Süsiniku ringlus

Süsiniku ringlus on biogeokeemiline tsükkel, mille käigus süsinik ringleb Maa biosfääri, geosfääri, hüdrosfääri ja atmosfääri vahel. Selle tsükli juures on neli suuremat reservuaari, mis on omavahel keemiliste, geoloogiliste, bioloogiliste ja füüsikaliste protsessidega seotud. Eraldi reservuaari moodustavad atmosfäär, mandribiosfäär, ookeanid ja selle setted (kaasa arvatud fossiilkütused). Bioloogiliste protsessid käigus saab süsinikdioksiidist taimne materjal. Selle lagunemisel muutub süsinik kas süsinikdioksiidiks või ladestub setetes.

Kliima
KRISTJAN VELBRI, Uurimuse "Globaalne soojenemine ja kliimamuutused" V peatükk
13. veebruar 2009

Joonisel 5.1 on näha erinevates reservuaarides oleva süsiniku hulk. Et joonisel on kasutatud vanu andmeid, ei vasta selle atmosfääri süsiniku hulgale tänapäevasele, mis on 813 Gt.[1]

Et teada saada süsinikdioksiidi kogumassi atmosfääris, tuleb süsiniku mass korrutada süsiniku ja süsinikdioksiidi molaarmasside erinevusega, mis on 3,67. Kusjuures ligi 4 Gt atmosfäärisüsinikust on lukus metaani molekulides. Seega on atmosfääris 2970 Gt süsinikdioksiidi (metaani on 5,4 Gt).

Joonisel toodud nooled näitavad süsinikuringluse suundasid - metsadest ja maismaalt tulenev süsinik on pärit taimede lagunemisega seotud protsessidest ning põllumajandustegevusest, asula kohalt õhku paiskuv süsinik on tekkinud inimetegevuse tagajärjel.

Kuigi looduslike protsesside käigus paiskub atmosfääri tunduvalt rohkem süsinikdioksiidi, kui seda tekib inimtegevuse tagajärjel, on fotosünteesivate organismide süsinikdioksiidi tarbimine isegi suurem, kui looduslikest protsessidest atmosfääri paiskuvad emissioonid.

Loodus mitte ainult ei emiteeri, vaid ka tarbib süsinikdioksiidi – nii on süsinikdioksiidi kontsentratsiooni aastatuhandeid tasakaalus püsinud. Praegu tarbivad maismaa- ja ookeanidepõhised fotosünteesivad organismid vastavalt 61 ja 92 Gt süsinikku aastas. Kusjuures looduse poolt tarbitava süsihappegaasi hulk on viimase kahe sajandi jooksul suurenenud tulenevalt suuremast süsihappegaasi hulgast atmosfääris. Ookeanid eemaldavad atmosfääris süsinikdioksiidi ka seda lahustades.

Kuigi Brian Fagan väidab oma raamatus et inimesed hakkasid Maa kliimat mõjutama juba 8000 aastat tagasi, siis kui põllumajandus kiiresti arenema hakkas, ei ole see väide teaduslikult kinnitust leidnud.

Kasvuhoonegaase hakkas märgatavalt rohkem atmosfääri lisanduma töösturevolutsiooni progresseerumise käigus. Kivisöe ja aurumasina kasutuselevõtt aitas lahendada energiaprobleemi, mis tervet Euroopat näris. Kivisöe põletamine põhjustas mitmeid raskeid tervisehädasid ja põhjustas paljude inimeste surma.

Kuigi nafta oli juba varem tuntud aine, leidis see laiemat kasutust alles 20. sajandil, seda eriti autodes. Koos tehnoloogia arenguga muutus majanduslikult kasulikuks ka maagaasi põletamine.

Joonis 5.1 Igaaastane süsiniku ringlus erinevate reservuaaride vahel.

Märkmed: Taimestiku kasv ja lagunemine (plant growth and decay), taimestik (terrestial vegetation), mullad ja orgaaniline ainestik (soils and organic matter), maakasutuse muutused (changes in land use), fossiilkütuste emissioonid (fossil fuel emissions), lahustunud süsinik (dissolved organic carbon), mereorganismid (marine organisms), pinnavesi (surface water), kivisöelademed (coal deposits), nafta ja maagaas (oil and gas deposits), meresetted ja settekivimid (marine sediments and sedimentary rocks), vahepealne ning süvavesi (intermediate and deep water), pinnasetted (surface sediments).

Läks veel tükk aega enne kui mõisteti, et fossiilkütuste suuremahuline põletamine võib tõsiselt mõjutada meie kliimat. Fossiilkütuste põletamise ja tsemendi tootmisega lisandub atmosfääri iga aasta 5.5 Gt süsinikku.

Metsaraie ning põllumajandus lisavad atmosfääri 1.6 Gt süsinikku aastas, seega on inimtekkelised emissioonid kokku 7.1 Gt, kusjuures inimtekkeliste kasvuhoonegaaside emissioonid kasvavad iga aasta. Suurenenud süsinikdioksiidi kontsentratsioon on kiirendanud metsakasvu tempot Põhja - Ameerikas, kus lageraiete tagajärjel tühjaks jäänud alad vaikselt tagasi kasvavad.

Ka on suurenenud fütoplanktonite ja fotosünteesivate bakterite populatsioon maailma ookeanides. Kuid mitte kõik inimeste poolt atmosfääri lisatud süsinikdioksiid ei jõua loodusesse, ligikaudu 3.2 Gt süsinikku aastas jääb atmosfääri, suurendades seeläbi süsihappegaasi kontsentratsiooni ning soojendades Maa kliimat.

Eraldi väärib mainist vulkaanide roll süsiniku ringluses. Pahatihti kohtab väidet, et vulkaanipursked lisavad atmosfääri mitu korda rohkem süsihappegaasi ja teisi kasvuhoonegaase, kui inimesed mitme aasta jooksul kokku. See väide ei vasta tõele, sest laamtektooniline ja vulkaaniline tegevus lisab atmosfääri kuni 300 Mt süsihappegaasi ekvivalente aastas ehk umbes 82 Mt süsinikku, mis inimtegevusega võrreldes on väga väike.[2]

Katastroofilise vulkaanipurske korral võib atmosfääri sattuda väga suur hulk süsihappegaasi, kuid vulkaanipurske käigus vabaneb ka suur hulk vääveldioksiidi ja aerosoole, mille ümber niiskus kondenseerub - tulemuseks on pilved, mis omakorda vähendavad Maani jõudva päikesevalguse ja seega ka soojuse, hulka.

1991. aastal vabanes Mount Pinatubo vulkaanipurske tagajärjel atmosfääri vähemalt 42 Mt süsinikdioksiidi. Järgneva kahe aasta jooksul oli planeedi temperatuur ligi 1°C madalam kui tavaliselt ja seda tänu suurenenud pilvkattele, mis oli tingitud pilvede tekke jaoks vajalike aerosoolide hulga suurenemisest vulkaanipurske käigus.

Loodus ja süsihappegaas

Inimeste poolt atmosfääri lisatud süsinikdioksiid on kiirendanud ookeanides elavate taimplanktoni kasvu ning see on aidanud atmosfäärist väga palju süsinikdioksiidi eemaldada, tootes sealjuures eluks vajalikku hapnikku.

Süsihappegaasi suurem konsentratsioon teeb süsiniku kättesaamise õhust maismaal ja ookeanides elavate fotosünteesivate organismide jaoks lihtsamaks. See küll soodustab taimekasvu, kuid ainult nii kaua kuni leidub piisavalt palju teisi toitaineid nagu lämmastikku.

Taimelehtedes on väikesed õhulõhed, mille kaudu toimub gaasivahetuse atmosfääriga (vt. joonis 5.2). Kõrgema süsinikdioksiidi kontsentratsiooni puhul saavad fotosünteesivad organismid elutegevuseks vajalikud koguse süsinikdioksiidi kiiremini kätte - lüheneb see aeg, mil poorid avatud on. Seeläbi kaotavad nad vähem vett, sest süsinikdioksiidi sissehingamisel väljub samaaegselt ka veeaur ning hapnik.

Väljahingatava veeauru vähenemine võib teatud piirkondadele väga halvasti mõjuda. Oma suuruse tõttu toodab Amazonase vihmamets suure osa oma sademetest ise, seda nii kaua kuni pooridest aurab piisavalt vett. Kui need poorid on avatud lühemat aega kui varem siis väheneb aja jooksul sademete hulk ning muutub terve metsa elustik - eelise saavad väiksema veevajadusega liigid. Kuna need liigid kaotavad veel vähem vett, siis võib tekkida lumepalliefekt, mis muudab mõne sajandi jooksul vihmametsa savanniks ja seejärel kõrbeks. Sellist asja peavad tõenäoliseks mitmed teadlased, nende hulgas Peter Bunyard.

Joonis 5.2 Fotokinees

Kuigi loodus võtab atmosfääris ära üsna suure hulga sinna inimeste poolt lisatud süsihappegaasist, on ka loodusel teatud mahutavuse piirid. Iga aasta lahustub maailma ookeanides 2 Gt süsinikku (7.43 Gt süsihappegaasi ), kuid teadlased on täheldanud et see hulk on hakanud vähenema. Osalt on see tänu sellele, et ookeanidesse ei mahu rohkem kuid on ka teine üha olulisem faktor. Nimelt lahustuvad gaasid vedelikes kõige paremini madalamatel temperatuuridel - nii lahustub kõrgema temperatuuri puhul vees vähem süsihappegaasi, mis tähendab seda et edaspidi kasvab süsihappegaasi hulk atmosfääris veel kiiremini kui varem. Ja mida vähem süsihappegaasi loodus atmosfäärist kõrvaldab, seda kiirem on temperatuuritõus. Science'is avaldatud uurimuse kohaselt on juba praegu Antarktikat ümbritseva ookeani võime süsihappegaasi õhust omandada vähenenud[3].

Ookeanide pealmistel kihtidel läheb aega kuni kolmkümmend aastat, et omastada atmosfääri temperatuur ning veel tuhat aastat kuni see temperatuurimuutus jõuab ookeanide sügavustesse. Seega on ookeanid nagu viitsütikuga pommid, mis ähvardavad vabastada tohutuid koguseid süsihappegaasi kui kõrgemad temperatuurid alumiste kihtideni jõuavad - iga atmosfääris leiduva süsihappegaasi molekuli kohta on ookeanides viiskümmend ning soojas vees lahustub vähem gaase, ka. süsihappegaasi.

Atmosfääris olev süsinikdioksiid mõjutab ka ookeanide happelisust - aeglaselt, kuid siiski reageerib süsinikdioksiid veega ning tekib väävlishape. Alates 1750-st aastast on maailmamere pinnavee (100 m) pH-tase keskmiselt 0.1 ühikut langenud, kahjuks ei ole selle mõju mereelustikule veel piisavalt uuritud samas on teada, et nii kiiret muutust ookeanide happelisuses ei ole viimase 800 000 aasta jooksul aset leidnud.[4][5]

Eriti tundlikud selliste muutuste suhtes on niigi haprad korallid ja mereelukad, kes ehitavad oma kõvad koorikud ja skeletonid kaltsiumkarbonaadist. Korallide hävinemise või kahjustumise puhul hävineb või väheneb ka suure hulga seal elavate elusorganismide populatsioon. Kannatada võib saada ka kalade arvukus ning seeläbi tervete regioonide majandus.

