Karbonsykluser er forskyvningsbevegelsene til karbonelementet i forskjellige miljøer
Redigert og endret størrelse på bilde av Mitchell Griest, er tilgjengelig på Unsplash
Karbonsykluser er forskyvningsbevegelsene til karbonelementet i forskjellige miljøer, inkludert bergarter, jord, hav og planter. Dette forhindrer at den akkumuleres helt i atmosfæren og stabiliserer jordens temperatur. For geologi er det to typer karbonsyklus: den langsomme, som forekommer i hundretusener av år, og den raske, som skjer fra titalls til hundre tusen år.
Kullet
Karbon er et kjemisk element som finnes i overflod i bergarter og i mindre grad i jord, i havet, i planter, i atmosfæren, i levende organismer og i gjenstander. Det er smidd i stjernene, og er det fjerde mest utbredte elementet i universet og viktig for å opprettholde livet på jorden slik vi kjenner det. Det er imidlertid også en av årsakene til et betydelig problem: klimaendringer.
På veldig lange tidsskalaer (millioner til titalls millioner år) kan bevegelsen av tektoniske plater og endringer i hastigheten som karbon trenger inn i jordens indre endre den globale temperaturen. Jorden har gjennomgått denne endringen de siste 50 millioner årene, fra de ekstremt varme krittklimaene (for ca. 145 til 65 millioner år siden) til Pleistocene-klimaene (for ca. 1,8 millioner til 11 500 år siden).
Den langsomme syklusen
Gjennom en rekke kjemiske reaksjoner og tektonisk aktivitet tar karbon mellom 100 og 200 millioner år å bevege seg mellom bergarter, jord, hav og atmosfære i karbonsyklusen som skjer sakte. I gjennomsnitt går mellom ti og 100 millioner tonn karbon gjennom den langsomme syklusen på ett år. Til sammenligning er menneskelige utslipp av karbon i atmosfæren i størrelsesorden 10 milliarder tonn, mens den raske karbonsyklusen beveger seg fra 10 til 100 milliarder karbon per år.
Bevegelsen av karbon fra atmosfæren til litosfæren (bergarter) begynner med regn. Atmosfærisk karbon, kombinert med vann, danner karbonsyre som avsettes på overflaten gjennom regn. Denne syren løser opp bergartene i en prosess som kalles kjemisk forvitring, og frigjør kalsium-, magnesium-, kalium- eller natriumioner. Disse ionene transporteres til elver og fra elver til havet.
- Hva er opprinnelsen til plasten som forurenser havene?
- Forsuring av havet: et alvorlig problem for planeten
I havet kombineres kalsiumioner med bikarbonationer for å danne kalsiumkarbonat, den aktive ingrediensen i antacida. I havet produseres det meste av kalsiumkarbonat av skallbyggende (forkalkende) organismer (som koraller) og plankton (som koksitoforer og foraminifera). Etter at disse organismene dør, synker de ned til havbunnen. Over tid komprimeres lag av skjell og sedimenter og forvandles til bergarter, lagrer karbon og gir opphav til sedimentære bergarter som kalkstein.
Cirka 80% av karbonatbergartene genereres på denne måten. De resterende 20% inneholder karbon fra nedbrutte levende vesener (organisk karbon). Varme og trykk komprimerer karbonrikt organisk materiale gjennom millioner av år og danner sedimentære bergarter, som skifer. I spesielle tilfeller, når det organiske materialet i døde planter akkumuleres raskt, uten tid for nedbrytning, blir lagene av organisk karbon til olje, kull eller naturgass, i stedet for sedimentære bergarter som skifer.
I den langsomme syklusen går karbon tilbake til atmosfæren gjennom vulkansk aktivitet. Dette er fordi når overflatene på jordens jordiske og havskorpe kolliderer, synker den ene under den andre, og berget den bærer smelter under ekstrem varme og trykk. Den oppvarmede steinen rekombineres i silikatmineraler og frigjør karbondioksid.
- Karbondioksid: hva er CO2?
