يعد الكربون أحد أهم العناصر الموجودة على كوكبنا ويحتل المركز الخامس عشر من حيث العدد من حيث العدد قشرة الأرض. إنه موجود في أشكال الحياة وهو عنصر أساسي في تنظيم مناخنا. وينتقل من الغلاف الجوي إلى التربة، ثم إلى الصخور، وإلى الماء، وإلى الحياة في شبكة من التفاعلات تسمى دورة الكربون.
الكربون هو أحد المغذيات الكبيرة اللازمة للوظائف الأساسية للكائنات الحية. تقوم الكائنات ذاتية التغذية مثل النباتات بجمع الكربون من الغلاف الجوي لاستخدامه في وظيفة التمثيل الغذائي. الكائنات الحية مثل البشر التي تأخذ الكربون عن طريق استهلاك كائنات حية أخرى تسمى الكائنات غيرية التغذية. يتم استخدام الكربون، بمجرد استهلاكه، في مجموعة متنوعة من الوظائف الأيضية.
في الصخور، يوجد الكربون بشكل شائع داخل الصخور الرسوبية التي تسمى الحجر الجيري أو الدولوميت. تعتبر هذه الصخور بمثابة أحواض مهمة للكربون وتخزنه لفترات طويلة من الزمن. وهي تتشكل من الأصداف والهياكل الخارجية وبراز الكائنات البحرية. المعدن الرئيسي في الحجر الجيري والدولوميت هو كربونات الكالسيوم.
وبطبيعة الحال، هناك أيضا كميات هائلة من الكربون المخزنة في الفحم وأنواع الوقود الأحفوري الأخرى. هذه المواد مستمدة من الكائنات الحية التي عاشت منذ ملايين السنين. وقد استحوذت أحواض المستنقعات الكبيرة على بقايا هذه الكائنات الحية، حيث أصبحت مع مرور الوقت مصدر الطاقة الذي نستخدمه اليوم. وكما سنرى فإن حرق هذا الوقود الأحفوري يسبب مشاكل خطيرة مرتبطة به مع ارتفاع درجة حرارة الغازات الدفيئة وما يرتبط بها من تغير المناخ العالمي.
الكربون موجود أيضًا في التربة. وهو موجود إما كمواد بيولوجية مثل الديدان أو البكتيريا أو الفطريات أو الكائنات الحية الأخرى، أو كمادة كيميائية عضوية مستقرة تسمى الدبال. يتشكل الدبال عندما تتحلل المواد العضوية في التربة مع مرور الوقت، وهي مادة عضوية معقدة تغطي حبيبات التربة لتصبغها باللون الداكن. وهي مادة كيميائية مستقرة للغاية ويمكن أن تبقى في التربة لعقود. إنها المادة التي تجعل التربة داكنة في بعض المناطق الزراعية الأكثر إنتاجية في العالم.
هناك أيضًا كمية هائلة من الكربون المخزن في المحيط على شكل كربون مذاب مثل أيون بونات السيارة (CO3-2). يحتوي الغلاف الصخري، إلى حد بعيد، على أكبر قدر من الكربون على هذا الكوكب. ومع ذلك، تحتوي المحيطات على ثاني أكبر كمية من الكربون. بمجرد ذوبانه في المحيط، يمكن أن يدخل الأنظمة البيولوجية، أو يترسب على قاع المحيط في الرواسب بعد أن يتحد مع كاتيون مناسب (أيون موجب الشحنة)، أو يبقى مذابًا لفترات طويلة من الزمن. تحصل المحيطات على معظم الكربون عن طريق امتصاص ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي.
أحد التحديات الكبرى في عصرنا الحالي هو تغير المناخ العالمي الذي يسببه الإنسان، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى تعطيل دورة الكربون عن طريق إضافة كميات هائلة من ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي على مدى القرون العديدة الماضية. ويشكل ثاني أكسيد الكربون، إلى جانب الميثان وأكسيد النيتروز والماء والغازات الأخرى، مجموعة تعرف بالغازات الدفيئة. ولهذه الغازات القدرة على امتصاص الطاقة على شكل حرارة وتخزينها في الغلاف الجوي، وبالتالي تدفئتها. لقد أضفنا كميات هائلة من ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي من خلال حرق الوقود الأحفوري منذ ظهور الثورة الصناعية. لقد تعلمنا من خلال دراسة عينات من الغازات المحبوسة في الجليد أنه في القرن الثامن عشر الميلادي كان تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي حوالي 300 جزء في المليون (جزء في المليون). أما الآن، فقد تجاوز التركيز 400 جزء في المليون، وحدثت معظم الزيادة بعد عام 1950.
