Ugrás a tartalomhoz

Környezeti rendszerek

Dr. Kerényi Attila, Dr. Kiss Tímea, Dr. Szabó György (2013)

Debreceni Egyetem

13. fejezet - A szén- és az oxigénciklus

13. fejezet - A szén- és az oxigénciklus

13.1. A szénciklus

Bár a szén és az oxigén különböző vegyületekben összekapcsolódik a természetben, első megközelítésben mégis külön tárgyaljuk a körfolyamataikat. A szén a légkörben legnagyobb mennyiségben CO2 formájában van jelen, de említésre méltó a CH4 (metán) koncentrációja is. A talajban és az élővilágban a szerves szénvegyületek rendkívül változatos molekulaszerkezeteket alkotnak, míg a litoszférában a CaCO3 (mészkő) és a CaMg (CO3)2 (dolomit) a leggyakoribb vegyületek.

Megjegyezzük, hogy mi csak az ún. exogén szénciklussal foglalkozunk, a Föld belső szféráinak részben feltáratlan szénciklusával nem.

A különböző természetes szénraktárak széntartalmának meghatározása a szakirodalomban még nagyobb különbségeket mutat, mint a vízraktáraknál láttuk (8. táblázat).

8. táblázat. Néhány fontos természetes raktár széntartalma (109 t) különböző szerzők szerint

Az atmoszféra széntartalmát ismerjük a legpontosabban, bár első ránézésre a táblázat különbségei ezt cáfolni látszanak, hisz a legkisebb (615 · 109t) és a legnagyobb érték (760 · 109t) közötti eltérés arányaiban nem különbözik lényegesen az élővilág, a talaj és a felszíni óceán adataitól. Van azonban egy fontos különbség ez utóbbiakkal szemben: a légköri széntartalom folyamatosan növekszik, s ha Emanuel és szerzőtársai adatait figyelmen kívül hagyjuk, a többi szerző adatai teljesen összhangban vannak. Ehhez azt is hozzá kell tennünk, hogy Papp és Kümmel 1988-ban publikált adatai évekkel korábbi számítások eredményeit tartalmazzák. Az atmoszféra széntartalmának növekedését átlagosan 3 · 109t/év-ben határozták meg a különböző szerzők, ami az utóbbi tíz évben közel 4 · 109t/évre növekedett. Magát a légköri átlagos CO2-koncentrációt jól ismerjük (2009-ben 380ppm), mivel azt a Föld számos pontján folyamatosan mérik.

A szén globális körforgása tulajdonképpen két körfolyamatban játszódik le, így külön is beszélhetünk szárazföldi szénciklusról, ill. helyesebben a szénciklus szárazföldi részéről, valamint az óceáni szénciklusról (a szénciklus óceáni részéről). A két körfolyamat három helyen is kapcsolódik egymáshoz (51. ábra, 11. animáció). A szárazföldek és az óceánok is „szénanyagcserét” folytatnak a légkörrel, ezenkívül a talajerózió révén az óceánokba említésre méltó mennyiségű szén kerül a szárazföldekről, s végül a tengeri üledékekből lassú ütemben karbonátos kőzetek keletkeznek.

Az 51. ábráról és a 11. animáció láthatjuk, hogy a szénciklus „motorja” a fotoszintézis. Ez a szárazföldi növények esetében 100 Mrd t/év szénfelvételt jelent a légkörből szén-dioxid formájában, s bár közel ennyit nyel el a világóceán is, azt csak kb. felerészben használják a vízi növények fotoszintézisre, a többi vízben oldódik, ill. a fizikai-kémiai folyamatoknak megfelelően visszajut a légkörbe.

51. ábra. A szénciklus. Az ábrán a tározók értékeit Mrd t szénben, a fluxusokat Mrd t C/évben adtuk meg. A szaggatott nyilak az emberi tevékenységet reprezentálják, míg a légkör esetén a zárójeles szám az antropogén szén felhalmozódását adja meg (Mészáros, 2001a nyomán, módosítva).

A vízi élővilág légzése ugyancsak azt eredményezi, hogy a légkörbe a víz közvetítésével szén-dioxid kerül. A világóceán esetében e kétirányú folyamatok nincsenek teljesen egyensúlyban egymással: 93 Mrd t/év a szénbevétel és 90 Mrd t/év a kiadás. Egyelőre nem pontosan tisztázott a különbség oka. Azt azonban szénizotópos mérések alapján tudjuk, hogy a felszíni óceán (az ún. kevert réteg) a középső és mélységi óceánnal szénkicserélést folytat, mégpedig a légkör-óceán széncserénél is jelentősebbet (100 Mrd t/év fluxus). Az óceánnak ez utóbbi része sokkal nagyobb szénraktár, mint a felszíni kevert réteg, s széntartalmának kis részét, csekély fluxussal (0,6 Mrd t/év) a tengeri üledékekbe továbbítja, miközben onnan ennél kevesebb (0,4 Mrd t/év) jut vissza a vízbe. A tengeri üledék ugyancsak jelentős szénraktár, s az üledékes kőzetek képződése során 0,2 Mrd t/év a karbonátos kőzetek tömegét növeli. Ez utóbbiak a Föld legnagyobb szénraktárai, s mállásuk során valamennyi szén valószínűleg visszakerül a légkörbe, de ennek mennyiségét egyelőre nem tudjuk megbecsülni.

A szénciklus szárazföldi részében a növények 100 Mrd t/év szenet vesznek fel fotoszintézisükhöz, s ennek felét visszajuttatják a légkörbe légzésük során: pontosabban a táplálékláncon keresztül az állatok, sőt az emberek légzésével együtt kerül vissza közel 50 Mrd t/év szén a légkörbe. Az erdőirtások egyrészt csökkentik a globális biomasszát, másrészt hozzájárulnak a légköri széntartalom növekedéséhez. Az élővilág elhalt egyedei, ill. a lehulló lomb évente 50 Mrd t szenet juttatnak a talajba. Itt a széntartalmú vegyületek átalakulásokon mennek át, s ezek eredményeként közel ugyanennyi szén vissza is jut a légkörbe. A talajban nagy mennyiségű szén-dioxid keletkezik a mikrobiológiai folyamatok során, a gyökérlégzés alkalmával és az avarban lejátszódó bomlás következtében. A talaj hatalmas szénraktár (bár, mint a 6. táblázatból kiderül: széntartalmának becslése elég tág határok között mozog), de az emberi tevékenységek hatására felgyorsult erózió miatt évente 1 Mrd szenet veszít: az erózióval elszállított talajrészecskék humusztartalmában kötött formában van jelen a szén, amelyet a vízrendszerek végső soron a világóceánba szállítanak.

Az emberi tevékenységek közül a fosszilis energiahordozók elégetése járul hozzá legnagyobb mértékben a szénciklus módosításához: évente legalább 7 Mrd tonna szén kerül a légkörbe ezen az úton, s járul hozzá legnagyobb mértékben az üvegházhatás fokozódásához.

Jogosan merülhet fel a kérdés, hogy a korábban említett metán hol fedezhető fel az előzőkben leírt szénciklusban. A válasz legegyszerűbben úgy fogalmazható meg, hogy két okból sem jelenik meg a metán: 1. nagyságrendekkel kisebb a légköri mennyisége, koncentrációja, mint a szén-dioxidé(1,7 ppm, szemben a szén-dioxid 380 ppm-es koncentrációjával), kémiai átalakulások során a metánból szén-monoxid majd szén-dioxid keletkezik, így annak mennyiségét növeli.

Mindezek ellenére szükséges foglalkoznunk a metán légköri forrásaival, mert a szén-dioxidhoz képest a metánnak sokkal jelentősebb az üvegházhatása.

A metán az oxigén nélküli (anaerob) bomlás terméke, legnagyobb forrásai a természetes mocsaras területek és a rizsföldek (9. táblázat), de mellettük több más jelentős forrás is működik.

9. táblázat. A metán globális légköri forrásai (millió t/év C) Mészáros (1993) nyomán

Az állattenyésztés (ezen belül különösen a szarvasmarha-tartás) nagyobb kibocsátással jár, mint a földgázipar, holott a földgáz meghatározó alkotórésze a metán, s egyre szélesebb körben terjed a földgáz használata. A termeszek, a biomassza égetése és a szénbányászat együttvéve is csak annyi emissziót produkálnak, mint a rizsföldek.

Bár a mocsarakból felszabaduló metán nem sokkal több, mint a rizsföldekről származó mennyiség, a permafrost (állandóan fagyott talaj) egyre nagyobb mértékű felolvadása (ami éppen a globális felmelegedés következménye) lényegesen megnövelheti a mocsarak területét, s ezáltal a metán-kibocsátást. A 9. táblázatban nem szerepel a – feltételezések szerint – legnagyobb metánraktár: a tengerekben nagy mennyiségben jelen lévő metán-hidrát. Ez a labilis molekula a hőmérséklet emelkedésére hirtelen széteséssel reagálhat nagy mennyiségű (bár még közelítően sem meghatározott tömegű) metánt bocsátva a légkörbe. (A metán szerepére a globális éghajlati rendszer működésének tárgyalásakor még visszatérünk.)