Koolstofcyclus Samenvatting Koolstof wordt teruggevonden in alle levende materie en in sedimenten, gesteenten, de oceanen en de lucht die we inademen. Er is een uitwisseling van koolstof tussen oceanen, bodem, biosfeer en atmosfeer, via verschillende natuurlijke processen. De grootste uitwisseling gebeurt tussen biosfeer en atmosfeer via fotosynthese en afbraak. Gedurende duizenden jaren was er een evenwicht tussen processen die CO2 onttrokken en toevoegden aan de atmosfeer, maar sinds de Industriële Revolutie is de maatschappij meer en meer afhankelijk geworden van het gebruik van fossiele brandstoffen voor transport, verwarming en elektriciteitsopwekking. Door de verbranding van die fossiele brandstoffen komen grote hoeveelheden koolstof, die miljoenen jaren opgeslagen zat in de bodem, in de atmosfeer onder vorm van CO2. Hierdoor is de hoeveelheid CO2 in de atmosfeer toegenomen.
Koolstofdioxide Koolstofdioxide (chemische formule: CO2), ook wel kooldioxide of koolzuurgas genoemd, is een kleurloos en reukloos gas dat van nature in de atmosfeer voorkomt (ongeveer 0,03 %). Het wordt gebruikt door planten in het proces van fotosynthese. Omgekeerd wordt het door mens en dier geproduceerd bij de ademhaling. Er gebeurt ook een uitwisseling van CO2 tussen oceanen en atmosfeer. Koolstofdioxide is een broeikasgas. Omdat het infrarode straling absorbeert kan het de uitstraling van warmte verminderen.
Koolstofkringloop Het element koolstof (C) is na H, He en O, het vierde meest voorkomende element in het Heelal. Het is de bouwsteen voor leven en komt voor in alle organische verbindingen. Het element koolstof circuleert doorheen ‘het systeem’ Aarde via de zogenaamde koolstofkringloop. Wat betekent ‘het systeem’ Aarde? De Aarde wordt ingedeeld in sferen die als zelfstandige systemen te beschouwen zijn, maar die met elkaar in interactie zijn; de atmosfeer bevat alle gassen, de hydrosfeer bevat al het water, de biosfeer bevat alle leven, en de lithosfeer beslaat (het buitenste deel van) de vaste Aarde. Het geheel van alle sferen noemt men de geosfeer. De sferen oefenen een invloed op elkaar uit. De globale koolstofcyclus kan in 2 categorieën ingedeeld worden: de geologische cyclus, die zich afspeelt over een tijdschaal van miljoenen jaren, en de biologisch/fysische cyclus, die zich afspeelt op een korte tijdschaal (dagen tot duizenden jaren).
De geologische koolstofcyclus In de geologische cyclus beweegt C tussen stenen en mineralen, zeewater en atmosfeer. Miljarden jaren geleden, bij de geboorte van ons zonnestelsel, was koolstof al aanwezig. Doordat onze planeet gebombardeerd werd door koolstofbevattende meteorieten nam de hoeveelheid koolstof op Aarde toe. Sindsdien heeft koolzuur, een zwak zuur gevormd door de reactie tussen atmosferische CO2 en water, traag maar zeker gereageerd met Ca en Mg, aanwezig in de aardkorst, en zo onoplosbare carbonaten gevormd door een proces dat men verwering noemt. Daarna zijn door erosie de carbonaten in de oceanen uitgespoeld en uiteindelijk op de oceaanbodem terechtgekomen. Bij het bewegen van de tectonische platen kunnen deze materialen door subductie in de aardmantel gebracht worden. Door grote hitte en druk onder het aardoppervlak smelt de kalksteen en zijn er reacties met andere mineralen waarbij er CO2 gevormd wordt. Uiteindelijk komt de koolstof terug in de atmosfeer onder vorm van CO2 tijdens vulkaanuitbarstingen.
De balans tussen verwering, subductie en vulkanisme controleert de atmosferische CO2 concentratie in de loop van honderden of miljoenen jaren. De oudste geologische sedimenten suggereren dat – voordat leven op Aarde ontstond – de CO2 concentratie in de atmosfeer honderd keer hoger was dan de huidige concentratie, waardoor er een belangrijk broeikaseffect was tijdens een periode van lage zonne-intensiteit. Anderzijds heeft men aan de hand van ijskernboringen in Antarctica en Groenland afgeleid dat gedurende de laatste ijstijd (20 000 jaar geleden) de CO2 concentratie slechts de helft van de huidige concentratie bedroeg.
Biologisch/fysische koolstofcyclus Fotosynthese en ademhaling spelen een belangrijke rol in de beweging van koolstof. De hoeveelheid koolstof die via fotosynthese en ademhaling per jaar getransporteerd wordt (zie: De moderne koolstofcyclus) is duizend maal groter dan de hoeveelheid koolstof die jaarlijks via de geologische cyclus getransporteerd wordt. Daarnaast spelen deze biologische processen ook een belangrijke rol in de langdurige geologische koolcyclus. Organisch materiaal dat afgestorven is wordt in de loop van miljoenen jaren omgevormd tot steenkool, aardolie en aardgas en vormen op die manier een opslag van koolstof in geologische sedimenten.
