Koloběh uhlíku v přírodě

01.10.2025

Toto téma bude naprosto zásadní pro pochopení toků oxidu uhličitého. Jeho množství budeme uvádět v gigatunách uhlíku (GtC, Gigatons of carbon) - jedna gigatuna se rovná jedné miliardě tun. Uhlík se vyskytuje na Zemi téměř všude, v živé i neživé přírodě.

Zásobníky uhlíku na Zemi

Globální cyklus uhlíku má hlavní rezervoáry na Zemi: atmosféra, oceán, půda a litosféra. 38 000 GtC je obsaženo ve vodách moří a oceánů. Pouze 1 000 GtC se nachází ve svrchních vrstvách moří a oceánů, které se účastní výměny s atmosférou. Uhlík v moři je ve velké míře součástí CO2 rozpuštěného ve vodě, podobně jako v minerálce. 2300 GtC se nachází v půdě a to jak v anorganické podobě, tak v organické podobě. 800 GtC najdeme v atmosféře a to hlavně ve formě oxidu uhličitého. Posledním důležitým zásobníkem je biosféra, tedy rostliny a živočichové. Drtivý podíl uhlíku v ní je uložen v rostlinách, obzvláště ve stromové vegetaci.

Uhlík se vyskytuje jako volný prvek ve dvou formách, jako grafit a diamant. Údaje o celkovém průměrném výskytu uhlíku v horninách se velmi liší, ale typické odhady jsou kolem 180 ppm C.

Největším zásobníkem uhlíku na Zemi je litosféra. Množství uhlíku v zemské kůře ve formě prvku se odhaduje na 20 milionů Pg, což je o několik řádů víc než v ostatních rezervoárech dohromady. Přesto je to jen asi čtvrtina veškerého uhlíku - tři čtvrtiny jsou vázány v uhličitanech. Ve srovnání s jinými toky uhlíku v globálním systému je však přenos mezi litosférou a ostatními složkami prostředí poměrně malý.

Půdy obsahují celkově obrovské množství organického uhlíku (1100-2400 Pg) i uhlíku vázaného v anorganických látkách, zejména v uhličitanech (zhruba 700 Pg). Bez ohledu na rozdíly v odhadech jde o množství přesahující množství uhlíku v biomase rostlin a živočichů i v atmosféře dohromady.

Čtěte také: Kyslík v přírodě

V půdním humusu jsou uložena velká množství uhlíku. Z globálního pohledu tvoří půda větší zásobník CO2 než atmosféra a veškeré živé organismy (rostliny, zvířata a mikroorganismy).

Toky uhlíku

Toky uhlíku mezi jednotlivými zásobníky se dají dělit podle různých hledisek, ale nám se bude hodit dělení na pomalé a rychlé toky. Vynecháme pomalé toky, které zahrnují horninové pochody - vznik vápence a procesy související s pohybem pevninských desek. Pro cyklus uhlíku je charakteristický významný přenos mezi suchozemskými ekosystémy a oceány na jedné straně a atmosférou na straně druhé.

Začněme tím, co se mění nejdynamičtěji, a to je atmosférický oxid uhličitý. Schopnost oceánů pohlcovat CO2 se stejně jako u každé kapaliny silně odvíjí od teploty. Čím vyšší teplota, tím méně je voda schopna rozpuštěný CO2 v sobě udržet. Když se podíváme na tento graf od amerického úřadu pro oceány a atmosféru tak vidíme, že za posledních 120 let se svrchní vrstvy oceánu oteplily o zhruba 1 °C.

Jako přímý následek absorpce CO2 se mění chemické prostředí moří a oceánů. To má negativní následky na mořský život. Zde se s CO2 odehrává několik procesů, které působí proti sobě. Na jedné straně máme dýchání rostlin a živočichů, které odebírá z atmosféry kyslík a dodává CO2, rozklad těl rostlin a zvířat bez přístupu kyslíku uvolňující metan. To jsou procesy emitující skleníkové plyny. Na druhé straně máme fotosyntézu rostlin, která odebírá CO2 z atmosféry a nahrazuje jej kyslíkem.

Rozklad organických látek a tvorba humusu je proces, při kterém se uvolňuje oxid uhličitý. Oxid uhličitý je klíčovou sloučeninou koloběhu uhlíku v biosféře. Nejprve je odčerpán fotosyntézou z atmosféry a fixován v biomase. Odtud se buď vrací zpět do atmosféry, nebo se dočasně váže v humusu. Ten se však posléze také rozkládá a vzniklý CO2 doplňuje zásobu uhlíku v atmosféře.

