OBIEG WĘGLA w PRZYRODZIE

1. OBIEG WĘGLA w PRZYRODZIE

4. Zbiorniki węgla

7. Cykl pierwszy, krótkookresowy obejmuje wymianę węgla pomiędzy atmosferą a biosferą. W procesie fotosyntezy węgiel jest wiązany w tkankach roślin zielonych. Jego powrót do atmosfery następuje na skutek oddychania roślin i zwierząt oraz w procesie utleniania obumarłej masy organicznej. Pełen cykl trwa do kilkudziesięciu lat, a rocznie w wymianie bierze udział około 150 Gt węgla. Ponieważ biosfera lądowa jest większa niż wodna, podczas sezonu wegetacyjnego półkuli północnej dominuje akumulacja węgla w materii organicznej, a latem półkuli południowej procesy oddychania przeważają i rośnie stężenie CO2 w atmosferze. Wahania w cyklu rocznym sięgają 5 ppm.

8. Fotosynteza Respiracja (oddychanie)

10. Pompa biologiczna Istotnym czynnikiem wymiany w tym cyklu jest także biosfera oceaniczna, stanowiąca coś w rodzaju „biologicznej pompy”. W powierzchniowej warstwie oceanu o grubości około 100 m fitoplankton pobiera dwutlenek węgla i w procesie fotosyntezy przekształca go w tlen i cukry proste. Fitoplankton stanowi jednak dolne piętro łańcucha pokarmowego stworzeń morskich, które w czasie życia wiążą w swych organizmach znaczne ilości węgla organicznego (3 Gt).

11. W oceanie obieg węgla w procesach fotosyntezy i oddychania jest znacznie szybszy niż na lądzie, ponieważ nie występuje faza przetrzymywania węgla w glebie. Węgiel w postaci dwutlenku węgla szybko zwracany jest do obiegu, a jedynie drobny jego ułamek opada na dno oceanu, unika rozkładu i zasila pokłady paliw kopalnych, włączając się w długoterminowy cykl węgla organicznego. Bierze w nim udział również drobna część biosfery lądowej, która uniknęła procesu rozkładu i zwiększyła zasoby paliw kopalnych. Szybkość tego procesu jest obecnie niezmiernie mała, ale w historii Ziemi były okresy, gdy procesy rozpadu obumarłej materii organicznej przebiegały znacznie wolniej niż fotosyntezy i pokłady węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego rosły znacznie szybciej. W warunkach naturalnych tylko procesy wietrzenia i erozji prowadzą do przejścia węgla związanego w paliwach kopalnych do innych zbiorników. Człowiek, produkując energię, znacznie przyspieszył ten proces. Zasoby węgla w pokładach paliw kopalnych sięgają 4200 Gt, czyli są pięcioipółkrotnie większe niż zasoby węgla w atmosferze.

12. W trzecim cyklu – długoterminowym związanym z nieorganicznymi związkami węgla – istotną rolę odgrywa ocean. CO2 rozpuszcza się w wodzie tworząc najpierw słaby kwas węglowy, który następnie ulega dysocjacji: CO2 + H2O  H2CO3  H+ + HCO3-  2H+ + CO32- Zawarte w wodzie oceanicznej jony wapnia reagują z jonami dwuwęglanu tworząc węglan wapnia: Ca2+ + 2HCO3  CaCO3 + H2CO3 W podobny sposób węglan wapnia tworzony jest przez różne organizmy morskie budujące sobie skorupki. Po ich śmierci skorupki te, opadają na dno. Akumulacja węglanu wapnia następuje na dnie stosunkowo płytkich mórz, ponieważ na dużych głębokościach kwasowość wody jest na tyle duża, że węglan wapnia rozpuszcza się zanim dotrze do dna.

13. Wietrzenie wapieni pod wpływem wody deszczowej zawierającej słaby kwas węglowy tworzący się w reakcji wody z dwutlenkiem węgla zawartym w powietrzu: CO2 + H2O  H2CO3 prowadzi do powrotu węgla do atmosfery: CaCO3 + H2CO3  Ca2+ + 2HCO3- Węgiel nieorganiczny bierze również udział w cyklu krzemianowo-węglanowym regulującym dostępność jonów wapnia niezbędnych do tworzenia węglanów. W tym cyklu wapienie ulegają przekształceniu w skały metamorficzne, a uwolniony w tym procesie dwutlenek węgla wraca do atmosfery podczas erupcji wulkanicznych.

14. W naturalnym środowisku procesy powstawania i wietrzenie skał metamorficznych są w równowadze. Wzrost temperatury i opadów może przyspieszyć procesy wietrzenia zwiększając dostępność jonów wapnia. Zwiększy to szybkość tworzenia wapieni, zmniejszając stężenie dwutlenku węgla w atmosferze. Cykl węglanowo-krzemianowy uruchamia mechanizm ujemnego sprzężenia zwrotnego regulującego globalne zmiany temperatury na Ziemi.

