Organik bileşiklerde yer alan karbon, bitkilerden insanlara kadar canlılığın temel yapı taşları DNA ve proteinlerin vazgeçilmez parçalarından. Hal böyleyken gezegenimiz, aynı su gibi düzenli bir karbon döngüsüne sahip. Peki, karbonun gezegenimizdeki dolaşımı nasıl gerçekleşiyor ve iklim değişikliği ile arasındaki bağ nedir? Bu yazımızda karbon döngüsü hakkındaki sorulara kapsamlı cevaplar getirmeye çalışacağız.
Karbon Döngüsü Nedir?
Karbon döngüsü kısaca, dünya üzerindeki karbonun farklı formlarının sürekli olarak dolaşımını ve değişimini ifade eder. Bu doğal süreç, atmosfer, bitkiler, denizler, topraklar ve canlı organizmalar arasında gerçekleşir. Karbon döngüsü, bitkilerin fotosentez yoluyla karbondioksiti emmesi, canlı organizmaların beslenmesiyle karbonun taşınması, solunum ve bozunma ile atmosfere karbonun geri verilmesi gibi aşamalardan oluşur. Karbon döngüsü, dünya üzerindeki yaşamın sürdürülebilirliği için kritik bir rol oynar ve atmosferdeki karbon seviyelerinin dengede tutulmasını sağlar. Ayrıca iklim değişikliği ve çevresel denge üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Bu nedenle, karbon döngüsünün anlaşılması ve sürdürülebilir bir şekilde yönetilmesi önemlidir.
Temel olarak, bu döngü iki ana bileşeni içerir: biyotik (canlılar) ve abiyotik (canlı olmayanlar). Bitkiler, fotosentez yoluyla atmosferden karbondioksit (CO2) alır ve bu CO2’yi organik maddeye dönüştürerek oksijen üretirler. Elde edilen organik madde ise canlılık enerjisinin elde edilmesinde kilit rol oynar.
Üretilen organik madde, bitkilerin büyümesini ve gelişmesini desteklerken, aynı zamanda bitkilerin tüketildiği veya çürüdüğü zaman diğer organizmaların besin kaynağı olur. Bu besin zinciri içinde karbon, canlı organizmalar arasında sürekli olarak dolaşır.
Ancak karbonun dolaşımı sadece biyotik faktörlere bağlı değildir. Abiyotik faktörler de karbonun hareketine etki eder. Örneğin, karbonat mineralleri gibi karbon içeren mineral formasyonları yer kabuğunda bulunur ve uzun vadeli karbon depolama süreçlerinin bir parçasını oluşturur.
Karbon Döngüsü Nasıl Gerçekleşir?
“Karbon döngüsü nedir?” sorusuna cevap verdiğimize göre biraz daha derinlerine inerek mekanizmayı açıklayabiliriz. Yapılan araştırmalara göre Dünya’daki karbonun %99’u gezegenimizin iç ve dış katmanlarında saklı. Atmosferdeki karbon miktarı ise yalnızca binde dört oranında. Bu veriler bize açıkça gösteriyor ki gezegenimizin doğal dengesinin korunması için karbon döngüsünün işleyişini bilmek büyük önem taşıyor.
Karbon döngüsünü daha iyi kavramak için biyolojinin ve yaşamın temellerine inmemiz gerekli. İlk fotosentetik canlılar olan siyano-bakterilerin evrimleşmesinden bu yana dünyadaki en büyük karbon üretici ve tüketicileri, canlılardır. Genellikle bitkilerle ilişkilendirilen fotosentez, karbon moleküllerinin ışık ve su yardımıyla besin ve oksijene dönüştürülmesi olarak özetlenebilir. Hücresel solunumda ise besin ve oksijen kullanılarak enerji üretimi gerçekleştirilir ve dışarıya karbondioksit salınır. Canlılığın besin üretimi ve enerji tüketiminin temel yapıtaşları olan bu iki mekanizma, karbon döngüsünün de temelini oluşturur. Solunum ve fotosentezin yanı sıra ayrışma, aşınma ve yakma gibi mekanizmalar da karbon döngüsünü işlevsel kılar.
