Kulstofcyklusser er forskydningsbevægelserne for kulstofelementet i forskellige miljøer
Redigeret og ændret størrelse på billede af Mitchell Griest er tilgængelig på Unsplash
Kulstofcyklusser er forskydningsbevægelserne for kulstofelementet i forskellige miljøer, herunder klipper, jord, have og planter. Dette forhindrer det i at akkumuleres fuldstændigt i atmosfæren og stabiliserer jordens temperatur. For geologi er der to typer kulstofcyklus: den langsomme, der forekommer i hundreder af tusinder af år, og den hurtige, der forekommer fra ti til hundrede tusind år.
Kulstof
Kulstof er et kemisk element, der findes i overflod i klipper og i mindre grad i jord, i havet, i planter, i atmosfæren, i levende organismer og i objekter. Det er smedet i stjernerne og er det fjerde mest udbredte element i universet og vigtigt for opretholdelsen af livet på jorden, som vi kender det. Det er dog også en af årsagerne til et betydeligt problem: klimaændringer.
På meget lange tidsskalaer (millioner til titusinder af millioner af år) kan bevægelsen af tektoniske plader og ændringer i den hastighed, hvormed kulstof trænger ind i jordens indre, ændre den globale temperatur. Jorden har gennemgået denne ændring i de sidste 50 millioner år, fra de ekstremt varme kridtklimaer (omkring 145 til 65 millioner år siden) til Pleistocen-isklimaet (omkring 1,8 millioner til 11.500 år siden).
Den langsomme cyklus
Gennem en række kemiske reaktioner og tektonisk aktivitet tager kulstof mellem 100 og 200 millioner år at bevæge sig mellem klipper, jord, hav og atmosfære i kulstofcyklussen, der sker langsomt. I gennemsnit går mellem ti og 100 millioner tons kulstof gennem den langsomme cyklus på et år. Til sammenligning er menneskelige kulstofemissioner til atmosfæren i størrelsesordenen 10 milliarder ton, mens den hurtige kulstofcyklus bevæger sig fra 10 til 100 milliarder kulstof om året.
Bevægelsen af kulstof fra atmosfæren til litosfæren (klipper) begynder med regn. Atmosfærisk kulstof kombineret med vand danner kulsyre, som aflejres på overfladen gennem regn. Denne syre opløser klipperne i en proces kaldet kemisk forvitring og frigiver calcium-, magnesium-, kalium- eller natriumioner. Disse ioner transporteres til floder og fra floder til havet.
- Hvad er oprindelsen af plasten, der forurener havene?
- Forsuring af havet: et alvorligt problem for planeten
I havet kombineres calciumioner med bicarbonationer til dannelse af calciumcarbonat, den aktive ingrediens i antacida. I havet produceres mest calciumcarbonat af organismer med skalbygning (forkalkning) (såsom koraller) og plankton (såsom coccolithophores og foraminifera). Efter at disse organismer dør, synker de ned på havbunden. Over tid komprimeres lag af skaller og sedimenter og bliver klipper, der lagrer kulstof, hvilket giver anledning til sedimentære klipper såsom kalksten.
Cirka 80% af carbonatsten genereres på denne måde. De resterende 20% indeholder kulstof fra nedbrudte levende væsener (organisk kulstof). Varme og tryk komprimerer kulstofrig organisk materiale gennem millioner af år og danner sedimentære klipper, såsom skifer. I særlige tilfælde, når det organiske stof i døde planter akkumuleres hurtigt uden tid til nedbrydning, bliver lagene af organisk kulstof olie, kul eller naturgas i stedet for sedimentære klipper som skifer.
I den langsomme cyklus vender kulstof tilbage til atmosfæren gennem vulkansk aktivitet. Dette skyldes, at når overfladerne på jordens jordiske og oceaniske skorpe kolliderer, synker den ene under den anden, og den klippe, den bærer, smelter under ekstrem varme og tryk. Den opvarmede sten rekombineres i silikatmineraler og frigiver kuldioxid.
- Kuldioxid: hvad er CO2?
