كيف يتكون الفحم؟ | العلوم الحية
ظل البشر يحرقون الفحم منذ آلاف السنين. منذ الثورة الصناعية ، أصبح الفحم مصدرًا رئيسيًا للكهرباء والاحترار العالمي. لكن من أين يأتي الفحم؟ من خلال دراسة كيفية تشكل الفحم ، يمكن للعلماء معرفة كل من الماضي العميق وما يمكن توقعه عند احتراق أنواع الفحم المختلفة.
يتشكل الفحم عندما يتم دفن محطات المستنقعات وضغطها وتسخينها لتصبح صخورًا رسوبية في عملية تسمى التححيم. “في الأساس ، الفحم عبارة عن نباتات متحجرة ،” جيمس هاور (يفتح في علامة تبويب جديدة)، عالم البترول في جامعة كنتاكي ، قال لـ Live Science. إنشاء هذه النبتة الحفريات قال “الكثير من حوادث الجيولوجيا”.
يبدأ تكوين الفحم بالنباتات الحية. قال هاور: “عندما تظل الشجرة على قيد الحياة ، يمكن أن تتلف بسبب الاحتراق أو يمكن أن تغزوها الحشرات”. “كل هذه الأشياء ستظهر في سجل الفحم.” وقال هاور إن آثار حبوب اللقاح والأوراق والجذور وحتى براز الحشرات في الفحم يمكن استخدامها إعادة بناء النظم البيئية القديمة. الخسائر الناجمة عن الحرائق (يفتح في علامة تبويب جديدة)، على سبيل المثال ، يعطي أدلة على المناخات القديمة.
بعد ذلك ، تموت النباتات. قال هاور: “إذا تم الحفاظ على الفحم على الإطلاق ، فهذا يخبرك بشيء عن البيئة العامة”. من غير المحتمل أن تصبح النباتات على المنحدرات الجبلية أو في الصحاري فحمًا لأن هذه البيئات لا تساعد على تكوين الخث.
قال هاور: “من بين جميع أنواع الفحم التي نراها هناك ، جاءت نسبة عالية جدًا جدًا من المستنقعات”.
متعلق ب: لماذا يوجد الكثير من النفط في القطب الشمالي؟
ذلك لأنه عندما تموت النباتات في الأراضي الرطبة ، فإنها تغطيها المياه وتحميها من الأكسجين. نتيجة لذلك ، لا تتحلل بالسرعة التي تتحلل بها على الأرض الجافة. بدلاً من ذلك ، تتراكم النباتات في طبقات من الخث على قاع المستنقع المبلل. هذا الخث ، الذي يكون أحيانًا مقدمة للفحم ، له تاريخه الطويل: فهو موطن للحشرات والفطريات والبكتيريا وحتى جذور الأشجار التي تختبئ ، وكلها تساعد في الانهيار (يفتح في علامة تبويب جديدة) النباتات في عملية تسمى الخث. قال هاور: “أي طبقة نراها في الفحم يمكن أن تكون نتاجًا لعشرات أو مئات أو آلاف السنين”.
المعادن التي تتسرب إلى الجفت من الماء أو التي تتشكل من خلال التفاعلات الكيميائية يتم التقاطها أيضًا في الفحم. فحم طين النار (يفتح في علامة تبويب جديدة) في شرق كنتاكي ، قال هاور ، تحتوي على عناصر أرضية نادرة من ثوران بركاني منذ ملايين السنين ؛ وزارة الطاقة الأمريكية التمويل الآن (يفتح في علامة تبويب جديدة) تقنيات لاستخراج هذه العناصر من نفايات الفحم لاستخدامها في الألواح الشمسية وطواحين الهواء والبطاريات.
لكن المعادن الموجودة في الفحم تسبب أيضًا مشاكل. يتعرض الخث لمياه البحر ، على سبيل المثال ، غالبًا ما يحتوي على (يفتح في علامة تبويب جديدة) المزيد من الكبريت. يأتي حرق الفحم بالكبريت بتكلفة بشرية إضافية ؛ بينما تعدين الفحم وتنفس دخان الفحم كلاهما بشكل عام خطير (يفتح في علامة تبويب جديدة)، قد يكون الفحم عالي الكبريت أكثر احتمالًا احتراق تلقائي (يفتح في علامة تبويب جديدة) في المناجم وقد تكون كذلك مرتبطة بـ (يفتح في علامة تبويب جديدة) مرض قلبي.