Når vulkaner bryter ut, driver de gass ut i atmosfæren og dekker jorden med kiselaktige bergarter, og begynner syklusen igjen. Vulkaner avgir mellom 130 og 380 millioner tonn karbondioksid per år. Til sammenligning slipper mennesker ut omtrent 30 milliarder tonn karbondioksid i året - 100 til 300 ganger mer enn vulkaner - som brenner fossilt brensel.
- Alkohol eller bensin?
Hvis karbondioksid stiger i atmosfæren på grunn av økt vulkansk aktivitet, stiger temperaturen for eksempel, noe som fører til mer regn, som oppløser flere bergarter, og skaper flere ioner som til slutt avgir mer karbon på havbunnen. Det tar noen hundre tusen år å balansere den langsomme karbonsyklusen.
Imidlertid inneholder den langsomme syklusen også en litt raskere komponent: havet. På overflaten, hvor luft møter vann, løses karbondioksidgassen og ventilerer ut av havet i konstant bytte med atmosfæren. En gang i havet reagerer karbondioksidgass med vannmolekyler for å frigjøre hydrogen, noe som gjør havet surere. Hydrogen reagerer med karbonatet ved forvitring av bergarter for å produsere bikarbonationer.
Før den industrielle tiden utviste havet karbondioksid i atmosfæren i likevekt med karbonet som havet fikk under slitasje av bergarter. Etter hvert som karbonkonsentrasjonen i atmosfæren har økt, fjerner imidlertid havet mer karbon fra atmosfæren enn det frigjøres. I løpet av årtusener vil havet absorbere opptil 85% av det ekstra karbonet som mennesker legger i atmosfæren ved å brenne fossile brensler, men prosessen er treg fordi den er knyttet til vannets bevegelse fra havets overflate til dypet.
I mellomtiden styrker vind, strøm og temperatur hastigheten som havet fjerner karbondioksid fra atmosfæren. (Se havets karbonbalanse ved jordobservatoriet.) Endringer i havtemperaturer og strømmer har sannsynligvis bidratt til å fjerne karbon og gjenopprette karbon i atmosfæren i løpet av de få tusen årene som istiden begynte og endte. .
Den raske karbonsyklusen
Tiden det tar for karbon å reise gjennom den raske karbonsyklusen måles over en levetid. Den raske karbonsyklusen er i utgangspunktet karbonens bevegelse gjennom livsformer på jorden eller i biosfæren. Omtrent tusen til 100 milliarder tonn karbon går gjennom den raske karbonsyklusen hvert år.
Karbon spiller en viktig rolle i biologien på grunn av dets evne til å danne mange bindinger - opptil fire per atom - i et tilsynelatende uendelig utvalg av komplekse organiske molekyler. Mange organiske molekyler inneholder karbonatomer som har dannet sterke bindinger med andre karbonatomer, kombinert i lange kjeder og ringer. Slike karbonkjeder og ringer er grunnlaget for levende celler. For eksempel består DNA av to sammenflettede molekyler bygget rundt en karbonkjede.
Bindingene i de lange karbonkjedene inneholder mye energi. Når strømmen skilles, frigjøres den lagrede energien. Denne energien gjør karbonmolekyler til en utmerket drivstoffkilde for alle levende ting.
Planter og planteplankton er hovedkomponentene i den raske karbonsyklusen. Fytoplankton (mikroskopiske organismer i havet) og planter fjerner karbondioksid fra atmosfæren ved å absorbere det i cellene. Ved å bruke energi fra solen kombinerer planter og plankton karbondioksid (CO2) og vann for å danne sukker (CH2O) og oksygen. Den kjemiske reaksjonen ser slik ut:
CO2 + H2O + energi = CH2O + O2
Det kan skje at karbon beveger seg fra en plante og går tilbake til atmosfæren, men de involverer alle den samme kjemiske reaksjonen. Planter bryter ned sukker for å få energien de trenger for å vokse. Dyr (inkludert mennesker) spiser planter eller plankton og bryter ned plantens sukker for energi. Planter og plankton dør og råtner (konsumeres av bakterier) eller konsumeres av brann. I alle tilfeller kombineres oksygen med sukker for å frigjøre vann, karbondioksid og energi. Den grunnleggende kjemiske reaksjonen ser slik ut:
CH2O + O2 = CO2 + H2O + energi
I de fire prosessene havner karbondioksidet som frigjøres i reaksjonen vanligvis i atmosfæren. Den raske karbonsyklusen er så nært knyttet til plantelivet at vekstsesongen kan sees på måten karbondioksid flyter i atmosfæren. Om vinteren på den nordlige halvkule, når få jordiske planter vokser og mange brytes ned, øker atmosfæriske konsentrasjoner av karbondioksid. I løpet av våren, når plantene begynner å vokse igjen, faller konsentrasjonene. Det er som om Jorden puster.
