炭素循環の図作成ツール
GtCで示す貯蔵庫とフラックス、箱と矢印の簡単な学校向け版、海洋の炭素ポンプ、炭素と酸素の循環といった炭素循環の図を描きます。地学や理科の授業、気候変動の解説、論文のための図です。
炭素循環の図の例
各カードはそのプロンプトが実際に描いたものです。貯蔵量をGtC、流れを年あたりで示した地球規模の貯蔵庫とフラックスの模式図、すべての矢印に過程名を書いた6つの箱の学校向け版、海面から海底までの海洋の炭素循環、生産者と消費者を式とともに描いた炭素と酸素の循環。カードをクリックするとプロンプトが読み込まれ、書き換えられます。
ラベル付きの炭素循環の図：各矢印が炭素をどこへ運ぶか
左の陸の列、中央の化石燃料の枝、右の海の列の順に読みます。矢印の先は、炭素が移っていく箱の上にあります。
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光合成と植物の呼吸
陸上植物が大気からCO₂を取り込み、呼吸と森林伐採で一部がそのまま大気へ戻ります。
- 2
落葉落枝と分解
枯死体や落葉が土壌に入り、分解者が呼吸によって炭素を大気へ戻します。
- 3
化石化 → 燃焼
数百万年かけて土壌の炭素は石炭・石油・ガスになり、燃焼で一気に大気へ戻ります。
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海洋と堆積物
海はCO₂を吸収・放出し、沈んだ殻は堆積物になり、火山によって再び放出されます。
海洋の炭素循環：CO₂が深海に届くまで
ラベル付きの図の海の列を、海面から海底まで広げた版です。2つのポンプが炭素を下へ運びます。
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海面での交換と光合成
CO₂が海水に溶け込み、植物プランクトンが固定し、プランクトンや魚が呼吸で戻します。
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生物ポンプ
死んだプランクトン、糞粒、殻がマリンスノーとして沈み、深層の細菌がCO₂に戻します。
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溶解度ポンプと堆積物
冷たい極域の海水が溶けたCO₂ごと沈み、海底に届いた殻は石灰岩になります。
炭素循環の図：ラベル付き、簡単、モデル、海洋、人間の影響
どれも同じ炭素が移動していきます。違うのは、図が地球のどこまでを描くかと、数値を載せるかどうかです。よく探される版と、それぞれに入れるべき内容をまとめました。
ラベル付きの炭素循環の図
生物や地学の授業向けの完全な図です。貯蔵庫は大気、陸上植物、動物、土壌と分解者、化石燃料、海洋、炭酸塩岩。過程は1つにつき矢印1本で、光合成、呼吸、摂食、死と排出、分解、埋没、燃焼、海への溶解と放出、堆積、火山の噴火です。大気から下へ向かうのは光合成と溶解だけで、空に触れるほかの矢印はすべて上向きです。
簡単な炭素循環の図
最初の授業向けの基本の炭素循環の図です。大気中のCO₂、植物、動物、遺骸、化石燃料と燃焼を、光合成、摂食、呼吸、分解、燃焼で結びます。海も岩石も数値もありません。それでも、植物が光合成だけでなく呼吸もすることは示す必要があります。簡略化した炭素循環で最もよく抜け落ちるのは、植物から大気へ戻る矢印です。
まねして描ける炭素循環の図
手描きするなら、風景ではなく箱を使い、3段に並べます。上段に大気、中段に植物と動物、下段に土壌と化石燃料、片側に海洋です。先に箱をすべて描き、それから矢印を描きます。大気から植物へ下向きの矢印を1本、呼吸するもの・分解されるもの・燃えるものすべてから上向きの矢印を描きます。手描きなら矢印は8〜10本で十分です。
