Cykl węglowy w przyrodzie

Cykl węglowy w przyrodzie, czyli gdzie jest ile węgla i co ma do tego człowiek

Często słyszy się, że ilości CO2 emitowane przez ludzi są znikome w porównaniu z emisjami ze źródeł naturalnych. To prawda - ludzie emitują do atmosfery zaledwie 4% CO2 emitowanego ze źródeł naturalnych, takich jak ocean czy rośliny. Należy jednak zwrócić uwagę, że naturalne mechanizmy emisji i absorpcji są bardzo zrównoważone, a nasza wciąż rosnąca emisja dwutlenku węgla do atmosfery powoduje, że bez przerwy trafia do niej niezrównoważona nadwyżka.

Przyjrzyjmy się krążeniu węgla w przyrodzie i zmianom, jakie do tego cyklu wprowadzamy.
Najpierw w formie uproszczonej

A teraz bardziej zaawansowanej:

Cykl węglowy

Rys. Cykl węglowy. Ilości węgla w poszczególnych "rezerwuarach" oraz roczne przepływy są podane w gigatonach (miliardach ton). Uwaga: wartości dotyczą węgla, aby przeliczyć je na ilości CO2, należy je przemnożyć przez 3,66 (stosunek masy molowej CO2 - 44g/mol i węgla - 12g/mol). Źródło: wikipedia

Węgiel uczestniczy w cyklu wymiany pomiędzy rezerwuarami: biosferą, glebą, skałami, wodami, atmosferą Ziemi i osadami (w tym paliwami kopalnymi) w wyniku procesów chemicznych, fizycznych, geologicznych i biologicznych. W zależności od wartości przepływów węgla pomiędzy jego rezerwuarami mogą go pochłaniać bądź być jego źródłami (zmniejszać masę zgromadzonego w sobie węgla).

Przyjrzyjmy się poszczególnym rezerwuarom i związanych z nimi przepływom.

Atmosfera

Węgiel trafia to atmosfery na wiele różnych sposobów:

  1. Oddychanie roślin i zwierząt. Dająca im energię glukoza (i inne molekuły organiczne) rozpada się na  dwutlenek węgla i wodę.
  2. Rozpad szczątek roślinnych i zwierzęcych. Grzyby i bakterie rozkładają związki węgla i zmieniają je na dwutlenek węgla (o ile jest dostępny tlen) lub metan (jeśli brak jest dostępu do tlenu).
  3. Spalanie materii organicznej. Podczas spalania materiału organicznego w tlenie powstaje dwutlenek węgla. Może to być zarówno np. spalanie roślin, jak i spalanie ropy, węgla i gazu ziemnego (powstałych przed dziesiątkami milionów lat ze szczątków organicznych) lub biopaliw.
  4. Procesy chemiczne. Przykładowo podczas produkcji cementu wapień CaCO3 jest ogrzewany i powstaje tlenek wapnia CaO.
  5. Parowanie dwutlenku węgla z powierzchni wody.
  6. Erupcje wulkaniczne wyrzucające do atmosfery dwutlenek węgla.

Węgiel jest też absorbowany z atmosfery w wielu procesach:

  • Fotosynteza. Kiedy słońce świeci, rośliny przetwarzają dwutlenek węgla w węglowodany, przy okazji wyzwalając tlen. Proces ten jest znacząco szybszy dla młodych lasów szybko zwiększających swoją masę, niż dla lasów starych, o stabilnej masie węgla uwięzionego w roślinności.
  • Rozpuszczanie dwutlenku węgla w wodach oceanicznych. Proces najintensywniej przebiega w wodach zimnych, w których rozpuszczalność gazów wzrasta. Do tego zimne prądy oceaniczne transportują później znaczne ilości węgla do głębokich warstw oceanu.
  • Wietrzenie skał. Kwas węglowy reaguje ze zwietrzałymi skałami.