İlk olarak ünlü kimyager Antoine Lavoisier ve Joseph Priestley tarafından tanımlanan karbon döngüsü şeması ve gezegenimize etkisi, beş büyük segment altında incelenebilir; Düşük oranda karbon içeren atmosfer, canlıların yaşam alanı kara biyosferi, okyanuslarda çözünmüş inorganik karbon molekülleri ve okyanus canlılığı, yer altında biriken tortu ve fosiller ve yeryüzü içi yani manto ve kabuk katmanları.
Yaşamına ilk olarak atmosferde başlayan bir karbon molekülü, fotosentez ile atmosferden ayrıştırılarak kara veya deniz biyosferine katılır. Daha sonrasında yer aldığı canlının hücresel solunumu veya ölümü kaynaklı olarak ya atmosfere geri döner ya da bulunduğu ortamda çözünür veya kalıntı olarak çökelir.
Kalıntı olarak çökelen karbon, canlılar tarafından metan gazına dönüştürülmediği sürece toprak içerisinde milyonlarca yıl kalabilir. Uzun yıllar boyunca basınca maruz kalan karbon kalıntıları, kimyasal ve fiziksel ayrışmalar sonrasında fosilleşir. Fosilleşen karbon, ya kabuğun ve mantonun derinlerine kadar iner ya da insanlar tarafından fosil yakıt olarak kullanılması neticesinde yeniden atmosfere veya biyosfere karışır.
Karbon Döngüsü Aşamaları Nelerdir?
Karbon döngüsü aşamaları; fotosentez, solunum, ayrışma ve fosilleşme olmak üzere dört farklı adımda incelenebilir.
Fotosentez: Fotosentetik canlılar (Örn: bitkiler), güneş enerjisi kullanarak CO2’yi alır ve oksijen üreterek organik bileşikler üretirler.
Solunum: Bitkiler ve hayvanlar bu organik bileşikleri enerji üretmek için kullanır ve CO2 üretirler.
Ayrışma: Ölen organizmaların ve bitki artıklarının ayrışması sonucu, karbon toprakta birikir.
Fosilleşme: Milyonlarca yıl süren bu süreçte, karbon fosil yakıtlar haline gelir.
Daha önce gezegenimizdeki karbonun %99’unun Yerküre’ye hapsolduğunu söylemiştik. Dünya’daki 4.3 milyar yıl olduğu tahmin edilen canlılığın yaklaşık 3.4 milyar yılında fotosentez yapıldığı düşünüldüğünde, fosilleşme kaynaklı olarak karbonun büyük bir bölümünün gezegenimizin katmanlarında hapsolduğu gerçeği, artık çok daha anlaşılır olacaktır.
Günümüzde fosilleşen karbona aslında her geçen gün tanık oluyoruz. Evet, doğru bildiniz! Fosil yakıtlar olarak bildiğimiz petrol ve doğalgaz türevi yakıtlar aslında karbon döngüsü sonucunda toprağa hapsolan canlı kalıntılarından ibaret.
Karbon Döngüsünü Etkileyen Faktörler
Dünya içerisindeki her doğal döngü gibi karbon döngüsü de oldukça hassas ayarlar üzerine kuruludur. Dünya’da bulunan karbonun büyük çoğunluğu yer kabuğu ve manto içerisinde yer alsa da karbon döngüsünde yaşanabilecek en ufak sorun, atmosferin karbondioksit benzeri sera gazlarıyla dolmasına ve en nihayetinde canlılığın yok olmasına yol açabilir. Bu nedenle ilk olarak atmosferdeki karbon miktarı üzerinde duracağız.
Atmosferdeki karbon miktarı, Dünya üzerinde yaşayan canlıların sayısına, dolaşımdaki karbon miktarına ve yaşanabilecek doğal felaketlere göre değişiklik gösterebilir. Karbon döngüsünü etkileyen faktörler, karbon kaynaklarının daha iyi anlaşılmasıyla kavranabilir.
Atmosferdeki karbon miktarı, aşağıdaki faktörler neticesinde değişir.
