Uhlíkový cyklus

Toto téma bude naprosto zásadní pro pochopení toků oxidu uhličitého. V těchto videích si také ukážeme dva důležité důkazy příčin nárůstu koncentrací CO₂ v atmosféře.

Zásobníky uhlíku

Uhlík je základním stavebním kamenem živých organismů a uhlíkový cyklus popisuje jeho přesuny.

Jeho množství budeme uvádět v gigatunách uhlíku (GtC, Gigatons of carbon) - jedna gigatuna se rovná jedné miliardě tun. Podívejme se, kde a kolik uhlíku se na Zemi nachází.

• 100 milionů GtC najdeme v zemské kůře (vápenec, grafit, diamant)
• 38 000 GtC je obsaženo ve vodách moří a oceánů. Uhlík v moři je ve velké míře součástí CO₂ rozpuštěného ve vodě, podobně jako v minerálce. Pouze 1 000 GtC se nachází ve svrchních vrstvách moří a oceánů, které se účastní výměny s atmosférou. Zbytek CO₂ se nachází ve větších hloubkách.
• 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.
• Posledním důležitým zásobníkem je biosféra, tedy rostliny a živočichové. Drtivý podíl uhlíku v ní je uložen v rostlinách, obzvláště ve stromové vegetaci. Ta v sobě obsahuje 550 GtC uhlíku.^[1]

Uhlíkové toky

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. Ty trvají  i miliony let a pro podstatu klimatických změn nejsou podstatné.^[1]

Atmosféra-moře

Začněme tím, co se mění nejdynamičtěji, a to je atmosférický oxid uhličitý. Ten se z atmosféry do moří a oceánů dostává deštěm, kapky jej při pádu absorbují nebo se do oceánu dostanou přímou výměnou na vodní hladině.

Schopnost oceánů pohlcovat CO₂ se stejně jako u každé kapaliny silně odvíjí od teploty. Čím vyšší teplota, tím měně je voda schopna rozpuštěný CO₂ v sobě udržet. Což je jev, který aktuálně probíhá díky zvyšující se teplotě oceánů a moří.^[2]

Když se podíváme na tento graf od amerického úřadu pro oceány a atmosféru tak vidíme, že za posledních 120 let se svrchní vrstvy oceánu oteplily o zhruba 1 °C. To se může zdát málo. Když ale vezmeme v úvahu o jak obrovské množství vody se jedná, uvědomíme si, jak velké množství tepla k tomu bylo potřeba.

Na tomto grafu z měření na Hawai lze dobře vidět růst koncentrace CO₂ v atmosféře (červená křivka), nárůst obsahu CO₂ ve vodě (tmavě modré body) a klesající PH vody (světle modré body), které je přímým následkem rozpuštěného CO₂ ve vodě. Za posledních 200 let se vody moří a oceánů staly zhruba o 30 % kyselejšími.^[21] 

To má negativní následky na mořský život, např. na korály, protože jejich schránky z vápenatých sloučenin jsou tímto kyselým prostředím rozpouštěny.^[5]

Atmosféra – vegetace (biosféra)

Zde se s CO₂ odehrává několik procesů, které působí proti sobě. Na jedné straně máme dýchání rostlin a živočichů, které odebírá z atmosféry kyslík a dodává CO₂, rozklad těl rostlin a zvířat bez přístupu kyslíku uvolňující metan. To jsou procesy emitující skleníkové plyny. Na druhé straně máme fotosyntézu rostlin, která odebírá CO₂ z atmosféry a nahrazuje jej kyslíkem. V součtu ale fotosyntéza převažuje a vegetace CO₂ více pohlcuje než vytváří.^[6]

Vliv člověka na uhlíkové toky

V historii člověk pro rozvoj své civilizace potřeboval více a více jídla a energie, které získával zemědělstvím a odlesňováním. Do 18. století tyto lidské aktivity neměly na klima až tak závažný vliv.^[14] Objevem parního stroje a spuštěním průmyslové revoluce však rozvoj civilizace dostal pořádnou dávku steroidů.

Spalováním fosilních paliv a výrobou cementu člověk vzal uhlík, který by jinak zůstal uložený v zemi a ve formě CO₂ jej vypustil do atmosféry. Jinými slovy, člověk vzal velké množství uhlíku z pomalého cyklu a přesunul jej do rychlého uhlíkového cyklu.^[1] K tomu taky odlesnil obrovská území, která zastavěl a tím snížil množství vegetace schopné pohlcovat CO₂.

Dobrá zpráva je, že ne všechen CO₂ v atmosféře zůstává. Zhruba 1/3 pohlcuje vegetace, 1/3 oceány a 1/3 v atmosféře zůstává.^[7][8] (Různé podklady vyhodnocující různá období mohou tento poměr uvádět různě, např. 45 % atmosf0ra 30 % oceány 25 % vegetace viz [22]).

Důkazy původu nárůstu CO₂

Mohli byste namítnout: „To by ale mohl říct každý. Kde máš nějaké důkazy?“. Zde můžeme vycházet ze dvou silných důkazů o původu nadbytečného CO₂.

Izotopové složení uhlíku

Nejdříve si musíme vysvětlit, co to jsou izotopy. Víme, že prvek se skládá z jádra atomu, ve kterém jsou protony a neutrony. Počet protonů rozhoduje o tom, o jaký prvek se jedná. Kyslík má vždy 8 protonů, uhlík 6 protonů, dusík 7 protonů atd. Počet neutronů u daného prvku se ale může lišit. Varianty daného prvku, které si liší počtem neutronů nazýváme izotopy.

Uhlík na Zemi se nachází ve třech formách: C-12, C-13, C-14.  Uhlík má vždy 6 protonů a může mít v jádru k tomu 6, 7 nebo 8 neutronů. Číslo za písmenem C vždy značí součet protonů a neutronů v jádru uhlíku. Nejběžnější uhlík C-12 je atmosféře zastoupen z 98,89 %, uhlík C-13 z 1,11 % a uhlík C-14 z 0,0000000001 %^[10].

Důležitý je pro nás izotop C-14. Uhlík C-14 je radioaktivní, má poločas rozpadu zhruba 5 700 let, tzn. že za tuto dobu se jej polovina rozpadne na jiný prvek. Uhlík C-14 vzniká přeměnou z plynného dusíku díky záření z kosmu ve vyšších vrstvách atmosféry. Vzniká tedy v malém množství, zato ale stále. Tento uhlík je pro vědu velmi důležitý např. při datování stáří objevených fosilií. Jak nám ale pomůže určit původce nárůstu množství CO₂ v atmosféře?

Na to nám odpoví tento graf, který nám ukazuje změnu poměrného zastoupení uhlíku C-14 mezi ostatními izotopy uhlíku. Vidíme, že jeho poměrné množství vůči zbývajícím izotopům klesá. Nenechme se ale mýlit, množství uhlíku C-14 je v čase víceméně stálé, to jen množství ostatních izotopů narůstá. Jinými slovy uhlík C-14 je ředěn ostatními formami uhlíku (obzvláště C-12)^[15] .

Nyní se zamysleme nad tím, jaké uhlíkové zásobníky v sobě mají uhlík tak chudý na izotop C-14. Toto ochuzení logicky vzniká s časem, protože čím je daný zásobník starší, tím je v něm uhlíku C-14 méně. Tato skutečnost jako původce nárůstu CO₂ v atmosféře vylučuje zásobníky jako vegetaci, moře a půdu, protože v nich dochází k pravidelné výměně uhlíku s atmosférou a uhlík C-14 v nich najdeme. Naopak nás utvrzuje v tom, že tento nárůst musel být způsobem přesunem uhlíku z velice starých zdrojů (např. fosilní paliva, sopečná činnost nebo vápenec), protože v nich žádný uhlík C-14 není.^[15]

Pokles koncentrací kyslíku v atmosféře

Na tomto grafu od  vidíme průběhy koncentrací oxidu uhličitého a kyslíku v atmosféře v posledních desítkách let. Jejich průběhy nejsou hladké, každoročně se lehce vlní. To souvisí s vegetačními cykly rostlin. 

Ale zpět k dlouhodobým trendům. To, že koncentrace oxidu uhličitého rostou nás již nepřekvapí. Na modré křivce však vidíme pokles koncentrací kyslíku o cca 120 ppm za 30 let. V jednotkách ppm se tento pokles špatně představuje, ale rámcově se jedná o více než 100 000 km³ kyslíku. Kam tento kyslík zmizel?

Odpověď zní, že byl spotřebován při spalování fosilních paliv. To víme nejen kvůli znalosti, že ke spalování je nutný kyslík, ale také kvůli izotopovému složení vzniklého CO₂. Jak již víme z minulého článku, zdroj nárůstu množství CO₂ v atmosféře musí být velmi starý díky nízkému zastoupení uhlíku C-14. Spalování fosilních paliv tedy jako jediný uhlíkový zásobník odpovídá oběma podmínkám – izotopové složení uhlíku a schopnost odebírat kyslík z atmosféry.

Rozbor toků uhlíku

Pokud ale potřebujete ještě další důkazy, tak nám tento graf ještě více objasní pohyby CO₂ a kyslíku mezi uhlíkovými zásobníky. 

Body na levé straně grafu reprezentují naměřené hodnoty koncentrací kyslíku a oxidu uhličitého mezi lety 1990-2000. Tyto hodnoty velmi dobře kopírují naši představu o tom, jak člověk spaluje fosilní paliva a jak oxid uhličitý interaguje s oceánskou vodou a vegetací. U těchto dějů známe jejich chemii a ze známého množství spáleného paliva jsme schopni odhadnout změny koncentrací kyslíku a oxidu uhličitého v atmosféře. Naše teoretické předpoklady o příčině změn koncentrací plynů v atmosféře jsou podpořeny reálnými daty.

Sopečná aktivita

Zde ještě vyvrátíme jeden mýtus, který se často v debatách o změně klimatu objevuje. Myšlenku, že za nárůst koncentrací CO₂ je zodpovědná sopečná činnost. 

Sopky sice vypouštějí CO₂, nejsou však schopny snižovat množství kyslíku v atmosféře. Navíc sopky v současnosti emitují mezi 130-380 milionů tun CO₂ ročně^[16] oproti více než 36 miliardám tun CO₂ vypuštěných lidskou civilizací^[17], tedy méně než 1 %. Proto můžeme sopečnou činnost jako příčinu klimatické změny s jistotou vyloučit.