Uhlík v oceáne (jednoduchý) - zmena podnebia

Oceán je veľmi dôležitý z hľadiska množstva oxidu uhličitého (jednoduchého) (CO2) v atmosfére, teda aj z hľadiska rozsahu skleníkového efektu. Je to tak preto, lebo dokáže absorbovať obrovské množstvo CO2, a preto časť CO2, ktorý ľudia emitujú, vezme späť zo vzduchu. Na to však potrebuje oveľa viac času, ako má k dispozícii pri dnešných silných emisiách; a preto časť emitovaného CO2 zostáva v atmosfére (okolo 40%). Okrem oceánu absorbujú CO2 aj rastliny na pevnine.

jednoduchý

Prečo sa oceán správa týmto spôsobom a čo ovplyvňuje jeho správanie v súčasnosti i v budúcnosti, je predmetom tohto článku.

Obsah

  • 1 Čo určuje výmenu CO2?
  • 2 Niektorá chémia: nárazníkový systém
  • 3 parciálny tlak a koncentrácia
  • 4 Tri uhlíkové pumpy
    • 4.1 Fyzické čerpadlo
    • 4.2 Organické čerpadlo
    • 4.3 Počítadlo uhličitanov
  • 5 Skladovanie uhlíka v budúcnosti
  • 6 Oznámenie o licencii

1 Čo určuje výmenu CO2?

Vzhľadom na hmotnosť vzduchu je v atmosfére vždy určitý tlak, tlak vzduchu. Podiel oxidu uhličitého na tomto tlaku sa nazýva parciálny tlak. To isté platí pre oceán: Tlaková časť plynu CO2 rozpusteného vo vode je parciálny tlak v oceáne. Tieto dva čiastočné tlaky sa teraz stretávajú na morskej hladine. Ak je parciálny tlak v oceáne silnejší, oceán uvoľňuje CO2 do atmosféry. Ak na druhej strane parciálny tlak vo vzduchu stúpa, oceán absorbuje CO2, ako je to dnes, pretože čoraz viac CO2 sa uvoľňuje do atmosféry ľuďmi.

Môžete si predstaviť, že to je tlak, a nie množstvo, ktoré určujú výmenu medzi atmosférou a oceánom pomocou fľaše so sódou (alebo iného sýteného nápoja): Veko je priskrutkované, aby sa neodlepilo, takže tlačí trochu vzduchu vo fľaši. Pri otváraní sa tlak zvonka zníži odstránením veka. Preto je tlak molekúl CO2 v nápoji náhle vyšší ako protitlak zvonku a CO2 opúšťa fľašu. Môžete to vidieť na mnohých malých bublinách, ktoré sa tvoria vo vnútri, a pri úniku plynu počuť syčivý zvuk. Stáva sa to napriek tomu, že množstvo CO2 vo fľaši a vo vzduchu sa po otvorení (na začiatku) vôbec nezmenilo. Rozdiel v tlaku je preto jediným dôvodom, prečo CO2 prúdi do alebo z vody.

2 Niektorá chémia: nárazníkový systém

Oxid uhličitý sa vo vode správa úplne inak ako v atmosfére. CO2 sa, bohužiaľ, v atmosfére nepremieňa na iné látky, a preto zostáva vo vzduchu až 200 rokov a v nadmernom množstve spôsobuje klimatický problém. Z atmosféry zmizne, iba ak je absorbovaný oceánom alebo vegetáciou na pevnine. V oceáne sa naopak CO2 premieňa na dve nové látky v kombinácii s vodou, hydrogénuhličitanom a uhličitanom. Pri týchto procesoch premeny sa však tiež spotrebúva uhličitan, ktorý sa produkuje viac, než keď sa oxid uhličitý zreaguje s vodou. Hydrogénuhličitan a uhličitan obsahujú uhlík (C), to znamená, že sú to zlúčeniny uhlíka. Čistý CO2 sa navyše tiež rozpúšťa vo vode.

