Zaburzony cykl węglowy

Dziś w atmosferze jest aż 21 % tlenu (dla porównania najwięcej jest azotu, bo aż 78 %). Dwutlenku węgla jest tylko 0,04 %. A jednak to dzięki niemu jest zbawienny dla nas efekt cieplarniany. Oczywiście pomijając nasz antropogeniczny CO2, który staje się niebezpieczny dla naszej planety, czyli dla nas i dla innych organizmów. A niebezpieczny dlatego, że jego koncentracja systematycznie wzrasta z roku na rok w wykładniczym tempie.

Cykl węglowy w przyrodzie ma fundamentalne znaczenie. Jest on podzielony na szybki cykl węglowy i wolny cykl węglowy. Pierwszy odgrywa zasadniczą rolę w interakcji pomiędzy biosferą i glebami oraz oceanem. Natomiast drugi pomiędzy oceanem a litosferą (Hollie Riebeek, 2011).
My ludzie wraz z innymi zwierzętami wdychamy tlen i wydychamy dwutlenek węgla, który z kolei pobierają rośliny i następnie wydzielają dla nas i dla innych zwierząt tlen. Jest to ogólnie mówiąc proces naturalny w interakcji fotosynteza – respiracja (oddychanie), który trwa na Ziemi od co najmniej 2,4 mld lat podczas historii Ziemi.
Procesy chemiczne, które zachodzą przez większość czasu geologicznego naszej planety były zbilansowane. Jednak podczas epizodów hipertermicznych, jak 252 miliony lat temu podczas wielkiego wymierania permskiego czy też 56 milionów lat temu podczas paleoceńsko-eoceńskiego maksimum termicznego, była zaburzona równowaga gazowa i termiczna.
Podobnie jest teraz od drugiej połowy XIX wieku. Została mocno zaburzona ona w procesach fizyko-chemicznych i biologicznych na Ziemi. Przyczyną współczesną są nasze emisje ze spalania paliw kopalnych oraz wylesiania, które zakłócają ów cały cykl węglowy i powodują też, że tlenu w atmosferze ubywa, a przybywa w niej dwutlenku węgla (Jianping Huang i in., 2018).
atom węgla C + cząsteczka tlenu O2 = dwutlenek węgla CO2
Zmiany klimatu w oceanach i na lądach
Wzrost temperatury globalnej powoduje znaczny wzrost temperatury oceanów do których trafia część nadwyżki dwutlenku węgla (ok. 30 %) pochodzącego ze spalania paliw kopalnych i wylesiania (Tim DeVries i in., 2017). A to ma wpływ na silniejsze zakwaszanie oceanów (George G. Waldbusser i in., 2014) i ich odtlenianie (Matthew C. Long i in., 2014). I ten tlen coraz silniej trafia do atmosfery. Organizmy morskie mają przez to bardzo silnie zaburzone łańcuchy i sieci troficzne z powodu ocieplenia oceanów i ich stratyfikacji, zakwaszenia oraz odtlenienia, co też przekłada się na redukcję wielu populacji morskich (Jean P. Gilbert, 2019).
Część dwutlenku węgla antropogenicznego pochodzenia pochłaniana jest też przez gleby oraz roślinność w procesie natężonej fotosyntezy (ok. 15-20 %). Występuje wtedy tzw. efekt nawożenia. Zaburzenia fizjologiczne producentów (roślin) w gospodarce wodnej i mineralnej przekłada się na zaburzenia funkcjonalności konsumentów (zwierząt roślinożernych i drapieżnych) w łańcuchach i sieciach troficznych (Jean P. Gilbert, 2019).
Interakcja (atmosfera – oceany) – szybki cykl węglowy

Do wody oceanicznej jeszcze trafia względnie zbilansowana ilość dwutlenku węgla z atmosfery, choć jak już wspomnieliśmy, mamy do czynienia z antropogeniczną nadwyżką. Jednak częściowo jest ona w nich rozpuszczana w procesie fizycznym, a częściowo jest absorbowana przez przez organizmy morskie

Jeśli chodzi o proces fizyczny, w szczególności szybko jeszcze on zachodzi we względnie chłodnych i natlenionych wodach (pompa fizyczna). Jeśli chodzi o proces biologiczny, częściowo ilość CO2 jest pochłaniana przez fitoplankton złożony z sinic i glonów (pompa biologiczna), który z kolei następnie jest pochłaniany przez mniejsze bezkręgowce i ryby Następnie przez średnie ryby. Następnie przez większe ryby i ssaki morskie takie jak kaszaloty czy grindwale.

Jedynym specyficznym wyjątkiem są olbrzymie walenie takie jak płetwale czy wale, które są fiszbinowcami, czyli filtratorami pochłaniającymi olbrzymie ilości planktonu i bezkręgowców takich jak kryl. I to właśnie one w swej masie ciała pochłaniają też bezpośrednio olbrzymie ilości dwutlenku węgla zaabsorbowane przez fitoplankton, który następnie jest zjadany przez zooplankton.

atmosfera – organizmy morskie w łańcuchach i sieciach pokarmowych –> fotoautotrofy morskie>drobne bezkręgowce>większe bezkręgowce>mniejsze ryby>większe ryby i ssaki morskie, zwłaszcza wieloryby.

