Siklus Karbon: Pengertian, Sumber, dan Keterkaitannya dengan Iklim Global

Siklus karbon adalah siklus biogeokimia ketika karbon dipertukarkan antara biosfer, geosfer, hidrosfer, dan atmosfer bumi (objek astronomis lainnya bisa jadi memiliki siklus karbon yang hampir sama meskipun hingga kini belum diketahui). Dalam siklus ini terdapat empat reservoir karbon utama yang dihubungkan oleh jalur pertukaran. Reservoir-reservoir tersebut adalah atmosfer, biosfer teresterial (biasanya termasuk pula freshwater system dan material non-hayati organik seperti soil carbon atau karbon tanah), lautan (termasuk karbon anorganik terlarut dan biota laut hayati dan non-hayati), dan sedimen (termasuk bahan bakar fosil).

Pergerakan karbon dan pertukaran karbon antar reservoir terjadi karena proses-proses kimia, fisika, geologi, dan biologi yang bermacam-macam. Lautan mengadung kolam aktif karbon terbesar dekat permukaan bumi. Namun demikian, laut dalam bagian dari kolam ini mengalami pertukaran yang lambat dengan atmosfer.

Neraca karbon global adalah kesetimbangan pertukaran karbon (antara yang masuk dan keluar) antar reservoir karbon atau antara satu putaran (loop) spesifik siklus karbon (misalnya atmosfer-biosfer). Analisis neraca karbon dari sebuah kolam atau reservoir dapat memberikan informasi tentang apakah kolam atau reservoir berfungsi sebagai sumber (source) atau lubuk (sink) karbon dioksida.

Daur Karbon

Daur karbon merupakan siklus biogeokimia yang sudah ada di bumi sejak jutaan tahun. Biogeokimia adalah suatu pertukaran atau terjadinya perubahan yang berlangsung terus menerus antara komponen abiotik dengan komponen biotik. Contoh komponen abiotik adalah tanah, air, udara, sinar matahari, sedangkan komponen biotik mencakup makhluk hidup seperti manusia, hewan, dan tumbuhan.

Karbon dioksida merupakan bagian udara esensial yang dapat memengaruhi radiasi panas dari bumi, dan dapat membentuk persediaan karbon anorganik. Proses fotosintesis yang terjadi pada tumbuhan yang berperan sebagai produsen merupakan proses pengubahan karbon dioksida sebagai karbon anorganik menjadi karbohidrat sebagai senyawa hidrokarbon yang dalam hal pengubahan karbon disebut juga senyawa karbon organik dalam tubuh tumbuhan disertai dengan penyimpanan energi yang bersumber dari radiasi matahari, sehingga dalam tubuh tumbuhan tersimpan energi yang disebut energi biokimia. Energi ini tersimpan bersama dengan senyawa organik kompleks.

Sebagian karbon organik yang terdapat dalam tubuh tumbuhan akan diubah melalui proses fisiologi tumbuhan. Senyawa ini akan terurai dari tumbuhan dalam bentuk CO₂ melalui mekanisme respirasi. Dalam mekanisme respirasi ini, sebagian karbon organik lainnya diubah menjadi senyawa organik kompleks dalam tubuh tumbuhan selama pertumbuhannya.

Senyawa organik tersebut akan ditransfer ke dalam tubuh konsumen melalui proses interaksi dalam rantai maupun jaringan makanan sehingga sebagian dari senyawa karbon organik akan tetap berada dalam tubuh konsumen (manusia dan hewan) sampai mati.

Setelah produsen dan konsumen mati maka senyawa organik akan segera terurai kembali melalui proses dekomposisi atau penguraian oleh organisme pengurai dan karbon akan dilepas sebagai CO₂ ke alam, kemudian masuk ke udara atau ke dalam air kembali. Namun, ada sebagian bahan organik yang kadang-kadang tidak bisa segera terurai dalam proses dekomposisi sehingga memerlukan waktu yang sangat lama dan kemudian akan berubah menjadi batu kapur, arang, atau minyak (dalam hal ini disebut bahan bakar fosil).

1. Proses Fotosintesis

Nah, daur karbon ini dimulai dari proses fotosintesis, yang dilakukan oleh organisme autotrof seperti tumbuhan, alga, fitoplankton dan juga bakteri. Organisme autotrof kemudian melakukan fotosintesis dengan sumber energi matahari dan mengubah karbon menjadi gula. Gula tersebut akan menjadi makanan bagi tumbuhan dan membangun seluruh tubuh organisme autotrof.

2. Rantai Makanan

Kemudian, karbon berpindah dari organisme autotrof ke organisme heterotrof melalui rantai makanan. Pada tahap ini, karbon digunakan untuk membangun jaringan tubuh dan mempertahankan fungsi fisiologis.

