Globalne zmiany środowiska dr inż. Danuta J. Michczyńska Wykład 6

Obieg węgla w przyrodzie

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6 Obieg węgla Drugi z podstawowych cykli biochemicznych (po obiegu wody) to obieg węgla. Bierze w nim udział węgiel w postaci atomowej lub w różnych związkach. Obieg ten polega głównie na wymianie dwutlenku węgla z atmosferą ziemską. Dwutlenek węgla biorący udział w wymianie pochodzi przede wszystkim z oceanów, gdzie jest go około 16 razy więcej niż w atmosferze. Powstaje również w procesach termicznego rozkładu surowców energetycznych (spalanie, wydobywanie się w czasie erupcji wulkanów i gorących źródeł oraz w procesach oddychania organizmów żywych. Najbardziej zaskakujące jest to, że prawie 90% przemian, związanych z oddychaniem, jest udziałem glonów żyjących w oceanach. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6

Główne rezerwuary węgla Forma występowania Masa C [Gt] Atmosfera CO2 przed 1850 ok. 280 ppm CO2 w 1980 338 ppm CH4 1,5 ppm 594 717 4 Oceany Węgiel nieorganiczny (SCO2) Rozpuszczona materia organ. Biomasa 39 000 ok. 1600 3 Biomasa lądowa Żyjąca Gleby, humus 550 1500 Wody gruntowe 450 Osady Węgiel nieorganiczny Węgiel organiczny ok. 60 000 000 ok. 12 000 000 Paliwa kopalne ok. 5 500 Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6 Ogółem rośliny, wiążąc 160 mld ton węgla, wytwarzają 400 mld ton tlenu w ciągu roku na obszarze całego globu. Mechanizm łańcuchów pokarmowych powoduje przejmowanie zasobów węgla zgromadzonych w roślinach przez organizmy zwierzęce. Procesy metaboliczne, towarzyszące procesom życiowym roślin i zwierząt, powodują usuwanie pewnych ilości związków węgla. Natomiast szczątki jednych i drugich, podlegają procesom mineralizacji, są źródłem powstawania dwutlenku węgla. W tego typu procesach powstaje kompost, próchnica użyźniająca glebę, a także złoża torfu. Podobne przemiany, lecz w innych okresach i warunkach geologicznych, towarzyszyły powstawaniu złóż węgla kamiennego oraz brunatnego, jak również ropy naftowej. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6 Węgiel wielokrotnie przemieszcza się w cyklu zamkniętym między atmosferą ziemską, skorupą ziemską, hydrosferą i organizmami. Węgiel jest głównym pierwiastkiem wchodzącym w skład związków organicznych, z których są zbudowane ciała organizmów. Węgiel znajdujący się w obiegu występuje głównie w wodach mórz i oceanów gdzie jest ok.16 razy więcej niż w atmosferze w postaci rozpuszczalnego dwutlenku węgla( CO2)oraz jonów wodorowęglanowych (HCO3) i węglanowych (CO2-3). W atmosferze węgiel istniej prawie wyłącznie w postaci dwutlenku węgla. Atmosferyczny dwutlenek węgla jest nieprzerwanie pobierany przez rośliny w procesie fotosyntezy oraz stale jest oddawany do atmosfery w procesie oddychania roślin i zwierząt. Dwutlenek węgla związany przez rośliny wchodzi w skład materii organicznej, z której korzystają zwierzęta i drobnoustroje. Martwe szczątki roślin i zwierząt są przez reducentów rozkładane i węgiel powraca w postaci dwutlenku węgla do atmosfery i wód. Zawartość dwutlenku węgla w atmosferze zwiększa się podczas pożarów lasów i przy spalaniu paliw kopalnianych i przemysłowych. Są to dodatkowe źródła węgla wchodzące w di obiegu, a ponieważ dopływ ten nie jest w pełni równoważony przez pobieranie dwutlenku węgla z atmosfery przez rośliny, następuje stały wzrost jego stężenia w atmosferze. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6

Obieg węgla – schemat uproszczony Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6 CO2 w atmosferze Koncentracja CO2 dla szczytu Mauna Loa na Hawajach w latach 1958 – 1999. Koncentracja podana w ppm (części na milion) Koncentracja CO2 w atmosferze ciągle wzrasta. Sezonowe zmiany są powodowane zwiększonym pobieraniem CO2 przez rośliny w lecie. Wzrost zaczął się ok. 300 lat temu. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6

Gdzie jest brakujący CO2? Wzrost koncentracji Emisja ze spalania Zmiany użytko- Pobieranie Brakujący CO2 w atmosferze = paliw kopalnych + wania pow. - przez ocean CO2 3.20(20) = 6.30(40) + 2.20(80) - 2.40(70) - 2.9(11) Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6

