Redigerer Biogeokjemisk kretsløp (avsnitt)

== Karakteristikka for kretsløpene ==
[[Fil:90_mile_beach.jpg|mini|Atmosfæren (luft), hydrosfæren (hav) og litosfæren (bakken)]]

Dyr og planter får sin energi fra solen, men de stoffene som de trenger får de fra jorden. Levende organismer er bygget opp av tilsammen 30–40 grunnstoffer som inngår i kjemiske forbindelser, stoffene finnes i stein, jord, vann og luft. Spesielt er det mye av grunnstoffene oksygen, karbon og hydrogen i organismer.{{sfn|Taksdal|1996|p=27–29}} Karbon, hydrogen, oksygen, nitrogen og fosfor finnes også i store mengder og disse fem grunnstoffene utgjør i sum 97 % av all masse i [[protoplasma]] (levende del av celler). De grunnstoffene som er nødvendig i store mengder i levende organismer kalles for ''makronæringsstoffer'', men de som trengs i små mengder kalles ''mikronæringsstoffer'' eller ''sporstoffer''.{{sfn|Fimreite|1997|p=33–34}} 

Makronæringsstoffene er karbon, nitrogen, oksygen, hydrogen, kalium, kalsium, magnesium, svovel og fosfor. Noen av mikronæringsstoffene er jern, mangan, kobber, sink, bor, molybden, vanadium, kobolt, klor og natrium. Disse stoffene sirkulerer mellom levende organismer og deres naturmiljø.<ref name="Dash">{{Kilde bok | forfatter = Dash, Madhab Chandra & Dash, Satya Prakash | tittel = Fundamentals of Ecology | utgave = 3 | utgivelsesår = 2009 | forlag = Tata McGraw Hill | isbn = 978-0-07-008366-0 | url = | side = 117–118}}</ref> Et eksempel er karbon som planter og dyr bruker for å produsere karbohydrater, fett og proteiner, eller som brukes til å bygge opp indre strukturer eller gir energi.

Biogeokjemiske kretsløp er sykliske omsetningsveier for uorganiske stoffer (grunnstoff) gjennom planter, dyr, sopp og bakterier i jordens [[økosystem]]er.<ref>Aarnes, Halvor: {{snl|biogeokjemisk syklus|Biogeokjemisk syklus}} 24. juli 2023</ref> Den amerikanske biologen [[Eugene Odum]] kom i 1971 opp med ideen om å dele syklusene inn i reservoarer («pools») slik:{{sfn|Fimreite|1997|p=33–34}}
* ''Lagerreservoarer'' (reserver) der næringsstoffene er lagret relativt utilgjengelig på kort sikt. Et eksempel er [[kull]] i jordskorpen som er lagre av [[karbon]].
* ''Sirkulasjonsreservoarer'' («cycling pools») der næringsstoffene er lett tilgjengelige og dermed aktivt med i sirkulasjonene. 

Eksempler på sirkulasjonsreservoarer er planter og dyr. Generelt er lagerreservoarer [[Abiotisk faktor|abiotiske]] altså at de utgjør de ikke-levende delene av miljøet, mens sirkulasjonsreservoarer er biotiske faktorer (levende). Karbon holdes i relativt kort tid i planter og dyr sammenlignet med kullforekomster.

Syklusene kan videre deles inn i to hovedgrupper:{{sfn|Fimreite|1997|p=33–34}}
* De gasslignende, der reservoaret finnes i atmosfæren, eksempler er nitrogen og karbondioksid.
* De sedimentære der reservoaret finnes i jordskorpen, som er tilfelle med fosfor, svovel og kalium.

Av alle de biogeokjemiske stoffene er det bare hydrogen som ikke beveger seg rundt i et helt lukket kretsløp. Årsaken er at en del hydrogen hele tiden forsvinner fra jordens øvre atmosfære og ut i verdensrommet. Det samme skjer for øvrig med helium.{{sfn|Chernyshenko|2008|p=178}}

=== Sammenheng mellom biogeokjemiske kretsløp og næringsvever ===
[[File:TrophicWeb-no.png|mini|Næringskjeder og [[Trofisk nivå|trofiske nivåer]].]]

