌によって引き起こされるゆっくりとした嫌気性分解プロセスが生成されます。

堆積物は、何百万年にもわたって炭素濃縮の漸進的なプロセスを経る分解性有機材料の層を覆っています。これは泥炭（50％炭素）、亜炭（55-75％）、石炭（75-90％）、最後に無煙炭（90％以上）の段階を通過します。

油層

それはゆっくりとした好気性分解で始まり、プランクトン、動物、海洋または湖の植物の残骸からなる嫌気性相があります。この有機物は堆積層に埋もれ、地球内部の高温と高圧にさらされました。

ただし、密度が低いため、堆積岩の孔から油が上昇します。最終的に、それは不透過性の領域に閉じ込められるか、浅い瀝青の露頭を形成します。

水圏

水圏は大気とのガス交換を維持し、特に酸素とCO2の形の炭素（水に可溶）を維持します。炭素は水、特に海で、主に重炭酸イオンの形で見られます。

重炭酸イオンは、海洋環境のpHの調整に重要な役割を果たします。一方、海底にはメタンハイドレートとして大量のメタンがトラップされています。

酸性雨

CO2が大気中の水蒸気と反応してH2CO3を形成するとき、炭素はガス状媒体と液体の間にも浸透します。この酸は雨水で沈殿し、土壌や水を酸性化します。

炭素循環の段階

炭素の回収と貯蔵。出典：Carbon_sequestration-2009-10-07.svg：* LeJean HardinおよびJamie Payne派生著作：Jarl Arntzen（トーク）派生著作：Ortisa / CC BY-SA（https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0 ）

他の生物地球化学サイクルと同様に、炭素サイクルは関係のネットワークで構成される複雑なプロセスです。定義されたステージへの分離は、分析と理解のための手段にすぎません。

-地質段階

切符売場

この段階への炭素の流入は、酸性雨と地面にろ過された空気によって、大気からのより少ない程度に達します。しかし、主なインプットは、排泄物と死んだときの体の両方による生物の寄与です。

貯蔵および循環

この段階では、炭素は貯留され、石炭、石油、ガス、グラファイト、ダイヤモンドなどのリソスフェアの深い層を移動します。炭酸塩岩の一部でもあり、永久凍土（極緯度の凍った地層）に閉じ込められ、土壌の細孔の水と空気に溶解します。

プレートテクトニクスのダイナミクスでは、炭素はマントルのより深い層にも到達し、マグマの一部です。

出発

石灰質の岩に対する雨の作用はそれらを侵食し、カルシウムは他の元素とともに放出されます。これらの炭酸塩岩の浸食からのカルシウムは、川に流れ込み、そこから海に流れ込みます。

同様に、CO _2が放出されるときに永久凍土解凍または過剰耕し土壌をすることによって。ただし、主な出力は、リソスフェアから石炭、石油、ガスを抽出して、それらを燃料として燃焼させることにより、人間が推進しています。

炭化水素の消費に基づく人間の活動は、大気中に炭素を放出します

-水文学的段階

切符売場

北極圏で検出されたように、大気中のCO ₂が水面と接触すると、それは溶解して炭酸を形成し、海底からのメタンがリソスフェアに入ります。さらに、リソスフェア内の炭酸塩岩の浸食と土壌洗浄により、HCO ₃イオンが河川と海洋に侵入します。

雨が降ると、水は二酸化炭素を大気中や岩から二酸化炭素の形で運びます。海に到達すると、サンゴ、プランクトン、その他の水生動物がそれを使って成長します。これらの生き物-サンゴ、プランクトン、水生動物-死んで炭素を土壌に入れます

貯蔵および循環

CO2は水に溶解して炭酸（H2CO3）を形成し、殻の炭酸カルシウムを溶解して、酸性炭酸カルシウム（Ca（HCO3）2）を形成します。したがって、炭素が見つかり、主にCO2、H2CO3、Ca（HCO3）2として水中を循環します。

一方、海洋生物は、光合成と呼吸を介し​​て、水生環境と炭素の一定の交換を維持しています。また、炭素の大量の埋蔵量は、海底のメタンハイドレートの形で、低温と高圧によって凍結されています。

出発

海洋はCO2やメタンなどの大気とガスを交換し、後者の一部は大気中に放出されます。最近、海洋のメタン漏出の増加がノルウェーの沖などの深さ400 m未満で検出されました。

地球の気温が上昇すると、水が400 m以下の深さまで加熱され、これらのメタンハイドレートが放出されます。同様のプロセスが更新世でも起こり、大量のメタンを放出し、地球をさらに暖め、氷河期の終焉を引き起こしました。

