Krążenie węgla w systemie klimatycznym Ziemi

Tytułowe krążenie węgla to nic innego jak jego obieg w szybkim i wolnym cyklu węglowym.

W latach 50 pojawił się w wielu środowiskach naukowych niepokój. A więc, to już trwa 70 lat. Początkowo nie wszyscy z tym się zgadzali czy to jest wskutek działalności przemysłowej człowieka. Ale pierwsze wyniki badań już były. Tylko niestety w pewnym sensie zostały zlekceważone. Naukowcy zaczęli nie tylko badać klimat w atmosferze i na powierzchni Ziemi, ale też na powierzchni oceanów i w jego głębinach.

W szybkim cyklu węglowym węgiel krąży pomiędzy atmosferą, biosferą a oceanami. A w wolnym cyklu węglowym przemieszcza się pomiędzy atmosferą, biosferą, oceanami a glebami i skałami oraz osadami dennymi oceanów.

W szczególności jest to bardzo ważne w oceanach Ziemi (71 % powierzchni planety). Jest w nich najwięcej węgla w całym systemie klimatycznym naszego globu. Odpowiednio najpotężniejszym magazynem jest głęboki ocean, który zawiera aż 37100 gigaton. Na powierzchni oceanu (głównie plankton) jest to 900 gigaton. Z kolei rozpuszczony węgiel organiczny to 700 gigaton. A w osadach dennych oceanów jest to 1750 gigaton. I to właśnie ten ostatni magazyn węgla jest kluczowy do zachowania względnej równowagi energetycznej pomiędzy szybkim a wolnym cyklem węglowym.

Rys. Uproszczony diagram szybkiego cyklu węglowego w epoce przedprzemysłowej. Trzy strzałki wychodzące z ekosystemów lądowych do atmosfery odpowiadają oddychaniu organizmów, rozkładowi materii organicznej w glebach (oddychanie mikroorganizmów) oraz pożarom (przy czym, w stabilnym ekosystemie w ciągu stulecia las odrastał, bilansując wcześniejsze emisje z pożaru). Węgiel w paliwach kopalnych oraz klatratach praktycznie nie uczestniczy w szybkim cyklu węglowym. Czerwone liczby pokazują węgiel wprowadzany do szybkiego cyklu węglowego przez wulkany oraz usuwany w procesach powstawania osadów. Podana jest ilość węgla znajdującego się w różnych rezerwuarach węgla (kolor czarny) oraz jego roczne przepływy (niebieskie strzałki i wartości). Źródło: grafika NASA Earth Observatory, aktualizacja dane Denman i Brasseur, 2007, IPCC AR4, WG1.

Tak się jednak nie dzieje. Robimy wszystko aby zaburzyć ten delikatnie funkcjonujący obieg węgla na Ziemi. Problemem jest nie tylko ocieplenie wód, ich zakwaszenie oraz coraz większe odtlenienie, ale i eksploatacja środowiska jak zanieczyszczyszczenia, przełowienia czy nawet intensywne polowania na duże zwierzęta morskie jak np. wieloryby.

Ocieplenie oceanów przebiega wyjątkowo bardzo wolno ponieważ mają one bardzo dużą pojemność cieplną w przeciwieństwie do atmosfery. Mają też większą gęstość, co ma wpływ na to, że procesy fizykochemiczne wolniej w nich zachodzą niż w ośrodku atmosferycznym. Głębokość oceanów wynosi średnio 3-4 km. Po raz pierwszy zaobserwowano, że ocieplają się one w latach 50 XX wieku.

Dziś wiemy, że energia cieplna w systemie klimatycznym naszej planety przemieszcza się w rezerwuarach systemu klimatycznego. A dokładniej pomiędzy atmosferą, biosferą, litosferą, kriosferą i hydrosferą (zwłaszcza Wszechoceanem).

Od co najmniej połowy XIX w. ciepło i dwutlenek węgla powiększają swój zasięg non stop. W atmosferze jest raz cieplej, a raz chłodniej, a dlatego, że energia termiczna bardzo często znajdowała swoje ujście w oceanach. Duży wpływ mają na to cyrkulacje oceaniczne jak ENSO (El Nino i La Nina), PDO (Dekadowa Oscylacja Pacyficzna), IPO (Międzydekadowa Oscylacja Pacyficzna), AMO (Atlantycka Wielodekadowa Oscylacja) i wiele innych. Jednak są to krótkotrwałe, fluktuacyjne sprzężenia zwrotne wpływające na ocieplanie lub ochładzanie oceanów czy też ocieplanie lub ochładzanie atmosfery (tu bardzo wyraźnie jest w przypadku oscylacji ENSO).

