Ugrás a tartalomhoz

Az éghajlatváltozás okai és következményei

Gelencsér András, Molnár Ágnes, Imre Kornélia (2012)

Pannon Egyetem

3.2 A szén körforgása

3.2 A szén körforgása

A szén biogeokémiai körforgása alapvetően két, egymástól igen különböző időléptékű ciklus formájában zajlik. A gyors, 7–10 éves időállandójú ciklus (kicserélődés) a légkör és a vele kapcsolatot tartó két szféra, az óceán kevert felszíni rétege illetve a bioszféra között zajlik. A lassú geokémiai ciklus időállandója évmilliós nagyságrendű. Ezért a légköri szén-dioxidra egyetlen tartózkodási idő nehezen definiálható, a jellemző tartomány 150–220 év (3.3 ábra).

3.3. ábra - A szén biogeokémia körforgása (Raupach 2011).

A szén biogeokémia körforgása (Raupach 2011).


A légkör és az óceán kevert felszíni rétege között zajló szén-dioxid kicserélődés fő hajtóereje a hőmérsékletváltozás. Alacsonyabb hőmérsékleten az óceánvíz több, magasabb hőmérsékleten pedig kevesebb szén-dioxidot képes egyensúlyban oldott állapotban tartani. Az óceánvíz felszíni hőmérséklete az évszakok illetve az óceáni áramlások miatt folyamatosan változik, a hidegebbé váló vizekben szén-dioxid oldódik be a légkörből, míg a felmelegedő vizekből ezzel ellentétben szén-dioxid kerül a légkörbe. Tekintve, hogy éves léptékben és globálisan ezek a hőmérsékletváltozások többé-kevésbé kiegyenlítik egymást, így a felszabaduló illetve elnyelődő szén-dioxid éves mennyisége is többé-kevésbé kiegyensúlyozott. Ennek a kicserélődésnek az üteme évente mintegy 90 milliárd tonna szén mindkét irányba, a nettó (egyirányú) anyagforgalom az óceán javára ehhez képest nagyon kicsi (200 millió tonna szén), ami a mélyóceán felé a vázalkotó szervezetek közreműködésével zajló széntranszportnak, illetve az óceáni szállítószalag révén a mélybe szállított víz oldott karbonát tartalmának köszönhető.

A légkörben jelentkező többlet szén-dioxid oldódását az óceán kevert felszíni rétegében az akadályozza, hogy a szén-dioxid oldódása miatt az óceánvíz pH értéke csökken, ami további szén-dioxid beoldódását gátolja. Ezért a légköri szén-dioxid koncentrációban jelentkező 1 %-os többlet rövidtávon (néhány év alatt) az óceán kevert felszíni rétegében csak kb. 0,1 %-os többlet felvételét teszi lehetővé, a fennmaradó hányad az óceánban való eltűnéséhez körülbelül 220 év szükségeltetik.

A légkör és a szárazföldi bioszféra közötti kicserélődés az egyszerűsített 3.4 ábra szerint zajlik.

3.4. ábra - A légkör és a szárazföldi bioszféra közötti kicserélődés.

A légkör és a szárazföldi bioszféra közötti kicserélődés.


