Wolny cykl węglowy i termostat węglowy

W długim horyzoncie czasowym, liczonym w setkach tysięcy i milionach lat fundamentalne znaczenie dla klimatu i utrzymania sprzyjających życiu warunków na powierzchni naszej planety mają zjawiska związane z wolnym cyklem węglowym. Tak nazywamy krążenie węgla między atmosferą a litosferą polegające na wietrzeniu skał, powstawaniu osadów morskich i wulkanizmie.

Rysunek 1: Wulkan Merapi w Indonecji. Zdjęcie: Ernst Daniel Scheffler, Dreamstime.com

Wulkany wprowadzają do szybkiego cyklu węglowego ok. 200–300 mln ton CO2 (czyli 0,055–0,085 GtC) rocznie. Gdyby emisje te akumulowały się w szybkim cyklu węglowym, w ciągu kilkuset tysięcy lat podwoiłyby ilość krążącego w nim węgla, a stężenie CO2 w atmosferze nieustannie by rosło. Nic takiego nie ma jednak miejsca, emisje wulkaniczne są bowiem równoważone przez procesy wietrzenia skał i tworzenia osadów.

Rysunek 2. Schemat wolnego cyklu węglowego i działania termostatu węglowego. Reakcja 3) w zapisie skróconym.
Adaptacja grafiki Adison-Wesley Longman.

Przyjrzyjmy się Rysunkowi 2. Wulkany emitują do atmosfery dwutlenek węgla {1}. Rozpuszczając się w kroplach wody w atmosferze, tworzy on lekko kwaśny roztwór {2}, który spada wraz z deszczem na powstałe z wylewów magmy skały krzemianowe, takie jak bazalty i granity (na rysunku zapisanych uproszczonym wzorem CaSiO3), wchodzi z nimi w reakcję (tzw. reakcja Ureya {3}), w której powstaje węglan wapnia i krzemionka (Berner i Maasch, 1996):

CaSiO3 + CO2 (aq) → CaCO3 + SiO2 (1)

CaCO3 i SiO2 są typowymi skałami osadowymi, powstającymi w niskiej temperaturze ze składników rozpuszczonych w wodzie. Następnie następuje wietrzenie skał wapiennych w reakcji będącej lustrzanym odbiciem reakcji w której powstają muszle wapienne (wzór 3 w artykule Szybki cykl węglowy: węgiel w oceanach), czyli:

CaCO3 + CO2 + H2O →Ca2+ + 2HCO3- (2)

Wapń i jony wodorowęglanowe spływają rzekami do oceanów, gdzie organizmy takie jak koralowce, otwornice, małże i skorupiaki pobierają je z wody morskiej i budują z nich swoje szkieleciki (o ile nie przeszkadza im w tym zakwaszenie oceanu). Po jakimś czasie ich martwe szczątki opadają na dno oceaniczne i odkładają się w osadach {4}. Stopniowo, w skali czasowej dziesiątek i setek milionów lat zamienione w skały wapienne osady w procesach subdukcji są wciągane w głąb Ziemi {5}, gdzie w wysokim ciśnieniu i temperaturze ulegają procesowi będącemu odwrotnością reakcji wietrzenia skał {6}. Uwolniony w tych reakcjach CO2 może znaleźć drogę na powierzchnię Ziemi jako składnik gazów wulkanicznych lub domieszka gorącej wody w źródłach na dnie oceanu.

Rysunek 3: Skały wapienne ze śladami wietrzenia, góry Tramuntana na Majorce.
Zdjęcie: Antonio Jordán (Imaggeo, licencja CC BY-SA 3.0).

Gdyby nie wietrzenie skał, CO2 pochodzenia wulkanicznego kumulowałby się w atmosferze Ziemi, destabilizując jej klimat i zamieniając Ziemię w drugą Wenus (patrz Para wodna - klimatyczny „dopalacz”). Z drugiej strony, gdyby nie aktywność wulkaniczna, wietrzenie skał doprowadziłoby do usunięcia z atmosfery całego znajdującego się w niej dwutlenku węgla i zamieniło naszą planetę w Ziemię-śnieżkę. Wystarczyłaby nawet niewielka trwała nierównowaga między tymi strumieniami CO2, aby klimat naszej planety osunął się w jeden z tych skrajnych stanów. Na całe szczęście stabilność klimatu Ziemi nie wynika z przypadkowego balansowania na ostrzu noża, ale z działania efektywnego mechanizmu stabilizującego (czyli ujemnego sprzężenia zwrotnego) – tak zwanego termostatu węglowego.

