คาร์บอนเป็นองค์ประกอบสำคัญที่พบในสิ่งมีชีวิตทุกชนิด เป็นธาตุที่มีมากเป็นอันดับสี่ในจักรวาลและเป็นองค์ประกอบสำคัญของสารประกอบเคมีหลายชนิด รวมถึงคาร์บอนไดออกไซด์ ( \(CO_2\) ) มีเทน ( \(CH_4\) ) และโมเลกุลอินทรีย์ที่เป็นพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตบน โลก.
คาร์บอนสามารถมีอยู่ได้หลายรูปแบบ ทั้งของแข็ง ของเหลว และก๊าซ ในสถานะก๊าซ คาร์บอนมักพบในสารประกอบต่างๆ เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ ( \(CO_2\) ) และมีเทน ( \(CH_4\) ) ก๊าซเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในชั้นบรรยากาศของโลกและสภาพอากาศโลก
คาร์บอนไดออกไซด์ เป็นก๊าซไม่มีสีมีรสและกลิ่นที่เป็นกรดเล็กน้อย ผลิตโดยการเผาไหม้ของวัสดุที่มีคาร์บอน เช่น เชื้อเพลิงฟอสซิลและไม้ ตลอดจนผ่านการหายใจของสิ่งมีชีวิต \(CO_2\) ยังเป็นผลิตภัณฑ์จากการหมักและปฏิกิริยาเคมีอื่นๆ
\(CO_2\) มีบทบาทสำคัญในปรากฏการณ์เรือนกระจกของโลก โดยกักเก็บความร้อนในชั้นบรรยากาศ และด้วยเหตุนี้จึงช่วยรักษาอุณหภูมิของโลกไว้ อย่างไรก็ตาม การปล่อย \(CO_2\) ที่มากเกินไปจากกิจกรรมของมนุษย์ทำให้เกิดภาวะโลกร้อนและการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ
มีเทน เป็นก๊าซเรือนกระจกที่มีศักยภาพ ซึ่งมีพลังมากกว่า \(CO_2\) ประมาณ 25 เท่าในระยะเวลา 100 ปี ปล่อยออกมาในระหว่างการผลิตและการขนส่งถ่านหิน น้ำมัน และก๊าซธรรมชาติ มีเทนยังถูกปล่อยออกมาจากการปศุสัตว์และเกษตรกรรมอื่นๆ และจากการเน่าเปื่อยของขยะอินทรีย์ในหลุมฝังกลบขยะมูลฝอยของชุมชน
วัฏจักรคาร์บอน เป็นชุดของกระบวนการที่สารประกอบคาร์บอนถูกแปลงสภาพในสิ่งแวดล้อม วัฏจักรนี้เกี่ยวข้องกับการรวมตัวของ \(CO_2\) จากชั้นบรรยากาศเข้าสู่สิ่งมีชีวิตผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง เมื่อพืชและสัตว์ตาย ตัวย่อยสลายจะสลายร่างกาย และปล่อยคาร์บอนกลับคืนสู่ชั้นบรรยากาศในรูปของ \(CO_2\) ผ่านกระบวนการหายใจและสลายตัว คาร์บอนส่วนหนึ่งยังถูกกักเก็บไว้ในดินและมหาสมุทร ซึ่งทำหน้าที่เป็นแหล่งกักเก็บคาร์บอน
การสังเคราะห์ด้วยแสง เป็นกระบวนการที่พืชสีเขียวและสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ใช้แสงแดดเพื่อสังเคราะห์อาหารจาก \(CO_2\) และน้ำ มันเกี่ยวข้องกับการแปลงคาร์บอนไดออกไซด์เป็นกลูโคสและออกซิเจนเมื่อมีแสงแดดและคลอโรฟิลล์ สมการทางเคมีโดยรวมสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงสามารถแสดงได้ดังนี้:
\(6CO_2 + 6H_2O + \textrm{พลังงานแสง} \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2\)
ในทางกลับกัน การหายใจ เป็นกระบวนการที่สิ่งมีชีวิตเปลี่ยนออกซิเจนและกลูโคสให้เป็นน้ำ \(CO_2\) และพลังงาน สมการการหายใจของเซลล์โดยพื้นฐานแล้วจะตรงกันข้ามกับการสังเคราะห์ด้วยแสง:
\(C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + \textrm{พลังงาน}\)