18. Rozpuszczanie dwutlenku węgla w wodzie pH>7 pH<7 wzrost stężenia CO2 zwiększa kwasowość oceanu

19. Rozpuszczanie dwutlenku węgla w wodzie pH>7 pH<7 oceaniczny CO3-2 < przyszłego antropogenicznego CO2 dalsza produkcja CO2 spowoduje zmniejszenie zdolności oceanu do jego rozpuszczania, co będzie skutkowało wzrostem zawartości CO2 w atmosferze

25. Cykl węglanowo - krzemianowy • Wulkany są źródłem dwutlenku węgla w atmosferze • Dwutlenek węgla jest usuwany z atmosfery w procesie tworzenia skał węglanowych

26. Cykl węglanowo - krzemianowy Procesy górotwórcze "faworyzują" ochłodzenie • Wypiętrzenie eksponuje skały na wietrzenie • Skały węglanowo-krzemowe ulegają wietrzeniu chemicznemu • Wapń jest transportowany do oceanów, gdzie organizmy morskie wbudowują go w minerały węglanowe. • W wyniku tworzenia węglanów dwutlenek węgla jest usuwany z atmosfery. • Wietrzenie skał węglanowych powoduje powrót dwutlenku węgla do atmosfery

27. Cykl węglanowo - krzemianowy • Na skutek wędrówki płyt tektonicznych pewna część skał węglanowych jest przesuwaną w głąb Ziemi. • Na skutek ciepła uwalnia się dwutlenek węgla • Dwutlenek węgla wraca do atmosfery • Cykl nie wymaga udziału przyrody ożywionej, ale wymaga wody.

33. Globalny cykl węgla w latach 90-tych XX w. Naturalne przepływy pokazano na czarno, antropogeniczne na czerwono. Rys 7.3 z pracy Denmana i in. (2007) opublikowany w: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, IPCC 2007

34. Dekompozycja materii organicznej resztki roślinne i zwierzęce mineralizacja humifikacja butwienie (tlenowe) gnicie (beztlenowe) produkty humifikacji: kwasy fulwowe kwasy huminowe huminy CO2, H2O jony CO2, H2O, H2S, CH4 N2

35. Dekompozycja w środowisku wodnym 1. utlenianie 2. redukcja azotanów 3. redukcja tlenku manganu

36. Dekompozycja w środowisku wodnym 4. redukcja tlenków (wodorotlenków) żelaza 5. redukcja siarczanów 6. metanogeneza

37. METAN

38. Ogólne informacje o metanie • Źródła i zbiorniki • CH4w glebie • CH4w atmosferze • Wnioski

39. Najobficiej obecny gaz śladowy w atmosferze • Koncentracja wzrosła ponad dwukrotnie od początku epoki przemysłowej (obecnie ~1700 ppbv) • Po CO2i H2O najobficiej występujący w atmosferze gaz szklarniowy • 20 do 30 razybardziej efektywny gaz szklarniowy niż CO2

40. Rola CH4 • Pomaga utrzymać odpowiednią ilość OH (hydroxyl) w troposferze • Wpływa na koncentrację pary wodnej i O3w stratosferze • Odgrywa kluczową rolę w przejściu od reaktywnego Cl do mniej reaktywnego HCl w stratosferze • Jako gaz szklarniowy wpływa na ocieplenie globalne

41. Rozkład geograficzny CH4 • 150 ppb gradient od bieguna do bieguna, wskazuje na intensywną produkcję w wysokich szerokościach na półkuli północnej

42. Źródła i zbiorniki

43. Naturalne źródła metanu mokradła termity oceany hydraty

44. Antropogeniczne źródła metanu produkcja energii składowiska odpadów przeżuwacze ścieki pola ryżowe spalanie biomasy inne

45. Zbiorniki metanu gleby troposfer. OH stratosfera

46. Atmosferyczny CH4jest głównie (70-80%) pochodzenia biologicznego • Produkowany w środowisku beztlenowym, przez anaerobowy rozkład materii organicznej • Naturalne i uprawiane pod wodą gleby produkują ~55% emitowanego CH4 • Gleby wyżynne (niezalewane) pochłaniają około ~5% atmosferycznego CH4

47. Powstawanie metanu w glebie • Produkowany w środowisku beztlenowym, przez anaerobowy rozpadi mineralizację materii organicznej: C6H12O6 3CO2 + 3CH4 (przy niskich stężeniach SO42- and NO3-)

48. utlenianie • Powodują je bakterie metanotroficzne • Zachodzi w glebach o pH > 4.4 w strefie aerobowej • Utlenianie metanu jest aerobowe czynnikiem ograniczającym jest dostępność tlenu • W ten sposób powstaje metan na polach ryżowych

49. pH i temperatura • Powstawanie metanu jest najintensywniejsze przy pH obojętnym • Metanotrofy tolerują zmiany pH • Produkcja metanu jest najintensywniejsza między 30 a 40 oC • Metanotrofy lepiej tolerują zmiany temperatury

50. Pola ryżowe i nawożenie • Cel: Większe plony i mniejsza emisja metanu • Nawozy organiczne przyspieszają produkcję metanu •  Redukcja CH4przezwprowadzeniesiarki (e.g. SO4)