Węgiel – dwa obiegi jednego pierwiastka

Węgiel to pierwiastek, bez którego życie na Ziemi – przynajmniej w znanej nam formie – byłoby niemożliwe. Jego wyjątkowa właściwość tworzenia stabilnych wiązań z innymi atomami, zwłaszcza z samym sobą, pozwoliła na powstanie niezliczonej liczby związków organicznych. Jednak mimo tego, że węgiel występuje w każdej komórce żywego organizmu, w atmosferze, glebie i skałach, nie pozostaje on w jednym miejscu – nieustannie krąży, przemieszcza się i przekształca. Ten ruch odbywa się w ramach dwóch podstawowych cykli: obiegu biologicznego i obiegu geologicznego. Choć oba te procesy są ze sobą powiązane, rządzą się odmiennymi prawami i odbywają się w różnych skalach czasu. Zrozumienie ich funkcjonowania to klucz do pojęcia tego, jak działa planeta, jakie konsekwencje niesie nasza działalność i jak naprawdę walczyć ze zmianami klimatu.

Obieg biologiczny – szybki rytm życia

Biologiczny obieg węgla to nieustanny taniec między atmosferą a biosferą. Rośliny zielone, dzięki fotosyntezie, wychwytują z atmosfery dwutlenek węgla (CO₂) i przekształcają go w związki organiczne, które stanowią budulec ich tkanek. W ten właśnie sposób cząsteczki węgla zostają „przechwycone” przez materię organiczną. Zwierzęta, zjadając rośliny (lub inne zwierzęta), przejmują zawarty w nich węgiel. Tym samym, ten krąży dalej – przez kolejne poziomy troficzne, aż do momentu, gdy organizm obumiera lub wydala produkty przemiany materii.

Wówczas do gry wkraczają destruenci – bakterie i grzyby – które rozkładają martwą materię, uwalniając przy tym dwutlenek węgla z powrotem do atmosfery. Oddychanie komórkowe – zarówno u roślin, zwierząt, jak i mikroorganizmów – także prowadzi do emisji CO₂. W ten sposób obieg się zamyka, a czas jego trwania liczony jest w dniach, tygodniach, miesiącach lub latach (w przypadku drzew) – to cykl szybki, dynamiczny, zależny od pór roku i struktury ekosystemu.

Choć biologiczny obieg węgla jest relatywnie powierzchowny, to jego skala jest imponująca. Bilans ten – pochłanianie i oddawanie dwutlenku węgla – zwykle pozostaje w równowadze (zaburzyć go może np. masowa wycinka lasów, które są jednym z głównych rezerwuarów węgla organicznego albo eksploatowanie gleb intensywnym rolnictwem, pozbawiające je zdolności do sekwestracji węgla).

Obieg geologiczny – powolna alchemia planety

W cieniu szybkiego, pulsującego rytmu obiegu biologicznego toczy się drugi cykl – znacznie wolniejszy, ale o ogromnym znaczeniu długoterminowym. Obieg geologiczny to historia węgla, który zamiast powrócić do atmosfery, zostaje „zamknięty” w osadach, skałach i kopalnych paliwach.

Pewna część szczątków organicznych – zwłaszcza tych, które opadają na dno mórz i jezior – unika całkowitego rozkładu. W warunkach beztlenowych i pod wpływem ciśnienia podlegają one tam procesom diagenezy i metamorfozy, dzięki czemu po milionach lat powstają torf, węgiel brunatny, a w końcu węgiel kamienny. Podobnie ropa naftowa i gaz ziemny – to węglowodory pochodzenia organicznego, które przez wieki były „magazynowane” w głębi Ziemi. W pewnym więc sensie można tu mówić o uwięzieniu węgla, który czasowo wycofuje się z aktywnego obiegu.

