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:

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…

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.

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 .

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 następstwa mogą być katastrofalne.

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

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

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 .