For de fleste av næringsstoffene er levende organismer ikke bare passive mottagere av dem, men organismene er vesentlige for å drive næringsstoffene rundt i de  biogeokjemiske kretsløpene.<ref name="Rafferty"/> Stoffstrømmene i næringskjeder og -vever er forsyningsveier for livsviktige stoffer for levende organismer, og fra planeter og dyr blir stoffene resirkulert og brukt på nytt. Nedbryting i næringskjedene sørger for at de organiske forbindelsene spaltes til enklere stoffer som produsentene kan anvende for å bygge opp nytt organisk materiale.{{sfn|Taksdal|1996|p=27–29}}

Overføring av kjemiske stoffer i kretsløpene til næringskjeder og næringsvever skjer i følgende steg:{{sfn|Chernyshenko|2008|p=173}}
:* Absorpsjon og akkumulering av grunnstoffer fra det abiotiske miljøet av levende organismer.
:* Distribusjon av kjemiske stoffer mellom organismer av planteetere, predatorer og parasitter.
:* Organismene forflytter seg og dermed også næringsstoffene.
:* Avgivelse av dødt organisk materiale, enten i form av avføring eller at organismer dør.
:* Forråtnelse og nedbryting av død organisk materiale som i siste instans fører de kjemiske stoffene tilbake til det abiotiske miljøet.

De viktigste elementene i næringskretsløpene er produsenter (planter) og nedbrytere. Produsentene er selve maskinen i kretsløpet som ved hjelp av kjemiske stoffer fra det abiotiske miljøet produserer energi- og næringsrikt organisk materiale. Nedbryterne lukker kretsløpet ved å returnere stoffene tilbake til det abiotiske miljøet.{{sfn|Chernyshenko|2008|p=173}}

De biogeokjemiske kretsløpene omtales ofte som om de utgjøres av en enkelt sløyfe, men i realiteten er det mer snakk om nettverk av mange sirkulerende celler. En global egenskap med nettverket og som gjør at det kan sees på som et kretsløp, er balansen mellom det som går inn og ut. Det må nødvendigvis være balanse mellom stoff inn og ut i alle deler og subsystemer.{{sfn|Chernyshenko|2008|p=177}}

=== Sammenheng mellom energi og kretsløpene ===
Grunnstoffene og de kjemiske stoffene som utgjør næringsstoffene beveger seg kontinuerlig gjennom atmosfæren, vann, jordsmonn, berggrunnen og levende organismer. Sirkulasjonen forårsakes av energi i form av solstråling og jordens gravitasjon.<ref name="Miller"/> Størsteparten av jordens levende organismer består av karbonforbindelser og vann. I forskjellige kjemiske stoffer som består av karbon og vann blir energi tatt opp og lagret.{{sfn|Townsend|Begon|Harper|2008|p=525–526}} Energien kommer opprinnelig fra sollyset som fanges opp av planter og via fotosyntese danner energirike forbindelser.{{sfn|Taksdal|1996|p=27–29}} Energien blir frigjort når karbonforbindelsene så blir oksidert til karbondioksid via metabolism i levende [[Vev (biologi)|vev]] eller [[nedbryter]]e. Strømmen av energi og karbon er derfor sterkt sammenbundet i biologiske systemer.{{sfn|Townsend|Begon|Harper|2008|p=525–526}}

Karbon tas opp i økosystemene og blir med opp i de forskjellige [[Trofisk nivå|trofiske nivåene]] etter at karbondioksid blir tatt opp i plantenes fotosyntese. Her blir karbondioksid med i primærproduksjonen og går videre som næring til [[Konsument (biologi)|konsumentene]] i form av sukker, fett, proteiner eller cellulose. Karbonet følger derfor eksakt samme vei som karbon oppover i næringskjedene. Når de energirike molekylene som karbon blir del av lendende organismer og i siste instans brukes til å utføre arbeid, blir denne energien omskapt som varme. Karbonet blir i denne prosessen frigjort og finner veien tilbake til atmosfæren som som karbondioksid.{{sfn|Townsend|Begon|Harper|2008|p=525–526}}

Når energien har blitt omgjort til varme kan den aldri bli bruk videre av levende organismer. Derimot vil for eksempel et karbonmolekyl bli gjenbrukt i fotosyntese.{{sfn|Townsend|Begon|Harper|2008|p=525–526}}<ref name="Rafferty"/> En sier at næring går kretsløp, men energi flyter bare en vei nemlig oppover i de trofiske nivåene.{{sfn|Miller|Spoolman|2015|p=57}} Når energien til slutt blir til varmeenergi forsvinner den ut i verdensrommet.{{sfn|Chernyshenko|2008|p=178}}

=== Raske og langsomme sykluser ===
[[Fil:Rock_cycle_nps.PNG|mini|Den langsomme syklusen er dem som innbefatter stoffer som går gjennom bergarter, via vulkansk og tektonisk aktivitet]]

Raske sykluser finnes i biosfæren og langsomme i litosfæren (bergarter). Raske biologiske sykluser kan ha en omløpshastighet på noen få år. I disse overføres stoffer fra atmosfæren til biosfæren og deretter tilbake til atmosfæren. Langsomme eller geologiske sykluser kan ta millioner av år, og overfører stoffer gjennom [[jordskorpen]] mellom berg, jord, hav og atmosfære.<ref name="Libes2015">Libes, Susan M. ''Blue planet: The role of the oceans in nutrient cycling, maintain the atmosphere system, and modulating climate change''. (2015) In: ''Routledge Handbook of Ocean Resources and Management'', Routledge, pages 89–107. {{ISBN|9781136294822}}.</ref>

