Daur Karbon
Siklus karbon adalah siklus biogeokimia dimana karbon dipertukarkan
antara biosfer, geosfer, hidrosfer, dan atmosfer Bumi (objek astronomis lainnya
bisa jadi memiliki siklus karbon yang hampir sama meskipun hingga kini belum
diketahui).
Dalam
siklus ini terdapat empat reservoir karbon utama yang dihubungkan oleh jalur
pertukaran. Reservoir-reservoir tersebut adalah atmosfer, biosfer teresterial
(biasanya termasuk pula freshwater system dan material
non-hayati organik seperti karbon tanah (soil carbon)), lautan(termasuk karbon anorganik
terlarut dan biota laut hayati dan non-hayati), dan sedimen (termasuk bahan bakar fosil). Pergerakan tahuan karbon,
pertukaran karbon antar reservoir, terjadi karena proses-proses kimia, fisika,
geologi, dan biologi yang bermaca-macam. Lautan mengadung kolam aktif karbon
terbesar dekat permukaan Bumi, namun demikian laut dalam bagian dari kolam ini mengalami
pertukaran yang lambat dengan atmosfer.
Secara umum, karbon akan
diambil dari udara oleh organisme fotoautotrof (tumbuhan,
ganggang, dll yang mampu melaksanakan fotosintesis).
organisme tersebut, sebut saja tumbuhan, akan memproses karbon menjadi bahan makanan yang
disebutkarbohidrat, dengan
proses kimia sebagai berikut :
6 CO2 + 6 H2O (+Sinar Matahari yg diserap Klorofil) ↔ C6H12O6 + 6
O2
Karbondioksida + Air
(+Sinar Matahari yg diserap Klorofil)↔ Glukosa + Oksigen
Bagian terbesar dari karbon yang berada diatmosfer Bumi adalah gas karbon dioksida(CO2). Meskipun jumlah gas ini merupakan bagian yang sangat kecil dari seluruh gas yang ada di atmosfer (hanya sekitar 0,04% dalam basis molar, meskipun sedang mengalami kenaikan), namun ia memiliki peran yang penting dalam menyokong kehidupan. Gas-gas lain yang mengandung karbon di atmosfer adalah metan dan kloroflorokarbon atau CFC (CFC ini merupakan gas artifisial atau buatan). Gas-gas tersebut adalah gas rumah kaca yang konsentrasinya di atmosfer telah bertambah dalam dekade terakhir ini, dan berperan dalampemanasan global.
Karbon diambil dari atmosfer dengan berbagai cara:
1.
Ketika
matahari bersinar, tumbuhanmelakukan fotosintesa untuk
mengubah karbon dioksida menjadikarbohidrat,
dan melepaskan oksigenke atmosfer. Proses ini akan lebih banyak menyerap
karbon pada hutan dengan tumbuhan yang baru saja tumbuh atau hutan yang sedang
mengalami pertumbuhan yang cepat.
2.
Pada
permukaan laut ke arah kutub, air laut menjadi lebih dingin dan CO2 akan
lebih mudah larut. Selanjutnya CO2 yang larut tersebut akan
terbawa oleh sirkulasi termohalin yang
membawa massa air di permukaan yang lebih berat ke kedalaman laut atau interior
laut (lihat bagian solubility pump).
3.
Di laut
bagian atas (upper ocean), pada daerah dengan produktivitas yang tinggi,
organisme membentuk jaringan yang mengandung karbon, beberapa organisme juga
membentuk cangkang karbonat dan bagian-bagian tubuh lainnya yang keras. Proses
ini akan menyebabkan aliran karbon ke bawah (lihat bagian biological pump).
4.
Pelapukan
batuan silikat. Tidak seperti dua proses sebelumnya, proses ini tidak memindahkan
karbon ke dalam reservoir yang siap untuk kembali ke atmosfer. Pelapukan batuan
karbonat tidak memiliki efek netto terhadap CO2 atmosferik
karena ion bikarbonat yang terbentuk terbawa ke laut dimana selanjutnya dipakai
untuk membuat karbonat laut dengan reaksi yang sebaliknya (reverse reaction).
Karbon dapat kembali ke atmosfer dengan berbagai cara pula,
yaitu:
1.
Melalui
pernapasan (respirasi) oleh tumbuhan dan binatang. Hal ini merupakan reaksi eksotermik dan
termasuk juga di dalamnya penguraian glukosa (atau molekul organik lainnya)
menjadi karbon dioksida dan air.
2.
Melalui
pembusukan binatang dan tumbuhan. Fungi atau jamur dan bakteri mengurai
senyawa karbon pada binatang dan tumbuhan yang mati dan mengubah karbon menjadi
karbon dioksida jika tersedia oksigen, atau menjadi metana jika
tidak tersedia oksigen.
3.
Melalui pembakaran material
organik yang mengoksidasi karbon yang terkandung menghasilkan karbon dioksida
(juga yang lainnya seperti asap). Pembakaran bahan bakar
fosil seperti batu bara,
produk dari industri perminyakan (petroleum),
dan gas alam akan
melepaskan karbon yang sudah tersimpan selama jutaan tahun di dalam geosfer.
Hal inilah yang merupakan penyebab utama naiknya jumlah karbon dioksida di
atmosfer.
4.
Produksi semen. Salah satu
komponennya, yaitu kapur atau gamping atau kalsium oksida, dihasilkan
dengan cara memanaskan batu kapur atau batu gamping yang akan menghasilkan juga
karbon dioksida dalam jumlah yang banyak.
