Kolcykler är kolelementets förskjutningsrörelser i olika miljöer
Redigerad och storleksändrad bild av Mitchell Griest, finns på Unsplash
Kolcykler är kolelementets förskjutningsrörelser i olika miljöer, inklusive stenar, jordar, hav och växter. Detta förhindrar att den ackumuleras helt i atmosfären och stabiliserar jordens temperatur. För geologi finns det två typer av kolcykel: den långsamma, som inträffar på hundratusentals år, och den snabba, som sker från tiotals till hundra tusen år.
Kolet
Kol är ett kemiskt grundämne som finns i överflöd i bergarter och i mindre utsträckning i jord, i havet, i växter, i atmosfären, i levande varelser och i föremål. Det är smidd i stjärnorna, det är det fjärde mest förekommande elementet i universum och viktigt för upprätthållandet av livet på jorden som vi känner det. Det är dock också en av orsakerna till ett betydande problem: klimatförändringar.
På mycket långa vågar (miljoner till tiotals miljoner år) kan rörelsen av tektoniska plattor och förändringar i hastigheten med vilken kol tränger in i jordens inre förändra den globala temperaturen. Jorden har genomgått denna förändring under de senaste 50 miljoner åren, från de extremt heta krita klimaten (cirka 145 till 65 miljoner år sedan) till Pleistocen-glacialklimaten (cirka 1,8 miljoner till 11 500 år sedan).
Den långsamma cykeln
Genom en serie kemiska reaktioner och tektonisk aktivitet tar kol mellan 100 och 200 miljoner år att flytta mellan stenar, jord, hav och atmosfär i kolcykeln som sker långsamt. I genomsnitt går mellan tio och 100 miljoner ton kol genom den långsamma cykeln på ett år. Som jämförelse är utsläppen av kol till atmosfären i storleksordningen 10 miljarder ton, medan den snabba kolcykeln går från 10 till 100 miljarder kol per år.
Förflyttningen av kol från atmosfären till litosfären (stenar) börjar med regn. Atmosfäriskt kol, kombinerat med vatten, bildar kolsyra som deponeras på ytan genom regn. Denna syra löser upp stenarna i en process som kallas kemisk vittring och frigör kalcium-, magnesium-, kalium- eller natriumjoner. Dessa joner transporteras till floder och från floder till havet.
- Vad är ursprunget till plasten som förorenar haven?
- Försurning av havet: ett allvarligt problem för planeten
I havet kombineras kalciumjoner med bikarbonatjoner för att bilda kalciumkarbonat, den aktiva ingrediensen i antacida. I havet produceras mest kalciumkarbonat av skalbyggande (förkalkande) organismer (som koraller) och plankton (som kokolitoforer och foraminifera). Efter att dessa organismer har dött sjunker de till havsbotten. Med tiden komprimeras lager av skal och sediment och blir stenar och lagrar kol, vilket ger upphov till sedimentära bergarter som kalksten.
Cirka 80% av karbonatstenarna genereras på detta sätt. De återstående 20% innehåller kol från sönderdelade levande varelser (organiskt kol). Värme och tryck komprimerar kolrikt organiskt material under miljontals år och bildar sedimentära bergarter, såsom skiffer. I speciella fall, när det organiska materialet i döda växter ackumuleras snabbt, utan tid för sönderdelning, blir skikten av organiskt kol olja, kol eller naturgas istället för sedimentära bergarter som skiffer.
I den långsamma cykeln återgår kol till atmosfären genom vulkanisk aktivitet. Det beror på att när ytorna på jordens jord- och havskorpa kolliderar sjunker den ena under den andra och berget som den bär smälter under extrem värme och tryck. Det uppvärmda berget rekombineras i silikatmineraler och frigör koldioxid.
- Koldioxid: vad är CO2?
