GLOBALNE CYKLE BIOGEOCHEMICZNE

obieg węgla

Ziemia 350 ppm (14)

Skorupa ziemska 200 ppm (17)

Oceany (organiczny) 2 ppm (15)

Oceany (nieorg.) 28 ppm (10)

Atmosfera (CO2) 370 ppmv (4)

Atmosfera (CH4) 1,8 ppmv (7)

We wszechświecie – 4 miejsce

Rozpowszechnienie węgla (wagowo)

W organizmie ludzkim:

mięśnie: 670 000 ppm,

kości: 360 000 ppm.

Dobowe spożycie: 300 g.

Całkowita zawartość (70 kg): 16 kg

Węgiel – główny budulec organizmów żywych

Aminokwasy

C

COO-

HH3N+

CH2

CH2

COO-

Kwas glutaminowy

Węglowodany

glukoza

Tłuszczowce

lecytyna

Znaczenie cyklu węglowego dla biosfery

Cykl węglowy i powiązany z nim cykl tlenowy określają dynamikę biosfery.

Węgiel w materii organicznej i cząsteczkowy tlen to dwa bieguny procesów utleniająco –

redukujących.

Fotosynteza/respiracja

26126

22

O6OHCświetlna energia OH6CO6

+→→++

energia OH6CO6 O6OHC

22

26126

++→+

fotosynteza

Respiracja (oddychanie)

Fotosynteza, produkcja pierwotna

2116110263106

2-2

4-32

O138PNOHCenergia i śladowe ipierwiastk18H

OH122HPONO16CO106

+→→++

+++++

Proporcja Redfielda:

C:N:P = 106:16:1

PPB, PPN

Produkcja PierwotnaBrutto: PPB

PPB = PPN + Respiracja

Produkcja PierwotnaNetto: PPN

Fotosynteza, produkcja pierwotna

Dekompozycja materii organicznej

Resztki roślinne i zwierzęce

Mineralizacja Humifikacja

Butwienie(tlenowe)

Gnicie(beztl.)

Produkty humifikacji

CO2, H2O,jony CO2, H2O,

H2S, CH4, N2

Kwasy fulwowe,Kwasy huminowe,huminy

Dekompozycja w środowiskach wodnych

OHCO OOCH 2222 +→+

OH3HCO4CON2

NO4O5CH

2-322

-32

+++

→+

-3

22222

HCO4Mn2

OH3CO MnO2OCH

+

→++++

1. Utlenianie

2. Redukcja azotanów

3. Redukcja tlenku manganu

Dekompozycja w środowiskach wodnych

4. Redukcja tlenków (wodorotlenków) żelaza

5. Redukcja siarczanów

6. Metanogeneza

OH3HCO8Fe4

7CO Fe(OH)4OCH

2-3

2232

++

→+++

-32

-42 HCO2SH SOO2CH +→+

242 COCH O2CH +→

Grzyby

Dżdżownice

-3

2 2(g)3

HCO2Ca

OHCOCaCO

+⇔

⇔+++

97,5

CO

-3

2

eq 10P

]HCO][[Ca K2

−+

==

Strącanie/rozpuszczanie CaCO3

)P()(CO2CO2 HK=

)CO()HCO)((H 21-3 K=+

Minerały węglanowe

theimage.com

Kalcyt CaCO3

Minerały węglanowe

theimage.com

Dolomit (Ca,Mg)CO3

Minerały węglanowe

theimage.com

Aragonit CaCO3

Biologiczne strącanie węglanów

http://www.uq.edu.au/nanoworld

Fizykochemiczne strącanie węglanów

trawertyny

Węgiel w litosferze

Nieorganiczny, występuje w skałach osadowych:wapieniach, dolomitach

Organiczny (kerogen), rozproszony w skałach osadowych, głównie łupkach

Węgiel w środowiskach

wodnych

DIC – Dissolved Inorganic Carbon

PIC – Particulate Inorganic Carbon

DOC – Dissolved Organic Carbon

POC – Particulate Organic Carbon

250inne (torf)

