Er zijn op aarde twee koolstofcycli aan het werk: • de snelle koolstofcyclus
• de langzame koolstofcyclus
De snelle koolstofcyclus betreft koolstof zoals die circuleert ten gevolge van de groei, leven, afsterven ´en fossiliseren van levende organismen. De langzame koolstofcyclus is een geochemische cyclus, waarin
8.4. Koolstofcycli
rotsen opgebouwd worden en weer verweren. Ook hierin spelen levende organismen een rol, zoals schelpdieren en ander microfauna die een kalkskelet opbouwen.
8.4.1 De langzame koolstofcyclus
De hoeveelheid koolstof opgeslagen in sedimentgesteenten is vele malen groter dan de hoeveelheid koolstof in de snelle koolstofcyclus – ongeveer 500x zo groot. Enerzijds is die koolstof gevangen als kerogen, fossiel koolstof in gesteente met een concentratie die meestal lager is dan 1 [gew.%], anderzijds als kalksteen - CaCO3.
De langzame koolstofcyclus betreft nu de verwering van rotsen en de opbouw van kalksteen: (1) Kiezel (
”silicate rock”), een complex materiaal dat CaSiO3bevat, verweert langzaam door een reac-tie met CO2uit de lucht: CaSiO3+CO2−−→ CaCO3+SiO2.
(2) het zo ontstane calciumcarbonaat (CaCO3) en siliciumoxide SiO2 lossen langzaam op in water en komen uiteindelijk in zee terecht
(3) in de oceanen bouwen schelpdieren hun schelpen op uit het opgeloste calciumcarbonaat (CaCO3) en siliciumoxide (SiO2)
(4) de schelpdieren sterven, hun schelpen worden sedimentafzetting en uiteindelijk kalksteen
(5) door geologische processen komen na miljoenen jaren de kalksteenafzettingen aan de oppervlakte, en begint de verwering
De processen in de langzame koolstofcyclus spelen zich af op een tijdschaal van honderdduizenden tot vele miljoenen jaren.
8.4.2 de snelle koolstofcyclus
Zoals bekend vinden we koolstof als CO2 in de atmosfeer, in biomassa (levende ´en dode organismen) ´en in voorraden fossiele grondstoffen. Een vierde belangrijk reservoir van koolstof is de CO2opgelost in de oceanen.
In figuur 8.7 is een overzicht gegeven van de snelle koolstofcyclus.
“Living” Carbon
“Fossil” Carbon
“In-Use” Carbon
“Using fossil fuels
Figuur 8.7: De snelle koolstof cyclus
Living Carbon Planten leggen CO2uit de atmosfeer vast als biomassa. Nadat planten en andere organis-men afsterven valt de biomassa weer uiteen in CO2en H2O.
Hoofdstuk 8. Het Klimaatsysteem
Fossil Carbon Een klein deel van de afgestorven biomassa wordt ge¨ısoleerd van de atmosfeer en valt niet uiteen. Op verschillende manieren fossiliseert dit materiaal (bijvoorbeeld veen → turf → bruinkool → steenkool).
In Use Carbon De mensheid onttrekt koolstof aan fossiele bronnen, wat na gebruik resulteert in CO2 uitstoot naar de atmosfeer
In figuur 8.8 (uit (Spiro and Stigliani, 1996)) is een beeld geschetst van de hoeveelheden koolstof in de verschillende reservoirs die onderdeel uitmaken van de snelle koolstofcyclus, en een schatting van de stromen.
Figuur 8.8: Koolstofreservoirs en stromen in de snelle koolstof cyclus (bron: Spiro, 1996)
Van de verschillende reservoirs – levende en dode biomassa, oceanen, fossiel koolstof en de atmos-feer – is de laatste het kleinst en een orde-grootte kleiner. Dat betekent dat ten opzichte van de hoe-veelheid biomassa c.q. fossiele grondstoffen kleine stromen een dramatisch effect kunnen hebben op de accumulatie van CO2in de atmosfeer.
