Ik wil alles weten

Koolstof cyclus

Pin
Send
Share
Send


Diagram van de koolstofcyclus. De zwarte cijfers geven aan hoeveel koolstof wordt opgeslagen in verschillende reservoirs, in miljarden tonnen ("GtC" staat voor GigaTons of Carbon). De blauwe cijfers geven aan hoeveel koolstof elk jaar tussen reservoirs beweegt.

De koolstof cyclus is de biogeochemische cyclus waarmee koolstof wordt uitgewisseld tussen de biosfeer, de geosfeer, de hydrosfeer en de aardatmosfeer. (Andere planetaire lichamen kunnen koolstofcycli hebben, maar er is weinig over bekend.)

De cyclus wordt meestal beschouwd als vier hoofdreservoirs van koolstof, onderling verbonden door paden van uitwisseling. Deze reservoirs zijn de atmosfeer, de terrestrische biosfeer, oceanen, carbonaatrotsen en sedimenten (als organische materie, inclusief fossiele brandstoffen). De beweging van koolstof - de koolstofuitwisselingen tussen reservoirs - vindt plaats vanwege verschillende chemische, fysische, geologische en biologische processen. Over het algemeen onthult de koolstofcyclus de harmonieuze coördinatie tussen verschillende biotische en abiotische elementen op aarde.

De wereldwijd koolstofbudget is de balans van de uitwisselingen (inkomens en verliezen) van koolstof tussen de koolstofreservoirs of tussen een specifieke lus (bijvoorbeeld atmosfeer-biosfeer) van de koolstofcyclus. Een onderzoek van het koolstofbudget van een pool of reservoir kan informatie verschaffen over of die pool of reservoir functioneert als een bron of put voor koolstof over verschillende tijdschalen.

De koolstofcyclus is van cruciaal belang om problemen met betrekking tot klimaatverandering te begrijpen. Bij het oplossen van de uiteenlopende standpunten met betrekking tot de toename van kooldioxide in de atmosfeer en de opwarming van de aarde, is het belangrijk dat wetenschappers integriteit behouden bij het verzamelen, analyseren en presenteren van gegevens in het licht van vaak sterke politieke, commerciële en ecologische agenda's.

Koolstof in de atmosfeer

Koolstof bestaat voornamelijk in de atmosfeer van de aarde als gaskoolstofdioxide (CO2). Hoewel het in het algemeen een zeer klein deel van de atmosfeer uitmaakt (ongeveer 0,04 procent), speelt het een belangrijke rol bij het ondersteunen van het leven. Andere gassen die koolstof in de atmosfeer bevatten, zijn methaan en chloorfluorkoolwaterstoffen (deze laatste zijn volledig kunstmatig en zijn nu strikt verboden onder het Protocol van Montreal).

Koolstofuitwisseling met de atmosfeer, biosfeer en oceanen

Fotosynthese

Door licht van de zon te gebruiken, voeren planten en algen fotosynthese uit om kooldioxide, water en zonlicht om te zetten in koolhydraten (C6H12O6waarbij daarbij zuurstof vrijkomt. Dit proces verwijdert koolstofdioxide uit de atmosfeer en slaat het op in plantenbiomassa, die uiteindelijk kan worden begraven in sedimenten nadat de plant sterft.

Ademhaling

Ademhaling treedt op wanneer de biomassa van fotosynthetische planten en algen wordt geconsumeerd door dieren, schimmels of bacteriën, hetzij terwijl de plant leeft, of nadat deze is gestorven. De chemie van dit proces is als volgt:

O2 + CH2O -> Energie + H2O + CO2

Dit is in wezen het omgekeerde proces van fotosynthese, waarbij CO vrijkomt2 terug in de atmosfeer. Er wordt echter meer materiaal fotosynthetiseerd dan wordt geademd (omdat een deel van de organische stof in de sedimenten wordt begraven), dus komt er meer zuurstof de atmosfeer binnen dan koolstofdioxide als gevolg van deze twee processen.

Outgassing

Het ontgassen van vulkanen en ruggen van de Midden-Oceaan is de grootste bron van koolstofdioxide in de atmosfeer, waarbij kooldioxide vrijkomt diep in de aarde die daar sinds de schepping van de planeet was gevangen. CO2 komt vrij uit subductiezones door metamorfisme van carbonaatrotsen die zich onderwerpen aan de oceaanbodem. Niet al deze CO2 komt in de atmosfeer. Een deel ervan lost op in de oceanen en een deel blijft in de biomassa van organismen.

Verwering

Verwering is een mechanisme dat koolstof uit de atmosfeer verwijdert. Wanneer koolstofdioxide oplost in water, vormt het koolzuur. Dit zuur wordt gebruikt om rotsen te weerstaan, waarbij bicarbonaationen worden geproduceerd naast andere ionen (afhankelijk van het mineraalgehalte van de rots). Het bicarbonaat-ion komt de oceanen binnen via zoetwatersystemen en in de oceaan combineert het bicarbonaat-ion met een calciumion om calciumcarbonaat en een bijproduct van kooldioxide en water te vormen. Het calciumcarbonaat wordt door mariene organismen gebruikt om kalkhoudende schelpen te vormen en koralen gebruiken het in hun exoskeletten.

Ca++ + 2HCO3- -> CaCO3 + CO2 + H2O

Oplosbaarheidspomp

De oplosbaarheidspomp is een fysisch-chemisch proces dat koolstof (als opgeloste anorganische koolstof) van het oceaanoppervlak naar het binnenland transporteert.

De oplosbaarheidspomp wordt aangedreven door het samenvallen van twee processen in de oceaan:

  • De oplosbaarheid van kooldioxide is een sterke omgekeerde functie van zeewatertemperatuur (d.w.z. de oplosbaarheid is groter in koeler water)
  • De thermohaliene circulatie, oceaancirculatie aangedreven door dichtheidsverschillen in zoutgehalte en temperatuur, wordt aangedreven door de vorming van diep water op grote breedten waar zeewater meestal koeler en dichter is

Omdat diep water (dat wil zeggen zeewater in het binnenste van de oceaan) wordt gevormd onder dezelfde oppervlaktecondities die de oplosbaarheid van kooldioxide bevorderen, bevat het een hogere concentratie opgeloste anorganische koolstof dan men anders zou verwachten. Bijgevolg werken deze twee processen samen om koolstof uit de atmosfeer in het binnenste van de oceaan te pompen.

Een gevolg hiervan is dat wanneer diep water opwelt in warmere, equatoriale breedtegraden, het koolstofdioxide sterk naar buiten komt door de verminderde oplosbaarheid van het gas.

Oplosbaarheid van kooldioxide

Koolstofdioxide is, net als andere gassen, oplosbaar in water. In tegenstelling tot veel andere gassen (bijvoorbeeld zuurstof) reageert het met water en vormt het een balans van verschillende ionische en niet-ionische soorten (gezamenlijk bekend als opgeloste anorganische koolstof of DIC). Dit zijn opgeloste vrije kooldioxide (CO2 (Aq)), koolzuur (H2CO3), bicarbonaat (HCO3-) en carbonaat (CO32-) en ze werken als volgt met water samen:

CO2 (Aq) + H2OH2CO3 HCO3- + H+ CO32- + 2 H+

De balans van deze carbonaatspecies (die uiteindelijk de oplosbaarheid van koolstofdioxide beïnvloedt), is afhankelijk van factoren zoals pH. In zeewater wordt dit geregeld door de ladingsbalans van een aantal positieve (bijv. Natrium (Na+, kalium (K+), magnesium (Mg2+), calcium (Ca2+)) en negatief (bijv. CO32- zelf, chloor (Cl-), (sulfaat SO42-), broom (Br-)) ionen. Normaal gesproken laat het saldo van deze soorten een netto positieve lading achter. Met betrekking tot het carbonaatsysteem verschuift deze overmatige positieve lading het saldo van carbonaatsoorten naar compenserende negatieve ionen. Het resultaat hiervan is een verminderde concentratie van de vrije kooldioxide- en koolzuurspecies, die op zijn beurt leidt tot een opname van kooldioxide in de oceaan uit de atmosfeer om het evenwicht te herstellen. Dus hoe groter de onbalans van de positieve lading, hoe groter de oplosbaarheid van kooldioxide. In termen van carbonaatchemie wordt deze onbalans alkaliteit genoemd.

Voor de meting zijn vier basisparameters van cruciaal belang: Totaal anorganische koolstof (TIC, TCO2 of CT) , Totale alkaliteit (TALK of AT), pHen pCO2. Het meten van twee van deze parameters maakt de bepaling mogelijk van een breed scala van pH-afhankelijke soorten (inclusief de hierboven genoemde soorten). Deze balans kan door een aantal processen worden gewijzigd. Bijvoorbeeld de lucht-zee flux van CO2, het oplossen / neerslaan van CaCO3of biologische activiteit zoals fotosynthese / ademhaling. Elk van deze heeft verschillende effecten op elk van de vier basisparameters en samen oefenen ze sterke invloeden uit op mondiale cycli. Het is belangrijk op te merken dat de netto en lokale lading van de oceanen neutraal blijft tijdens elk chemisch proces.