لا يتحول كل الخث إلى فحم ؛ بعضها يتآكل أو يجف. لبدء عملية التفحم ، يجب تغطية الخث بشيء غير عضوي ، مثل الطمي من دلتا نهر واسعة. قال هاور ، مشيرًا إلى طبقات الرواسب المتراكمة: “النهر يتأرجح ذهابًا وإيابًا على مدى ملايين السنين ، وينتهي به الأمر ليكون نظامك الترسيبي”.
بمرور الوقت الجيولوجي ، تم دفن الخث إلى أبعد من ذلك. تتآكل الجبال وتملأ وديان الأنهار ؛ تنمو الغابات على القمة. على مدى ملايين السنين ، ترتفع الجبال الجديدة. خلال هذه الألفيات ، ينهار الخث ويتحول تدريجيًا إلى فحم بفضل عنصرين: الضغط والحرارة (يفتح في علامة تبويب جديدة). يتراوح عمر معظم أنواع الفحم بين 60 مليون و 300 مليون سنة.
الضغط يجعل الخث أكثر إحكاما. الحرارة يعيد التنظيم (يفتح في علامة تبويب جديدة) الجزيئات التي يمكن التعرف عليها في النباتات – مثل الكربوهيدرات أو السليلوز – و إطلاق (يفتح في علامة تبويب جديدة) الأكسجين والهيدروجين ، تاركين وراءهم الكربون وعناصر أخرى.
الفحم المدفون على عمق كبير يتعرض لدرجات حرارة أعلى لأنها أقرب إلى قلب الأرض. لكن الحرارة الجوفية (يفتح في علامة تبويب جديدة) يمكن أن تصل أيضًا إلى سطح الأرض من خلال البراكين والينابيع الساخنة والسخانات. تحدد كمية الضغط والحرارة عمومًا رتبة الفحم: مقياس لمدى تقدم الفحم في رحلته من الخث المندي إلى الصخور الصلبة.
Lignite هو أدنى رتبة من الفحم. الليغنيت والفحم شبه القار لا يزال يحتوي على أجزاء نباتية يمكن التعرف عليها. يتم ضغط الفحم القاري وشبه القيري وتسخينه حتى يصبح قاسيًا. فحم أنثراسايت ، وهو الأندر والأعلى مرتبة ، ناعم ولامع ؛ تم تسخينه حتى السائل في عملية تسمى التحول. وقال هاور إنه للوصول إلى رتبة أنثراسايت ، يكفي الوصول إلى درجة حرارة عالية لفترة وجيزة – حتى ساعة واحدة ستفي بالغرض.
أنثراسيت يحترق دون إنتاج السخام ؛ تم استخدامها تاريخيا من قبل السفن التي تعمل بالفحم تحاول ذلك تجنب الكشف (يفتح في علامة تبويب جديدة) في زمن الحرب. تستخدم الليغنيت والفحم القاري في الغالب لتوليد الطاقة. إطلاق الفحم اللجنيت وشبه القار أكثر قليلا (يفتح في علامة تبويب جديدة) ثاني أكسيد الكربون من الفحم القار عندما تحترق.
هذه الاختلافات صغيرة ، ومع ذلك ، عند مقارنة الفحم بمصادر الكهرباء الأخرى التي لها تأثير أقل على التدفئة العالمية. بشكل عام ، ينتج الفحم ضعف كمية ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوواط ساعة مثل الغاز الطبيعي و 90 ضعف طاقة الرياح ، وفقًا لـ وزارة الطاقة الأمريكية (يفتح في علامة تبويب جديدة).
قال هاور: “من الواضح أن الانبعاثات من الفحم والعمليات الصناعية المرتبطة بالفحم لم تكن جيدة بالنسبة للمناخ”. “هذه هي الحقيقة التي نعيش فيها.”
