Koloběh uhlíku a uhličitany v přírodě

Uhlík, jeden z nejrozšířenějších chemických prvků na Zemi, se na naší planetě vyskytuje v mnoha podobách, většinou ve sloučeninách s jinými prvky. V čisté podobě pak vytváří pouze tři nerosty, jednak grafit (obyčejnou, měkkou, černou tuhu), šungit (je elektricky vodivý) a jednak naopak jeden z nejcennějších drahých kamenů na světě, diamant. Tuha, grafit, zastupuje spodní konec Mohsovy stupnice tvrdosti nerostů, naopak diamant ji uzavírá jako nejtvrdší známý nerost s číslem deset. Celkové množství uhlíku na naší planetě je z principu věci konstantní - celkem ho tu je kolem 75 milionů gigatun. Mezi jednotlivými oblastmi výskytu (atmosféra, biosféra, oceány a litosféra) neustále koluje - jevu se říká uhlíkový cyklus. Existují ale i dlouhodobé geochemické procesy a ty mají doslova geologický význam. Rozhodně nejsou zanedbatelné, i když na první pohled nejsou vidět. Jedná se o procesy, které probíhají v litosféře, pevné horninové skořápce země. Ta obsahuje více než 99 procent pozemského uhlíku. Nachází se tu ve formě uhličitanů, ale také v organické formě, například jako uhlí a ropa. Uhlíkový cyklus sahá dokonce i do větší hloubky, než jakou dříve předpokládali vědci. Naznačuje to analýza různých izotopů u diamantů. S její pomocí se dá zpětně sledovat, jak se nejprve materiál do zemské kůry ponořil, byl pak později transportován do značné hloubky a později se vracel zpět na povrch planety.

Koloběh uhlíku

Koloběh uhlíku je biogeochemický cyklus, při němž se uhlík vyměňuje mezi biosférou, litosférou, hydrosférou a atmosférou. Spolu s koloběhem dusíku a koloběhem vody tvoří řetězec dějů, které jsou klíčové pro zachování života na Zemi. Cykly mají spirálovitou vývojovou strukturu a na začátku a konci obvykle dochází ke skokové změně na novou úroveň poznání, nebo kvalitu. Spolu s tektonickou aktivitou a vulkanismem pomáhá magnetické pole životu tím, že stabilizuje globální teploty a formuje uhlíkové cykly. Pokud by jádro vychladlo a ztuhlo, Země by o magnetické pole, magnetosféru i stabilní klima přišla. Stal by se z ní druhý nehostinný a pustý Mars.

Rezervoáry uhlíku

Globální cyklus uhlíku má hlavní rezervoáry na Zemi: atmosféra, oceán, půda a litosféra. Uhlík existuje v atmosféře hlavně jako plyn oxid uhličitý. Přestože tvoří velmi malý podíl atmosféry (asi 0,04 %), je zásadní pro život na Zemi. K ostatním atmosférickým plynům, které obsahují uhlík, patří metan a antropogenní uhlovodíky. Celkové množství uhlíku uložené v půdách je odhadováno na 1500 Pg.

Rezervoáry uhlíku:

• Hydrosféra (rozpuštěný oxid uhličitý a organická hmota - fytoplankton)
• Sedimenty (uhličitany, látky s obsahem uhlíku včetně fosilních paliv)
• Atmosféra (CO2)
• Biosféra (organická živá a neživá hmota)

Množství uhlíku v jednotlivých rezervoárech:

• 100 milionů GtC (1 gigatuna se rovná jedné miliardě tun) najdeme v zemské kůře (vápenec, grafit, diamant)
• 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.
• Podle různých odhadů je 5 000-10 000 GtC obsaženo ve fosilních palivech (ropa, uhlí, zemní plyn), která vznikala po dobu milionů let z těl mrtvých rostlin a živočichů.
• 2300 GtC se nachází v půdě a to jak v anorganické podobě, tak v organické podobě jako např. humus.
• 800 GtC najdeme v atmosféře a to hlavně ve formě oxidu uhličitého. Zbytek uhlíku je součástí metanu, oxidu uhelnatého a látek typu CFC a HCFC.
• Drtivý podíl uhlíku v biosféře je uložen v rostlinách, obzvláště ve stromové vegetaci.

Toky uhlíku

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. Pro cyklus uhlíku je charakteristický významný přenos mezi suchozemskými ekosystémy a oceány na jedné straně a atmosférou na straně druhé. 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.

Čtěte také: Více o koloběhu vody v přírodě

Atmosférický uhlík spotřebovávají rostliny prostřednictvím fotosyntézy, kdy dochází k přeměně oxidu uhličitého na sacharidy a kyslík. Tento proces je nejrychlejší u tropických lesů či jiných biotopů, kde probíhá rychlý růst nové biomasy. Podle současných odhadů odstraňuje fotosyntéza z atmosféry 120 Pg C/rok. Rostliny vypouštějí CO2 zpět do atmosféry při dýchání, ve chvíli, kdy buňky rostlin využívají cukry vyrobené při fotosyntéze jako zdroj energie. Kromě odumírání celých rostlin dochází každým rokem také k opadu listů, kořenů a větví. Tímto procesem směřuje uhlík od rostlin do půdy. Opad je potravou pro široké spektrum organismů, včetně půdních mikroorganismů a je vypouštěn do atmosféry průměrnou rychlostí 60 Pg C/rok.

