Globalne ocieplenie jest faktem. Nie można wykluczyć, że za kilkanaście lat wymknie się spod kontroli, stawiając ludzkość przed poważnymi wyzwaniami. Na antropogeniczny, czyli spowodowany przez człowieka wzrost temperatury składa się wiele przyczyn, wśród których, jak wkrótce wykażemy, dwutlenek węgla ma udział marginalny. To kolejne opracowanie ma na celu uzmysłowienie społeczeństwu, jak wielką rolę w globalnym ociepleniu odgrywa zanieczyszczenie oceanów.
W pierwszej części wspomnieliśmy, jaki związek z Paryżem ma zanieczyszczenie oceanów, co zanieczyszcza obecnie oceany, o oceanie jako najważniejszym źródle tlenu dla świata, o zakwaszeniu oceanów, eutrofizacji i nieco o wpływie nawozów sztucznych na zbiorniki wodne. W drugiej części uzupełniliśmy informacje o agrochemikaliach, wspomnieliśmy o procesach gnicia i butwienia martwych organizmów w akwenach, o zmianie temperatury rzek wpływających do mórz i oceanów, spowodowanej zaporami i o wielkiej pacyficznej wyspie śmieci.
ZANIECZYSZCZENIE OCEANÓW ROPĄ NAFTOWĄ
Kolejnym obok agrochemikaliów i mikroplastiku istotnym zanieczyszczeniem oceanów jest ropa naftowa i jej pochodne. Oficjalnie bezpośrednio z wydobycia do oceanów trafia „tylko” 10 mln ton ropy naftowej rocznie (A. Gierak, Zagrożenia środowiska produktami ropopochodnymi, „Ochrona Środowiska”, 2(27)1995). Niewykluczona jest wielokrotność tej oficjalnej danej. Masa zaś emulsji naftowej w oceanach szacowana jest na 1 mld ton. Biodegradacja ropy naftowej pożera cały tlen rozpuszczony w wodzie o objętości 100 000(!) razy większej, co prowadzi do braku tlenu na znacznym obszarze zanieczyszczonego akwenu. Emulsja pokrywająca powierzchnię zbiornika wodnego utrudnia jego parowanie, a niewykluczone, że wraz z pływającym mikroplastikiem – w jeszcze większym stopniu. Musi to podnosić temperaturę przypowierzchniowej warstwy zbiornika. Jeśli wziąć pod uwagę, że plamy śmieci stanowią 4% powierzchni oceanów, to jeśli jest to powierzchnia z warstewką węglowodorową, skutkiem będzie nie tylko mierzalne podniesienie temperatury, ale również istotne zaburzenie cyklu hydrologicznego. Ale o tym w przyszłości.
BILANS ENERGETYCZNY BIOSFERY
Wprawdzie węglowodan glukoza nie jest jedynym produktem w procesach biosyntezy, jest za to produktem podstawowym, dobrze poznanym i w jakiś sposób reprezentatywnym.
Równania uproszczone przemian biochemicznych fotosyntezy glukozy i jej spalania:
1) 6 CO2 + 6 H2O + hV = C6H12O6 + 6O2 + … ciepło
2) C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6 H2O + 684 kcal/mol (ATP + ciepło)
Pierwsza reakcja jest reakcją endotermiczną, tzn. z pochłonięciem energii promieniowania słonecznego hV. Skąd po prawej zatem „ciepło”? Otóż synteza glukozy to nie tylko zmiana entalpii. Pomimo, że jest to reakcja katalityczna, tzn. z udziałem katalizatorów biologicznych zwanych enzymami, pewien, choć niższy, próg energii aktywacji wciąż pozostaje, a energia progu już jest tracona na ciepło. Synteza glukozy ma swoją sprawność procesu, która w najlepszym wypadku osiąga 30%. Reszta pochłoniętych kwantów energii promieniowania słonecznego zostaje zamieniona po prostu na ciepło, w tym, w przypadku roślin lądowych, na parowanie wody (ewapotranspiracja).
