Blog > Komentarze do wpisu

FAQ - Cykl węglowy

Repost, bo oryginalny artykuł nie miał możliwości dodania komentarzy. Proszę ograniczać je wyłącznie do tematu FAQ, ewentualnie propozycji kolejnych pytań.

1. Ile wynosi i jak zmienia się stężenie CO2 w atmosferze?

CO2 jest jednym z "gazów śladowych", to jest takich, których ilość w atmosferze jest bardzo niewielka. W przypadku CO2 jest to, w chwili obecnej, 390 ppm (czyli "części na milion (objętości)"), albo 0,039%. Precyzyjne pomiary stężenia CO2 są dokonywane od lat pięćdziesiątych XX wieku, zarówno in situ, w specjalnych obserwatoriach (z których najsłynniejszym jest to na hawajskim Mauna Loa)1, oraz (od niedawna) przez samoloty i satelity.2

Powyższy wykres pokazuje zmiany poziomu CO2 jako funkcję czasu i szerokości geograficznej. Wyraźnie widać dwie główne składowe: sezonową oscylację, najsilniejszą na półkuli północnej (gdzie znajduje się większość masy lądowej planety), oraz powolny trend wzrostowy, wynoszący obecnie około 2 ppm rocznie. Przyczyną tej pierwszej jest cykl wegetacyjny roślin, które w okresie wiosenno-letnim zaczynają pochłaniać coraz więcej CO2, wykorzystując pozyskany węgiel do budowy własnych tkanek. CO2 powraca on do atmosfery późną jesienią, czego skutkiem jest wzrastające stężenie tego gazu w atmosferze, osiągające maksimum w okolicach maja.

Za powolny trend wzrostowy odpowiedzialne są emisje antropogeniczne.

2. Co zaliczamy do emisji "antropogenicznych" i czym różnią się od "naturalnych"?

"Antropogeniczny", czyli związany z działalnością człowieka. Przede wszystkim chodzi o spalanie węgla w jego różnych postaciach, ropy i gazu ziemnego, produkcję cementu, oraz wycinkę lasów pod uprawę, czy ogólniej zmianę krajobrazu prowadzącą do przeobrażenia szaty roślinnej.3

Emisje "naturalne" to oczywiście wszystkie pozostałe: przede wszystkim oddychanie autotrofów (roślin) i heterotrofów (bakterii, grzybów, zwierząt), oraz emisje CO2 z oceanów.4

3. Skąd wiemy, że wzrost poziomu CO2 w atmosferze (dalej zwany pCO2) jest skutkiem działalności przemysłowej człowieka?

Po pierwsze, trudno byłoby wyobrazić sobie, dlaczego emisje antropogeniczne nie miałyby prowadzić do wzrostu zawartości CO2 w atmosferze. Jeśli wydobędziemy spod ziemi i spalimy kilogram węgla, powstanie 3,67 kg CO2, który ulatnia się do atmosfery. Jeśli równocześnie z atmosfery nie zostanie usunięte 3,67 kg CO2, to oczywiście konsekwencją musi być wzrost pCO2.

Obecnie, w ciągu każdej godziny, nasz przemysł spala około miliona ton węgla, ropy i gazu -- co odpowiada emisji 3,67 milionom ton CO2. Wliczając inne źródła emisji, w ciągu roku wprowadzamy do atmosfery 10 miliardów ton węgla (10 GtC, gigaton węgla), czyli 36,7 miliardów ton CO2 (36,7 GtCO2, gigaton CO2).

Obserwowany wzrost atmosferycznego pCO2 to około 2 ppm rocznie, co odpowiada 4,3 GtC albo 15,6 GtCO2. Jak widać, dodajemy do atmosfery więcej węgla, niż wynosi wzrost pCO2. Oznacza to, że jakieś procesy usuwają część tego, co dodajemy, jednak nie na tyle, by zniwelować całość (bardziej szczegółowo bilansem obiegu węgla zajmiemy się poniżej).