Rys.1. „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.
——-

Interakcja (oceany – litosfera – atmosfera) – wolny cykl węglowy:

Po śmierci morskich organizmów, węgiel w nich opada jeszcze na dno oceanów gdzie jest magazynowany w osadowych skałach wapiennych i krzemianowych, skąd z kolei w procesach tektonicznych płyt oceanicznych skały te przemieszczają się w głębi litosfery ku kominom hydrotermalnym w oceanach, skąd przez wulkany podmorskie dwutlenek węgla trafia z powrotem do oceanu, czy też dalej ku kominom wulkanicznym pod kontynentami, skąd ten gaz trafia z powrotem do atmosfery Ziemi.

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, dlatego, że wody nie mieszają się i gęstość poszczególnych warstw jest coraz wyższa. Powierzchniowe wody będąc najcieplejszymi mają najmniejszą gęstość. A to wszystko z kolei przyczynia się do coraz silniejszego odtleniania wód głębinowych i dennych. To też zakłóca cyrkulacje oceaniczne prądów morskich, zarówno powierzchniowych, jak i głębinowych oraz dennych, czyli w profilu poziomym i pionowym.

Stratyfikacja i ocieplenie wód powierzchniowych spowalnia opadanie większych glonów jak np. okrzemki czy kokolitofory (Kalista Higini Peter & Ulrich Sommer, 2015) (Michael J. Henehan i in., 2017), co powoduje, że w powierzchniowych wodach szybciej zachodzą procesy tlenowe dzięki bakteriom tlenowym, które rozkładając materię organiczną, przyspieszają uwalnianie się dwutlenku wody do oceanu i następnie do atmosfery. Z drugiej strony mniej tych szczątków organicznych opada na dno oceanu (Lars Stemmann, George A. Jackson, Debbie Ianson, 2004) (L. Bopp i in., 2005). To też ma wpływ na wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi, Zamiast ich pojawiają się drobniejsze glony (tzw. pikoplankton, w którego zakres wchodzą też sinice sinice (Kalista Higini Peter & Ulrich Sommer, 2015) (Michael J. Henehan i in., 2017). Na większych głębokościach już te procesy nie są tak silne. Wpływ wspomnianych zmian klimatu będzie miał silne perturbacje w przyszłości, w jeszcze bardziej cieplejszym świecie.

Z kolei w wodach powierzchniowych, zwłaszcza płytkich gdzie są wrażliwe ekosystemy raf koralowych, jest obserwowane znacznie większe zakwaszenie nadmiarem CO2 oceanów (George G. Waldbusser i in., 2014) oraz ich odtlenianie (Matthew C. Long i in., 2014).

Interakcja (atmosfera – litosfera – biosfera lądowa)

Ocieplenie klimatu z powodu spalania paliw kopalnych i zmian użytkowania terenu, sprawia, że w wielu regionach rośliny już więcej pochłaniają dwutlenku węgla. Opublikowane w Nature Climate Change badanie roślinności na półkuli północnej pod przewodnictwem Jiafu Mao i in. z 2016 r., przedstawiło tzw. współczynnik ulistnienia (Leaf Area Index – LAI), w którym za pomocą badań satelitarnych w latach 1982-2011 został przedstawiony tzw. stosunek sumy powierzchni liści roślin do powierzchni gruntu. Badania te ukazały naukowcom obraz faktycznego zazielenienia wielu rejonów Ziemi w tymże okresie czasu. ale pewnym kosztem środowiskowym.

Rys.2. Procentowe zmiany ulistnienia między rokiem 1982 a 2015. Ilustracja przygotowana przez prof. R Myneniego na podstawie danych z publikacji (Zhu i in., 2016).

Coraz wyższy wzrost temperatury i nasłonecznienie, zwłaszcza w upalne dni, mają wpływ na wysychanie roślin (Wolfram Schlenker & Michael J. Roberts, 2009) poprzez zmniejszanie się dostępu wód gruntowych dla korzeni tychże roślin oraz ma to swoje skutki w redukcji dostaw składników pokarmowych, zwłaszcza fosforu, azotu i dla nas oraz wielu zwierząt składników odżywczych jak żelazo, cynk i białko (Matthew R. Smith & Samuel Myers, 2018).

Problemem też są coraz częstsze okresy długotrwałych susz, dni bez opadów deszczu. W przedłużonym czasie tak wysokiego stresu fizjologicznego u roślin, pod wpływem suszy i wysokiej temperatury, zaczynają powstawać zaburzenia takie u nich, że zamiast pochłaniać dwutlenek węgla, zaczynają go one emitować netto do atmosfery. (T. W. Crowther i in., 2016). .

Globalne ocieplenie w dużym stopniu wpływa na redukcję absorpcji azotu atmosferycznego potrzebnego dla roślin na lądach i glonów oraz sinic w oceanach, koniecznego w efekcie nawożenia dwutlenku węgla. 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. William R. Wieder i in. w 2015 w badaniu opublikowanym w Nature Geoscience udowadniają, że braki w dostawach tych związków chemicznych dla roślin przyczyni się do spadku przyrostu biomasy ich o 1/3, tak jak jest to przedstawione w prognozach według modeli CMIP5 w AR5 IPCC. Także efekt nawożenia będzie znacznie słabszy z tego powodu.

Niestety wzrost temperatury na świecie oraz niezrównoważona gospodarka rolna przyczynia 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.

W skali geologicznego czasu cykl węglowy odegrał, odgrywa i pewnie będzie do końca życia na Ziemi odgrywać główną rolę. Dlatego bardzo istotna jest równowaga gazowa i termiczna w atmosferze Ziemi

————

Dodaj komentarz

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