När vulkaner bryter ut driver de gas ut i atmosfären och täcker jorden med kiselstenar och börjar cykeln igen. Vulkaner släpper ut mellan 130 och 380 miljoner ton koldioxid per år. Som jämförelse släpper människor ut cirka 30 miljarder ton koldioxid om året - 100 till 300 gånger mer än vulkaner - som bränner fossila bränslen.
- Alkohol eller bensin?
Om koldioxid stiger i atmosfären på grund av ökad vulkanaktivitet, till exempel, stiger temperaturen, vilket leder till mer regn, som löser upp fler stenar, vilket skapar fler joner som så småningom deponerar mer kol på havsbotten. Det tar några hundra tusen år att balansera den långsamma kolcykeln.
Den långsamma cykeln innehåller dock också en något snabbare komponent: havet. Vid ytan, där luft möter vatten, löses koldioxidgasen upp och ventilerar ut ur havet i ständigt utbyte med atmosfären. En gång i havet reagerar koldioxidgas med vattenmolekyler för att frigöra väte, vilket gör havet surare. Väte reagerar med karbonatet vid klippning av stenar för att producera bikarbonatjoner.
Innan den industriella eran utvisade havet koldioxid i atmosfären i jämvikt med det kol som havet fick under stenens slitage. Eftersom kolkoncentrationerna i atmosfären har ökat tar emellertid havet nu ut mer kol från atmosfären än det släpper ut. Under årtusenden kommer havet att absorbera upp till 85% av det extra kol som människor sätter i atmosfären genom att bränna fossila bränslen, men processen är långsam eftersom den är kopplad till rörelsen av vatten från havets yta till dess djup.
Under tiden styr vindar, strömmar och temperatur den hastighet med vilken havet avlägsnar koldioxid från atmosfären. (Se havets kolbalans vid jordobservatoriet.) Förändringar i havstemperaturer och strömmar har sannolikt hjälpt till att avlägsna kol och återställa kol till atmosfären under de få tusen år som istiden började och slutade .
Den snabba kolcykeln
Tiden det tar för kol att resa genom den snabba kolcykeln mäts över en livstid. Den snabba kolcykeln är i grunden kolens rörelse genom livsformer på jorden eller i biosfären. Cirka tusen till 100 miljarder ton kol går igenom den snabba kolcykeln varje år.
Kol spelar en viktig roll i biologin på grund av dess förmåga att bilda många bindningar - upp till fyra per atom - i en till synes oändlig mängd komplexa organiska molekyler. Många organiska molekyler innehåller kolatomer som har bildat starka bindningar med andra kolatomer och kombineras i långa kedjor och ringar. Sådana kolkedjor och ringar är basen för levande celler. Till exempel består DNA av två sammanflätade molekyler byggda runt en kolkedja.
Bindningarna i de långa kolkedjorna innehåller mycket energi. När strömmarna separeras frigörs den lagrade energin. Denna energi gör kolmolekyler till en utmärkt bränslekälla för alla levande saker.
Växter och växtplankton är huvudkomponenterna i den snabba kolcykeln. Fytoplankton (mikroskopiska organismer i havet) och växter avlägsnar koldioxid från atmosfären genom att absorbera den i sina celler. Med energi från solen kombinerar växter och plankton koldioxid (CO2) och vatten för att bilda socker (CH2O) och syre. Den kemiska reaktionen ser ut så här:
CO2 + H2O + energi = CH2O + O2
Det kan hända att kol flyter från en växt och återvänder till atmosfären, men de involverar alla samma kemiska reaktion. Växter bryter ner socker för att få den energi de behöver för att växa. Djur (inklusive människor) äter växter eller plankton och bryter ner plantans socker för energi. Växter och plankton dör och ruttnar (konsumeras av bakterier) eller konsumeras av eld. I alla fall kombineras syre med socker för att frigöra vatten, koldioxid och energi. Den grundläggande kemiska reaktionen ser ut så här:
CH2O + O2 = CO2 + H2O + energi
I de fyra processerna hamnar koldioxiden som frigörs i reaktionen vanligtvis i atmosfären. Den snabba koldioxidcykeln är så nära kopplad till växtlivet att växtsäsongen kan ses genom hur koldioxid flyter i atmosfären. På vintern på norra halvklotet, när få markväxter växer och många sönderfaller, ökar koncentrationerna av koldioxid i atmosfären. Under våren, när växterna börjar växa igen, sjunker koncentrationerna. Det är som om jorden andas.