กิจกรรมของมนุษย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลและการตัดไม้ทำลายป่า ได้เพิ่มระดับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศของโลกอย่างมีนัยสำคัญ ระดับ \(CO_2\) ที่เพิ่มขึ้นนี้เป็นปัจจัยขับเคลื่อนหลักของภาวะโลกร้อนและการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ความพยายามในการลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนรวมถึงการเพิ่มการใช้พลังงานทดแทน การปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน และการปลูกต้นไม้เพื่อดูดซับ \(CO_2\)
การทดลองสาธิตการผลิต \(CO_2\) สามารถทำได้โดยการผสมน้ำส้มสายชู (กรดอะซิติก) กับเบกกิ้งโซดา (โซเดียมไบคาร์บอเนต) ปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างสารเหล่านี้ทำให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์:
\(CH_3COOH + NaHCO_3 \rightarrow CH_3COONa + H_2O + CO_2\)
การทดลองนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่า \(CO_2\) เกิดขึ้นได้อย่างไรผ่านปฏิกิริยาเคมีง่ายๆ และสามารถดักจับได้โดยใช้บอลลูนหรือวิธีการกักเก็บแบบอื่น
การลดรอยเท้าคาร์บอนการลดรอยเท้าคาร์บอน ซึ่งหมายถึงการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ทั้งหมดที่เกิดขึ้นทั้งทางตรงและทางอ้อมโดยบุคคล องค์กร หรือผลิตภัณฑ์ มีความสำคัญอย่างยิ่งในการบรรเทาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ขั้นตอนง่ายๆ เช่น การลดการใช้พลังงาน การใช้ระบบขนส่งสาธารณะ การรีไซเคิล และการบริโภคเนื้อสัตว์ให้น้อยลง สามารถช่วยลดการปล่อย \(CO_2\) ได้
การกักเก็บคาร์บอน เป็นกระบวนการในการดักจับและกักเก็บบรรยากาศ \(CO_2\) สามารถทำได้โดยกระบวนการทางธรรมชาติ เช่น การสังเคราะห์ด้วยแสงในป่าและมหาสมุทร หรือโดยวิธีการประดิษฐ์ เช่น เทคโนโลยีการจับและกักเก็บคาร์บอน (CCS) CCS เกี่ยวข้องกับการดักจับ \(CO_2\) การปล่อยก๊าซเรือนกระจกจากแหล่งอุตสาหกรรมและแหล่งที่เกี่ยวข้องกับพลังงาน การขนส่งไปยังสถานที่จัดเก็บ และการเก็บกักไว้ในที่ที่จะไม่เข้าสู่ชั้นบรรยากาศ โดยทั่วไปแล้วจะก่อตัวทางธรณีวิทยาในระดับลึก
คาร์บอนในรูปแบบต่างๆ มีบทบาทสำคัญในระบบนิเวศของโลก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสถานะก๊าซเป็น \(CO_2\) และ \(CH_4\) ก๊าซเหล่านี้เป็นส่วนสำคัญต่อปรากฏการณ์เรือนกระจกของโลก ซึ่งทำให้โลกอบอุ่นพอที่จะดำรงชีวิตได้ อย่างไรก็ตาม กิจกรรมของมนุษย์ได้เปลี่ยนแปลงวัฏจักรคาร์บอนตามธรรมชาติอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งส่งผลให้มีก๊าซเรือนกระจกและภาวะโลกร้อนในระดับที่มากเกินไป การทำความเข้าใจบทบาทของคาร์บอนต่อสิ่งแวดล้อมและการดำเนินการเพื่อลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนถือเป็นสิ่งสำคัญในการรักษาสภาพภูมิอากาศของโลกและรับประกันความเป็นอยู่ที่ดีของคนรุ่นต่อๆ ไป