Pomiary koncentracji CO2 w atmosferze i zmiany jej składu izotopowego pokazują, że zmieniamy jej skład - zawartość dwutlenku węgla w atmosferze wzrosła od początku epoki przedprzemysłowej z 280 ppmv do blisko 390 ppmv w 2008 roku i coraz szybciej rośnie, obecnie w tempie ponad 2 ppmv rocznie.

Biosfera (organizmy żywe i gleby)

W biosferze jest zgromadzone około 2000 miliardów ton węgla. Węgiel jest kluczowym składnikiem dla ziemskiego życia, ponieważ odgrywa istotną rolę w strukturze, biochemii i odżywianiu w komórkach. Cykl węglowy organizmów żywych jest bardzo złożony:

  • Autotrofy to organizmy produkujące swoje własne związki organiczne z dwutlenku węgla, który pobierają z powietrza lub wody, zwykle za pomocą energii słonecznej w procesie fotosyntezy (6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2). Najważniejsze autotrofy to rośliny (szczególnie drzewa) i fitoplankton w oceanach.
  • Węgiel jest transferowany w biosferze w czasie, kiedy organizmy żywe żywią się innymi organizmami (zwierzęta, bakterie, grzyby, rośliny pasożytnicze...), zarówno żywymi, jak i martwymi. Dotyczy to także grzybów i bakterii wykorzystujących do wzrostu martwe szczątki roślinne i zwierzęce.
  • Większość węgla opuszcza biosferę do atmosfery lub wody podczas procesów oddychania. Kiedy dostępny jest tlen ma miejsce oddychanie tlenowe (odwrotność reakcji fotosyntezy) i powstaje dwutlenek węgla, jeśli nie ma tlenu, powstaje metan (wyzwalany później np. jako gaz błotny lub gazy trawienne).
  • Znaczące ilości węgla trafiają do atmosfery także w wyniku spalania biomasy (pożary lasów, spalanie drewna w celu ogrzewania itp.).
  • Organizmy morskie w powierzchniowych warstwach oceanu przetwarzają zredukowany węgiel w tkanki i węglany w muszle i szkieleciki. Po ich śmierci resztki opadają i w niższych warstwach oceanu są rozpuszczane, co skutkuje transferem węgla z górnych do dolnych części oceanów.
  • Węgiel z martwej materii organicznej (np. torfu lub muszli z węglanu wapnia) może stać się częścią osadów lub finalnie nawet skał (np. wapieni w procesie sedymentacji).

Rośliny do życia potrzebują dwutlenku węgla. Średnich rozmiarów drzewo w ciągu roku "wyciąga" z atmosfery 5 kg tego gazu (dla porównania jeden człowiek odpowiada za emisję średnio 5 ton dwutlenku węgla ze spalania paliw kopalnych, co odpowiada pochłanianiu przez 1000 drzew). Tereny leśne przechowują 86% napowierzchniowego węgla i 73% węgla glebowego. Wyższa koncentracja CO2 sprzyja wzrostowi roślinności. Jednak na wzrost produktywności nakłada się jeszcze szereg negatywnych czynników, zmniejszających aktywność roślin jak np. przesuwanie się stref klimatycznych, zmiany temperatur i opadów, nowe szkodniki czy pustynnienie terenów i pożary. Kiedy przesuwają się strefy klimatyczne ptaki mogą się dostosować, ale drzewa nie wyciągną korzeni z ziemi i nie przejdą tysiąc kilometrów na północ... Uschną. A zanim na ocieplających się terenach wyrosną nowe lasy, minie dużo czasu. Po prostu obecne zmiany są za szybkie...

Ilość węgla na jednostkę powierzchni zgromadzona na różnych rodzajach terenu

Rys. Różne rodzaje terenów przechowują w sobie różne ilości węgla, tu z podziałem na węgiel znajdujący się w glebie i w roślinności.

Wyższa temperatura to również szybsze procesy gnilne i rozkład materii organicznej oraz wyższa respiracja gleby, a więc więcej dwutlenku węgla i metanu wracających do atmosfery.
Ponadto, zajmująca 20% kontynentów wieczna zmarzlina na dalekiej północy więzi w sobie wielkie ilości gazów cieplarnianych, szczególnie dwutlenku węgla i metanu. Wzrost temperatury o ponad 2°C spowoduje rozmarznięcie warstw gromadzących te gazy od milionów lat i wyzwolenie do atmosfery gazów cieplarnianych w ilości odpowiadającej 10-100% naszych emisji z paliw kopalnych.