Atmosferdeki karbon miktarını arttıran olaylar:
- Yanma olayı sırasında açığa çıkan karbon (orman yangınları, fosil yakıt kullanımı)
- Volkanik patlama ve asteroit çarpması sonrası ortaya çıkan karbon
- Canlılık kaynaklı hücresel solunum
- Doğal veya doğal olmayan yollarla çözünen kireç taşları ve karbonatlı kayaçlar
- Ölen canlıların çürümesi ve canlılık kaynaklı metan gazı salınımı
- Su yüzeyi hareketliliği kaynaklı okyanus ve atmosfer arasındaki karbon alışverişi
Atmosferdeki karbon miktarını azaltan olaylar:
- Fotosentetik ve kemosentetik canlıların fotosentez ve kemosentez için karbon tüketmesi
- Atmosferdeki karbondioksitin çözünerek suya karışması
- Canlıların ölümüyle birlikte yer kabuğunda birikinti ve fosil oluşumu
Atmosferin ardından Yerküre olarak adlandırdığımız yer kabuğu ve manto tabakalarındaki karbon birikiminin gezegenimiz üzerindeki etkilerini incelememiz gerekiyor. Temelde yer altında biriken karbonun ekstrem koşullar dışında canlılığa karşı bir etkisi yoktur. Milyarlarca yıl içerisinde depolanan tonlarca karbon molekülünün insanlığın fosil yakıt kullanmadığı durumda atmosfere karışması için çok fazla neden yoktur. Ancak bazı durumlarda yüzeyde canlıların çürümesi sonucunda biriken karbon, yüzey canlılarının yaşamını kısa vadede tehdit edebilir.
Yer kabuğundaki karbon miktarını arttıran olayların başında tahmin edebileceğiniz üzere büyük canlı ölümleri ve fosilleşme gelir. Özellikle Karbonifer Dönem olarak adlandırılan ve yaklaşık 359 milyon ile 299 milyon yıl öncesini kapsayan aralıkta devasa bitki örtüsünden arta kalan karbon, günümüzde fosil yakıtların büyük çoğunluğunu oluşturur.
Öte yandan karbonat minerallerinin çözülmesi sırasında yer kabuğundaki karbon miktarında artış görülebilir. Bu durum, iklim ve sıcaklığa göre yıl içerisinde artış veya azalış gösterebilir. Yer kabuğundaki karbonun ekstrem şekilde artış veya azalış gösterdiği olaylar ise genellikle yanardağ patlamaları veya asteroit çarpmalarıdır. Bir volkan patladığında oksijenli yanma tepkimesi sonucunda mantoda sıkışıp kalan tonlarca karbondioksit atmosfere salınır. Atmosfere salınan karbondioksit, daha sonrasında yeryüzüne yeniden inerek yer kabuğunda çökelmeye sebep olur. Ayrıca asteroit çarpması sonucu etrafa saçılan kaya ve toprak parçaları içerisindeki karbon molekülleri de çeşitli bölgelere ve atmosfere dağılarak karbon miktarını artırabilir.
Atmosferdeki ve yer kabuğundaki karbon miktarını etkileyen bir diğer önemli faktör ise insan faaliyetleridir. Sanayi Devrimi sonrasında fosil yakıtların bir enerji kaynağı olarak kullanılması, atmosferdeki karbondioksit miktarını önemli ölçüde artırırken fosil yakıt kaynaklarının azalmasına, dolayısıyla yer kabuğu içerisinde yer alan karbon miktarının azalmasına neden olmuştur. Atmosferdeki artık karbon, okyanuslara veya yeryüzüne madde alışverişleri sırasında kolaylıkla karışabilir. Ayrıca ağaç kesimi, tarım ve hayvancılık kaynaklı organik atık (ölü canlı bedenleri), orman yangını veya büyük patlamalar benzeri insan faaliyetleri sonucunda da karbon döngüsü etkilenebilir.