De oceanen bevatten naar schatting zo’n 38000 [GtC], opgelost als CO2, H2CO3, HCO3–en CO32–. De hoeveelheid koolstof in voorraden fossiele grondstoffen is groter dan 10000 [GtC].
8.4.3 Sources and Sinks
Voor het versterkt broeikaseffect zijn de CO2 en CH4concentratie in de atmosfeer het belangrijkst. We kunnen de veranderingen ook in beeld krijgen door onze systeembenadering toe te passen en na te gaan wat de
”Sources” en de”Sinks” zijn in de koolstofcyclus. Op basis van gegeven van het Carbon Dioxide Information Analysis Center, een onderdeel van het US Department of Energy (DOE)(http: //cdiac.ornl.gov/faq.html) is te berekenen dat de pre-industri¨ele hoeveelheid koolstof in de at-mosfeer 580 GigaTon bedroeg [GtC]. Door veranderd landgebruik, cement produktie en gebruik van fossiele grondstoffen is daar 174 [GtC] bijgekomen, zodat de atmosfeer nu zo’n 754 [GtC] bevat. De totale uitstoot, vanaf het begin van de industri¨ele revolutie, is echter zo’n 442 [GtC]. Het verschil, 270 [GtC] is opgenomen in de bovenste laag van de oceanen.
Belangrijke sources (1) Verandering van landgebruik Op alle continenten, met uitzondering van Noord-West Europa leidt verandering van landgebruik voortdurend tot een netto bron van CO2. Van 1850 tot 2000 was de uitstoot naar de atmosfeer totaal 154 [GtC]
8.4. Koolstofcycli
(2) Cementproduktie Een belangrijk bestanddeel van cement is ongebluste kalk, CaO. Dit wordt gemaakt in kalkovens, waar door verhitting van kalk, CaCO3, de volgende reactie optreedt: CaCO3 → CaO + CO2. Dus zowel het stoken van de kalkovens als het produktieproces zelf geven CO2uitstoot. Van 1850 tot 2000 was deze uitstoot wereldwijd 6 [GtC].
(3) Verbranding van fossiele grondstoffen – aardolie, aardgas, steenkool, bruinkool, turf Van 1850 tot 2000 bedroeg de totale CO2produktie hierdoor zo’n 442 [GtC]
Belangrijke sinks (1) De atmosfeer zoals aangegeven is de belangrijkste eerste sink voor CO2 en andere broeikasgassen de atmosfeer
(2) De oceanen met name voor CO2 zijn de oceanen een belangrijke sink. Ongeveer 60 % van de door menselijke activiteiten veroorzaakte CO2uitstoot is opgenomen door de oceanen. (3) biosfeer Biomassa is een sink voor CO2. Echter, zodra levende wezens sterven valt biomassa
uiteen (rotting). Wereldwijd zijn alleen de Europese bossen netto een sink voor CO2 - de bo-sopstand groeit daar, waarmee CO2wordt vastgelegd. Elders ter wereld wordt nog steeds in hoog tempo ontbost.
8.4.4 Koppelingen klimaat en koolstofcyclus
Zoals in de inleiding van dit hoofdstuk is aangegeven is het klimaat een complex systeem met vele mee-en tegmee-enkoppelingmee-en. Over emee-en langere tijdspanne bezimee-en kan dit systeem zich in emee-en aantal min of meer stabiele punten bevinden. De werking van de mee- en tegenkoppelingen bepaalt in hoge mate wat de condities zijn bij die stabiele punten.
In de langzame koolstofcyclus zit een terugkoppeling waarmee volgens geochemici de CO2 concen-tratie wordt ingesteld. Volgens (Archer, 2007) werkt de
”silicate weathering thermostat” als volgt: (1) de verwering van silicaatgesteente is temperatuursafhankelijk - als de temperatuur hoger wordt,
verloopt de verweringsreactie met CO2 sneller. Ook als de CO2concentratie hoger wordt verloopt de reactie sneller. Door de reactie verdwijnt CO2uit de atmosfeer.
