Uhlíkový cyklus planety Země (1)

Začněme od Adama – Adamem byl Velký třesk

Naše těla se skládají z organických sloučenin a vody. To dělá z uhlíku nepostradatelný prvek, který je základním předpokladem pro vznik života na Zemi. Nebýt uhlíku, nebyli bychom tu ani my. Naštěstí je uhlíku ve vesmíru opravdu dost – patří k poměrně lehkým prvkům, které se nevyhnutelně tvoří v hodně hmotných hvězdách.

Výskyt uhlíku ve vesmíru je tedy logickým důsledkem života hvězd. Spolu s ostatními podobně vznikajícími prvky pak tvoří oblaka prachu, který se mísí s původním plynem (vodíkem a malým množstvím helia), vzniklým už na počátku vesmíru krátce po Velkém třesku.

Takto vzniklá oblaka hmoty se postupem času zahušťují a vytváří nové hvězdy.

Gravitace kolem nich formuje planetární soustavy. Původ uhlíku na malých kamenných planetách se dá tedy vysvětlit podobně logicky jako jeho výskyt ve vesmíru. Tím ale veškerá jednoduchost a s ní spojená krása … končí.

Zatímco byla původní hmota ve vesmíru rozptýlena a mohla tak existovat poměrně nerušeně, u kondenzované hmoty planet se do věci k fyzice vkládá ještě chemie. Konkrétně jsou to vlivy gravitace, vysoké tlaky a teploty uvnitř velkých těles a chemické reakce, které probíhají vesměs o to rychleji, čím vyšší teplotu látky mají.

Výsledkem je pak to, co pozorujeme na naší vlastní planetě: složitá komplexní struktura. S hloubkou se mění složení materiálu hotové planety.

Není divu, že stav, ve kterém se nyní nachází Země, fascinuje velké množství lidí – a to nejen profesionální geology. Vždyť procesy, které probíhají na naší planetě, mohou kdykoliv probíhat i na cizích planetách. A stejně jako u nás – mohou vést ke vzniku života.

Z mnoha důvodů je taková myšlenka fascinující.

Připomeňme si základní pojmy

Vrchní graf znázorňuje profil naší planety. Je dostatečně velká a těžká, takže se u ní jedna ze základních vesmírných sil (gravitace) postarala o to, aby se materiál postupem doby rozdělil do několika základních vrstev.

Nejtěžší z těch nejhojnějších chemických prvků, ze kterých se planeta skládá, se nacházejí v jádře – jsou to kovy železo a nikl. Vrchní část jádra je tekutá a vnitřní pevná. Vědou, která tu kraluje, je fyzika. Vzniká tu magnetické pole Země. Jeho chemická struktura je spíše nudná.

Věnujme se tedy oblasti, ve které dochází k té správné a nefalšované chemické párty.

Pro koloběh uhlíku jsou důležité hnědě vybarvené části – oceánská a kontinentální kůra – tedy samotný povrch Země. Pod nimi leží tzv. pevná a nejsvrchnější část pláště.

Obě tyto komponenty vytvářejí litosféru. Pokud tedy bude později řeč o litosféře, budou míněny obě tyto oblasti.

Ještě hlouběji leží astenosféra, která dělí litosféru od pláště planety.

Litosféra, astenosféra a plášť – jsou části ty naší planety, které jsou tvořené různorodým materiálem, obsahujícím hodně křemíku. Zjednodušeně se jim dá říkat – horniny. Právě tady dostává největší prostor věda, které říkáme chemie.

Uhlík na naší planetě

Celkový koloběh uhlíku je pestrý. Pokud do něj chceme zasahovat nebo s ním rovnou bojovat, měli bychom nejdříve vyzkoumat, o jaké procesy se jedná.

Z logiky věci vyplývá, že se koloběh uhlíku nedá zjednodušit do primitivního “přestaňme vyrábět CO2 a všechno bude v pořádku”. A to nejen proto, že lidstvo samozřejmě žádný uhlík nevyrábí, jen používá jeho malou část ke svému prospěchu.

Uhlík je uložen v atmosféře, biosféře, hydrosféře a litosféře, říká poučka. Atmosférický uhlík je zastoupen jistě všem dobře známým a poslední dobou tolik probíraným oxidem uhličitým – CO2. Jedná se o jednoduchou sloučeninu s jednoduchými vlastnostmi. V ještě menším množství se v atmosféře vyskytuje také jeho bratr, oxid uhelnatý – CO.

Největší zábavu si užije uhlík v biosféře. V organických sloučeninách se váže na vodík a kyslík, dusík a několik dalších prvků. Řetězí se v dlouhých molekulách, tvoří cyklické sloučeniny, pravotočivé a levotočivé systémy a komplikované molekuly nejrůznějších velikostí.

Zajímavý je výskyt uhlíku v hydrosféře. Plyn CO2 se totiž může rozpouštět ve vodě. Podobně jako u ostatních plynů, se koncentrace rozpuštěného CO2 řídí teplotou.

Ovšem největší množství uhlíku se paradoxně nenachází v živých organismech ani v tolik probíraném atmosférickém CO2. Nejvíc uhlíku se nachází pod našima nohama – v litosféře planety. Připomeňme si, že litosféra je souhrnný název pro zemskou kůru a pevnou nejsvrchnější část pláště.

Celkové množství uhlíku na naší planetě je z principu věci konstantní – celkem ho tu je kolem 75 milionů gigatun. Mezi jednotlivými oblastmi výskytu (atmosféra, biosféra, oceány a litosféra) neustále koluje – jevu se říká uhlíkový cyklus.

Fungují tu krátkodobé procesy a dlouhodobé procesy. Mezi krátkodobé patří příjem CO2 rostlinami při fotosyntéze. Ty produkují kyslík, který zvířata ale i rostliny samotné používají k dýchání. Do koloběhu se při vydechování vrací CO2.

Existují ale i dlouhodobé geochemické procesy a ty mají doslova geologický význam. Rozhodně nejsou zanedbatelné, i když na první pohled nejsou vidět. Jedná se o procesy, které probíhají v litosféře, pevné horninové skořápce země. Ta obsahuje více než 99 procent pozemského uhlíku. Nachází se tu ve formě uhličitanů, ale také v organické formě, například jako uhlí a ropa.

Uhlíkový cyklus sahá dokonce i do větší hloubky, než jakou dříve předpokládali vědci. Naznačuje to analýza různých izotopů u diamantů. S její pomocí se dá zpětně sledovat, jak se nejprve materiál do zemské kůry ponořil, byl pak později transportován do značné hloubky a později se vracel zpět na povrch planety. Ale o tom až příště…

Příště: Uhlíkový cyklus – svědectví diamantů.

Zdroj