Dodatkowo, ponieważ węgiel wchodzący w skład paliw kopalnych ma trochę inny skład izotopowy niż węgiel budujący "świeże" tkanki roślinne, i węgiel nieorganiczny rozpuszczony w oceanach (tzn. podobnie jak węgiel "roślinny", ale w odróżnieniu od "oceanicznego", posiada więcej atomów izotopu 12C; oraz podobnie jak większość węgla "oceanicznego", ale w odróżnieniu od "roślinnego", nie zawiera atomów radioaktywnego 14C), badając zmiany składu izotopowego CO2 w atmosferze można stwierdzić, skąd bierze się dodatkowy węgiel.5

Kolejnym przekonującym argumentem mogą być dane dotyczące zmian pCO2 w przeszłości geologicznej Ziemi. Dzięki rdzeniom lodowym wiemy, że obecne stężenie CO2 w atmosferze jest znacznie większe, niż w ciągu ostatnich 800 tysięcy lat, oraz że wzrost pCO2 zbiega się w czasie z początkiem rewolucji przemysłowej.6 Gdyby odpowiedzialne były tu jakieś naturalne czynniki, dlaczego wystąpiły one w ostatnim stuleciu, a nie w którymś z tysięcy poprzednich?

4. Jeśli emisje antropogeniczne stanowią tylko X% całkowitych emisji, jak mogą decydować o poziomie atmosferycznego CO2?

Strumienie emisji naturalnych są wielokrotnie większe niż emisje antropogeniczne. Oddychanie autotrofów (roślin) to około 60 GtC rocznie, oddychanie heterotrofów (bakterii, grzybów, zwierząt) to kolejne 60 GtC rocznie, emisje oceaniczne (przede wszystkim ze środkowego i wschodniego Pacyfiku) to kolejne 90 GtC rocznie.

Wyżej napisano, że spalenie kilograma węgla powinno spowodować wzrost zawartości CO2 w atmosferze o 3,67 kilograma. Dlaczego zatem emisje naturalne, w ilości 210 GtC rocznie, nie prowadzą do odpowiedniego wzrostu pCO2 (o ~100 ppm rocznie)?

Odpowiedź jest prosta, choć często przyjmowana z niedowierzaniem: otóż naturalne emisje CO2 są niemal idealnie zbilansowane procesami pochłaniającymi ten gaz z atmosfery.

Przykładowo, rośliny lądowe w procesie fotosyntezy pochłaniają około 120 GtC rocznie, niwelując emisje z oddychania zarówno autotrofów, jak i heterotrofów. Oznacza to, że każda cząsteczka CO2, która jest przez nas wydychana, wcześniej musiała zostać pochłonięta przez jakąś roślinę, po czym trafić do naszego ciała w formie pożywienia. Podobnie jest z oceanami -- emisje z ciepłych wód tropikalnych są niwelowane pochłanianiem CO2 w rejonie Atlantyku, fotosynteza alg jest niwelowana oddychaniem żywiących się nimi morskich organizmów, i tak dalej.

Cykl węglowy obejmuje wiele takich elementów, wymieniających atomy węgla (w postaci jego tlenku, węglowodanów, węglanów czy innych związków chemicznych) na wielu różnych poziomach. Nie jest on idealnie szczelny -- przykładowo, węgiel "wycieka" z wielu ekosystemów leśnych, odkładając się w postaci torfu; odchody i martwe ciała morskich organizmów opadają na dno, i jeśli nie zostaną po drodze rozłożone przez bakterie, odkładają się w postaci osadów dennych. W skali stuleci i tysiącleci cykl węglowy pozostaje jednak stabilny.