貯蔵庫とフラックスの炭素循環モデル
モデル版は風景の代わりに数値を描きます。貯蔵量はギガトン炭素（GtC）、矢印はGtC/年です。おおよその大きさは、大気約870、植生約450、土壌約1,700、表層海洋約900、深層海洋約37,000、残っている化石燃料の埋蔵量1,000〜1,500、堆積岩は数千万。フラックスは光合成が約120 GtC/年で、植物の呼吸で約60、土壌で約60が戻ります。海洋の吸収は約80で放出は約78、化石燃料とセメントが約10、火山が約0.1です。
炭素と酸素の循環
対になった図です。光合成はCO₂と水を取り込んでグルコースとO₂を出し、細胞呼吸はグルコースとO₂を取り込んでCO₂と水を出します。生産者と消費者の2つの箱を、一方向にCO₂、反対方向にO₂の矢印で結び、下に2つの式、6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ とその逆を書きます。生産者も呼吸することを書き添えないと、植物は酸素を作るだけだと誤解されます。
海洋の炭素循環の図
海の断面です。海面でCO₂が溶けて炭酸、炭酸水素イオン、炭酸イオンになり、植物プランクトンが固定し、死んだプランクトンや殻がマリンスノーとして沈み（生物ポンプ）、高緯度で冷たく重い海水が溶けた炭素ごと沈み（溶解度ポンプ）、炭酸カルシウムが海底に積もって石灰岩のもとになります。pHのラベルを加えると海洋酸性化を示せます。
炭素循環への人間の影響
自然の循環に、人間が加えた矢印を足した図です。化石燃料の燃焼とセメント製造（年約10 GtC）、森林の伐採と焼却（年約1〜1.5 GtC）、そして大きくなっていく大気の箱。CO₂は1800年以前の約280 ppmから現在は420 ppm超に上がっています。増えた炭素のうち約30%は海洋に、約25%は陸上植物に入り、残りは大気にとどまっています。
遅い炭素循環と速い炭素循環
速さの違う2つの循環です。速い循環は生物の一生のうちに回り、光合成、呼吸、分解で年に10億〜1,000億トンの炭素を動かします。遅い循環は1億〜2億年かけて岩石を通ります。雨が岩石を風化させ、川が炭素を海へ運び、石灰岩として沈み、沈み込みと火山がやがて戻しますが、その量は年に1,000万〜1億トンにすぎません。
炭素循環の過程：それぞれが炭素をどこへ動かすか
ラベル付きの炭素循環の図が矢印に書く過程を、多くの教科書の順に並べました。まず生物の循環、次に長期の貯蔵庫と海洋です。
| 過程 | 炭素の移動（元 → 先） | 起こること |
|---|---|---|
| 光合成 | 大気 → 植物と藻類 | 光エネルギーでCO₂と水がグルコースになり、O₂が放出される |
| 摂食 | 植物 → 動物 | 草食動物、次に肉食動物が、植物の糖・脂肪・タンパク質として炭素を取り込む |
| 細胞呼吸 | 植物、動物、微生物 → 大気 | グルコースがO₂で分解されてエネルギーになり、CO₂と水が出る |
| 死と排出 | 植物と動物 → 土壌 | 落葉、遺骸、ふんが土壌の有機物になる |
| 分解 | 土壌 → 大気 | 細菌と菌類が遺骸を呼吸で分解し、CO₂（酸素がない所ではメタン）を出す |
| 埋没と化石化 | 遺骸 → 化石燃料 | 数百万年かけ、埋もれた遺骸が熱と圧力で石炭、石油、天然ガスになる |
| 燃焼 | 化石燃料と木材 → 大気 | 燃やすことで蓄えられた炭素が数秒でCO₂に酸化される |
| 溶解（拡散） | 大気 → 海洋 | CO₂が海面で溶け、炭酸、炭酸水素イオン、炭酸イオンになる |
| 放出（脱ガス） | 海洋 → 大気 | 温かい表層の海水が溶けているCO₂を大気へ戻す |
