Ugrás a tartalomhoz

Az éghajlatváltozás okai és következményei

Gelencsér András, Molnár Ágnes, Imre Kornélia (2012)

Pannon Egyetem

3. fejezet - A szén biogeokémiai körforgása

3. fejezet - A szén biogeokémiai körforgása

A szén a Földön négy nagy tározóban található, ezek a légkör (770 Gt) , az óceán 38700 Gt), a bioszféra (2000 Gt) valamint a földkéreg (72000 Gt).

A légkörben a szén döntően inert szén-dioxid formájában van jelen, a többi széntartalmú vegyület (metán, szén-monoxid, szerves gázok) hozzájárulása elhanyagolható. A légköri szén-dioxid koncentrációja napjainkban 387 ppm, folyamatosan növekszik. A jelenlegi koncentrációnak a légkör tömegét figyelembe véve 770 milliárd tonna C-egyenérték felel meg. Összehasonlításul ez a szénmennyiség több, mint a Föld jelenleg ismert, gazdaságosan kitermelhető teljes kőszénvagyona! A szén-dioxid légköri koncentrációjában a felszín közelében jelentős napi és évszakos ingadozás észlelhető: a napi ingadozás a magassággal gyorsan csökken, az évszakos ingadozás a teljes troposzférára jellemző (3.1 ábra)

3.1. ábra - A szén-dioxid évszakos ingadozása 2008-2012 között. (Thomas Conway and Pieter Tans, NOAA/ESRL).

A szén-dioxid évszakos ingadozása 2008-2012 között. (Thomas Conway and Pieter Tans, NOAA/ESRL).


A légköri szén-dioxid rendkívül fontos szerepet tölt be a földi légkör üvegházhatásának szabályozásában annak ellenére, hogy a vízgőz és a felhők után csak a harmadik az üvegházhatású komponensek között, az üvegházhatás energiájából körülbelül 20 %-ban részesedik. Kiemelt jelentőségét az adja, hogy a vízgőztől eltérően földi körülmények között nem képes halmazállapotának megváltoztatására. Légköri tartózkodási ideje 100 év nagyságrendű, állandó légköri alkotónak tekinthető. A szén-dioxid koncentrációja a földtörténet során széles határok között, de a mai változás üteméhez képest rendkívül lassan változott. Az ipari forradalom előtt és az azt megelőző mintegy 11 ezer év során a koncentráció 280 ppm körüli volt a jégfúrásokból származó jégminták légzárványainak elemzési adatai alapján. Amennyiben a szén természetes (ember által nem befolyásolt) biogeokémiai körforgását tekintjük, ezt a koncentrációt fogadhatjuk el egyensúlyi értéknek.

A légkör az óceánnal és a bioszférával tart fenn közvetlen kapcsolatot. Az óceánt a légkörtől eltérően a Nap sugárzása felülről melegíti, így benne a hőmérséklet a mélységgel csökken, és stabilis rétegződés alakul ki. A légkörrel való kölcsönhatás az óceán ún. kevert felszíni rétegével a legintenzívebb, ami a szél és az általa keltette hullámzás hatására alakul ki. Ennek a rétegnek a kiterjedése 50–100 m mélységig terjed, és a szén (illetve az energia) kicserélődése szempontjából az óceán többi részétől elkülönített tározónak kell tekinteni. Alatta helyezkedik el az ún. fő termoklin régió, ahol a keveredés már jóval kevésbé hatékony, és átmenetet képvisel a mélyóceán felé. Az óceán fő tömegét a mélyóceán adja, s vizének átlagos tartózkodási ideje az óceáni áramlásoknak köszönhetően jellemzően 700–1000 év. Az óceán kevert felszíni rétegében a légkörhöz hasonló mennyiségű (kb. 700 millárd tonna) szén található oldott állapotban. A tengervíz kémiai összetételét és pH-értékét alapul véve az oldott szén kb. 0,6 %-a szénsav (CO2(H2O)), 90 %-a hidrogén-karbonát (HCO3-), és 9 %-a karbonátion (HCO32-)formájában van jelen. A szén-dioxid a légkörből történő beoldódásának mechanizmusát az alábbi egyensúlyok sorozata szemlélteti:

