CO2 veidošanās dabā

Ogleklis ir nozīmīgākais dzīvos organismus veidojošais elements, tomēr uz Zemes ir relatīvi maz izplatīts (vidēji 350 mg/kg). Oglekļa aprite (bioģeoķīmiskās aprites cikls) ietver viena oglekļa savienojuma pārvēršanos citos, un tā notiek atmosfērā, hidrosfērā, litosfērā un biosfērā. Litosfērā ogleklis ietilpst karbonātu nogulumiežu sastāvā (kaļķakmens – CaCO3, dolomīts – CaMg(CO3)2 un citi), kā arī veido fosilā kurināmā nogulas (akmeņogles, nafta, degakmens). Ievērojami daudzumi oglekļa savienojumu (ogļskābā gāze un metāns) atrodas mūžīgā sasaluma joslās un veido organisko vielu sadalīšanās produktus augsnes masā un ūdenstilpju nogulumu sastāvā. Hidrosfērā oglekļa savienojumi ietilpst dzīvās organiskās vielas sastāvā, karbonātjonos un hidrogēnkarbonātjonos kā izšķīdusī ogļskābā gāze un metāns.

Atmosfērā atrodas 760 miljardi tonnu oglekļa šādu savienojumu veidā: oglekļa (II) oksīds (CO), oglekļa (IV) oksīds (CO2), metāns (CH4). Šīs gāzes būtiski ietekmē siltuma bilanci un klimatu, tāpēc oglekļa oksīdu emisijas pieaugums var negatīvi ietekmēt vides procesus. Oglekļa savienojumiem katrā aprites cikla posmā ir atšķirīgs aprites laiks: atmosfērā tas ir visai īss – 3 gadi, augsnē – 25 gadi, okeānos – 350 gadi, bet karbonātu iežu aprites laiks pārsniedz simtiem miljonu gadu. Oglekļa ciklā nozīmīgas funkcijas ir biosfēras dzīvajiem fotosintezējošiem organismiem, kas nepārtraukti saista CO2 no atmosfēras, veidojot organiskus savienojumus. Ne visi atmirušie organismi un augi sadalās uzreiz. Neliela to daļa pārvietojas uz iekšzemes ūdenstilpju, jūru un okeānu dziļākajām vietām un uzkrājas nogulumu veidā. Organiskais materiāls, kas lēni sadalās, iekļaujas iežu veidošanās procesā un var atkal tikt ienests atmosfērā dabiskā ceļā.

Oglekļa dioksīds no atmosfēras var nonākt un izšķīst ūdeņos, kur to izmanto aļģes, līdzīgā veidā, kā to saista sauszemes augi. Papildus tam daži ūdenī dzīvojošie dzīvnieki ekstrahē kalciju un oglekļa dioksīdu no ūdens, veidojot kalcija karbonāta čaulas. Organismiem atmirstot, tās nogulsnējas ūdenstilpju dibenā un veido kaļķakmeni. Šādā veidā daļa oglekļa pievienojas iežu aprites ciklam. Nākotnē, iespējams, iežu aprites cikls uznesīs kaļķakmeni atpakaļ Zemes virspusē, kur erozijas process un dēdēšana to sadalīs un ogleklis izšķīdušā veidā atgriezīsies atpakaļ okeānā un iekļūs atmosfērā kā CO2.

Oglekļa oksīdu un metāna emisijas apjoma pieaugums var kļūt par faktoru, kas negatīvi ietekmēs vidē noritošos procesus un oglekļa aprites ciklu. Tiek vērtēts, ka pēdējo 100 gadu laikā CO2 antropogēnās emisijas apjoms pieaudzis vidēji par 2,5% gadā. CO2 saturu gaisā ietekmē arī mežu platību samazināšanās. Pašreizējais CO2 antropogēnās emisijas apjoms ir 9.0 ± 0.5 GtC gadā, bet atkarībā no iedzīvotāju skaita pieauguma modeļa tiek lēsts, ka 2100. gadā tas var sasniegt pat līdz 35.8 GtC gadā.

Cilvēka saimnieciskā darbība izmaina oglekļa apriti un sekmē litosfērā uzkrāto oglekļa savienojumu nokļūšanu atmosfērā. Fosilā kurināmā izmantošana un mežu izciršana veicina CO2 pāreju no litosfēras un biosfēras atmosfērā daudz ātrāk, nekā tas notiktu dabiskā ceļā. Tajā pašā laikā tā atgriešana no atmosfēras dabiskā ceļā norisinās daudz lēnāk, nekā cilvēka saimnieciskā darbība to papildina, tādēļ CO2 daudzums atmosfērā palielinās.