Når vulkaner bryder ud, uddriver de gas til atmosfæren og dækker jorden med kiselholdige klipper og begynder cyklussen igen. Vulkaner udsender mellem 130 og 380 millioner ton kuldioxid om året. Til sammenligning udsender mennesker omkring 30 milliarder tons kuldioxid om året - 100 til 300 gange mere end vulkaner - der brænder fossile brændstoffer.
- Alkohol eller benzin?
Hvis kuldioxid stiger i atmosfæren på grund af øget vulkansk aktivitet, stiger temperaturen for eksempel, hvilket fører til mere regn, som opløser flere klipper, hvilket skaber flere ioner, der til sidst deponerer mere kulstof på havbunden. Det tager et par hundrede tusinde år at genopveje den langsomme kulstofcyklus.
Den langsomme cyklus indeholder dog også en lidt hurtigere komponent: havet. På overfladen, hvor luft møder vand, opløses kuldioxidgassen og ventileres ud af havet i konstant udveksling med atmosfæren. En gang i havet reagerer kuldioxidgas med vandmolekyler for at frigive brint, hvilket gør havet surere. Brint reagerer med karbonatet ved forvitring af klipper for at producere bicarbonationer.
Før den industrielle æra udviste havet kuldioxid i atmosfæren i ligevægt med det kulstof, som havet modtog under erosionen af klipper. Men da kulstofkoncentrationer i atmosfæren er steget, fjerner havet nu mere kulstof fra atmosfæren, end det frigiver. I årtusinder vil havet absorbere op til 85% af det ekstra kulstof, som mennesker bringer i atmosfæren ved at brænde fossile brændstoffer, men processen er langsom, fordi den er knyttet til vandets bevægelse fra havets overflade til dets dybder.
I mellemtiden styrer vind, strøm og temperatur den hastighed, hvormed havet fjerner kuldioxid fra atmosfæren. (Se Havets kulstofbalance ved Jordobservatoriet.) Ændringer i havtemperaturer og strømme har sandsynligvis bidraget til at fjerne kulstof og genoprette kulstof til atmosfæren i de få tusinde år, hvor istiderne begyndte og sluttede .
Den hurtige kulstofcyklus
Den tid det tager for kulstof at rejse gennem den hurtige kulstofcyklus måles over en levetid. Den hurtige kulstofcyklus er dybest set bevægelsen af kulstof gennem livsformer på Jorden eller i biosfæren. Cirka tusind til 100 milliarder ton kulstof gennemgår den hurtige kulstofcyklus hvert år.
Kulstof spiller en vigtig rolle i biologien på grund af dets evne til at danne mange bindinger - op til fire pr. Atom - i et tilsyneladende uendeligt udvalg af komplekse organiske molekyler. Mange organiske molekyler indeholder kulstofatomer, der har dannet stærke bindinger med andre kulstofatomer, der kombineres i lange kæder og ringe. Sådanne kulstofkæder og ringe er grundlaget for levende celler. For eksempel består DNA af to sammenflettede molekyler bygget omkring en carbonkæde.
Bindingerne i de lange kulstofkæder indeholder meget energi. Når strømmen adskilles, frigives den lagrede energi. Denne energi gør kulstofmolekyler til en fremragende brændstofkilde til alle levende ting.
Planter og planteplankton er hovedkomponenterne i den hurtige kulstofcyklus. Fytoplankton (mikroskopiske organismer i havet) og planter fjerner kuldioxid fra atmosfæren ved at absorbere det i deres celler. Ved hjælp af energi fra solen kombinerer planter og plankton kuldioxid (CO2) og vand til dannelse af sukker (CH2O) og ilt. Den kemiske reaktion ser sådan ud:
CO2 + H2O + energi = CH2O + O2
Det kan ske, at kulstof bevæger sig fra en plante og vender tilbage til atmosfæren, men de involverer alle den samme kemiske reaktion. Planter nedbryder sukker for at få den energi, de har brug for til at vokse. Dyr (inklusive mennesker) spiser planter eller plankton og nedbryder plantens sukker til energi. Planter og plankton dør og rådner (forbruges af bakterier) eller forbruges af ild. I alle tilfælde kombineres ilt med sukker for at frigive vand, kuldioxid og energi. Den grundlæggende kemiske reaktion ser sådan ud:
CH2O + O2 = CO2 + H2O + energi
I de fire processer ender det kuldioxid, der frigives i reaktionen, normalt i atmosfæren. Den hurtige kulstofcyklus er så tæt knyttet til plantelivet, at vækstsæsonen kan ses på den måde, hvor kuldioxid flyder i atmosfæren. Om vinteren på den nordlige halvkugle, hvor få jordbundsplanter vokser, og mange nedbrydes, stiger atmosfæriske koncentrationer af kuldioxid. I løbet af foråret, når planterne begynder at vokse igen, falder koncentrationerne. Det er som om Jorden trækker vejret.