Gdzie jest brakujący CO2? Notowany wzrost koncentracji CO2 w atmosferze to tylko połowa tego, co wynika ze spalania paliw kopalnych i wypalania lasów. Gdzie jest reszta? Badania wskazują na fotoautotrofy (organizmy wytwarzajace C z pobieranego CO2 i energię w procesie fotosyntezy). Odnotowano zwiększony wzrost lasów (zwłaszcza w Ameryce Pn. i ilość fitoplanktonu w oceanach. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6 Węgiel w oceanach Dane z rdzeni lodowych wskazują, że koncentracja atm. CO2 odgrywa znaczącą rolę w kształtowaniu klimatu (koncentracja atm. CO2 była wysoka dla okresów interglacjalnych, a niska dla glacjalnych). Koncentracja węgla w oceanie ok. 50-60 razy większa niż w atmosferze -> nawet niewielkie zmiany w szybkości wymiany CO2 między oceanem a atmosferą mogą znacząco wpłynąć na poziom atmosferycznego CO2. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6 Węgiel w oceanach Cykl pochłaniania uwalniania CO2. Fitoplankton pochłaniania CO2 w czasie fotosyntezy. Bakterie żywią się fitoplanktonem i w ten sposób uwalniają składniki odżywcze i CO2 z powrotem do wody.  Ten proces nosi nazwę remineralizacji.  Remineralizacja zachodzi głównie w przypowierzchniowej warstwie wody i CO2 jest albo zużywany ponownie przez fitoplankton do fotosyntezy, albo uwalniany do atmosfery. Gdy fitoplankton obumiera - dostaje się do wód głębinowych. Autor: Lucinda Spokes Polska wersja ryciny: Mateusz Kamiński Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6 Węgiel w oceanach Zdecydowana większość (ok. 95%) węgla w oceanie występuje w formie nieorganicznej (DIC = ang. Dissolved Inorganic Carbon) Suma węgla w oceanie Stężenia molowe mol/l Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6 Węgiel w oceanach Uważa się, że około 30% CO2 pochodzącego ze spalania paliw kopalnych jest magazynowane w oceanach i dostaje się tam wskutek procesów zarówno fizycznych, jak też biologicznych. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6 Morska biosfera działa jak pompa biologiczna. W górnej ok. 100m warstwie oceanu w procesie fotosyntezy CO2 jest pobierany z atmosfery a wytwarzany jest tlen Pompa węglanowa z kolei, produkuje i transportuje na większe głębokości węglan wapnia i usuwa do atmosfery CO2. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6 Morska biosfera jest aktywna w tych ograniczonych rejonach, gdzie w procesie „upwellingu” (wentylacji) wynoszone są do powierzchniowej warstwy oceanu substancje odżywcze z dużych głębokości. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6 Lizoklina CaCO3 + H2O + CO2 → Ca2+ + 2HCO3- Lizoklina – poziom, na którym zaczyna się wyraźne rozpuszczanie materiału węglanowego w kolumnie wody oceanicznej. Znajduje się ona na różnych głębokościach (zróżnicowana zarówno wewnątrz oceanu, jak i między oceanami), ale zazwyczaj poniżej 3000 m. CCD (Carbonate compensation depth) poziom, poniżej którego szybkości dopływu węglanu wapnia i jego rozpuszczania są równe i nie ma osadzania węglanu wapnia. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6

Zmiany w cyrkulacji oceanicznej Łańcuch górski znajdujący się na dnie Atlantyku tworzy barierę między stanem epoki lodowej i interglacjałem. W tym miejscu ocean jest płytszy i Islandia oraz wyspy Faroer nawet wystają ponad poziom morza.  Mogą wystąpić trzy różne stany cyrkulacji wód na Pn. Atlantyku:  Ciepły prąd dociera tylko do niższych szerkości geograficznych (epoka lodowa), Dociera on do wysokich szerokości geograficznych (okres ciepły), W ogóle zanika (tzw. przypadek Heinricha). Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6

Zmiany w cyrkulacji oceanicznej W okresach ciepłych, jak np. obecnie, Prąd Północnoatlantycki dociera poza 'barierę' i przynosi ciepłe wody do obszarów pn. Europy. W czasie epok lodowych ciepły prąd jest zatrzymywany przez 'barierę'. W obszarach położonych bardziej na północ morze jest pokryte lodem. Przypadek Heinricha to stan kiedy ustaje tworzenie się wód głębinowych, prąd morski ustaje. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6

Zmiany w cyrkulacji oceanicznej Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6

Zmiany w cyrkulacji oceanicznej Kiedy następuje zakłócenie prądów oceanicznych? Gdy następuje topienie się lodu w okresach ciągłego ocieplania (np. pod koniec epoki lodowej) to sporo słodkiej wody ze stopionego lodu może zasilić wody Północnego Atlantyku. Ponadto wody powierzchniowe stają się cieplejsze podczas gdy wody głębinowe są dalej zimne. Woda nie może więc opadać. W takim wypadku cyrkulacja oceaniczna może na jakiś czas ustać w danym regionie. Nazywamy to przypadkiem Heinricha. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6

Zmiany w cyrkulacji oceanicznej Około 15000 lat temu zakończyła się ostatnia Epoka Lodowa i temperatura Ziemi wzrosła. To ocieplenie spowodowało topnienie pokrywy lodowej i wzrost ilości wody słodkiej wpływającej do Północnego Atlantyku, co zatrzymało cyrkulację oceaniczną i spowodowało kolejne ochłodzenie. Gdy cały lód uległ stopieniu i zabrakło owych dodatkowych dostaw wody słodkiej, to naturalna cyrkulacja oceaniczna została przywrócona  i temperatura gwałtownie (oczywiście w geologicznej skali czasu!) wzrosła, gdyż ciepłe wody z rejonów zwrotnikowych mogły swobodnie przepływać w kierunku Północnego Atlantyku. Źródło: R. Alley oraz projekt CLIVAR.  Polska wersja ryciny: Mateusz Kamiński Młodszy Dryas Globalne Zmiany Środowiska Wykład 6