Oceany

Oceany zawierają blisko 40000 miliardów ton węgla, przy czym szybka wymiana węgla z atmosferą ma miejsce jedynie w jego warstwach powierzchniowych. Ponad 90% węgla w oceanach występuje w formie jonów HCO3− (reszta to w większości CO32−). Dla wymiany węgla (w formie CO2) pomiędzy oceanem a atmosferą kluczowa jest temperatura wody - wysoka temperatura wody oznacza małą rozpuszczalność tego gazu i jego wydzielanie się do atmosfery, a niska temperatura wysoką rozpuszczalność i pochłanianie go przez oceany.

Obszary wymiany dwutlenku węgla między oceanami i atmosferą

Rys. Średnia miesięczna wymiana CO2 pomiędzy oceanami i atmosferą. Żółte/czerwone obszary to miejsca, gdzie ciepły ocean pozbywa się CO2, a niebieskie/zielone to miejsca, gdzie zimny ocean pochłania CO2 - ma to miejsce m.in. na północnym Atlantyku, gdzie woda w cyrkulacji termohalinowej ochładza się i opada na dno.
Źródło: 4 raport IPCC, 2007. Źródło: Manicore

Kiedy CO2 trafia do oceanu, uczestniczy w serii reakcji.

  • Rozpuszczenie:    CO2 (atmosferyczny) ⇌ CO2 (rozpuszczony w wodzie)
  • Konwersja do kwasu węglowego:    CO2 (rozpuszczony w wodzie) + H2O ⇌ H2CO3
  • Pierwsza jonizacja:     H2CO3 ⇌ H+ + HCO3 (aniony wodorowęglanowe)
  • Druga jonizacja:          HCO3 ⇌ H+ + CO32− (aniony węglanowe)

Proporcje i równowaga między tymi związkami chemicznymi zależą od warunków panujących w danym miejscu: temperatury, ciśnienia i koncentracji jonów. Antropogeniczna emisja CO2 do atmosfery powoduje, że rośnie koncentracja tego gazu w atmosferze, w związku z tym pojawia się nierównowaga pomiędzy atmosferą i oceanem. Ocean zaczyna absorbować dwutlenek węgla z atmosfery i opóźniając w ten sposób narastanie efektu cieplarnianego. Oceany pochłaniają co godzinę ponad milion ton emitowanego przez nas CO2. Jednak rozpuszczanie w wodzie coraz większych ilości CO2 oznacza wzrost koncentracji w wodzie jonów wodorowych H+ a więc i kwasowości oceanów. Nasza emisja dwutlenku węgla do atmosfery już teraz spowodowała wzrost kwasowości oceanów o około 30% (co odpowiada obniżeniu pH o 0.1).

Przeczytaj więcej o zakwaszaniu oceanów pl .

Warstwa powierzchniowa wymienia dwutlenek węgla z warstwą głębinową głównie za pomocą oceanicznej cyrkulacji termohalinowej. W przypadku jej zaniku lub osłabienia związanego z rozgrzaniem się wód Arktyki, ten mechanizm uległby praktycznie wyłączeniu.W oceanach za pośrednictwem organizmów żywych zachodzą procesy formowania się muszli wapiennych, które następnie opadają na dno oceaniczne. Natężenie tych procesów i wpływ zmian kwasowości na ich przebieg są intensywnie badane. Warto zauważyć, że organizmy morskie zawierają jedynie 3 miliardy ton węgla, co w porównaniu z 1600 miliardów ton w glebie czy 600 w roślinności jest ilością mikroskopijną.Nie jest to pokazane na rysunku, ale w stokach oceanicznych znajdują się olbrzymie, liczone 1000–70000 miliardów ton, pokłady hydratów metanu. Są one stabilne od dziesiątków milionów lat i nie uczestniczą w cyklu węglowym, ale w przypadku destabilizacji pokładów hydratów metanu pl następstwa mogą być katastrofalne.