Ændringer i kulstofcyklussen
Venstre uforstyrret opretholder hurtige og langsomme kulstofcyklusser en relativt konstant koncentration af kulstof i atmosfæren, land, planter og havet. Men når noget ændrer mængden af kulstof i et reservoir, krusker effekten i de andre.
I jordens fortid har kulstofcyklussen ændret sig som reaktion på klimaforandringer. Variationer i Jordens bane ændrer mængden af energi, Jorden modtager fra Solen, og fører til en cyklus af istider og varme perioder som Jordens nuværende klima. (Se Milutin Milankovitch) Istidene udviklede sig, da somre på den nordlige halvkugle blev afkølet, og der akkumulerede is på jorden, hvilket igen bremsede kulstofcyklussen. I mellemtiden kan flere faktorer, herunder lavere temperaturer og øget vækst af fytoplankton, have øget mængden af kulstof, som havet har fjernet fra atmosfæren. Faldet i atmosfærisk kulstof har forårsaget yderligere afkøling. Ligeledes steg kuldioxid i atmosfæren dramatisk med slutningen af den sidste istid for 10.000 år siden med opvarmningstemperaturer.
Ændringer i jordens bane sker konstant i forudsigelige cyklusser. Omkring 30.000 år vil jordens bane have ændret sig nok til at reducere sollys på den nordlige halvkugle til niveauer, der førte til den sidste istid.
I dag sker der ændringer i kulstofcyklussen på grund af mennesker. Vi forstyrrer kulstofcyklussen ved at brænde fossile brændstoffer og skovrydning.
Skovrydning frigiver kulstof, der er lagret i kufferter, stængler og blade - biomasse. Når en skov fjernes, fjernes planter, der ellers fjerner kulstof fra atmosfæren, når den vokser. Der er en verdensomspændende tendens til at erstatte skove med monokultur og græsgange, der lagrer mindre kulstof. Vi udsætter også jord, der udleder kulstof fra nedbrydende plantemateriale i atmosfæren. I øjeblikket udsender mennesker hvert år knap en milliard ton kulstof til atmosfæren gennem ændringer i arealanvendelsen.
Uden menneskelig indblanding ville kulstof fra fossile brændstoffer langsomt sive ud i atmosfæren gennem vulkansk aktivitet gennem millioner af år i den langsomme kulstofcyklus. Ved at brænde kul, olie og naturgas fremskynder vi processen og frigiver hvert år store mængder kulstof (kulstof, der tog millioner af år at akkumulere). Dermed flytter vi kulstof fra den langsomme cyklus til den hurtige cyklus. I 2009 frigav mennesker omkring 8,4 milliarder ton kulstof i atmosfæren ved at brænde fossile brændstoffer.
Siden begyndelsen af den industrielle revolution, da folk begyndte at brænde fossile brændstoffer, er koncentrationer af kuldioxid i atmosfæren steget fra omkring 280 dele pr. Million til 387 dele pr. Million, en stigning på 39%. Dette betyder, at for hver million molekyler i atmosfæren er 387 af dem nu kuldioxid - den højeste koncentration i to millioner år. Metankoncentrationer steg fra 715 dele pr. Milliard i 1750 til 1.774 dele pr. Milliard i 2005, den højeste koncentration i mindst 650.000 år.
Effekter af ændring af kulstofcyklus
Billede: Carbon Cycles - NASA
Alt det ekstra kulstof skal gå et eller andet sted. Indtil videre har land- og havplanter absorberet 55% af det ekstra kulstof i atmosfæren, mens ca. 45% forbliver i atmosfæren. Til sidst absorberer jorden og havene det meste af den ekstra kuldioxid, men op til 20% kan forblive i atmosfæren i mange tusinder af år.
Det overskydende kulstof i atmosfæren varmer planeten og hjælper jordbaserede planter med at vokse mere. Overskydende kulstof i havet gør vandet surere og sætter havlivet i fare. Find ud af mere om dette emne i artiklen: "Forsuring af havene: et alvorligt problem for planeten".
Atmosfære
Det er vigtigt, at der forbliver så meget kuldioxid i atmosfæren, fordi CO2 er den vigtigste gas til at kontrollere jordens temperatur. Kuldioxid, metan og halogencarboner er drivhusgasser, der absorberer en bred vifte af energi - inklusive infrarød energi (varme), der udsendes af jorden - og derefter udsender den igen. Den genudgivne energi bevæger sig i alle retninger, men nogle vender tilbage til jorden og varmer overfladen op. Uden drivhusgasser ville jorden være frosset ved -18 ° C. Med mange drivhusgasser ville Jorden være som Venus, hvor atmosfæren opretholder temperaturer omkring 400 ° C.
Fordi forskere ved, hvilke bølgelængder energi hver drivhusgas absorberer og koncentrationen af gasser i atmosfæren, kan de beregne, hvor meget hver gas bidrager til opvarmningen af planeten. Kuldioxid forårsager ca. 20% af Jordens drivhuseffekt; vanddamp er ansvarlig for ca. 50%; og skyer repræsenterer 25%. Resten er forårsaget af små partikler (aerosoler) og mindre drivhusgasser, såsom metan.
- Er aerosoldåser genanvendelige?
Koncentrationen af vanddamp i luften styres af jordens temperatur. Varmere temperaturer fordamper mere vand fra havene, udvider luftmasserne og fører til større fugtighed. Køling får vanddamp til at kondensere og falde som regn, hagl eller sne.
På den anden side forbliver kuldioxid en gas i et bredere interval af atmosfæriske temperaturer end vand. Kuldioxidmolekylerne tilvejebringer den første opvarmning, der kræves for at opretholde vanddampkoncentrationer. Når koncentrationen af kuldioxid falder, afkøles jorden, der falder lidt vanddamp fra atmosfæren, og opvarmningen af drivhuset forårsaget af vanddampen falder. Ligeledes når kuldioxidkoncentrationer stiger, stiger lufttemperaturen, og mere vanddamp fordamper til atmosfæren - hvilket forstærker opvarmningen af drivhuset.
Så mens kuldioxid bidrager mindre til drivhuseffekten end vanddamp, har forskere fundet, at kuldioxid er den gas, der bestemmer temperaturen. Kuldioxid styrer mængden af vanddamp i atmosfæren og derfor størrelsen på drivhuseffekten.
Stigende koncentrationer af kuldioxid får allerede planeten til at varme op. På samme tid som drivhusgasser stiger, er de gennemsnitlige globale temperaturer steget med 0,8 grader Celsius (1,4 grader Fahrenheit) siden 1880.
Denne stigning i temperatur er ikke al den opvarmning, som vi vil se baseret på aktuelle koncentrationer af kuldioxid. Opvarmningen af drivhuset sker ikke med det samme, fordi havet absorberer varme. Dette betyder, at jordens temperatur vil stige med mindst 0,6 grader Celsius (1 grad Fahrenheit) på grund af den kuldioxid, der allerede er i atmosfæren. I hvilken grad temperaturen stiger yderligere afhænger delvist af, hvor meget mere kulstof mennesker frigiver i atmosfæren i fremtiden.
Ocean
Cirka 30% af den kuldioxid, som mennesker bringer i atmosfæren, diffunderes i havet gennem direkte kemisk udveksling. Opløsningen af kuldioxid i havet skaber kulsyre, hvilket øger surheden i vandet. Eller rettere, et lidt alkalisk hav bliver lidt mindre alkalisk. Siden 1750 er pH på havets overflade faldet 0,1, en 30% ændring i surhed.
Forsuring af havet påvirker marine organismer på to måder. For det første reagerer kulsyre med carbonationerne i vandet til dannelse af bicarbonat. Imidlertid er de samme carbonationer, hvad dyr, der bygger dyr, som koraller, har brug for at skabe calciumcarbonatskaller. Da der er mindre carbonat til rådighed, skal dyr bruge mere energi på at bygge deres skaller. Som et resultat bliver skaller tyndere og mere skrøbelige.
