מחזור ביוגאוכימי

זהו מושג בסיסי בכלכלה בת-קיימא.

בתחום מדעי כדור הארץ מחזור ביוגאוכימי או מחזור אקולוגי הוא מחזור שבו מולקולות או יסודות כימיים נעים דרך רכיבים ביוטיים ("ביו") וא-ביוטים ("גאו") של המערכת האקולוגית. היסודות עוברים סירקולציה, אם כי בחלק מהמקרים ישנם מקומות (הקרויים "כיורים" "sinks" ) בהם המולקולות מצטברות למשך תקופת זמן ארוכה.

תרשים של מחזור הפחמן שהוא אחד המחזורים הביוגאוכימיים בכדור הארץ. ניתן לראות את מאגרי הפחמן ואת זרמי החומר בינהם.

כל היסודות הכימיים שנמצאים ביצורים חיים נוטלים חלק במחזורים ביוגאוכימיים. בנוסף להיות מרכיבים של היצורים החיים, היסודות הכימיים האלה נעים גם בגורמים א-ביוטים של המערכות האקולוגיות כמו המים (הידרוספרה), האדמה (ליטוספרה) והאוויר (אטמוספירה). ניתן להתייחס לסך הגורמים החיים בפלנטה כאל ביוספרה. כל הכימיקלים, חומרי מזון או יסודות כמו פחמן, חנקן, חמצן, זרחן וכו' שיצורים חיים משתמשים בהם נמצאים במחזור סגור (בניגוד למערכת פתוחה שמייבאת ומייצאת חומר).

לעומת זאת המערכת היא פתוחה בהיבט של אנרגיה - השמש מספקת לה כל הזמן אנרגיה סולארית שמניעה את המערכת, והאנרגיה נפלטת החוצה מכדור הארץ בצורה של אנרגיית חום:

חלקה נפלט באופן מיידי כמעט לאחר שחימם את כדור הארץ.

חלק מהאנרגיה מניע תהליכים פיזיקליים או כימיים שונים על גבי הפלנטה (כמו הפקת חלק מהרוח והגלים, אידוי מים, או הספקת אנרגיה לתגובות כימיות שונות) ואז נפלט כאנרגיית חום.

חלק ממנה משמש אצות וצמחים שמייצרים אנרגיה שמשמשת את כל המערכת הביוספרית, בתהליך שנקרא ייצור ראשוני. חלק זה נפלט לבסוף כאנרגיית חום בשלב מסויים של שרשרת המזון הביולוגית.

מבחינה תרמודינמית המחזורים הם חלק ממערכת מפזרת שנמצאת במרחק משיווי משקל תרמודימי תודות לאנרגיה הסולארית.

סוגים שונים של מהירות זרימה

ניתן להפריד את הזרמים בתוך המחזורים ל-3 סוגי זרמים , לפי סוגי ה"מאגרים" שבהם המחזורים מתקיימים. מחזורים מהירים בתוך בתוך המערכת הביולוגית, מחזורים איטיים יותר שבהם חומרים עוברים מ/אל הביוספרה למאגרים גאופיזיים כמו האוקיינוס או האטמוספירה, וקיימים גם זרמים איטיים בהרבה של תהיליכים גאופיזיים לגמרי כמו תנועת היבשות.

המחזור המהיר או העיקרי (מנקודת המבט הביוטית), הוא של חומרים שנעים בתוך המערכת הביוטית (כלל היצורים החיים, כולל צמחים, פטריות וכו'). זהו המחזור הביוטי, מולקולות יכולות להשאר בתוך יצור ביולוגי במשך מספר שעות עד מספר שנים.

המחזר "האיטי" יותר הוא מחזור של קבלת ונתינה של חומרים למאגר החומרים הא-ביוטי או הגאופיזי מצד הביוספרה. לדוגמה שלדים של יצורים שהופכים לסלעים או השימוש במולקולות חמצן מתוך האטמופסירה בתהליך הנשימה. המחזור הזה איטי יותר (בממוצע) במובן שמולקולות חמצן שנפלטה לאטמוספירה יכולה להמצא באותו מצב ולהמצא באטמוספירה במשך שנים ארוכות לפני שתחזור למערכת הביוספרית או שתעבור למאגר אחר (כמו מים או אדמה). מולקולות מים באוקיינוסים או מולקולות שנכנסות למעבה האדמה יכולות להמצא שם אלפי שנים או מיליוני שנים לפני שהן חוזרות למערכת האקולוגית הביוטית. לעומת זאת מולקולות בתוך יצור חי עוברות מהר מאוד גלגולים לתרכובות אחרות, והן זורמות בתוך המערכת הביוטית או אל מחוצה לה במהירות.