Endringer i karbonsyklusen
Venstre uforstyrret, opprettholder raske og langsomme karbonsykluser en relativt konstant konsentrasjon av karbon i atmosfæren, land, planter og hav. Men når noe endrer mengden karbon i ett reservoar, kruser effekten i andre.
I jordens fortid har karbonsyklusen endret seg som svar på klimaendringene. Variasjoner i jordens bane endrer mengden energi jorden mottar fra solen og fører til en syklus av istider og varme perioder som jordens nåværende klima. (Se Milutin Milankovitch) Istidene utviklet seg når somrene på den nordlige halvkule ble avkjølt og isen akkumulerte seg på jorden, noe som igjen bremset karbonkretsløpet. I mellomtiden kan flere faktorer, inkludert lavere temperaturer og økt vekst av planteplankton, ha økt mengden karbon som havet har fjernet fra atmosfæren. Nedgangen i atmosfærisk karbon har forårsaket ytterligere avkjøling. På samme måte økte karbondioksid i atmosfæren dramatisk med slutten av den siste istiden for 10 000 år siden med oppvarmingstemperaturer.
Endringer i jordens bane skjer konstant, i forutsigbare sykluser. Omtrent 30 000 år vil jordens bane ha endret seg nok til å redusere sollys på den nordlige halvkule til nivåer som førte til den siste istiden.
I dag skjer endringer i karbonsyklusen på grunn av mennesker. Vi forstyrrer karbonsyklusen ved å forbrenne fossile brensler og avskoging.
Avskoging frigjør karbon lagret i koffertene, stilkene og bladene - biomasse. Når du fjerner en skog, fjernes planter som ellers vil fjerne karbon fra atmosfæren når den vokser. Det er en verdensomspennende trend å erstatte skog med monokultur og beite, som lagrer mindre karbon. Vi utsetter også jord som driver ut karbon fra nedbrytende plantemateriale i atmosfæren. For tiden slipper mennesker ut i underkant av en milliard tonn karbon i atmosfæren hvert år gjennom endringer i arealbruken.
Uten menneskelig innblanding vil karbon fra fossile brensler sakte lekke ut i atmosfæren gjennom vulkansk aktivitet over millioner av år i den langsomme karbonkretsløpet. Ved å brenne kull, olje og naturgass, akselererer vi prosessen, og slipper ut store mengder karbon (karbon som det tok millioner av år å akkumulere) i atmosfæren hvert år. Ved å gjøre dette flytter vi karbonet fra den langsomme syklusen til den raske syklusen. I 2009 slapp mennesker ut 8,4 milliarder tonn karbon i atmosfæren ved å forbrenne fossile brensler.
Siden begynnelsen av den industrielle revolusjonen, da folk begynte å brenne fossile brensler, har konsentrasjonen av karbondioksid i atmosfæren økt fra rundt 280 deler per million til 387 deler per million, en økning på 39%. Dette betyr at for hver million molekyler i atmosfæren er 387 av dem nå karbondioksid - den høyeste konsentrasjonen på to millioner år. Metankonsentrasjoner økte fra 715 deler per milliard i 1750 til 1774 deler per milliard i 2005, den høyeste konsentrasjonen på minst 650 000 år.
Effekter av å endre karbonsyklusen
Bilde: Carbon Cycles - NASA
Alt det ekstra karbonet må gå et sted. Så langt har land- og havplanter absorbert 55% av det ekstra karbonet i atmosfæren, mens rundt 45% forblir i atmosfæren. Til slutt absorberer jord og hav det meste av ekstra karbondioksid, men opptil 20% kan forbli i atmosfæren i mange tusen år.
