Szybki cykl węglowy, część 1: atmosfera i ekosystemy lądowe

Nie jesteśmy jedynymi emitorami dwutlenku węgla do atmosfery i nie cały wypuszczany przez nas CO₂ pozostaje w powietrzu. Po emisji dołącza on do mas węgla nieustannie krążących pomiędzy elementami przyrody – atmosferą, biosferą, hydrosferą i litosferą. W oparciu o materiały zebrane na potrzeby naszej książki (Nauka o klimacie) przygotowaliśmy dla Was cykl artykułów na ten temat. Na pewno przyda się podczas dyskusji o najnowszym Specjalnym Raporcie IPCC o zmianie klimatu i systemach lądowych. Na pierwszy rzut: szybki cykl węglowy.

W języku angielskim istnieją dwa słowa, odpowiadające polskiemu słowu „węgiel”: coal, oznaczające wydobywaną spod ziemi czarną, palną skałę osadową oraz carbon, oznaczające węgiel pierwiastkowy. O ile nie będzie to jednoznacznie wynikać z kontekstu, będziemy używać słowa „węgiel” w znaczeniu węgla pierwiastkowego.

Węgiel w systemie klimatycznym

Węgiel stanowi niecały promil masy skorupy ziemskiej, ale można śmiało powiedzieć, że jest gdzie: w atmosferze, wodzie, glebach, skałach, osadach i organizmach żywych. Występuje w niezliczonych związkach i uczestniczy w niezliczonych procesach chemicznych, fizycznych, geologicznych i biologicznych.

Większość węgla na Ziemi występuje w formie węgla utlenionego, zwanego też węglem nieorganicznym. Znajdziemy go w skałach wapiennych (CaCO₃), w atmosferze (CO₂) oraz w wodzie oceanicznej. W warunkach ziemskich są to najbardziej stabilne formy węgla, nie nadają się jednak do zasilania procesów życiowych. Ich wykorzystanie przez organizmy żywe wymaga przeprowadzenia redukcji, czyli przejścia związku węgla z wyższego na niższy stopień utlenienia, a więc na wyższy stan energetyczny. Wymaga to oczywiście dostarczenia energii – robią to rośliny, które w procesie fotosyntezy z pomocą energii słonecznej przetwarzają pobrany z atmosfery dwutlenek węgla w węglowodany:

6CO₂ + 6H₂O + energia słoneczna → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Ilość węgla w atmosferze w stosunku do jego ilości w skałach i oceanie jest bardzo niewielka. Gdyby znajdujący się w atmosferze dwutlenek węgla zebrać przy powierzchni Ziemi, jego warstwa miałaby niecałe 3 m grubości; gdyby zaś zestalić go do gęstości suchego lodu, powstałaby warstwa grubości zaledwie 3 mm. Mimo to gra on kluczową rolę dla wymiany węgla pomiędzy jego różnymi rezerwuarami (oceanem, roślinnością, glebami, skałami…).

Przyjrzyjmy się działaniu tzw. szybkiego cyklu węglowego, czyli jego wymianie między atmosferą, ekosystemami lądowymi (organizmami żywymi i glebą) oraz oceanami. Ilość zgromadzonego tam węgla przekracza 40 000 GtC i zmienia się bardzo powoli (emisje wulkaniczne wprowadzają do atmosfery i oceanu dwutlenek węgla w ilości 0,1 GtC rocznie, jednocześnie jednak zbliżona ilość węgla jest usuwana z obiegu poprzez wietrzenie skał – poświęcimy temu osobny artykuł).

W ciągu ostatnich 10 tys. lat – od zakończenia ostatniej epoki lodowej do nadejścia epoki przemysłowej – mieliśmy do czynienia z relatywnie stabilnym klimatem. W tym czasie przepływy węgla między poszczególnymi rezerwuarami były zbilansowane. Atmosferyczna koncentracja dwutlenku węgla utrzymywała się na w miarę stałym poziomie 260–280 ppm, stabilny był zasięg stref klimatycznych i ekosystemów, nie było też większych zmian w oceanach.