Tuhandete aastate jooksul toimuv hapestumine ei ole ohtlik, sest siis jõuavad sügavamad veekihid pindmiste kihtidega seguneda ja seeläbi väävlishappe ühtlaselt laiali jaotada. Selleks, et ookeanide happelisuse tase viia tagasi 200 aasta taguse tasemeni, läheb tuhandeid aastaid ja seda juhul kui inimtegevusest süsihappegaasi atmosfääri ei lisandu. Kui süsihappegaasi lisandumine atmosfääri jätkub praeguse tempo juures siis sajandi lõpuks võib ookeanide pH-tase langeda kuni 0.5 ühikut.[6]

Ookeanide happelisuse vähendamine või aeglustamine tehislike meetoditega on äärmiselt ebatõenäoline, sest praegu ei eksisteeri mitte ühtegi seda võimaldavat tehnoloogiat. Seega, ainus tõhus meetod väävlishappe vähendamiseks ookeanides on sihipärane süsihappegaasi emissioonide vähendamine. [7]

Süsiniku isotoobid

Isotoobid on keemiliste elementide erinevad vormid, millel on algelemendist erinev aatommass - neil on tuumas sama arv prootoneid, kuid erinev arv neutroneid. Enamate neutronitega aatomid on raskemad, kui tavapäraste elementide aatomid. Näitena võib tuua vesiniku, mille isotoobil deuteeriumil (vesinik-2) on erinevalt prootiumist ehk tavaliselt vesinikust üks prooton ja üks neutron, prootiumil on vaid prooton. Deuteeriumil on ka eraldi keemiline sümbol ning sellest saadud rasket vett (D2O või HDO) kasutatakse mõningate tuumareakorite jahutites.

Kliimateadlasi huvitavad eeskätt süsiniku isotoobid 12C ja 13C. Süsinik aatommassiga 12 on stabiilne isotoop ning ligi 98.99% süsinikust on just C-12. Süsiniku 13 on samuti stabiilne isotoop, kuid teda on palju vähem (1.01%) ning ta on ka suurema aatommassiga.

Taimedel ning fotosünteesivatel organismidel on kergem omastada väiksema aatmomassiga süsinikku ning sellest tulenevalt sisaldavad fossiilkütused ka suuremal jaol just kergemat isotoopi.

Seega peaks fossiilkütuste põletamisel suurenema C-12 hulk. Seevastu vulkaanidest või ookeanidest pärinev süsinik sisaldab tavapärasel hulgal mõlemat isotoopi ning neist pärinevad süsihappegaasid ei muudaks atmosfääris C-12/C-13 tasakaalu. Just selle meetodiga on teadlased kindlaks teinud, et suurenenud süsihappekontsentratsiooni taga on inimtegevus mitte looduslikud tegurid.

Lisaks sellele on täheldatud ka hapniku sisaldusprotsendi langemist atmosfääris, mis tähendab seda et miski tarbib seda. See ja teised meetodid kinnitavad fakti, et just inimtegevus on üha suureneva kasvuhoonegaasi kontsentratsiooni allikas. [8]

Kasutatud materjalid:

1. 380 ppm CO2 x 2,1286 Gt = 816 GtC, 1 Gt = 1 000 000 000 tonni www.esd.ornl.gov, saadud: 08.08.2007
2. lk iii (summary), British Geological Survey: "Volcanic Contributions to the Global Carbon Cycle", 2005
3. Rincon, Paul, "Polar ocean 'soaking up less CO2'", 17.05.2007, saadud: 05.08.2007
4. lk.2, IPCC: "Climate Change 2007: Working Group II: Climate Change Impacts,
Adaptation and Vulnerability. Summary for Policymakers", 2007
5. Archer, David, "The Acid Ocean – the Other Problem with CO2 Emission", 02.07.2005, saadud: 16.08.2007
6. The Royal Society (Suurbritannia): "Ocean acidification due to increasing atmospheric carbon dioxide", 2005
7. ibid
8. Marland, G.; Boden, T. (Oak Ridge National Laboratory, USA): "The Increasing Concentration of Atmospheric CO2: How Much, When, And Why?", 2001