3. Pernapasan Makhluk Hidup

Siklus karbon juga terjadi pada pernapasan makhluk hidup. Pada respirasi sel, molekul karbon dilepaskan setelah menerima oksigen, sehingga makhluk hidup mengembuskan karbon dioksida saat respirasi. Pada saat ini, karbon yang berada di dalam tubuh kembali ke atmosfer.

4. Proses Dekomposisi

Selain itu, siklus karbon juga terjadi pada proses dekomposisi atau proses penguraian sisa-sisa makhluk hidup. Sisa-sisa makhluk hidup dapat berupa tubuh organisme mati, tumbuhan yang layu, juga kotoran makhluk hidup. Proses dekomposisi akan menguraikan sisa-sisa zat organik tersebut menjadi bentuk yang lebih sederhana, termasuk karbon. Karbon dari makhluk hidup dilepaskan ke tanah juga udara.

5. Pembakaran Bahan Bakar Fosil

Ketika bahan bakar fosil dibakar, maka akan melepaskan gas karbon dioksida dan gas rumah kaca lainnya. Sebab, sumber energi fosil seperti minyak bumi, batu bara, dan juga gas alam terbentuk dari karbon. Sayangnya, adanya gas karbon dioksida dan gas rumah kaca dari hasil pembakaran bahan bakar fosil ini menyebabkan pemanasan global. Meskipun begitu, setiap karbon yang tersebar di udara dan tanah nantinya akan digunakan kembali oleh makhluk hidup dan kehidupan di Bumi.

Karbon di Atmosfer

Diagram dari siklus karbon. Angka dengan warna hitam menyatakan berapa banyak karbon tersimpan dalam berbagai reservoir, dalam miliar ton (“GtC” berarti Giga Ton Karbon). Angka dengan warna biru menyatakan berapa banyak karbon berpindah antar reservoir setiap tahun. Sedimen, sebagaimana yang diberikan dalam diagram, tidak termasuk ~70 juta GtC batuan karbonat dan kerogen.

Bagian terbesar dari karbon yang berada di atmosfer bumi adalah gas karbon dioksida (CO₂). Meskipun jumlah gas ini merupakan bagian yang sangat kecil dari seluruh gas yang ada di atmosfer (hanya sekitar 0,04% dalam basis molar, meskipun sedang mengalami kenaikan), tetapi ia memiliki peran yang penting dalam menyokong kehidupan.

Gas-gas lain yang mengandung karbon di atmosfer adalah metan dan kloroflorokarbon atau CFC (CFC ini merupakan gas artifisial atau buatan). Gas-gas tersebut adalah gas rumah kaca yang konsentrasinya di atmosfer telah bertambah dalam dekade terakhir ini, dan berperan dalam pemanasan global.

Karbon diambil dari atmosfer dengan berbagai cara:

• Ketika matahari bersinar, tumbuhan melakukan fotosintesa untuk mengubah karbon dioksida menjadi karbohidrat, dan melepaskan oksigen ke atmosfer. Proses ini akan lebih banyak menyerap karbon pada hutan dengan tumbuhan yang baru saja tumbuh atau hutan yang sedang mengalami pertumbuhan yang cepat.
• Pada permukaan laut ke arah kutub, air laut menjadi lebih dingin dan CO₂ akan lebih mudah larut. Selanjutnya, CO₂ yang larut tersebut akan terbawa oleh sirkulasi termohalin yang membawa massa air di permukaan yang lebih berat ke kedalaman laut atau interior laut (lihat bagian solubility pump).
• Di laut bagian atas (upper ocean), pada daerah dengan produktivitas yang tinggi, organisme membentuk jaringan yang mengandung karbon, beberapa organisme juga membentuk cangkang karbonat dan bagian-bagian tubuh lainnya yang keras. Proses ini akan menyebabkan aliran karbon ke bawah (lihat bagian biological pump).
• Pelapukan batuan silikat. Tidak seperti dua proses sebelumnya, proses ini tidak memindahkan karbon ke dalam reservoir yang siap untuk kembali ke atmosfer. Pelapukan batuan karbonat tidak memiliki efek netto terhadap CO₂ atmosferik karena ion bikarbonat yang terbentuk terbawa ke laut di mana selanjutnya dipakai untuk membuat karbonat laut dengan reaksi yang sebaliknya (reverse reaction).