Emisje wulkaniczne decydujące o wielkości strumienia węgla wprowadzanego do szybkiego cyklu węglowego zależą od wędrówki kontynentów, okazyjnych uderzeń asteroid, ale prawie wcale od aktualnego klimatu. Za to wielkość strumienia węgla usuwanego przez procesy wietrzenia ma z klimatem istotny związek. Reakcje wietrzenia skał bardzo silnie zależą od temperatury i wilgotności. W wysokiej temperaturze przebiegają one znacznie szybciej, sprzyjają im też (obfitsze w cieplejszym klimacie) wysokie opady. W niskiej temperaturze reakcje wietrzenia zwalniają, do czego przyczynia się dodatkowo związany z chłodniejszym klimatem spadek wilgotności i opadów. W skrajnym przypadku braku opadów (jak na pozbawionych opadów pustyniach, obszarach przykrytych lądolodem albo planetach nieposiadających ciekłej wody), procesy wietrzenia w ogóle nie przebiegają.

Proces wietrzenia skał usuwa nadmiar CO2 z atmosfery,ale potrzebuje na to setek tysięcy lat.

Rysunek 4: Wulkan Yasur na wyspie Tanna (Vanuatu), powstały w wyniku subdukcji australijskiej płyty tektonicznej pod pacyficzną. Zdjęcie Derya Gürer (Imaggeo, licencja CC BY-NC-SA 3.0).

Przyjmijmy, że z jakichś względów temperatura powierzchni Ziemi wzrośnie, bo wzrośnie na przykład aktywność słoneczna czy wulkany wpompują do atmosfery dużo CO2, nasilając efekt cieplarniany. W takiej sytuacji procesy wietrzenia przyspieszą i będą szybciej usuwały CO2 z atmosfery, co zmniejszy efekt cieplarniany i ustabilizuje temperaturę.

Co się stanie, jeśli z jakichś względów temperatura spadnie (bo na przykład spadnie aktywność słoneczna czy osłabi się aktywność wulkaniczna)? W takiej sytuacji spadek temperatury spowolni reakcje wietrzenia, co zatrzyma w atmosferze więcej CO2 i wzmocni efekt cieplarniany. Możemy się więc spodziewać, że podczas epizodów wysokiej aktywności wulkanicznej, związanej z wędrówką i rozpadem kontynentów, klimat naszej planety powinien się ocieplać, a podczas zderzeń kontynentów, gdy wypiętrzają się łańcuchy górskie, powinno robić się zimniej.

Jak skuteczny jest mechanizm stabilizacji klimatu przez termostat węglowy? Bardzo. W ostatnich setkach milionów lat rosła moc Słońca, w wyniku czego następował też stopniowy spadek stężenia CO2 w atmosferze (patrz rysunki 5 i 6).

Rysunek 5: Względne zmiany mocy Słońca wynikające z jego ewolucji. Na obecnym stadium ewolucji naszej gwiazdy w ciągu każdych 100 mln lat następuje wzrost mocy promieniowania słonecznego o ok. 1%, a w ciągu miliarda lat o 10%. Grafika własna.

Rysunek 6: Rekonstrukcja zmian koncentracji CO2 w atmosferze w ostatnich 420 mln lat. UWAGA: skala czasowa nie jest liniowa. Panele a–b) na podstawie różnych wskaźników klimatycznych (niebieskie kropki odpowiadają konkretnym pomiarom, a linia – dopasowanej do nich krzywej, czerwona wstęga pokazuje zakres, w którym faktyczny przebieg zmian temperatury mieści się z prawdopodobieństwem 68%, a wstęga różowa odpowiada prawdopodobieństwu 95%, panel c) rdzenie lodowe, panel d) rdzenie lodowe i obserwacje. Źródło Foster i in., 2017.

Zestawmy ze sobą te efekty, przeliczając wpływ cieplarniany CO2 i zmiany aktywności słonecznej na zmiany wymuszania radiacyjnego, wyrażone w W/m2.

Rysunek 7: Wymuszenie radiacyjne ziemskiego systemu klimatycznego powodowane zmianami stężenia CO2 i natężenia promieniowania słonecznego w ostatnich 420 mln lat. Czerwona obwódka pokazuje niepewność, z jaką wyznaczono wymuszenie, wynikającą z niepewności danych o stężeniach CO2 jak na Rysunku 2. Uwaga: skala czasowa nie jest liniowa. Źródło Foster i in., 2017.

Okazuje się, że przez zdecydowaną większość ostatnich 400 mln lat łączne wymuszenie radiacyjne Słońca i dwutlenku węgla obecnego w atmosferze wahało się w niewielkim przedziale ±5 W/m2, jedynie sporadycznie dochodząc do ±10 W/m2.

Mechanizm termostatu węglowego działa efektywnie, jednak dość powoli – stabilizacja stężenia CO2 i klimatu trwa setki tysięcy do milionów lat, a zaburzenia charakteryzujące się krótszą skalą czasową, takie jak okresy epok lodowych czy obecnego spalania paliw kopalnych, są zbyt krótkie, by mechanizm ten mógł skutecznie zadziałać. Widoczne na Rysunku 7. fluktuacje są związane zarówno ze zmianą aktywności wulkanicznej powodowanej ruchami płyt litosfery (na przykład wyższa aktywność wulkaniczna w okresach jury i kredy oraz wczesnego kenozoiku), jak i zmianami w czynnikach wpływających na procesy wietrzenia skał krzemianowych. Świeżo wypiętrzone łańcuchy górskie ulegają wietrzeniu znacznie szybciej niż równina pokryta grubą warstwą gleby izolującej krzemianowe skały podłoża przed erozją. Rośliny z jednej strony ograniczają tempo wietrzenia (tworząc gleby), z drugiej zaś przyspieszają je poprzez erodowanie skał i transport węgla do gleb. Szacuje się, że ten drugi efekt przeważa i gdyby nie było roślin, wietrzenie byłoby słabsze, a stężenie CO2 w atmosferze wyższe.

Rysunek 8: Rośliny rosnące na skałach lub w ich szczelinach z jednej strony przyczyniają się do powstawania gleby, z drugiej – ułatwiają erozję. Zdjęcie: Alwyn Biju (Imaggeo, licencja CC BY 3.0).

Duże znaczenie ma też rozmieszczenie kontynentów i opady. Jeśli mogące wietrzeć skały będą znajdować się w strefie pustyń, wietrzenie będzie zachodzić powoli; jeśli te same skały znajdą się w wilgotnej strefie klimatycznej, wietrzenie będzie intensywne. Wyższej wilgotności klimatu sprzyja podział lądów na mniejsze kontynenty; z kolei konfiguracja superkontynentu (jak np. Pangei 300–180 mln lat temu) promuje wielkie suche obszary wewnątrz niego, powodując spowolnienie procesów wietrzenia. Znaczenie ma też szerokość geograficzna kontynentów: gdy kontynent znajduje się na wyższej szerokości geograficznej, panują na nim niższe temperatury, wietrzenie więc spowalnia. W skrajnym przypadku, gdy kontynent zostaje przykryty lądolodem, jak obecnie Antarktyda, jego skały zostają w ogóle odizolowane od procesów wietrzenia.

Występuje tu tak wiele powiązanych ze sobą zjawisk, że gdybyśmy mieli teoretycznie obliczyć tempo usuwania dwutlenku węgla przez termostat węglowy w geologicznej historii Ziemi (a nawet dla chwili obecnej), to nie potrafilibyśmy tego zrobić z zadowalającą precyzją. Jest to bowiem mechanizm nadzwyczaj czuły na wszelkie zmiany warunków. Rysunki 9. i 10. pokazują wyniki symulacji, na jakim poziomie termostat węglowy ustabilizowałby obecnie stężenie CO2 w zależności od (bardzo niewielkich!) zmian różnych parametrów ziemskiego systemu klimatycznego.

