Tlen i dwutlenek węgla – dwa zasadnicze gazy podtrzymujące biosferę na Ziemi oraz coraz bardziej zaburzany mechanizm ich interakcji w systemie klimatycznym

Ciekawą sprawą jest temat koncentracji tlenu w systemie klimatycznym w stosunku do koncentracji dwutlenku węgla. Aby jednak zrozumieć mechanizm tlenowy w nim, trzeba także wziąć pod uwagę mechanizm węglowy, a ściślej cykl węglowy, zarówno szybki, jak i wolny. A więc, po kolei.
Wzrost temperatury globalnej powoduje też znaczny wzrost temperatury oceanów do których trafia część nadwyżki dwutlenku węgla (ok. 30 %) pochodzącego ze spalania paliw kopalnych. A to ma wpływ na silniejsze zakwaszanie oceanów i ich odtlenianie. I ten tlen coraz silniej trafia do atmosfery.

Następnie nasze emisje ze spalania paliw kopalnych powodują, że tlenu w atmosferze ubywa, a przybywa w niej dwutlenku węgla. Zachodzi prosta reakcja chemiczna:
atom węgla C + cząsteczka tlenu O2 = dwutlenek węgla CO2.
A więc, jest teraz coraz więcej CO2 w atmosferze, a to oznacza, że część nadwyżki tego gazu ze spalania paliw kopalnych pochłaniana jest też przez gleby oraz roślinność w procesie fotosyntezy (ok. 15-20 %), a więc, następuje tzw. efekt nawożenia, a do atmosfery, trafia tlen, który my wraz z innymi zwierzętami wdychamy, a następnie wydychamy dwutlenek węgla z resztą przedstawicieli fauny. Ale proces fotosynteza – respiracja jest naturalny, i to od co najmniej 2,4 mld lat, a procesy chemiczne zachodzące pomiędzy tlenem a naturalnym dwutlenkiem węgla w interakcji (atmosfera – biosfera) są zbilansowane. Jednak od około 170 lat włączony jest proces antropogeniczny, dzięki któremu spalanie paliw kopalnych i zmiany użytkowania terenu go silnie zaburzają.

