炭素 分布

炭素

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分布

宇宙での存在比は水素、ヘリウム、酸素に次いで多い[32]。炭素は太陽恒星彗星のなかにも豊富に存在し、さまざまな惑星大気にも含まれている。まれに隕石の中から微細なダイヤモンドが見つかることがあり、これは太陽系が原始惑星系円盤だったころ、またはそれ以前に超新星爆発時に生成されたものと考えられている[33]

地球における二酸化炭素の循環図。黒数字はそれぞれの貯蔵量を、2004年推計量十億トン単位(GtC)で示す。紫数字は年間の移動量を表す。なお、炭酸塩や油母に蓄えられた7,000万GtC相当の炭素は含まれない

地球

元素分布

地球上でみると必ずしも割合的に非常にたくさん存在している元素というわけではない[11]。地球の地表及び海洋の元素分布では炭素は重量比0.08%にすぎない[11](これはチタンマンガンを下回る[34])。ただ炭素は他の元素との結びつき方で、性質の異なる驚異的なほど多彩な化合物を作り出し、地球環境の中に存在している[35](後述)。

地殻中の元素の存在度では15番目に多い炭素[32]の約9割が鉱物として存在し、中でも還元された形、すなわち炭素粒・石油石炭天然ガス中が4分の3以上を占める。4分の1が炭酸塩岩石石灰岩苦灰岩 (CaMg(CO3)2)、結晶質石灰岩など)である。海洋など水に溶け込んだ炭酸も多く、その量は炭素量で36兆トン存在する。ついで生物圏に1兆9,000億トン、大気圏の二酸化炭素として8,100億トンがある。

埋蔵石化燃料として石炭が9,000億トン、石油は1,500億トン、天然ガスが1,050億トンに加え、さらにシェールガスのような採掘しにくい形態で別に5,400億トンの存在が見込まれている[36]。これらとは別に、メタンハイドレートとして極地に封じられ、これの炭素量はシベリアの永久凍土層だけでも1兆4,000億トンと見積もられる[37]

炭素循環

炭素は地球上で多様な状態を示している。炭素は地殻、海洋、生物圏、大気圏を循環しており、年間の移動量は約2,000億トンと見積もられている。

惑星上では、ある元素がほかの元素に転換することは非常に稀である。したがって、地球に含まれる全炭素量はほぼ一定である。そのため、炭素を用いる過程はどこかでそれを獲得し、また放出することが必要となる。このような経路は、二酸化炭素の形で循環する体系を形成する。たとえば、植物は生育地の環境内で、呼吸によって二酸化炭素を放出する一方、光のエネルギーを用いて吸収した二酸化炭素から炭素を固定するカルヴィン回路を働かせ、植物組織を形成する。動物は植物を食べて炭素を吸収し、呼吸によって一部を排出する。このような短期的な循環だけでなく、より複雑な炭素循環も機能する。たとえば海洋は二酸化炭素を溶かし込み、枯れた植物や動物の死体は、バクテリアなどが消化しないと地中で石油や石炭などの形で炭素をとどめることもある。それらが化石燃料として利用されれば、燃焼によって再び炭素は放出される[38]

天然ダイヤモンド結晶を含む鉱石

炭素化合物

炭素の特性は他の元素と結びついて化合物を作る段階にある[35]。炭素は他の元素を束にしてもまったく歯が立たないほど多様な化合物の世界を作り出している[35]。これまでに天然に発見されたものと化学者が人工的に作り出した化合物の数は7,000万を超えるといわれているが、その約8割は炭素化合物である[35]

生物

炭素-炭素結合有機物の基本骨格をつくり、すべての生物の構成材料となる。人体を構成する元素の約18%が炭素といわれている[35]。これは蛋白質脂質炭水化物に含まれる原子の過半数が炭素であることによる。光合成呼吸など生命活動全般で重要な役割を担う。地表での炭素の重量比は0.08%にすぎないため、生命は自然界にあるわずかな炭素をかき集めてかろうじて成立している[35]

鉱物

石炭は商業的にも重要な炭素供給元であり、無煙炭では炭素含有率は92 - 98パーセントにまでなる[39]。これに石油や天然ガスなどを加えた炭素資源は、そのほとんどを燃料として利用している[40]

天然の黒鉛(石墨[8]、グラファイト)は世界中に分布するが、産出が多い地域は中国インドブラジル北朝鮮である[41]。天然のダイヤモンドは歴史的に南インド産が有名だが[42]、18世紀にブラジルで発見され[43]、その後南アフリカでも採掘され[44]、現在の主要産出国にはロシアボツワナオーストラリアコンゴ民主共和国が名を連ねる[45]。近年ではカナダジンバブエアンゴラでも鉱山が開かれ[44]アメリカ合衆国でも発見されている[46]




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