مقدمة

دورة الكربون هي نظام الأرض الطبيعي للزراعة الحرارية، وهو نظام معقد وملحّ تماماً يحكم حركة الكربون بين الغلاف الجوي والمحيطات والأرض والكائنات الحية، وهذه الدورة أساسية في تنظيم درجات الحرارة العالمية وكيمياء المحيطات وإنتاجية النظم الإيكولوجية، وبدون دورة الكربون التي تعمل بشكل سليم، يمكن أن تصبح الأرض عالماً متجمداً لا يُستهان به أو مُستنزفاً حراراً.

إن فهم دورة الكربون أمر حيوي ليس فقط لفهم كيف تدوم الحياة على الأرض، بل أيضاً لتفسير نتائج تغير المناخ، وقد أدت الأنشطة البشرية على مدى القرنين الماضيين إلى تعطيل هذا التوازن الطبيعي إلى حد كبير، مما أدى إلى إطلاق كميات غير مسبوقة من ثاني أكسيد الكربون وغيره من غازات الدفيئة في الجو، وقد كثفت هذه التغيرات من أثر الاحتباس الحراري، مما أدى إلى إحداث الاحترار العالمي، وإلى تغيير أنماط المناخ في جميع أنحاء العالم.

The Fundamentals of the Carbon Cycle

تشير دورة الكربون إلى التبادل المستمر لذرات الكربون بين مستودعات الأرض الرئيسية: الغلاف الجوي والمحيطات والنظم الإيكولوجية الأرضية (بما في ذلك التربة والنباتات) وودائع الوقود الأحفوري، وتنتقل الكربون عبر هذه الخزانات عبر تفاعل معقد بين العمليات البيولوجية والجيولوجية والكيميائية، وتشغل الدورة على نطاقين زمنيين متميزين:

  • The fast carbon cycle:] Involving rapid exchanges of carbon between living organisms and the atmosphere through processes like photosynthesis and respiration, typically on timescales from days to decades.
  • The slow carbon cycle:] Encompassing geological processes such as rock weathering, sedimentation, fossil fuel formation, and volcanic outgassing, which operate over millions of years.

وهذه الدورات المزدوجة تعمل معاً للحفاظ على تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي في نطاق يفضي إلى الحياة، ويمكن أن تترتب على أوجه الانحراف إلى هذا التوازن، ولا سيما من الأنشطة البشرية التي تعجل بإطلاق الكربون، عواقب مناخية عميقة.

  • Atmosphere:] The atmosphere holds approximately 860 Giatons of carbon (GtC), primarily as CO2. It is the most dynamic carbon pool, exchanging carbon rapidly with the oceans and terrestrial ecosystems.
  • Oceans:] The largest active carbon reservoir, containing around 38,000 GtC. Oceans absorb CO2 from the atmosphere and release it via physical and biological mechanisms.
  • Soil and terrestrial biomass:] Soils store about 2,500 GtC, while living plants and animals contain roughly 560 GtC. This reservoir is highly sensitive to land use changes and climate variability.
  • Fossil fuels:] Deposits of coal, oil, and natural gas represent carbon accumulated over hundreds of millions of years, estimated at about 4,000 GtC. Burning fossil fuels transfers this carbon rapidly back into the atmosphere, disrupting the natural cycle.

"السرعة ضد "بطيئة دورة الكربون

(أ) تشمل دورة الكربون ) المفضّلة () تبادل الكربون بين الكائنات الحية والغلاف الجوي، وتدور النباتات والطحالب والفولطون الصورية ذات الصبغة الصبغة الصبغة، وتستوعب ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، وتتحوله إلى مادة عضوية، ثم تنتقل هذه الكربون من خلال شبكات غذائية كحيوانات تستهلك فيها كميات كبيرة من الحيوانات، وتعودها إلى بعضها البعض().

وعلى النقيض من ذلك، فإن دورة الكربون التي تُحدث في تُحدث على مدى ملايين السنين، وهي تشمل عمليات جيولوجية مثل تجويع الصخور، وتكوين المعادن الكربونية، وترسيب الكربون العضوي في رواسب المحيطات، وخلق الوقود الأحفوري، وتُطلق الأنشطة البركانية الكربون المخزن في دورة الوقود الأرضية الداخلية في الغلاف الجوي، وتُعاد الأنشطة البشرية إلى الغلاف الجوي.

العمليات الرئيسية التي تقود دورة الكربون

وتهيمن عدة عمليات بيولوجية وجيوكيميائية على حركة الكربون بين الخزانات، وتؤدي كل عملية دوراً حاسماً في الحفاظ على توازن دورة الكربون والحفاظ على الحياة على الأرض.

