Effekter av å endre karbonsyklusen

Alt dette ekstra karbonet må gå et sted. Så langt har landplanter og havet tatt opp omtrent 55 prosent av det ekstra karbon som mennesker har satt inn i atmosfæren, mens omtrent 45 prosent har oppholdt seg i atmosfæren. Til slutt vil land og hav ta opp mesteparten av det ekstra karbondioksidet, men så mye som 20 prosent kan forbli i atmosfæren i mange tusen år.

Endringene i karbonsyklusen påvirker hvert reservoar. Overskudd av karbon i atmosfæren varmer opp planeten og hjelper planter på land med å vokse mer. Overflødig karbon i havet gjør vannet surere, og setter livet i havet i fare.

Atmosfære

Det er betydelig at det blir så mye karbondioksid i atmosfæren fordi CO ₂ er den viktigste gassen for å kontrollere jordens temperatur. Karbondioksid, metan og halokarboner er drivhusgasser som absorberer et bredt spekter av energi – inkludert infrarød energi (varme) som sendes ut av jorden – og deretter sender den ut på nytt. Den re-utgitte energien reiser ut i alle retninger, men noen går tilbake til jorden, hvor den varmer opp overflaten. Uten drivhusgasser ville jorden vært frossen -18 grader Celsius (0 grader Fahrenheit). Med for mange drivhusgasser ville jorden vært som Venus, hvor drivhusatmosfæren holder temperaturen rundt 400 grader Celsius (750 Fahrenheit).

Økende konsentrasjoner av karbondioksid varmer opp atmosfæren. Den økte temperaturen resulterer i høyere fordampningshastigheter og en våtere atmosfære, noe som fører til en ond sirkel med ytterligere oppvarming. ( Foto ©2011 Patrick Wilken. )

Fordi forskerne vet hvilke bølgelengder med energi hver drivhusgass absorberer, og konsentrasjonen av gassene i atmosfæren, kan de beregne hvor mye hver gass bidrar til å varme opp planeten. Karbondioksid forårsaker omtrent 20 prosent av jordens drivhuseffekt; vanndamp utgjør omtrent 50 prosent; og skyer står for 25 prosent. Resten er forårsaket av små partikler (aerosoler) og mindre klimagasser som metan.

Vanndampkonsentrasjoner i luften styres av jordens temperatur. Varmere temperaturer fordamper mer vann fra havene, utvider luftmasser og fører til høyere luftfuktighet. Avkjøling fører til at vanndamp kondenserer og faller ut som regn, sludd eller snø.

Karbondioksid, på den annen side, forblir en gass ved et bredere område av atmosfæriske temperaturer enn vann. Karbondioksidmolekyler gir den første drivhusoppvarmingen som er nødvendig for å opprettholde vanndampkonsentrasjoner. Når karbondioksidkonsentrasjonen synker, avkjøles jorden, noe vanndamp faller ut av atmosfæren og drivhusoppvarmingen forårsaket av vanndamp faller. På samme måte, når karbondioksidkonsentrasjonene stiger, stiger lufttemperaturene, og mer vanndamp fordamper inn i atmosfæren – som deretter forsterker drivhusoppvarmingen.

Så mens karbondioksid bidrar mindre til den totale drivhuseffekten enn vanndamp, har forskere funnet ut at karbondioksid er gassen som setter temperaturen. Karbondioksid styrer mengden vanndamp i atmosfæren og dermed størrelsen på drivhuseffekten.

Økende karbondioksidkonsentrasjoner får allerede planeten til å varmes opp. Samtidig som klimagassene har økt, har gjennomsnittlig globale temperatur steget 0,8 grader Celsius (1,4 grader Fahrenheit) siden 1880.

Når sesongsyklusen er fjernet, viser den atmosfæriske karbondioksidkonsentrasjonen målt ved Mauna Loa Volcano, Hawaii, en jevn økning siden 1957. Samtidig stiger de globale gjennomsnittstemperaturene som et resultat av varme fanget av den ekstra CO 2 og _økt vanndamp konsentrasjon. (Graffer av Robert Simmon, ved bruk av CO ₂ -data fra NOAA Earth System Research Laboratory og temperaturdata fra Goddard Institute for Space Studies. )

Denne temperaturøkningen er ikke all oppvarmingen vi vil se basert på dagens karbondioksidkonsentrasjoner. Drivhusoppvarming skjer ikke med en gang fordi havet suger til seg varme. Dette betyr at jordens temperatur vil øke minst ytterligere 0,6 grader Celsius (1 grad Fahrenheit) på grunn av karbondioksid som allerede er i atmosfæren. I hvilken grad temperaturene går opp utover det avhenger delvis av hvor mye mer karbon mennesker slipper ut i atmosfæren i fremtiden.

hav

Omtrent 30 prosent av karbondioksidet som mennesker har satt ut i atmosfæren har diffundert ut i havet gjennom den direkte kjemiske utvekslingen. Oppløsning av karbondioksid i havet skaper karbonsyre, som øker surheten i vannet. Eller rettere sagt, et litt alkalisk hav blir litt mindre alkalisk. Siden 1750 har pH på havoverflaten falt med 0,1, en 30 prosent endring i surhetsgrad.

Noe av overskuddet av CO ₂ som slippes ut av menneskelig aktivitet løses opp i havet og blir til karbonsyre. Økning i karbondioksid fører ikke bare til varmere hav, men også til surere hav. ( Foto ©2010 Way Out West News. )

Havforsuring påvirker marine organismer på to måter. Først reagerer karbonsyre med karbonationer i vannet for å danne bikarbonat. Imidlertid er de samme karbonationene det skjellbyggende dyr som koraller trenger for å lage kalsiumkarbonatskjell. Med mindre karbonat tilgjengelig, må dyrene bruke mer energi på å bygge skjellene sine. Som et resultat ender skjellene opp med å bli tynnere og mer skjøre.