Przeczytaj dodatkowo i dowiedz się więcej o cyklu węglowym ang oraz o pochłanianiu dwutlenku węgla ang .

Skały

Wapienne osady oceaniczne skutecznie usuwają węgiel z cyklu węglowego. W oceanach HCO3 może reagować z wapniem (Ca) tworząc węglany wapnia, które opadają na dno oceaniczne. Wapienie są największym rezerwuarem węgla w cyklu węglowym. Wietrzenie skał, szczególnie granitów i bazaltów, w okresach liczonych w dziesiątkach tysięcy lat, potrafi skutecznie usuwać z atmosfery i wiązać nawet wielkie nadwyżki dwutlenku węgla. Uważa się, że niezależnie od tego, jak wiele tego gazu wyrzucimy do atmosfery, po około 100 000 lat zostanie on w ten sposób z niej usunięty.

Podsumowanie

Zmiany cyklu węglowego

Rys. Cykl węglowy. Ilości węgla w poszczególnych "rezerwuarach" oraz roczne przepływy są podane w gigatonach (miliardach ton). Czarnym kolorem oznaczone są przepływy, które istniały w 1750 roku, przed rozpoczęciem epoki przemysłowej. Czerwonym kolorem oznaczone są przepływy (i zmiany w rezerwuarach węgla), które zmieniły się w okresie 1750-1994. Uwaga: wartości dotyczą węgla, aby przeliczyć je na ilości CO2, należy je przemnożyć przez 3,66 (stosunek masy molowej CO2 - 44g/mol i węgla - 12g/mol). Wartości emisji antropogenicznych są charakterystyczne dla roku 1994 - od tego czasu emisja węgla do atmosfery ze spalania paliw kopalnych wzrosła do poziomu około 8 miliardów ton (do tego dochodzi 1.5-2 miliardów ton z wylesiania) - stan na rok 2008. Źródło: Manicore .

Na rysunku widać, że emisja CO2 ze spalania paliw kopalnych jest o rząd wielkości mniejsza od ilości CO2 emitowanych przez oceany lub rośliny. 10 miliardów ton w porównaniu z 90 miliardami ton z oceanów, 60 miliardami z gleby czy 60 miliardami ton z roślin to na pierwszy rzut oka niewiele. Ale źródła naturalne równoważą się - 90.6 miliardom ton emisji z oceanów odpowiada pochłanianie przez oceany 92.2 miliardów ton, 119.6 miliardom ton emisji z roślin i gleby odpowiada pochłanianie 122.6 miliarda ton. Nasza emisja stanowi stałą nadwyżkę, gromadzącą się w atmosferze, co widać w danych pomiarowych wykazujących stały wzrost stężenia CO2.

Warto zaznaczyć, że obwiniane o emisję CO2 wulkany nie zasługują na tak złą reputację. Wulkany wyrzucają do atmosfery około 150 razy mniej CO2 niż ludzie. Innymi słowy 20 milionów samochodów w ciągu roku wysyła do atmosfery tyle samo CO2 co wszystkie wulkany świata razem wzięte. Oczywiście wybuch wulkanu jest potężny i robi wrażenie, ale pod względem emisji dwutlenku węgla nawet największe wybuchy wulkanów, nie mogą się równać z nami naszą działalnością. Prawdą jest, że wulkany wpływają na pogodę na Ziemi, jednakże wyrzucone przez nie wielkie ilości pyłów i tlenków siarki prowadzą do krótkotrwałego obniżania temperatury atmosfery.

Czy wiesz co to są hydraty metanu? To krystaliczna forma wody i metanu, wyglądają jak lód, ale mają konsystencję styropianu, są łatwopalne. Dowiedz sie więcej w następnym rozdziale hydraty metanu .

Wykonanie PONG, grafika GFX RedFrosch.



logowanie | nowe konto