كيف تخزّن الأرض الكربون
تعرّف على بالوعات الكربون في الأرض واكتشف من أين يأتي الكربون في العالم
بقلم: سكوت داتفيلد
يُعد الكربون Carbon أحد العناصر الأساسية للحياة على الأرض. يوجد الكربون في الغلاف الجوي، ويشكل جزءاً من وحدات البناء البيولوجية لكل كائن حي على الأرض، وهو محتجز في البنى الصخرية التي تشكل قشرة كوكبنا. يقدّر العلماء أن الأرض تحتوي على 1.85 كوينتيليون طن من الكربون، وكلها تتحرك عبر ما يعرف بدورة الكربون Carbon cycle. ومن خلال آليات لا حصر لها لتخزين الكربون وإطلاقه، طوّر الكوكب نظام تبادل معقداً يدير هذا العنصر الأساسي باستمرار لدعم الحياة.
خلال بلايين السنين التي عاشها كوكبنا، تشكلت دورة الكربون المعقدة والدقيقة للحفاظ على انسجام الغلاف الجوي. يحافظ العديد من اللاعبين الرئيسيين في دورة الكربون على استمرار تبادل ”مخزونات الكربون“ Carbon stock. عادة ما تنفذ ”بالوعات الكربون“ Carbon sinks، مثل الغابات والمحيطات، تبادل ذرات الكربون على شكل ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي. تصبح بالوعة الكربون ”مجمّعاً للكربون“ Carbon pool عندما تمتص مخزوناً من الكربون أكبر مما تُطلقه في الغلاف الجوي. عندما تزيد معدلات إطلاق الكربون عن امتصاصه، يُعرف ذلك بـ”مصدر الكربون“Carbon source – والبراكين مثال جيد على ذلك. يسمى أخذ الكربون من مصدر واحد وتخزينه لفترات طويلة بعَزْل الكربون Carbon sequestration.
هناك عدة طرق يعزل بها العالم الكربون. فمثلاً، يتم أحد أشهر الأمثلة لتبادل الكربون من خلال التمثيل الضوئي والتنفس. تستخرج النباتات الكربون من الغلاف الجوي، على شكل ثاني أكسيد الكربون، وتستخدمه لبناء المزيد من الخلايا النباتية لتنمو. وبالمثل، فعندما تحتاج النباتات إلى تكسير السكريات للحصول على الطاقة، فإنها تطلق ثاني أكسيد الكربون عن طريق التنفس. تحتفظ النباتات، مثل كل أشكال الحياة، بالكربون الموجود في كتلتها الحيوية حتى تموت وتُطلقه في التربة عن طريق التحلل، أو يُمرر إلى أجساد الكائنات الحية الأخرى التي تأكلها. لا يمكن لمصنع واحد تخزين هذا القدر من الكربون، لكن غابات العالم تمتص نحو 15.6 بليون طن من ثاني أكسيد الكربون سنوياً. تعزل الغابات المطيرة الاستوائية في الكونغو وحدها 600 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون سنوياً.
نحو 18% من الكربون
قوة النباتاتكيف تثبّت النباتات الكربون باستخدامه وتخزينه في الأرض
1 الامتصاص Uptake
يدخل ثاني أكسيد الكربون إلى النباتات عبر ثقوب صغيرة على الجانب السفلي من الأوراق تسمى الثغور. Stomata
2 إطلاق الأكسجين Oxygen Release
كمنتج ثانوي للتمثيل الضوئي، يُطلق الأكسجين في الغلاف الجوي.
3 الطاقة الضوئية Light Energy
تحفز طاقة ضوء الشمس عضيات صغيرة تسمى البلاستيدات الخضراء Chloroplasts في النباتات لتحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى سكر.
4 الغلوكوز Glucose
الغلوكوز سكر بسيط، يحتوي كل جزيء منه على 6 ذرات من الكربون.
5 التخزين Storage
يُستخدم الغلوكوز في بناء أجسام النباتات، حيث تخزّن ذرات الكربون.
6 الجذور Roots
عندما تموت الجذور أو تسقط الأوراق على الأرض وتتحلل، يُطلق الكربون في التربة ويُعزل.
إن الحفاظ على مستويات متناغمة من مخزونات الكربون في دورته العالمية أمر ضروري للحياة على الأرض، وخاصة في غلافنا الجوي. على الرغم من أن تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي لا يزيد عن %0.04 فقط، إلا إنه أهم غازات الدفيئة على كوكبنا، حيث يمتص إشعاع الشمس لتوفير الدفء. ولكن عندما يختل توازن مستويات ثاني أكسيد الكربون، يتغير مناخ الأرض جذرياً. وفي حالة استنفاد إمدادات العالم من ثاني أكسيد الكربون فجأة، ستغرق الأرض في درجات حرارة متجمدة تبلغ نحو -18°س على السطح. سيؤدي وجود كمية مفرطة من ثاني أكسيد الكربون إلى احتراق الأرض بغلاف جوي تناهز درجة حرارته نحو 400°س، وهو ما يشبه سطح كوكب الزهرة.