Karbon Döngüsünün Yararları ve Zararları
Karbon döngüsü, karbonun biyosfer, jeosfer, hidrosfer ve atmosfer arasında değiş tokuş edildiği süreçtir. Gezegenin sıcaklığını düzenlemeye yardımcı olduğu ve bizi ayakta tutan gıdayı sağladığı için Dünya’daki yaşamın devam edebilmesi adına hayati önem taşır. Bu bakımdan karbon döngüsünün zararının olduğu söylenemez. Ancak aşırı fosil yakıt kullanımı kaynaklı atmosferdeki karbon miktarı artışı benzeri olağandışı insan faaliyetleri, karbon döngüsünün zarar görmesine ve sonuç olarak canlı yaşamı için bir tehdit oluşturmasına neden olabilir.
Karbon Döngüsünün Faydaları
- Dünya’nın sıcaklığının düzenlenmesine yardımcı olur:
Karbondioksit bir sera gazıdır, yani ısıyı atmosferde hapseder. Ancak karbon döngüsü aynı zamanda fotosentez ve solunum gibi süreçler yoluyla karbondioksitin atmosferden uzaklaştırılmasına da yardımcı olur. Bu da Dünya’nın sıcaklığını dengede tutmaya yardımcı olur.
- Bizi yaşatan gıdayı sağlar:
Bitkiler fotosentez yapmak için karbondioksit kullanır, bu da gıda yarattıkları süreçtir. Hayvanlar bitkileri yer ve böylece besin zinciri devam eder. Bu, Dünya’daki tüm yaşamın karbon döngüsüne bağlı olduğu anlamına gelir.
- Karbonun zararsız bir şekilde depolanmasını sağlar:
Karbon döngüsü karbonu atmosfer, okyanuslar ve kayalar gibi çeşitli rezervuarlarda depolar. Bu, karbondioksitin atmosferde birikmesini ve iklim değişikliğine neden olmasını önlemeye yardımcı olur.
Karbon Döngüsünün Zararları
- İnsan faaliyetleri, ortadan kaldırabileceğimizden daha fazla karbonun dolaşım katılmasına neden olur. Bu durum, daha aşırı hava olayları, deniz seviyelerinin yükselmesi ve buzulların erimesi gibi çeşitli sorunlara neden olan iklim değişikliğine yol açar.
- Atmosferdeki fazla karbon okyanusları daha asidik hale getirebilir. Okyanuslar atmosferdeki karbondioksiti emer, ancak bu suyu daha asidik hale getirir. Bu durum mercan resifleri ve kabuklu deniz hayvanları gibi deniz yaşamına zarar verebilir.
- Atmosferdeki aşırı karbon ayrıca duman ve diğer hava kirliliği sorunlarına da katkıda bulunabilir.
Karbon Döngüsü ve İklim Değişikliği
Karbon döngüsünün Dünya biyosferi için önemi, karbondioksit benzeri sera gazlarının sebep olduğu küresel ısınma ve iklim değişikliği kapsamında daha anlaşılır olacaktır. En yaygın karbon moleküllerinden olan karbondioksit, atmosferin üst tabakalarında birikir. Güneş’ten gelen ışınların dalga boyları, oldukça büyük olduğu için atmosferdeki karbondioksit benzeri moleküllerin içerisinden geçer. Ancak Dünya yüzeyinden geri yansıyan ışınların dalga boyları yansıma sonrası küçülür. Bu sebeple ışınların önemli bir bölümü uzaya geri dönmek yerine gezegenimizin içerisine hapsolur.
Sera etkisi olarak adlandırılan bu olay, son dönemlerde kötü şeyler çağrıştırsa da aslında gezegenimizde yaşamın var olabilmesinin yegane nedenlerinden biridir. Çünkü Güneş’e uzaklığımız göz önüne alındığında, atmosferin olmaması ve sera etkisinin yaşanmaması durumunda gezegenimizin ortalama sıcaklıkları hiçbir zaman karmaşık canlılığın gelişmesi için yeterli dereceye ulaşamayabilirdi. Bunun en iyi örneğini kardeş gezegen Mars’ta görebilir. Mars, Dünya’ya oldukça benzer Güneş pozisyonlanmasına ve büyüklüğe sahip olmasına rağmen gündüz ve gece sıcaklıkları konusunda oldukça değişkendir. Örneğin Dünya’nın ortalama sıcaklığı 15 derece selsiyus iken Mars’ın ortalama sıcaklığı -65 derece selsiyustur.