A légköri szén-dioxid közvetlenül a növények fotoszintézisre képes részeivel tart kapcsolatot, és a fotoszintézis révén a szárazföldi bioszférába évente beépülő szén mennyisége több mint 110 milliárd tonna (az ún. bruttó produktivitás). Ennek a mennyiségnek több mint fele a növényi légzés illetve a növényevő szervezetek közreműködése révén visszakerül a légkörbe, a maradék nagyobb része (évente 45 milliárd tonna) az évszakok változása és a növények életciklusa következtében az avarba (növényi hulladékba kerül), és évente körülbelül 8 milliárd tonna szén épül be a növények törzsébe és gyökereibe. Az élő bioszférán belül itt halmozódik fel a szén nagyobb hányada, mintegy 500 milliárd tonna mennyiségben. E tartós növényi részek lassú, 60–80 éves időléptékben lejátszódó bomlása (korhadása) évente 7 milliárd tonna szénnel gazdagítja a növényi hulladék mennyiségét, évente 1 milliárd tonna szén pedig a természetben is előforduló erdőtüzek révén kerül vissza a légkörbe. A növényi hulladékban tárolt mintegy 60 milliárd tonna szén igen gyorsan visszajut a légkörbe a mikroorganizmusok hatékony közreműködésével (42 milliárd tonna/év sebességgel), míg belőle évente 10 milliárd tonna a talaj humusztartalmát gazdagítja. A humuszanyag bomlása még lassabb, évszázados időállandójú folyamat, de a humuszanyag nagy mennyisége miatt évente globálisan így is 10 milliárd tonna szén felszabadulásával jár. Az ábrából az is kitűnik, hogy a szárazföldi bioszféra változatlan természetes állapotát feltételezve valamennyi részfolyamat kiegyensúlyozott, azaz az egyes altározókba be- illetve az onnan kilépő anyagáramok összege egymással gyakorlatilag megegyezik.

Ezen rövid időállandójú és gyakorlatilag egyensúlyi ciklusokkal szemben a szén geokémiai ciklusát több nagyságrenddel hosszabb időléptékű folyamatok alkotják, amelyeknek jellemzőit a 3.2 táblázat foglalja össze.

3.2. táblázat - Geokémiai folyamatok időállandói. (Forrás: Warneck, 1998)


Az alábbi reakció értelmében a karbonátos kőzetek mállása során felhasznált oldott szén-dioxid, amely az óceánban kiülepedést és átalakulást (diagenezist) követően ismét kalcium-karbonátként temetődik el, lényegében a légkörben illetve az óceán felszíni rétegében tárolt szén egy kis intenzitású kicserélődési folyamata, évente mindössze 200 millió tonna szén vesz részt benne:

A másik hasonló folyamat a szilikátos és karbonátos kőzetek mállása például a

reakció szerint, amely során a felhasznált szén-dioxid jelentős része ismét a légkörbe kerül vissza. Ezzel szemben nem egyensúlyi folyamat például a kalciumtartalmú magmatikus kőzetek mállása során a légkörből karbonátos üledékbe kerülő szén eltemetődése, évente 23 millió tonnás nagyságrendben. Az üledékes kőzetek mállása során a felszínre kerülő szerves szén oxidációja, illetve ezzel szemben a bioszférában képződő szerves szén eltemetődése évente mintegy 60 millió tonnás szénforgalommal jár. Ez utóbbi kvázi-egyensúlyi értékkel vessük össze a fosszilis tüzelőanyagok égetése és a cementgyártás során a légkörbe kerülő szén mennyiségét, ami évente 8,5 milliárd tonna és ráadásul egyirányú folyamat! A vulkáni tevékenységet, ezen belül is a vulkánkitöréseket sokan tévesen jelentős szén-dioxid forrásnak tartják, holott nem az: az éves becsült kibocsátás szénegyenértékben legfeljebb 100–120 millió tonna, nagyságrendileg hasonló a mélyóceáni üledékekben eltemetődő szén mennyiségéhez!

A légkör tehát a mélyóceánhoz képest kicsiny széntározó. Ha nincs perturbáció és az időskála elegendően hosszú, akkor a légköri szén-dioxid koncentrációt alapvetően az oldódási egyensúly határozza meg. A szén geokémiai ciklusa a kalciumionokhoz kapcsolódik. Ha a légkörbe jelentős mennyiségben többlet szén-dioxid kerül, akkor ugyan gyorsan beáll az egyensúly az óceán kevert felszíni rétege és a légkör között, de ez az egyensúly a szén-dioxid savasító hatása miatt valamint a mélyóceán felé irányuló transzport korlátozott sebessége miatt nem engedi a többletszén nagyobb részének felvételét, ehhez több évszázadra van szükség. Az átmeneti időben a többlet szén tárolásában a bioszféra is besegít, amelynek viszont nincs geológiai időskálán jelentős többletszén-tároló képessége.