Można więc sobie wyobrazić cykl węglowy jako model złożony z kilku pudełek, z których każde reprezentuje jakiś rezerwuar węgla: atmosferę, biosferę, ocean "ciepły", ocean "zimny", ocean "głęboki". Przepływ węgla pomiędzy pudełkami jest regulowana wewnętrzną dynamiką procesów takich jak wymiana gazowa pomiędzy atmosferą a górną warstwą oceanow, cykl życiowy autotrofów i heterotrofów, czy cyrkulacja termohalinowa. W normalnych warunkach, panujących przez większość holocenu, cały system był w stanie równowagi: ilość węgla wpływającego do jednego pudełka była równoważona tym, co z niego uciekało.7

Dlatego, gdy mowa o naturalnych emisjach CO2, należy pamiętać że jest to tylko jedna strona równania. Drugą stanowi absorpcja dwutlenku węgla, i dopiero porównanie tych dwóch wartości mówi nam, czy faktycznie mamy do czynienia z procesami prowadzącymi do wzrostu zawartości CO2 w atmosferze.

5. Czy za wzrost poziomu CO2 nie mogą być odpowiedzialne ogrzewające się oceany?

Nie. Choć teoretycznie można sobie wyobrazić naturalne zaburzenie cyklu węglowego -- i choć faktycznie zaburzenia takie miały miejsce w przeszłości geologicznej Ziemi -- nic nie wskazuje na to, byśmy mieli z takim zjawiskiem do czynienia obecnie.

Po pierwsze, gdyby oceany, z jakiegoś powodu, emitowały więcej CO2 niż pochłaniały, obserwowalibyśmy znacznie większy przyrost CO2 w atmosferze: będący sumą emisji antropogenicznej oraz niezbilansowanej emisji oceanicznej. W rzeczywistości, z tego że przyrost pCO2 jest mniejszy (mniej więcej o połowę) niż emisje antropogeniczne, musi wynikać że procesy naturalne (w tym oceany) pochłaniają więcej CO2 niż emitują.

Po drugie, z pomiarów składu izotopowego węgla znajdującego się w atmosferze oraz w oceanach wiemy, że źródłem są paliwa kopalne.8

Po trzecie, dane z przeszłości geologicznej Ziemi pozwalają nam oszacować, jaki wzrost zawartości CO2 w atmosferze odpowiada ociepleniu oceanów. Okazuje się, że jest on niewielki -- dzięki czemu pCO2 nie przekroczyło 300 ppm w ciągu ostatniego miliona lat.9

6. A wulkany? Słyszałem że jeden wulkan...

Źle słyszałeś. Emisje wulkaniczne to są marne kilkaset milionów ton CO2, mniej niż 1% emisji antropogenicznych.10

7. Czy "antropogeniczny" węgiel nie znajdował się kiedyś w atmosferze?

Oczywiście, że tak. Ponieważ węgiel i węglowodory są pochodzenia organicznego, wchodzące w ich skład atomy węgla musiały kiedyś zostać wychwycone z atmosfery.

W litosferze znajdują się ogromne ilości węgla, który w którymś momencie "przeszedł" przez atmosferę. Nawet jeśli w ciągu roku odkłada się, w postaci osadów, zaledwie 200 milionów ton węgla, to po milionie lat z systemu "wycieka" w sumie 200 tys. GtC.11 Ponieważ emisje wulkaniczne są też tego samego rzędu wielkości, więc system pozostaje mniej więcej zbilansowany. Mniej więcej, bo zmiany aktywności wulkanicznej czy tempa wietrzenia krzemianów mogą, w skali milionów lat, doprowadzić do znacznego wzrostu bądź spadku poziomu CO2.

Przepływ CO2 pomiędzy atmosferą i litosferą jest więc bardzo powolny, tym bardziej niezwykła jest zatem działalność przemysłowa człowieka, który znalazł sposób, by przyspieszyć ten proces setki razy, wydobywając i spalając węgiel i ropę. "Antropogeniczne emisje CO2" oznaczają więc mechanizm bezprecedensowy w historii geologicznej Ziemi, a nie tylko trywialną obserwację, że chodzi o emisje związane z ludźmi.