Et eksempel er et rask kretsløp er det lille karbonkretsløpet. Denne syklusen består av relativt raske biogeokjemisk prosesser mellom [[Naturmiljø|miljøet]] og levende organismer i biosfæren. Den innbefatter strøm av karbon mellom atmosfæren og terrestriske og marine økosystemer, samt jord og havbunnsedimenter. Den raske syklusen består av årvisse sykluser som involverer fotosyntese og sykluser over noen tiår som har å gjøre med plantevekst og nedbrytning. Responsen fra det raske karbon kretsløpet på menneskelige aktiviteter vil avgjøre mange av de mer umiddelbare virkningene av klimaendringene.<ref name=Bush2020 /><ref>{{cite journal |doi = 10.1073/pnas.022055499|title = Atmospheric carbon dioxide levels for the last 500 million years|year = 2002|last1 = Rothman|first1 = D. H.|journal = Proceedings of the National Academy of Sciences|volume = 99|issue = 7|pages = 4167–4171|pmid = 11904360|pmc = 123620|bibcode = 2002PNAS...99.4167R|doi-access = free}}</ref><ref name=Carpinteri2019>{{cite journal |doi = 10.3390/sci1010017|title = Correlation between the Fluctuations in Worldwide Seismicity and Atmospheric Carbon Pollution|year = 2019|last1 = Carpinteri|first1 = Alberto|last2 = Niccolini|first2 = Gianni|journal = Sci|volume = 1|page = 17|doi-access = free}} [[File:CC-BY icon.svg|50px]] Material was copied from this source, which is available under a [https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ Creative Commons Attribution 4.0 International License]</ref><ref>{{Cite journal|last=Rothman|first=Daniel|date=januar 2015|title=Earth's carbon cycle: A mathematical perspective|url=https://www.ams.org/bull/2015-52-01/S0273-0979-2014-01471-5/|journal=Bulletin of the American Mathematical Society|language=en|volume=52|issue=1|pages=47–64|doi=10.1090/S0273-0979-2014-01471-5|issn=0273-0979|hdl=1721.1/97900|hdl-access=free|access-date=2021-09-27}}</ref>

Det langsomme karbonkretsløpet er illustrert i figuren. Skissen illuderer mellomlang til lang sikt med [[Geokjemi|geokjemiske]] prosesser som tilhører det geologiske kretsløpet. Utvekslingen mellom hav og atmosfære kan ta flere hundre år. [[Forvitring]] av bergarter kan ta millioner av år. Karbon i havet felles ut og havner på havbunnen der det kan dannes [[Sedimentær bergart|sedimentære bergarter]] og være med ned i en [[Subduksjonssone|subduksjon]] inn i [[Mantelen|jordens mantel]]. Fjellkjededannelse resulterer i retur av det geologiske karbonet tilbake til jordoverflaten. Der vil bergartene forvitret og karbon føres tilbake til atmosfæren ved avgassing og til havet via elver. Andre kilder til geologiske karbon er gjennom [[Hydrotermal sirkulasjon|hydrotermiske utslipp]] av kalsiumioner. I et gitt år beveger mellom 10 og 100 millioner tonn karbon seg rundt den langsomme syklusen. Et eksempel er vulkaner som returnerer geologisk karbon direkte til atmosfæren i form av karbondioksid.<ref name=Libes2015 /><ref name=Bush2020>{{cite book|doi = 10.1007/978-3-030-15424-0_3|title = Climate Change and Renewable Energy|year = 2020|last1 = Bush|first1 = Martin J.|pages = 109–141|isbn = 978-3-030-15423-3|s2cid = 210305910}}</ref>

På grunn av lang oppholdstid i noen reservoarene kan et omløp for noen av stoffene ta svært lang tid. En kan derfor si at de biogeokjemiske kretsløpene forbinder fortiden, nåtiden og fremtiden. Kretsløpene er en viktig del av jordens naturkapital.<ref name="Miller">{{Kilde bok | forfatter = Miller. G Tyler Jr. og Spoolman, Scott E. | tittel = Living in the Environment: Principles, Connections, and Solutions | utgivelsesår = 2009 | utgave = 16 | forlag = Brooks-Cole | isbn = 978-0-495-55671-8 | url = | side = 65 }}</ref>

=== Boksmodeller ===
[[Fil:Simple_box_model.png|mini|Grunnleggende boksmodell]]

