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Os ciclos do carbono são os movimentos de deslocamento do elemento carbono nos diversos ambientes, incluindo rochas, solos, oceanos e vegetais. Isso impede que ele se acumule completamente na atmosfera e estabiliza a temperatura da Terra. Para a geologia, há dois tipos de ciclo do carbono: o lento, que ocorre em centenas de milhares de anos, e o rápido, que ocorre de dezenas a cem mil anos.
O carbono é um elemento químico encontrado em abundância nas rochas e, em menor quantidade, no solo, no oceano, nos vegetais, na atmosfera, no organismo dos seres vivos e nos objetos. Ele é forjado nas estrelas, sendo o quarto elemento mais abundante do universo e essencial para a manutenção da vida na Terra da forma que a conhecemos. Entretanto, ele também é um dos causadores de um problema significativo: as mudanças climáticas.
Em escalas de tempo muito longas (milhões a dezenas de milhões de anos), o movimento das placas tectônicas e as mudanças na taxa em que o carbono penetra no interior da Terra podem alterar a temperatura global. A Terra passou por essa mudança nos últimos 50 milhões de anos, dos climas extremamente quentes do Cretáceo (cerca de 145 a 65 milhões de anos atrás) aos climas glaciais do Pleistoceno (cerca de 1,8 milhões a 11,500 anos atrás).
Por meio de uma série de reações químicas e atividade tectônica, o carbono leva entre 100 e 200 milhões de anos para se mover entre rochas, solo, oceano e atmosfera no ciclo do carbono que ocorre de forma lenta. Em média, entre dez a 100 milhões de toneladas de carbono passam pelo ciclo lento em um ano. Para efeito de comparação, as emissões humanas de carbono para a atmosfera são da ordem de 10 bilhões de toneladas, enquanto o ciclo rápido de carbono move de dez a 100 bilhões de carbono por ano.
O movimento do carbono da atmosfera para a litosfera (rochas) começa com a chuva. O carbono atmosférico, combinado com a água, forma o ácido carbônico, que se deposita na superfície por meio da chuva. Esse ácido dissolve as rochas em um processo chamado intemperismo químico, liberando íons cálcio, magnésio, potássio ou sódio. Esses íons são transportados para os rios e dos rios para o oceano.
No oceano, os íons cálcio se combinam com os íons bicarbonato para formar carbonato de cálcio, o ingrediente ativo dos antiácidos. No oceano, a maior parte do carbonato de cálcio é produzida por organismos construtores de conchas (calcificantes) (como corais) e plâncton (como coccolitóforos e foraminíferos). Depois que esses organismos morrem, eles afundam no assoalho marinho. Com o tempo, camadas de conchas e sedimentos são compactados e se transformam em rochas, armazenando o carbono, dando origem a rochas sedimentares como o calcário.
Cerca de 80% das rochas carbonáticas são geradas dessa maneira. Os 20% restantes contêm carbono originário de seres vivos (carbono orgânico) decompostos. O calor e a pressão comprimem o material orgânico rico em carbono ao longo de milhões de anos, formando rochas sedimentares, como o xisto. Em casos especiais, quando a matéria orgânica dos vegetais mortos se acumula rapidamente, sem que haja tempo para a decomposição, as camadas de carbono orgânico se tornam óleo, carvão ou gás natural, em vez de rochas sedimentares como o xisto.
No ciclo lento, o carbono retorna para a atmosfera por meio da atividade vulcânica. Isso acontece porque, quando as superfícies da crosta terrestre e oceânica da Terra colidem, uma afunda sob a outra e a rocha que ela carrega derrete sob o calor e a pressão extremos. A rocha aquecida se recombina em minerais de silicato, liberando dióxido de carbono.
Quando os vulcões entram em erupção, eles expelem o gás para a atmosfera e cobrem a terra com rochas siliciosas, começando o ciclo novamente. Os vulcões emitem entre 130 e 380 milhões de toneladas métricas de dióxido de carbono por ano. Para efeito de comparação, os seres humanos emitem cerca de 30 bilhões de toneladas de dióxido de carbono por ano – 100 a 300 vezes mais que os vulcões – queimando combustíveis fósseis.
