Teoretyczne i praktyczne aspekty obiegu węgla w Morzu Bałtyckim
Janusz Pempkowiak, Karol Kuliński, Beata Szymczycha, Aleksandra Winogradow Zakład Chemii i Biochemii Morza, Instytut Oceanologii PAN,
Sopot, ul.Powstańców Warszawy 55 e-mail: pempa@iopan.gda.pl
1. Streszczenie
Ostatnie dziesięciolecia przyniosły niespotykany wcześniej rozwój cywilizacyjny ludzkości. W ślad za nim rośnie presja antropogeniczna wywierana na środowisko przyrodnicze.
Jednym z jej skutków są globalne zmiany klimatu wywołane, przede wszystkim, zaburzeniem przez człowieka naturalnego obiegu gazów cieplarnianych w przyrodzie. Wśród gazów cieplarnianych kluczową rolę odgrywa ditlenek węgla (CO2), ze względu na dominujące wymuszenie radiacyjne (Rys.1).
Ditlenek węgla, będąc z jednej strony substratem w procesie fotosyntezy, a z drugiej- produktem oddychania, jest podstawowym łącznikiem w globalnym obiegu węgla na kuli ziemskiej, łączącym wszystkie środowiska: atmosferę, hydrosferę, skorupę ziemską i biosferę. CO2
charakteryzuje się zdolnością pochłaniania promieniowania elektromagnetycznego w zakresie podczerwieni (promieniowania cieplnego). Obecność CO2 w atmosferze przyczynia się zatem do jej ocieplenia wraz z wierzchnią warstwą skorupy ziemskiej, ułatwiając tym samym życie na Ziemi.
W wyniku spalania paliw kopalnych oraz produkcji cementu człowiek uwalnia, w postaci CO2, do atmosfery dodatkowy ładunek węgla, który w większości był wyłączony z naturalnego obiegu przez miliony lat. Ten antropogeniczny wzrost stężenia CO2 w atmosferze powodowany jest także ekspansją terenów uprawnych ograniczającą powierzchnie naturalnych sekwestratorów CO2 np. lasów tropikalnych. W porównaniu z naturalnymi strumieniami CO2 udział emisji antropogenicznej jest marginalny, a jednak w znaczący sposób zaburza ona funkcjonowanie ekosystemów. Wzrost stężenia CO2 w atmosferze o ponad 30% w ciągu minionych 130 lat spowodował, niemal na pewno, między innymi: globalny wzrost temperatury, przesunięcie stref klimatycznych oraz zintensyfikował występowanie ekstremalnych zjawisk pogodowych.
Przyczynił się też zapewne do wzrostu poziomu morza. Zagrożenie jakie niesie to zjawisko jest dobrze znane. Skutki wzrostu poziomu morza dla polskiego wybrzeża Morza Bałtyckiego przedstawiono na Rys.2.
Rysunek 1. Globalne wymuszenie radiacyjne poszczególnych składników atmosfery w 2005 roku, w odniesieniu do roku 1750, wraz z wskazaniem „poziomu zrozumienia naukowego” – PZN (IPCC, 2007).
Ostatnie lata przyniosły ugruntowanie przekonania o kluczowym dla klimatu Ziemi znaczeniu stężenia CO2 w atmosferze. Doprowadziło to do prób aktywnego ograniczania emisji antropogenicznego CO2 oraz intensyfikacji badań związanych z obiegiem węgla w środowisku przyrodniczym. Dużą uwagę poświęca się tu badaniom mórz, w wodach których zgromadzone są największe zasoby węgla. Ustalono, że morza i oceany efektywnie pochłaniają antropogeniczny CO2 przewyższając, pod tym względem, środowisko lądowe. Mechanizmem umożliwiającym taki stan rzeczy jest tzw. „pompa biologiczna” (Rys.3).
Rysunek 2. Mapy obszarów południowego wybrzeża Bałtyku zagrożonych zalaniem w wyniku wzrostu poziomu morza: A) Polskie wybrzeże środkowe i wschodnie, B) Wybrzeże Zatoki Pomorskiej. Kolory odpowiadają wysokości obszarów n.p.m. (Pempkowiak i in., 2009 wg www.glogalwarmingart)
Fitoplankton, w procesie fotosyntezy, absorbuje rozpuszczony w wodzie CO2 powodując tym samym powstanie różnicy ciśnień parcjalnych CO2 pomiędzy wodą morską a atmosferą i przepływ gazu do toni wodnej. Część wytworzonej w procesie fotosyntezy materii organicznej, po obumarciu organizmów, zostaje „pogrzebana" w osadach dennych. Działanie „pompy biologicznej” ogranicza zatem szybkość wzrostu stężenia CO2 w atmosferze. Schemat tego istotnego zjawiska przedstawiono na Rys.3.
Wciąż wiele niejasności towarzyszy roli, jaką pełnią morza szelfowe w globalnym obiegu CO2. Z jednej strony uważa się je za akweny, gdzie „pompa biologiczna” działa bardzo efektywnie ze względu na korzystne warunki rozwoju fitoplanktonu. Z drugiej strony, najnowsze doniesienia wskazują na ich neutralną, w skali globalnej, rolę w wymianie CO2 pomiędzy atmosferą i wodą morską.
Rysunek 3. Schemat działania pompy biologicznej (Chisholm, 2000)
Szacuje się, że Morze Bałtyckie jest akwenem, w którym, dzięki silnemu zeutrofizowaniu, atmosferyczny CO2 jest aktywnie absorbowany. Węgiel w postaci form organicznych i nieorganicznych jest następnie eksportowany do osadów dennych i przez Cieśniny Duńskie, Kattegat i Skagerrak – do Morza Północnego i Oceanu Atlantyckiego.
Wnioski te opierają się na wynikach pomiarów różnicy ciśnień parcjalnych CO2pomiędzy wodą morską i atmosferą w pełnomorskich rejonach Bałtyku. Przedstawiane w literaturze dane nie wskazują, jednak, czynników kształtujących wymianę CO2 pomiędzy wodą morską i atmosferą oraz nie uwzględniają silnego zróżnicowania przestrzennego środowiska Morza Bałtyckiego.
Zatem ustalenie rzeczywistej roli Bałtyku jako eksportera bądź importera CO2 do/z atmosfery jest sprawą istotną i aktualną.
W minionym dziesięcioleciu, w Zakładzie Chemii Morza IOPAN przeprowadzono badania obiegu węgla w Morzu Bałtyckim. Ich celem było określenie czy w jakim zakresie nasze morze jest emiterem względnie absorberem ditlenku węgla. Posłużono się tu metodą bilansowania strumieni ditlenku węgla doprowadzających ten gaz do wody Morza Bałtyckiego i opuszczających wodę morską (rys.4). Założono że woda bałtycka jest w stanie ustalonym pod względem zasobów węgla. W takiej sytuacji otrzymujemy:
∑ ź𝑟ó𝑑ł𝑎 𝑤ę𝑔𝑔𝑎 = ∑ 𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢 𝑤ę𝑔𝑔𝑎 [1]
albo, uwzględniając najważniejsze strumienie:
𝐹𝑒+ 𝐹𝑖 + 𝐹𝑜+ 𝐹𝑎 + 𝐹𝑓+ 𝐹𝑝 + 𝐹𝑟+ 𝐹𝑚+ 𝐹𝑠+ 𝐹𝑔 = 0
𝑧atem: 𝐹𝑎 = 𝐹𝑒+ 𝐹𝑖+ 𝐹𝑜+ 𝐹𝑓+ 𝐹𝑝+ 𝐹𝑟+ 𝐹𝑚+ 𝐹𝑠 + Fg [2]
gdzie: 𝐹𝑒 – eksport do Morza Północnego, 𝐹𝑖 – import z Morza Północnego, 𝐹𝑜 – opady,
𝐹𝑎 – wymiana netto CO2 na drodze woda morska/atmosfera, 𝐹𝑓 – rybołówstwo,
𝐹𝑝 – źródła punktowe, 𝐹𝑟 – rzeki,
𝐹𝑚 – strumień powrotny z osadów dennych, 𝐹𝑠 – sedymentacja,
Fg– wody wysiękowe.
Wymiana węgla z atmosferą jest tu jedynym wyrazem który nie został oszacowany ilościowo. Wartość tego strumienia obliczono jako sumę pozostałych, wyznaczonych doświadczalnie lub obliczonych strumieni. Wyniki pomiarów i obliczeń poszczególnych strumieni węgla organicznego i nieorganicznego przedstawia tabela 1, i rys.4. Zakładając stałą wielkość emisji netto z każdego metra kwadratowego akwenu oraz powierzchnię Bałtyku bez Kattegatu równą 3,85·105 km2 otrzymano średni strumień netto CO2 (Fa) do atmosfery równy - 3,3 g C m-2 rok-1 co odpowiada ok. -12,0 g CO2 m-2 rok-1(znak ujemny oznacza tu emisję).
Tabela 1. Zestawienie źródeł i ubytków węgla w Morzu Bałtyckim [Tg C rok-1]. Wartości ujemne wskazują na ubytki węgla, wartości dodatnie na źródła. Oznaczenia: IC – węgiel nieorganiczny, OC – węgiel organiczny.