For det andet, jo mere vand er surt, desto bedre opløses det calciumcarbonat. På lang sigt vil denne reaktion tillade havet at absorbere overskydende kuldioxid, fordi mere surt vand vil opløse flere klipper, frigive flere carbonationer og øge havets evne til at absorbere kuldioxid. I mellemtiden vil mere surt vand imidlertid opløse karbonatskaller fra marine organismer, hvilket gør dem pitted og svage.
Varmere oceaner - et produkt af drivhuseffekten - kan også mindske forekomsten af fytoplankton, der vokser bedst i kolde, næringsrige vand. Dette kunne begrænse havets evne til at udvinde kulstof fra atmosfæren gennem den hurtige kulstofcyklus.
På den anden side er kuldioxid afgørende for væksten af planter og planteplankton. En stigning i kuldioxid kan øge væksten ved at befrugte de få arter af fytoplankton og oceaniske planter (som havgræs), der fjerner kuldioxid direkte fra vandet. Imidlertid er de fleste arter ikke hjulpet af den øgede tilgængelighed af kuldioxid.
jorden
Planterne på land absorberede ca. 25% af den kuldioxid, som mennesker satte i atmosfæren. Mængden af kulstof, som planter absorberer, varierer meget fra år til år, men generelt øger verdens planter mængden af kuldioxid, de absorberer siden 1960. Kun en del af denne stigning er sket som et direkte resultat af fossile brændstoffer.
Med mere atmosfærisk kuldioxid til rådighed til at omdanne til plantemateriale i fotosyntese var planter i stand til at vokse mere. Denne stigning i vækst kaldes kulstofbefrugtning. Modellerne forudsiger, at planter kan vokse 12 til 76% mere, hvis atmosfærisk kuldioxid fordobles, så længe intet andet, som vandknaphed, begrænser deres vækst. Forskere ved dog ikke, hvor meget kuldioxid der øger plantevæksten i den virkelige verden, fordi planter har brug for mere end kuldioxid for at vokse.
Planter har også brug for vand, sollys og næringsstoffer, især kvælstof. Hvis en plante ikke har en af disse ting, vil den ikke vokse, uanset hvor rigelig de andre behov er. Der er en grænse for, hvor meget kulstofplanter der kan fjernes fra atmosfæren, og denne grænse varierer fra region til region. Indtil videre ser det ud til, at kuldioxidgødskning øger plantevæksten, indtil planten når en grænse for den tilgængelige mængde vand eller kvælstof.
Nogle af ændringerne i kulstofabsorptionen er resultatet af beslutninger om arealanvendelse. Landbrug er blevet meget mere intensivt, så vi kan dyrke mere mad på mindre jord. På høje og mellemstore breddegrader vender forladt land tilbage til skoven, og disse skove gemmer meget mere kulstof, både i træ og i jord, end afgrøder. Mange steder forhindrer vi plantens kulstof i at komme ind i atmosfæren ved at slukke brande. Dette gør det træagtige materiale (som lagrer kulstof) akkumuleres. Alle disse beslutninger om arealanvendelse hjælper planter med at absorbere humant frigivet kulstof på den nordlige halvkugle.
I troperne ryddes imidlertid skove, ofte gennem ild, og dette frigiver kuldioxid. I 2008 repræsenterede skovrydning omkring 12% af alle menneskelige kuldioxidemissioner.
De største ændringer i den terrestriske kulstofcyklus vil sandsynligvis forekomme på grund af klimaændringer. Kuldioxid øger temperaturen, forlænger vækstsæsonen og øger fugtigheden. Begge faktorer førte til en vis yderligere plantevækst. Imidlertid understreger varmere temperaturer også planterne. Med en længere, varmere vækstsæson har planter brug for mere vand for at overleve. Forskere ser allerede beviser for, at planter på den nordlige halvkugle bremser væksten om sommeren på grund af varme temperaturer og vandknaphed.
Tørrede og vandbelastede planter er også mere modtagelige for ild og insekter, når vækstsæsoner bliver længere. I det fjerne nord, hvor temperaturstigningen har størst indflydelse, er skovene allerede begyndt at brænde mere og frigiver kulstof fra planter og jord til atmosfæren. Tropiske skove kan også være ekstremt modtagelige for tørring. Med mindre vand bremser tropiske træer væksten og absorberer mindre kulstof eller dør og frigiver kulstof, der er lagret i atmosfæren.
