Bemærk: Climateminds.dk lukker i oktober 2016, da finansieringen udløber. Udvalgte artikler vil du herefter kunne se på www.experimentarium/klima
Ressourcerum
Forsøg og Cases
Share |

Kulstofkredsløbet

Kulstof (C) indgår i et kompliceret kredsløb mellem atmosfæren, oceanerne, biosfæren og jordens indre. Dette naturlige kredsløb er normalt i balance, men det påvirkes af det menneskeskabte bidrag af drivhusgasser som CO2 og CH4. Siden industrialiseringen er CO2-indholdet i atmosfæren steget med omkring 35 %.
Atmosfærens indhold er ialt steget med 4,1 Gt (Gigaton) pr år i perioden 2000-2005, hvilket svarer til over halvdelen af det menneskeskabte CO2. Indholdet varierer meget fra år til år, som et resultat af naturlige klimavariationer. Det kan derfor være svært at beregne den reelle størrelse af kulstoflagrene i kulstofkredsløbet.

Kulstofkredsløbet er i ballance på et overordnet plan. De naturlige tilbagekoblingsmekanismer (se senere afsnit) reagerer langsomt. Det betyder at de voldsomme menneskeskabte CO2-udledninger påvirker kulstofkredsløbet hurtigere end det kan nå at stabiliserer sig. Derfor stiger indholdet af CO2 i atmosfæren.

Kulstoffets kredsløb. Se forklaring i teksten nedenfor. Illustration: essensen.com

1. Fra atmosfæren til oceanerne
Der udveksles omkring 90 Gt/år kulstof mellem oceanet og atmosfæren. Der er et nettooptag i oceanerne på omkring 2,2 Gt/år.

2 Fra menneskets aktiviteter til atmosfæren
Afbrænding af fossilebrændsler: tørv, kul, olie, gas
Der afgives ialt 7,2 Gt/år via afbrænding af fossile brændsler fra mennesket til atmosfæren. Nogle forskere (fra GEUS) mener at udslippet ligger helt oppe på 22 Gt, hvorved ophobningen af kulstof i atmosfæren er langt større.

3 Fra geosfæren til atmosfæren
Der frigøres kulstof fra sedimentære lag, når de  omdannes til krystaline bjergarter (silikatbjergarter som fx feldspat) ved opvarmning.
Generel: CaCO3 + SiO2 → CO2 + CaSiO3

Eks. med dannelse af feldspat ud fra kalk og ler:
CaCO3 + Al2SiO2O5(OH)4 ⇔ CO2 + H2O + CaAl2Si2O8 (ikke afstemt)

Kulstoffet frigives ved vulkansk aktivitet. Der afgives ca 0,1 Gt/år CO2 til atmosfæren via vulkansk aktivitet.

4 Fra atmosfæren til floder og søer (hydrosfæren)
Ved forvitring/nedbrydning af bjergarter, trækkes kulstof ud af atmosfæren. Kulstoffet ender i floder og søer eller i havet.

Forvitring af bjergarter ⇔ dannelse af kalksediment/skaller/skellet (koraller)
CO2 + H2O + CaCO3 ⇔ Ca 2+ + 2HCO3-

Ved forvitring af silicatbjergarter trækkes endnu mere kulstof fra atmosfæren, men den bruges også ved dannelse af kalksediment/skaller/skellet (koraller)
CO2 + CaSiO3 → CaCO3 + SiO2

Der trækkes i alt 0,2 Gt/år fra atmosfæren til hydrosfæren via forvitring af bjergarter.

5 Fra biosfæren til geosfæren
Gennem nedbrydning af organisk materiale overføres der omkring 0,2 fra biosfæren til geosfæren. Altså ved dannelse af sedimenter.

6 Fra atmosfæren til biosfæren
Der udveksles kulstof mellem biosfæren og atmosfæren på omkring 60-62 Gt/år. Det sker gennem fotosyntese og respiration, og forrådnelse af organisk materiale. Der er et nettooptag i biosfæren på omkring 2,5. Dette kan dog vende, hvis fx den arktiske tundra tør, hvilket fører til at en stor mængde CH4 tilføres atmosfæren.

Fotosyntese: CO2 + H2O ⇔ C6H12O6 +O2 (ikke afstemt)
Respiration og forrådnelse: (C+O2) + (H2+O) ⇔ CO2 + H2O

Sfærerne

Jordens samlede kulstofmængde er estimeret til at være omkring 1-7x109 Gt. Dette tal er meget usikkert, og justeres jævnligt. Kulstoffet er fordelt i de forskellige sfærer, hvor størstedelen ligger i geosfæren, altså jorden.

Geosfæren

Geosfæren dækker over
- de krystaline bjergarter, som udgør jordens indre: fx granit, basalt og gnejs
- de sedimentære bjergarter: kalk- og silicatbjergarter: fx sandsten, kalksten og lersten
- fossile brændsler: olie kul, gas.

Det er estimeret at Geosfæren binder omkring 15.000 Gt kulstof. Største delen af geofærens kulstof er bundet i bjergarter. Der er dog stadig en stor del i de sedimentære bjergarter som vekselvirker med kulstoffet i de andre sfærer. 
Det kulstof, der er bundet i de fossile brændsler, er estimeret til omkring 4.000 Gt. 

CO2, bjerkæder og sedimenter
Der optages CO2 ved dannelse af sediment, både på land og i vand. CO2’en inkorporeres i tungtopløselige forbindelser, og aflejres i fx ler, kalksten og kridt, eller bruges ved dannelse af kalkskaller eller kalkskeletter som fx muslinger og koraller. Sedimenter, både på landjorden og i oceanerne, indeholder ialt omkring 70.000 gange så meget kulstof, som der findes i atmosfæren. Der er en vekselvirkning mellem geosfæren og atmosfæren, idet der konstant frigives CO2 via vulkansk aktivitet – både på landjorden og under havets overflade.

CO2-optaget til dannelse af sediment er højt i perioder hvor der dannes nye bjergkæder. Forvitringen (nedbrydningen af bjerget) er høj i nydannede bjergkæder og der er derfor en høj rate af sedimentaflejring, specielt af ler og sand, og CO2-optaget fra atmosfære er højt. Atmosfæren drænes for CO2, og klimaet er derfor køligt/koldt.

Gamle bjerge har en lav forvirtingsrate, og derved dannes der kun en lille mængde sediment og CO2-optaget er lavt. Lavt CO2-optag giver et højere indhold af CO2 i atmosfæren og derved et varmere klima.

Atmosfæren

Der er omkring 730-760 Gt kulstof i atmosfæren, hvilket både dækker over CO2 og CH4. Atmosfæren vekselvirker med både geosfæren, biosfæren og hydrosfæren. Det er estimeret at den samlede ophobning af kulstof pr. år i atmosfæren er omkring 11 Gt. (GEUS).

Atmosfæren får tilført kulstof fra
- oceanerne
- biosfæren via respiration og forrådnelse
- geosfæren via vulkansk aktivitet
- menneskets afbrænding af fossile brændsler

Atmosfæren afgiver kulstof til
- oceanerne
- biosfæren via fotosyntese
- geosfæren og hydrosfæren via forvitring af bjergarter
 
CO2 optages naturligt fra atmosfæren af planter under fotosyntesen. Planterne trækker naturligt CO2’en ned i jorden, hvor den fx danner kalciumbicarbonat. Ved regn udvaskes CO2’en fra jorden og føres ud i havet, hvor organismer som kiselalger optager CO2’en ved dannelse af kalkskaller.

Hydrosfæren 

Hydrosfæren går ind over de andre sfærer, idet den dækker over alt vand på jorden:
- oceaner, floder, søer, grundvand, vand bundet i isvand i atmosfæren. Hydrosfæren anses ofte for at være en del af biosfæren.

Ved forvitring af bjergarter, optages kulstof fra atmosfæren. Sedimenterne føres via floder (hydrosfæren) til sedimentære aflejringer på land (søer) eller i oceanet.

Oceanerne indeholder omkring 38.000 Gt kulstof. Størstedelen er bundet i sediment, eller som opløst organisk eller uorganisk kulstof.
Der er en stor vekselvirkning mellem ocean og atmosfære på omkring 90 Gt/år begge veje. Oceanet optager dog nu en lille smugle CO2 fra atmosfæren, i forbindelse med den Grønlandske pumpe i Nordatlanten. Nettooptaget ligger omkring 1,6 Gt/år fra atmosfæren til oceanet.

I forbindelse med dannelse af kalksedimenter på havbunden, sker der en lille nettoaflejring til havbunden på omkring 0,2 Gt/år. De aflejringer der sker i dybhavet, har et langstidsvarende kulstofdræn, idet vekselvirkningen mellem dybhavet og de andre sfærer er på mange hundrede år.

Eksempel: Alger
Oceanerne er også i stand til at optage en del kulstof primært gennem alger ved havets overflade og gennem andre ’kalkskallede’ organismer. Når organismerne dør, falder skallerne ned på havbunden og danner en sedimentaflejring rig på kalk og kisel, fx kalksten.

Biosfæren

Biosfæren dækker (normalt) over alt levende, inklusiv den jord og den vand det lever i. Der findes store mængder kulstof i biosfæren, alt organisk materiale på landjorden (planter, dyr, muldjord) og i vand (sedimenter på havbunden, planter og dyr).
Det er estimeret, at der er bundet omkring 500Gt i biosfærens levende del, mens der ligger omkring 1500 Gt bundet i dødt organisk materiale på jordoverfladen som fx humus eller tørv, eller på havbunden.

Der er tre primære processer i biosfæren, som er med til at få kulstofkredsløbet til at køre:
Fotosyntese i planter: i gennemsnit optager planter 111 Gt CO2 pr år.
Respiration fra dyr og planter: ca 49 Gt CO2 afgives til atmosfæren pr. år
Nedbrydning af organisk materiale: omkring 60 Gt CO2 og CH4 afgives til atmosfæren. Organismer, som aflejres i iltfattige områder, som fx moser og den  Sibiriske tundra, binder CO2'en, til det bliver ’trukket ud’ ved tilførsel af ilt, fx afbrænding eller optøning.

Plantevæksten på jorden afhænger af temperatur , vand, næringsindhold i jorden og CO2-indholdet i atmosfæren. Indholdet af CO2 i atmosfæren er altså afgørende for, hvor hurtigt nogle planter vokser, altså til øget vækst og dermed øget CO2 optag. CO2'en frigives dog igen når planten dør, fx ved skovhugst og forrådnelse.

Det menneskeskabte bidrag

Fossile brændsler: Den CO2, som mennesket udleder, kommer hovedsageligt fra undergrunden, via afbrænding af kul, olie og gas. De fossile brændstoffer er organisk materiale, der har ligget under jorden i op mod 100 millioner år. Ved forbrænding omdannes kulstoffet i brændslet til luftarten kuldioxid, CO2. Derved stiger atmosfærens indhold af kulstof.
Afbrænding af organisk materiale fra jordens overflade (fx træ), vil ikke øge atmosfærens koncentration af CO2, så længe det afbrændte materiale erstattes af nyt forholdsvis hurtigt.

Landbrug: Bidraget fra landbruget (agerbrug) er lille, men meget interessant i forhold til det menneskeskabte bidrag. Den mængde CO2, der bindes eller frigøres fra jorden er meget tæt forbundet med menneskets brug af jorden – altså landbrug og markanvendelse. De øverste jordlag dræner atmosfæren for CO2 ved dannelse af humus gennem fotosyntese. Hvis markerne ikke passes, sker der en udvaskning eller erosion af jorden, hvorved CO2 frigives til atmosfæren. Skov optager CO2 fra atmosfæren, mens fældning, afbrænding og opdyrkning af jorden, frigiver CO2. Skovrydning fører også til et øget udslip af CO2. Dette modvirkes dog af, at et øget CO2 indhold i atmosfæren stimulerer planternes vækst, og dermed bindes CO2'en igen.

Landbruget bidrager også med kulstof via kvægdrift, og andre husdyrhold. Koprutter indeholder methan (CH4) som frigives til atmosfæren. Det dannes samtidig lattergas fra husdyrenes afføring når den spredes ud på markerne.

Tilbagekoblingsmekanismer

CO2 koncentrationen i atmosfæren har ændret sig mange gange igennem Jordens historie. Det skyldes ændringer i den vekselvirkning der sker mellem geosfæren og de andre sfærer.

Forvitring af bjergarter: Ialt optages der to dele CO2 ved nedbrydning af silikatbjergarter, mens der kun afgives en del CO2 ved dannelse af kalksedimenter. Det betyder at nedbrydningen af silikatbjergarter trækker CO2 ud af atmosfæren.   

Hastigheden af bjergarternes forvitring følger mængden af vand, temperatur og CO2 i atmosfæren. Når atmosfæren har et højt CO2 indhold, stiger temperaturen, og atmosfæren kan indeholde mere vand. Der er derved varmere og der falder mere regn. Derved øges hastigheden på bjergarternes forvitring, hvilket fjerner CO2 fra atmosfæren via hydrosfæren/biosfæren til geosfæren (sedimenter).

Denne proces menes at være vigtig, idet drænet af CO2 fra atmosfæren er med til at stabilisere atmosfærens CO2 indhold, fordi den kemiske reaktion er afhængig af temperatur.

Ophobning af sedimentære lag på land: Det organiske materiale i sedimenter, der ikke bliver iltet ved at sedimentet bliver begravet, dræner også atmosfæren for kulstof. Denne process er også vigtig, idet den er afhængig af planternes leveforhold, og derved også temperatur. Processen er med til at stabilisere indholdet af CO2 i atmosfæren.

Oceanerne: Når CO2-koncentrationen i atmosfæren ændres, overføres størstedelen af det forøgede CO2-indhold til verdenshavenes organismer. Men denne overførsel tager mange år.

Kilder:
NOAH
DMI
Geoviden, 2006, 2: Klima
Geoviden, 2006, 4: Fortidens Drivhusverden - Indsigt for fremtiden
GO Naturgeografi - Jorden og Mennesket, 2. udgave

Forfatter
Cand. Scient. Maya Høffding Nissen, Experimentarium

Forsøg og cases

Klimaforståelse

Klimaforandringer

Links

Klimaforandringer

Drivhusgasser

Bør vi handle på klimaforandringerne?

Konsekvenser

Klimapolitik

Externe links

DMI/klima

GEUS
- Geoviden, 2006, 2: Klima
- Geoviden, 2006, 4: Fortidens Drivhusverden - Indsigt for fremtiden

NOAH