”يمكن أن تتغير مستويات مخزون الكربون طبيعيًا في كل نقطة من الدورة“
يمكن أن تتقلب مستويات مخزون الكربون عند كل نقطة من الدورة طبيعياً. ولكن منذ الثورة الصناعية في القرن الثامن عشر، أدت الأنشطة البشرية إلى تعويض التوازن في دورة الكربون. عن طريق الاستفادة من أحواض الكربون تحت الأرضية في العالم في شكل وقود أحفوري، صار الجنس البشري مصدراً إضافياً وغزيراً للكربون. يمتلئ النفط والفحم بالكربون الناتج من حيوانات ما قبل التاريخ المتحللة التي نفقت قبل ملايين السنين. عند حرق هذه المواد، يُطلق الكربون المحتبس في دورة الكربون.
ليس التلوث بالغازات الصناعية هو الطريقة الوحيدة التي تسبب بها البشر في زيادة مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي عن طريق إزالة أو تغيير أحواض الكربون، يمنعها البشر من تنفيذ مهامها فتترك الكربون في الهواء. فمثلاً، تعتبر الأراضي الخثية Peatlands في العالم من أكثر مصارف الكربون كفاءة. فقد تشكلت هذه المستنقعات من الأراضي المغمورة بالمياه والغابات المطيرة الرطبة، مما أنشأ بيئة لا تتحلل فيها المواد النباتية بالكامل، مما يؤدي إلى احتجاز كل الكربون الموجود في النباتات معها. لكي تبقى الأراضي الخثية كمجمعات للكربون، يجب أن تظل رطبة. ولكن إزالة الغابات في الأراضي الخثية الاستوائية تتسبب بشكل خاص في جفاف الأراضي الخثية وإطلاق الكربون مرة أخرى إلى الغلاف الجوي. وبالمثل، فبالنظر إلى محتواه العالي من الكربون، فقد استُخدم الخث كمصدر للوقود فكان يُحرق، مما أطلق مستويات الوقود الأحفوري من الكربون في الغلاف الجوي.
لا تستطيع مصارف الكربون الطبيعية في العالم مواكبة الفائض من ثاني أكسيد الكربون الذي يُطلق في الغلاف الجوي، والذي يزيد حالياً بنحو %47 على مستويات ما قبل الثورة الصناعية. تتمثل عواقب ذلك في تغير المناخ وارتفاع درجات الحرارة العالمية بسبب تأثير الدفيئة Greenhouse effect الذي يسببه ثاني أكسيد الكربون. وتشير تقديرات العلماء إلى أننا سنحتاج نظرياً إلى بليون هكتار إضافي من الأشجار لتخزين الكربون الزائد ووقف ارتفاع درجة الحرارة العالمية إلى ما يتجاوز 1.5°س بحلول عام 2050. وإذا تجاوز متوسط درجة الحرارة العالمية عصور ما قبل الصناعة بأكثر من 1.5°س، سيواجه العالم تغيرات مناخية جذرية، مثل زيادة الطقس المتطرف وارتفاع منسوب مياه البحر.
لمكافحة تأثيرات ثاني أكسيد الكربون الناتج من الأنشطة البشرية وتقليل مستوياته في الغلاف الجوي، بذل العلماء العديد من المحاولات لعزل الكربون اصطناعياً. في عام 1999، استكشفت تجربة إطلاق الحديد في المحيط الجنوبي Southern Ocean Iron RElease Experiment (اختصاراً: التجربة SOIREE) تأثير التخصيب بالحديد على نمو العوالق النباتية ومن ثمَّ زيادة احتجاز الكربون. يحدث التخصيب بالحديد طبيعياً عندما تذرو الرياح القوية الرواسب من الصحاري القاحلة إلى المياه الساحلية. تستخدم العوالق النباتية الحديد كمغذيات دقيقة للنمو والتكاثر.
لكن العوالق النباتية الموجودة في المحيط الجنوبي بالقرب من القارة القطبية الجنوبية لا تتعرض للتخصيب الطبيعي بالحديد، وهو أمر وجد العلماء فيه فرصة لزيادة أعداد العوالق.
”يمكن أن يساعد التخصيب بالحديد على تسهيل التقاط الكربون“
تضمنت التجربة إلقاء كميات كبيرة من الحديد في المياه القطبية للمحيط الجنوبي ومشاهدة العوالق وهي تزدهر. وقد تشكلت أزهار يمكن رؤيتها من الفضاء في مياه القطب الجنوبي واستمرت لمدة 40 يوماً، مما يشير إلى أن التخصيب بالحديد يمكن أن يساعد على تسهيل احتجاز الكربون. ولكن بعض الدراسات اللاحقة تشككت في جدوى ممارسة التخصيب بالحديد. أدت المخاوف المتعلقة بتأثيره على النظم الإيكولوجية الأخرى التي تعتمد على المغذيات الدقيقة التي تلتهمها الأزهار المخصبة صناعيا وكفاءتها في تثبيت الكربون، إلى وقف المزيد من التخصيب بالحديد إلى حد كبير.
