Møns klint

Kend dit CO2-kredsløb

CO2 er usynligt, og selvom vi udånder det, bemærker vi det ikke. Alligevel er CO2 et af Jordens vigtigste molekyler, der tjener både som basisled i fødekæden og taktstok for klimaet. 

For dig og mig og alle, vi kender, er livet en konstant udveksling af kulstof (C) i forskellige former, hvor CO2 er den vigtigste. Vi lever af planter og dyr, som selv lever af planter eller dyr. I sidste ende er planter basis for hele fødekæden, og de skal bruge CO2 for at leve og vokse. Når levende væsner omdanner føde til energi gennem respiration, udskilles CO2 gennem vores ånde og bliver til næring for planterne.

Når både dyr og planter dør, nedbrydes deres kroppe til blandt andet CO2, der bruges af nye planter, hvoraf nogle bliver føde for nye dyr og så fremdeles. Hvis de ikke når at blive nedbrudt, omdannes de med tiden til kul og olie i undergrunden. Hele processen kaldes ‘det organiske kulstofkredsløb’.

” Hvis al udledning af menneskeskabt CO2 stoppede i morgen, ville det stadig tage cirka hundrede tusind år, før balancen kunne genfindes”

Christian Bjerrum

Det er dog kun en del af fortællingen om CO2. Et par kapitler i en temmelig lang roman, faktisk. Det fortæller professor i geologi fra Københavns Universitet Christian Bjerrum.

”Langt hovedparten af kredsløbet for Jordens CO2 foregår i en del af kulstofkredsløbet, som de fleste ikke lægger mærke til i hverdagen, fordi det foregår på en tidsskala mellem ti tusinder og millioner af år.”


Jordens samlede CO2
Der er formentlig ca. to mia. gigaton (Gt) CO2 på hele jorden inklusive atmosfæren. Altså to milliarder milliarder ton! Størstedelen befinder sig i undergrunden, hvor det er bundet i forskellige kalkrige bjergarter. Et eksempel ses i Møns Klint (tv.), hvor de smukke hvide skrænter er sammenpressede kalkskaller fra gamle havalger. (Foto: Bob Collowan/Commons/CC-BY-SA-4.0)


Det drejer sig om det uorganiske kulstofkredsløb, der af samme grund også kaldes det langsomme kulstofkredsløb. En meget vigtig del af det langsomme kredsløb kaldes silikat-karbonat-kredsløbet, hvor processerne kan koges ned til en række kemiske udvekslinger mellem silikat- og karbonatholdige sten (f.eks. feldspatter), havet og atmosfæren.

”Omkring 70 procent af al Jordens CO2 er til enhver tid bundet et sted i silikat- og karbonatkredsløbet, mens resten cirkulerer mellem planter, dyr og nedbrydning eller begravelse i jorden,” fortæller Christian Bjerrum.

Se cirkulationen herunder:

(Figur: Lykke Sandal)

Helt grundlæggende kan CO2-kredsløbet på figuren deles op i fire trin:

Billede af Wollastonit
Et stykke af den simple feldspat wollastonit (CaSiO3) (Foto: Wikimedia Commons)

1. Forvitring af bjerge

Noget af den CO2, der er i atmosfæren, binder sig til vanddamp. Derved dannes der en svag kulsyre, og når den falder som nedbør, kan den opløse de kalk- og silikatholdige sten, som størstedelen af jordskorpen består af. Processen foregår hele tiden og kaldes forvitring. For hvert molekyle der forvitres, fjernes to CO2-molekyler fra atmosfæren. Hvis man bruger det meget simple kalk- og silikatrige mineral wollastonit som eksempel, ser den kemiske reaktion sådan her ud:

2CO2 + H2O + CaSiO3 –> Ca2+ + 2HCO3 + SiO

Reaktionen frigiver en kalcium-ion (Ca2+), to bikarbonat-ioner (HCO3) og silikatforbindelsen kvarts (SiO2).

2. Udfældning i havet

Ude i havet lever millioner og atter millioner af mikroorganismer, som bruger de udvaskede ioner til at opbygge deres skaller og skeletter med. Det kan være plankton og koraller. De opfanger de udvaskede kalcium- og bikarbonat-ion­er og kombinerer dem til kalciumkarbonat (CaCO3):

Ca2+ + 2HCO3 –> CaCO3 + CO2 + H2O

For hvert molekyle dyrene danner i deres skelet eller skal, frigives et af de to CO2-molekyler, der blev brugt i forvitringen af stenen. Det ene CO2-molekyle udveksles med atmosfæren. Reaktionen efterlader kvartsen, som også blev frigivet ved forvitringen (fra første kemiske reaktion), og den synker til bunds.