De moderne koolstofcyclus Fotosynthese en ademhaling. Op het land is de belangrijkste uitwisseling van koolstof met de atmosfeer het resultaat van fotosynthese en ademhaling. Tijdens het groeiseizoen zullen groene planten zonne-energie absorberen en CO2 uit de atmosfeer verwijderen om koolhydraten (suikers) te produceren (= fotosynthese). Planten en dieren verbranden die suikers (en afgeleide producten) via de ademhaling (het omgekeerde proces). Door de ademhaling wordt de energie die opgeslagen zat in de suikers terug vrijgemaakt en gebruikt in het metabolisme, en wordt de koolstof terug omgezet in CO 2. De koolstof die in organismen vastgehouden wordt, komt terug vrij in de atmosfeer na decompositie (= afbraak door bacteriën en schimmels). Als de omstandigheden te koud of te droog zijn, stoppen de processen van fotosynthese en ademhaling en dus ook de beweging van koolstof tussen atmosfeer en landoppervlak. De hoeveelheden koolstof die op die manier bewegen zijn aanzienlijk en veroorzaken schommelingen in de atmosferische CO2 concentratie. Over de loop van een jaar zijn deze biologische koolstofstromen meer dan 10 keer groter dan de hoeveelheid koolstof die via de verbranding van fossiele brandstoffen in de atmosfeer terecht komt. Verbranding Vuur speelt ook een belangrijke rol in het transport van CO2 van het land naar de atmosfeer. Bij verbranding wordt biomassa en organisch materiaal omgezet in CO2 (samen met methaan, koolstofmonoxide en rook). Vegetatie die niet opgebrand, maar wel afgedood wordt, ontbindt in de loop van de tijd, waardoor er nog meer CO2 in de atmosfeer komt. Als bossen worden gekapt voor landbouw, zal de koolstof die opgeslagen zat in plantmateriaal en bodem vrijkomen, waardoor de CO2 concentratie in de atmosfeer zal toenemen. Oceanen De uitwisseling van CO2 tussen atmosfeer en oceanen wordt voor een groot deel gecontroleerd door de oppervlaktetemperatuur van het zeewater, door zeewaterstromingen en door de biologische processen van fotosynthese en respiratie. CO2 kan gemakkelijk oplossen in de oceaan en de hoeveelheid CO2 die de oceaan kan vasthouden is afhankelijk van de oceaantemperatuur en van de hoeveelheid CO2 die al aanwezig is. Koud water zal gemakkelijker CO2 opnemen, terwijl warm water kan zorgen voor het ontsnappen van CO2. Koude, neerwaartse zeestromingen kunnen CO2 mee transporteren naar de diepte terwijl opwaartse stromen CO2 naar boven brengen en vrijlaten in de atmosfeer. Het leven in de oceaan verbruikt en produceert enorme hoeveelheden CO2. Maar in tegenstelling tot op het land, is er geen opslag van koolstof onder vorm van boomstammen of in de bodem. Enkel kleine hoeveelheden restkoolstof in afgestorven plankton zinkt naar de bodem van de oceaan en betekent een verwijdering van CO2 over een heel lange periode.
De rol van de mens in de koolstofcyclus Gedurende duizenden jaren was er een evenwicht tussen processen die koolstofdioxide onttrokken aan de atmosfeer enerzijds en eraan toevoegden anderzijds. Bovenop de natuurlijke koolstofstromen doorheen het Aardsysteem, zijn er ook antropogene activiteiten die ervoor zorgen dat er CO2 in de atmosfeer terecht komt. Voornamelijk verbranding van fossiele brandstoffen en ontbossen zijn hiervoor verantwoordelijk. Als we steenkool en aardolie ontginnen en deze gebruiken als brandstof voor transport, elektriciteit, verwarming en industrie, brengen we koolstof veel sneller terug in de atmosfeer dan het eruit kan verwijderd worden op een natuurlijke manier. Dit leidt ertoe dat de CO2 concentratie geleidelijk toeneemt. Ook als we ontbossen, brengen we koolstof vanuit de levende biomassa in de atmosfeer. Op onderstaande grafiek is te zien dat sinds het begin van de metingen in 1958 de CO2 concentratie in de atmosfeer is toegenomen. De huidige CO2 concentratie is hoger dan ze in de voorbije 500 000 jaar is geweest.
(Grafiek van Robert Simmon, gebaseerd op data van NOAA Climate Monitoring & Diagnostics Laboratory)
Van alle CO2 die door de menselijke activiteiten wordt uitgestoten, blijft slechts iets meer dan de helft in de atmosfeer. De andere helft wordt verdeeld tussen opname in de oceanen, een grotere opname door vegetatie en een extra opname door de terrestrische biosfeer. In de oceanen is er een evenwichtsreactie die ervoor zorgt dat een hogere CO2 concentratie in de atmosfeer leidt tot diffusie van CO2 in de oceanen. De hypothese dat de vegetatie vanaf eind de jaren ’80 meer CO2 opneemt wordt ondersteund door onderzoek naar de verhouding tussen zuurstof en stikstof in ijsboringen op de zuidpool, waaruit blijkt dat de reële zuurstofmeting groter is dan de berekende en dus dat er een grotere opname is van CO2 door de vegetatie. . Toch is er de vrees dat de snelle stijging van de CO2 concentratie in de atmosfeer het evenwicht tussen de verschillende wisselwerkingen kan verstoren.
Zo wordt de opnamecapaciteit van CO2 door de oceanen bepaald door de temperatuur. Bij een hogere temperatuur kunnen de oceanen minder CO2 opnemen uit de atmosfeer. Bovendien is de bufferende werking van de oceanen beperkt. Als er genoeg CO2 wordt toegevoegd kan dit uiteindelijk de buffercapaciteit doen overschrijden en verzuring teweegbrengen.
