thumb|Koolstofkringloop. De zwarte getallen tonen hoeveel miljarden tonnen koolstof (GtC) in de verschillende opslagplaatsen aanwezig zijn. De paarse getallen tonen hoeveel koolstof tussen de verschillende opslagplaatsen per jaar uitgewisseld wordt. N.B.:Vegetatie omvat alle organismen. De koolstofkringloop is de bekendste biogeochemische kringloop en beschrijft alle processen waarmee het element koolstof door het systeem Aarde circuleert. De koolstofkringloop beschrijft onder andere wat er gebeurt met door mensen uitgestoten koolstofdioxide in de atmosfeer. Omdat koolstofdioxide een belangrijk broeikasgas is, vormen de onduidelijkheden binnen de koolstofkringloop een belangrijk onderzoeksterrein binnen de biochemie, geochemie en klimatologie.
Door de fotosynthese van planten wordt CO2 uit de lucht vastgelegd in planten in de vorm van koolhydraten. Een klein deel hiervan komt weer vrij door dissimilatie van de plant (zie verder: kortlopende organische kringloop).
Atmosfeer De atmosfeer bevatte volgens IPCC 2001 750 Gt C.Introduction to climate change (met CO2-kringloop), Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001. (1 Gt C = 1 Gigaton koolstof = 1012 kilogram koolstof.) Sindsdien is de CO2-concentratie gestegen tot 381 ml/m³ (komt overeen met ppmv), dat overeenkomt met een hoeveelheid van ongeveer 800 Gt C. Dat is rond 0,001 % van alle koolstof. Zij is daarmee net zoals de vegetatie de kleinste koolstofopslag, maar reageert wel het snelst op veranderingen. De belangrijkste koolstofverbinding is koolstofdioxide (CO2) met een aandeel in de lucht van 0,03 volume-% of 0,046 gewichts-%.
Daarnaast komen nog sporen van gassen en verontreinigingen in de atmosfeer voor: Formule Concentratiein ml/m³ Verblijftijd Toename in % per jaar Koolstofdioxide CO2 381 5-200 jaar *1 0,4 Methaan CH4 1,75 12 jaar 1,5 Koolstofmonoxide CO 0,05-0,2 60…180 dagen Chloorfluorkoolstofverbinding 10−3 70…100 jaar Tetrachloormethaan CCl4 10−4 ? Vluchtige koolwaterstoffen Roetdeeltjes
*1 Voor CO2 kan geen eenduidige verblijftijd aangegeven worden daar verscheidene processen een rol spelen, die afhankelijk zijn van bepaalde omstandigheden.Technical Summary of the Working Group I Report (pdf), p. 38, IPCC.
Hydrosfeer De hydrosfeer bevat 38.000 Gt C in de vorm van opgeloste CO2, alsook opgeloste koolzuur- en carbonaat-ionen. Deze hoeveelheid omvat 0,05 % van de totaal aanwezige koolstof. Ook komen hier nog bij sporen van opgeloste methaan en in het water zwevende organische deeltjes.
Lithosfeer Met 99,8 % van de totale hoeveelheid koolstof op aarde komt in de lithosfeer veruit de meeste koolstof voor. De uitwisseling is echter laag, in de lithosfeer is sprake van 'lange termijnopslag' van koolstof. sedimenten en daaruit ontstane krijtgesteente: carbonaatmineralen: calciet, magnesiet en dolomiet (60.000.000 Gt C) kerogeen (fossiele organische stoffen, zoals in olieschalie) (15.000.000 Gt C) gashydraten (10.000 Gt C) steenkool, aardgas, aardolie (4.100 Gt C) pedosfeer met humus, turf, sedimenten, mineralen (1.500 Gt) grafiet en diamant (2 allotrope vormen van koolstof)
Gashydraat is een verbinding van ijs, of van water waarvan de temperatuur rond het vriespunt schommelt, met een gas dat in de moleculaire holtes (de intermoleculaire ruimte tussen de watermoleculen) van het water zit opgesloten. Voor de koolstofkringloop is in het bijzonder methaanhydraat van belang. Het zit opgesloten in het zeesediment en in de permafrost. Het opgesloten methaan is gevormd door anaerobe bacteriële omzetting van organische stoffen. Bij oververzadiging van water met het methaan, en bij temperaturen net onder het vriespunt of bij hoge druk (in de oceaan vanaf 500 m diepte), worden methaanhydraten gevormd. Door verandering van druk en/of temperatuur kunnen grote hoeveelheden methaan vanuit de gebonden hydraatvorm binnen korte tijd vrij in de aardatmosfeer terechtkomen.