Se o dióxido de carbono subir na atmosfera por causa de um aumento da atividade vulcânica, por exemplo, as temperaturas aumentam, levando a mais chuva, que dissolve mais rochas, criando mais íons que eventualmente depositam mais carbono no fundo do oceano. Demora algumas centenas de milhares de anos para reequilibrar o ciclo do carbono lento.
No entanto, o ciclo lento também contém um componente um pouco mais rápido: o oceano. Na superfície, onde o ar encontra a água, o gás dióxido de carbono se dissolve e ventila para fora do oceano em constante troca com a atmosfera. Uma vez no oceano, o gás dióxido de carbono reage com as moléculas de água para liberar hidrogênio, tornando o oceano mais ácido. O hidrogênio reage com o carbonato do intemperismo das rochas para produzir íons bicarbonato.
Antes da era industrial, o oceano expelia dióxido de carbono para a atmosfera em equilíbrio com o carbono que o oceano recebia durante o desgaste das rochas. No entanto, como as concentrações de carbono na atmosfera aumentaram, o oceano agora retira mais carbono da atmosfera do que libera. Ao longo de milênios, o oceano absorverá até 85% do carbono extra que as pessoas colocam na atmosfera pela queima de combustíveis fósseis, mas o processo é lento porque está ligado ao movimento da água da superfície do oceano para suas profundezas.
Enquanto isso, ventos, correntes e temperatura controlam a taxa na qual o oceano retira o dióxido de carbono da atmosfera. (Veja O balanço de carbono do oceano no Observatório da Terra.) É provável que as mudanças nas temperaturas e correntes oceânicas tenham ajudado a remover o carbono e a restaurar o carbono na atmosfera nos poucos milhares de anos em que as eras glaciais começaram e terminaram.
O tempo que o carbono leva para percorrer o ciclo do carbono rápido é medido em uma vida útil. O ciclo do carbono rápido é basicamente o movimento do carbono através das formas de vida na Terra ou na biosfera. Cerca de mil a 100.000 milhões de toneladas métricas de carbono passam pelo ciclo do carbono rápido a cada ano.
O carbono desempenha um papel essencial na biologia devido à sua capacidade de formar muitas ligações – até quatro por átomo – em uma variedade aparentemente interminável de moléculas orgânicas complexas. Muitas moléculas orgânicas contêm átomos de carbono que formaram fortes ligações com outros átomos de carbono, combinando-se em longas cadeias e anéis. Tais cadeias e anéis de carbono são a base das células vivas. Por exemplo, o DNA é feito de duas moléculas entrelaçadas construídas em torno de uma cadeia de carbono.
As ligações nas longas cadeias de carbono contêm muita energia. Quando as correntes se separam, a energia armazenada é liberada. Essa energia faz das moléculas de carbono uma excelente fonte de combustível para todos os seres vivos.
Plantas e fitoplâncton são os principais componentes do ciclo do carbono rápido. O fitoplâncton (organismos microscópicos no oceano) e as plantas retiram o dióxido de carbono da atmosfera absorvendo-o em suas células. Usando energia do Sol, as plantas e o plâncton combinam dióxido de carbono (CO2) e água para formar açúcar (CH2O) e oxigênio. A reação química é assim:
Pode acontecer do carbono se deslocar de uma planta e retornar à atmosfera, mas todas envolvem a mesma reação química. As plantas quebram o açúcar para obter a energia necessária para crescer. Os animais (incluindo pessoas) comem as plantas ou plâncton e decompõem o açúcar da planta para obter energia. As plantas e o plâncton morrem e apodrecem (são consumidos por bactérias) ou são consumidas pelo fogo. Em todos casos, o oxigênio se combina com o açúcar para liberar água, dióxido de carbono e energia. A reação química básica é assim:
Nos quatro processos, o dióxido de carbono liberado na reação geralmente acaba na atmosfera. O ciclo do carbono rápido está tão intimamente ligado à vida das plantas que a estação de crescimento pode ser vista pela forma como o dióxido de carbono flutua na atmosfera. No inverno do Hemisfério Norte, quando poucas plantas terrestres estão crescendo e muitas estão em decomposição, as concentrações atmosféricas de dióxido de carbono aumentam. Durante a primavera, quando as plantas começam a crescer novamente, as concentrações caem. É como se a Terra estivesse respirando.