Čtěte také: Cyklus Antonína Dvořáka

V některých suchozemských ekosystémech je mineralizace organických látek zpomalena, organická hmota se zde hromadí. Typickým příkladem jsou mokřady a jiné ekosystémy s nedostatkem kyslíku. Kromě CO2 mohou při rozkladu organických látek bez přístupu kyslíku vznikat i další uhlíkaté plyny, zejména metan a sirouhlík.

Vliv lidské činnosti

V historii člověk pro rozvoj své civilizace potřeboval více a více jídla a energie, které získával zemědělstvím a odlesňováním. Spalováním fosilních paliv a výrobou cementu člověk vzal uhlík, který by jinak zůstal uložený v zemi a ve formě CO2 jej vypustil do atmosféry.

Dobrá zpráva je, že ne všechen CO2 v atmosféře zůstává. Zhruba 1/3 pohlcuje vegetace, 1/3 oceány a 1/3 v atmosféře zůstává. Spalování fosilních paliv tedy jako jediný uhlíkový zásobník odpovídá oběma podmínkám - izotopové složení uhlíku a schopnost odebírat kyslík z atmosféry. Body na levé straně grafu reprezentují naměřené hodnoty koncentrací kyslíku a oxidu uhličitého mezi lety 1990-2000. Tyto hodnoty velmi dobře kopírují naši představu o tom, jak člověk spaluje fosilní paliva a jak oxid uhličitý interaguje s oceánskou vodou a vegetací. U těchto dějů známe jejich chemii a ze známého množství spáleného paliva jsme schopni odhadnout změny koncentrací kyslíku a oxidu uhličitého v atmosféře.

Zde ještě vyvrátíme jeden mýtus, který se často v debatách o změně klimatu objevuje. Sopky sice vypouštějí CO2, nejsou však schopny snižovat množství kyslíku v atmosféře. Navíc sopky v současnosti emitují mezi 130-380 milionů tun CO2 ročně oproti více než 36 miliardám tun CO2 vypuštěných lidskou civilizací, tedy méně než 1 %.

Veškeré antropogenní emise CO2 dnes činí asi 8-9 Pg uhlíku za rok, avšak nárůst CO2 v atmosféře odpovídá množství pouze 3,2-3,5 Pg uhlíku. Zbytek, vlastně víc než polovina emitovaného CO2, se ukládá v suchozemských a vodních ekosystémech a většina uhlíku skončí v oceánech jako uhličitany a hydrogenuhličitany. Tak se příroda snaží napravovat příliš aktivního člověka.

Čtěte také: Význam uzavřeného cyklu

Člověk vypustí ročně cca 11 gigatun uhlíku, na což už příroda nestačí, a stabilita celého klimatického systému je narušena. Polovina CO2 zůstává v atmosféře a ohřívá ji. Průměrná doba setrvání CO2 ve vzduchu se pohybuje v rozpětí od čtyř do 200 let.

Obděláváním půdy „otevřel“ cyklus uhlíku tak, že intenzivně využívané půdy mohou být čistým zdrojem skleníkových plynů. Z půdy se více uhlíku uvolňuje, než se ho do ní ukládá. Problém je hlavně v disproporci časových měřítek. Ukládání probíhalo po tisíciletí, uvolňování je záležitostí roků či desetiletí. Stejný princip známe i u fosilních paliv - utvářela se postupně a dlouho, vytěžena a spálena jsou velmi rychle.

Izotopy uhlíku

Uhlík na Zemi se nachází ve třech formách: C-12, C-13, C-14. Uhlík má vždy 6 protonů a může mít v jádru k tomu 6, 7 nebo 8 neutronů. Číslo za písmenem C vždy značí součet protonů a neutronů v jádru uhlíku. Důležitý je pro nás izotop C-14. Uhlík C-14 je radioaktivní, má poločas rozpadu zhruba 5 700 let, tzn. že za tuto dobu se jej polovina rozpadne na jiný prvek. Uhlík C-14 vzniká přeměnou z plynného dusíku díky záření z kosmu ve vyšších vrstvách atmosféry. Vzniká tedy v malém množství, zato ale stále.

Vidíme, že jeho poměrné množství vůči zbývajícím izotopům klesá. Nenechme se ale mýlit, množství uhlíku C-14 je v čase víceméně stálé, to jen množství ostatních izotopů narůstá. Tato skutečnost jako původce nárůstu CO2 v atmosféře vylučuje zásobníky jako vegetaci, moře a půdu, protože v nich dochází k pravidelné výměně uhlíku s atmosférou a uhlík C-14 v nich najdeme. Naopak nás utvrzuje v tom, že tento nárůst musel být způsobem přesunem uhlíku z velice starých zdrojů (např.