Koolstof in de biosfeer

Koolstof is een essentieel onderdeel van het leven op aarde. Het speelt een belangrijke rol in de structuur, biochemie en voeding van alle levende cellen. En het leven speelt een belangrijke rol in de koolstofcyclus:

  • Autotrofen zijn organismen die hun eigen organische verbindingen produceren met behulp van koolstofdioxide uit de lucht of het water waarin ze leven. Om dit te doen, hebben ze een externe energiebron nodig. Bijna alle autotrofen gebruiken hiervoor zonnestraling en hun productieproces wordt fotosynthese genoemd. Een klein aantal autotrofen exploiteert chemische energiebronnen, chemosynthese. De belangrijkste autotrofen voor de koolstofcyclus zijn bomen in bossen op het land en fytoplankton in de oceanen van de aarde.
  • Koolstof wordt binnen de biosfeer overgebracht als heterotrofen zich voeden met andere organismen of hun delen (bijvoorbeeld fruit). Dit omvat de opname van dood organisch materiaal (detritus) door schimmels en bacteriën voor vergisting of verval.
  • De meeste koolstof verlaat de biosfeer via ademhaling. Wanneer zuurstof aanwezig is, vindt aerobe ademhaling plaats, waarbij koolstofdioxide vrijkomt in de omringende lucht of water. Anders vindt anaërobe ademhaling plaats en komt methaan vrij in de omgeving, die uiteindelijk zijn weg vindt naar de atmosfeer of hydrosfeer (bijvoorbeeld als marsh gas of winderigheid).
  • Koolstof kan ook de biosfeer verlaten wanneer dode organische stof (zoals veen) in de geosfeer wordt opgenomen. Met name dierlijke omhulsels van calciumcarbonaat kunnen uiteindelijk kalksteen worden door het sedimentatieproces.
  • Er valt nog veel te leren over het fietsen van koolstof in de diepe oceaan. Een recente ontdekking is bijvoorbeeld dat larvale slijmhuizen (algemeen bekend als "zinkers") in zo grote aantallen worden gemaakt dat ze zoveel koolstof aan de diepe oceaan kunnen leveren als eerder is gedetecteerd door sedimentvallen (Bennett 2005). Vanwege hun grootte en samenstelling worden deze huizen zelden verzameld in dergelijke vallen, dus de meeste biogeochemische analyses hebben ze ten onrechte genegeerd.

Koolstof in de oceanen

Anorganische koolstof, dat wil zeggen koolstofverbindingen zonder koolstof-koolstof- of koolstof-waterstofbindingen, is belangrijk in zijn reacties in water. Deze koolstofuitwisseling wordt belangrijk bij het regelen van de pH in de oceaan en kan ook variëren als bron of put voor koolstof. Koolstof wordt gemakkelijk uitgewisseld tussen de atmosfeer en de oceaan. In gebieden met oceanische opwelling komt koolstof vrij in de atmosfeer. Omgekeerd dragen regio's met neerwaartse opwelling koolstof over (CO2) van de atmosfeer naar de oceaan. Wanneer CO2 komt de oceaan binnen, wordt koolzuur gevormd: CO2 + H2OH2CO3

Deze reactie heeft een voorwaartse en achterwaartse snelheid; dat wil zeggen het bereikt een chemisch evenwicht.

Een andere belangrijke reactie bij het regelen van de pH-waarden in de oceaan is de afgifte van waterstofionen en bicarbonaat. Deze reactie regelt grote pH-veranderingen: H2CO3 H+ + HCO3

Modellen van koolstofcycli

Modellen van de koolstofcyclus kunnen worden opgenomen in mondiale klimaatmodellen, zodat de interactieve reactie van de oceanen en de biosfeer op toekomstige CO2 niveaus kunnen worden gemodelleerd. Er zijn aanzienlijke onzekerheden hierin, zowel in de fysieke als biogeochemische submodellen (vooral de laatste). Dergelijke modellen laten meestal zien dat er een positieve terugkoppeling is tussen temperatuur en CO2. Zeng et al. Bijvoorbeeld. (2004) ontdekte dat in hun model, inclusief een gekoppelde koolstofcyclus, de atmosferische CO toeneemt2 met ongeveer 90 ppmv bij 2100 (meer dan voorspeld in modellen met niet-interactieve koolstofcycli), wat leidt tot een extra opwarming van 0,6 ° C (wat op zijn beurt kan leiden tot een nog grotere atmosferische CO2).

De koolstofcyclus en het klimaat

Koolstofdioxide en methaan zijn twee koolstofverbindingen die fungeren als broeikasgassen in de atmosfeer van de aarde, waardoor de planeet wordt geïsoleerd en het voor organismen een comfortabele plek wordt om te overleven.