Rys.1. Procentowe zmiany ulistnienia między rokiem 1982 a 2015. Ilustracja przygotowana przez prof. R Myneniego na podstawie danych z publikacji (Zhu i in., 2016).
Podobnie jest w wodzie oceanicznej, do której normalnie zawsze trafiała zbilansowana ilość dwutlenku węgla z atmosfery.
Częściowo jest ona w nich rozpuszczana w procesie fizycznym. Zachodzi ten proces w szczególności szybko jeszcze we względnie chłodnych i natlenionych wodach, ale już w cieplejszych, proces ten spowalnia, co też właśnie prowadzi do zakwaszenia wód morskich i oceanicznych (pompa fizyczna).
Ale również częściowo ilość CO2 jest pochłaniana przez fitoplankton (pompa biologiczna).
Oczywiście w tym procesie nadal dwutlenek węgla jest też usuwany gdy glony i sinice absorbują go jeszcze i następnie te fotoautotrofy są zjadane przez mniejsze bezkręgowe zwierzęta aż do największych i wszystkie potem po śmierci trafiają w dobrze mieszającym się oceanie na dno oceanów do wolnego w skali geologicznej cyklu węglowego. Dokładnie w łańcuchu pokarmowym to wygląda tak:
Interakcja (atmosfera – oceany):
atmosfera – organizmy morskie w łańcuchu pokarmowym –> fotoautotrofy morskie>drobne bezkręgowce>większe bezkręgowce>mniejsze ryby>większe ryby i ssaki morskie, zwłaszcza wieloryby.
Rys.2. „Pompa wielorybia”. Zooplankton żywi się w strefie eufotycznej, a eksport składników odżywczych następuje przez odchody i migrację pionową zooplanktonu. Ryby zwykle uwalniają składniki odżywcze na tej samej głębokości, na której się żywią. Odchody ssaków morskich, które wynurzają się na powierzchnię w celu zaczerpnięcia oddechu, wypuszczane są o wiele płycej, niż te zwierzęta się żywią. Źródło: J. Roman, J.J. McCarthy, 2010.
Ale niestety, proces ten coraz bardziej spowalnia. Łańcuchy pokarmowe w oceanach są coraz bardziej zaburzane. Gdyż coraz wyższy wzrost temperatury oceanów powoduje pogłębiającą się ich stratyfikację, a więc utrudnione jest ich mieszanie się, a to z kolei przyczynia się do coraz słabszego dotleniania wód głębinowych i dennych. To też zakłóca cyrkulacje oceaniczne prądów morskich, zarówno powierzchniowych, jak i głębinowych oraz dennych. Ale przede wszystkim spadek opadania martwych glonów, mniejszych i większych zwierząt powoduje, że w powierzchniowych wodach również zachodzą procesy beztlenowe dzięki bakteriom beztlenowym. To będzie miało silne perturbacje w przyszłości, w bardziej cieplejszym świecie.
Z kolei w wodach powierzchniowych, zwłaszcza płytkich gdzie są wrażliwe ekosystemy raf koralowych, jest obserwowane znacznie większe zakwaszenie nadmiarem CO2 oceanów oraz ich odtlenianie. Ocieplenie tych największych magazynów energii cieplnej powoduje, że coraz więcej tlenu trafia do atmosfery. Koło się jednak nie zamyka. Nic nie jest zbilansowane.
Po pierwsze, biosfera lądowa się coraz bardziej ociepla i wysusza, a to sprzyja redukcji wegetacji roślin lądowych (również poprzez zmiany użytkowania terenu, ale i też przez ocieplenie planety) i coraz częściej zamiast pochłaniać większą ilość CO2, to go emitują do atmosfery.
Po drugie, ocieplanie i wysuszanie gleb też sprzyja emisji większej ilości CO2 do atmosfery. No i na dokładkę mamy spalanie paliw kopalnych oraz produkcję cementu (uzyskiwanie ze skał wapiennych prażonego wapna i produktu bocznego dwutlenku węgla) w reakcji:
CaCO3 -> CaO + CO2.
Pytanie tylko czy globalne ocieplenie też nie wpływa na redukcję absorpcji azotu atmosferycznego potrzebnego dla roślin na lądach i glonów oraz sinic w oceanach, koniecznego w efekcie nawożenia CO2. Również zaobserwowany został zmniejszony transport za pomocą wiatru czy wody fosforu z wietrzenia gleb i minerałów. Oba pierwiastki chemiczne są niezbędne dla prawidłowej fizjologii roślin. Niestety wzrost temperatury na świecie oraz niezrównoważona gospodarka rolna przyczyniają się nie tylko do tego, że azot i fosfor w coraz mniejszej ilości są pochłaniane przez korzenie roślin (fosfor też przez liście), ale również ma to wpływ na zwiększenie eutrofizacji w oceanach i morzach prowadzącego do nadmiernego rozrostu w nich glonów, zwłaszcza sinic, co skutkuje coraz większym odtlenieniem wód oceanicznych i morskich.
Molekuły metanu, czyli CH4, chociaż mają 28 razy większy potencjał cieplarniany (GWP), nie odgrywają w tymże mechanizmie klimatycznym jakiejś wielkiej roli, w większości czasu geologicznego na Ziemi, ponieważ były i są obecnie dość skutecznie po 10-12 latach przekształcane w molekuły CO2, który odgrywa właśnie niebagatelną rolę w cyklu węglowym już od powstania Ziemi. A metan duże znaczenie miał w tzw. epizodach hipertermicznych, jak np. Paleoceńsko-Eoceńskie Maksimum Termiczne (PETM) oraz Wielkie Wymieranie Permskie 252 mln lat temu. W skali czasu planety 4,6 mld lat to są tylko epizody.
W skali geologicznego czasu to właśnie dwie cząsteczki chemiczne odegrały, odgrywają i pewnie będą do końca życia na Ziemi odgrywać główną rolę, tlen i dwutlenek węgla.
————
Rys.1. Nagromadzenie się tlenu (O2) w atmosferze ziemskiej . Czerwone i zielone linie reprezentują zakres szacunków, podczas gdy czas mierzony jest w miliardach lat temu (Ga).
Etap 1 (3,85–2,45 Ga): Praktycznie brak O2 w atmosferze.
Etap 2 (2,45–1,85 Ga): O2 wytworzył, ale wchłonięty został w oceanach i skałach dna morskiego.
Etap 3 (1,85–0,85 Ga): O2 zaczyna wydostawać się z oceanów, ale jest absorbowany przez powierzchnie lądowe i tworzenie się warstwy ozonowej.
Etapy 4 i 5 (0,85 Ga – obecny): O2 nasyca atmosferę i oceany oraz gleby.
Rys.2. Koncentracja dwutlenku węgla w fanerozoiku (542 mln lat temu do dziś).
Rys.3. Procentowe zmiany ulistnienia między rokiem 1982 a 2015. Ilustracja przygotowana przez prof. R Myneniego na podstawie danych z publikacji (Zhu i in., 2016).
Rys.4. „Pompa wielorybia”. Zooplankton żywi się w strefie eufotycznej, a eksport składników odżywczych następuje przez odchody i migrację pionową zooplanktonu. Ryby zwykle uwalniają składniki odżywcze na tej samej głębokości, na której się żywią. Odchody ssaków morskich, które wynurzają się na powierzchnię w celu zaczerpnięcia oddechu, wypuszczane są o wiele płycej, niż te zwierzęta się żywią. Źródło: J. Roman, J.J. McCarthy, 2010.

Dodaj komentarz

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