Na mořské hladině se rozpouští atmosférický oxid uhličitý. Čím je voda chladnější, tím více CO2 může pohltit. Ve vyšších vrstvách oceánu fytoplankton (řasy, sinice) ukládají oxid uhličitý ve svých tkáních a schránkách. Schránky pak klesají ke dnu a zvětrávají. Zvětrávání těchto křemičitých hornin způsobuje kyselina uhličitá. Při tomto procesu se uvolňují hydrogenuhličitany. Na dně se pak ukládají nánosy uhličitanů.

Jak se uvolňuje uhlík:

• Dýchání rostlin a živočichů.
• Rozkládání rostlinné a živočišné biomasy, aerobní - vzniká oxid uhličitý, anaerobní - vzniká metan. Hlavní roli v tom mají houby a bakterie.
• Spalování organického materiálu - fosilní paliva atd.
• Sopečné erupce - uvolňují plyny, které mimo jiné obsahují oxid uhličitý.

Reakce uhlíku z hlediska geochemie jsou následující: Rozpuštěním oxidu uhličitého ve srážkové vodě vzniká slabá kyselina uhličitá. Ta způsobuje zvětrávání hornin, zejména vápenců, dolomitů a křemičitanů. Hydrogen-uhličitanové a vápenaté ionty se splavují do moře, kde z nich mořští živočichové vytvářejí znovu uhličitan vápenatý na stavbu svých tělesných schránek. Přitom se do vody uvolňuje oxid uhličitý. Jeho množství však nestačí vyvážit ztrátu oxidu z ovzduší, protože se jedná o množství asi poloviční. Musí být ještě jeden zdroj doplňování do atmosféry.

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. Toky uhlíku, které jsme dosud probírali, se týkají přirozených procesů, které pomáhaly udržovat koloběh uhlíku a úroveň atmosférického CO2 v rovnováze po milióny let. 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. 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.

Čtěte také: Krása a síla života v koloběhu přírody

Přijatá opatření: GMD použila své dlouhodobé atmosférické pozorování skleníkových plynů ke kvantifikaci kvantitativnosti současných zdrojů a poklesů po tři desetiletí. Mezi další metody používáme systémy asimilace dat CarbonTracker pro CO 2 a CH 4 pro výpočet globálních, kontinentálních a regionálních zdrojů a záchytů. Abychom zlepšili přesnost našich kontinentálních a regionálních výpočtů zdrojů a výlev, zvýšili jsme hustotu měření v USA a zlepšili rozlišení a kvalitu atmosférických modelů, které používáme k interpretaci dat.

Uhlík v přírodě koluje - oceány, půda a vegetace, jsou ho schopny pohltit. Člověk vypustí ročně cca 11 gigatun uhlíku, na což už příroda pravděpodobně 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. Co hůř − lidstvo zároveň atmosféru zásobuje dalším skleníkovým plynem metanem a kombinované radiační působení (schopnost ohřívat) těchto plynů rychle roste.

Houby zajišťují větší stabilitu půdy, působí proti erozi a zvyšují zadržování vody v půdě (mykorhiza), houby tvoří až 30 % veškeré půdní hmoty a na každý metr kořene stromů připadá kilometr podhoubí. Houby a další mikroorganismy se podílejí také na rozkladu dřeva, rozložené dřevo je zdrojem života pro nová semena, která se opět propojí s houbami a podpoří růst rostlin. Houby nad zemí rozkládají stromy, naopak houby pod zemí podporují odolnost a růst stromu. Houby ukládají uhlík z atmosféry do půdy.

Alternativní přístupy k ukládání uhlíku

Experimenty s fixováním atmosférického uhlíku v tuhých depozicích dnes patří mezi populární směry bádání a islandský přístup s rychlenou mineralizací oxidu uhličitého se mezi nimi jeví jako velmi slibná cesta. Poslední takový pokus z geotermální elektrárny Hellisheiði ukazuje, jak se dá uhlík zapracovat do čediče. Islandská výzkumnice Sandra Snæbjörnsdóttir ze společnosti CarbFix se rozhodla takový proces uměle napodobit a zrychlit, s pomocí injektáže ve vodě rozpuštěného CO2 do geologicky příhodného vzorku podloží. Výsledkem byla čedičová hornina, ve které nastálo „uvázlo“ kolem 90 % vtlačeného oxidu uhličitého. Celý proces přitom trval necelé dva roky a dá se předpokládat, že v hornině uhlík zůstane navždy. Islandský přístup k mineralizaci je jiný v tom, že ve své podstatě slibuje „rychle a navždy“. A také bezpečněji, efektivněji. Když už nic jiného, z čedičů (bohatých třeba na hořčík a vápník), můžeme touto cestou syntetizovat vápenec, dolomit nebo magnezit. Horniny s průmyslovým využitím.

Aby se Země vrátila k původní funkčnosti (plnému hydrologickému cyklu a potřeba obnovit i cyklus živin a uhlíku), je třeba mít na paměti, že je potřeba vysadit ty správné rostliny (tzv. meziplodiny), které tvoří živiny (které obnoví koloběh živin, uhlíku a vody) a podpoří půdní život.

Čtěte také: Fosfor v přírodě

tags: #koloběh #uhlíku #a #uhličitany #v #přírodě

Oblíbené příspěvky:

• Ochrana ovzduší v ČR
• Umění a ekologie
• Rozměry a Typy Eko Sáčků
• Ohrožení fauny Austrálie
• Ekologická ochrana rybízu