Ciclul carbonului și efectul de seră

Carbonul circulă între atmosferă, oceane, organisme, sol și roci. Plantele și alte organisme fotosintetizante preiau dioxid de carbon din aer sau apă și îl introduc în substanțe organice. Respirația și descompunerea îl pot elibera înapoi. Oceanele schimbă CO₂ cu atmosfera, iar unele procese geologice depozitează carbon pe perioade foarte lungi. Aceste fluxuri naturale existau înaintea oamenilor, dar arderea combustibililor fosili mută rapid carbon stocat geologic în atmosferă.

Efectul de seră este un proces natural prin care unele gaze rețin o parte din energia emisă de suprafața Pământului. Creșterea concentrației lor întărește acest efect și contribuie la încălzire. Nu confunda fluxurile mari din ciclul natural cu ideea că emisiile umane sunt neimportante: ele adaugă carbon suplimentar unui sistem care avea un alt echilibru. Într-o diagramă, trasează săgeți cu numele proceselor și separă depozitele de fluxuri. De exemplu, pădurea este depozit, fotosinteza este flux. Lecțiile Schimbările climatice și amprenta ecologică și Feedbackurile climatice dezvoltă consecințele și reacțiile sistemului.

Rezervoarele de carbon au mărimi și timpi de schimb diferiți. Fotosinteza și respirația formează fluxuri biologice rapide, în timp ce formarea rocilor carbonatice și a combustibililor fosili are loc pe scări geologice. O parte din CO₂ emis este preluată de uscat și ocean, dar restul se acumulează în atmosferă. Absorbția oceanică contribuie la acidificare. Un bilanț de masă urmărește intrările și ieșirile unui rezervor.

Amprenta de carbon însumează emisiile de gaze cu efect de seră asociate unei activități, unui produs sau unei persoane, exprimate în echivalent de dioxid de carbon ($\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2\mathrm{e}$). Ea include, după limitele stabilite ale calculului, emisii directe și emisii din producerea energiei și a materialelor folosite.

Mecanismul efectului de seră. Radiația solară vizibilă traversează atmosfera și încălzește suprafața Pământului. Suprafața emite radiație infraroșie (termică), pe care o absorb moleculele gazelor cu efect de seră: vaporii de apă, dioxidul de carbon, metanul ($C{H}_4$), protoxidul de azot ($N_{2}O$), ozonul troposferic și clorofluorocarburile. Moleculele reemit energia în toate direcțiile, inclusiv spre sol, iar suprafața se încălzește suplimentar. Fără acest efect natural, temperatura medie la sol ar fi de aproximativ −18 °C, în loc de +15 °C. Gazele nu rețin aceeași cantitate de căldură: pe un orizont de 100 de ani, un kilogram de metan încălzește atmosfera cât aproximativ 28 kg de $C{O}_2$, iar un kilogram de $N_{2}O$ cât aproximativ 270 kg. De aceea emisiile se exprimă în $C{O}_{2}e$: 10 kg de metan echivalează cu $10\cdot 28=280$ kg $C{O}_{2}e$. Vaporii de apă sunt gazul cu efect de seră cel mai abundent, dar cantitatea lor din aer depinde de temperatură, nu de emisiile directe ale oamenilor.

Rezervoarele au mărimi foarte diferite, exprimate în gigatone de carbon (GtC): atmosfera conține aproximativ 880 GtC, vegetația și solurile câteva mii, iar oceanul adânc aproximativ 38 000 GtC, adică de peste 40 de ori mai mult decât atmosfera. Fotosinteza fixează carbonul: $6C{O}_2+6H_{2}O\to C_6{H}_{12}{O}_6+6O_2$. Respirația și arderea îl eliberează: $C_6{H}_{12}{O}_6+6O_2\to 6C{O}_2+6H_{2}O$. Carbonatul de calciu din cochilii și roci calcaroase ($CaC{O}_3$) stochează carbon pe perioade geologice, iar combustibilii fosili s-au format din resturi organice îngropate. Emisiile umane sunt de aproximativ 10 GtC pe an (circa 37 Gt CO₂), iar aproximativ jumătate rămâne în atmosferă; restul este absorbit de ocean și de ecosistemele terestre. Dizolvarea CO₂ în apa mării produce acid carbonic, $C{O}_2+H_{2}O\rightleftharpoons H_{2}C{O}_3$, care eliberează ioni de hidrogen; pH-ul mediu al oceanului a scăzut cu aproximativ 0,1 unități de la începutul erei industriale.

Exemplu rezolvat 1: creșterea concentrației de CO₂. O concentrație de 1 ppm corespunde la aproximativ 2,12 GtC în atmosferă.

1. Emisiile anuale: 10 GtC.
2. Rămâne în atmosferă aproximativ 45%: $10\cdot 0,45=4,5$ GtC.
3. Creșterea: $\frac{4,5}{2,12}\approx 2,1$ ppm pe an.
4. Rezultatul este de același ordin de mărime cu creșterea observată în ultimii ani și arată că emisiile umane, nu fluxurile naturale, explică tendința.

Exemplu rezolvat 2: amprenta de carbon a unui litru de benzină. Densitatea benzinei este 0,74 kg/L, iar masa ei conține aproximativ 85% carbon.

1. Masa de carbon dintr-un litru: $0,74\cdot 0,85\approx 0,63$ kg.
2. Prin ardere, fiecare atom de carbon (12 u) formează o moleculă de CO₂ (44 u): $0,63\cdot \frac{44}{12}\approx 2,3$ kg CO₂.
3. Un litru de benzină arsă eliberează deci aproximativ 2,3 kg CO₂; pentru un rezervor de 40 L rezultă aproximativ 92 kg CO₂.

Într-un bilanț de masă pentru atmosferă, creșterea concentrației este egală cu emisiile (arderea combustibililor, defrișările) minus absorbția oceanului și a ecosistemelor terestre. Pădurile tinere în creștere absorb mai mult carbon decât pădurile mature, dar defrișarea eliberează rapid carbonul stocat în lemn și în sol.

Greșeli frecvente

• Greșit: Un rezervor de carbon este același lucru cu fluxul de carbon.
  Corect: Rezervorul este o cantitate stocată; fluxul este transferul într-un interval de timp.
• Greșit: Ciclul natural al carbonului anulează automat emisiile suplimentare umane.
  Corect: Emisiile suplimentare pot modifica bilanțul dintre intrări și ieșiri.
• Greșit: Oceanul absoarbe tot dioxidul de carbon emis de oameni, fără consecințe.
  Corect: Oceanul absoarbe o parte din CO₂, iar dizolvarea lui scade pH-ul apei marine (acidificare), ceea ce afectează organismele cu cochilii calcaroase.

Înainte și după