Rysunek 9: Zależność koncentracji atmosferycznej CO2 w funkcji wielkości emisji wulkanicznych w oparciu o symulację modelu cyklu węglowego GEOCARB. Czerwona kropka pokazuje obecne emisje wulkaniczne oraz atmosferyczną koncentrację CO2 wynikającą z równowagi między emisjami wulkanów a usuwaniem węgla z szybkiego cyklu węglowego (bez wpływu antropogenicznego). 1012 mol CO2 = 12 MtC. Źródło Archer, 2016

Rysunek 10: Inne czynniki, których zmiana spowodowałaby zmianę obecnej naturalnej koncentracji CO2 na podstawie symulacji modelu cyklu węglowego GEOCARB: temperatura powierzchni Słońca, odległość Ziemi od Słońca w jednostkach astronomicznych, albedo Ziemi i wzrost mocy Słońca związany z jego ewolucją w czasie. Czerwona kropka pokazuje stan obecny. Źródło Archer, 2016.

Gdyby emisje wulkaniczne były o połowę mniejsze, stężenie dwutlenku węgla byłoby tak małe, że nie mogłyby przebiegać procesy fotosyntezy istniejących na Ziemi roślin; gdyby były o 20% większe, stężenie CO2 w atmosferze byłoby ponad dwukrotnie większe. Gdyby temperatura Słońca była wyższa o skromne 70 K (to naprawdę bardzo mało – zakres temperatur powierzchni dla gwiazd typu widmowego G, takich jak nasze Słońce, to 5200–6000 K!), odległość Ziemi od Słońca mniejsza o zaledwie 3%, lub albedo Ziemi mniejsze o 4%, albo rozwój naszej cywilizacji przypadł na okres o kilkaset milionów lat późniejszy, na Ziemi nie byłoby znanego nam procesu fotosyntezy – i być może w ogóle zaawansowanych form życia. Mamy dużo szczęścia, że termostat węglowy stabilizuje warunki dla życia na naszej planecie, a różne, niezależne od siebie czynniki, ułożyły się w wyjątkowo korzystną dla nas kombinację.

Kwestia utrzymania długoterminowej stabilności klimatu dotyczy nie tylko Ziemi. Każda potencjalnie nadająca się do powstania i rozwoju życia planeta, czy to w systemie słonecznym, czy na orbicie wokół jakiejś innej gwiazdy, będzie stać przed problemem rosnącej jasności gwiazdy, zmieniającej się aktywności wulkanicznej i składu atmosfery. Najbliżsi sąsiedzi Ziemi – Wenus i Mars, nie mieli tyle szczęścia co nasza planeta.

Wenus znalazła się zbyt blisko Słońca. Woda, która początkowo musiała być na Wenus, wyparowała, a wodór uciekł w kosmos. Bez wody reakcje wietrzenia krzemianów nie zachodzą, uwalniający się do atmosfery z wulkanów dwutlenek węgla kumulował się więc w atmosferze. Jego ciśnienie sięga 70 atmosfer, co odpowiada ciśnieniu w ziemskich oceanach na głębokości 700 metrów.

Rysunek 11: Ślady i próbki zebrane na powierzchni Marsa wskazują, że występowały tu opady i płynąca woda oraz chemiczne wietrzenie skał. Zdjęcie: NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona.

Mars okazał się zbyt mały – nie tylko jego przyciąganie było niewystarczające, by utrzymać dostatecznie gęstą atmosferę, ale też jego skorupa się wychłodziła, aktywność wulkaniczna ustała, procesy wietrzenia przeważyły i węgiel na Marsie został związany w skałach.

Mechanizm termostatu węglowego może wiele zrobić dla stabilizacji klimatu, jednak może też zostać przełamany. Jak pokazuje historia, gdy wietrzenie skał usuwało z atmosfery więcej CO2, niż emitowały do niej wulkany, klimat Ziemi przechodził w stan Ziemi-śnieżki. Z drugiej strony, w horyzoncie czasowym rzędu miliarda lat, termostat węglowy przegra z rosnącą mocą Słońca, a Ziemia podąży drogą Wenus.

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

Zajrzyj także do naszych artykułów o szybkim cyklu węglowym
Szybki cykl węglowy, część 1: atmosfera i ekosystemy lądowe
Szybki cykl węglowy, część 2: węgiel w oceanach

Opublikowano: 2019-09-18 14:45
Tagi

dwutlenek węgla wulkany

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