Förändringar i kolcykeln
Vänster ostörd, snabba och långsamma kolcykler upprätthåller en relativt konstant koncentration av kol i atmosfären, marken, växterna och havet. Men när något ändrar mängden kol i en behållare, krusar effekten i andra.
I jordens förflutna har kolcykeln förändrats som svar på klimatförändringarna. Variationer i jordens omlopp förändrar mängden energi jorden får från solen och leder till en cykel av istider och heta perioder som jordens nuvarande klimat. (Se Milutin Milankovitch) Istider utvecklades när somrarna på norra halvklotet svalnade och isen ackumulerades på jorden, vilket i sin tur saktade ned kolcykeln. Samtidigt kan flera faktorer, inklusive lägre temperaturer och ökad tillväxt av fytoplankton, ha ökat mängden kol som havet har tagit bort från atmosfären. Nedgången i atmosfäriskt kol har orsakat ytterligare kylning. På samma sätt ökade koldioxiden i atmosfären dramatiskt i slutet av den senaste istiden för 10 000 år sedan med uppvärmningstemperaturer.
Förändringar i jordens omlopp sker ständigt, i förutsägbara cykler. På cirka 30 000 år kommer jordens bana att ha förändrats tillräckligt för att minska solljuset på norra halvklotet till nivåer som ledde till den senaste istiden.
Idag sker förändringar i kolcykeln på grund av människor. Vi stör kolcykeln genom att bränna fossila bränslen och avskoga.
Avskogning frigör kol som lagras i stammar, stjälkar och löv - biomassa. När du tar bort en skog tas plantor bort som annars skulle ta bort kol från atmosfären när den växer. Det finns en världsomspännande trend att ersätta skogar med monokultur och betesmarker, som lagrar mindre kol. Vi utsätter också jord som släpper ut kol från nedbrytande växtmaterial till atmosfären. För närvarande släpper människor ut knappt en miljard ton kol i atmosfären varje år genom förändringar i markanvändningen.
Utan mänsklig inblandning skulle kol från fossila bränslen långsamt läcka ut i atmosfären genom vulkanisk aktivitet under miljontals år i den långsamma kolcykeln. Genom att bränna kol, olja och naturgas påskyndar vi processen och släpper ut stora mängder kol (kol som det tog miljontals år att ackumulera) i atmosfären varje år. På så sätt flyttar vi kolet från den långsamma cykeln till den snabba cykeln. 2009 släppte människor ut cirka 8,4 miljarder ton kol i atmosfären genom att bränna fossila bränslen.
Sedan början av den industriella revolutionen, när människor började bränna fossila bränslen, har koldioxidhalterna i atmosfären ökat från cirka 280 delar per miljon till 387 delar per miljon, en ökning med 39%. Det betyder att för varje miljon molekyler i atmosfären är 387 av dem nu koldioxid - den högsta koncentrationen på två miljoner år. Metankoncentrationer ökade från 715 delar per miljard 1750 till 1774 delar per miljard 2005, den högsta koncentrationen på minst 650 000 år.
Effekter av att ändra koldioxidcykeln
Bild: Carbon Cycles - NASA
Allt det extra kolet måste gå någonstans. Hittills har land- och havsväxter absorberat 55% av det extra kolet i atmosfären, medan cirka 45% återstår i atmosfären. Så småningom absorberar jorden och haven det mesta av den extra koldioxiden, men upp till 20% kan stanna kvar i atmosfären i många tusen år.
Överskottet av kol i atmosfären värmer planeten och hjälper markbundna växter att växa mer. Överskott av kol i havet gör vattnet surare och riskerar marint liv. Ta reda på mer om detta ämne i artikeln: "Försurning av haven: ett allvarligt problem för planeten".