Nozīmīgu vietu oglekļa aprites ciklā ieņem metāns. Metāns absorbē infrasarkano radiāciju daudz efektīvāk nekā CO2, tādēļ tā loma siltumnīcefekta palielināšanā ir ļoti nozīmīga, kaut arī metāna koncentrācija atmosfērā ir salīdzinoši zemāka. Kopš pagājušā gadsimta 60. gadiem, kad tika uzsākti metāna koncentrācijas mērījumi atmosfērā, tā daudzums kopumā pieaudzis par aptuveni 1% gadā. Daļa metāna rodas, audzējot rīsus, kā arī mājlopus, īpaši liellopus. Vēsturiski metāna koncentrācijas izmaiņas, tāpat kā CO2 izmaiņas, ir saistītas ar klimata izmaiņām leduslaikmetu un starpleduslaikmetu laikā. Tomēr pēdējo gadu pētījumi liecina, ka ģeoloģiskie procesi var būt nozīmīgs metāna avots un, piemēram, tādas dabas parādības kā dubļu vulkāni, var būt uzskatāmas par izcelsmes avotu gandrīz 10% atmosfērā nonākušā metāna.

CO2 ir aerobo organismu dzīvības procesu atkritumprodukts. Vidēji CO2 īpatsvars atmosfēras gaisā ir 0.03%. Vietās, kur koncentrējas vairāk elpotāju, piemēram, augsnes virskārtā un zemei piegulošajā atmosfēras slānī, CO2 koncentrācija var sasniegt 0.5-4%. Ja CO2 koncentrācija ir 1%, cilvēks pašsajūta ievērojami pasliktinās, bet pārsniedzot 10%, cilvēks iet bojā. CO2 koncentrācija atmosfērā ir pieaugusi no 280 miljonajām daļām pirmsindustriālajā laikmetā līdz 385 miljonajām daļām 2008. gadā. Pētot kontinentālajos ledājos ieslēgtā gaisa sastāvu, pierādīts, ka mūsdienās CO2 koncentrācija ir ievērojami augstāka, nekā tā bijusi pēdējo 650 000 gadu laikā (180–300 m. d.). Galvenais faktors, kas nosaka CO2 koncentrācijas paaugstināšanos, ir cilvēka darbība, kas spēj ietekmēt visu oglekļa aprites ciklu.

CO2 dabiskie avoti ir:

• Dzīvo organismu elpošana;
• Organisko vielu sadalīšanās (pūšana un rūgšana);
• Zibens izraisītie ugunsgrēki;
• Vulkāniskie procesi.

Līdz ar šiem procesiem CO2 daudzumam atmosfērā vajadzētu nemitīgi palielināties, taču, tā kā šī gāze šķīst ūdenī, veidojot ogļskābi, lielus tās daudzumus akumulē Pasaules okeāns, kur tā reaģē ar ūdenī esošajiem kalcija joniem un nogulsnējas kaļķakmeņu veidā.

Augiem CO2 ir vitāli nepieciešams kā barības viela. Augi to uzņem no atmosfēras gaisa un fotosintēzes procesā izveido no tā organiskās vielas. Fotosintēzi var uzskatīt par elpošanai pretēju procesu – atsevišķi oglekļa atomi tiek savirknēti ķēdītēs, organisko vielu molekulās, un katrā ķīmiskajā saitē tiek noglabāta neliela daļa Saules enerģijas.

Šī enerģija un organiskās vielas kļūst pieejamas augēdājiem, kas tiešā veidā Saules enerģiju izmantot nespēj. Tādējādi oglekļa atomi atrodas nemitīgā apritē:

Kamēr oglekļa atoms atrodas augu masā, tas ir izslēgts no aprites. Augi parasti spēj saražot vairāk organisko vielu, nekā dzīvnieki un mikroorganismi patērē, tāpēc organiskās vielas un arī ogleklis pakāpeniski uzkrājas augsnē un nogulumos. Planētas vēsturiskājā attīstībā daļa oglekļa šādi tika izslēgta no aprites un deponēta akmeņogļu, naftas vai kūdras veidā. Piemēram, daļa CO2, ko izelpoja dinozauri un mamuti, tika ieslēgta tā laika augu atliekās, ko mūsdienās atrodam organiskajos nogulumos. Šajos nogulumos kā milzīgā akumulatorā ir uzkrājusies arī tā laika Saules starojuma enerģija.

Fotosintēzes procesā iegūtā organiskā viela skābekļa ietekmē tiek sadalīta ūdenī, ogļskābajā gāzē un enerģijā, kas organismā tiek izmantota augšanas un dzīvības uzturēšanas procesos, savukārt transporta līdzekļos pārvērsta mehāniskajā enerģijā.

Attīstoties saimnieciskajai darbībai, cilvēks ir iemācījies iegūt un izmantot dažādus uzkrātos organiskos nogulumus – apkurei, pārtikas sagatavošanai, rūpniecības iekārtu un transportlīdzekļu darbināšanai. Tiek dedzināta malka, kūdra, akmeņogles, nafta un gāze. Sadegot šiem organiskajiem nogulumiem, izdalās tāds daudzums CO2, ko nespēj saistīt ne Pasaules okeāns, ne veģetācija. Cilvēka saimnieciskās darbības rezultātā ir arī samazinājusies augu spēja saistīt CO2, jo ir izcirstas lielas mežu platības, izveidotas milzīgas apbūves teritorijas. CO2 daudzums atmosfērā pēdējo divu gadsimtu laikā ir strauji pieaudzis.