Ancak her şeyde olduğu gibi karbondioksit benzeri sera gazlarının atmosferdeki yoğunluğunun artması, gezegenimizin aşırı ısınmasına ve sonucunda iklim dengesinin bozulmasına yol açabilir. Gezegenimiz, sera gazlarından kaynaklı canlı yok oluşuna daha önce şahit olmuştur. İlk olarak dinozorların hükmünün sona erdiği Kretase yok oluşu örnek gösterilebilir. Bundan yaklaşık 66 milyon yıl önce gerçekleşen bir asteroit çarpması sonrasında ortaya çıkan devasa gaz ve toz bulutları, Dünya’nın atmosferini tamamen kapladı. Atmosferin kalınlaşması sonucunda ortaya çıkan sera etkisi, Dünya’nın giderek ısınmasına ve bir metrenin üzerindeki neredeyse tüm canlıların yaşamlarını yitirmesine yol açtı.
Bu basit örnek bile karbon döngüsünün bozulması sonucunda ortaya çıkabilecek felaketleri oldukça sarsıcı bir şekilde gözler önüne sermeye yetiyor. Bir asteroit çarpması, çoğu bakımdan oldukça ekstrem bir senaryo olsa da aslında karbon döngüsünün bozulması için böylesi büyük felaketlere ihtiyaç yok. Atmosferdeki artık karbon miktarının olağan döngüyü kıracak şekilde hızla yükselmesi, kısa sürede sera etkisinin artış göstermesine ve gezegenimizin ısınmasına yol açabilir. Böylesi bir ısınma, uzun vadede canlılığı yok edecek durumda olmasa da uzun vadede Dünya’nın her yanına yayılan insan medeniyetini tamamen ortadan kaldırabilir.
Yazdığımız felaket senaryosu, aslında tam olarak şu an gerçekleşen senaryoya tekabül ediyor. Bir asteroit çarpması veya volkanik patlama kaynaklı olmasa da günden güne ve istikrarlı bir şekilde atmosferdeki sera gazı oranını artırıyoruz. Bu artışın ana kaynağı ise Sanayi Devrimi’nden bu yana bolca kullandığımız fosil yakıtlardan geliyor. Climate.gov üzerinde yayımlanan bir makaleye göre atmosferdeki karbondioksit miktarı 1751 yılında milyonda 280 olarak ölçülürken günümüzde bu sayı 420’ye yaklaşmış durumda. Karbondioksit artış grafiği ve gezegen ortalama sıcaklıklarının artış grafiği yan yana konulduğunda ise arada güçlü bir pozitif korelasyon olduğu görülebiliyor.
Artan sıcaklıklar ise iklim gibi gezegenimizin en önemli ve hassas mekaniklerine direkt olarak zarar verir. Bunun sonucunda yaşanan ekstrem hava olayları, aşırı sıcak ve soğuklar, buzulların erimesi ise canlı yaşamını tehdit eder. Karbondioksit döngüsü bozulmaları, sadece iklim değişikliği ile sınırlı değildir. Aynı zamanda denizlerin asitlenmesine ve ekosistemlerin zarar görmesine de yol açabilir. Denizler, atmosferdeki fazla karbondioksiti emerek karbonun bir kısmını depolarlar. Ancak bu süreç, deniz suyu asitliğini artırır ve deniz yaşamını olumsuz etkiler. Öte yandan küresel ısıtma sonucunda buzulların erimesi, gezegenimizin aynası olarak görülen buzul miktarının azalmasına ve sonucunda uzaya yansıtılan ışınların sayısının düşmesine neden olur.
Yani özetlemek gerekirse karbon döngüsünün bozulması, kendi kendini besleyen bir küresel ısıtma canavarının ortaya çıkmasına sebep olur. Dünya’nın sahip olduğu hassas denge ayarları bozulduktan sonra nominal iklim koşulları ve sıcaklıklara geri dönülmesi yüz binlerce hatta milyonlarca yıl alabilir.