| 堆積 | 海洋 → 海底の岩石 | 炭酸カルシウムの殻が積もり、固まって石灰岩になる |
| 火山の噴火 | 岩石 → 大気 | 沈み込んだ炭酸塩岩が融け、その炭素がCO₂として出ていく |
学校の炭素循環はたいてい最初の7行までで、地学の授業では海洋と岩石の行が加わります。 数百万年かけて雨水からゆっくりCO₂を取り除くケイ酸塩岩の風化は、遅い循環の版に入ります。シラバスにある過程を挙げれば、その矢印だけを描きます。
炭素循環とは？
炭素循環とは、大気、生物、土壌、海洋、岩石の間を炭素が移動することです。植物や藻類が光合成で大気から二酸化炭素を取り込み、呼吸、分解、燃焼、火山がそれを戻します。 炭素循環の図は、各貯蔵庫を箱や風景として、各移動を一方向の矢印として描き、炭素が大気から葉に入ってまた出ていくまでを追えるようにしたものです。
要点
- CO₂は大気のわずか約0.04%、およそ420 ppmです。 産業革命前は約280 ppmで、増加は化石燃料の燃焼と森林伐採によるものです。
- 地球の炭素の大部分は岩石に閉じ込められています。 NASAによると約65,500億トンで、その多くは海洋生物の炭酸カルシウムの殻からできた石灰岩です。これが地球最大の炭素の貯蔵庫です。
- 海洋は大気のおよそ50倍の炭素を蓄えています。 その90%以上は、CO₂が海水と反応してできた炭酸水素イオンとして溶けています。
- 光合成と呼吸はほぼ打ち消し合います。 陸上ではどちらも年に約1,200億トンの炭素を動かします。化石燃料の燃焼が加えるのは約100億トンと比べれば小さいものの、一方向なので大気にたまっていきます。
- 炭素は2つの速さで動きます。 生物を通る場合は一生のうちに循環し、岩石、風化、堆積物、火山を通る場合は1億〜2億年かかります。
炭素循環と窒素循環の違い
どちらも大気、土壌、生物を通る生物地球化学的循環ですが、炭素は光合成で直接生物に入るのに対し、窒素は細菌に固定されてからでないと植物が使えません。 そのため炭素循環は植物を中心に、窒素循環は土壌の微生物を中心に描かれます。
| 炭素循環 | 窒素循環 | |
|---|---|---|
| 大気中の形 | CO₂、大気の約0.04% | N₂、大気の約78% |
| 生物に入る経路 | 植物、藻類、シアノバクテリアの光合成 | 細菌による固定の後、根がアンモニウムと硝酸を吸収 |
| 大気に戻る経路 | 呼吸、分解、燃焼 | 細菌による脱窒 |
| 最大の貯蔵庫 | 石灰岩などの堆積岩 | 大気 |
| 人間による主な変化 | 化石燃料と森林破壊でCO₂が増える | 肥料で年間の窒素固定量が倍になる |
| 過剰の影響 | 温暖化と海洋酸性化 | 水域の藻類の大発生とデッドゾーン |
2つの循環はすべての生細胞の中で出会います。 タンパク質と核酸には両方の元素が必要なので、植物が光合成で得る炭素は、根が見つけられる固定窒素の量に制限されます。窒素肥料で作物がよく育つのはこのためです。
炭素循環についての質問
炭素循環を簡単に説明すると？
炭素はぐるぐる回っています。植物は育つために大気から二酸化炭素を取り込み、動物はその植物を食べ、呼吸するもの、腐るもの、燃えるものはすべて炭素を大気へ戻します。 途中で非常に長い間とどまる炭素もあり、地下の石炭・石油・ガスや海底の石灰岩になったものは、燃料が燃やされるか岩石が火山で融けるまで戻ってきません。
炭素循環の図はどう描く？
先に貯蔵庫を箱で描き、矢印は最後に描きます。 上に大気の箱、中段に植物と動物、下段に分解者のいる土壌と化石燃料、片側に海洋を置きます。次に大気から植物へ下向きの矢印を1本（光合成）、植物・動物・土壌から大気へ上向きの矢印（呼吸と分解）、化石燃料から大気への矢印（燃焼）を描きます。最後に植物 → 動物（摂食）、植物と動物 → 土壌（死と排出）、土壌 → 化石燃料（化石化）、海洋の出入りの2本を加えます。どの矢印も炭素の進む向きを指しているか確かめてください。
