Kiến trúc bền vững và Chu trình Carbon

Hầu hết các kiến trúc xanh (hay kiến trúc bền vững) đều đặc biệt chú trọng đến vấn đề giảm thiểu khí thải ra môi trường - nhất là khí carbon, và việc sử dụng ít năng lượng từ bên ngoài (Zero-Carbon Transformation Project in Chicago, Model Home 2020: The Green Lighthouse, Zero carbon City, Tháp Almeisan tại Dubai – tòa nhà “03 không”, ...).

Tiêu chí hàng đầu của các công trình này là: không chất thải rắn, không phát thải khí CO₂ và không cần năng lượng từ bên ngoài. Tất cả đều nhằm mục đích giảm thiểu việc phá vỡ sự cân bằng của Chu trình carbon - một trong các chu trình quan trọng nhất của Trái Đất nếu mất cân bằng sẽ gây nên hiệu ứng nhà kính và các vấn đề lớn về khí hậu toàn cầu. Việc chặt phá rừng, đốt cháy than, dầu mỏ, sử dụng tài nguyên đất làm vật liệu xây dựng, sản xuất xi măng... là những nguyên nhân chủ yếu gây mất cân bằng cho chu trình này. Vậy Chu trình carbon là gì mà quan trọng đến vậy? mời các bạn cùng tìm hiểu...

Chu trình carbon là gì?

Chu trình carbon là một chu trình sinh địa hóa học, trong đó carbon được trao đổi giữa sinh quyển, thổ nhưỡng quyển, địa quyển và khí quyển của Trái Đất. Nó là một trong các chu trình quan trọng nhất của Trái Đất và cho phép carbon được tái chế và tái sử dụng trong khắp sinh quyển và bởi tất cả các sinh vật của nó.

Chu trình carbon khởi thủy được Joseph Priestley và Antoine Lavoisier phát hiện ra và được Humphry Davy phổ biến. Hiện nay nó thường được coi như là bao gồm các nguồn chứa chính sau đây của carbon, được liên kết với nhau bởi các con đường trao đổi:

• Khí quyển
• Sinh quyển đất liền, thường được định nghĩa như là bao gồm các hệ sinh thái nước ngọt và vật chất hữu cơ phi sinh vật, chẳng hạn như carbon trong đất.
• Các đại dương, bao gồm carbon vô cơ hòa tan cùng các khu hệ sinh vật và phi sinh vật biển.
• Các trầm tích, bao gồm cả các nhiên liệu hóa thạch.
• Phần bên trong của Trái Đất, với carbon từ lớp phủ và lớp vỏ Trái Đất được giải phóng vào khí quyển và thủy quyển thông qua hoạt động phun trào núi lửa và các hệ thống địa nhiệt.

Sự di chuyển hàng năm của carbon, hay sự trao đổi carbon giữa các nguồn chứa, xảy ra là do các quá trình hóa học, vật lý, địa chất và sinh học khác nhau. Đại dương chứa vũng hoạt hóa lớn nhất của carbon gần bề mặt Trái Đất, nhưng phần đại dương sâu của vũng này lại không trao đổi nhanh với khí quyển vì thiếu ảnh hưởng và tác động từ bên ngoài, chẳng hạn như miệng phun thủy nhiệt hay rò rỉ giếng dầu vùng nước sâu không bị kiềm chế.

Quỹ carbon toàn cầu là sự cân bằng của các trao đổi (thu nhận và giải phóng hay đến và đi) của carbon giữa các nguồn chứa carbon hay giữa một vòng trao đổi cụ thể (chẳng hạn như giữa khí quyển với sinh quyển) trong chu trình carbon. Sự thẩm tra quỹ carbon của một vũng hay một nguồn chứa có thể cung cấp thông tin về việc vũng hay nguồn chứa này đang vận hành như là một nguồn giải phóng hay nguồn thu giữ điôxít carbon.

Trong khí quyển

Carbon tồn tại trong khí quyển Trái Đất chủ yếu dưới dạng khí điôxít carbon (CO₂). Mặc dù chỉ chiếm một tỷ lệ phần trăm nhỏ trong khí quyển (khoảng 0,04% tính theo mol), nhưng nó lại có vai trò thiết yếu trong việc hỗ trợ sự sống. Các khí khác chứa carbon có trong khí quyển là mêtan và các clorofluorocarbon (các loại khí thứ hai này có nguồn gốc hoàn toàn nhân tạo). Cây cối và các loại thực vật xanh khác như cỏ chuyển hóa điôxít carbon thành các carbohydrat thông qua quang hợp, giải phóng ôxy trong quá trình này. Quá trình này là mạnh nhất trong các khu rừng tương đối mới, nơi sự phát triển của cây cối là nhanh hơn cả.

Rừng lưu giữ khoảng 86% lượng carbon trên mặt đất trong đất liền của Trái Đất và khoảng 73% lượng carbon trong đất của hành tinh.