Karbon dapat kembali ke atmosfer dengan berbagai cara pula, yaitu:

• Melalui pernapasan (respirasi) oleh tumbuhan dan binatang. Hal ini merupakan reaksi eksotermik dan termasuk juga di dalamnya penguraian glukosa (atau molekul organik lainnya) menjadi karbon dioksida dan air.
• Melalui pembusukan binatang dan tumbuhan. Fungi atau jamur dan bakteri mengurai senyawa karbon pada binatang dan tumbuhan yang mati dan mengubah karbon menjadi karbon dioksida jika tersedia oksigen, atau menjadi metana jika tidak tersedia oksigen.
• Melalui pembakaran material organik yang mengoksidasi karbon yang terkandung menghasilkan karbon dioksida (juga yang lainnya seperti asap). Pembakaran bahan bakar fosil seperti batu bara, produk dari industri perminyakan (petroleum), dan gas alam akan melepaskan karbon yang sudah tersimpan selama jutaan tahun di dalam geosfer. Hal inilah yang merupakan penyebab utama naiknya jumlah karbon dioksida di atmosfer.
• Produksi semen. Salah satu komponennya, yaitu kapur atau gamping atau kalsium oksida, dihasilkan dengan cara memanaskan batu kapur atau batu gamping yang akan menghasilkan juga karbon dioksida dalam jumlah yang banyak.
• Di permukaan laut di mana air menjadi lebih hangat, karbon dioksida terlarut dilepas kembali ke atmosfer.
• Erupsi vulkanik atau ledakan gunung berapi akan melepaskan gas ke atmosfer. Gas-gas tersebut termasuk uap air, karbon dioksida, dan belerang. Jumlah karbon dioksida yang dilepas ke atmosfer secara kasar hampir sama dengan jumlah karbon dioksida yang hilang dari atmosfer akibat pelapukan silikat; Kedua proses kimia ini yang saling berkebalikan ini akan memberikan hasil penjumlahan yang sama dengan nol dan tidak berpengaruh terhadap jumlah karbon dioksida di atmosfer dalam skala waktu yang kurang dari 100.000 tahun.

Karbon di Biosfer

Sekitar 1900 gigaton karbon ada di dalam biosfer. Karbon adalah bagian yang penting dalam kehidupan di Bumi. Ia memiliki peran yang penting dalam struktur, biokimia, dan nutrisi pada semua sel makhluk hidup. Dan kehidupan memiliki peranan yang penting dalam siklus karbon:

• Autotroph adalah organisme yang menghasilkan senyawa organiknya sendiri dengan menggunakan karbon dioksida yang berasal dari udara dan air di sekitar tempat mereka hidup. Untuk menghasilkan senyawa organik tersebut mereka membutuhkan sumber energi dari luar. Hampir sebagian besar autotroph menggunakan radiasi matahari untuk memenuhi kebutuhan energi tersebut, dan proses produksi ini disebut sebagai fotosintesis. Sebagian kecil autotroph memanfaatkan sumber energi kimia, dan disebut kemosintesis. Autotroph yang terpenting dalam siklus karbon adalah pohon-pohonan di hutan dan daratan dan fitoplankton di laut. Fotosintesis memiliki reaksi 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O_2.
• Karbon dipindahkan di dalam biosfer sebagai makanan heterotrof pada organisme lain atau bagiannya (seperti buah-buahan). Termasuk di dalamnya pemanfaatan material organik yang mati (detritus) oleh jamur dan bakteri untuk fermentasi atau penguraian.
• Sebagian besar karbon meninggalkan biosfer melalui pernapasan atau respirasi. Ketika tersedia oksigen, respirasi aerobik terjadi, yang melepaskan karbon dioksida ke udara atau air di sekitarnya dengan reaksi C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O. Pada keadaan tanpa oksigen, respirasi anaerobik lah yang terjadi, yang melepaskan metan ke lingkungan sekitarnya yang akhirnya berpindah ke atmosfer atau hidrosfer.
• Pembakaran biomassa (seperti kebakaran hutan, kayu yang digunakan untuk tungku penghangat atau kayu bakar, dan lain-lain) dapat juga memindahkan karbon ke atmosfer dalam jumlah yang banyak.
• Karbon juga dapat berpindah dari bisofer ketika bahan organik yang mati menyatu dengan geosfer (seperti gambut). Cangkang binatang dari kalsium karbonat yang menjadi batu gamping melalui proses sedimentasi.
• Sisanya, yaitu siklus karbon di laut dalam, masih dipelajari. Sebagai contoh, penemuan terbaru bahwa rumah larvacean mucus (biasa dikenal sebagai “sinkers”) dibuat dalam jumlah besar yang mana mampu membawa banyak karbon ke laut dalam seperti yang terdeteksi oleh perangkap sedimen. Karena ukuran dan kompisisinya, rumah ini jarang terbawa dalam perangkap sedimen, sehingga sebagian besar analisis biokimia melakukan kesalahan dengan mengabaikannya.