Opvarmningen forårsaget af stigningen i drivhusgasser kan også "bage" jorden og fremskynde den hastighed, hvormed kulstof dræner nogle steder. Dette er især bekymrende i det fjerne nord, hvor den frosne jord - permafrost - optøer. Permafrost indeholder rige kulstofaflejringer af plantemateriale, der har samlet sig i tusinder af år, fordi kulden aftager henfald. Når jorden opvarmes, henfalder organisk materiale, og kulstof - i form af metan og kuldioxid - trænger ind i atmosfæren.
Nuværende forskning estimerer, at permafrost på den nordlige halvkugle har 1.672 milliarder ton (Petagramas) organisk kulstof. Hvis kun 10% af denne permafrost optøer, kunne det frigive nok ekstra kuldioxid i atmosfæren til at hæve temperaturerne med 0,7 grader Celsius (1,3 grader Fahrenheit) i 2100.
Undersøgelse af kulstofcyklussen
Mange af de spørgsmål, som forskere stadig har brug for at besvare om kulstofcyklussen, drejer sig om, hvordan det ændrer sig. Atmosfæren indeholder nu mere kulstof end nogensinde på mindst to millioner år. Hvert reservoir i cyklussen vil ændre sig, når kulstof passerer gennem cyklussen.
Hvordan vil disse ændringer være? Hvad vil der ske med planter, når temperaturen stiger og klimaændringerne? Vil de fjerne mere kulstof fra atmosfæren, end de vender tilbage? Bliver de mindre produktive? Hvor meget ekstra kulstof smelter permafrosten i atmosfæren, og hvor meget forstærker den opvarmningen? Ændrer havets cirkulation eller opvarmning den hastighed, hvormed havet absorberer kulstof? Bliver havliv mindre produktivt? Hvor meget vil havet forsure, og hvilke effekter vil det have?
NASAs rolle i besvarelsen af disse spørgsmål er at levere globale satellitobservationer og relaterede feltobservationer. I begyndelsen af 2011 indsamlede to typer satellitinstrumenter oplysninger, der var relevante for kulstofcyklussen.
MODIS-instrumenterne (Moderate Resolution Image Spectroradiometer), der flyver på NASAs Terra- og Aqua-satellitter, måler mængden af kulstofplanter og planteplankton bliver til stof, når de vokser, et mål kaldet nettoprimærproduktivitet. MODIS-sensorer måler også, hvor mange brande der opstår, og hvor de brænder.
To Landsat-satellitter giver en detaljeret oversigt over havrev, hvad der vokser på land, og hvordan landdækningen ændrer sig. Du kan se væksten i en by eller en transformation fra skov til gård. Disse oplysninger er afgørende, fordi arealanvendelse er ansvarlig for en tredjedel af alle menneskelige kulstofemissioner.
Fremtidige NASA-satellitter vil fortsætte disse observationer og måler også kuldioxid og metan i atmosfæren, højden og vegetationsstrukturen.
Alle disse foranstaltninger vil hjælpe os med at se, hvordan den globale kulstofcyklus ændrer sig over tid. De hjælper os med at vurdere den indvirkning, vi har på kulstofcyklussen, frigive kulstof i atmosfæren eller finde måder at gemme det andetsteds. De vil vise os, hvordan klimaforandringer ændrer kulstofcyklussen, og hvordan ændring af cyklussen ændrer klimaet.
De fleste af os vil dog observere ændringer i kulstofcyklussen på en mere personlig måde. For os er kulstofcyklussen den mad, vi spiser, elen i vores hjem, gassen i vores biler og vejrliget. Da vi er en del af kulstofcyklussen, spredes vores beslutninger om, hvordan vi lever, gennem hele cyklussen. Ligeledes vil ændringer i kulstofcyklussen påvirke den måde, vi lever på. Når vi hver især kommer til at forstå vores rolle i kulstofcyklussen, gør viden os i stand til at kontrollere vores personlige indflydelse og forstå de ændringer, vi ser i verden omkring os.
