Kulstof (C) indgår i et kompliceret kredsløb mellem atmosfæren, oceanerne, biosfæren og Jordens indre. Dette naturlige kredsløb (kulstofkredsløbet) er normalt i balance, men det påvirkes af det menneskeskabte bidrag af drivhusgasser som CO₂ og CH₄. Siden industrialiseringen (ca. 1750) er CO₂-indholdet i atmosfæren steget med omkring 35 %.

Atmosfærens indhold er ialt steget med 4,1 Gt (Gigaton) pr år i perioden 2000-2005, hvilket svarer til over halvdelen af det menneskeskabte CO₂. Indholdet varierer meget fra år til år som et resultat af naturlige klimavariationer. Det kan derfor være svært at beregne den reelle størrelse af kulstoflagrene i kulstofkredsløbet.

Kulstofkredsløbet er i balance på et overordnet plan. De naturlige tilbagekoblingsmekanismer (se længere nede) reagerer langsomt. Det betyder, at de voldsomme menneskeskabte CO₂-udledninger påvirker kulstofkredsløbet hurtigere, end det kan nå at stabilisere sig. Derfor stiger indholdet af CO₂ i atmosfæren.

Hele vejen rundt om kulstofkredsløbet

1. Fra atmosfæren til oceanerne
Der udveksles omkring 90 Gt kulstof pr. år mellem oceanet og atmosfæren. Der er et nettooptag i oceanerne på omkring 2,2 Gt/år.

2. Fra menneskets aktiviteter til atmosfæren
Afbrænding af fossile brændsler: tørv, kul, olie, gas. Fra mennesket til atmosfæren afgives der i alt 7,2 Gt/år via afbrænding af fossile brændsler.

Nogle forskere (fra GEUS) mener, at udslippet ligger helt oppe på 22 Gt, hvorved ophobningen af kulstof i atmosfæren er langt større.

3. Fra geosfæren til atmosfæren
Der frigøres kulstof fra sedimentære lag, når de omdannes til krystaline bjergarter (silikatbjergarter som for eksempel feldspat) ved opvarmning.

Generel:
CaCO₃ + SiO₂ → CO₂ + CaSiO₃

Eksempel med dannelse af feldspat ud fra kalk og ler:
CaCO₃ + Al₂SiO₂O₅(OH)₄ ⇔ CO₂ + H₂O + CaAl₂Si₂O₈ (ikke afstemt)

Kulstoffet frigives ved vulkansk aktivitet. Der afgives ca 0,1 Gt/år CO₂ til atmosfæren via vulkansk aktivitet.

4. Fra atmosfæren til floder og søer (hydrosfæren)
Ved forvitring/nedbrydning af bjergarter, trækkes kulstof ud af atmosfæren. Kulstoffet ender i floder og søer eller i havet.

Forvitring af bjergarter ⇔ dannelse af kalksediment/skaller/skellet (koraller):
CO₂ + H₂O + CaCO₃ ⇔ Ca²⁺ + 2HCO₃^–

Ved forvitring af silicatbjergarter trækkes endnu mere kulstof fra atmosfæren, men den bruges også ved dannelse af kalksediment/skaller/skellet (koraller):
CO₂ + CaSiO₃ → CaCO₃ + SiO₂

Der trækkes i alt 0,2 Gt/år fra atmosfæren til hydrosfæren via forvitring af bjergarter.

5. Fra biosfæren til geosfæren
Gennem nedbrydning af organisk materiale overføres der omkring 0,2 fra biosfæren til geosfæren. Altså ved dannelse af sedimenter.

6. Fra atmosfæren til biosfæren
Der udveksles kulstof mellem biosfæren og atmosfæren på omkring 60-62 Gt/år. Det sker gennem fotosyntese og respiration, og forrådnelse af organisk materiale.

Der er et nettooptag i biosfæren på omkring 2,5. Dette kan dog vende, hvis fx den arktiske tundra tør, hvilket fører til, at en stor mængde CH₄ tilføres atmosfæren.

Fotosyntese: CO₂ + H₂O ⇔ C₆H₁₂O₆ +O₂ (ikke afstemt)

Respiration og forrådnelse: (C+O₂) + (H₂+O) ⇔ CO₂ + H₂O

Jordens samlede kulstofmængde er estimeret til at være omkring 1-7×10⁹ Gt. Dette tal er meget usikkert, og justeres jævnligt. Kulstoffet er fordelt i de forskellige sfærer, hvor størstedelen ligger i geosfæren, altså jorden.

Geosfæren

Geosfæren dækker over:

• de krystaline bjergarter, som udgør Jordens indre: fx granit, basalt og gnejs
• de sedimentære bjergarter: kalk- og silicatbjergarter: fx sandsten, kalksten og lersten
• fossile brændsler: olie kul, gas

Det er estimeret, at geosfæren binder omkring 15.000 Gt kulstof. Størstedelen af geosfærens kulstof er bundet i bjergarter. Der er dog stadig en stor del i de sedimentære bjergarter, som vekselvirker med kulstoffet i de andre sfærer. Det kulstof, der er bundet i de fossile brændsler, er estimeret til omkring 4.000 Gt.

CO₂, bjergkæder og sedimenter

Der optages CO₂ ved dannelse af sediment, både på land og i vand. CO₂‘en inkorporeres i tungtopløselige forbindelser og aflejres i for eksempel ler, kalksten og kridt eller bruges ved dannelse af kalkskaller eller kalkskeletter som for eksempel muslinger og koraller.