Powyższą sprawność procesu fotosyntezy należy jeszcze odnieść do albedo roślinności lądowej, rzędu 20%, które jest zbliżone do albedo szarej gleby, gliny i betonu, a jedyna różnica jest taka, że z ok. 80% energii słonecznej, które nie zostaje zwrócone drogą odbicia, pewna część zostanie zamieniona na energię chemiczną tworzenia glukozy, reszta jest zamieniana na ciepło, jak w przypadku każdej innej powierzchni. W tym miejscu pewne zastrzeżenie: albedo spektralne okazuje się korzystniejsze dla biosfery niż to dawne – tradycyjne –albedo powierzchniowe.
Zatem można powiedzieć, że pierwsza reakcja jest częściowo endotermiczna, a częściowo egzotermiczna, przy czym ilość ciepła oddanego otoczeniu przewyższa ilość energii zamienioną na potencjalną energię chemiczną zawartą w węglowodanie.
Druga reakcja – spalania glukozy w warunkach tlenowych – wyzwala ostateczną energię w ilości 684 kcal/mol i ta energia od razu bądź po szeregu etapów zostanie przekształcona w energię cieplną podczas oddychania komórkowego, które zachodzi i u organizmów cudzożywnych, i u samożywnych. W ten sposób np. u organizmów fotosyntetyzujących – samożywnych – w nocy przeważa oddychanie komórkowe nad syntezą, a znaczna część tlenu oddanego w dzień do oceanu ponownie przechodzi w dwutlenek węgla. Energia chemiczna zostaje wcześniej lub później uwolniona jako ciepło. W szczególnych przypadkach, które stanowią mniej 1% przemian, następuje to po milionach lat.
Energia podlegająca przemianom (wzrost entropii) z materiału biologicznego w procesach beztlenowych może mieć produkty pośrednie o entalpii wyższej aniżeli ostateczne produkty tlenowego spalania glukozy, jakimi by były CO2 i H2O. Przykładem może być tu metan i inne węglowodory. Wtedy do przyrody w postaci ciepła dostaje się tylko część energii z 687 kcal/mol =2872 kJ/mol możliwej do uzyskania z glukozy (nieco inne wartości w przypadku spalania białek bądź lipidów, lecz rząd wielkości jest zachowany).
Ponieważ współcześnie w atmosferze nie przybywa tlenu, a wręcz przeciwnie, można założyć, że cała zsyntetyzowana glukoza ulega przemianie – spaleniu w różnych procesach, w tym np. butwienia z wydzieleniem CO2.
Korzystając z różnych danych, najpierw oszacujemy bilans energetyczny dla biosfery oceanów, potem dodamy biosferę lądów. Biosfera oceanów przerabia od 50 do 80% węgla i w takiej samej proporcji (molowej) jest źródłem tlenu.
Dane dotyczące oceanu potrafią się różnić:
a) Wg National Geographic: algi dostarczają 330 Gt tlenu rocznie. W oparciu o równania reakcji, 330e9 ton tlenu odpowiada 1,03e16 moli glukozy (1 mol glukozy: 6 atomów węgla, 6 atomów tlenu O2, 687 kcal/1 mol glukozy = 2872 kJ/1 mol glukozy lub 6 moli O2 = 487 kJ/1 mol O2). Ta ilość tlenu odpowiada uwolnieniu ok. 5e21 J
Jeśli ilość tlenu produkowana przez ocean jest równa ilości produkowanej przez biosferę lądów (szacunki mówią: oceany produkują od 50 do 80% tlenu, ale zbliżoną ilość niestety konsumują), maksymalnie, razem z lądami, rocznie może być uwalnianych 1e22 J energii.
b) Według Ocean Productivity, Oregonstate.edu, biologiczny obrót węgla (w przyrodzie ożywionej) w całości wynosi ponad 100 Gt = 100e9 ton rocznie, z tego w oceanach przynajmniej połowa.
50e9 ton = 5e10 ton = 5e16 g
Masa atomowa węgla Mc=12 g/mol
5e19g /12 g/mol = 4,17e15 mola (tyle moli węgla bierze udział w reakcji powstawania i spalania glukozy w oceanach).
Ponieważ w glukozie jest 6 atomów węgla, to z każdego mola węgla powstaje 478 kJ.
4,17e15 moli x 478 J/mol = 2e21 J.
