Teoretyczne i praktyczne aspekty obiegu węgla w Morzu Bałtyckim

Transkrypt

1 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 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 (CO 2 ), 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. CO 2 charakteryzuje się zdolnością pochłaniania promieniowania elektromagnetycznego w zakresie podczerwieni (promieniowania cieplnego). Obecność CO 2 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 CO 2, do atmosfery dodatkowy ładunek węgla, który w większości był wyłączony z naturalnego obiegu przez miliony lat. Ten antropogeniczny wzrost stężenia CO 2 w atmosferze powodowany jest także ekspansją terenów uprawnych ograniczającą powierzchnie naturalnych sekwestratorów CO 2 np. lasów tropikalnych. W porównaniu z naturalnymi strumieniami CO 2 udział emisji antropogenicznej jest marginalny, a jednak w znaczący sposób zaburza ona funkcjonowanie ekosystemów. Wzrost stężenia CO 2 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.

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 CO 2 w atmosferze. Doprowadziło to do prób aktywnego ograniczania emisji antropogenicznego CO 2 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 CO 2 przewyższając, pod tym względem, środowisko lądowe. Mechanizmem umożliwiającym taki stan rzeczy jest tzw. pompa biologiczna (Rys.3).

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 Fitoplankton, w procesie fotosyntezy, absorbuje rozpuszczony w wodzie CO 2 powodując tym samym powstanie różnicy ciśnień parcjalnych CO 2 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 CO 2 w atmosferze. Schemat tego istotnego zjawiska przedstawiono na Rys.3. Wciąż wiele niejasności towarzyszy roli, jaką pełnią morza szelfowe w globalnym obiegu CO 2. 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 CO 2 pomiędzy atmosferą i wodą morską.

4 Rysunek 3. Schemat działania pompy biologicznej (Chisholm, 2000) Szacuje się, że Morze Bałtyckie jest akwenem, w którym, dzięki silnemu zeutrofizowaniu, atmosferyczny CO 2 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 CO 2 pomiędzy wodą morską i atmosferą w pełnomorskich rejonach Bałtyku. Przedstawiane w literaturze dane nie wskazują, jednak, czynników kształtujących wymianę CO 2 pomiędzy wodą morską i atmosferą oraz nie uwzględniają silnego zróżnicowania przestrzennego środowiska Morza Bałtyckiego. Zatem ustalenie rzeczywistej roli Bałtyku jako eksportera bądź importera CO 2 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 węggg = uuuuuu węggg [1] albo, uwzględniając najważniejsze strumienie: F e + F i + F o + F a + F f + F p + F r + F m + F s + FF = 0 zatem: F a = F e + F i + F o + F f + F p + F r + F m + F s + F g [2]

5 gdzie: F e eksport do Morza Północnego, F i import z Morza Północnego, F o opady, F a wymiana netto CO 2 na drodze woda morska/atmosfera, F f rybołówstwo, F p źródła punktowe, F r rzeki, F m strumień powrotny z osadów dennych, F s sedymentacja, F g 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, km 2 otrzymano średni strumień netto CO 2 (F a ) do atmosfery równy - 3,3 g C m -2 rok -1 co odpowiada ok. -12,0 g CO 2 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 IC OC IC OC IC OC Łącznie 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 -0,06-0,06-0,06 0,30 0,30 Wody wysiękowe 0,30 Wymiana netto CO 2 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 CO 2 przez powierzchnię woda morska/atmosfera. Węgiel nieorganiczny jest dominującą formą w obiegu węgla w Morzu Bałtyckim.

6 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 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 CO 2. Wartość ta, obarczona dużą niepewnością, klasyfikuje Bałtyk jako akwen charakteryzujący się neutralnym bilansem wymiany CO 2 pomiędzy wodą morską i atmosferą. Istnieje wyraźna dysproporcja pomiędzy Zatoką Botnicką charakteryzującą się emisją na poziomie -35,4 g C m -2 rok -1 oraz południową częścią Bałtyku, gdzie występuje absorpcja CO 2 równa 8,7 g C m -2 rok -1. W obszarach przyujściowych ma miejsce znaczna emisja CO 2 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 CO 2 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.