8. Ile wynosi "długość życia" antropogenicznego węgla w atmosferze?

Jeśli mówimy "połowa wyemitowanego przez ludzkość węgla pozostaje w atmosferze", nie oznacza to, że połowa tych konkretnych cząsteczek CO2, które wylatują z kominów elektrowni i rur wydechowych samochodów, utrzymuje się w atmosferze na zawsze.

Ponieważ oceany i biosfera absorbują około 210 GtC rocznie, a w chwili obecnej w całej atmosferze znajduje się 830 GtC, więc łatwo zauważyć że już po upływie kilku lat większość "oryginalnych" cząsteczek CO2 powinna zostać z niej usunięta. Oczywiście, zamiast nich w atmosferze pojawiają się "nowe" cząsteczki wyemitowane przez oceany i biosferę, z których część chwilę wcześniej znów była w atmosferze, i tak dalej. Śledząc losy pojedynczego atomu węgla zaobserwowalibyśmy zapewne jego wielokrotną podróż pomiędzy atmosferą, biosferą i górną warstwą oceanów. Dzieląc wielkość rezerwuaru węgla (np. dla atmosfery jest to 830 GtC) przez wielkość strumienia do innego rezerwuaru (np. rośliny lądowe wychwytują 120 GtC rocznie, a całkowita biomasa roślinna i bakteryjna to około 500 GtC), otrzymujemy "czas obrotu" węgla w tym strumieniu -- w naszym przypadku, 7 lat. Czas ten można w przybliżeniu uważać za okres, jaki cząsteczka węgla spędza w danym rezerwuarze, zanim zostanie z niego usunięta (dla atmosfery trzeba oczywiście zdefiniować je osobno dla każdego strumienia, więc jest to trochę bardziej skomplikowane).

Nie oznacza to jednak, że jeśli wprowadzimy do atmosfery jakąś ilość dodatkowego (np. pochodzącego ze spalania kopalin) CO2, to zostanie on z niego trwale usunięty po tych kilku latach. Powróćmy do naszego prostego modelu "dwupudełkowego" z atmosferą (800 GtC) i biosferą (500 GtC), i dodajmy do atmosfery 800 GtC, podwajając ilość dwutlenku węgla. Jeśli wartości emisji i absorpcji się nie zmienią, i dalej będą wynosić po 120 GtC, to "dodatkowy" węgiel pozostanie w atmosferze "na zawsze", nawet jeśli jego atomy zostaną po kilkunastu latach proporcjonalnie rozproszone w obu rezerwuarach.

W rzeczywistym świecie znaczne zaburzenie wielkości jakiegoś rezerwuaru węgla powoduje oczywiście zmianę wartości strumieni, i ustalenie nowego stanu równowagi. Przykładowo, więcej CO2 w powietrzu stymuluje bardziej efektywną fotosyntezę i przyrost biomasy roślinnej, co powoduje przepływ części "nadwyżki" z atmosfery do biosfery. Proces ten jest jednak znacznie wolniejszy, i zależy od wielu innych czynników (temperatury, dostępności wody i innych pierwiastków).

Oceany również reagują na zwiększone stężenie CO2, choć nie tak jak często się to przedstawia. Zgodnie z prawem Henry'ego, ilość gazu rozpuszczonego w roztworze jest proporcjonalna do ciśnienia parcjalnego tego gazu (współczynnik proporcjonalności zależy z kolei od temperatury i zasolenia wody). Podwojenie zawartości CO2 w atmosferze powinno więc skutkować podwojeniem ilości CO2 rozpuszczonego w oceanach.

CO2 ulega jednak wpierw przemianie w kwas węglowy, a później dysocjacji, i ta jego część, która jest regulowana wprost prawem Henry'ego, stanowi w typowych warunkach 0,5% całkowitej ilości rozpuszczonego w wodzie węgla, określanego zwykle akronimem DIC (dissolved inorganic carbon, rozpuszczony węgiel nieorganiczny). Reszta DIC występuje w formie jonów węglanowych i wodorowęglanowych, które "buforują" dodatkowe ilości wprowadzanego kwasu węglowego.