Carbon được giải phóng vào khí quyển theo vài cách:

• Thông qua hô hấp của động và thực vật.
• Thông qua phân hủy các chất có nguồn gốc từ động vật và thực vật bởi vi khuẩn.
• Thông qua quá trình cháy của vật chất hữu cơ. Việc đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch như than, các sản phẩm từ dầu mỏ và khí tự nhiên giải phóng carbon đã lưu trữ trong địa quyển từ hàng triệu năm qua. Việc đốt cháy các nhiên liệu nông nghiệp cũng giải phóng điôxít carbon chỉ được lưu giữ trong vài tháng hay vài năm.
• Sản xuất xi măng.
• Tại bề mặt đại dương, nơi nước trở nên ấm hơn.
• Các vụ phun trào núi lửa và biến chất giải phóng các khí vào khí quyển.

Trong sinh quyển

Carbon là thành phần thiết yếu của sự sống trên Trái Đất. Khoảng một nửa trọng lượng khô của phần lớn các sinh vật là carbon. Nó có vai trò quan trọng trong kết cấu, hóa sinh học và dinh dưỡng của mọi tế bào. Các sinh khối giữ khoảng 575 tỉ tấn carbon, phần lớn trong số này dưới dạng gỗ. Đất giữ khoảng 1.500 tỉ tấn, chủ yếu dưới dạng carbon hữu cơ, và có lẽ với khoảng một phần ba của nó là các dạng carbon vô cơ, như carbonat canxi.

• Sinh vật tự dưỡng là các sinh vật có khả năng tạo ra các hợp chất hữu cơ của chính chúng bằng cách sử dụng điôxít carbon từ không khí hay từ trong nước mà trong đó chúng sống. Các sinh vật tự dưỡng quan trọng nhất của chu trình carbon là cây cối trong các khu rừng trên cạn và các thực vật phiêu sinh trên mặt đại dương.
• Carbon được di chuyển trong phạm vi sinh quyển như là nguồn thức ăn của các sinh vật dị dưỡng, khi chúng ăn các sinh vật khác hay các bộ phận của sinh vật khác (như hoa, quả, củ).
• Phần lớn carbon rời khỏi sinh quyển thông qua hô hấp.
• Sự đốt cháy sinh khối (như cháy rừng, đốt củi gỗ để lấy nhiệt v.v.) cũng chuyển một lượng đáng kể carbon vào khí quyển.
• Carbon cũng luân chuyển trong phạm vi sinh quyển khi vật chất hữu cơ chết (như than bùn) nạp vào trong địa quyển. Mai hay vỏ của động vật chứa carbonat canxi cuối cùng cũng có thể chuyển thành đá vôi thông qua quá trình trầm tích hóa.
• Một số chu trình luân chuyển carbon khác do một số sinh vật biển đặc biệt gây nên...

Carbon lưu giữ trong sinh quyển chịu ảnh hưởng của một số quá trình ở các thang thời gian khác nhau. Trong khi sản xuất chủ đạo ròng tuân theo chu kỳ hàng ngày và chu kỳ mùa, carbon có thể được lưu giữ tới vài trăm năm trong cây gỗ và tới hàng nghìn năm trong đất. Các thay đổi trong các vũng cacbon dài hạn này (như chặt phá hay trồng rừng hoặc thông qua các thay đổi có liên quan tới nhiệt độ trong sự hô hấp của đất) có thể ảnh hưởng tới sự thay đổi khí hậu toàn cầu.

Trong thủy quyển

Các đại dương chứa khoảng 36.000 tỉ tấn carbon. Các trận bão tố lớn vùi lấp một lượng lớn carbon, do chúng cuốn trôi nhiều trầm tích. Carbon cũng sẵn sàng trao đổi giữa khí quyển và đại dương. Trong khu vực có sóng cuộn từ dưới lên của đại dương, carbon được giải phóng vào khí quyển. Ngược lại, tại các khu vực sóng cuộn từ bề mặt xuống sâu thì carbon dưới dạng CO₂ lại từ không khí chuyển vào lòng đại dương. Khi CO₂ chuyển vào lòng đại dương, nó tham gia vào một loạt các phản ứng, được cân bằng ở quy mô cục bộ.

Trong lòng đại dương, carbonat hòa tan có thể kết hợp với canxi hòa tan để kết tủa dưới dạng carbonat canxi (CaCO₃) rắn, chủ yếu dưới dạng mai hay vỏ của các vi sinh vật. Khi các sinh vật này chết đi, lớp vỏ của chúng trầm lắng xuống và tích tụ trên đáy biển. Theo thời gian, các trầm tích carbonat này tạo thành đá vôi, nguồn chứa cacbon lớn nhất trong chu trình carbon.

Luồng hấp thụ điôxít carbon vào trong lòng đại dương chịu ảnh hưởng bởi sự có mặt của các virus phổ biến rộng trong nước biển, gây nhiễm trùng cho nhiều loài vi khuẩn. Sự chết đi hàng loạt của vi khuẩn dẫn tới kết quả là làm gia tăng sự hô hấp điôxít carbon tại bề mặt tiếp giáp của khí quyển và đại dương, góp phần làm tăng vai trò của đại dương như là nguồn hấp thụ carbon.