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.

26126

22

O6OHCświetlna energia OH6CO6

+→→++

energia OH6CO6 O6OHC

22

26126

++→+

fotosynteza

Respiracja (oddychanie)

PPB, PPN

Produkcja PierwotnaBrutto: PPB

PPB = PPN + Respiracja

Produkcja PierwotnaNetto: PPN

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 +→

-3

2 2(g)3

HCO2Ca

OHCOCaCO

+⇔

⇔+++

97,5

CO

-3

2

eq 10P

]HCO][[Ca K2

−+

==

Strącanie/rozpuszczanie CaCO3

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

1,000C organiczny36,730- ocean głeboki

670 - ocean powierzchniowy 37,400C nieorganiczny38,400Oceany

720Atmosfera

Ilość C (Gt)Zbiornik

250inne (torf)140gaz230ropa

3,510węgiel4,130Paliwa kopalne1-2Biosfera wodna

1,200biomasa martwa600-1,000biomasa żywa

2,000Biosfera lądowa15,000,000kerogen>60,000,000węglany osadowe

Litosfera

Ilość C (Gt)Zbiornik

Globalny obieg węgla – zasoby i strumienie

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

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

Globalny bilans węgla

(PgC/rok) Lata 80-te 90-te 2000-5

Przyrost atmosferyczny: 3,3 ± 0,1 3,2 ± 0,1 4,1 ± 0,1

Emisje antropogeniczne: 5,4 ± 0,3 6,4 ± 0,4 7,2 ± 0,3(paliwa kop.+cement)

Ocean-atmosfera: -1,8 ± 0,8 -2,2 ± 0,4 -2,2 ± 0,5

Lądy-atmosfera: -0,3 ± 0,9 -1,0 ± 0,6 -0,9 ± 0,6

w tym:

zmiany użytkowania lądów: 1,4 1,6 ?

(0,4 - 2,3) (0,5 - 2,7)

residual land sink„missing sink” -1,7 -2,6 ?

(-3,4 do 0,2) (-4,3 do -0,9)

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.

Atmosferyczny CO2 w przeszłości

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 agoW. 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 lasów na potrzeby upraw,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

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.

Rola oceanów

Rola oceanów – procesy abiotyczne

Zasób C nieorganicznego rozpuszczonego w oceanach jest 50 razy większy od zasobu C 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 węglanowe oraz odchody i fragmenty martwych organizmów opadając na dno usuwają C z powierzchniowej warstwy oceanu.„Pompa węglanowa”

Wzrost wydajności pomp oceanicznychwymaga wzrostu dostępności pierwiastkówbiogennych.

termoklina 100 m

lizoklina 3500 m

0,1 0,3 0,1

45 103

CaCO3 0,7

11

0,4

0,2 0,01 CaCO3

transp. fiz.

33

-3

-232 2 HCO2CO OHCO ⇔++

DIC w wodach powierzchniowych

Fitoplankton Zooplankton

Detrytus

88 90

PPN PPB

respiracja 34

OSADY

42

DIC DOC/POC

0,2

Obieg węgla w oceanie

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

Hydraty metanu

Metan rozpuszczony w wodzie morskiej tworzy w niskiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem (poniżej Głębokości 300 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 formie substancji organicznych. C wraca do atmosfery 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 ureguluje obieg węgla?

Ujemne sprzężenie zwrotne pomiędzy stężeniem CO2 i intensywnością fotosyntezy jest osłabiane

przez:

- niedostatek biogenów- zwiększenie respiracji heterotroficznej ze wzrostem temperatury- zaburzenia równowagi w glebach i ekosystemach

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. zalesianie powoduje zmniejszenie odpływu powierzchniowego, wzrost zasolenia i zakwaszenia gleb.

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

Sekwestracja CO2

Metody technologiczne

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

- Głębokie poziomy wodonośne (możliwość ucieczki)

Trwałe usunięcie CO2 zapewnia jedynie:

-neutralizacja kwasu węglowego (wymaga dużych

stężeń CO2 - elektrownie nie emitujące żadnych

gazów)

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.