Atmosfär
Det är viktigt att så mycket koldioxid finns kvar i atmosfären eftersom CO2 är den viktigaste gasen för att kontrollera jordens temperatur. Koldioxid, metan och halokolväten är växthusgaser som absorberar ett brett spektrum av energi - inklusive infraröd energi (värme) som släpps ut av jorden - och sedan släpper ut den igen. Den återutgivna energin färdas i alla riktningar, men en del återvänder till jorden och värmer upp ytan. Utan växthusgaser skulle jorden frysas vid -18 ° C. Med många växthusgaser skulle jorden vara som Venus, där atmosfären håller temperaturer runt 400 ° C.
Eftersom forskare vet vilka våglängder energi varje växthusgas absorberar och koncentrationen av gaser i atmosfären kan de beräkna hur mycket varje gas bidrar till uppvärmningen av planeten. Koldioxid orsakar cirka 20% av jordens växthuseffekt. vattenånga är ansvarig för cirka 50%; och moln representerar 25%. Resten orsakas av små partiklar (aerosoler) och mindre växthusgaser, såsom metan.
- Är aerosolburkar återvinningsbara?
Koncentrationerna av vattenånga i luften styrs av jordens temperatur. Varmare temperaturer avdunstar mer vatten från haven, expanderar luftmassorna och leder till högre luftfuktighet. Kylning får vattenånga att kondensera och falla som regn, hagel eller snö.
Koldioxid, å andra sidan, förblir en gas i ett större intervall av atmosfäriska temperaturer än vatten. Koldioxidmolekylerna ger den initiala uppvärmningen som krävs för att upprätthålla vattenångkoncentrationer. När halterna av koldioxid sjunker svalnar jorden, lite vattenånga faller från atmosfären och uppvärmningen av växthuset orsakas av vattenångan. På samma sätt, när koldioxidkoncentrationerna ökar, ökar lufttemperaturen och mer vattenånga avdunstar in i atmosfären - vilket förstärker uppvärmningen av växthuset.
Så medan koldioxid bidrar mindre till växthuseffekten än vattenånga, har forskare funnit att koldioxid är den gas som bestämmer temperaturen. Koldioxid kontrollerar mängden vattenånga i atmosfären och därmed storleken på växthuseffekten.
Stigande koncentrationer av koldioxid orsakar redan att planeten värms upp. Samtidigt som växthusgaserna ökar har den globala genomsnittstemperaturen ökat med 0,8 grader Celsius (1,4 grader Fahrenheit) sedan 1880.
Denna temperaturökning är inte all uppvärmning som vi kommer att se baserat på nuvarande koncentrationer av koldioxid. Uppvärmningen av växthuset sker inte omedelbart eftersom havet absorberar värme. Detta innebär att jordens temperatur kommer att öka med minst 0,6 grader Celsius (1 grad Fahrenheit) på grund av koldioxiden som redan finns i atmosfären. I vilken grad temperaturen stiger ytterligare beror delvis på hur mycket mer kol människor släpper ut i atmosfären i framtiden.
Hav
Cirka 30% av koldioxiden som människor sätter ut i atmosfären sprids ut i havet genom direkt kemiskt utbyte. Upplösningen av koldioxid i havet skapar kolsyra, vilket ökar surheten i vattnet. Eller snarare blir ett lite alkaliskt hav lite mindre alkaliskt. Sedan 1750 har pH på havsytan sjunkit 0,1, en 30% förändring av surheten.
Havsförsurning påverkar marina organismer på två sätt. Först reagerar kolsyra med karbonatjonerna i vattnet för att bilda bikarbonat. Men samma karbonatjoner är vad skalbyggande djur som koraller behöver för att skapa kalciumkarbonatskal. Med mindre karbonat tillgängligt måste djur spendera mer energi för att bygga sina skal. Som ett resultat blir skalen tunnare och mer ömtåliga.
