Upload
truonganh
View
214
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
GLOBALNE CYKLE BIOGEOCHEMICZNE
obieg węgla
Ziemia 350 ppm (14)
Skorupa ziemska 200 ppm (17)
Oceany (organiczny) 2 ppm (15)
Oceany (nieorg.) 28 ppm (10)
Atmosfera (CO2) 370 ppmv (4)
Atmosfera (CH4) 1,8 ppmv (7)
We wszechświecie – 4 miejsce
Rozpowszechnienie węgla (wagowo)
W organizmie ludzkim:
mięśnie: 670 000 ppm,
kości: 360 000 ppm.
Dobowe spożycie: 300 g.
Całkowita zawartość (70 kg): 16 kg
Węgiel – główny budulec organizmów żywych
Aminokwasy
C
COO-
HH3N+
CH2
CH2
COO-
Kwas glutaminowy
Węglowodany
glukoza
Tłuszczowce
lecytyna
Znaczenie cyklu węglowego dla biosfery
Cykl węglowy i powiązany z nim cykl tlenowy określają dynamikę biosfery.
Węgiel w materii organicznej i cząsteczkowy tlen to dwa bieguny procesów utleniająco – redukujących.
26126
22
O6OHCświetlna energia OH6CO6
+→→++
energia OH6CO6 O6OHC
22
26126
++→+
fotosynteza
Respiracja (oddychanie)
PPB, PPN
Produkcja PierwotnaBrutto: PPB
PPB = PPN + Respiracja
Produkcja PierwotnaNetto: PPN
Produkcja pierwotna
Dekompozycja materii organicznej
Resztki roślinne i zwierzęce
Mineralizacja Humifikacja
Butwienie(tlenowe)
Gnicie(beztl.) Produkty humifikacji
CO2, H2O,jony CO2, H2O,
H2S, CH4, N2
Kwasy fulwowe,Kwasy huminowe,huminy
Dekompozycja w środowiskach wodnych
OHCO OOCH 2222 +→+
OH3HCO4CON2
NO4O5CH
2-322
-32
+++
→+
-3
22222
HCO4Mn2
OH3CO MnO2OCH
+
→++++
1. Utlenianie
2. Redukcja azotanów
3. Redukcja tlenku manganu
Dekompozycja w środowiskach wodnych
4. Redukcja tlenków (wodorotlenków) żelaza
5. Redukcja siarczanów
6. Metanogeneza
OH3HCO8Fe4
7CO Fe(OH)4OCH
2-3
2232
++
→+++
-32
-42 HCO2SH SOO2CH +→+
242 COCH O2CH +→
-3
2 2(g)3
HCO2Ca
OHCOCaCO
+⇔
⇔+++
97,5
CO
-3
2
eq 10P
]HCO][[Ca K2
−+
==
Strącanie/rozpuszczanie CaCO3
Izotopy węgla
Dwa trwałe izotopy węgla:
12C - 98,9%13C - 1,1%
Standardem jest skała węglanowa - VPDB.
Promieniotwórczy izotop:
14C - T1/2=5730 lat
Izotopy węgla
+ 5
δ13C (‰)
0- 5
- 10
- 15- 20- 25
- 30
Atmosferyczny CO2
Rośliny C4
Rośliny C3
-3HCO kalcyt
Oceaniczny CO2
1,000C organiczny36,730- ocean głeboki
670 - ocean powierzchniowy 37,400C nieorganiczny38,400Oceany
720Atmosfera
Ilość C (Gt)Zbiornik
250inne (torf)140gaz230ropa
3,510węgiel4,130Paliwa kopalne1-2Biosfera wodna
1,200biomasa martwa600-1,000biomasa żywa
2,000Biosfera lądowa15,000,000kerogen>60,000,000węglany osadowe
Litosfera
Ilość C (Gt)Zbiornik
Globalny obieg węgla – zasoby i strumienie
Żródło: raport IPCC, http://www.ipcc.ch
Wpływ człowieka na obieg węgla
CO2 i CH4 – dwa najważniejsze gazy cieplarniane.
Obecne stężenie CO2 w atmosferze jest, w wyniku działalności człowieka, wyższe niż kiedykolwiek w ciągu
ostatnich 20 mln lat.