Deixados imperturbáveis, os ciclos de carbono rápido e lento mantêm uma concentração relativamente constante de carbono na atmosfera, terra, plantas e oceano. Mas quando qualquer coisa altera a quantidade de carbono em um reservatório, o efeito ondula nos outros.
No passado da Terra, o ciclo do carbono mudou em resposta às mudanças climáticas. Variações na órbita da Terra alteram a quantidade de energia que a Terra recebe do Sol e levam a um ciclo de eras glaciais e períodos quentes como o clima atual da Terra. (Veja Milutin Milankovitch) As eras do gelo se desenvolveram quando os verões do Hemisfério Norte esfriaram e o gelo se acumulou na terra, o que, por sua vez, retardou o ciclo do carbono. Enquanto isso, vários fatores, incluindo temperaturas mais baixas e maior crescimento de fitoplâncton, podem ter aumentado a quantidade de carbono que o oceano retirou da atmosfera. A queda no carbono atmosférico causou um resfriamento adicional. Da mesma forma, no final da última Era Glacial, 10.000 anos atrás, o dióxido de carbono na atmosfera aumentou dramaticamente com o aquecimento das temperaturas.
Mudanças na órbita da Terra estão acontecendo constantemente, em ciclos previsíveis. Em cerca de 30.000 anos, a órbita da Terra terá mudado o suficiente para reduzir a luz solar no Hemisfério Norte aos níveis que levaram à última era glacial.
Hoje, mudanças no ciclo do carbono estão acontecendo por causa das pessoas. Perturbamos o ciclo do carbono queimando combustíveis fósseis e desmatando.
O desmatamento libera o carbono armazenado nos troncos, caules e folhas – biomassa. Ao remover uma floresta, são eliminadas plantas que, de outra forma, tirariam carbono da atmosfera conforme seu crescimento. Há uma tendência mundial de substituição das florestas por monocultura e pastagens, que armazenam menos carbono. Também expomos solo que expele carbono da matéria vegetal em decomposição para a atmosfera. Atualmente, os seres humanos estão emitindo pouco menos de um bilhão de toneladas de carbono na atmosfera por ano através de mudanças no uso da terra.
Sem interferência humana, o carbono dos combustíveis fósseis vazaria lentamente na atmosfera através da atividade vulcânica ao longo de milhões de anos no lento ciclo do carbono. Ao queimar carvão, petróleo e gás natural, aceleramos o processo, liberando vastas quantidades de carbono (carbono que levou milhões de anos para acumular) na atmosfera todos os anos. Ao fazer isso, movemos o carbono do ciclo lento para o ciclo rápido. Em 2009, os seres humanos liberaram cerca de 8,4 bilhões de toneladas de carbono na atmosfera queimando combustíveis fósseis.
Desde o início da Revolução Industrial, quando as pessoas começaram a queimar combustíveis fósseis, as concentrações de dióxido de carbono na atmosfera aumentaram de cerca de 280 partes por milhão para 387 partes por milhão, um aumento de 39%. Isso significa que para cada milhão de moléculas na atmosfera, 387 delas agora são dióxido de carbono – a concentração mais alta em dois milhões de anos. As concentrações de metano aumentaram de 715 partes por bilhão em 1750 para 1.774 partes por bilhão em 2005, a maior concentração em pelo menos 650.000 anos.
Todo esse carbono extra precisa ir a algum lugar. Até agora, as plantas terrestres e do oceano têm absorvido 55% do carbono extra na atmosfera, enquanto cerca de 45% permanece na atmosfera. Eventualmente, o solo e os oceanos absorvem a maior parte do dióxido de carbono extra, mas até 20% pode permanecer na atmosfera por muitos milhares de anos.
O excesso de carbono na atmosfera aquece o planeta e ajuda as plantas terrestres a crescerem mais. O excesso de carbono no oceano torna a água mais ácida, colocando em risco a vida marinha.
