Obieg węgla w przyrodzie. Efekt cieplarniany.
Krążenie węgla w przyrodzie jest prawie tym samym, co krążenie materii w ogóle. Myślimy wtedy przede wszystkim o materii organicznej, materii której konstrukcja oparta jest na węglu. Należy pamiętać, że istnieje również węgiel w postaci związków nieorganicznych. Ma on także niebagatelne znaczenie w przyrodzie.
Na Ziemi istnieje kilka głównych zbiorników węgla: atmosfera, wody oceaniczne, biomasa roślin (zwłaszcza lasów, a szczególnie puszcz tropikalnych), martwa materia organiczna w ekosystemach (próchnica w glebach, osady denne w zbiornikach wodnych), paliwa kopalne (ropa naftowa, węgiel kamienny, węgiel brunatny, torf), skały węglowe.
Węgiel w atmosferze.
Wielkim zbiornikiem węgla jest atmosfera. Chociaż udział procentowy dwutlenku węgla w powietrzu jest znikomy – około 0,03% - ilość węgla zawartego w całej atmosferze jest ogromna. Odbiór węgla odbywa się tylko jednym kanałem – przyswajania przez organizmy samożywne, co na lądzie jest praktycznie równoznaczne z fotosyntezą przez rośliny. Im większa część powierzchni Ziemi jest pokryta roślinnością, im ta roślinność jest bujniejsza, tym szerszy jest ten kanał i większy przepływ od atmosfery do biomasy roślin. Im więcej lasów się wycina, im więcej ziemi zmienia się w pustynię, tym więcej węgla pozostaje w atmosferze. Dopływów węgla do atmosfery jest kilka. Jeden z nich, istniejący od przeszło 2 miliardów lat, to oddychanie wszystkich żywych organizmów: roślin, zwierząt, grzybów, pierwotniaków i prokariontów-tlenowców. Drugi dopływ, liczący się dopiero od końca XVIII wieku, ale coraz bardziej przybierający na sile, to spalanie paliw kopalnianych, czyli przywracanie do atmosfery tego węgla, który został wyłączony z obiegu przed wielu milionami lat. Trzeci, stosunkowo mało znaczący, to wypalanie wapna – uwalnianie węgla ze skał węglanowych. Jeszcze jeden, ostatni kanał ma przepływ dwukierunkowy i nie do końca poznany. Jest to wymiana dwutlenku węgla między atmosferą a wodami oceanów. Czy w danym miejscu i czasie dwutlenek węgla z atmosfery rozpuszcza się w wodzie, czy wręcz przeciwnie, jest z wody uwalniany, zależy od jego stężenia tu i tam, od stanu równowagi tych stężeń.
Węgiel w wodach oceanów.
Wody oceanów są tutaj rozumiane w sensie szerszym, nie tylko jako rozpuszczalnik dwutlenku węgla, ale jako ekosystem, w którym bytują producenci, wprawdzie mikroskopijnych rozmiarów, ale za to ogromnych „mocy produkcyjnych”. Dwutlenek węgla jest dobrze rozpuszczalny w wodzie, stan równowagi zachodzi, gdy stężenia w wodzie są wyższe niż w powietrzu. Na stężenie dwutlenku węgla w wodzie radykalnie wpływa natężenie procesów fotosyntezy, ono zaś zależy od wielu czynników, w pewnym stopniu także od stężenia dwutlenku węgla. Rozpuszczalność dwutlenku węgla w wodzie zależy od temperatury i od zasolenia. Cały czas chodzi tutaj o bardzo niewielkie stężenia i o bardzo drobne różnice między nimi, ale za to odnoszące się do gigantycznych mas wodnych. Dlatego to nawet nieznaczny błąd w ocenie któregokolwiek czynnika owocuje ogromnymi błędami w ocenie ogólnego bilansu węglowego wód oceanicznych. Dlatego dokładne rozmiary zawartości jednego z głównych zbiorników węgla pozostają w pewnym stopniu dyskusyjne. Poza dyskusją natomiast jest, że znaczniejsze zatrucie wód oceanicznych i wynikające stąd obniżenie poziomu fotosyntezy mogłoby drastycznie zmniejszyć pobieranie węgla z atmosfery. Być może nawet zostałyby uwolnione do atmosfery pewne ilości węgla, dziś związane w biomasie oceanicznych producentów.
Węgiel w roślinach Ziemi.
Biomasa roślin całej kuli ziemskiej pozostaje w pewnym stanie równowagi przynajmniej przez dziesięciolecia czy raczej stulecia, to znaczy, że jej ilość nie rośnie ani nie maleje z przyczyn wewnętrznych. Rośliny nieustannie przyswajają węgiel, pobierając go z atmosfery. Ta przyrastająca masa roślin jest mniej więcej w całości zużywana podczas różnych procesów fizjologiczno-ekologicznych. Część rośliny spożytkowują na swoje własne oddychanie. Część zjadają zwierzęta. Reszta przechodzi do zasobów martwej materii organicznej ekosystemów świata. Stan biomasy pozostaje względnie stały, tak jak poziom wody w zbiorniku z przepływem, kiedy odpływ i dopływ są równe. Znaczne zmiany zawartości zbiornika węgla pod nazwą „biomasa roślin” są powodowane działaniami z zewnątrz.
