دانشمندان یک چرخه کربن را در مواد معدنی صحرا پیدا کردند

ویرایش شده توسط Swati Mestri، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

در سطح، گستره‌های خشک صحرای موهاوه ممکن است غیرقابل مهمان‌نواز به نظر برسند و تا حد زیادی از چرخه کربن جهانی حذف شده‌اند. اما در زیر سطح، خاک‌های غنی از مواد معدنی آن چرخه کربنی خود را دارند - چرخه‌ای که می‌تواند سهم بزرگی از تبادل کربن سالانه سیاره را تشکیل دهد.

در مطالعه جدیدی که در 23 سپتامبر در Science Advances منتشر شد، محققان دپارتمان علوم، سیاست و مدیریت زیست محیطی دانشگاه برکلی (ESPM) چرخه روزانه جذب و دفع دی اکسید کربن (CO 2) را شرح می دهند.

در شب، با کاهش دما، مولکول‌های دی اکسید کربن اتمسفر از طریق فرآیندی به نام جذب روی مواد معدنی و سایر ذرات ریز در خاک‌های موهاوه می‌چسبند. هنگامی که خورشید طلوع می کند و دما شروع به بالا رفتن می کند، همان مولکول ها از خاک جدا می شوند و به حالت گازی خود باز می گردند.

نویسنده اصلی، آنا آبرامووا، کاندیدای دکترای ESPM، گفت که این چرخه به تازگی مستند شده توضیحی جایگزین برای نحوه تبادل کربن خاک با هوا ارائه می دهد. دانشمندان عمدتا این تبادل را از طریق تنفس خاک درک می کنند، که زمانی شروع می شود که گیاهان و سایر گیاهان از طریق فتوسنتز CO2 را به انرژی و کربن آلی تبدیل می کنند.

همانطور که گیاهان رشد می کنند، ریشه و میکروب های خاک مرتبط با آن مقداری از کربن را به خاک باز می گرداند. سپس میکروارگانیسم ها از آن کربن آلی تغذیه می کنند و دوباره آن را به گاز CO 2 تبدیل می کنند که از خاک و در هوا پخش می شود.

رونالد آموندسون، پروفسور ESPM و نویسنده ارشد این مطالعه، توضیح داد: «همیشه فرض بر این است که این به طور کامل توسط یک فرآیند بیولوژیکی هدایت می شود. او این فرآیند را با نحوه تنفس یک "جاندار غول پیکر و زنده" مقایسه می کند. آموندسون گفت، در آب و هوای گرم و خشک مانند موهاو، این روند کندتر می شود زیرا پوشش گیاهی و زندگی گیاهی نسبت به مناطق مرطوب مانند مناطق استوایی کم تر است.

از سال 2017، تیم آموندسون با استفاده از حسگرهای خاک که داده‌های بلادرنگ را ضبط می‌کند، موهاو را زیر نظر گرفته است. نظارت طولانی مدت آنها چیزی غیرمنتظره را فاش کرد. آموندسون که خاک‌ها را در سراسر اکوسیستم‌های جهانی (از جمله صحرای آتاکامای شیلی، خشک‌ترین بیابان غیرقطبی روی زمین) مطالعه کرده است، می‌گوید: «به‌جای اینکه CO 2 از خاک خارج شود و به اتمسفر برگردد، متوجه شدیم که کربن در شب به داخل خاک جریان می‌یابد.» هیچ توضیح بیولوژیکی برای این وجود ندارد.

یکی از نویسندگان مطالعه، جنیفر میلز، Ph.D. '21 ESPM، قبلا دریافته بود که در شب، غلظت CO 2 در خاک به عمق 5 سانتی متر (2 اینچ) به زیر غلظت در سطح خاک می رسد و منجر به هجوم CO 2 می شود.

آموندسون که بیش از 30 سال از خطوط استخراج خلاء در آزمایشگاه هیلگارد هال خود برای پردازش گازها استفاده کرده است، می‌دانست که CO 2 در صورت سرد شدن می‌تواند روی سطوح جامد بچسبد. در موهاو، دمای سطح خاک می تواند در طول روز به 140 درجه فارنهایت (60 درجه سانتیگراد) برسد، سپس در شب به زیر 70 درجه فارنهایت (20 درجه سانتیگراد) می رسد. او و میلز در ابتدا مشکوک بودند که مواد معدنی می توانند در هنگام سرد شدن روی CO 2 باقی بمانند و با گرم شدن آن را آزاد کنند.