Het vrijgekomen methaan kan onder zuurstofloze omstandigheden door chemotrofe organismen als energiebron worden gebruikt:
Obligaat anaerobe, methaanoxiderende Methanosarcinales (Archaea) vormen azijnzuur uit methaan: 2 CH4 + 2 H2O -> CH3COOH + 4H2
Dit azijnzuur wordt in symbiose met Desulfosarcina gebruikt als energieleverancier: CH3COOH + SO4^2- -> 2HCO3- + HS2
Men schat dat door deze symbiose jaarlijks 300 miljoen ton methaan biochemisch wordt vastgelegd, ruim 80% van de door de in het sediment aanwezige bacteriën eerder afgescheiden methaan.
Bij aanwezigheid van zuurstof kan methaan met zuurstof (O2) door aerobe, methaanoxiderende bacteriën volledig omgezet worden in koolstofdioxide en water:
CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O
Biosfeer Koolstof is in het heelal en op Aarde een relatief zeldzaam element (procenten in atoomverhoudingen) en dus weinig abundant: Meest voorkomende elementen in het heelal: waterstof (92,7 %) en helium (7,2 %), (koolstof daarentegen maar 0,008 %) Meest voorkomende element op Aarde: zuurstof (49 %), ijzer (19 %), silicium (14 %), magnesium (12,5 %), aluminium (8,2 %) (koolstof daarentegen maar 0,099 %) Meest voorkomende element in het menselijk lichaam: waterstof (63 %), zuurstof (25,7 %), koolstof (9,5 %), stikstof (1,3 %), calcium (0,24 %) en fosfor (0,24 %).
Een ontwikkeling van leven op basis van koolstof is daarom alleen maar mogelijk wanneer organismen de koolstofkringloop benutten en zelf weer een gesloten koolstofkringloop vormen.
Opslagvormen van koolstof in organismen zijn organische stoffen en carbonaten (in de regel calciumcarbonaat CaCO3). Het skelet van zoogdieren is onder andere opgebouwd uit calciumcarbonaat.
De organismen in terrestrische (in de Aarde) ecosystemen bevatten 800 Gt C en die in zeeën 3 Gt C, wat 0,001 % van de totale hoeveelheid koolstof is. Daarmee bevatten de organismen de kleinste hoeveelheid koolstof, maar zijn wel de motor van de kortlopende organische kringloop.
Hier dient voor de volledigheid bij aangetekend te worden dat koolstof doorgaans in de vorm van carbonaten in de aardmassa voorkomt. Carbonaten hebben een relatief laag soortelijk gewicht waardoor ze gemakkelijk in de oppervlaktelagen van de aardkorst terechtkomen. Bovendien ontleden carbonaten bij hogere temperatuur gemakkelijk in oxiden en koolstofdioxide, zoals tijdens vulkanische processen. De atmosfeer van de vroege Aarde bevatte daarom een relatief hoge concentratie koolstofdioxide.
Het proces per systeem Atmosfeer In de atmosfeer vinden overwegend fysische transportprocessen plaats. Daar door wind een voortdurende menging plaatsvindt, is de CO2-concentratie in de onderste lagen van de aardatmosfeer overal hetzelfde.
Alleen op plaatsen, die gedurende een langere tijd voor de wind beschut zijn, kan de CO2 zich aan de grond verzamelen. Voorbeelden zijn de koolstofdioxidemeren in mijnen of grotten in vulkanisch actieve gebieden.
Methaan wordt in de loop van de tijd geoxideerd tot CO2.
Hydrosfeer Transportprocessen Fysische koolstofpomp: In de zee vindt door zinkende watermassa's een kortstondig transport van 33 Gt C per jaar naar grote diepten van de oceanen plaats. Biologische koolstofpomp: zinkende zeeorganismen transporteren langdurig 11 Gt C per jaar naar de oceaanbodem.
Chemische reacties en evenwichten Tussen de verschillende vormen van anorganische koolstof bestaat een chemisch evenwicht:
{| style="text-align:center;" | CO2 + 3H2O <=> || H2CO3 + 2H2O <=> || HCO3^- + H2O + H3O^+ <=> || CO2^2- + 2H3O^+ || |- | 1% || 0% || 94% || 5% || |- |colspan=5 style="text-align:left;"|De opgegeven waarden gelden voor de volgende omstandigheden, die bijvoorbeeld voor grote delenvan de oceanen gelden: T = 10 °C, pH = 8, zoutgehalte 34,3 ‰
Bij veranderingen van de omstandigheden en de concentraties verschuiven de evenwichten. Zo wordt bij een verhoging van de CO2-concentratie in de aardatmosfeer het evenwicht naar rechts verschoven, de hydrosfeer neemt dan meer koolstofdioxide op en bij een globale opwarming naar links.