Dowody na antropogeniczne przyczyny wzrostu stężenia CO2
1. Spadek stężenia O2 w atmosferze.
3. Zmiany składu izotopowego CO2 w atmosferze.
6. Szybszy wzrost stężenia CO2
na półkuli północnej
Globalny bilans węgla
(PgC/rok) Lata 80-te 90-te 2000-5
Przyrost atmosferyczny: 3,3 ± 0,1 3,2 ± 0,1 4,1 ± 0,1
Emisje antropogeniczne: 5,4 ± 0,3 6,4 ± 0,4 7,2 ± 0,3(paliwa kop.+cement)
Ocean-atmosfera: -1,8 ± 0,8 -2,2 ± 0,4 -2,2 ± 0,5
Lądy-atmosfera: -0,3 ± 0,9 -1,0 ± 0,6 -0,9 ± 0,6
w tym:
zmiany użytkowania lądów: 1,4 1,6 ?
(0,4 - 2,3) (0,5 - 2,7)
residual land sink„missing sink” -1,7 -2,6 ?
(-3,4 do 0,2) (-4,3 do -0,9)
Historia obiegu węgla
• Atmosfera pierwotnej Ziemi mogła zawierać nawet 3% CO2 – silny efekt cieplarniany.
• Usuwanie CO2 z atmosfery w wyniku wietrzenia skał było równoważone przez emisje wulkaniczne.
• Pojawienie się życia znacząco zmniejszyło zawartość CO2 w atmosferze oraz zwiększyło o 3 rzędy wielkości strumienie C
• Przewaga produkcji pierwotnej nad dekompozycją w pewnych okresach prowadziła do akumulacji materii organicznej w osadach – paliwa kopalne.
Atmosferyczny CO2 w przeszłości
Kiedy rozpoczął się wpływ człowieka?
Kiedy zaczęła się era antropogeniczna (ze względu na wzrost atmosferycznej zawartości CO2 i CH4)?
Powszechny pogląd: 150 – 200 lat temu, ale: The anthropogenic greenhouse era
began thousands of years agoW. F. Ruddiman, Climatic Change, 61, 2003
Kiedy rozpoczął się wpływ człowieka?
Materiały archeologiczne, historyczne, kulturowe i geologiczne z obszaru Eurazji dowodzą, że:
8000 lat temu rozpoczęła się wycinka lasów na potrzeby upraw,5000 lat temu rozpoczęto nawadnianie pól ryżowych.
W ostatnim tysiącleciu te emisje gazów szklarniowych spowodowały globalny wzrost temperatury o 0,8 ºC (na dużych szerokościach o 0,8 ºC).
Zaobserwowane dla ostatniego tysiąclecia wahania stężenia CO2 mogły być wywołane wzrostem lesistości po wielkich epidemiach.
Czy żyjemy w okresie historii Ziemi wyjątkowym ze względu na obieg węgla?
Czy żyjemy w okresie historii Ziemi wyjątkowym ze względu na obieg węgla?
Czy żyjemy w okresie historii Ziemi wyjątkowym ze względu na obieg węgla?
Wzrosty stężenia szybsze od spadków –asymetria w wymianie CO2 pomiędzyatmosferą i oceanami oraz lądową biosferą.
Dotychczasowa stabilizacja wahań dzięki ujemnym sprzężeniom zwrotnym.
Wpływy antropogeniczne a naturalne fluktuacje CO2
Wpływy antropogeniczne a naturalne fluktuacje CH4
Wpływ człowieka na obieg węgla
CO2 i CH4 – dwa najważniejsze gazy cieplarniane.
Obecne stężenie CO2 w atmosferze jest, w wyniku działalności człowieka, wyższe niż kiedykolwiek w ciągu
ostatnich 20 mln lat.
Rola oceanów
Rola oceanów – procesy abiotyczne
Zasób C nieorganicznego rozpuszczonego w oceanach jest 50 razy większy od zasobu C w atmosferycznym CO2.
To oceany kontrolują poziom CO2 w atmosferze,
nie odwrotnie.
Zdolność oceanów do asymilacji CO2 jest ograniczona:
-Dostawa kationów pochodzących z wietrzenia skał jest zbyt wolna.
-Cyrkulacja termohalinowa osłabia się w wyniku ocieplenia oceanów.