É significativo que tanto dióxido de carbono permaneça na atmosfera porque o CO2 é o gás mais importante para controlar a temperatura da Terra. Dióxido de carbono, metano e halocarbonos são gases de efeito estufa que absorvem uma ampla gama de energia – incluindo energia infravermelha (calor) emitida pela Terra – e depois a reemitem. A energia reemitida viaja em todas as direções, mas algumas retornam à Terra, aquecendo a superfície. Sem gases de efeito estufa, a Terra estaria congelada a -18ºC. Com muitos gases de efeito estufa, a Terra seria como Vênus, onde a atmosfera mantém temperaturas em torno de 400°C.
Como os cientistas sabem quais comprimentos de onda de energia cada gás de efeito estufa absorve e a concentração dos gases na atmosfera, eles podem calcular quanto cada gás contribui para o aquecimento do planeta. O dióxido de carbono causa cerca de 20% do efeito estufa da Terra; o vapor de água é responsável por cerca de 50%; e as nuvens representam 25%. O restante é causado por pequenas partículas (aerossóis) e gases de efeito estufa menores, como o metano.
As concentrações de vapor de água no ar são controladas pela temperatura da Terra. Temperaturas mais quentes evaporam mais água dos oceanos, expandem as massas de ar e levam a maior umidade. O resfriamento faz com que o vapor de água se condense e caia como chuva, granizo ou neve.
O dióxido de carbono, por outro lado, permanece um gás em uma faixa mais ampla de temperaturas atmosféricas que a água. As moléculas de dióxido de carbono fornecem o aquecimento inicial necessário para manter as concentrações de vapor de água. Quando as concentrações de dióxido de carbono caem, a Terra esfria, um pouco de vapor de água cai da atmosfera e o aquecimento da estufa causado pelo vapor de água cai. Da mesma forma, quando as concentrações de dióxido de carbono aumentam, a temperatura do ar aumenta e mais vapor de água evapora na atmosfera – o que amplifica o aquecimento da estufa.
Portanto, embora o dióxido de carbono contribua menos para o efeito estufa do que o vapor de água, os cientistas descobriram que o dióxido de carbono é o gás que determina a temperatura. O dióxido de carbono controla a quantidade de vapor de água na atmosfera e, portanto, o tamanho do efeito estufa.
As crescentes concentrações de dióxido de carbono já estão causando o aquecimento do planeta. Ao mesmo tempo em que os gases de efeito estufa estão aumentando, as temperaturas globais médias aumentam 0,8 graus Celsius (1,4 graus Fahrenheit) desde 1880.
Esse aumento na temperatura não é todo o aquecimento que veremos com base nas atuais concentrações de dióxido de carbono. O aquecimento da estufa não acontece imediatamente porque o oceano absorve o calor. Isso significa que a temperatura da Terra aumentará pelo menos mais 0,6 graus Celsius (1 grau Fahrenheit) por causa do dióxido de carbono já existente na atmosfera. O grau em que as temperaturas sobem além disso depende em parte de quanto mais seres humanos de carbono liberam na atmosfera no futuro.
Cerca de 30% do dióxido de carbono que as pessoas colocaram na atmosfera se difundiram no oceano através da troca química direta. A dissolução do dióxido de carbono no oceano cria ácido carbônico, o que aumenta a acidez da água. Ou melhor, um oceano ligeiramente alcalino se torna um pouco menos alcalino. Desde 1750, o pH da superfície do oceano caiu 0,1, uma mudança de 30% na acidez.
A acidificação dos oceanos afeta os organismos marinhos de duas maneiras. Primeiro, o ácido carbônico reage com os íons carbonato na água para formar bicarbonato. No entanto, esses mesmos íons carbonato são o que os animais construtores de conchas como o coral precisam para criar conchas de carbonato de cálcio. Com menos carbonato disponível, os animais precisam gastar mais energia para construir suas conchas. Como resultado, as conchas acabam ficando mais finas e mais frágeis.