Wymiana węgla między powietrzem i roślinami

Jak już wspomnieliśmy, rośliny pobierają dwutlenek węgla z atmosfery, przekształcając go w procesie fotosyntezy w węglowodany, stanowiące podstawę łańcucha pokarmowego. Najbogatsze w biomasę żywych organizmów są rejony lasów deszczowych, gdzie duża ilość energii słonecznej idzie w parze z wysokimi opadami.

Węgiel w materii organicznej znajduje się w „wysokim stanie energetycznym”, jak naładowana bateria. Dzięki temu my, ludzie i inne zwierzęta możemy wykorzystać go do zasilania naszych organizmów: zjadamy rośliny (albo zwierzęta, które wcześniej zjadły rośliny), łączymy molekuły organiczne z wdychanym tlenem (to proces spalania) i wydychamy dwutlenek węgla. W tym procesie węgiel z atmosfery trafia do roślin, potem (być może za pośrednictwem zwierząt lub grzybów) do nas, a na końcu wraca do atmosfery. Bilans netto całej tej operacji jest zerowy.

Kolejną drogą powrotu znajdującego się w roślinach węgla do atmosfery są pożary. Kiedy jednak po kilkudziesięciu latach roślinność się odtworzy, wyemitowany do atmosfery węgiel z powrotem znajdzie się w ekosystemie.

Gdy organizmy żywe umierają, następuje rozkład ich szczątków przez grzyby i bakterie. Jeśli proces ten zachodzi w obecności tlenu, podczas rozkładu związków węgla powstaje dwutlenek węgla, w innym przypadku produktem rozkładu jest przede wszystkim metan.

Martwa materia organiczna nie ulega od razu rozkładowi, ale gromadzi się w glebach i torfowiskach. Są one dużym rezerwuarem węgla, w warstwie do 1 metra jest go dwukrotnie więcej niż w atmosferze. Najbogatsze w węgiel są gleby leżące w wysokich szerokościach geograficznych, gdzie ze względu na niską temperaturę rozkład materii organicznej jest bardzo powolny. W wieloletniej zmarzlinie, pokrywającej 1/5 powierzchni lądów, materia organiczna może się akumulować– jak w zamrażarce – przez dziesiątki tysięcy lat (na pewno wiesz o dobrze zachowanych w zmarzlinie zwłokach mamutów). Gleba strefy międzyzwrotnikowej jest zaś uboga w materię organiczną, która szybko ulega tu rozkładowi.

W cyklu rocznym obserwujemy znaczące przepływy węgla między atmosferą i roślinnością. W lecie rozrastające się rośliny pobierają z atmosfery dwutlenek węgla, zmniejszając jego koncentrację w powietrzu. Jesienią rośliny jednoroczne umierają, drzewa zrzucają liście, a węgiel zawarty w rozkładającej się materii organicznej wraca do atmosfery. W stabilnym klimacie zawartość węgla w ekosystemach lądowych jest stała, a dopływ (z fotosyntezy) i utrata węgla (z oddychania roślin i zwierząt, rozkładu materii organicznej oraz pożarów) się równoważą. Obecnie, w związku z działalnością człowieka, średnia koncentracja CO2 w powietrzu rośnie, ale cykl roczny wciąż jest widoczny w pomiarach (rysunek 5).

Magazynowanie węgla przez naturalne ekosystemy

Stabilny ekosystem, taki jak naturalny las, magazynuje w sobie stałą ilość węgla – ani go nie pochłania, ani nie emituje. Sytuacja wygląda oczywiście inaczej, kiedy zachodzą w nim zmiany. Przykładowo, gdy na terenie uprzednio niepokrytym roślinnością zaczyna rosnąć las, wzrasta ilość biomasy zarówno w roślinności (w skali czasowej kilkuset lat), jak i w glebach (w skali czasowej tysięcy lat) – dopiero w takim horyzoncie czasowym rezerwuar węgla się stabilizuje.