Tieto tri uhlíkové zlúčeniny sú navzájom v určitom pomere v oceáne, v ktorom jednoznačne prevláda hydrogenuhličitan: hydrogénuhličitan až uhličitan na oxid uhličitý, napríklad 91: 8: 1. Ak teda do vody pridáte obmedzené množstvo CO2, väčšina sa prevedie na hydrogenuhličitan. To je jeden z dôvodov, prečo oceán môže obsahovať toľko uhlíka. Keby boli všetky zlúčeniny uhlíka prítomné iba vo forme CO2, jeho tlak by bol vyšší ako dnes v atmosfére, takže väčšina oceánu by odchádzala do atmosféry. Ale pretože väčšina nie je vôbec prítomná ako CO2, je do istej miery pred atmosférou „skrytá“, pretože vidí iba tlak CO2. Tento „úkryt“ je bežný v chemických roztokoch a je známy ako nárazník.

Mimochodom, stvorenia v oceáne majú aj akýsi nárazníkový efekt. Fotosyntetizujúce rastliny tiež odstraňujú CO2 z vody a zadržiavajú ho späť vo forme ďalších zlúčenín. Množstvo uhlíka, ktoré je viazané na morský život, je však veľmi malé (3 miliardy ton z celkového množstva 38 000 miliárd ton v oceáne). O tom, prečo sú tieto bytosti stále veľmi dôležité na odstraňovanie CO2 zo vzduchu, sa hovorí nižšie („Organická pumpa“).

3 parciálny tlak a koncentrácia

Ako je opísané vyššie, tlak je rozhodujúci pre množstvo CO2 vo vzduchu v rovnováhe medzi oceánom a atmosférou. Parciálny tlak v oceáne však nie je rovnaký ako množstvo uhlíka v oceáne, ktoré je možné určiť ako koncentráciu (počet častíc v kubickom metri). Aby bolo možné určiť, koľko uhlíka môže oceán uložiť, je potrebné poznať vzťah medzi parciálnym tlakom a koncentráciou. Faktorom, ktorý ich spája, je rozpustnosť CO2. Čím lepšia je rozpustnosť, tým viac uhlíka môže oceán absorbovať bez toho, aby musel stúpať parciálny tlak. Ďalej sa môže meniť aj pomer jednotlivých zlúčenín uhlíka navzájom, to znamená, že za rôznych podmienok je rozdielny aj podiel CO2 na celkovom množstve uhlíka. Ak je podiel CO2 väčší, v oceáne sa dá uložiť menej, takže „úkryt“ už nefunguje rovnako. Obidve ovplyvňujúce premenné, rozpustnosť a rovnováha medzi zlúčeninami uhlíka, sú ovplyvnené:

  • teplota
  • slanosť
  • tlak (ktorý je na povrchu vždy približne rovnaký!)
  • zloženie morskej vody (pretože obsahuje mnoho ďalších látok, ktoré môžu mať vplyv)

Ak porovnáme typické vlastnosti morskej vody na rôznych miestach sveta, zistíme, že teplotné rozdiely majú najväčší vplyv na množstvo uhlíka, ktoré môže oceán absorbovať.

4 Tri uhlíkové pumpy

Ak zmeriate koncentráciu zlúčenín uhlíka v rôznych hĺbkach, môžete vidieť, že sa výrazne zvyšuje až do hĺbky asi 1 000 m. Táto skutočnosť tiež znamená, že oceán môže ukladať toľko CO2. Keby bola na povrchu taká vysoká koncentrácia ako v hlbinách, musel by oceán časť z nich vypustiť do atmosféry, pretože parciálny tlak by bol príliš vysoký. Týmto spôsobom však atmosféra prežíva iba nízky obsah na povrchu, veľké množstvo v hĺbkach je chránené pred odplynením.

