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.

Rysunek 1: Przykładowy ekosystem lądowy Europy Środkowej. Zdjęcie: A. Kardaś.

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 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...).

Rysunek 2: Uproszczony diagram szybkiego cyklu węglowego w epoce przedprzemysłowej. Trzy strzałki wychodzące z ekosystemów lądowych do atmosfery odpowiadają oddychaniu organizmów, rozkładowi materii organicznej w glebach (oddychanie mikroorganizmów) oraz pożarom (przy czym, w stabilnym ekosystemie w ciągu stulecia las odrastał, bilansując wcześniejsze emisje z pożaru). Węgiel w paliwach kopalnych oraz klatratach praktycznie nie uczestniczy w szybkim cyklu węglowym. Czerwone liczby pokazują węgiel wprowadzany do szybkiego cyklu węglowego przez wulkany oraz usuwany w procesach powstawania osadów. Podana jest ilość węgla znajdującego się w różnych rezerwuarach węgla (kolor czarny) oraz jego roczne przepływy (niebieskie strzałki i wartości). Źródło: grafika NASA Earth Observatory, aktualizacja dane Denman i Brasseur, 2007, IPCC AR4, WG1.

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).

Szybki cykl węglowy to procesy związane z wymianą węgla w krótkiej (nie geologicznej) skali czasowej. Mówiąc o szybkim cyklu węglowym, zwykle ma się na myśli procesy zachodzące w skali miesięcy i lat.

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.

1. Ekosystemy lądowe

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.

Rysunek 3: Ilość węgla organicznego w żywej biomasie, zarówno nad powierzchnią ziemi, jak i pod nią. Źródło CDIAC.

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.

Rysunek 4: Ilość węgla organicznego w glebach do głębokości 1 m. Źródło Hiederer i Köchy, 2011.

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).

Rysunek 5: Koncentracje dwutlenku węgla obserwowane na Mauna Loa na Hawajach. Na czerwono średnie miesięczne, na czarno – wyniki pomiarów po usunięciu rocznych cykli. Źródło: NOAA.

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.

Rysunek 6: Torfowisko "Zielona Ostoja" - użytek ekologiczny na Osowej Górze w Bydgoszczy,
zdjęcie Pit1233, Wikimedia (domena publiczna).

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.

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.

Rysunek 7: Połacie lasu na torfowisku zlikwidowane pod uprawę palm olejowych, Kalimantan, Borneo, Indonezja. Zdjęcie: Glenn Hurowitz (licencja CC BY-ND 2.0).

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.

Więcej o cyklu węglowym: Szybki cykl węglowy, część 2: węgiel w oceanach

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

Opublikowano: 2019-08-19 10:53
Tagi

biosfera

Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.