För det andra, ju mer vatten är surt, desto bättre löser det kalciumkarbonat. I det långa loppet kommer denna reaktion att göra det möjligt för havet att absorbera överskott av koldioxid eftersom surare vatten kommer att lösa upp fler stenar, frigöra mer karbonatjoner och öka havets förmåga att absorbera koldioxid. Under tiden kommer dock surare vatten att lösa upp karbonatskal från marina organismer, vilket gör dem grova och svaga.
Varmare hav - en produkt av växthuseffekten - kan också minska överflödet av fytoplankton, som växer bäst i kalla, näringsrika vatten. Detta kan begränsa havets förmåga att utvinna kol från atmosfären genom den snabba kolcykeln.
Å andra sidan är koldioxid avgörande för växter och växtplankton. En ökning av koldioxid kan öka tillväxten genom att befrukta de få arterna av växtplankton och havsväxter (som havsgräs) som tar bort koldioxid direkt från vattnet. De flesta arter får dock inte hjälp av den ökade tillgängligheten av koldioxid.
Jorden
Växter på land absorberade cirka 25% av koldioxiden som människor placerade i atmosfären. Mängden kol som växter absorberar varierar mycket från år till år, men i allmänhet ökar världens växter mängden koldioxid som de absorberar sedan 1960. Endast en del av denna ökning har skett som ett direkt resultat av fossila bränslen.
Med mer atmosfärisk koldioxid tillgänglig för att omvandlas till växtmaterial i fotosyntes kunde växter växa mer. Denna ökade tillväxt kallas kolgödsel. Modellerna förutspår att växter kan växa 12 till 76% mer om atmosfärisk koldioxid fördubblas, så länge inget annat, som vattenbrist, begränsar deras tillväxt. Forskare vet dock inte hur mycket koldioxid som ökar växttillväxten i den verkliga världen, eftersom växter behöver mer än koldioxid för att växa.
Växter behöver också vatten, solljus och näringsämnen, särskilt kväve. Om en växt inte har någon av dessa saker växer den inte, oavsett hur riklig de andra behoven är. Det finns en gräns för hur mycket kolväxter som kan ta bort från atmosfären, och gränsen varierar från region till region. Hittills verkar det som att koldioxidbefruktning ökar växttillväxten tills växten når en gräns för mängden tillgängligt vatten eller kväve.
Några av förändringarna i koldioxidabsorptionen är resultatet av beslut om markanvändning. Jordbruket har blivit mycket mer intensivt, så att vi kan odla mer mat på mindre mark. På höga och medelstora breddgrader återgår övergiven mark till skogen, och dessa skogar lagrar mycket mer kol, både i ved och i mark, än grödor. På många ställen förhindrar vi att växtens kol kommer in i atmosfären genom att släcka bränder. Detta gör att det träaktiga materialet (som lagrar kol) ackumuleras. Alla dessa beslut om markanvändning hjälper växter att absorbera kol som frigörs av människan på norra halvklotet.
I tropikerna rensas dock skogar, ofta genom eld, och detta släpper ut koldioxid. År 2008 representerade avskogningen cirka 12% av alla mänskliga koldioxidutsläpp.
De största förändringarna i den markbundna kolcykeln kommer sannolikt att inträffa på grund av klimatförändringarna. Koldioxid ökar temperaturen, förlänger växtsäsongen och ökar luftfuktigheten. Båda faktorerna ledde till ytterligare tillväxt av växten. Men varmare temperaturer stressar också växterna. Med en längre, varmare växtsäsong behöver växter mer vatten för att överleva. Forskare ser redan bevis för att växter på norra halvklotet saktar ner tillväxten på sommaren på grund av heta temperaturer och vattenbrist.
Torkade och vattenbelastade växter är också mer mottagliga för eld och insekter när växtsäsonger blir längre. I norr, där temperaturhöjningen har störst påverkan, har skogar redan börjat bränna mer och släppt ut kol från växter och jord till atmosfären. Tropiska skogar kan också vara extremt känsliga för torkning. Med mindre vatten saktar tropiska träd tillväxten och absorberar mindre kol, eller dör och släpper ut kol som lagras i atmosfären.