Segundo, quanto mais água é ácida, melhor ela dissolve o carbonato de cálcio. A longo prazo, essa reação permitirá que o oceano absorva excesso de dióxido de carbono porque mais água ácida dissolverá mais rochas, liberará mais íons carbonatos e aumentará a capacidade do oceano de absorver dióxido de carbono. Enquanto isso, porém, mais água ácida dissolverá as conchas de carbonato dos organismos marinhos, tornando-os sem caroço e fracos.
Oceanos mais quentes – um produto do efeito estufa – também podem diminuir a abundância de fitoplâncton, que cresce melhor em águas frias e ricas em nutrientes. Isso poderia limitar a capacidade do oceano de extrair carbono da atmosfera através do rápido ciclo do carbono.
Por outro lado, o dióxido de carbono é essencial para o crescimento de plantas e fitoplâncton. Um aumento no dióxido de carbono pode aumentar o crescimento fertilizando aquelas poucas espécies de fitoplâncton e plantas oceânicas (como ervas marinhas) que retiram o dióxido de carbono diretamente da água. No entanto, a maioria das espécies não é ajudada pelo aumento da disponibilidade de dióxido de carbono.
As plantas em terra absorveram aproximadamente 25% do dióxido de carbono que os humanos colocaram na atmosfera. A quantidade de carbono que as plantas absorvem varia muito de ano para ano, mas, em geral, as plantas do mundo aumentam a quantidade de dióxido de carbono que absorvem desde 1960. Apenas parte desse aumento ocorreu como resultado direto das emissões de combustíveis fósseis.
Com mais dióxido de carbono atmosférico disponível para converter em matéria vegetal na fotossíntese, as plantas foram capazes de crescer mais. Esse aumento de crescimento é conhecido como fertilização de carbono. Os modelos prevêem que as plantas possam crescer de 12 a 76% a mais se o dióxido de carbono atmosférico dobrar, desde que nada mais, como a escassez de água, limite seu crescimento. No entanto, os cientistas não sabem quanto dióxido de carbono está aumentando o crescimento das plantas no mundo real, porque as plantas precisam de mais do que dióxido de carbono para crescer.
As plantas também precisam de água, luz solar e nutrientes, especialmente nitrogênio. Se uma planta não tem uma dessas coisas, ela não cresce, independentemente de quão abundantes sejam as outras necessidades. Há um limite de quanto as usinas de carbono podem retirar da atmosfera, e esse limite varia de região para região. Até agora, parece que a fertilização com dióxido de carbono aumenta o crescimento das plantas até que a planta atinja um limite na quantidade de água ou nitrogênio disponível.
Algumas das mudanças na absorção de carbono são resultado de decisões de uso da terra. A agricultura se tornou muito mais intensiva, para que possamos cultivar mais alimentos em menos terra. Nas latitudes alta e média, as terras abandonadas estão revertendo para a floresta, e essas florestas armazenam muito mais carbono, tanto na madeira quanto no solo, do que as culturas. Em muitos lugares, impedimos que o carbono da planta entre na atmosfera extinguindo incêndios. Isso permite que o material lenhoso (que armazena carbono) se acumule. Todas essas decisões de uso da terra estão ajudando as plantas a absorver carbono liberado pelo homem no Hemisfério Norte.
Nos trópicos, no entanto, as florestas estão sendo removidas, muitas vezes através do fogo, e isso libera dióxido de carbono. Em 2008, o desmatamento representou cerca de 12% de todas as emissões humanas de dióxido de carbono.
As maiores mudanças no ciclo do carbono terrestre provavelmente ocorrerão por causa das mudanças climáticas. O dióxido de carbono aumenta as temperaturas, prolongando a estação de crescimento e aumentando a umidade. Ambos os fatores levaram a algum crescimento adicional da planta. No entanto, temperaturas mais quentes também estressam as plantas. Com uma estação de crescimento mais longa e mais quente, as plantas precisam de mais água para sobreviver. Os cientistas já estão vendo evidências de que as plantas no Hemisfério Norte retardam o crescimento no verão por causa das temperaturas quentes e da escassez de água.