Drugie tyle (maksymalnie) może powstawać w biosferze lądowej (od 20 do 100%). Maksymalnie łącznie w całej biosferze 4e21 J.
c) Według Makarieva, Gorshkov, Bai-Lian, Energy budget of the biosphere, Petersburg, 2008, energia biosfery oszacowana została na 3,2e21 J w całej biosferze, co jest wynikiem niższym, choć zbieżnym z naszymi oszacowaniami.
d) Według Kożuchowski K., Meteorologia i klimatologia, PWN, 2007, rozdz. 2.3 Obieg węgla w przyrodzie, rocznie w wymianie bierze udział ok. 150 Gt węgla. 150 Gt = 1,5e17g =1,25e16 mola C. Gdyby jedynym produktem była glukoza (uwzględniając inne produkty, różnica nie byłaby szczególnie duża), przy założeniu, że ilość tlenu w atmosferze nie rośnie i cała glukoza podlega wtórnemu rozpadowi z uwolnieniem 2872 kJ/mol glukozy, czyli 479 kJ/1 mol węgla, uwolnieniu ulega 6e21 J ciepła.
Ponieważ w biosferze nie obserwuje się ani spadku, ani wzrostu poziomu tlenu, powyższe oszacowania wydają się prawdopodobne.
Jeśli synteza glukozy, formalnie endotermiczna, jest de facto egzotermiczna ze sprawnością rzędu 25%, to całkowita energia uwalniana (z syntezy i rozpadu) przez biosferę może być nawet 4 razy większa od tej, jaka jest uwalniana podczas wtórnego rozpadu produkowanej przez biosferę glukozy.
Część strat energii powinna była zostać uwzględniona przez IPCC w bilansie energii w wartości albedo roślinności lądowej.
Jeśli przemiany biologiczne uwalniają tylko 4e21 J energii rocznie, to w przeliczeniu na powierzchnię kuli ziemskiej 5,1e14 m² daje to strumień energii 0,25 W/m². Jeśli jest to energia 4 razy większa, to strumień ten wyniesie 1 W/m². Może to właśnie zagubiona energia, której naukowcy IPCC na podstawie danych satelitarnych nie potrafią się doliczyć w swoim bilansie?
O ile ta energia jest w stanie podnieść temperaturę oceanów?
Należy przypuszczać, że w długich okresach czasu istniała względna równowaga pomiędzy energią uwalnianą przez procesy i cykle życiowe fitoplanktonu, drobnoustroje beztlenowe, energią magazynowaną w postaci chemicznej (węgiel, węglowodory), energią elektromagnetyczną słoneczną pochłanianą i tą oddawaną przez oceany (atmosferze i jakąś część w postaci promieniowania podczerwonego IR). Współcześnie, wskutek eutrofizacji antropogennymi zanieczyszczeniami, bilans energii w oceanie, przynajmniej w jego powierzchownej warstwie musiał ulec poważnemu zaburzeniu – zwielokrotnieniu wobec stanu sprzed kilku stuleci.
cw H2O=4,2e3 J/kgxK (cw H2O – ciepło właściwe wody)
masa oceanu m=1,3e21 kg.
Najpierw przyjmiemy jako podstawową niższą wartość energii uwalnianej przy spalaniu glukozy powstałej w procesach fotosyntezy:
E =2e21J (E – energia cieplna pochodząca z biosfery oceanicznej)
cw= E/mxΔt (Δt – spodziewany wzrost temperatury oceanów)
Δt=E/cwxm
Δt= 2e21 J/ (1,3e21 kg x 4,2 e3 J/kgxK) = 0,0004K
W skali 200 lat (od czasu, gdy zaczęto produkować nawozy sztuczne), dołączyło się zanieczyszczenie powietrza związkami azotu oraz wzrosły: populacja do 7,6 mld ludzi wydalających azot i fosfor oraz przemysłowa hodowla miliarda zwierząt z podobnym wydalaniem. Wzrost składany temperatury oceanów wskutek eutrofizacji, przy założeniu, że spowodowała ona w okresie 200 lat 10-krotny wzrost obrotu biologicznego w oceanach, przy energii pierwotnej oceanów przyjętej w powyższym obliczeniu na niskim poziomie E =2e21J i połowie jako średniej nawożenia w tym okresie czasu, mógł wynieść ok. 0,03°C.