Ako je však možné, že zlúčeniny uhlíka nie sú distribuované tak, aby sa tieto rozdiely zmenšili? Koniec koncov, kvapka atramentu vo vodnom pohári sa nakoniec rovnomerne zmieša s vodou. Dôvodom musí byť to, že iné procesy neustále pohybujú uhlík zhora nadol, proti smeru dobrovoľného miešania - rovnako ako čerpadlo dopravuje vodu na horu, ktorá by sama tiekla dole. Z tohto dôvodu sa tieto procesy nazývajú aj čerpadlá.

4.1 Fyzické čerpadlo

Fyzikálne čerpadlo sa tiež nazýva „čerpadlo rozpustnosti“, pretože je založené na závislosti rozpustnosti CO2 od teploty. V trópoch, kde je teplo, voda nemôže absorbovať veľa CO2, naopak, oceán tam uvoľňuje ešte viac CO2, ako absorbuje. Vo vysokých zemepisných šírkach, ako sú južný oceán, severný Atlantik a Severný ľadový oceán, voda absorbuje viac CO2 ako vydáva. Pretože sa na týchto miestach nachádza aj potápajúca sa vetva globálneho oceánskeho obehu, voda bohatá na CO2 sa prenáša do hlbín. Potom sa šíri smerom k rovníku, takže studená voda bohatá na CO2 sa tlačí pod teplú vodu chudobnú na CO2 blízko povrchu.

Toto čerpadlo zhruba vysvetľuje polovičný rozdiel uhlíka medzi hornou a spodnou časťou. Môžete tiež hádať, prečo je absorpcia CO2 oceánom taká pomalá: Pretože prejdením prevratnej cirkulácie trvá niekoľko sto rokov, absorpcia CO2 nemôže prebiehať oveľa rýchlejšie. Koniec koncov, voda bohatá na CO2 musí byť najskôr transportovaná smerom dole z povrchu. Samotný príjem na povrchu sa môže uskutočniť tak rýchlo; Ak vodu nevymeníte za novú, kapacita zásobníka sa rýchlo vyčerpá!

4.2 Organické čerpadlo

V závislosti od prísunu živín žije v oceáne množstvo rastlín a živočíchov, z ktorých väčšina je blízko povrchu, kde je pre rastliny dostatok svetla a teda dostatok rastlín na ich kŕmenie. Ak tieto rastliny a zvieratá uhynú alebo ak vylučujú látky, ponoria sa do hĺbky kvôli gravitačnej sile. Podľa toho, aké sú veľké a ťažké, klesajú rýchlo alebo pomaly a podľa toho, ako dobre sa rozpúšťajú vo vode, sa dostanú veľmi ďaleko alebo nie príliš ďaleko. V hlbinách, kde sa rozpúšťajú, sa štiepia na anorganický uhlík, takže sa tam pridáva ďalší uhlík. Na druhej strane na povrchu, kde rastliny absorbujú CO2 počas fotosyntézy, znižujú obsah uhlíka.

Atmosférický obsah CO2 by bol bez organického čerpadla v rovnováhe okolo 150-200 ppm vyšší, čo je veľa v porovnaní s predindustriálnou hodnotou 280 ppm.

4.3 Počítadlo karbonátov

Toto čerpadlo v skutočnosti nie je skutočné čerpadlo, pretože na rozdiel od predchádzajúcich dvoch spôsobuje vyššiu hladinu CO2 v atmosfére; preto sa tiež označuje ako „počítadlo pumpy“. Ako fungujú, je výsledkom pomerne komplikovanej oceánskej chémie a nie je ľahké ich komplexne vysvetliť. Kvôli jednoduchosti je však zvyčajne zodpovedná reakcia, pri ktorej uhličitan a CO2 reagujú za vzniku hydrogenuhličitanu (dve vonkajšie zlúčeniny v rovnici pufra sa tak stávajú prostrednou). To znamená, že čím viac je uhličitanu, tým menej CO2 je, pretože reaguje ďalej. Tieto dve zlúčeniny sa pri svojej koncentrácii správajú opačným smerom. Pamätajte, toto je obmedzenie pravidla, že pomer uhlíkových zlúčenín zostáva rovnaký, a zvláštnosť v porovnaní s inými kyselinami vo vode.