Lithosfeer Sedimentatie
Bij de sedimentatie zinken slecht oplosbare anorganische en organische stoffen langzaam naar de bodem. De zinksnelheid hangt af van de deeltjesgrootte en van de dichtheid van het water en kan in stilstaand water zeer laag zijn. In de koolstofkringloop speelt de sedimentatie van kalkskeletten van de Coccolithiphoridae (kalkalgen) een grote rol.
Diagenese
Diagenese is de langdurige vastlegging van sedimenten door biologische, chemische en fysische omzettingen. Daarbij wordt bijvoorbeeld uit de kalkskeletten van micro-organismen kalksteen gevormd. Organische afzettingen worden onder bepaalde omstandigheden, zoals die in zuurstofarme, warme oppervlaktezeeën heersen, trapsgewijs in anorganische of andere organische stoffen omgezet. Er ontstaat kerogeen (bijvoorbeeld in olieschalie), teerstoffen (bitumen), steenkool, grafiet en aardolie alsook methaan. De door diagenese vastgelegde hoeveelheid bedraagt 0,2 Gt C per jaar.
Metamorfose
Metamorfose is de langdurige omzetting van vast gesteente door verhoogde druk en temperatuur: door subductie van sedimenten van de zeebodem worden de druk en temperatuur verhoogd. Aan het grensvlak van kalk- en silicaatsedimenten (zand) vinden de volgende chemische omzettingen plaats: Calciet wordt omgezet in calciumsilicaat (wollastoniet)
Dolomiet wordt omgezet in speksteen respectievelijk talk
Het hierbij vrijkomende CO2 lost op in het vloeibare magma en komt dan bij een vulkaanuitbarsting vrij.
Door tektonische veranderingen worden de gevormde silicaten naar de oppervlakte getransporteerd en zijn dan onderhevig aan verwering.
Biosfeer In de biosfeer vindt er transport plaats van organische stof makende autotrofe organismen naar de organische stof afbrekende heterotrofe organismen. Door wind en dieren wordt organisch materiaal getransporteerd. Een gesloten koolstofkringloop is via de aardatmosfeer en hydrosfeer mogelijk.
Deelkringlopen Een opslagplaats is zowel bron als opslag bij koolstofveranderingen.
Tussen de koolstofopslagplaatsen vindt een voortdurende uitwisseling plaats door chemische, fysische, geologische en biologische processen.
Langlopende anorganische kringloop Hierbij gaat het om geochemische processen, die gedurende meerdere duizenden tot miljarden jaren kunnen plaatsvinden. 700px|thumb|center|Anorganische koolstofkringloop
Mechanische verwering Door thermische spanningen (bijvoorbeeld door de invloed van vorst), druk (bijvoorbeeld door een gletsjer) alsook door wind- en watererosie kunnen grote steenblokken in steeds kleinere stukjes uiteenvallen. Door stromend water worden deze kleine stukjes steen getransporteerd en in de riviermondingen afgezet. Deze sedimenten kunnen weer door subductie een metamorfose ondergaan.
Chemische verwering Verwering van kalk- en silicaatgesteente onttrekt onder invloed van water CO2 aan de aardatmosfeer. Het daarbij gevormde koolzuur lost op in water en komt zo in de hydrosfeer terecht. Calcietverwering: (zie ook: karst, doline, grot)
Dolomietverwering:
Silicaatverwering:
Gebeurt de verwering van kalkgesteente door andere zuren, bijvoorbeeld door zwavelzuur, dat ontstaat door oxidatie en reactie met water uit de door vulkanen uitgestoten zwaveldioxide of vrijkomt bij het verbranden van zwavelhoudende fossiele brandstoffen, dan komt de gevormde CO2 in de aardatmosfeer terecht:
Vastlegging Uit een verzadigde calciumcarbonaatoplossing slaat door verhoging van de pH calciet neer, waarbij CO2 vrijkomt:
Deze reactie wordt versterkt doordat autotrofe organismen CO2 verbruiken, en zo de pH verhogen, en door sterke verdamping van water. (zie ook: stalactiet, stalagmiet, sinterterrasse)
Organismen zoals tweekleppigen, slakken en eencellige organismen leggen calciet vast door vorming van skeletten, huisjes en schelpen.