140gaz

230ropa

3,510węgiel

4,130Paliwa kopalne

1-2Biosfera wodna

1,200biomasa martwa

600-1,000biomasa żywa

2,000Biosfera lądowa

15,000,000kerogen

>60,000,000węglany osadowe

Litosfera

1,000C organiczny

36,730głeboki

670powierzchniowy

37,400C nieorganiczny

38,400Oceany

720Atmosfera

Ilość C (Gt)Zbiornik

Globalny obieg węgla – zasoby i strumienie

Żródło: raport IPCC, http://www.ipcc.ch

Izotopy węgla

Dwa trwałe izotopy węgla:

12C - 98,9%13C - 1,1%

Standardem jest skała węglanowa - VPDB.

Promieniotwórczy izotop:

14C - T1/2=5730 lat

Izotopy węgla

+ 5

δ13C (‰)

0

- 5

- 10

- 15

- 20

- 25

- 30

Atmosferyczny CO2

Rośliny C4

Rośliny C3

-3HCO kalcyt

Oceaniczny CO2

Wpływ człowieka na obieg węgla

CO2 i CH4 – dwa najważniejsze gazy cieplarniane.

Obecne stężenie CO2 w atmosferze jest, w wyniku działalności człowieka wyższe niż

kiedykolwiek w ciągu ostatnich 20 mln lat.

Dowody na antropogeniczne przyczyny wzrostu stężenia CO2

1. Spadek stężenia O2 w atmosferze.

3. Zmiany składu izotopowego CO2 w atmosferze.

6. Szybszy wzrost stężenia CO2

na półkuli północnej

Los antropogenicznego CO2

Naturalne procesy asymilują znaczną część antropogenicznych emisji CO2, ale wzrost jego zawartości w atmosferze jest nieunikniony.

Żródło: raport IPCC, http://www.ipcc.ch

Oszacowania IPCC oparte o długoletnie trendy CO2 i O2 w atmosferze

(PgC/rok) Lata 80-te 90-te

Przyrost atmosferyczny: -3,3 ± 0,1 -3,2 ± 0,1

Emisje antropogeniczne: 5,4 ± 0,3 6,3 ± 0,4

Strumień atmosfera-powierzchnia: -0,2 ± 0,7 -1,4 ± 0,7

Strumień atmosfera-ocean: -1,9 ± 0,6 -1,7 ± 0,5

Zmiany użytkowania lądów: 1,7 (0,6 - 2,5) ?

residual terrestrial sink

„missing sink” 1,9±(0,3–3,8) (2,8)

Zagadka globalnego bilansu węgla

1,9±(0,3–3,8) PgC/rok

Asymilację tego strumienia węgla przypisuje się lądowej biosferze. Duża niepewność tego oszacowania wynika z niepewności oszacowań zasobu CO2 w atmosferze oraz strumienia związanego ze zmianami użytkowania lądów.

Zagadka globalnego bilansu węgla

(PgC/rok) Lata 80-te 1850-1989

Przyrost atmosferyczny: -3,3 ± 0,1 -141 ± 10

Emisje antropogeniczne: 5,4 ± 0,3 213 ± 20

Strumień atmosfera-powierzchnia: -0,2 ± 0,7 -39 ± 60

Strumień atmosfera-ocean: -1,9 ± 0,6 -111 ± 56

Zmiany użytkowania lądów: 1,7 (0,6 - 2,5) 123 ± 40

residual terrestrial sink

„missing sink” 1,9±(0,3–3,8) 80 ± 72

Zagadka globalnego bilansu węgla

Atmosferyczny CO2 w przeszłości

Historia obiegu węgla

• Atmosfera pierwotnej Ziemi mogła zawierać nawet 3% CO2 – silny efekt cieplarniany.• Usuwanie CO2 z atmosfery w wyniku wietrzenia skał było równoważone przez emisje wulkaniczne. • Pojawienie się życia znacząco zmniejszyło zawartość CO2 w atmosferze oraz zwiększyło o 3 rzędy wielkości strumienie C

• Przewaga produkcji pierwotnej nad dekompozycją w pewnych okresach prowadziła do akumulacji materii organicznej w osadach – paliwa kopalne.