التليفزيون

وتُعدّ تركيبة الصور الفوتوغرافية حجر الزاوية في دورة الكربون السريعة، حيث تستخدم النباتات والطحالب والبوكتيريا ضوء الشمس لتحويل ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي والمياه إلى غلوكوز وأكسجين، وتزيل هذه العملية ما يقرب من 120 جيتسي من الغلاف الجوي كل عام، مما يمثل نحو 15 في المائة من مجمع الكربون في الغلاف الجوي، وتشكل الغابات المطيرة المدارية، مثل الأمازون، والمساهمين في المحيطات.

ولا تشكل التليفزيونات التليفزيونية فقط الكربون، بل تشكل أيضاً قاعدة شبكات الأغذية الأرضية والبحرية، ودعم التنوع البيولوجي وخدمات النظم الإيكولوجية، كما أن التباينات في النشاط الاصطناعي الضوئي بسبب المناخ، وتوافر المغذيات، واستخدام الأراضي البشرية تؤثر تأثيراً مباشراً على ديناميات الكربون العالمية.

البعث

إن البعث هو العملية التي تحول بها الكائنات الحية الكربون العضوي إلى ثاني أكسيد الكربون لإطلاق الطاقة من أجل الوظائف البيولوجية، ويحدث ذلك في النباتات والحيوانات والميكروبات، أما في الأرض، فإن تنفس النباتات يمثل نصف الكربون الذي يعود إلى الغلاف الجوي؛ وتسهم ميكروبات التربة والحيوانات في ما تبقى من هذه المواد، وعلى الصعيد العالمي، يوازن التقريب بين التخدير الضوئي، ويحافظ على تركيزات مستقرة نسبياً من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي على مدى فترات طويلة.

غير أن التغيرات في درجة الحرارة وصحة النظام الإيكولوجي يمكن أن تغير معدلات الارتعاش، وأن تؤثر على ما إذا كانت النظم الإيكولوجية تعمل كبواليع أو مصادر كربون.

البت في

وعندما تموت الكائنات الحية، تحطمت بقاياها من قبل مزيلات مثل البكتيريا والفطريات، وتُطلق مادة الديكور الكربون إلى التربة كالمواد العضوية وفي الغلاف الجوي مثل ثاني أكسيد الكربون، وتتفاوت نسبة التحلل مع عوامل بيئية: فهي تتسارع في ظروف دافئة ورطوبة وثرية للأكسجين، مع تباطؤ في بيئات باردة وجافة وفقيرة للأكسجين.

ومما يثير القلق بوجه خاص إزالة التربة ذات الفرن الغنية بالكربون في مناطق القطب الشمالي، حيث خزنت هذه التربة كميات كبيرة من الكربون لآلاف السنين، ومع ارتفاع درجات الحرارة العالمية، يعجل تهجير القاع، ويطلق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون والغاز الميثان - القوي للاحتباس الحراري، ويشكل هذا الإطلاق حلقة إيجابية خطيرة من التغذية المرتدة تضخ تغير المناخ.

المحيطات - تبادل الغلاف الجوي

ويلعب المحيط دوراً حاسماً في دورة الكربون العالمية، حيث يعمل كأكبر خزان كربون نشط، ويحل ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي إلى المياه السطحية، حيث تستخدمه الكائنات البحرية في تركيب الصور أو تحول إلى الكربون والكربونات من خلال ردود الفعل الكيميائية.

وعلى الرغم من هذه القدرة، أدى تزايد استيعاب ثاني أكسيد الكربون إلى تحمض المحيطات - وهو انخفاض في مستوى الهيدروجيني للمحيطات مما يعطل النظم الإيكولوجية البحرية، ويضعف التحصين في حساب الكائنات الحية مثل المرجان والثدي، وبعض أنواع النباتات، ويهدد التنوع البيولوجي ومصائد الأسماك، ويستوعب المحيط حالياً نحو 25 في المائة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون البشرية، مما يساعد على إبطاء تراكم الغلاف الجوي، ولكن بتكلفة إيكولوجية.

الحرق والفولكانية

وتطلق الحرق الكربون المخزن في المواد العضوية إلى الغلاف الجوي كثاني أكسيد الكربون، وتسهم الحرائق البرية الطبيعية، والحرق الزراعي، وحرق الوقود الأحفوري في هذا التدفق، وفي حين أن حرائق الغابات الطبيعية تشكل جزءا من دورة الكربون السريعة، فإن الحرائق التي يتسبب فيها الإنسان، ولا سيما في أراضي البسات والغابات الاستوائية، قد زادت من الانبعاثات بدرجة كبيرة.