-大気ステージ

切符売場

炭素は、生物の呼吸と細菌のメタン生成活動から大気に侵入します。同様に、植生火災（生物圏）、水圏との交換、化石燃料の燃焼、火山活動および地面からの放出（地質）。

噴火する火山による地質炭素の大気中への放出。著者：Ciencia1.com

貯蔵および循環

大気中の炭素は、主にCO2、メタン（CH4）、一酸化炭素（CO）などの気体です。同様に、空気中に浮遊する炭素粒子を見つけることができます。

出発

大気段階からの主な炭素排出量は、海水に溶解し、光合成に使用されるCO2です。

-生物学的段階

切符売場

炭素は、植物や光合成細菌が行う光合成プロセスを通じて、CO2として生物学的段階に入ります。同様に、侵食によって海に到達し、シェルの製造でさまざまな生物によって使用されるCa2 +およびHCO3-イオン。

植物や微生物は大気から二酸化炭素を吸収し、光合成により酸素とエネルギーに変換します

貯蔵および循環

各細胞、したがって生物の体は、タンパク質、炭水化物、脂肪を構成する炭素の高い割合で構成されています。この有機炭素は、一次生産者からの栄養ウェブを通じて生物圏を循環します。

被子植物、シダ、ゼニゴケ、コケ、藻類、シアノバクテリアは光合成によりそれを組み込んでいます。次に、これらの生物は肉食動物の餌となる草食動物によって消費されます。

草食動物は植物を消費し、二酸化炭素を大気中に放出します。これらの動物が死ぬと、炭素が土壌に再統合されます。海底のサンゴとプランクトンでも同じことが起こります

出発

この段階から炭素循環における他の段階への主な炭素漏れは、それを土壌、水、大気に再統合する生物の死です。大量かつ劇的な炭素の死と放出は、大量のCO2を生成する森林火災です。

一方、メタンの大気への最も重要な供給源は、家畜の消化プロセスで排出されるガスです。同様に、湿地や稲作で有機物を分解するメタン生成嫌気性細菌の活動は、メタンの発生源です。

重要性

炭素循環は、この要素が地球上で果たす関連機能のために重要です。そのバランスのとれた循環は、生命の関数としての惑星の状態の維持のためにこれらすべての関連機能を調整することを可能にします。

生き物で

炭素は炭水化物、タンパク質、脂肪の一部であるため、細胞構造の主要な要素です。この要素は、DNAから細胞膜、オルガネラ、組織、臓器に至るまで、生命のすべての化学の基礎です。

地球の温度の調節

CO2は主要な温室効果ガスであり、地球の生命にとって適切な温度を維持することを可能にします。CO2や水蒸気などの大気ガスがなければ、地球から放出された熱は完全に宇宙空間に放出され、惑星は凍った塊になります。

地球温暖化

一方、現在人間が原因となっているように、大気中に排出される過剰なCO2は、自然のバランスを崩します。これにより、地球が過熱し、地球の気候が変化し、生物多様性に悪影響を及ぼします。

海洋pHの調節

水に溶解したCO2とメタンは、海洋の水のpHを調整する複雑なメカニズムの一部です。水中のこれらのガスの含有量が高いほど、pHはより酸性になり、水生生物にとってマイナスになります。

電源

石炭は、化石燃料、鉱物石炭、石油、天然ガスの両方に不可欠な部分です。地球規模の過熱や重金属の放出など、環境への悪影響が懸念されるため、その使用は疑問視されています。

経済的価値

石炭は、燃料として使用するための仕事と経済的利益の源を生成する鉱物であり、人類の経済発展は、この原料の使用に基づいています。一方、非常にまれなダイヤモンドの結晶化された形態では、宝石としての使用に大きな経済的価値があります。

参考文献

1. Calow、P.（編）（1998）。生態学と環境管理の百科事典。
2. クリストファーR.およびフィールディング、CR（1993）。河川堆積学における最近の研究のレビュー。堆積地質。
3. Espinosa-Fuentes、M。De la L.、Peralta-Rosales、OAおよびCastro-Romero、T。生物地球化学サイクル。第7章気候変動に関するメキシコの報告、グループI、科学的根拠。モデルとモデリング。
4. マーガレフ、R。（1974）。生態学。オメガ版。
5. Miller、G.およびTYLER、JR（1992）。生態学および環境。Grupo EditorialIberoaméricaSA de CV
6. Odum、EPおよびWarrett、GW（2006）。生態学の基礎。第5版。トムソン。