Uhličitanové prečerpávacie čerpadlo teraz vychádza zo skutočnosti, že niektoré živé látky (napríklad kôrovce) vytvárajú vápenné škrupiny (uhličitan vápenatý; CaCO3). Keď zomrú, ponoria sa do hlbín a odstránia viazaný uhličitan z horných vrstiev, kde sa v dôsledku toho zvýši obsah CO2. Alternatívne a presnejšie vysvetlenie na druhej strane spočíva v tom, že ióny vápnika sa tiež strácajú na povrchu uhličitanom, čo ovplyvňuje iónovú rovnováhu (vyrovnanie kladne a záporne nabitých častíc). Potopné vápno je elektricky neutrálne, ale rovnováha nárazníkového systému nezávisí iba od (hydrogénuhličitanových) iónov a protónov, ale aj od niektorých ďalších kladne nabitých iónov, ktoré elektricky vyvážia záporné zložky DIC.

Uhličitanové čerpadlo je nasmerované proti zvyšným dvom, ale jeho pevnosť je asi len o desatinu väčšia ako u organického čerpadla a čerpadla rozpustnosti, takže to nie je také dôležité.

5 Skladovanie uhlíka v budúcnosti

Pre budúcnosť je samozrejme zaujímavé, ako dobre môže oceán absorbovať ľudské emisie CO2. Aby ste to dosiahli, musíte odhadnúť, ako sa môžu pravdepodobne vyvíjať pumpy. Je zrejmé, že pri vyššej koncentrácii CO2 v atmosfére oceán tiež absorbuje viac CO2 ako predtým; Ako efektívne to však závisí od oceánskeho modelu a základných predpokladov! Dôležitým bodom je obmedzenie nárazníkového efektu oceánu. Skladovanie uhličitanu a hydrogénuhličitanu má tiež obmedzenú kapacitu, takže sa na ne dá premeniť čoraz menej CO2 - „skrýša“ sa zmenšuje. Väčšina súčasných modelov cirkulácie oceánov navyše vykazuje slabšie klesanie pre ďalšie storočie v severnom Atlantiku ako predtým, hlavne (ale nielen) preto, lebo vysoké zemepisné šírky sa rýchlejšie zohrievajú a teplá voda už tiež neklesá. Pri tom by už CO2 nemohol byť tak efektívne transportovaný preč. Fyzické čerpadlo je oslabené zmenami podnebia. Preto pravdepodobne v atmosfére zostane viac CO2, čo ďalej zahreje palivo.

Na druhej strane je možné, že v dôsledku toho klesnúce častice organického čerpadla do väčších hĺbok. Na väčšine miest na Zemi v oceáne voda (aby sa vyrovnal pokles vo vysokých zemepisných šírkach) prúdi zdola nahor, čo spomaľuje klesanie častíc. Pri slabšej cirkulácii by sa už toľko nespomaľovali a mohli by transportovať uhlík do väčších hĺbok, čo tiež pomáha odstraňovať CO2 zo vzduchu. Obidva efekty je ťažké posúdiť, pretože počítačové modely nechávajú otvorených príliš veľa možností, ktoré nemožno vylúčiť. Verí sa však, že oslabenie fyzického čerpadla bude dôležitejšie ako zosilnené organické čerpadlo.

Bez ohľadu na čerpadlá treba tiež poznamenať, že roztok CO2 vo vode oceánu nebude vždy taký silný ako predtým. Je to preto, že nárazník oceánu sa stáva slabším, keď je v ňom viac uhlíka. Schopnosť absorbovať CO2 nie je bohužiaľ neobmedzená. Oceán je navyše čoraz viac kyslý vďaka väčšiemu množstvu CO2, takže mnoho živých tvorov už v ňom nemôže dobre žiť. Viac o tom nájdete v článku Okysľovanie oceánov.