ويعتقد أن الزيادة في ثاني أكسيد الكربون هي القوة الدافعة لتغير المناخ العالمي. والعديد من هذه الانبعاثات ناتجة عن حرق الوقود الأحفوري، وخاصة النفط والفحم. على مدى العقود القليلة الماضية، منذ ظهور المخاوف بشأن تغير المناخ العالمي، نظر الكثيرون إلى الحد من استخدام أنواع الوقود الأحفوري هذه كاستراتيجية رئيسية لإبطاء تأثيرات الغازات الدفيئة على الكوكب.
وتعتبر الصين والولايات المتحدة أكبر ملوثين للغازات المسببة للاحتباس الحراري. ولكل منها احتياطيات عالية من الفحم. الصين
تتطور بسرعة وتزيد من انبعاثات غازات الدفيئة. لقد بذلت الولايات المتحدة جهودًا لخفض انبعاثات غازات الدفيئة، لكنها لم تضع بشكل فعال أي سياسة واضحة لإدارة مشكلة غازات الدفيئة بشكل شامل.
بذلت محاولات لمحاولة تقليل غازات الدفيئة باستخدام معاهدات مشابهة لبروتوكول مونتريال. وأسفرت هذه الجهود عن بروتوكول كيوتو، وهو اتفاق تم التوصل إليه عام 1997 ويلزم معظم الدول الصناعية بخفض انبعاثات الغازات الدفيئة خلال إطار زمني محدد. وفي حين صدقت معظم دول العالم على الاتفاقية، فإن الولايات المتحدة، التي كانت أكبر ملوث للغازات الدفيئة في ذلك الوقت، لم تتفق على المخاوف الاقتصادية وأن الاقتصادات الناشئة ذات الانبعاثات العالية، وخاصة الصين والهند، لن تحتاج إلى إجراء تخفيضات كبيرة. كما انسحبت كندا وروسيا من الاتفاقية مؤخرًا.
ورغم أن كثيرين كانوا يأملون أن يتطور بروتوكول كيوتو إلى استراتيجية دولية قابلة للتطبيق للحد من الغازات المسببة للانحباس الحراري العالمي، إلا أنه لا يوجد مثل هذا الاتفاق في الوقت الحالي. يعد بروتوكول مونتريال بمثابة الاتفاقية الدولية الرئيسية الوحيدة المتعلقة بتلوث الهواء والتي أدت إلى حماية فعالة للبيئة. وتم التوصل إلى اتفاق جديد مدد اتفاق بروتوكول كيوتو حتى عام 2020، لكن هناك شك في مدى فعاليته.
الغلاف الجوي ليس هو المكان الوحيد الذي يوجد فيه قلق بشأن تلوث ثاني أكسيد الكربون. ومن المعتقد أن 30-40% من جميع مصادر الكربون البشرية المنشأ تنتهي في مجموعة متنوعة من المياه السطحية. وأهم هذه المحيطات. إحدى المشاكل المرتبطة بزيادة مستويات ثاني أكسيد الكربون في غلافنا الجوي هي أنها تؤدي إلى مشكلة تعرف باسم تحمض المحيطات. عندما يتفاعل أيون الكربونات مع الماء، فإنه يمكن أن ينتج حمض الكربونيك. وبينما شهدنا زيادة في تلوث ثاني أكسيد الكربون في جميع أنحاء الكوكب، شهدت بعض المناطق تحمضًا كبيرًا لمياه المحيطات. وعندما يحدث هذا، فإنه يؤثر على عمليات التمثيل الغذائي لبعض الكائنات البحرية. هناك أدلة على أن مياه المحيط المحمضة تمنع نمو القشرة.
بدأت وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) في دراسة كيفية تنظيم تحمض المحيطات. وقد جادل البعض بأن وكالة حماية البيئة لديها سلطة تنظيمها ضمن السلطة القانونية لقانون المياه النظيفة. ذكرت وكالة حماية البيئة أن تحمض المحيطات يجب ألا ينحرف عن 0.2 على مقياس الرقم الهيدروجيني عن الظروف الطبيعية. ومع ذلك، فإن بعض المناطق لديها مثل هذه التطرفات بالفعل، ويكافح الكثير منها من أجل تطويرها بشكل فعال سياسة لحماية المحيطات من التحمض نتيجة للتلوث واسع النطاق بثاني أكسيد الكربون.
تعد الصين حاليا أكبر مساهم في تلوث الغازات الدفيئة. ومع مرورها بالتصنيع والتطور السريع في العقود القليلة الماضية، زاد التلوث بشكل كبير. في يناير من عام 2013، وصل تلوث الهواء في العاصمة بكين إلى مستويات تعتبر خطرة على صحة الإنسان. وطلب مسؤولو الصحة المحليون تقليل حرق الوقود الأحفوري واضطر الناس إلى البقاء في منازلهم. وتنفق البلاد مليارات الدولارات على الوقود البديل وعلى تحسين الكفاءة من أجل الحد من التلوث. ومع ذلك، مع قيام العديد من دول العالم بتخفيض أو إبطاء انبعاثات الغازات الدفيئة، تواصل الصين زيادة إنتاجها من التلوث.
وفي المقابل، شهدت الولايات المتحدة انخفاضات في غازات الدفيئة خلال الفترة الزمنية نفسها. قد يكون بعض هذا بسبب التباطؤ الاقتصادي العالمي الواسع النطاق. ومع ذلك، فإن وكالة حماية البيئة الأمريكية، منذ انتخاب الرئيس أوباما في عام 2008، قامت بتنظيم انبعاثات الغازات الدفيئة من العديد من المصادر الرئيسية، وخاصة محطات الطاقة شديدة التلوث. تم وضع اللوائح بعد أن رفعت ولاية ماساتشوستس وولايات أخرى دعوى قضائية ضد وكالة حماية البيئة لعدم تنظيم الغازات الدفيئة. اعتقد المتقاضون أنهم كانوا يرون بالفعل الأضرار الناجمة عن الانحباس الحراري العالمي، ورأوا أن وكالة حماية البيئة بحاجة إلى تنظيم الغازات المسببة للاحتباس الحراري باعتبارها ملوثات للهواء. وافقت المحكمة العليا في الولايات المتحدة على توجيه وكالة حماية البيئة في عام 2006 لتطوير استراتيجيات التنظيم. ويعتبر هذا القرار أهم توجيه لوضع سياسة الغازات الدفيئة في الولايات المتحدة. ومنذ ذلك الحين، فشل الكونجرس في تقديم سياسة أكثر تحديدًا، وتمضي وكالة حماية البيئة قدمًا من خلال السلطة التنفيذية في تطوير القواعد.
ومع ذلك، هناك مخاوف بشأن المستقبل. شهد العالم طقسًا غير عادي في السنوات الأخيرة، وتشهد أجزاء كثيرة من العالم درجات حرارة دافئة بشكل غير عادي. ويتزايد قلق الأشخاص الذين يعيشون في المناطق المنخفضة. وتشعر بعض الدول الجزرية المنخفضة، بما في ذلك جزر المالديف، وكيريباتي، وسيشيل، بالقلق بشأن ما إذا كانت هذه الجزر ستظل موجودة في غضون بضعة عقود من الزمن أم لا. يقع جزء كبير من الأراضي في هذه الدول على ارتفاع 1-2 متر فقط فوق مستوى سطح البحر. تغييرات طفيفة ستجعل هذه الدول غير صالحة للسكن.
أخذت إحدى القرى، وهي قرية كيفالينا الأصلية في ألاسكا، الأمور على عاتقها من خلال محاولة مقاضاة شركات الطاقة الكبرى في العالم للحصول على تعويضات. تقع كيفالينا على جزيرة حاجزة صغيرة في الساحل الشمالي الغربي من ألاسكا. هنا، يتجمد البحر عادة خلال فصلي الربيع والخريف، مما يحمي الجزيرة من تأثير العواصف الشديدة التي تأتي من بحر تشوكشي. في السنوات الأخيرة، لم يكن الجليد البحري ثابتًا خلال المواسم العاصفة وتآكلت أجزاء كبيرة من الجزيرة، مما دفع الناس إلى نقل منازلهم.
وحاولت كيفالينا الحصول على تعويضات من شركات الطاقة عن خسائرها. اعتقد المتقاضون أن شركات الطاقة باعت عمدًا منتجًا كانوا يعلمون أنه يضر بالبيئة ويؤدي إلى تغير المناخ العالمي. وزعموا أن هناك مؤامرة من قبل الشركات لإخفاء آثار منتجاتها. تم رفض القضية في النهاية لعدد من الأسباب. رأى القاضي في هذه القضية أن ظاهرة الاحتباس الحراري كانت قضية سياسية، وبما أننا جميعًا نستخدم الوقود الأحفوري ونستفيد منه، فمن غير المناسب إلقاء اللوم على منتج يصعب إرجاعه إلى مستخدم واحد. وفي الولايات المتحدة، يبدو من غير المرجح أن تتحمل شركات الطاقة المسؤولية عن أي أضرار ناجمة عن التلوث بالغازات الدفيئة.
توفر العلاقة بين تلوث الغازات الدفيئة ودورة الكربون مثالاً واضحًا على مدى سهولة قيام البشر بتعديل الدورات الكيميائية الطبيعية. وفي القسم التالي، سنرى أيضًا أن دورات المغذيات معدلة بشكل كبير وتهدد أنظمة المياه العذبة على الأرض.