Jest to wartość wyliczona dla oceanu jako całości. Rzeczywisty ocean ogrzewa się i cyrkuluje warstwowo (Falkowski Paul, The power of plankton, „Ocean Sciences”, March 2012, Macmillan Publishers Ltd). Skoro warstwa powierzchniowa oceanów skutecznie przechowuje ciepło, oddaje je głębinom w czasie dziesiątków, a może i setek lat, prawdopodobnie można podnieść wyliczoną wartość przynajmniej dwukrotnie, do 0,06°C. Jeśli uwzględni się, że ciepło pochodzące z biosfery może być nawet czterokrotnie wyższe od prostego rozpadu glukozy, to już da wartość 0,24°C.
Staraliśmy się nasze oszacowania przyjmować ostrożnie, z niepewnością, która, gdyby przyjąć energię pierwotną oceanu jak w punkcie a): 5e21 J, może nasz wynik zwiększyć w górę nawet 2,5-krotnie, do 0,6°C. Nie wydaje się, aby samo opisane powyżej spotęgowanie procesów biologicznych w oceanach, głównie wskutek agrochemikaliów, mogło odpowiadać za cały wzrost temperatury oceanów o 0,7°C, jaki został zaobserwowany w ciągu 200 lat. Proces wzrostu temperatury oceanów jest z pewnością wieloczynnikowy, podobnie jak wzrost temperatury atmosfery. Nie można się jednak zgodzić z oszukiwaniem społeczeństw przez ludzi interesu (tak, nawet laureaci nagrody Nobla: Al Gore i Rajendra Pachauri też mieli w tym każdy swój partykularny i jeden wspólny interes, co częściowo opisaliśmy już w poprzednich artykułach). Wśród przyczyn globalnego ocieplenia wyeksponowany dwutlenek węgla ma swój udział, tyle że marginalny, wobec wielu innych, poważniejszych czynników, z których kolejny spróbowaliśmy oszacować w tym artykule.
WZROST TEMPERATURY OCEANÓW WSKUTEK POCHŁANIANIA DWUTLENKU WĘGLA
Rozpuszczanie dwutlenku węgla w wodzie jest procesem egzotermicznym z określoną entalpią rozpuszczania. Pomijamy w tym momencie fakt, że woda oceaniczna już jest roztworem wielu soli. Pomijamy zachowanie CO2 w roztworach wodnych. Przyjmujemy wartość entalpii rozpuszczania CO2 (-)19,4 kJ/mol (dla czystej wody i 15°C). Rocznie w oceanie rozpuszcza się ok. 10 Gt CO2 = 1e16 g CO2, czyli 2,3e14 moli CO2. To uwalnia 4,4e18 J ciepła.
To wielkość pomijalna, gdyż jest trzy, a może cztery rzędy mniejsza, aniżeli dostarczają obecnie przemiany biologiczne w zeutrofizowanych oceanach rocznie.
OCEANY – BUFOR CIEPŁA
My, mieszkańcy Ziemi, mamy to szczęście, że Ziemia jako planeta znajduje się w strefie życia z ciekłą wodą. Woda na Ziemi ma dużą pojemność cieplną i może podlegać dwóm przemianom fazowym o dużej energii: topnieniu/zamarzaniu i parowaniu/skraplaniu. Dzięki temu ocean – potężny rezerwuar wody, zajmujący 2/3 powierzchni kuli ziemskiej – jest wspaniałym buforem ciepła, który pochłania nadmiar ciepła pochodzący z najróżniejszych źródeł – ziemskich i pozaziemskich, a w razie kryzysu jest zdolny dużą ilość ciepła nam oddać. Dla biosfery ogółem, stanowiącej warstewkę zaledwie dwóch promili promienia kuli ziemskiej, jest też buforem równowagi kwasowo-zasadowej w razie jej naruszania przez człowieka, a przede wszystkim w razie nieprzewidywalnej katastrofy naturalnej. Mechanizmy buforowe mogą dać ludzkości czas na podjęcie działań ratunkowych, o ile będą to działania oparte na obiektywnej nauce, a nie na ideologii komisarzy wspartych „ekspertami”.