Overskuddet av karbon i atmosfæren varmer planeten og hjelper terrestriske planter til å vokse mer. Overflødig karbon i havet gjør vannet surere, og setter livet i havet i fare. Finn ut mer om dette emnet i artikkelen: "Forsuring av havene: et alvorlig problem for planeten".
Stemning
Det er viktig at så mye karbondioksid forblir i atmosfæren fordi CO2 er den viktigste gassen for å kontrollere jordens temperatur. Karbondioksid, metan og halokarboner er klimagasser som absorberer et bredt spekter av energi - inkludert infrarød energi (varme) som slippes ut av jorden - og deretter slipper den ut igjen. Den utgitte energien beveger seg i alle retninger, men noen kommer tilbake til jorden og varmer opp overflaten. Uten klimagasser ville Jorden være frossen ved -18 ° C. Med mange klimagasser vil jorden være som Venus, hvor atmosfæren holder temperaturer rundt 400 ° C.
Fordi forskere vet hvilke bølgelengder av energi hver klimagass absorberer og konsentrasjonen av gasser i atmosfæren, kan de beregne hvor mye hver gass bidrar til oppvarmingen av planeten. Karbondioksid forårsaker omtrent 20% av jordens drivhuseffekt; vanndamp er ansvarlig for ca 50%; og skyer representerer 25%. Resten er forårsaket av små partikler (aerosoler) og mindre klimagasser, for eksempel metan.
- Er aerosolbokser resirkulerbare?
Konsentrasjonen av vanndamp i luften styres av jordens temperatur. Varmere temperaturer fordamper mer vann fra havene, utvider luftmassene og fører til større fuktighet. Kjøling får vanndamp til å kondensere og falle som regn, hagl eller snø.
Karbondioksid, derimot, forblir en gass i et bredere spekter av atmosfæriske temperaturer enn vann. Karbondioksidmolekyler gir den første oppvarmingen som kreves for å opprettholde vanndampkonsentrasjonen. Når konsentrasjonen av karbondioksid faller, avkjøles jorden, det faller litt vanndamp fra atmosfæren og oppvarmingen av drivhuset forårsaket av vanndampen faller. Når karbondioksidkonsentrasjonen øker, øker lufttemperaturen og mer vanndamp fordamper i atmosfæren - som forsterker oppvarmingen av drivhuset.
Så mens karbondioksid bidrar mindre til drivhuseffekten enn vanndamp, har forskere funnet at karbondioksid er gassen som bestemmer temperaturen. Karbondioksid kontrollerer mengden vanndamp i atmosfæren og derfor størrelsen på drivhuseffekten.
Stigende konsentrasjoner av karbondioksid får allerede planeten til å varme seg opp. Samtidig som klimagassene øker, har den gjennomsnittlige globale temperaturen økt med 0,8 grader Celsius (1,4 grader Fahrenheit) siden 1880.
Denne økningen i temperatur er ikke all oppvarmingen vi vil se basert på nåværende konsentrasjoner av karbondioksid. Oppvarmingen av drivhuset skjer ikke umiddelbart fordi havet absorberer varme. Dette betyr at jordens temperatur vil øke med minst 0,6 grader Celsius (1 grad Fahrenheit) på grunn av karbondioksidet som allerede er i atmosfæren. I hvilken grad temperaturene stiger ytterligere, avhenger delvis av hvor mye mer karbon mennesker slipper ut i atmosfæren i fremtiden.
hav
Cirka 30% av karbondioksidet som mennesker setter ut i atmosfæren, blir diffundert i havet gjennom direkte kjemisk utveksling. Oppløsningen av karbondioksid i havet skaper karbonsyre, som øker surheten i vannet. Eller rettere sagt, et litt alkalisk hav blir litt mindre alkalisk. Siden 1750 har pH på havoverflaten falt 0,1, en 30% endring i surhet.
Forsuring av havet påvirker marine organismer på to måter. Først reagerer karbonsyren med karbonationene i vannet for å danne bikarbonat. Imidlertid er de samme karbonationene det skalldyr som koraller trenger for å lage kalsiumkarbonatskjell. Med mindre karbonat tilgjengelig, må dyr bruke mer energi på å bygge skjell. Som et resultat blir skjellene tynnere og mer skjøre.