تایید آن سه سال کار آزمایشگاهی طول کشید. محققان نمونه هایی از خاک موهاوی را جمع آوری کردند و به برکلی آوردند. آبرامووا سپس آنها را به آزمایشگاه ملی لارنس برکلی برد و در آنجا از تجهیزات تخصصی برای اندازه گیری میزان CO 2 جذب شده در دماها و غلظت های مختلف CO 2 استفاده کرد. داده های تجربی او نشان داد که جذب می تواند توضیح دهد که حسگرهای میلز و آموندسون موهاوی ثبت کرده اند: دی اکسید کربن چسبیده به خاک خنک کننده.

او توضیح داد: زمانی که دما کاهش می یابد، ظرفیت جذب افزایش می یابد. با تکرار این فرآیند در دمای شب و بعد از ظهر بیابانی، او دریافت که خاک ها با سرد شدن، دی اکسید کربن بیشتری می گیرند و با گرم شدن آن را آزاد می کنند، که تأیید می کند که جذب شبانه توسط جذب انجام می شود، نه زیست شناسی.

او گفت: "ما این آزمایشات آزمایشگاهی را برای تعیین کمیت میزان جذب و مقایسه آن با نحوه وقوع آن در موهاوی طراحی کردیم." دیدن اینکه چگونه دو مجموعه داده کاملا متفاوت و به‌طور مستقل به دست آمده‌اند، بسیار هیجان‌انگیز بود.

نویسندگان در مقیاس جهانی تخمین می زنند که سالانه بین 1 تا 3 گیگاتن (1 تا 3 GT) کربن - تقریبا یک دهم تا یک سوم انتشار سالانه انسان - به داخل و خارج از خاک های بیابانی حرکت می کند. این رقم می تواند بیشتر باشد زیرا برآورد صرفا بر اساس خاک موهاوه است.

محققان همین پدیده را در بیابان های سرد از جمله قطب جنوب مشاهده کرده اند و آموندسون خاطرنشان کرد که مدت هاست بر روی سطح مریخ مشکوک بوده است. آبراموا اکنون در حال بررسی است که آیا جذب در خاک هایی با کربن آلی بیشتر یا مواد معدنی با ظرفیت جذب بالا متفاوت است یا خیر.

این یافته همچنین خاک بیابان را در یک شرکت غیرمنتظره قرار می دهد. در سال 2024، عمر یاغی، استاد سابق شیمی دانشگاه کالیفرنیا برکلی (که برنده جایزه نوبل شیمی سال 2025 شد) از یک ماده کریستالی متخلخل که قادر به بیرون کشیدن دی اکسید کربن از هوای آزاد است، پرده برداری کرد. آموندسون گفت: «ما اساسا نشان می‌دهیم که مواد معدنی طبیعی اساسا قابلیت‌های یکسانی دارند.

آموندسون خاطرنشان کرد که این فرآیند تنها زمانی قابل مشاهده است که میزان تنفس بیولوژیکی خاک نسبتا کم باشد. او گفت: "این جریان غیرزیست می تواند از نظر اندازه قابل مقایسه باشد - و گاهی حتی بزرگتر از همتای بیولوژیکی خود." چنین فرآیندی می‌تواند عمق جدیدی به مدل‌های کربن موجود بیافزاید و راه‌حل‌های جدید آب و هوایی مبتنی بر طبیعت را ارائه دهد.

آنا آبرامووا و همکاران، جذب/داجذب CO 2 با هدایت حرارتی و اثر آن بر تنفس خاک، Science Advances (2026). DOI: 10.1126/sciadv.aed9979

ارائه شده توسط دانشگاه کالیفرنیا - برکلی

سواتی مستری دارای مدرک لیسانس در مهندسی الکترونیک است و از سال 2019 به عنوان ویرایشگر محتوا کار کرده است. او ویرایش اسناد تحقیقاتی در زمینه فناوری، مراقبت های بهداشتی و علم مواد را تجربه کرده است و علاقه خاصی به فناوری و فضا دارد. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →