Hiilen kierto on tapa, jolla hiili varastoituu ja vaihtuu maapallolla. Jotkin kierron vaiheet tapahtuvat nopeasti — sekunneista vuodenaikoihin — kun taas toiset kestävät satoja miljoonia vuosia. Ymmärtämällä eri prosessit ja varastot voimme hahmottaa, miten hiili liikkuu planeetallamme ja miten ihmisen toiminta muuttaa tasapainoa.

Miten hiili siirtyy ilmakehään ja sieltä pois?

Hiili pääsee hiilenkiertoon pääasiassa tulivuorten ja fossiilisten polttoaineiden, kuten hiilen ja kaasun, polton kautta. Suurimman osan maan geologisesta historiasta tulivuoret olivat tärkein luonnollinen hiililähde, mutta viimeisen vuosisadan aikana fossiilisia polttoaineita polttava ihmistoiminta on lisännyt ilmakehään arviolta noin sata kertaa enemmän hiilidioksidia kuin tulivuoret. Toisin sanoen jokaista tulivuorten ilmaan lisäämää hiilidioksiditonnia kohden ihmiset ovat lisänneet ilmaan noin sata tonnia hiilidioksidia.

Hiilen sitoutuminen ilmakehästä tapahtuu pääosin fotosynteesin kautta: kasvit, levät ja muut fotosynteesiä käyttävät organismit ottavat ilmasta CO2:n ja muuttavat sen orgaaniseksi aineeksi. Osa tästä hiilestä vapautuu nopeasti takaisin ilmaan hengityksen, lahoamisen ja palamistapahtumien kautta, mutta osa siirtyy pidemmäksi aikaa maaperään tai mereen.

Maaperä, sedimentit ja kivet

Kun kasvit ja eliöt kuolevat, niiden hiili voi hajota takaisin ilmaan tai sitoutua maaperään. Osa orgaanisesta hiilestä hautautuu sedimentteihin, jossa se voi säilyä tuhansia ja miljoonia vuosia ennen hajoamista tai mineralisoitumista. Sedimentit ajan myötä littyvät kiviksi; erityisesti karbonaattikivet, kuten kalkkikivi, sisältävät suuria määriä kiinteää hiilidioksidia. Tämä pitkäaikainen varastoituminen on keskeinen osa hiilen geologista kiertoa — Tämä näkyy kuvassa.

Hiilivarastot sedimenttikivissä ovat paljon suuremmat kuin ilmakehän hiilidioksidipitoisuus (tätä ei ole esitetty kaaviossa). Lopulta osa tästä geologisesta hiilestä palaa ilmaan, kun valtamerilaatat vajoavat ja subduktoituvat mannerlaattatektoniikassa. Lauttarajojen reunoilla (ja joissakin muissa paikoissa) muodostuu tulivuoria, jotka erittävät takaisin ilmakehään hiilidioksidia. Näin pitkän aikavälin kierto saa lopulta päätöksensä.

Kemosfäärit ja kemiallinen säätely

Toinen tärkeä tapa poistaa CO2:n ilmasta on kiviliuotus eli kemiallinen rapautuminen. Sadevesi liukenee ilmakehän hiilidioksidia muodostaen laimeaa hiilihappoa, joka reagoi kiviainesten kanssa ja liuottaa mineraaleja. Nämä kulkeutuvat jokia pitkin meriin, missä osa hiilestä päätyy sedimentteihin karbonaattien ja muiden yhdisteiden muodossa. Tämä kemiallinen säätelevä prosessi toimii erittäin pitkillä aikaskaaloilla ja vaikuttaa yleiseen ilmakehän hiilidioksiditasoon.

Meret hiilen vastaanottajina

Osa hiilidioksidista liukenee myös mereen: ilmakehä ja valtameret vaihtavat jatkuvasti hiiltä. Tällä hetkellä valtameret ottavat vuosittain enemmän hiilidioksidia kuin ne vapauttavat, mikä hidastaa osaltaan ilmaston lämpenemistä. Samalla se kuitenkin johtaa merien happamoitumiseen, mikä vaikuttaa arktisiin äyriäisiin, koralliriuttoihin ja moniin muihin merieläimiin sekä meren kemiaan.

"Säätila kuluttaa paljon ilmakehän hiilidioksidia, joka on välttämätön kivien liuottamiseen".

Hiilen kierron aikaskaaloja ja varastoja

  • Nopeat vaihtot: fotosynteesi ja hengitys sekä kasvu ja lahoaminen toimivat päivistä vuodenaikoihin.
  • Keski- ja pitkän aikavälin prosessit: maaperän humus, sedimentaatio ja meren biogeokemialliset prosessit toimivat vuosista tuhansiin vuosiin.
  • Geologinen kierto: sedimenttikivien muuttuminen, subduktio ja tulivuoritoiminta toimivat sadoista tuhansista vuosista miljooniin vuosiin.

Ihmisen vaikutus ja mitä voidaan tehdä

Ihmisen toiminta — erityisesti fossiilisten polttoaineiden poltto ja laajamittainen metsien hakku — on lisännyt ilmakehän hiilidioksidin määrää nopeasti verrattuna luonnollisiin prosesseihin. Tämä muuttaa hiilen jakautumista eri varastojen välillä ja on johtanut ilmaston lämpenemiseen.

Keinoja hillitä muutosta ovat muun muassa:

  • päästöjen vähentäminen siirtymällä uusiutuviin energialähteisiin ja parantamalla energiatehokkuutta,
  • metsien suojelu ja ennallistaminen, jotta biomassan ja maaperän hiilivarastot säilyvät,
  • maatalouden ja maankäytön käytäntöjen muuttaminen hiilen sitomisen lisäämiseksi maaperään,
  • teknologiat kuten hiilidioksidin talteenotto ja varastointi (CCS) tietyissä sovelluksissa.

Yhteenvetona: hiilen kierto koostuu monista eri prosesseista, jotka toimivat eri aikaskaaloilla ja varastoissa. Lyhyen aikavälin biologiset vaihtelut ja pitkän aikavälin geologiset prosessit ovat molemmat tärkeitä, ja ihmisen aiheuttamat lisäpäästöt muuttavat tätä tasapainoa nopeasti. Ymmärtämällä ja vaikuttamalla hiilen kiertoon voidaan hidastaa ilmastonmuutosta ja suojella ekosysteemejä.