סוגים נוספים של זרימות הן כאלו הקיימות בתהליכים גאופיסיים לגמרי , כמו תנועת היבשות, המסה של סלעי גיר ועוד. זהו מחזור איטי בהרבה מאשר שני המחזורים הראשונים. השפעותיו עליהן הם בתחומים כמו נדידת יבשות, או התפרצות הרי געש. השפעות אלו הן דרמטיות אבל הן איטיות מאוד (נדידת יבשות) או בעלות אופי מקומי או נדיר (התפרצות געשיות).

מקורות האנרגיה של המחזורים

שני המחזורים הראשונים מונעים בעיקר באמצעות אנרגיית השמש. אנרגיות נוספות שיכולות להכנס למערכת הן אנרגיית רוח או גלים (שהם גלגולים של אנרגיית השמש), אנרגיית גאות ושפל ואנרגיות ממעבה האדמה (שמשפיע בעיקר על המחזור האחרון). המחזור הביוטי והא-ביוטי מונעים בעיקר באמצעות אנרגיית השמש. אנרגיית השמש היא מקור האנרגיה העיקרי של המחזורים הביוטים, והיא מאפשרת ליצרנים ראשוניים כמו צמחים ואצות לקשור פחמן דו חמצני מהאטמוספירה ולייצר מולקולות סוכר וחלבון שמשמשות את שאר היצורים החיים.

המערכת הביוספרית פולטות החוצה חום, כתוצאה מהחוק השני של התרמודינמיקה. חום נפלט גם מהמערכת הגיאופיסית כתוצאה מקרינת גוף שחור. החום נפלט לחלל בעיקר בצורה של קרינת אינפרה אדום.

סוגי מחזורים לפי חומר

יש מספר מחזורים ביוגאוכימיים שבהם יש עניין מרובה בהקשרים של אקולוגיה ובהקשרים של כלכלה אקולוגית:

• מחזור החנקן
• מחזור החמצן
• מחזור הפחמן
• מחזור הזרחן
• מחזור הגופרית
• מחזור המים
• מחזור המימן

הפרעות למחזורים

ערך מורחב - המהפכה התעשייתית הבאה

הכלכלה האנושית הנוכחית היא כלכלה שבעיקרה היא כלכלה קווית שבה כורים או שואבים עופרות ומחצבים ומכינים מהם חומרי גלם במקום אחד, מייצרים מוצרים תוך יצירת כמות גדולה של פסולת רעילה או שמכילה חומרים שאינם מתפרקים בטבע או שמתפרקים באיטיות, וזורקים פסולת נוספת בתום השימוש. כך לדוגמה שימוש בדשן כימי גורם לתלות בדלק מחצבי מצד אחד ובהפרעה למחזורים ביוגאוכימיים מצד שני.

זהו תהליך קווי שאין בו מחזוריות. מיחזור או שימוש חוזר למשך מספר פעמים מקטין במעט את הבעיה אבל משאיר את המערכת בצורה של מערכת קווית בגלל שברוב החומרים יש איכות יורדת של החומר עד שלבסוף לא ניתן למחזר אותו (downcycle). בסופו של דבר התהליך הקווי חייב להפסק - אם בגלל התייקרות חומרי הגלם בגלל נדירות גדלה שלהם, אם בגלל כילוי מוחלט של חומרי הגלם (דבר נדיר בהרבה), אם בגלל בעיות זיהום שהפסולת הנוצרת בתהליך הקווי יוצרת, או תהליך אחר כמו קריסה של התרבות שתלויה בתהליך קווי כזה (ראו התמוטטות (ספר)).

קישורים חיצוניים

• מחזור ביוגאוכימי בויקיפדיה האנגלית

מערכות מורכבות

אישים, הוגים וארגונים: דונאלה מדווז - ניקולס ג'ורג'סקיו-רוגן - האווארד ת. אודום - דיוויד בוהם - מכון סנטה פה

מושגי יסוד: אנטרופיה - אקסרגיה - החוק השני של התרמודינמיקה - הגחה - לולאת משוב - גידול מעריכי - תגובת יתר

מערכות, מודלים וגישות: מערכת מורכבת - מערכת מפזרת - מודל מבוסס סוכנים - מערכת מורכבת אדפטיבית - חשיבה מערכתית - דינמיקה של מערכות - תורת המידע - כלכלה אבולוציונית - כלכלת מורכבות - שיטת המערכות הרכות

מערכות ואקולוגיה: מחזור ביוגאוכימי - חוק המינימום של לייביג - פרדוקס ג'בונס - עקרון ההספק המקסימילי - הולון - אנרגיה גלומה - שרותי המערכת האקולוגית - ייצור ראשוני - מטבוליזם

ספרים ומאמרים: ספינת החלל כדור הארץ - גבולות לצמיחה - מעבר לגבולות - חוק האנטרופיה והתהליך הכלכלי - תריסר נקודות מינוף - דינמיקת מערכות פוגשת את העיתונות - עיצוב כלכלה הוליסטית לעולם בר קיימא