For det andre, jo mer vann er surt, desto bedre løser det opp kalsiumkarbonat. På sikt vil denne reaksjonen tillate havet å absorbere overflødig karbondioksid fordi surere vann vil oppløse flere bergarter, frigjøre mer karbonationer og øke havets evne til å absorbere karbondioksid. I mellomtiden vil imidlertid surere vann oppløse karbonatskjellene til marine organismer, noe som gjør dem pittede og svake.
Varmere hav - et produkt av drivhuseffekten - kan også redusere overflod av planteplankton, som vokser best i kaldt, næringsrikt vann. Dette kan begrense havets evne til å trekke ut karbon fra atmosfæren gjennom den raske karbonsyklusen.
På den annen side er karbondioksid viktig for veksten av planter og planteplankton. En økning i karbondioksid kan øke veksten ved å gjødsle de få arter av planteplankton og havplanter (for eksempel sjøgress) som fjerner karbondioksid direkte fra vannet. Imidlertid hjelper de fleste arter ikke med den økte tilgjengeligheten av karbondioksid.
Jord
Planter på land absorberte omtrent 25% av karbondioksidet som mennesker plasserte i atmosfæren. Mengden karbon som planter absorberer varierer mye fra år til år, men generelt øker verdens planter mengden karbondioksid de absorberer siden 1960. Bare en del av denne økningen har skjedd som et direkte resultat av fossile drivstoffutslipp.
Med mer atmosfærisk karbondioksid tilgjengelig for å konvertere til plantemateriale i fotosyntese, kunne planter vokse mer. Denne økningen i vekst er kjent som karbongjødsling. Modellene forutsier at planter kan vokse 12 til 76% mer hvis atmosfærisk karbondioksid dobler seg, så lenge ingenting annet, som vannmangel, begrenser veksten. Forskerne vet imidlertid ikke hvor mye karbondioksid som øker planteveksten i den virkelige verden, fordi planter trenger mer enn karbondioksid for å vokse.
Planter trenger også vann, sollys og næringsstoffer, spesielt nitrogen. Hvis en plante ikke har en av disse tingene, vil den ikke vokse, uavhengig av hvor rikelig de andre behovene er. Det er en grense for hvor mye karbonplanter som kan fjerne fra atmosfæren, og den grensen varierer fra region til region. Så langt ser det ut til at karbondioksidgjødsling øker planteveksten til planten når en grense i mengden vann eller nitrogen tilgjengelig.
Noen av endringene i karbonabsorpsjon er resultatet av beslutninger om arealbruk. Landbruket har blitt mye mer intensivt, slik at vi kan dyrke mer mat på mindre land. På høye og mellomstore breddegrader går forlatt land tilbake til skogen, og disse skogene lagrer mye mer karbon, både i tre og i jord, enn avlinger. Mange steder forhindrer vi plantens karbon i å komme ut i atmosfæren ved å slukke branner. Dette gjør at det treaktige materialet (som lagrer karbon) akkumuleres. Alle disse beslutningene om arealbruk hjelper planter å absorbere karbon som frigjøres av mennesker på den nordlige halvkule.
I tropene blir imidlertid skog ryddet, ofte gjennom brann, og dette frigjør karbondioksid. I 2008 representerte avskoging om lag 12% av alle menneskelige utslipp av karbondioksid.
De største endringene i den terrestriske karbonkretsløpet vil sannsynligvis skje på grunn av klimaendringer. Karbondioksid øker temperaturen, forlenger vekstsesongen og øker fuktigheten. Begge faktorene førte til noe ekstra plantevekst. Imidlertid stresser varmere temperaturer også plantene. Med en lengre, varmere vekstsesong trenger planter mer vann for å overleve. Forskere ser allerede bevis på at planter på den nordlige halvkule bremser veksten om sommeren på grunn av varme temperaturer og vannmangel.