Strumień Źródła Ubytki Suma Łącznie
IC OC IC OC IC OC
Rzeki 6,81 4,09 6,81 4,09 10,90
Morze Północne 3,70 0,21 -9,70 -1,88 -6,00 -1,67 -7,67
Osady denne 1,04 0,10 -3,78 1,04 -3,68 -2,64
Opady 0,06 0,51* 0,06 0,51* 0,57
Ścieki 0,04 0,04 0,04
Rybołówstwo
Wody wysiękowe 0,30 -0,06
0,30 -0,06 -0,06
0,30 Wymiana netto CO2
z atmosferą -1,44 -1,44 -1,44
Suma 11,91 4,95 -11,14 -5,72 0,77 -0,77 0,00
* - suma ładunków węgla organicznego (0,45 Tg C rok-1) i węgla cząsteczkowego (0,06 Tg C rok-1)
2.
Wnioski• Model ‘bilansowy’ umożliwia określenie brakującego ‘strumienia’ węgla dla wybranego zbiornika wodnego i ocenę znaczenia poszczególnych strumieni w całkowitym bilansie.
• Najważniejszymi elementami budżetu węgla w Morzu Bałtyckim są: spływ rzeczny, wymiana węgla pomiędzy Bałtykiem i Morzem Północnym, depozycja materii organicznej do osadów dennych, procesy dekompozycji i mineralizacji materii organicznej w osadach oraz wymiana CO2przez powierzchnię woda morska/atmosfera.
• Węgiel nieorganiczny jest dominującą formą w obiegu węgla w Morzu Bałtyckim.
• Morze Bałtyckie jest eksporterem netto węgla do Morza Północnego. Wymiana węgla pomiędzy Bałtykiem i Morzem Północnym charakteryzuje się dużą zmiennością krótko i długookresową. Wymaga to zastosowania do jej oceny ilościowej kalkulacji charakteryzujących się rozdzielczością czasową lepszą niż jedna doba.
• Ilościowa ocena eksportu węgla do osadów dennych winna uwzględniać procesy dekompozycji i mineralizacji zachodzące w trakcie wczesnej diagenezy. Procesy te prowadzą do uwalniania z osadów do toni wodnej 1,14 Tg C rok-1 – 30% strumienia węgla deponowanego do osadów. W rejonie Głębi Gdańskiej czas rozkładu materii organicznej w osadach dennych szacowany jest na 55-60 lat od momentu zdeponowania.
Dekompozycja i mineralizacja zachodzi szybciej w okresie pierwszych 15 lat. Nie stwierdzono zmian ilorazów C/N, N/P w procesie wczesnej diagenezy.
• Morze Bałtyckie emituje do atmosfery średnio 3,0 g C m-2 rok-1 w postaci CO2. Wartość ta, obarczona dużą niepewnością, klasyfikuje Bałtyk jako akwen charakteryzujący się neutralnym bilansem wymiany CO2pomiędzy wodą morską i atmosferą. Istnieje wyraźna dysproporcja pomiędzy Zatoką Botnicką charakteryzującą się emisją na poziomie -35,4 g C m-2 rok-1oraz południową częścią Bałtyku, gdzie występuje absorpcja CO2 równa 8,7 g C m-2 rok-1. W obszarach przyujściowych ma miejsce znaczna emisja CO2 do atmosfery w wyniku mineralizacji spływającej z rzekami materii organicznej.
• Opady atmosferyczne, rybołówstwo oraz źródła punktowe węgla mają pomijalnie mały udział w obiegu węgla w Morzu Bałtyckim.
• W nadchodzących dekadach, przede wszystkim na skutek wzrostu dopływu węgla z wodami rzek, należy się spodziewać pogłębienia dysproporcji pomiędzy południową i północną częścią Morza Bałtyckiego w kontekście wymiany CO2 przez powierzchnię woda morska/atmosfera. Brak jest jednoznacznych oszacowań, jak prognozowane zmiany w sieci troficznej mogą wpłynąć na obieg węgla w Bałtyku.
• Roczne strumienie węgla w Bałtyku wahają się w szerokich granicach. Wynika to, przede wszystkim, z dużej zmienności międzyletniej stosunków hydrologicznych. Inną istotną przyczyną niepewności jest niedostateczna rozdzielczość przestrzenna w badaniach depozycji węgla do osadów dennych. Wyniki oszacowań wymiany węgla pomiędzy wodą i atmosferą należy zweryfikować doświadczalnie pomiarami in situ w różnych rejonach akwenu i w różnych sezonach.