Nie wnikając w (dość skomplikowane) szczegóły, wystarczy powiedzieć że ten "bufor" z jednej strony zwiększa ilość węgla, który może zostać rozpuszczony w oceanach, w stosunku do tego co wynikałoby z prawa Henry'ego; z drugiej strony powoduje jednak, że wzrost całkowitej ilości węgla w oceanach (DIC) nie jest wprost proporcjonalny do wzrostu pCO2 w atmosferze. Dodatkowo, wraz ze wzrastającą ilością pochłoniętego CO2, zdolność buforowania zmniejsza się, i coraz większy procent węgla pozostaje w atmosferze.

Uwzględniając te, i inne jeszcze czynniki, można wyliczyć, ile czasu trwa powrót cyklu węglowego do stanu równowagi. Poniższy wykres pokazuje wyniki takich wyliczeń, dla natychmiastowych emisji różnej wielkości (oraz, linią przerywaną, dla scenariuszy stopniowego wzrostu i spadku emisji CO2).12

Widać, że dla emisji umiarkowanych, tj. poniżej 2000 GtC (jeden petagram równy jest jednej gigatonie), początkowy spadek zawartości CO2 w atmosferze jest bardzo szybki, np. dla 960 GtC już po 60 latach połowa węgla zostaje pochłonięta przez oceany. Późniejszy spadek jest już znacznie wolniejszy (wraz z powolnym transportem w głębiny oceaniczne i reakcją kwasu węglowego z węglanem wapnia), i nawet po tysiącach lat w atmosferze wciąż pozostaje ponad 20% wprowadzonego do niego węgla. Na zniwelowanie i tej nadwyżki trzeba byłoby poczekać dziesiątki tysięcy lat.

9. Skąd wiadomo, że naturalne mechanizmy pochłaniania CO2 nie skonsumują antropogennej nadwyżki?

Kiedyś, w końcu skonsumują. Stężenie CO2 rośnie, gdyż obecnie emisje antropogeniczne przewyższają dwukrotnie zdolność usuwania węgla z atmosfery przez biosferę i oceany. Gdy zredukujemy emisje, poziom CO2 w atmosferze zacznie opadać -- choć powrót do stanu przedindustrialnego zajmie bardzo długo (patrz pytanie wyżej).

Nie można natomiast oczekiwać, by spontanicznie pojawił się naturalny mechanizm, który gwałtownie zacznie ściągać poziom CO2 w tempie przewyższającym aktualne (i wciąż rosnące) emisje antropogeniczne. Współczesna nauka takiego mechanizmu nie zna i nawet trudno byłoby wskazać, gdzie miałby się on chować. Choć może się wydawać, że zwiększenie np. wydajności fotosyntezy o 8,5% (czyli pobieranie 130 GtC zamiast 120 GtC) w zupełności wystarczy do zniwelowania emisji antropogenicznych, węgiel pochłonięty z atmosfery musiałby zostać trwale związany w biomasie roślinnej. Przy obecnych emisjach oznaczałoby to, w ciągu 50 lat, podwojenie całkowitej biomasy wszystkich ziemskich organizmów.


1) Dane dostępne na stronach Earth System Research Laboratory. Słynny artykuł Keelinga raportujący pierwsze precyzyjne pomiary stężenia CO2 to
C. D. Keeling (1960), "The Concentration and Isotopic Abundances of Carbon Dioxide in the Atmosphere", Tellus, 12, 200-203 (link).
Historyczny przegląd znaczenia tych obserwacji jest opisany w
E. T. Sundquist i R. F. Keeling (2009), "The Mauna Loa Carbon Dioxide Record: Lessons for Long-Term Earth Observations, in Carbon Sequestration and Its Role in the Global Carbon Cycle", red. B.J. McPherson and E.T. Sundquist, AGU Geophysical Monograph 183, pp. 27-35 (link).

2) Np. Atmospheric Infrared Sounder albo japoński GOSAT.

3) Najświeższe dane, wraz z bibliografią, dostępne są na stronie Carbon Budget Project.