ALE:
Rola oceanów – procesy biotyczne
Fitoplankton obniża stężenie atmosferycznego CO2
o 150 – 200 ppm.„Pompa biologiczna”
Dodatkowo szkielety i skorupki węglanowe oraz odchody i fragmenty martwych organizmów opadając na dno usuwają C z powierzchniowej warstwy oceanu.„Pompa węglanowa”
Wzrost wydajności pomp oceanicznychwymaga wzrostu dostępności pierwiastkówbiogennych.
termoklina 100 m
lizoklina 3500 m
0,1 0,3 0,1
45 103
CaCO3 0,7
11
0,4
0,2 0,01 CaCO3
transp. fiz.
33
-3
-232 2 HCO2CO OHCO ⇔++
DIC w wodach powierzchniowych
Fitoplankton Zooplankton
Detrytus
88 90
PPN PPB
respiracja 34
OSADY
42
DIC DOC/POC
0,2
Obieg węgla w oceanie
PPN 60
4
<0,1
spalanie
Detrytus τ <10 lat (300)
zwierzęta
Zmodyfikowany węgiel glebowy, τ = 10 do 1000 lat (1050)
Węgiel refrakcyjny τ = > 1000 lat (150)
?
PPB 120
respiracja
55 60
DOC 0,4
Hydraty metanu
Metan rozpuszczony w wodzie morskiej tworzy w niskiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem (poniżej Głębokości 300 m) hydrat – krystaliczną, przezroczystąsubstancję przypominającą lód.
Środowiskowe znaczenie hydratów metanu
Zasób węgla zawarty w hydratach dwukrotnie przewyższa zasób węgla w paliwach kopalnych!
• Potencjalne źródło energii
• Poważny czynnik w efekcie szklarniowym – zawierają 3000 razy więcej metanu niż atmosfera
• Uwalnianie metanu z hydratów może wywoływać podmorskie osuwiska (tsunami)
Rubisco
Enzym tworzący materię organiczną. Działa wolno, asymiluje tylko 3 atomy C w ciągu sekundy, najbardziej rozpowszechniony enzym.Jego aktywność rośnie ze stężeniem CO2
do 800 – 1000 ppm.
Rola biosfery lądowej
Brak „pomp”.Asymilowany C gromadzony w formie substancji organicznych. C wraca do atmosfery poprzez procesy o różnych skalach czasowych:
- respiracja autotroficzna- respiracja heterotroficzna- zaburzenia o charakterze katastrof, np. pożary lasów.
Organizmy lądowe i gleby zawierają 3 razy więcej C niż atmosfera, ale jego czas przebywania jest rzędu dekad.
Czy biosfera lądowa ureguluje obieg węgla?
Ujemne sprzężenie zwrotne pomiędzy stężeniem CO2 i intensywnością fotosyntezy jest osłabiane
przez:
- niedostatek biogenów- zwiększenie respiracji heterotroficznej ze wzrostem temperatury- zaburzenia równowagi w glebach i ekosystemach
Sekwestracja CO2
Wykorzystanie naturalnych procesów nie pozwala na usunięcie wymaganych ilości CO2 na odpowiednio długi czas.
Biologiczna – niewystarczająca pojemność,powoduje wystąpienie innych środowiskowych problemów. Np. zalesianie powoduje zmniejszenie odpływu powierzchniowego, wzrost zasolenia i zakwaszenia gleb.
Absorpcja kwasu węglowego przez oceany – ograniczona pojemność, zbyt krótki czas przebywania, ograniczony mieszaniem oceanów.
Sekwestracja CO2
Metody technologiczne
- Pompowanie do złóż ropy i gazu (ograniczona pojemność, możliwość ucieczki)
- Głębokie poziomy wodonośne (możliwość ucieczki)
Trwałe usunięcie CO2 zapewnia jedynie:
-neutralizacja kwasu węglowego (wymaga dużych
stężeń CO2 - elektrownie nie emitujące żadnych
gazów)
Perspektywy
Globalny obieg węgla tworzą duże, szybkie strumienie natury biogeochemicznejnałożone na niewielkie, wolne transformacjegeologiczne.
Wzrost tempa wietrzenia wywołany wzrostem temperatury i stężenia CO2 w atmosferze jestniewystarczający dla zrównoważenia, w krótkiej skali czasu, antropogeniczych emisji CO2 do atmosfery.