Kiedy rozpoczął się wpływ człowieka?

Kiedy zaczęła się era antropogeniczna (ze względu na wzrost atmosferycznej zawartości CO2 i CH4)?

Powszechny pogląd: 150 – 200 lat temu, ale:

The anthropogenic greenhouse era began thousands of years ago

W. F. Ruddiman, Climatic Change, 61, 2003

Kiedy rozpoczął się wpływ człowieka?

Materiały archeologiczne, historyczne, kulturowe i geologiczne z obszaru Eurazji dowodzą, że:

8000 lat temu rozpoczęła się wycinka lasówna potrzeby uprawne,5000 lat temu rozpoczęto nawadnianie pól ryżowych.

W ostatnim tysiącleciu te emisje gazów szklarniowych spowodowały globalny wzrost temperatury o 0,8 ºC (na dużych szerokościach o 0,8 ºC).

Zaobserwowane dla ostatniego tysiąclecia wahania stężenia CO2 mogły być wywołane wzrostem lesistości po wielkich epidemiach.

Czy żyjemy w okresie historii Ziemi wyjątkowym ze względu

na obieg węgla?

Czy żyjemy w okresie historii Ziemi wyjątkowym ze względu

na obieg węgla?

Czy żyjemy w okresie historii Ziemi wyjątkowym ze względu

na obieg węgla?

Wzrosty stężenia szybsze od spadków –asymetria w wymianie CO2 pomiędzyatmosferą i oceanami oraz lądową biosferą.

Dotychczasowa stabilizacja wahań dzięki ujemnym sprzężeniom zwrotnym.

Wpływy antropogeniczne a naturalne fluktuacje CO2

Wpływy antropogeniczne a naturalne fluktuacje CH4

Rola oceanów

Rola oceanów – procesy abiotyczne

Zasób C nieorganicznego rozpuszczonego w oceanach jest 50 razy większy od zasobuC w atmosferycznym CO2.

To oceany kontrolują poziom CO2

w atmosferze, nie odwrotnie.

Zdolność oceanów do asymilacji CO2 jest

ograniczona:-Dostawa kationów pochodzących

z wietrzenia skał jest zbyt wolna.-Cyrkulacja termohalinowa osłabia się

w wyniku ocieplenia oceanów.

ALE:

Rola oceanów – procesy biotyczne

Fitoplankton obniża stężenie atmosferycznego CO2 o 150 – 200 ppm.

„Pompa biologiczna”

Dodatkowo szkielety i skorupki węglanoweoraz odchody i fragmenty martwych organizmów opadając na dno usuwająC z powierzchniowej warstwy oceanu.

„Pompa węglanowa”

Wzrost wydajności pomp oceanicznychwymaga wzrostu dostępności pierwiastkówbiogennych.

Hydraty metanu

Metan rozpuszczony w wodzie morskiejtworzy w niskiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem (poniżej głębokości300 m) hydrat – krystaliczną, przezroczystąsubstancję przypominającą lód.

Środowiskowe znaczenie hydratów metanu

Zasób węgla zawarty w hydratach dwukrotnie przewyższa zasób węgla w paliwach kopalnych!

• Potencjalne źródło energii

• Poważny czynnik w efekcie szklarniowym – zawierają 3000 razy więcej metanu niż atmosfera

• Uwalnianie metanu z hydratów może wywoływać podmorskie osuwiska (tsunami)

|Rubisco

Enzym tworzący materię organiczną. Działa wolno, asymiluje tylko 3 atomy C w ciągu sekundy, najbardziej rozpowszechniony enzym.Jego aktywność rośnie ze stężeniem CO2

do 800 – 1000 ppm.

Rola biosfery lądowej

Brak „pomp”.Asymilowany C gromadzony w formiesubstancji organicznych. C wraca doatmosfery poprzez procesy o różnych skalach czasowych:

- respiracja autotroficzna- respiracja heterotroficzna- zaburzenia o charakterze katastrof, np.

pożary lasów.