Penyimpanan karbon di biosfer dipengaruhi oleh sejumlah proses dalam skala waktu yang berbeda: sementara produktivitas primer netto mengikuti siklus harian dan musiman, karbon dapat disimpan hingga beberapa ratus tahun dalam pohon dan hingga ribuan tahun dalam tanah. Perubahan jangka panjang pada kolam karbon (misalnya melalui de- atau afforestation) atau melalui perubahan temperatur yang berhubungan dengan respirasi tanah) akan secara langsung memengaruhi pemanasan global.

Karbon di Laut

Laut mengandung sekitar 36.000 gigaton karbon, di mana sebagian besar dalam bentuk ion bikarbonat. Karbon anorganik, yaitu senyawa karbon tanpa ikatan karbon-karbon atau karbon-hidrogen, adalah penting dalam reaksinya di dalam air. Pertukaran karbon ini menjadi penting dalam mengontrol pH di laut dan juga dapat berubah sebagai sumber (source) atau lubuk (sink) karbon.

Karbon siap untuk saling dipertukarkan antara atmosfer dan lautan. Pada daerah upwelling, karbon dilepaskan ke atmosfer. Sebaliknya, pada daerah downwelling karbon (CO₂) berpindah dari atmosfer ke lautan. Pada saat CO₂ memasuki lautan, asam karbonat terbentuk:

CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃

Reaksi ini memiliki sifat dua arah, mencapai sebuah kesetimbangan kimia. Reaksi lainnya yang penting dalam mengontrol nilai pH lautan adalah pelepasan ion hidrogen dan bikarbonat. Reaksi ini mengontrol perubahan yang besar pada pH:

H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻

Model Siklus Karbon

Model siklus karbon dapat digabungkan ke dalam model iklim global, sehingga reaksi interaktif dari lautan dan biosfer terhadap nilai CO₂ pada masa depan dapat dimodelkan. Ada ketidakpastian yang besar dalam model ini, baik dalam sub model fisika maupun biokimia (khususnya pada sub model terakhir).

Model-model seperti itu biasanya menunjukkan bahwa ada timbal balik yang positif antara temperatur dan CO₂. Sebagai contoh, Zeng dkk. menemukan dalam model mereka bahwa terdapat pemanasan ekstra sebesar 0,6 °C (yang sebaliknya dapat menambah jumlah CO₂ atmosferik yang lebih besar).

Siklus Karbon terhadap Iklim Global

Siklus karbon menjaga keseimbangan konsentrasi karbon pada atmosfer, laut dan permukaan bumi. Jumlah yang berlebihan pada salah satu komponen dapat menyebabkan ketidakseimbangan pada keseluruhan siklus dan kondisi bumi. Jumlah karbon dalam bentuk karbon dioksida pada atmosfer yang berlebihan berpengaruh salah satunya dalam perubahan iklim. Hal ini ditunjukkan dalam gambar di bawah ini pada saat karbon dioksida meningkat, temperatur permukaan bumi juga mengalami peningkatan, dan sebaliknya pada saat konsentrasi karbon dioksida, temperatur permukaan bumi relatif rendah.

Grafik karbon dioksida dan temperatur permukaan bumi sepanjang tahun.

Berdasarkan gambar tersebut, dapat diketahui sejak dahulu temperatur permukaan bumi dan kadar karbon dioksida mengalami fluktuasi atau dapat disebut bahwa peristiwa perubahan iklim merupakan peristiwa yang normal. Akan tetapi, pada saat ini karbon diosida dilepaskan ke atmosfer dalam jumlah yang signifikan. Kondisi ini dimulai sejak revolusi industri, dimana terjadi pembakaran energi fosil secara besar-besaran.

Kenaikan temperatur permukaan bumi.

Perubahan kandungan karbon dioksida secara signifikan mengakibatkan terjadi kenaikan temperatur permukaan bumi yang ekrtrem, di mana dalam periode 25 tahun terakhir laju kenaikan temperature permukaan bumi mencapai 0,177±0,052⁰C per dekade.

Kenaikan temperatur permukaan bumi yang ekstrem ini dapat memengaruhi kehidupan makhluk hidup di bumi, di antaranya mencairnya es di kutub, meningkatnya ketidakseimbangan tanah, perubahan berbagai ekosistem, bencana banjir meningkat, dan lain-lain. Oleh karena itu, manusia perlu mengurangi pembakaran bahan bakar fosil dan langkah-langkah lainnya untuk mengurangi pelepasan karbon ke atmosfer.

Rekomendasi Buku & Artikel Terkait