Den uppvärmning som orsakas av ökningen av växthusgaser kan också "baka" jorden och påskynda den hastighet med vilken kol dräneras på vissa ställen. Detta är särskilt angeläget längst norrut, där den frysta jorden - permafrost - tinas. Permafrost innehåller rika kolavlagringar av växtmaterial som har ackumulerats i tusentals år eftersom förkylningen minskar. När jorden värms upp sönderfaller organiskt material och kol - i form av metan och koldioxid - tränger in i atmosfären.
Aktuell forskning uppskattar att permafrost på norra halvklotet rymmer 1 672 miljarder ton (Petagramas) organiskt kol. Om bara 10% av den permafrosten tiner kan den släppa ut tillräckligt med extra koldioxid i atmosfären för att höja temperaturerna med 0,7 grader Celsius (1,3 grader Fahrenheit) år 2100.
Studie av kolcykeln
Många av de frågor som forskare fortfarande behöver besvara om kolcykeln kretsar kring hur det förändras. Atmosfären innehåller nu mer kol än någonsin på minst två miljoner år. Varje reservoar i cykeln kommer att förändras när det kolet passerar genom cykeln.
Hur kommer dessa förändringar att bli? Vad kommer att hända med växter när temperaturen stiger och klimatförändringen? Kommer de att ta bort mer kol från atmosfären än de återvänder? Kommer de att bli mindre produktiva? Hur mycket extra kol kommer permafrosten att smälta i atmosfären och hur mycket förstärker den uppvärmningen? Ändrar havets cirkulation eller uppvärmning den hastighet med vilken havet absorberar kol? Kommer havslivet att bli mindre produktivt? Hur mycket kommer havet att försuras och vilka effekter kommer det att ha?
NASA: s roll för att svara på dessa frågor är att tillhandahålla globala satellitobservationer och relaterade fältobservationer. I början av 2011 samlade två typer av satellitinstrument information som är relevant för kolcykeln.
MODIS-instrumenten (Moderate Resolution Image Spectroradiometer), som flyger på NASA: s Terra- och Aqua-satelliter, mäter mängden kolväxter och fytoplankton förvandlas till materia när de växer, ett mått som kallas nettoprimärproduktivitet. MODIS-sensorer mäter också hur många bränder som uppstår och var de brinner.
Två Landsat-satelliter ger en detaljerad bild av havsrev, vad som växer på land och hur landskyddet förändras. Du kan se tillväxten av en stad eller en omvandling från skog till gård. Denna information är avgörande eftersom markanvändningen svarar för en tredjedel av alla utsläpp av mänskligt koldioxid.
Framtida NASA-satelliter kommer att fortsätta dessa observationer och kommer också att mäta koldioxid och metan i atmosfären, höjden och vegetationsstrukturen.
Alla dessa åtgärder hjälper oss att se hur den globala koldioxidcykeln förändras över tiden. De hjälper oss att bedöma den inverkan vi har på kolcykeln genom att släppa ut kol i atmosfären eller hitta sätt att lagra det någon annanstans. De kommer att visa oss hur klimatförändringar förändrar koldioxidcykeln och hur förändring av cykeln förändrar klimatet.
De flesta av oss kommer dock att observera förändringar i kolcykeln på ett mer personligt sätt. För oss är koldioxidcykeln maten vi äter, elen i våra hem, gasen i våra bilar och vädret. Eftersom vi är en del av kolcykeln sprids våra beslut om hur vi lever genom hela cykeln. På samma sätt kommer förändringar i kolcykeln att påverka vårt sätt att leva. När var och en av oss kommer att förstå vår roll i kolcykeln, gör kunskap det möjligt för oss att kontrollera vår personliga påverkan och förstå de förändringar vi ser i världen omkring oss.