(2) vanuit het binnenste van de aarde wordt door vulkanische processen CO2 ge¨emitteerd naar de at-mosfeer; dit is langzame vulkanisch ontgassing
(3) als bovenstaande processen uit balans zijn, dan kan op een tijdschaal van honderdduizenden jaren alle CO2uit de atmosfeer verdwijnen. Echter dat gebeurt niet - er stelt zich een evenwicht in via de CO2concentratie in de atmosfeer en de gemiddelde temperatuur op aarde.
Deze geochemische thermostaat laat de CO2concentratie in de atmosfeer vari¨eren op een tijdschaal van miljoenen jaren.
De geologische tijdschaal is veel langer dan de tijdschaal waarop de koppelingen met/in de snelle koolstofcyclus zich manifesteren. Een aantal daarvan zijn (o.a. Leggett, 2005):
CO2in de oceanen Zoals hierboven aangegeven is ongeveer 60 % van de door mensen veroorzaakte on-balans in de snelle koolstofcyclus terecht gekomen in de oceanen en 40 % in de atmosfeer. Omdat de verschillende lagen zeewater niet goed mengen, kunnen deze bovenste lagen verzadigd raken met CO2 – er is dan de-facto een evenwichtsconcentratie bereikt. Als door het versterkt broei-kaseffect de temperatuur van het zeewater stijgt, dan kan het water minder CO2 bevatten c.q. opnemen, waardoor de atmosferische CO2concentratie sneller zal toenemen, waardoor het broei-kaseffect verder wordt versterkt enzovoorts. Een andere, mogelijk versterkende meekoppeling is dat door de opname van CO2 de oceanen licht verzuren. Daardoor kan zeeleven uitsterven, waardooor de opname van CO2door algen in de zee vermindert.
permafrost In de toendra’s op het Noordelijk Halfrond (Siberi¨e, Canada, Alaska) is de bodem tot soms wel een diepte van 10 [m] permanent bevroren. ’s Zomers ontdooit slechts de bovenste laag van deze permafrost. Door de opwarming van het Noordelijk halfrond kan de permafrost tot op grotere diepte permanent ontdooien. Daardoor zullen de grote hoeveelheden biomassa in deze permafrost gaan rotten, waardoor grote hoeveelheden methaan en CO2 in de atmosfeer kunnen komen.
ineenstorting van ecosystemen Vergeleken met geologische en evolutionaire tijdschalen gaat de opwar-ming snel. Dat brengt het gevaar met zich mee van ineenstorting van gehele ecosystemen als zij zich niet snel genoeg kunnen aanpassen. Dit risico wordt nog vergroot door het frequenter op-treden van droogtes. Gehele bosgebieden zouden daardoor binnen korte tijd kunnen afsterven,
Hoofdstuk 8. Het Klimaatsysteem
wat weer leidt tot een grote CO2emissie naar de atmosfeer. Recent onderzoek heeft bijvoorbeeld laten zien dat regenval in het Amazone gebied terugloopt, waardoor het regenwoud verdroogt en het bos kan afsterven. Ook wordt de kans op grote bosbranden groter - nu is het nog zo dat grote delen van het regenwoud zo vochtig zijn dat blikseminslag bijna nooit leidt tot brand. Als dit scenario zich zou afspelen zou een enorme hoeveelheid CO2in de atmosfeer komen.
organisch materiaal in de bodem Wereldwijd bevindt zich veel biomassa in bodems. Door het leven aldaar zijn veel bodems netto opnemers van CO2. Door opwarming, dan wel verandering van neerslag-patronen zou deze situatie kunnen veranderen.
De tijdschaal waarop deze effecten zich kunnen voordoen loopt van tientallen jaren tot duizend jaar.