5.
Di
permukaan laut dimana air menjadi lebih hangat, karbon dioksida terlarut
dilepas kembali ke atmosfer.
6.
Erupsi
vulkanik atau ledakan gunung berapi akan melepaskan gas ke atmosfer. Gas-gas
tersebut termasuk uap air, karbon dioksida, dan belerang. Jumlah karbon dioksida
yang dilepas ke atmosfer secara kasar hampir sama dengan jumlah karbon dioksida
yang hilang dari atmosfer akibat pelapukan silikat; Kedua proses kimia ini yang
saling berkebalikan ini akan memberikan hasil penjumlahan yang sama dengan nol
dan tidak berpengaruh terhadap jumlah karbon dioksida di atmosfer dalam skala
waktu yang kurang dari 100.000 tahun.
Karbon di Biosfer
Sekitar 1900 gigaton
karbon ada di dalam biosfer. Karbon adalah bagian yang penting dalam kehidupan
di Bumi. Ia memiliki peran yang penting dalam struktur, biokimia, dan nutrisi
pada semua sel makhluk hidup. Dan kehidupan memiliki peranan yang penting dalam
siklus karbon:
1. Autotrof adalah organisme yang menghasilkan
senyawa organiknya sendiri dengan menggunakan karbon dioksida yang berasal dari
udara dan air di sekitar tempat mereka hidup. Untuk menghasilkan senyawa
organik tersebut mereka membutuhkan sumber energi dari luar. Hampir sebagian
besar autotrof menggunakan radiasi matahari untuk memenuhi kebutuhan energi
tersebut, dan proses produksi ini disebut sebagai fotosintesis. Sebagian kecil
autotroph memanfaatkan sumber energi kimia, dan disebut kemosintesis. Autotroph
yang terpenting dalam siklus karbon adalah pohon-pohonan di hutan dan daratan
dan fitoplankton di laut. Fotosintesis memiliki reaksi 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 +
6O2
2. Karbon dipindahkan di dalam biosfer sebagai
makanan heterotrop pada organisme lain atau bagiannya (seperti buah-buahan).
Termasuk di dalamnya pemanfaatan material organik yang mati (detritus) oleh
jamur dan bakteri untuk fermentasi atau penguraian.
3. Sebagian besar karbon meninggalkan biosfer
melalui pernafasan atau respirasi. Ketika tersedia oksigen, respirasi aerobik
terjadi, yang melepaskan karbon dioksida ke udara atau air di sekitarnya dengan
reaksi C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O. Pada keadaan tanpa oksigen, respirasi
anaerobik lah yang terjadi, yang melepaskan metan ke lingkungan sekitarnya yang
akhirnya berpindah ke atmosfer atau hidrosfer.
4. Pembakaran biomassa (seperti kebakaran hutan,
kayu yang digunakan untuk tungku penghangat atau kayu bakar, dll.) dapat juga
memindahkan karbon ke atmosfer dalam jumlah yang banyak.
5. Karbon juga dapat berpindah dari bisofer
ketika bahan organik yang mati menyatu dengan geosfer (seperti gambut).
Cangkang binatang dari kalsium karbonat yang menjadi batu gamping melalui
proses sedimentasi.
6. Sisanya, yaitu siklus karbon di laut dalam,
masih dipelajari. Sebagai contoh, penemuan terbaru bahwa rumah larvacean mucus
(biasa dikenal sebagai "sinkers") dibuat dalam jumlah besar yang mana
mampu membawa banyak karbon ke laut dalam seperti yang terdeteksi oleh
perangkap sedimen. Karena ukuran dan kompisisinya, rumah ini jarang terbawa
dalam perangkap sedimen, sehingga sebagian besar analisis biokimia melakukan
kesalahan dengan mengabaikannya.
7. Penyimpanan karbon di biosfer dipengaruhi oleh
sejumlah proses dalam skala waktu yang berbeda: sementara produktivitas primer
netto mengikuti siklus harian dan musiman, karbon dapat disimpan hingga
beberapa ratus tahun dalam pohon dan hingga ribuan tahun dalam tanah. Perubahan
jangka panjang pada kolam karbon (misalnya melalui de- atau afforestation) atau
melalui perubahan temperatur yang berhubungan dengan respirasi tanah) akan
secara langsung memengaruhi pemanasan global.
Karbon
di Laut
Laut mengandung sekitar 36.000 gigaton karbon,
dimana sebagian besar dalam bentuk ion bikarbonat. Karbon anorganik, yaitu
senyawa karbon tanpa ikatan karbon-karbon atau karbon-hidrogen, adalah penting
dalam reaksinya di dalam air. Pertukaran karbon ini menjadi penting dalam
mengontrol pH di laut dan juga dapat berubah sebagai sumber (source)
atau lubuk (sink) karbon. Karbon siap untuk saling dipertukarkan antara
atmosfer dan lautan. Pada daerah upwelling,
karbon dilepaskan ke atmosfer. Sebaliknya, pada daerah downwelling karbon
(CO2) berpindah dari atmosfer ke lautan. Pada saat CO2memasuki
lautan, asam karbonat terbentuk:
CO2 + H2O ⇌ H2CO3
Reaksi ini memiliki sifat dua arah, mencapai
sebuah kesetimbangan kimia. Reaksi lainnya yang penting dalam mengontrol nilai
pH lautan adalah pelepasan ion hidrogen dan bikarbonat. Reaksi ini mengontrol
perubahan yang besar pada pH:
H2CO3 ⇌ H+ + HCO3−