Węgiel w martwej materii organicznej.
Martwą materię organiczną można odnaleźć w każdym ekosystemie, chociaż w bardzo różnych ilościach. Źródłem jej są w pierwszym rzędzie obumierające rośliny i części roślin, w mniejszym stopniu również szczątki innych organizmów. Współcześnie tylko niewielkie ilości materii organicznej zostają na stałe wyłączone z obiegu węgla. Dotyczy to na przykład osadów dennych jezior i tworzących się pokładów torfu na torfowiskach. Większość martwej materii organicznej z czasem ulega rozkładowi, ale proces ten na ogół jest w równowadze z dopływem nowych jej zasobów, przynajmniej w ekosystemach naturalnych. W rolnictwie zjawiskiem rozpowszechnionym i nasilającym się jest ubytek próchnicy w glebach uprawnych. Dzieje się to zarówno w rolnictwie bardzo prymitywnym i ubogim, jak też i w rolnictwie najbardziej nowoczesnym. Węgiel, który był zawarty w próchnicy, obecnie znajduje się w atmosferze.
EFEKT CIEPLARNIANY (GLOBALNE OCIEPLENIE KLIMATU)
Jedną z przyczyn wzrostu temperatury Ziemi jest nadmierne nagromadzenie w atmosferze pary wodnej, dwutlenku węgla, tlenku azotu, dwutlenku siarki i metanu. Znaczne ilości tych gazów dostają się od atmosfery również w wyniku procesów naturalnych. Jednak za wzrost koncentracji tych związków w atmosferze w ostatnim stuleciu odpowiedzialny jest głównie człowiek. Porównanie sposobu, w jaki nagromadzone w atmosferze gazy oddziałują na bilans cieplny Ziemi do procesów zachodzących w szklarni jest jak najbardziej adekwatne. Atmosfera ziemska, podobnie jak ściany szklarni, przepuszcza krótkofalowe promieniowanie Słońca (światło i promieniowanie ultrafioletowe), dzięki czemu znaczna część energii słonecznej dociera do powierzchni Ziemi. Tu zamieniana jest w ciepło czyli promieniowanie długofalowe, które Ziemia wypromieniowałaby powrotem w przestrzeń kosmiczną, gdyby nie atmosfera, a właściwie para wodna i inne gazy, które są taką samą pułapką dla ciepła, jak ściana szklarni.
Część promieniowania słonecznego dochodzącego do powierzchni Ziemi nie jest pochłaniana i zamieniana w ciepło, lecz ulega odbiciu i wraca w przestrzeń kosmiczną. Stosunek ilości promieniowania odbitego do ilości promieniowania padającego na dana powierzchnię określa się mianem albedo. Jego wartość zależy od charakteru powierzchni – szczególnie dużym albedo charakteryzuje się pokrywa śnieżna i górna powierzchnia chmur. Dlatego im mniejsze staja się obszary pokryte wiecznym śniegiem, tym mniejsza część promieniowania ulega odbiciu i tym szybciej rośnie temperatura Ziemi.
Koncentracja gazów.
Naukowcy spierają się co do pochodzenia i przyczyn wahań ilości obecnych w atmosferze gazów cieplarnianych. Jednym z najważniejszych jest dwutlenek węgla. Dwutlenek węgla jest naturalnym składnikiem atmosfery, powstającym w procesach oddychania, gnicia i spalania Gaz ten jest wchłaniany przez rośliny w procesie asymilacji, w którym z wody i dwutlenku węgla pod wpływem światła słonecznego powstaje materia organiczna. Uzupełnieniem tego procesu jest oddychanie, w którym z materii organicznej i tlenu powstaje energia, woda i dwutlenek węgla wydalony do atmosfery. W ten sposób rośliny biorą udział w regulowaniu ilości CO2 w atmosferze. Wahania stężenia CO2 w warstwie przyziemnej są zatem często związane z metabolizmem roślin. W dzień jest go mniej niż w nocy w związku z intensywną asymilacją, więcej w pochmurny dzień i zimą, kiedy do Ziemi dociera mniej światła a procesy asymilacyjne ulegają spowolnieniu. Duże ilości CO2 magazynowane są przez wody mórz i oceanów. Między atmosferą i oceanami zachodzi wymiana CO2, dzięki czemu stosunek ilości tego gazu w powietrzu i wodzie jest stały. Rola mórz i oceanów polega również na tym, że są one środowiskiem życia fitoplanktonu. Ma on tę samą zdolność do asymilacji dwutlenku węgla, co rośliny lądowe. Nadmiar fitoplanktonu może być jednak niebezpieczny. Co jakiś czas opinie publiczną alarmują doniesienia o toksycznych zakwitach fitoplanktonu na wodach przybrzeżnych, które mają związek z wyższa temperaturą wód morskich i nadmierną koncentracja zanieczyszczeń działających na plankton jak nawozy na rośliny uprawne.