Od zasady „stabilny ekosystem – stabilny magazyn węgla” bywają wyjątki. Przykładowo, torfowisko jest ekosystemem prowadzącym efektywną sekwestrację (czyli usuwanie) dwutlenku węgla z obiegu. Możliwość gromadzenia węgla ma związek ze specyficznymi warunkami, w jakich powstają i rozwijają się torfowiska. Kluczowa jest w tym przypadku duża wilgotność skutkująca położeniem lustra wody gruntowej blisko powierzchni. Powyżej poziomu wody pojawia się cienka, biologicznie aktywna, tlenowa warstwa gleby, a poniżej – grubsza, beztlenowa.

Szczątki roślinne oraz zwierzęce ulegają w większości rozkładowi w górnej, natlenionej warstwie, ale w sprzyjających warunkach nawet 20% biomasy trafia do nasączonej wodą warstwy beztlenowej i jest odkładane jako torf – masa organiczna złożona z niecałkowicie rozłożonych szczątków roślin. Strumień węgla pochłanianego i magazynowanego przez torfowiska w porównaniu z innymi przepływami węgla w cyklu węglowym nie jest duży – w holocenie rzędu 0,05 GtC/rok (Yu i in., 2010), ale odkładając się przez tysiące lat, może zbudować duży rezerwuar węgla. Spowolnienie procesów rozkładu umożliwia tworzenie pokładów o wielometrowej miąższości, a torf zawiera około 50% węgla (Strack, 2008).

Ilość węgla w torfie szacuje się łącznie na ponad 600 GtC, z czego torfowiska północne (Rosja, Ameryka Północna, Europa) gromadzą około 550 GtC, a tropikalne 50–100 GtC (Kleinen i in., 2016, Köchy i in., 2015). W sprzyjających warunkach torf może stopniowo ulec przemianie w węgiel brunatny i kamienny, w ten sposób powodując usunięcie węgla (ponownie w rozumieniu węgla pierwiastkowego) z szybkiego cyklu węglowego.

Magazynowane węgla – ingerencja człowieka

Mówiliśmy dotychczas o magazynowaniu węgla przez stabilne ekosystemy. Dynamika się zmienia, gdy na przykład wycinamy naturalny las, aby na jego miejscu posadzić nowe drzewa – choćby plantację palmy olejowej lub eukaliptusa w miejscu lasu deszczowego. W takiej sytuacji z ekosystemu w bardzo krótkim czasie znika biomasa roślinna: najszybciej, jeśli dżungla zostaje wypalona (w przeciągu godzin i dni), wolniej, jeśli drzewa zostają wykarczowane, a później przerobione na opał, papier, meble czy materiały budowlane (rozkład następuje wtedy w czasie od miesięcy do dziesięcioleci). Po usunięciu drzew postępuje utrata materii organicznej z odsłoniętych gleb – proces ten jest szczególnie intensywny na początku, ale może trwać przez dekady. Jest on istotny zwłaszcza w przypadku torfowisk tropikalnych, gdzie dodatkowo przyspiesza go osuszanie mokradeł, sprzyjające ich pożarom.

Gdy na terenie, z którego został usunięty las tropikalny, sadzi się nowe uprawy, pobierają one stopniowo dwutlenek węgla z atmosfery. Jednak w porównaniu z lasem pierwotnym jest to ekosystem bardzo ubogi (mniej gatunków i pięter roślinności oznacza mniejsze możliwości pobierania i składowania węgla), więc pochłanianie przez niego CO2 z atmosfery nawet przez stulecia nie rekompensuje utraty węgla towarzyszącej usunięciu naturalnego ekosystemu. Szczegółowe analizy bilansu węglowego pokazują, że zamiana lasów tropikalnych w uprawy roślin na biopaliwa, mające w założeniu redukować emisje CO₂, zupełnie nie spełnia tej funkcji. Przy uwzględnieniu węgla uwalnianego do atmosfery w wyniku zamiany lasu na plantację, emisyjność tych biopaliw jest nawet trzykrotnie większa od emisyjności paliw z ropy.

Artykuł jest przeredagowanym na potrzeby publikacji w internecie fragmentem książki Marcina Popkiewicza, Aleksandry Kardaś i Szymona Malinowskiego pt. Nauka o klimacie.