Grunnstoffene som inngår i kretsløpene finnes i store lagre i den ikke-levende naturen, av disse er det bare en meget liten del som går inn i kretsløpene i økosystemene. Mange av stoffene finnes på steder i jorden eller i en slik form at de ikke så lett kan gå inn i kretsløpene. Generelt finnes stoffene enten i fri form eller i kjemiske forbindelser. For eksempel finnes karbon og nitrogen i gassform i luft og en mindre menge finnes i vann. Fosfor og svovel finnes i stein i jordskorpen.{{sfn|Taksdal|1996|p=27–29}}

Boksmodeller er mye brukt til å modellere biogeokjemiske systemer.<ref name=Sarmiento1984>{{cite journal| author = Sarmiento, J.L.|author2=Toggweiler, J.R.| year = 1984| title = A new model for the role of the oceans in determining atmospheric P CO 2| journal = Nature| volume = 308| pages = 621–24| doi = 10.1038/308621a0| issue=5960 |bibcode = 1984Natur.308..621S |s2cid=4312683}}</ref><ref name=Bianchi2007>Bianchi, Thomas; ''Biogeochemistry of Estuaries'' (2007) side 9, Oxford University Press. {{ISBN|9780195160826}}.</ref> Boksmodeller er forenklede versjoner av komplekse systemer og reduserer dem til bokser (eller reservoarer) for kjemiske stoffer. Disse er koblet sammen av materialstrømmer (flyt). Enkle boksmodeller har et vist antall bokser med spesielle egenskaper, for eksempel volum, som ikke endres med tiden.<ref name="Bianchi2007" /> Disse modellene brukes ofte til å utlede analytiske formler som beskriver dynamikken og tilstand til de involverte biogeokjemiske stoffene.

Diagrammet til høyre viser en grunnleggende boksmodell. Reservoaret inneholder en gitt mengden av stoffet ''M'' som betraktes og som er definert av kjemiske, fysiske eller biologiske egenskaper. Kilden ''Q'' er strømmen av stoff inn i reservoaret, og sluket ''S'' er strømmen av materiale ut av reservoaret. Budsjettet er balansen mellom kilder og sluk som påvirker stoffomsetningen i et gitt reservoar. Reservoaret er i en tilstand av balanse hvis ''Q'' = ''S'', det vil si hvis kildene balanserer sluket og det ikke er noen endring over tid.<ref name=Bianchi2007 />

[[Fil:Simplified_budget_of_carbon_flows_in_the_ocean.png|mini|Enkel boksmodell med tre elementer. Forenklet budsjett for havkarbonstrømmer.<ref name=Middelburg2019>Middelburg, J.J.(2019) ''Marine carbon biogeochemistry: a primer for earth system scientists'', page 5, Springer Nature. {{ISBN|9783030108229}}. {{doi|10.1007/978-3-030-10822-9}}. [[File:CC-BY icon.svg|50px]] Material was copied from this source, which is available under a [https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ Creative Commons Attribution 4.0 International License]</ref>]]

Oppholds- eller omsetningstiden er den gjennomsnittlige tiden materialet tilbringer i reservoaret. Hvis reservoaret er i balansert tilstand, er dette det samme som tiden det tar å fylle eller tømme reservoaret. Dersom ''τ'' er gjennomstrømningstiden vil følgende gjelde: ''τ = M''/''S''.<ref name=Bianchi2007 /> Ligningen som beskriver hastigheten på endring av innhold i et reservoar er

: <math>\frac{dM}{dt} = Q - S = Q - \frac{M}{\tau}.</math>

Når to eller flere reservoarer er koblet sammen, kan stoffet betraktes som en strøm mellom reservoarene, og det kan være forutsigbare mønstre for denne strømmen.<ref name=Bianchi2007 /> Mer komplekse modeller med flere bokser løses vanligvis ved hjelp av [[Numerisk analyse|numeriske metoder]].

Diagrammet viser et forenklet budsjett for karbonkretsløpet i havet. Den består av tre enkle sammenkoblede boksmodeller, en for [[Eufotisk|eufotisk sone]], en for vannmassene eller dyphavet og en for havsedimenter. I den eufotiske sonen, er netto produksjon av planteplankton rundt 50 Pg karbon hvert år. Cirka 10 Pg karbon eksporteres til havets indre mens de andre 40 Pg karbon respireres. Organisk nedbrytning av karbon skjer som partikler (marine snø) som faller ned i vannmassene. Bare 2 Pg karbon når til slutt havbunnen, mens andre 8 Pg karbon havner i dyphavet. I sedimenter øker tidsskalaen som er tilgjengelig for nedbrytning med det resultat at 90 % av det organiske karbonet som leveres blir nedbrutt og bare 0,2 Pg karbon per år blir til slutt begravet og overført fra biosfæren til litosfæren.<ref name=Middelburg2019 />