3. Begravelse i havbunden

Når dyrene med kalciumkarbonatskeletterne dør, synker de til bunds. Her bliver de med tiden begravet under nye lag, der synker ned fra oven, sammen med den kvarts (silikatforbindelse), der blev tilovers ved dannelsen af deres skal.

Der hvor kontinentalpladerne mødes, vil den ene plade somme­tider bevæge sig ned under den anden, hvilket danner en såkaldt subduktionszone. Her føres de begravede lag af havdyrenes kalciumkarbonat og silikatforbindelserne sammen med kontinentalpladen ned i dybet.

4. Dannelse af nye bjerge

På et tidspunkt bliver tryk og temperatur så høje, at kalciumkarbonat og kvarts splittes op, og noget smelter. Atomerne sættes sammen på ny til den bjergart, det hele startede med, nemlig kalciumsilikaten wollastonit (CaSiO3):

CaCO3 + SiO2 –> CaSiO3 + CO2

Reaktionen frigiver det sidste af de to CO2-molekyler, der oprindeligt skabte forvitringen i bjergene. Det CO2-molekyle frigives med tiden tilbage til atmos­færen via vulkanudbrud og gejsere. Tektoniske bevægelser vil over mange, mange tusinde år løfte den nye kalk- og silikatrige bjergart op som bjerge, og så starter det hele forfra.

Spalteåbningerne, også kaldet stomata, er en livsnødvendig konstruktion på undersiden af alle blade. De optager nemlig CO2 til planten, som den skal bruge til fotosyntesen. Jo mere CO2 der er i atmosfæren, des færre stomata behøver planterne at lave, da de koster mere energi at danne end almindelige vævsceller. Geologer har derfor fundet ud af, at man kan måle antallet af stomata på de fossile blade og regne det om til, hvor meget CO2 der så må have været, da træet var i live.

Ved at sammenligne resultatet fra mange fossile blade (vurderet graf herunder) med CO2-estimater fra andre metoder (beregnet graf) kan man få en ret god ide om, hvordan CO2-niveauet har ændret sig gennem tiden.

+

Processer, der tilfører CO2 til atmosfæren                   

  • Vulkanisme
  • Gejsere
  • Biologisk nedbrydning af organisk materiale
  • Afbrænding af fossile brændsler

Processer, der fjerner CO2 fra atmosfæren

  • Planters fotosyntese, der danner organisk materiale.
  • Begravelse i undergrunden
  • Opløsning i havet

Jordens klimamaskine

Det er kulstofkredsløbet, der styrer Jordens klima. Ændring­er i omfang og hastighed på de forskellige kemiske reaktioner bestemmer nemlig, hvor meget CO2 der befinder sig i atmosfæren, og det er netop CO2-koncentrationen her, der styrer klimaet, forklarer professor Christian Bjerrum.

Da CO2 er en drivhusgas, vil forhøjede koncentrationer af CO2 medføre forhøjede temperaturer, og mindre koncentrationer af CO2 giver lavere temperaturer. Den mekanisme driver klimaforandringer og global opvarmning, hvilket er noget, som har svinget flere gange gennem Jordens historie.

Systemet søger altid mod ligevægt, men hvis der sker ændringer i en eller flere dele af kredsløbets delelementer, kan det skubbe systemet ud af balance. Over cirka hundrede tusinde år vil systemet selv reducere udsvinget og finde tilbage til den ligevægt, der var i udgangspunktet. Medmindre ændringen i systemet er tilpas stor eller permanent.

”Hvis ændringen er meget stor, kan det betyde, at balancen forskubbes så meget, at det ikke kan komme tilbage i ligevægt, men over tid finder en ny ligevægt,” forklarer Christian Bjerrum. Det betyder store ændringer i klima og miljø og kræver enorm tilpasningsevne hos levende organismer.