Aby nie dopuścić do poważnej destabilizacji klimatycznej i zachowania względnej równowagi w obiegu węgla pomiędzy szybkim cyklem węglowym a wolnym cyklem węglowym w oceanach jest zachowanie planktonu (fitoplanktonu i zooplanktonu).  Ważne jest aby po śmierci drobne kręgowce i glony szybko trafiały na dna oceanów i wiązały się w ich osadach. Chodzi o to aby martwa materia organiczna była regularnie usuwana z szybkiego do wolnego cyklu węglowego, który jest elementem większego geologicznego termostatu węglowego regulującego stosunek gazowy pomiędzy ilością dwutlenku węgla i tlenu w atmosferze i w oceanach.

Na lądach węgiel najwięcej magazynują gleby (2000 gigaton) oraz wieloletnia zmarzlina (1700 gigaton). Atmosfera zawiera 600 gigaton. A wulkany emitują tylko 0,1 gigatony. Z kolei roślinność absorbuje w procesie fotosyntezy 600 gigaton. A torfowiska magazynują 650 gigaton. Natomiast nasza ludzka cywilizacja spala od 5000 do 15000 gigaton węgla. To dość sporo.

Dla znośnego życia w warunkach atmosferyczno-lądowych konieczne jest zachowanie ekosystemów leśnych i torfowiskowych. Tutaj jednak w przeciwieństwie do oceanów martwa materia organiczna nie jest grzebana, czyli nie jest usuwana z szybkiego cyklu węglowego (atmosfera, biosfera) do wolnego cyklu węglowego (gleby i skały). Jednak zachowanie wspomnianych ekosystemów na Ziemi jest kluczowe by zredukować wpływ globalnego ocieplenia.

Węgiel krąży w całym systemie klimatycznym. Jednak w rezerwuarach biosfery (flory i fauny) przemieszcza się on tylko w szybkim cyklu węglowym w procesach fotosyntezy i oddychania komórkowego (respiracji). Natomiast na dłuższe lata jest on odłożony w wieloletniej zmarzlinie, torfowiskach czy w glebach. Choć akurat te ekosystemy pod wpływem rosnącej temperatury globalnej zaczynają stawać się źródłem węgla. A więc, są już nie tylko magazynem.

W skali geologicznej większy udział w sekwestracji węgla mają skały, który pod wpływem wietrzenia w postaci węglanu wapnia czy innych skał węglanowych trafia do oceanów, gdzie

w postaci jonów węglanowych i wodorowęglanowych jest wbudowywany w skorupki i pancerzyki wapiennych bezkręgowców i glonów. I w dalszej kolejności po obumarciu organizmy te są usuwane do osadów dennych, gdzie są budowane skały wapienne. W rytmie czasu geologicznego liczonego w milionach lat w procesie subsukcji następuje w litosferze metamorficzne odwęglenie, w którym powstaje ponownie dwutlenek węgla, który znajduje ujście w postaci wulkanów, skąd trafia z powrotem do atmosfery.

Dopóki funkcjonuje termostat węglowy, dopóki może nie grozi nam wymieranie permskie, ale poważne zaburzenie klimatyczne jest niestety coraz bardziej realne. Największe zagrożenie jest ze strony oceanów, które kryją w sobie aż 93 % energii cieplnej. Biosfera i gleby oraz kriosfera zawierają po 3 %, a atmosfera jak na razie tylko 1 %. Ale ten 1 % to i tak dla organizmów lądowych to jest bardzo dużo.

Jeśli chodzi o węgiel, który my wyemitowaliśmy, to kolejno, oceany pochłonęły 25-30 % dwutlenku węgla, gleby i roślinność razem ok. 20 %. Natomiast w atmosferze jest 45-50 % tego gazu zaabsorbowanego. Jednak w obecnej dekadzie wyniki badań wskazują, że wszystkie wymienione rezerwuary węgla (oprócz atmosfery) stają się także jego źródłami – emitorami do atmosfery.

https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/oceany-beda-pochlanialy-coraz-mniej-dwutlenku-wegla-291

https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/szybki-cykl-weglowy-czesc-1-atmosfera-i-ekosystemy-ladowe-377

https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/szybki-cykl-weglowy-czesc-2-wegiel-w-oceanach-378

https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/wolny-cykl-weglowy-i-termostat-weglowy-380

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *