Szén az óceánban (egyszerű) - klímaváltozás

Az óceán nagyon fontos a légköri szén-dioxid (egyszerű) (CO2) mennyisége, így az üvegházhatás mértéke szempontjából is. Ugyanis hatalmas mennyiségű CO2-t képes elnyelni, és ezért az emberek által kibocsátott CO2 egy részét visszaveszi a levegőből. Ehhez azonban sokkal több időre van szüksége, mint amennyi elérhető a mai erős kibocsátásokkal; és ezért a kibocsátott CO2 egy része a légkörben marad (kb. 40%). Az óceán mellett a szárazföldi növények elnyelik a CO2-t is.

Miért viselkedik az óceán így, és mi befolyásolja viselkedését most és a jövőben, ez a cikk témája.

Tartalomjegyzék

1 Mi határozza meg a CO2 cseréjét?
2 Néhány kémia: a puffer rendszer
3 parciális nyomás és koncentráció
4 A három szénszivattyú
- 4.1 A fizikai szivattyú
- 4.2 A szerves szivattyú
- 4.3 A karbonát számláló szivattyú
5 Széntárolás a jövőben
6 Engedélyről szóló értesítés

1 Mi határozza meg a CO2 cseréjét?

A levegő súlya miatt a légkörben mindig van egy bizonyos nyomás, a légnyomás. A szén-dioxid arányát ebben a nyomásban parciális nyomásnak nevezzük. Ugyanez vonatkozik az óceánra is: A vízben oldott CO2 gáz nyomásrésze az óceán résznyomása. Ez a két parciális nyomás most a tenger felszínén találkozik. Ha az óceánban a résznyomás erősebb, az óceán CO2-t bocsát ki a légkörbe. Ha viszont megnő a részleges nyomás a levegőben, akkor az óceán elnyeli a CO2-t, mint manapság, mert az emberek egyre több CO2-t szabadítanak fel a légkörbe.

Elképzelheti, hogy a nyomás, és nem a mennyiség határozza meg a légkör és az óceán közötti cserét egy üdítősüveg (vagy más szénsavas ital) segítségével: A fedelet felcsavarják, hogy ne jöjjön ki, ezért nyomja a kevés levegő az üvegben. Nyitáskor a kívülről érkező nyomás a fedél eltávolításával csökken. Ezért az italban lévő CO2-molekulák nyomása hirtelen nagyobb, mint a kívülről érkező ellennyomás, és a CO2 elhagyja az üveget. Láthatja ezt a sok kis buborékban, amelyek belül kialakulnak, és hallják a sziszegő hangot, amikor a gáz távozik. Ez annak ellenére történik, hogy a palackban és a levegőben lévő CO2 mennyisége egyáltalán nem változott, amikor kinyitották (először). Ezért a nyomáskülönbség az egyetlen oka annak, hogy a CO2 a vízbe vagy a vízből áramlik.

2 Néhány kémia: a puffer rendszer

A szén-dioxid a vízben teljesen másképp viselkedik, mint a légkörben. Sajnos a CO2 nem alakul át más anyaggá a légkörben, ezért akár 200 évig is a levegőben marad, és túl nagy mennyiségben okoz éghajlati problémát. Csak akkor tűnik el a légkörből, amikor az óceán vagy a szárazföldi növényzet felszívja. Az óceánban viszont a CO2 vízzel, hidrogén-karbonáttal és karbonáttal kombinálva két új anyaggá alakul. Ezekben az átalakítási folyamatokban azonban a karbonát is többet fogyaszt, mint amennyit a szén-dioxid vízzel történő reakciójával állít elő. A hidrogén-karbonát és -karbonát szenet (C) tartalmaz, azaz szénvegyületek. Ezenkívül a tiszta CO2 is feloldódik a vízben.

Ez a három szénvegyület bizonyos arányban áll egymáshoz az óceánban, amelyben egyértelműen a hidrogén-karbonát van túlsúlyban: hidrogén-karbonát-karbonát-szén-dioxid, például 91: 8: 1. Tehát ha korlátozott mennyiségű CO2-t adunk a vízhez, akkor annak nagy része hidrogén-karbonáttá alakul. Ez az egyik oka annak, hogy az óceán ennyi szén-dioxidot képes tárolni. Ha az összes szénvegyület csak CO2 formájában lenne jelen, annak nyomása nagyobb lenne, mint a mai légkörben, így az óceán nagy része a légkörbe távozna. De mivel a többség egyáltalán nincs jelen CO2-ként, bizonyos mértékben "el van rejtve" a légkör elől, mert csak a CO2 nyomását látja. Ez a "rejtőzés" gyakori a kémiai oldatokban, és pufferként ismert.

Egyébként az óceán lényeinek is van egyfajta puffer hatása. A fotoszintetizáló növények a CO2-t is eltávolítják a vízből, és visszatartják más vegyületek formájában. A tengeri életben azonban megkötött szénmennyiség nagyon kicsi (3 milliárd tonna az óceánban található összesen 38 000 milliárd tonnából). Hogy ezek a lények továbbra is nagyon fontosak a CO2 levegőből történő eltávolításában, az alábbiakban kerül ismertetésre ("A szerves szivattyú").

3 parciális nyomás és koncentráció

Amint azt fentebb leírtuk, a nyomás meghatározó a levegőben lévő CO2 mennyisége szempontjából az óceán és a légkör közötti egyensúlyban. Az óceánban a parciális nyomás azonban nem azonos az óceán szénmennyiségével, amelyet koncentrációként (részecskék száma köbméterben) lehet megadni. Annak megállapításához, hogy az óceán mennyi széndioxidot képes tárolni, ismerni kell a parciális nyomás és a koncentráció kapcsolatát. A kettőt összekötő tényező a CO2 oldhatósága. Minél jobb az oldhatóság, annál több szenet képes felvenni az óceán anélkül, hogy a parciális nyomásnak meg kellene emelkednie. Ezenkívül az egyes szénvegyületek egymáshoz viszonyított aránya is változhat, azaz különböző körülmények között a CO2 aránya a teljes szénmennyiségben is eltérő. Ha a CO2 aránya nagyobb, kevesebb tárolható az óceánban, így a "rejtekhely" már nem működik annyira. Mindkét befolyásoló változót, az oldhatóságot és a szénvegyületek közötti egyensúlyt a következők befolyásolják:

a hőmérséklet
a sótartalom
a nyomás (amely a felszínen mindig körülbelül azonos!)
a tengervíz összetétele (mert sok más olyan anyagot tartalmaz, amelyek befolyásolhatják)

Ha összehasonlítjuk a tengervíz tipikus tulajdonságait a világ különböző helyein, azt találjuk, hogy a hőmérséklet-különbségek befolyásolják a legnagyobb mértékben az óceán által elnyelhető szén mennyiségét.

4 A három szénszivattyú

Ha különböző mélységekben mérjük a szénvegyületek koncentrációját, láthatjuk, hogy ez jelentősen megnő, körülbelül 1000 m mélységig. Ez a tény azt is jelenti, hogy az óceán ennyi CO2-t képes tárolni. Ha ugyanolyan nagy koncentráció lenne a felszínen, mint a mélységben, az óceánnak egy részét ki kellene engednie a légkörbe, mert a résznyomás túl magas lenne. Ily módon azonban a légkör csak a felszínen tapasztalja az alacsony tartalmat, a mélyben lévő nagy mennyiségek biztonságosak.

De hogyan lehet, hogy a szénvegyületek nem oszlanak el úgy, hogy ezek a különbségek csökkennek? Végül is egy csepp tinta egy vizespohárban végül egyenletesen keveredik a vízzel. Ennek oka az lehet, hogy más folyamatok folyamatosan mozgatják a szenet fentről lefelé, az önkéntes keveredés irányával szemben - akárcsak egy szivattyú szállítja fel a vizet a hegyen, amely önmagában lefolyna. Emiatt ezeket a folyamatokat pumpáknak is nevezik.

4.1 A fizikai szivattyú

A fizikai szivattyút "oldhatósági szivattyúnak" is nevezik, mivel a CO2 oldhatóságának a hőmérséklettől való függésén alapul. A trópusokon, ahol meleg van, a víz nem képes sok CO2 elnyelésére, éppen ellenkezőleg, az ottani óceán még több CO2-t bocsát ki, mint amennyit elnyel. A nagy szélességi fokokon, például az óceán déli részén, az Atlanti-óceán északi részén és a Jeges-tengeren a víz több CO2-t szív fel, mint amennyit kibocsát. Mivel ezeken a helyeken megtalálható a globális óceáni keringés süllyedő ága is, a CO2-ban gazdag víz a mélységbe szállítódik. Ezután az Egyenlítő felé terül, így a hideg, CO2-ban gazdag víz a felszínhez közeli meleg és CO2-szegény víz alá nyomja magát.

Ez a szivattyú nagyjából megmagyarázza a felső és az alsó szén-dioxid-különbség felét. Sejtheti azt is, miért olyan lassú a CO2 felvétele az óceán részéről: Mivel a felboruló keringés több száz évig tart, a CO2 felvétele nem történhet sokkal gyorsabban. Végül is a CO2-ban gazdag vizet először lefelé kell szállítani a felszínről. Csak a felszínen történő felvétel olyan gyorsan megtörténhet; Ha a vizet nem cserélik újra, akkor a tárolótartály kapacitása gyorsan kimerül!

4.2 A szerves szivattyú

A tápanyagellátástól függően számos növény és állat él az óceánban, amelyek többsége közel van a felszínhez, ahol elegendő fény áll rendelkezésre a növények számára, ezért elegendő növény táplálja az állatokat. Ha ezek a növények és állatok elpusztulnak vagy anyagokat választanak ki, a gravitációs erő miatt a mélybe süllyednek. Attól függően, hogy mekkora és nehéz, gyorsan vagy lassan süllyednek, és attól függően, hogy mennyire oldódnak fel a vízben, nagyon messzire vagy nem túl messzire jutnak. Azokban a mélységekben, ahol feloldódnak, szervetlen szénre bomlanak, így további szén kerül oda. Másrészt azon a felszínen, ahol a növények a fotoszintézis során felszívják a CO2-t, csökkentik a széntartalmat.