De koolstofcyclus reageert op verstoringen door een reeks feedbacks zodat temperaturen nooit te warm of te koud worden, binnen bepaalde grenzen. Bijvoorbeeld als CO2 vergassing van vulkanen en ruggen van de Midden-Oceaan neemt toe als gevolg van verhoogde tektonische activiteit, de atmosferische temperaturen zullen stijgen. Stijgende temperaturen en verhoogde hoeveelheden opgelost CO2 zal resulteren in verhoogde verweringspercentages van korstgesteente, waardoor het overtollige CO zal worden verbruikt2, verlaag atmosferische CO2 niveaus, en breng temperaturen terug naar beneden. Aan de andere kant, als wereldwijde koeling zou optreden, zou verwering vertragen en CO2 zou zich ophopen in de atmosfeer en de temperaturen zouden weer stijgen.

Het recente debat over antropogene (door de mens veroorzaakte) klimaatverandering was gericht op het vrijkomen van duizenden tonnen koolstofdioxide door de verbranding van fossiele brandstoffen en het effect daarvan op het wereldwijde klimaat. Sommige wetenschappers stellen met behulp van koolstofcyclusklimaatmodellen dat met het "business as usual" -scenario de atmosferische temperaturen de komende eeuw zullen stijgen (Cox et al. 2000). Andere studies suggereren dat opname van CO in de oceaan plaatsvindt2 zal vertragen vanwege verhoogde gelaagdheid van de oceaan (minder diepe menging) (Sarmiento et al. 1998). Bovendien zouden verhoogde mondiale temperaturen de oceanen verwarmen, waardoor de oplosbaarheid van CO afneemt2 in oceaanwater. Al deze factoren worden geacht een opeenhoping van CO te veroorzaken2 in de atmosfeer.

De reden voor de bezorgdheid over antropogene klimaatopwarming is de mogelijkheid dat bij verbranding van fossiele brandstoffen veel sneller koolstof in de atmosfeer vrijkomt dan waarop de aarde kan reageren, in evenwicht kan worden gebracht en de omstandigheden weer in een stabiele toestand kunnen worden gebracht, waardoor het klimaat mogelijk soms heftig reageren, niet alleen de mondiale temperaturen, maar ook de toenemende frequentie en intensiteit van de storm. Natuurlijk blijft dit scenario controversieel. Wat de theorie van de opwarming van de aarde zelf betreft, zijn er andere wetenschappers en klimatologen die beweren dat (1) de huidige schommelingen van de mondiale temperaturen binnen het normale bereik van veranderingen in de geologische tijd blijven, of (2) dat de mondiale temperaturen stijgen, zij het een beetje, maar dergelijke veranderingen kunnen niet onomstotelijk worden gekoppeld aan antropogene bronnen of verbranding van fossiele brandstoffen. Andere wetenschappers betwisten dat, hoewel het probleem controversieel blijft, een verstandige manier van handelen zou zijn om het voorzorgsbeginsel in praktijk te brengen dat als de gevolgen van een actie onbekend zijn, maar worden beoordeeld als potentieel voor grote of onomkeerbare negatieve gevolgen, het beter is om die actie te vermijden. (Het vermijden van die actie kan natuurlijk ook mogelijk negatieve gevolgen hebben.)

Controverse binnen de wetenschap is niet ongewoon. Het is duidelijk dat voor het oplossen van deze belangrijke kwestie niet alleen aanvullende harde gegevens nodig zijn, maar ook de bereidheid van alle partijen om een ‚Äč‚Äčopen geest te hebben en integriteit te handhaven bij het accuraat presenteren en beoordelen van de verzamelde gegevens en hun sterke en zwakke punten, versus het interpreteren van alles via de prisma van een politieke, commerciële of ecologische agenda.

Referenties

  • Cox, P.M., R. A. Betts, C. D. Jones, S. A. Spall en I. J. Totterdell. 2000. Versnelling van de opwarming van de aarde door feedback van de koolstofcyclus in een gekoppeld klimaatmodel. Natuur. 408(6809):184-187.
  • Janzen, H. H. 2004. Koolstofcycli in aardsystemen - een perspectief van de bodemwetenschap. Landbouw, ecosystemen en milieu 104:399-417.
  • Houghton, R. A. 2005. De hedendaagse koolstofcyclus. Pagina's 473-513 in W. H. Schlesinger (Ed.), Biogeochemistry. Elsevier Science.
  • Robison, B. H., K. R. Reisenbichler en R. E. Sherlock. 2005. Gigantische larvacean huizen: snel koolstof transport naar de diepe zeebodem. 2005. Wetenschap 308:1609-1611.
  • Sarmiento, J. L., A. M. C. Hughes, R. J. Stouffer en S. Manabe. 1998. Gesimuleerde reactie van de koolstofcyclus van de oceaan op antropogene opwarming van het klimaat. Natuur. 393(6682):245-249.
  • Zeng, N., H. Qian, E. Munoz en R. Iacono, R. 2004. Hoe sterk is feedback over het koolstofklimaat bij het broeikaseffect? Geophysical Research Letters. 31.

Bekijk de video: Climate Challenge: Wat is de koolstofcyclus? (Augustus 2021).

Pin
Send
Share
Send