وتنطوي الأنشطة البركانية على ثاني أكسيد الكربون عن طريق الانفجارات والقطع، غير أن الانبعاثات البركانية هي انبعاثات ثانوية نسبياً - نحو 0.2 إلى 0.3 من الناتج المحلي الإجمالي سنوياً - مقارنة بالانبعاثات البشرية من الوقود الأحفوري التي تتجاوز 10 من النيترات في السنة، وبالتالي، فبينما أن البركانية مصدر طبيعي للكربون في الغلاف الجوي، فإن تأثيرها على تغير المناخ الحالي هو أدنى أثر بالنسبة إلى المصادر البشرية.

خزانات الكربون وصناديق فلكس: ميزانية عالمية

ويقيّم العلماء كمية دورة الكربون باستخدام ميزانية عالمية للكربون، تتعقب مصادر الكربون والبالوعات لفهم التوازن الصافي، ووفقاً للفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ ، فإن الأنشطة البشرية تُنَشَد حالياً نحو 11 جيت كل سنة (ما يعادل نحو 40 جيتيكو2)، من هذا، ويظل نصف المحيطات في الغلاف الجوي، بينما تُستوعب بقية النظم الإيكولوجية.

  • Atmospheric increase:] Since the pre-industrial era, atmospheric CO2 concentrations have risen from approximately 280 parts per million (ppm) to over 420 ppm today-a 50% increase that intensifies the greenhouse effect.
  • Ocean uptake:] The oceans have absorbed roughly 30% of all anthropogenic CO2 emissions since the Industrial Revolution, leading to a 30% increase in ocean acidity and impacting marine life.
  • Land sink:] Forests, soils, and other terrestrial ecosystems absorb around 3 GtC annually, a capacity that is currently under threat from deforestation, land degradation, and climate stressors.

ويعتبر فهم هذه التدفقات أمراً حاسماً للتنبؤ بتغير المناخ في المستقبل ولوضع استراتيجيات للتخفيف من حدة انبعاثات الكربون الطبيعية والحد من الانبعاثات.

دور الكربون في النظم البيولوجية

إن الكربون هو رابع أكثر العناصر وفرة في الكون وفنة البناء الأساسية لجميع الحياة المعروفة، وهو يشكل العمود الفقري للجزيء العضوي الذي لا غنى عنه للحياة، بما في ذلك الكربوهيدرات، والبروتين، والهباء، والأحماض النواة، وتخزن هذه الجزيئات الطاقة وتحمل المعلومات الوراثية، وتسمح بالنمو، والاستنساخ، والارتداد.

وفي النظم الإيكولوجية، تدور الكربون من خلال شبكات الأغذية - يقوم المنتجون الرئيسيون، مثل النباتات والطحالب، بتحويل الكربون غير العضوي إلى أشكال عضوية من خلال تركيب الصور الضوئية، ويتغذى المستهلكون على هؤلاء المنتجين وعلى بعضهم البعض، وينقلون الكربون من خلال المستويات التقويمية، ويكسر المركبون المادة العضوية الميتة، ويعيدون الكربون إلى التربة والغلاف الجوي، ويكملون الدورة.

فالسوارات الغنية بالكربون العضوي تحسن هيكل التربة، وتزيد من الاحتفاظ بالمياه، وتعزز توافر المغذيات، وتزيد مخزونات الكربون في التربة من القدرة على مواجهة الجفاف والتآكل، وتدعم الإنتاجية الزراعية والتنوع البيولوجي، وتخزن النظم الإيكولوجية الحرجية كميات كبيرة من الكربون في الكتلة الحيوية الحية وفي التربة، وتعوض جزءا كبيرا من انبعاثات الكربون العالمية، وتُعد حماية هذه النظم الإيكولوجية واستعادة هذه النظم حيوية للتخفيف من حدة المناخ والصحة الإيكولوجية.

الاضطرابات البشرية في دورة الكربون

ومنذ بداية الثورة الصناعية، غيرت الأنشطة البشرية دورة الكربون تغييرا جذريا، مما أدى إلى زيادة غير مسبوقة في ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي وغازات الدفيئة الأخرى، وتشمل العوامل الرئيسية لهذا الاضطرابات ما يلي:

  • Fossil fuel combustion:] The burning of coal, oil, and natural gas releases carbon that has been locked underground for millions of years. This adds roughly 9.5 GtC annually to the fast carbon cycle, overwhelming natural absorption processes.
  • (ب) ] Deforestation and land use change:] Clearing forests for agriculture, urban development, and other uses reduces the capacity of terrestrial ecosystems to absorb CO2. Burning or decomposition of clear vegetation releases additional carbon. These activities contribute about 1.5 GtC emissions per year.
  • (ه) إنتاج الأسمنت: ] Manufacturing cement involves calcination, a process that releases CO2 from limestone (calcium carbonate).
  • Intensive agriculture:] Practices such as tilling expose soil organic carbon to oxygen, accelerating decomposition and CO2 release. Overgrazing and monoculture cropping can degrade soils, turning them from carbon sinks into sources.