Dinosaurernes varme verden

Der findes flere eksempler på den slags udsving gennem tiderne, der med al sandsynlighed skyldes forskydninger i CO2-kredsløbet. Blandt andet i dinosaurernes storhedstid i Jura og Kridt for mellem 200 og 66 mio. år siden. Analyser af blandt andet fossile blade kombineret med computermodeller viser, at datidens CO2-koncentration lå mellem fire og ti gange højere end niveauet inden den industrielle revolution.


Figur 15 graf over fossile blade afslører fortidens CO2-niveau.

Fossile blade afslører fortidens CO2-niveau

Træarten Ginkgo Biloba har eksisteret i mange millioner år, og derfor har man fundet fossile blade med vidt forskellig alder, der kan fortælle om fortidens CO2-niveauer. Forsøg med levende ginkgotræer og andre planter viser nemlig, at jo mere CO2 der er i atmosfæren, des færre spalteåbninger har bladene. (Graf: Geoviden)


Andre geologiske analyser viser tilsvarende, at temperaturen i gennemsnit var mellem 3 og 15°C varmere end i dag.

”Det er ret kompliceret, men en vigtig pointe i forklaringen på ændringen i CO2-niveau i den periode er øget vulkanisme. Superkontinentet Pangæa var i færd med at splitte op og bevæge kontinenterne hen mod, hvor de er i dag. Det gav en stor vulkansk aktivitet langs randzonerne af de tektoniske plader, og flere vulkanudbrud sender mere CO2 ud i atmosfæren,” forklarer Christian Bjerrum.

De øgede CO2-niveauer fik derfor den globale temperatur til at stige og forblive relativt høj i hele perioden sammenlignet med i dag.

Uperfekt selvregulering

Her træder kulstofkredsløbets geniale, indbyggede genopretningssystem dog ind via den simple kendsgerning, at kemiske reaktioner forløber hurtigere ved højere temperaturer. Det betyder, at de kemiske reaktioner i kulstofkredsløbet, der er eksponeret for atmosfærens stigende temperaturer, begynder at gå hurtigere. Det vil sige hovedsageligt forvitringen, som foregår i den fri luft. Derfor begynder der i takt med den stigende temperatur at ske mere forvitring.

Som forklaret fjerner forvitring CO2 fra atmosfæren, og stigende forvitring fjerner derfor mere CO2. Med tiden medfører det, at drivhuseffekten på Jorden mindskes, så temperaturen langsomt falder igen. Det samme gør forvitringen på grund af temperaturafhængigheden. Det bringer til sidst systemet tilbage i balance.

”Eller i i hvert fald næsten, for reguleringsmekanismen er ikke perfekt,” tilføjer Christian Bjerrum.

Hvis den var, ville CO2-niveauet være konstant, og det er der ikke noget, der tyder på.

“Systemet er dog så tilpas selvregulerende, at det over lang tid holder CO2‘en nogenlunde fordelt i atmosfære, hav, organismer og undergrund, så det hele ikke ender i én af afdelingerne.”

Dengang og nu

Udligningen af balanceforskydninger tager dog lang tid, og derfor kan man ikke sammenligne Jura- og Kridttidens udsving i CO2-cyklussen med nutidens stigning i CO2-koncentration. Dengang skete ophobningen af CO2 i atmosfæren over flere millioner år. Nu er det sket på få århundreder. Derfor har kulstofkredsløbets reguleringsmekanismer ikke samme mulighed for at udligne stigningen.

”Hvis al udledning af menneskeskabt CO2 stoppede i morgen, ville det stadig tage cirka hundrede tusind år, før balancen kunne genfindes,” siger Christian Bjerrum.

Samtidig ville en temperaturstigning i stil med Jura- og Kridttidens temperaturer medføre havstigninger på over 70 meter, hvilket selvsagt vil oversvømme store dele af de områder, hvor der i dag bor mennesker.


Ekspert

Mød eksperten

Christian Jannik Bjerrum
Professor MSO i geologi


Geoviden 4 2006

Læs mere

Læs meget mere om kulstofkredsløbet og sammenhængen med klimaet i Geoviden 4, 2006 om Fortidens drivhusverden.

Læs magasinet her (pdf)

Flere indlæg
CO2 udledning igennem menneskets historie
Læs mere

Vil du vide mere?

Her kan du finde ekstra information og videre læsning om CO2 og CCS i tillæg til de artikler,…
Ekspert grafik
Læs mere

Mød eksperterne

I magasinet har 4 eksperter udtalt sig inden for deres fagspecifikke område af CCS og CO2-lagring Karen Lyng…