Plantas secas e com estresse hídrico também são mais suscetíveis ao fogo e insetos quando as estações de crescimento se tornam mais longas. No extremo norte, onde o aumento da temperatura tem maior impacto, as florestas já começaram a queimar mais, liberando carbono das plantas e do solo na atmosfera. As florestas tropicais também podem ser extremamente suscetíveis à secagem. Com menos água, as árvores tropicais diminuem o crescimento e absorvem menos carbono, ou morrem e liberam o carbono armazenado na atmosfera.
O aquecimento causado pelo aumento dos gases de efeito estufa também pode “assar” o solo, acelerando a taxa na qual o carbono escoa em alguns lugares. Isso é particularmente preocupante no extremo norte, onde o solo congelado – permafrost – está descongelando. O permafrost contém ricos depósitos de carbono da matéria vegetal que se acumulam há milhares de anos porque o frio diminui a decadência. Quando o solo aquece, a matéria orgânica decai e o carbono – na forma de metano e dióxido de carbono – penetra na atmosfera.
Pesquisas atuais estimam que o permafrost no Hemisfério Norte detém 1.672 bilhões de toneladas (Petagramas) de carbono orgânico. Se apenas 10% desse permafrost descongelar, ele poderá liberar dióxido de carbono extra suficiente na atmosfera para elevar as temperaturas em 0,7 graus Celsius (1,3 graus Fahrenheit) em 2100.
Muitas das perguntas que os cientistas ainda precisam responder sobre o ciclo do carbono giram em torno de como ele está mudando. A atmosfera agora contém mais carbono do que em qualquer momento em pelo menos dois milhões de anos. Cada reservatório do ciclo mudará à medida que esse carbono passar pelo ciclo.
Como serão essas mudanças? O que acontecerá às plantas à medida que as temperaturas aumentam e as mudanças climáticas? Eles removerão mais carbono da atmosfera do que devolvem? Eles se tornarão menos produtivos? Quanto carbono extra o permafrost derreterá na atmosfera e quanto isso amplificará o aquecimento? A circulação ou o aquecimento oceânico mudam a taxa na qual o oceano absorve carbono? A vida oceânica se tornará menos produtiva? Quanto o oceano acidificará e que efeitos isso terá?
O papel da NASA em responder a essas perguntas é fornecer observações globais por satélite e observações de campo relacionadas. No início de 2011, dois tipos de instrumentos de satélite estavam coletando informações relevantes para o ciclo do carbono.
Os instrumentos do Espectrorradiômetro de Imagem de Resolução Moderada (MODIS), voando nos satélites Terra e Aqua da NASA, medem a quantidade de plantas de carbono e o fitoplâncton se transforma em matéria à medida que crescem, uma medida chamada produtividade primária líquida. Os sensores MODIS também medem quantos incêndios ocorrem e onde eles queimam.
Dois satélites Landsat fornecem uma visão detalhada dos recifes oceânicos, o que está crescendo em terra e como a cobertura da terra está mudando. É possível ver o crescimento de uma cidade ou uma transformação de floresta em fazenda. Esta informação é crucial porque o uso da terra é responsável por um terço de todas as emissões humanas de carbono.
Os futuros satélites da NASA continuarão essas observações e também medirão dióxido de carbono e metano na atmosfera, altura e estrutura da vegetação.
Todas essas medidas nos ajudarão a ver como o ciclo global do carbono está mudando com o tempo. Eles nos ajudarão a avaliar o impacto que estamos tendo no ciclo do carbono, liberando carbono na atmosfera ou encontrando maneiras de armazená-lo em outro lugar. Eles nos mostrarão como a mudança climática está alterando o ciclo do carbono e como a mudança do ciclo está alterando o clima.
A maioria de nós, no entanto, observará mudanças no ciclo do carbono de uma maneira mais pessoal. Para nós, o ciclo do carbono é a comida que ingerimos, a eletricidade em nossas casas, o gás em nossos carros e o clima sobre nossas cabeças. Como fazemos parte do ciclo do carbono, nossas decisões sobre como vivemos se propagam ao longo do ciclo. Da mesma forma, mudanças no ciclo do carbono afetarão a maneira como vivemos. À medida que cada um de nós passa a entender nosso papel no ciclo do carbono, o conhecimento nos capacita a controlar nosso impacto pessoal e a entender as mudanças que estamos vendo no mundo ao nosso redor.
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