Tørkede og vannbelastede planter er også mer utsatt for ild og insekter når vekstsesongene blir lenger. Helt nord, hvor temperaturstigningen har størst innvirkning, har skog allerede begynt å brenne mer, og slipper karbon fra planter og jord til atmosfæren. Tropiske skoger kan også være ekstremt utsatt for tørking. Med mindre vann reduserer tropiske trær veksten og absorberer mindre karbon, eller dør og frigjør karbon lagret i atmosfæren.
Oppvarmingen forårsaket av økningen i klimagasser kan også "bake" jorden, og akselererer hastigheten som karbon drenerer noen steder. Dette er spesielt bekymringsfullt i nord, der frossen jord - permafrost - tiner. Permafrost inneholder rike karbonavsetninger av plantemateriale som har samlet seg i tusenvis av år fordi kulden avtar forfall. Når jorden varmes opp, forfaller organisk materiale og karbon - i form av metan og karbondioksid - trenger inn i atmosfæren.
Nåværende undersøkelser anslår at permafrost på den nordlige halvkule inneholder 1 672 milliarder tonn (Petagramas) organisk karbon. Hvis bare 10% av permafrosten tiner, kan det frigjøre nok ekstra karbondioksid i atmosfæren til å øke temperaturen med 0,7 grader Celsius (1,3 grader Fahrenheit) i 2100.
Studie av karbonsyklusen
Mange av spørsmålene som forskere fortsatt trenger å svare på om karbonsyklusen, dreier seg om hvordan den endrer seg. Atmosfæren inneholder nå mer karbon enn noen gang på minst to millioner år. Hvert reservoar i syklusen vil endres når karbonet passerer gjennom syklusen.
Hvordan vil disse endringene være? Hva vil skje med planter når temperaturen stiger og klimaendringene? Vil de fjerne mer karbon fra atmosfæren enn de kommer tilbake? Blir de mindre produktive? Hvor mye ekstra karbon vil permafrost smelte i atmosfæren og hvor mye vil det forsterke oppvarmingen? Endrer havsirkulasjon eller oppvarming tempoet som havet absorberer karbon i? Vil havlivet bli mindre produktivt? Hvor mye vil havet forsure og hvilke effekter vil det ha?
NASAs rolle i å svare på disse spørsmålene er å tilby globale satellittobservasjoner og relaterte feltobservasjoner. Tidlig i 2011 samlet to typer satellittinstrumenter informasjon som var relevant for karbonsyklusen.
Moderate Resolution Image Spectroradiometer (MODIS) -instrumenter, som flyr på NASAs Terra- og Aqua-satellitter, måler mengden karbonplanter og planteplankton blir til materie når de vokser, et mål som kalles nettoprimærproduktivitet. MODIS-sensorer måler også hvor mange branner som oppstår og hvor de brenner.
To Landsat-satellitter gir en detaljert oversikt over havrev, hva som vokser på land og hvordan landdekselet endrer seg. Du kan se veksten i en by eller en transformasjon fra skog til gård. Denne informasjonen er avgjørende fordi arealbruk er ansvarlig for en tredjedel av alle menneskelige karbonutslipp.
Fremtidige NASA-satellitter vil fortsette disse observasjonene og vil også måle karbondioksid og metan i atmosfæren, høyden og vegetasjonsstrukturen.
Alle disse tiltakene vil hjelpe oss å se hvordan den globale karbonsyklusen endrer seg over tid. De vil hjelpe oss med å vurdere effekten vi har på karbonsyklusen, frigjøre karbon i atmosfæren eller finne måter å lagre det andre steder. De vil vise oss hvordan klimaendringer endrer karbonsyklusen og hvordan endring av kretsløpet endrer klimaet.
De fleste av oss vil imidlertid observere endringer i karbonsyklusen på en mer personlig måte. For oss er karbonsyklusen maten vi spiser, strømmen i hjemmene våre, gassen i bilene våre og været overhead. Da vi er en del av karbonsyklusen, spres våre beslutninger om hvordan vi lever gjennom hele syklusen. Likeledes vil endringer i karbonsyklusen påvirke måten vi lever på. Når hver og en av oss kommer til å forstå vår rolle i karbonkretsløpet, gjør kunnskap oss i stand til å kontrollere vår personlige innvirkning og forstå forandringene vi ser i verden rundt oss.