وقد دفعت هذه الآثار مجتمعة مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى أعلى مستوياتها في أقل من 000 800 سنة، مع ارتفاع المعدل الحالي لتصل إلى 100 مرة في نهاية العصر الجليدي الأخير، وتوفر الرصد المستمر، مثل الرصد الذي تقوم به [(]] الإدارة الوطنية لدراسة المحيطات والغلاف الجوي (NOAA) في مرصد ماونا لوا، بيانات حرجة.

Implications for Climate Change

ويعزز التركيز المتزايد لثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي تأثير الدفيئة، ويزيد من الحرارة ويزيد من ارتفاع درجة الحرارة العالمية، ويحفز هذا الاحترار سلسلة من آليات التغذية المرتدة في دورة الكربون التي يمكن أن تضاعف تغير المناخ:

  • Permafrost thaw:] Arctic permafrost soils hold approximately 1,600 GtC-twice the amount currently in the atmosphere. As permafrost thaws due to rising temperatures, microbial decomposition releases both CO2 and methane, intensifying greenhouse gas concentrations.
  • Forest dieback:] Warming-induced drought, increased wildfires, and pest outbreaks can weaken forests, reducing their ability to sequester carbon and potentially turning them into net carbon sources. The Amazon rainforest, a crucial carbon sink, is showing signs of reduced carbon uptake.
  • Reduced ocean uptake:] Warmer ocean temperatures reduce CO2 solubility, limiting the ocean's ability to absorb carbon. Additionally, changes in ocean circulation and nutrient availability can slow phytoplankton growth, weakening the biological pump.
  • ]Methane hydrates:] Large deposits of methane trapped in ocean sediments (methane hydrates) could be destabilized by warming oceans, releasing methane-a greenhouse gas more potent than CO2-although this is a longer-term risk with uncertain timing.

وهذه التعليقات تزيد من خطر تغير المناخ " المسير " ، حيث تؤدي العمليات الطبيعية إلى تفاقم الاحترار الذي يتسبب فيه الإنسان إلى ما يتجاوز التوقعات الحالية، ويتطلب تجنب هذه السيناريوهات إجراء تخفيضات سريعة وكبيرة في انبعاثات غازات الدفيئة، إلى جانب استراتيجيات لتعزيز عزل الكربون.

استراتيجيات التخفيف والإدارة

(أ) إن إعادة التوازن إلى دورة الكربون والتخفيف من تغير المناخ ينطوي على حافظة من الاستراتيجيات الرامية إلى خفض الانبعاثات وتعزيز مصارف الكربون الطبيعية، وتشمل النُهج الرئيسية ما يلي:

  • Reforestation and afforestation:] Planting trees on degraded or deforested lands can significantly increase carbon sequestration. Forests grown over decades, gradually absorbing CO2 and providing additional benefits such as habitat restoration, biodiversity conservation, and local climate regulation. Organizations like the Nature Conservancy solutions]
  • Renewable energy transition:] Shifting energy production from fossil fuels to renewable sources such as solar, wind, hydroelectric, and nuclear power reduces carbon emissions at their source. This transition is critical to halting the injection of Old carbon into the fast cycle.
  • Carbon Capture and Storage (CCS):] Technologies that capture CO2 emissions directly from industrial processes or the atmosphere and store it underground in geological formations can help compensate emissions from sectors difficult to decarbonize, such as cement and steel production. While promising, CCS remains costly and underdeveloped at scale.
  • Soil carbon sequestration:] Agricultural practices such as no-till farming, cover cropping, agroforestry, and improved grazing management can increase soil organic carbon stocks, enhancing soil health and reducing atmospheric CO2. Sustainable land management not only mitigates climate change but also improves food security and ecosystem resilience.
  • Reeducing deforestation and promoting sustainable land use:] Protecting existing forests and restoring degraded lands are vital to maintaining terrestrial carbon sinks. Policies that encourage sustainable forestry, reduce illegal logging, and support indigenous land rights contribute to carbon conservation and biodiversity.

وإلى جانب هذه الاستراتيجيات، فإن التعاون الدولي، والسياسات المناخية القوية، والمشاركة العامة، أمور أساسية لتنفيذ الإدارة الفعالة للكربون على الصعيد العالمي، كما أن الاستثمارات في البحث والرصد تزيد من تعزيز فهمنا وقدرتنا على الاستجابة لتغيرات دورة الكربون على نحو متكيف.