Organizmy lądowe i gleby zawierają 3 razy więcej C niż atmosfera, ale jego czas przebywania jest rzędu dekad.

Czy biosfera lądowa nas uratuje?

Ujemne sprzężenie zwrotne pomiędzystężeniem CO2 i intensywnością

fotosyntezy jest osłabiane przez:

- niedostatek biogenów- wzrost respiracji heterotroficznej

z temperaturą- zaburzenia gleb i ekosystemów

PPN 60

4

<0,1

spalanie

Detrytus τ <10 lat (300)

zwierzęta

Zmodyfikowany węgiel glebowy, τ = 10 do 1000 lat (1050)

Węgiel refrakcyjny τ = > 1000 lat (150)

?

PPB 120

respiracja

55 60

DOC 0,4

Zmiany sposobu użytkowania ziemi

WylesianieUżytkowanie rolniczeOsuszanie terenów podmokłych

Sekwestracja CO2

Wykorzystanie naturalnych procesów nie pozwala na usunięcie wymaganych ilości CO2 na odpowiednio długi czas.

Biologiczna – niewystarczająca pojemność,powoduje wystąpienie innych środowiskowych problemów. Np. zalesianiepowoduje zmniejszenie odpływu powierzchniowego, wzrost zasolenia i zakwaszenia gleb.

Absorpcja kwasu węglowego przez oceany –ograniczona pojemność, zbyt krótki czasprzebywania, ograniczony mieszaniem oceanów.

Sekwestracja CO2

Metody technologiczne

- Pompowanie do złóż ropy i gazu (ograniczona pojemność, możliwośćucieczki)

- Głębokie poziomy wodonośne (możliwośćucieczki)

Trwałe usunięcie CO2 zapewnia jedynie:

-neutralizacja kwasu węglowego (wymaga

dużych stężeń CO2 - elektrownie

nie emitujące żadnych gazów)

Sekwestracja CO2

ZDOLNOŚĆ GROMADZENIA C [Gt]1 10 103 104 105 106 102

1

10

102

103

104

105

CZA

S PR

ZEBY

WAN

IA C

[LAT

A]

Mieszanieoceanu

Infrastruk -tura

węglanoweMinerały

Węg

iel

ocea

nicz

ny

Ogr

anic

zeni

e tle

now

e

C k

opal

ny

Wtłaczaniepod ziemię

Oceanneutralny

Oceankwaśny

Zużycie paliw

L – liście (opadłe)D – biomasa drzewna

G – C glebowyEOR – Enhanced Oil Recovery

GD

L

EORRoc

zna

emis

ja CO

2 at

mos

f.C

w b

iom

asie

C g

lebo

wy

Oce

anic

zny

HC

O3-

Globalny obieg węgla – czynniki determinujące stężenie CO2 w

atmosferze

• Strumienie są ważniejsze niż zasoby, np. węglany pustynne zawierają 0,9 ×1018 g C, ale czas jego wymiany z atmosferą wynosi 85 000 lat.

• Obserwowany wzrost zawartości CO2

w atmosferze związany jest wyłącznie ze zmianami strumieni C zachodzącymi w tej samej skali czasowej, np. pożary lasów wpływają na poziom CO2 jeżeli rośnie ich częstotliwość lub obszar.

Globalny obieg węgla – czynniki determinujące stężenie CO2 w

atmosferze

Niewielkie względne zmiany w dużych rezerwuarach węgla mogą dramatycznie wpływać na atmosferyczny CO2.

Przyrost biomasy o 0,2 %/rok wystarczyłby do zbilansowania CO2 w atmosferze.

Wzrost tempa rozkładu lądowej materii organicznej o 1 % uwalniałby do atmosfery 0,6 ×1015 g C/rok.

Perspektywy

Globalny obieg węgla tworzą duże, szybkie strumienie natury biogeochemicznejnałożone na niewielkie, wolne transformacjegeologiczne.

Wzrost tempa wietrzenia wywołany wzrostem temperatury i stężenia CO2 w atmosferze jestniewystarczający dla zrównoważenia, w krótkiej skali czasu, antropogeniczych emisji CO2 do atmosfery.