A HCO3- -ionokat a tengervízben a nátriumionok részben, míg a CO32- -ionokat a magnéziumionok túlnyomórészt komplex formájában tartják, ezáltal segítve az oldódást. Az oldódási sor végén keletkező kalcium-karbonát vízben gyakorlatilag oldhatatlan csapadék. Ez a szervetlen csapadékképződési mechanizmus azonban csak a trópusi övben, s ott is elsősorban a meleg sekély tengervízben észlelhető. A tengervízben a kalcium-karbonát képződés fő formája a vázépítő tengeri élőlények (algák, korallok) életműködése a sekély self területeken, ahova  folyók hordaléka is érkezik. Az élőlények elpusztulását követően mészvázuk maradéka lesüllyed és a mélyóceánban egy bizonyos mélységig a fenti egyensúlynak megfelelőn visszaoldódik: ez a folyamat jelenti a szén fő transzportját a kevert felszíni rétegből a mélyóceán felé. Ez azonban a fizikai oldódással összevetve jóval kisebb mértékű folyamat. A mélyóceánban a légkörhöz és az óceán kevert felszíni rétegéhez képest jóval nagyobb mennyiségben található szén, kb. 38.000 milliárd tonna. E hatalmas mennyiség egy csekély része (kb. 1.000 milliárd tonna) szén nem oldott karbonát, hanem oldott és kisebb mértékben lebegő szerves szénvegyületek formájában található. A szerves anyag az óceán kevert felszíni rétegében keletkezik a fitoplankton fotoszintézise révén, a zooplanktonok által szabályozott mennyiségben (évente kb. 23–80 milliárd tonna).

A légkörrel az óceán felszíni rétegéhez hasonlóan ugyancsak közvetlen kapcsolatot tartó szárazföldi bioszféra a szén körforgása szempontjából további három altározóra bontható: ezek az élőlények (döntően a növények), az avar (hulladék) és a humusz. A bioszférában és az avarban tárolt szén mennyisége igen hasonló a légkörben és az óceán kevert felszíni rétegében található szén mennyiségéhez. A biomassza tömegének éghajlati övek és növényzet szerinti megoszlását a 3.1 táblázat mutatja.

3.1. táblázat - A biomassza tömegének éghajlati övek és növényzet szerinti megoszlása (Forrás: Warneck, 1988)


A táblázatból kitűnik, hogy a biomassza tömegének közel 80 %-a az erdőkben, azon belül is a trópusi esőerdőkben és a magasabb szélességeken fekvő erdőségekben található (3.2 ábra).

3.2. ábra - A biomassza tömegének égövek szerinti eloszlása. (Sassan et al. 2011.)

A biomassza tömegének égövek szerinti eloszlása. (Sassan et al. 2011.)


Az avar mennyisége arányaiban mintegy tizede az élő biomasszában tárolt mennyiségnek, a talajban humuszanyagként jelenlevő szén mennyisége azonban több, 1600–1800 milliárd tonna.

3.1 A szén az üledékes kőzetekben

A földkéreg jórészt magmatikus kőzetekből áll, melyek jellemző széntartalma kb. 100 ppm. A földtörténet során a légköri szén-dioxid közreműködésével eddig mindössze 8 %-uk alakult át üledékes kőzetté. Az üledékes kőzetek fő fajtái a mészkő (15 %), a pala (74 %) és a homokkő (11 %). Ennek megfelelően a földkéregben a szén túlnyomó része üledékes kőzetekben található. E kőzetek mintegy 90 trillió (ezer billió) tonna szenet rejtenek. Ez elképzelhetetlenül hatalmas mennyiség, több, mint a Föld légkörének teljes tömege. Ha ez a hatalmas mennyiségű tárolt szén szén-dioxid formájában felszabadulna, akkor a Föld felszínén a nyomás 38 bar lenne, és a Föld légkörének összetétele a Vénuszéhoz lenne hasonló. A földtörténet során ez a szénmennyiség – persze nem egyidőben, és akár többször is – megjárta a légkört, és a víz és az óceánok közvetítésével üledékes kőzetekbe került. A szén szervetlen formái mellett (karbonát) az üledékes kőzetekben redukált állapotú (szerves) szén is található, többségük az ún. kerogén formájában, ami hagyományos oldószerekben oldhatatlan geopolimer. Mennyiségét, illetve a karbonát mennyiségéhez viszonyított arányát a szén természetes izotópjainak arányából (13C/12C) következtethetjük ki. A fotoszintézis során ugyanis a könnyebb izotópot nagyobb arányban épül be a növények szervezetébe, ezáltal a szerves anyagban a 13C/12C arány mintegy 2–3 %-kal kisebb, mint az óceánban oldott formában található hidrogén-karbonátban. Az üledékben ez a különbség jórészt megőrződik, így az üledékes kőzetek stabilizotóp elemzéséből meghatározható, hogy a szerves (redukált) szén aránya a karbonáthoz képest az üledékes kőzetekben 1:4. Természetesen ennek a szerves szénnek a részét képezik a fosszilis tüzelőanyagok is, legfeljebb 1 %-ban.