4) Funkcjonowanie cyklu węglowego jest opisane w wielu podręcznikach do ekologii, oceanografii czy klimatologii fizycznej. Kilka klasycznych pozycji: Carbon Cycle pod redakcją Wigleya i Schimela, Principles of Terrestrial Ecosystem Ecology Chapina, Matsona i Mooneya, The global carbon cycle: integrating humans, climate, and the natural world pod redakcją Fielda i Raupacha. Dobrym, łatwo dostępnym wprowadzeniem może być też siódmy rozdział ostatniego raportu IPCC
K.L. Denman i in. (2007), "Couplings Between Changes in the Climate System and Biogeochemistry" (link).

5) C. D. Keeling (1979), "The Suess Effect: 13Carbon-14Carbon Interrelations", Environment International, Vol. 2, pp. 229-300.

6) D. Lüthi i in (2008), "High-resolution carbon dioxide concentration record 650,000-800,000 years before present", Nature vol. 453, No. 7193, pp. 379-382.

7) Wprowadzenie do "modeli pudełkowych" geochemii oceanów można znaleźć w podręczniku
J. L. Sarmiento i N. Gruber (2006), Ocean Biogeochemical Dynamics (link).

8) Ibid, oraz
(2001) Ocean Biogeochemistry and Global Change pod red. Baliño, Fashama i Bowles (link).

9) D. C. Frank i in. (2010) "Ensemble reconstruction constraints on the global carbon cycle sensitivity to climate", Nature 463, 527-530.

10) Volcanic Gases and Climate Change Overview, USGS (link).

11) K. Holmén (1992) "The Global Carbon Cycle", w: Global biogeochemical cycles pod red. Butchera i in (link).

12) M. Eby, K Zickfield, A. Montenegro, D. Archer, K.J. Meissner, i A.J. Weaver (2009), "Lifetime of Anthropogenic Climate Change: Millennial Time Scales of Potential CO2 and Surface Temperature Perturbations", J. Climate 22(10): 1502-1511, (link).

piątek, 10 grudnia 2010, perfectgreybody

Polecane wpisy

TrackBack
TrackBack w tym blogu jest moderowany. TrackBack URL do wpisu:
Komentarze
2011/06/20 21:20:01
Czy można określić w przybliżeniu udział poszczególnych procesów naturalnych w pochłanianiu tych 21 miliardów ton C02 spośród 36, które są pochodzenia antropogenicznego ?
-
2011/06/21 07:38:49
Da się. Patrz np.
www.seas.harvard.edu/climate/seminars/pdfs/khatiwala.primeau.hall.nature.2009.pdf
w szczególności obrazek S3 z suplementu:
www.nature.com/nature/journal/v462/n7271/extref/nature08526-s1.pdf

Jak widać, największe niepewności związane są z emisjami przez wylesianie, gdzie policzenie, ile węgla idzie do atmosfery, nie jest tak proste jak przy jego spalaniu; oraz w drugą stronę - dla pochłaniania CO2 przez roślinność, gdzie szacunki też są dużo bardziej skomplikowane niż wyliczenia transportu węgla w oceanach (jak np. w tej pracy www.nature.com/nature/journal/v463/n7277/fig_tab/nature08687_F1.html#figure-title ).
-
Gość: JKM, *.toya.net.pl
2012/03/19 20:26:36
"Obecnie, w ciągu każdej godziny, nasz przemysł spala około miliona ton węgla, ropy i gazu -- co odpowiada emisji 3,67 milionom ton CO2. Wliczając inne źródła emisji, w ciągu roku wprowadzamy do atmosfery 10 miliardów ton węgla (10 GtC, gigaton węgla), czyli 36,7 miliardów ton CO2 (36,7 GtCO2, gigaton CO2)."

Co to są te inne źródła emisji?
-
2012/03/19 22:28:05
Produkcja cementu, wylesianie i przekształcanie gruntów (LUCC)
Creative Commons License