For det andre, jo surere vann er, jo bedre løser det opp kalsiumkarbonat. På sikt vil denne reaksjonen tillate havet å suge opp overflødig karbondioksid fordi surere vann vil løse opp mer stein, frigjøre flere karbonationer og øke havets kapasitet til å absorbere karbondioksid. I mellomtiden vil imidlertid surere vann løse opp karbonatskjellene til marine organismer, noe som gjør dem groper og svake.

Varmere hav – et produkt av drivhuseffekten – kan også redusere mengden av planteplankton, som vokser bedre i kjølige, næringsrike vann. Dette kan begrense havets evne til å ta karbon fra atmosfæren gjennom den raske karbonsyklusen.

På den annen side er karbondioksid essensielt for plante- og planteplanktonvekst. En økning i karbondioksid kan øke veksten ved å gjødsle de få artene av planteplankton og havplanter (som sjøgress) som tar karbondioksid direkte fra vannet. De fleste arter blir imidlertid ikke hjulpet av den økte tilgjengeligheten av karbondioksid.

Land

Planter på land har tatt opp omtrent 25 prosent av karbondioksidet som mennesker har satt ut i atmosfæren. Mengden karbon planter tar opp varierer veldig fra år til år, men generelt har verdens planter økt mengden karbondioksid de tar opp siden 1960. Bare noe av denne økningen skjedde som et direkte resultat av utslipp av fossilt brensel.

Med mer atmosfærisk karbondioksid tilgjengelig for å konvertere til plantemateriale i fotosyntesen, var planter i stand til å vokse mer. Denne økte veksten omtales som karbongjødsling. Modeller spår at planter kan vokse alt fra 12 til 76 prosent mer hvis atmosfærisk karbondioksid dobles, så lenge ingenting annet, som vannmangel, begrenser veksten deres. Forskere vet imidlertid ikke hvor mye karbondioksid som øker planteveksten i den virkelige verden, fordi planter trenger mer enn karbondioksid for å vokse.

Planter trenger også vann, sollys og næringsstoffer, spesielt nitrogen. Hvis en plante ikke har en av disse tingene, vil den ikke vokse uavhengig av hvor rikelig de andre nødvendighetene er. Det er en grense for hvor mye karbon planter kan ta ut av atmosfæren, og den grensen varierer fra region til region. Så langt ser det ut til at karbondioksidgjødsling øker planteveksten inntil planten når en grense for tilgjengelig mengde vann eller nitrogen.

Noen av endringene i karbonabsorpsjon er et resultat av beslutninger om arealbruk. Landbruket har blitt mye mer intensivt, så vi kan dyrke mer mat på mindre jord. På høye og mellomstore breddegrader går forlatt jordbruksland tilbake til skog, og disse skogene lagrer mye mer karbon, både i tre og jord, enn avlinger ville gjort. Mange steder hindrer vi plantekarbon i å komme inn i atmosfæren ved å slukke skogbranner. Dette gjør at treaktig materiale (som lagrer karbon) kan bygge seg opp. Alle disse beslutningene om arealbruk hjelper planter med å absorbere menneskelig frigjort karbon på den nordlige halvkule.

Endringer i landdekke – skog omgjort til åker og åker omgjort til skog – har tilsvarende effekt på karbonkretsløpet. I noen land på den nordlige halvkule ble mange gårder forlatt på begynnelsen av 1900-tallet og landet gikk tilbake til skog. Som et resultat ble karbon trukket ut av atmosfæren og lagret i trær på land. ( Foto ©2007 Husein Kadribegic. )

I tropene blir imidlertid skog fjernet, ofte gjennom brann, og dette frigjør karbondioksid. Fra 2008 utgjorde avskoging rundt 12 prosent av alle menneskelige karbondioksidutslipp.

De største endringene i landets karbonsyklus kommer sannsynligvis på grunn av klimaendringer. Karbondioksid øker temperaturen, forlenger vekstsesongen og øker fuktigheten. Begge faktorene har ført til noe ekstra plantevekst. Men varmere temperaturer stresser også planter. Med en lengre, varmere vekstsesong, trenger planter mer vann for å overleve. Forskere ser allerede bevis på at planter på den nordlige halvkule bremser veksten om sommeren på grunn av varme temperaturer og vannmangel.

Tørre, vannstressede planter er også mer utsatt for brann og insekter når vekstsesongene blir lengre. Helt i nord, hvor en temperaturøkning har størst innvirkning, har skogene allerede begynt å brenne mer, og frigjør karbon fra plantene og jorda til atmosfæren. Tropiske skoger kan også være ekstremt utsatt for uttørking. Med mindre vann bremser tropiske trær veksten og tar opp mindre karbon, eller dør og slipper det lagrede karbonet til atmosfæren.

Oppvarmingen forårsaket av økende drivhusgasser kan også “bake” jorda, og akselerere hastigheten som karbon siver ut med noen steder. Dette er spesielt bekymringsfullt i nord, der frossen jord – permafrost – tiner. Permafrost inneholder rike forekomster av karbon fra plantemateriale som har samlet seg i tusenvis av år fordi kulden bremser forfallet. Når jorda varmes opp, forfaller det organiske materialet og karbon – i form av metan og karbondioksid – siver ut i atmosfæren.

Nåværende forskning anslår at permafrost på den nordlige halvkule inneholder 1672 milliarder tonn (Petagrams) organisk karbon. Hvis bare 10 prosent av denne permafrosten skulle tine, kunne den frigjøre nok ekstra karbondioksid til atmosfæren til å heve temperaturen ytterligere 0,7 grader Celsius (1,3 grader Fahrenheit) innen 2100.