Czasowo, czyli nie na zawsze. Nawet bowiem w tym powolnym cyklu następują momenty „uwolnienia”. Wulkany, erozja skał węglanowych czy procesy tektoniczne – wszystko to może przywrócić węgiel atmosferze. Naturalne emisje CO₂ są jednak zwykle zrównoważone przez procesy pochłaniania – np. przez powolne wietrzenie skał, w którym dwutlenek węgla reaguje z minerałami, tworząc stabilne związki węglanowe. Skala czasowa geologicznego obiegu węgla liczona jest więc w milionach lat. To właśnie dlatego przez całe epoki równowaga węgla mogła się utrzymywać – natura, po akcji, miała czas na reakcję i na wdrażanie stopniowych zmian. Problem pojawił się wtedy, gdy po Ziemi zaczęła chodzić pewna zuchwała, bezwłosa, dwunożna małpa z rodzaju Homo. 

Ludzka interwencja – gdy pierwiastek wychodzi z ukrycia

Rewolucja przemysłowa oznaczała jedno – masowe wydobycie węgla, ropy i gazu, czyli pierwiastka uwięzionego przez miliony lat w rezerwuarach geologicznego obiegu. Spalając te paliwa, człowiek błyskawicznie wprowadził do atmosfery węgiel, który natura magazynowała przez setki mileniów. Zasoby geologiczne, które miały krążyć bardzo powoli, wróciły więc do obiegu w tempie, którego nie zna absolutnie żaden ekosystem. I na które żaden ekosystem nie jest gotowy.

Współczesna nauka pozwala nie tylko obserwować zmiany klimatyczne, ale również precyzyjnie określać ich źródła. Kluczem do ich zrozumienia są izotopy węgla – odmiany tego samego pierwiastka różniące się liczbą neutronów. W naturze mamy do czynienia z trzema rodzajami węgla w postaci trzech izotopów – C-12, C-13 i C-14. Izotop C-14 powstaje w górnych warstwach atmosfery, „miesza się” z nią, pochłaniany jest przez rośliny, zjadany w nich przez zwierzęta i później przez nie wydychany. W dosyć małych (lecz mierzalnych) ilościach. Okres połowicznego rozpadu C-14 to ok. 5700 lat, a to oznacza, że paliwa kopalne go nie zawierają (gdyż są dużo starsze) i w związku z tym dodają do atmosfery taki rodzaj dwutlenku węgla, w którym nie ma tego izotopu. Malejąca ilość izotopu C-14 względem innych rodzajów węgla jest właśnie tym czynnikiem, który wyraźnie dowodzi temu, że zmiany klimatyczne są spowodowane spalaniem paliw kopalnych. Gdybyśmy bowiem jej nie zaobserwowali, wówczas moglibyśmy przypuszczać, że przyczyny zmian klimatycznych mają inną, naturalną genezę. W tym jednak przypadku kwestia ta jest właściwie rozstrzygająca.

To chemiczny podpis działalności człowieka – ślad, którego nie zostawiają ani oddychanie, ani naturalne procesy geologiczne. Obserwowany spadek zawartości izotopu C-14 w atmosferze pokrywa się w czasie z rewolucją przemysłową i gwałtownym wzrostem spalania paliw kopalnych. To nie natura „przyspieszyła” – to my odkręciliśmy zawór. W ten sposób cykl geologiczny, który miał trwać miliony lat, został wciągnięty w ramy jednego stulecia.

Dwa obiegi, jedna planeta

Choć mówimy o dwóch cyklach – biologicznym i geologicznym – w rzeczywistości są one powiązane. To układ naczyń połączonych, w którym zaburzenie jednego procesu wpływa na pozostałe. Kiedy przyspieszamy geologiczny „eksport” węgla do atmosfery, przeciążamy obieg biologiczny, który nie nadąża z jego absorpcją.

Zrozumienie tych cykli to nie tylko akademicka ciekawostka – to klucz do świadomego podejścia do zmian klimatycznych. To właśnie człowiek „rozszczelnił” obieg geologiczny i to tylko on może go znów ustabilizować. Narzędzia już są. Teraz czas na chęci.