A légköri CO2-tartalom szerves szivattyú nélkül 150-200 ppm-rel magasabb lenne az egyensúlyban, ami nagyon sok az ipar előtti 280 ppm értékhez képest.

4.3 A karbonát számláló szivattyú

Ez a szivattyú valójában nem igazi szivattyú, mert az előző kettővel ellentétben magasabb CO2-szintet okoz a légkörben; ezért "ellenszivattyúnak" is nevezik. Hogyan működnek, az meglehetősen bonyolult óceáni kémia eredménye, és nem nagyon könnyű átfogóan elmagyarázni. Az egyszerűség kedvéért azonban általában egy olyan reakciót hibáztatnak, amelyben a karbonát és a CO2 hidrogén-karbonátot képezve reagál (a pufferegyenlet két külső vegyülete így a középsővé válik). Ez azt jelenti, hogy minél több a karbonát, annál kevesebb a CO2, mert reagál. A két vegyület koncentrációját tekintve ellentétes irányban viselkedik. Figyelem, ez a szabály korlátozása, miszerint a szénvegyületek aránya változatlan marad, és különlegesség a víz egyéb savaihoz képest.

A karbonát-ellenszivattyút most az a tény hozza létre, hogy néhány élőlény (például rákfélék) mészhéjat épít fel (kalcium-karbonát; CaCO3). Amikor meghalnak, a mélységbe süllyednek, eltávolítva a megkötött karbonátot a felső rétegekből, ahol ennek eredményeként nő a CO2-tartalom. Alternatív és pontosabb magyarázat másrészt az, hogy a karbonáttal a felszínen is kalciumionok vesznek el, ami befolyásolja az ionegyensúlyt (a pozitív és negatív töltésű részecskék ellensúlyozása). A süllyedő mész elektromosan semleges, de a pufferrendszer egyensúlya nem csak a (hidrogén) karbonátionoktól és protonoktól függ, hanem néhány más pozitív töltésű iontól is, amelyek elektromosan kiegyensúlyozzák a negatív DIC komponenseket.

A karbonát szivattyú a másik kettő ellen irányul, de szilárdsága csak körülbelül tizede akkora, mint a szerves és az oldhatósági szivattyú, így nem olyan fontos.

5 Széntárolás a jövőben

A jövő szempontjából természetesen érdekes, hogy az óceán mennyire képes elnyelni az emberi CO2-kibocsátást. Ehhez meg kell becsülnie, hogy a szivattyúk hogyan fejlődhetnek valószínűleg. Nyilvánvaló, hogy a légkörben magasabb CO2-koncentráció mellett az óceán is több CO2-t szív fel, mint korábban; Az, hogy ezt mennyire hatékonyan hajtja végre, az óceán modelljétől és a mögöttes feltételezésektől függ! Fontos szempont az óceán pufferhatásának korlátozása. A karbonát és a hidrogén-karbonát tárolása szintén korlátozott kapacitású, így egyre kevesebb szén-dioxid alakítható át e kettővé - a "rejtekhely" kisebb lesz. Ráadásul a jelenlegi óceáni cirkulációs modellek többsége gyengébb süllyedést mutat a következő évszázadra, mint korábban az Atlanti-óceán északi részén, főleg (de nem csak), mert a magas szélességek gyorsabban melegednek fel, és a meleg víz sem süllyed el jobban. Ennek során a CO2-t már nem lehetne ilyen hatékonyan elszállítani. A fizikai szivattyút a klímaváltozás gyengíti. Ezért valószínűleg több CO2 marad a légkörben, ami tovább fokozza a felmelegedést.

Másrészt elképzelhető, hogy ennek eredményeként a szerves szivattyú süllyedő részecskéi nagyobb mélységbe kerülnek. Az óceán földjének legtöbb helyén a víz (a nagy szélességi fokokon történő süllyedés ellensúlyozására) alulról felfelé érkezik, ami lelassítja a részecskék süllyedését. Gyengébb keringés esetén már nem lassulnának le annyira, és nagyobb mélységekbe szállíthatnák a szenet, ami szintén hozzájárul a CO2 eltávolításához a levegőből. Mindkét hatást nehéz felmérni, mert a számítógépes modellek túl sok lehetőséget hagynak nyitva, amelyeket nem lehet kizárni. Feltételezhető azonban, hogy a fizikai szivattyú gyengítése fontosabb lesz, mint az erősített szerves szivattyú.

A szivattyúktól függetlenül azt is meg kell jegyezni, hogy a CO2 oldata az óceán vizében nem mindig lesz olyan erős, mint korábban. Az óceán puffere ugyanis gyengül, ha több szén van benne. Sajnos a CO2 felszívásának képessége nem korlátlan. Ezenkívül az óceán a savasabb szén-dioxid miatt egyre savasabbá válik, így sok élőlény már nem tud jól élni benne. Erről bővebben az Óceáni savanyítás cikkben található.