炭素循環の過程を順に挙げると？
光合成、摂食、呼吸、死と分解、化石燃料への埋没、燃焼です。 この順で、炭素は大気から植物へ、動物へ、大気か土壌へ戻り、埋もれた遺骸からは燃料が燃やされたときに大気へ戻ります。詳しい版では海洋（溶解、放出、石灰岩への堆積）と火山の噴火が加わります。
炭素循環と酸素循環はどうつながっている？
両方を動かす2つの反応でつながっています。光合成はCO₂を使ってO₂を出し、細胞呼吸はO₂を使ってCO₂を出します。 CO₂ 6分子をグルコース1分子に固定するとO₂が6分子でき、そのグルコースを呼吸で使うと6分子のO₂を使って6分子のCO₂が戻ります。そのため2つはよく1枚の図、炭素と酸素の循環として描かれます。
人間は炭素循環にどう影響している？
主に化石燃料の燃焼で、数百万年かけて埋もれた炭素を数百年のうちに大気へ移し、さらに森林を伐採しています。 合わせて年におよそ110億トンの炭素が加わります。海洋と陸上植物がその半分強を吸収し、残りが大気中のCO₂を約280 ppmから420 ppm超に押し上げ、気候を温め、海水を酸性に近づけています。
森林破壊は炭素循環にどう影響する？
大気に二重に炭素を加えます。 伐採した木を燃やしたり腐らせたりすると木材に蓄えられた炭素が出ていき、その後の土地には光合成でCO₂を取り込む植物が少なくなります。かき乱された土壌も自らの炭素の一部を放出します。炭素循環の図では、森からの上向きの矢印が1本増え、光合成の矢印が細くなる形で描きます。
炭素循環で燃焼はどんな役割を持つ？
燃焼は炭素を酸素とともに燃やし、CO₂として大気へ戻します。 木材、山火事、そして石炭、石油、天然ガスです。木を燃やすと木が生涯に取り込んだ炭素が戻りますが、化石燃料を燃やすと数百万年も循環の外にあった炭素が戻るため、大気中の量を一定に保たず増やすことになります。
炭素循環で光合成はどんな役割を持つ？
炭素が大気を離れて生物に入る主な道です。 陸の植物と海の植物プランクトンは光エネルギーを使ってCO₂と水をグルコースに変え、図の上の食物連鎖はすべてその糖から始まります。陸の炭素循環の図では、大気から下へ向かう唯一の大きな矢印です。
分解者は炭素循環で何をしている？
細菌と菌類が枯れた植物、死んだ動物、排出物を分解し、その中の炭素を呼吸でCO₂として大気へ戻します。 分解者がいなければ、炭素は遺骸の中にたまり続けます。水浸しの泥炭や深い泥のように酸素が乏しい所では分解が遅くなり、炭素が石炭や石油になるほど長く埋もれることがあります。
海洋はどのように炭素を蓄える？
CO₂は海面で溶けて水と反応し、炭酸水素イオンと炭酸イオンになります。その一部を植物プランクトンが取り込み、2つのポンプが下へ運びます。 死んだプランクトンや殻がマリンスノーとして沈み（生物ポンプ）、極域近くで沈む冷たい海水が溶けた炭素を深海へ運びます（溶解度ポンプ）。海底に届いた殻は炭酸塩の堆積物として積もり、石灰岩になります。
炭素循環はなぜ重要？
大気中のCO₂の量、ひいては地球の気温をほぼ一定に保ち、あらゆる生物の体をつくる炭素を供給しているからです。 二酸化炭素は熱を閉じ込めるので、今の化石燃料の燃焼のように循環のバランスが崩れると、気候は温暖化し、海はより酸性になります。
地球の炭素はどこに一番多く蓄えられている？
岩石、特に石灰岩などの炭酸塩の堆積物です。 次に溶けた炭酸水素イオンとしての深層海洋、その後に土壌、化石燃料、陸上植物、大気が続きます。大気は大きな貯蔵庫の中で最も少ない量しか持ちませんが、最も速く変化します。