تحاول الصناعات الثقيلة تقليل تأثيرها البيئي عن طريق احتجاز الكربون وتخزينه المباشر Carbon capture and storage (اختصاراً: الطريقة CCS). باستخدام مراوح عملاقة، يضخ الهواء إلى حاويات ويمرر عبر مادة تسمى المواد الممتزة Sorbent. صمّمت المواد الممتزة لامتصاص جزيئات معينة في السوائل والغازات، مثل ثاني أكسيد الكربون، والتمسك بها. بمجرد تشبع المادة الممتزة بثاني أكسيد الكربون، تُسخّن حتى 100°س. وبتسخين المادة الممتزة، يُطلق ثاني أكسيد الكربون المحتجز ويُعاد توجيهه إلى صهاريج التخزين. يمكن تخزين ثاني أكسيد الكربون المخزن بشكل دائم تحت الأرض أو استخدامه كمكون في صناعات أخرى، مثل صناعة البلاستيك وصناعة الغرافين.
وبالمثل، تستخدم تكنولوجيا ”حلقة الكالسيوم“ Calcium looping الناشئة مواد ممتزة من أكاسيد الكالسيوم في مداخن مصانع الإسمنت لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى كربونات كالسيوم صلبة. لا يمكن تخزين الكربونات الصلبة مادياً فحسب، بل وتحويلها إلى غاز مرة أخرى عن طريق تسخينها إلى نحو 950°س. في عام 2023، كان هناك نحو 395 مشروعاً لمرافق احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه قيد التنفيذ على مستوى العالم، منها 43 فقط تعمل بكامل طاقتها، وأكبرها هو خط ألبرتا الرئيسي للكربون Alberta Carbon Trunk Line (اختصاراً: الخط ACTL) في كندا، والذي يمكنه التقاط وتخزين 14.6 مليون طن من الكربون سنوياً.
تخزين اصطناعي
كيف يحاكي البشر بالوعات الكربون
1 الصناعة Industry
يعد حرق الوقود الأحفوري لإنتاج الطاقة وتصنيع المعادن من أكبر مصادر انبعاث ثاني أكسيد الكربون في العالم.
2 الالتقاط Capture
تجمع المراوح الموجودة حول المناطق الصناعية ثاني أكسيد الكربون و”تلتقط“ الجزيئات في مرشحات تسمى المواد الممتزة.
3 الضغط Compression
بمجرد إطلاق ثاني أكسيد الكربون من المواد الممتزة في المروحة، يُسخّن ويُضغط لتحويله إلى حالة سائلة لنقله.
4 الحقن Injection
عبر شبكة من الأنابيب، يُحقن ثاني أكسيد الكربون المضغوط في التكوينات الصخرية تحت الأرض.
5 التخزين Storage
كثيراً ما يخزّن ثاني أكسيد الكربون في مستودعات الغاز الطبيعي أو طبقات المياه الجوفية المالحة أو مخازن النفط المستنفدة.
6 العمق Depth
عادة ما يخزّن الكربون الملتقط على عمق 0.62 ميل على الأقل تحت الأرض.
أهمية الخث
عواقب تدمير الأراضي الخثية
1 المستنقعات الخثية PEAT BOGS
يتكون الخث من نباتات متحللة جزئياً ومواد عضوية أخرى تراكمت على مدى آلاف السنين.
2 التدمير DESTRUCTION
تدمّر المستنقعات الخثية للحصول على الوقود أو من لزيادة المساحة المزروعة. وفي بعض أجزاء العالم، مثل إندونيسيا، تعتمد الأراضي الخثية على الأشجار لحمايتها من حرارة ضوء الشمس.
3 التصريف DRAINAGE
تؤدي إزالة الحياة النباتية والتصريف المتعمد للأراضي الخثية إلى تجفيفها وتعريضها للشمس.
4 الاحترار WARMING UP
ترتفع حرارة الأراضي الخثية المكشوفة والجافة تحت أشعة الشمس المباشرة. تسمح الزيادة في درجة الحرارة للأكسجين الجوي بالدخول إلى الأراضي الخثية والارتباط بالكربون المحتبس فيها.
5 إعادة تحفيز التحلل RE-IGNITING DECOMPOSITION
يؤدي الأكسجين المُدخل حديثاً إلى إعادة الحياة النباتية غير المتحللة إلى حالة التحلل وإطلاق الكربون على شكل ثاني أكسيد الكربون.
6 حرائق الخث PEAT FIRES
تعني الطبيعة القابلة للاحتراق للأراضي الخثية المليئة بالكربون أنها معرضة أيضاً لخطر الاشتعال، مما يسرّع إطلاق ثاني أكسيد الكربون.