Stężenie dwutlenku węgla w atmosferze wzrasta także na skutek działalności człowieka. W wielkich miastach przemysłowych ilość CO2 osiąga nawet do 0,05-0,07% (średnie stężenie CO2 w atmosferze wynosi 0,03%), szczególnie w zimie przy pochmurnej pogodzie. Dwutlenek węgla jest ubocznym produktem spalania drewna i paliw kopalnych – węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego. Uzależnienie naszej cywilizacji od tych paliw jako podstawowego źródła energii w połączeniu z eksplozją demograficzną spowodowały wzrost ilości dwutlenku węgla emitowanego do atmosfery. Ogromne ilości tego gazu powstają również przy wypalaniu lasów.
Efektem spalania paliw kopalnych jest również emisja dwutlenku siarki. Silniki wszechobecnych samochodów wytwarzają tlenek azotu.
Metan (CH4) jest produktem beztlenowej fermentacji celulozy pod wpływem bakterii metanowych. Środowiskiem życia tych organizmów są podmokłe gleby, zamulone dna zbiorników wodnych, bagna, ścieki komunalne i przewody pokarmowe przeżuwaczy oraz termitów. Część metanu uwięziona jest w rejonach polarnych w wiecznej zmarzlinie. W miarę ocieplania się klimatu i wytapiania pokrywy lodowej i wiecznej zmarzliny metan jest uwalniany do atmosfery. Istotnym źródłem metanu w atmosferze są również procesy zachodzące w przewodach pokarmowych zwierząt domowych. Szacuje się, że w ciągu ostatnich stu lat ilość metanu w atmosferze podwoiła się.
Freony to gazy stosowane w chłodziarkach oraz jako gazy nośne w opakowaniach aerozolowych. Po zużyciu opakowań, te bardzo trwałe gazy przedostają się do atmosfery i gromadzą w stratosferze na wysokości 20-25 km. Tu powodują rozbijanie zbudowanych z trzech atomów tlenu cząsteczek ozonu. Tak niszczona warstwa ozonowa przepuszcza do powierzchni Ziemi więcej promieniowania ultrafioletowego, co przyczynia się do globalnego ocieplenia klimatu.
Wpływ ocieplenia na ekosystem.
Globalne ocieplenie klimatu może doprowadzić do topienia pokryw lodowych. Przypuszcza się, że pęknięcie, które pojawiło się w ostatnich latach w pokrywie lodowej Zachodniej Antarktydy jest właśnie wynikiem ociepleni klimatu. Topnienie pokryw lodowych może spowodować podwyższenie poziomu mórz i zagrożenie dla milionów ludzi żyjących na nisko położonych wybrzeżach mórz i w pobliżu ujść rzek. Szacuje się, że poziom morza podnosi się o 6 cm w ciągu 10 lat. Jeśli temperatura na ziemi będzie nadal wzrastać, miast takie jak Rotterdam, Londyn, Nowy Orlean czy Wenecja znajdą się po wodą. Z praw fizyki wynika również, że wzrost temperatury wody powoduje wzrost jej objętości, co może spotęgować efekt wywołany topieniem lodu.
W miarę ocieplania się klimatu wiele regionów nawiedzą katastrofalne susze – obszary te staja się bardziej zagrożone pożarami. Pożary są wprawdzie naturalnym zjawiskiem w miejscach takich jak Yellowstone czy śródziemnomorska makia, wydaje się jednak, że powierzchnia obszarów suchych i częstotliwość pożarów w ostatnich latach wzrasta.
Charakterystyczne dla obecnych zmian klimatu jest również obserwowane już od pewnego czasu w wielu rejonach świata częstsze pojawianie się katastrofalnych huraganów. Wzrost temperatury powoduje też uwolnienie wody uwięzionej dotychczas w wysokogórskich pokrywach śnieżnych, lodowcach i otoczonych lodowymi barierami jeziorach, co prowadzi do nasilenia zjawisk powodziowych. Katastrofalne powodzie mają też związek z wycinaniem górskich lasów. Pozbawione roślinności stoki nie zatrzymują wody, są bardziej podatne na erozję i stanowią zagrożenie dla mieszkańców górskich miasteczek i wiosek.
Nawet małe zmiany temperatury maja poważny wpływ na świat żywych istot. Wzrost temperatury powoduje migrację zwierząt i przesuwanie obszarów występowania roślin ku chłodniejszym dotychczas rejonom.