Sedimenter, både på landjorden og i oceanerne, indeholder i alt omkring 70.000 gange så meget kulstof, som der findes i atmosfæren. Der er en vekselvirkning mellem geosfæren og atmosfæren, idet der konstant frigives CO₂ via vulkansk aktivitet – både på landjorden og under havets overflade.

CO₂-optaget til dannelse af sediment er højt i perioder, hvor der dannes nye bjergkæder. Forvitringen (nedbrydningen af bjerget) er høj i nydannede bjergkæder, og der er derfor en høj rate af sedimentaflejring, specielt af ler og sand, og CO₂-optaget fra atmosfæren er højt. Atmosfæren drænes for CO₂, og klimaet er derfor køligt/koldt.

Gamle bjerge har en lav forvitringsrate, og derved dannes der kun en lille mængde sediment, og CO₂-optaget er lavt. Lavt CO₂-optag giver et højere indhold af CO₂ i atmosfæren og derved et varmere klima.

Atmosfæren

Der er omkring 730-760 Gt kulstof i atmosfæren, hvilket både dækker over CO₂ og CH₄. Atmosfæren vekselvirker med både geosfæren, biosfæren og hydrosfæren. Det er estimeret, at den samlede ophobning af kulstof pr. år i atmosfæren er omkring 11 Gt. (GEUS).

Atmosfæren får tilført kulstof fra:

• oceanerne
• biosfæren via respiration og forrådnelse
• geosfæren via vulkansk aktivitet
• menneskets afbrænding af fossile brændsler

Atmosfæren afgiver kulstof til:

• oceanerne
• biosfæren via fotosyntese
• geosfæren og hydrosfæren via forvitring af bjergarter

CO₂ optages naturligt fra atmosfæren af planter under fotosyntesen. Planterne trækker naturligt CO₂ ned i jorden, hvor den for eksempel danner kalciumbicarbonat. Ved regn udvaskes CO₂ fra jorden og føres ud i havet, hvor organismer som kiselalger optager CO₂ ved dannelse af kalkskaller.

Hydrosfæren

Hydrosfæren går ind over de andre sfærer, idet den dækker over alt vand på Jorden: Oceaner, floder, søer, grundvand, vand bundet i is og vand i atmosfæren.

Hydrosfæren anses ofte for at være en del af biosfæren.

Ved forvitring af bjergarter, optages kulstof fra atmosfæren. Sedimenterne føres via floder (hydrosfæren) til sedimentære aflejringer på land (søer) eller i oceanet.

Oceanerne indeholder omkring 38.000 Gt kulstof. Størstedelen er bundet i sediment, eller som opløst organisk eller uorganisk kulstof.

Der er en stor vekselvirkning mellem ocean og atmosfære på omkring 90 Gt/år begge veje. Oceanet optager dog nu en lille smule CO₂ fra atmosfæren i forbindelse med den Grønlandske pumpe i Nordatlanten. Nettooptaget ligger omkring 1,6 Gt/år fra atmosfæren til oceanet.

I forbindelse med dannelse af kalksedimenter på havbunden, sker der en lille nettoaflejring til havbunden på omkring 0,2 Gt/år. De aflejringer der sker i dybhavet, har et langstidsvarende kulstofdræn, idet vekselvirkningen mellem dybhavet og de andre sfærer er på mange hundrede år.

 

Biosfæren

Biosfæren dækker (normalt) over alt levende, inklusiv den jord og det vand, det lever i. Der findes store mængder kulstof i biosfæren, alt organisk materiale på landjorden (planter, dyr, muldjord) og i vand (sedimenter på havbunden, planter og dyr).

Det er estimeret, at der er bundet omkring 500 Gt i biosfærens levende del, mens der ligger omkring 1500 Gt bundet i dødt organisk materiale på jordoverfladen som fx humus eller tørv, eller på havbunden.

Der er tre primære processer i biosfæren, som er med til at få kulstofkredsløbet til at køre:

• Fotosyntese i planter: i gennemsnit optager planter 111 Gt CO2 pr år.
• Respiration fra dyr og planter: ca 49 Gt CO₂ afgives til atmosfæren pr. år
• Nedbrydning af organisk materiale: omkring 60 Gt CO₂ og CH₄ afgives til atmosfæren. Organismer, som aflejres i iltfattige områder, som fx moser og den Sibiriske tundra, binder CO₂, til det bliver ‘trukket ud’ ved tilførsel af ilt, fx afbrænding eller optøning.

Plantevæksten på Jorden afhænger af temperatur, vand, næringsindhold i jorden og CO₂-indholdet i atmosfæren. Indholdet af CO₂ i atmosfæren er altså afgørende for, hvor hurtigt nogle planter vokser, altså til øget vækst og dermed øget CO₂-optag. CO₂ frigives dog igen, når planten dør, for eksempel ved skovhugst og forrådnelse.

Det menneskeskabte bidrag

Fossile brændsler

Den CO₂, som mennesket udleder i kulstofkredsløbet, kommer hovedsageligt fra undergrunden, via afbrænding af kul, olie og gas. De fossile brændstoffer er organisk materiale, der har ligget under jorden i op mod 100 millioner år. Ved forbrænding omdannes kulstoffet i brændslet til luftarten kuldioxid (CO₂). Derved stiger atmosfærens indhold af kulstof.

Afbrænding af organisk materiale fra jordens overflade (fx træ), vil ikke øge atmosfærens koncentration af CO₂, så længe det afbrændte materiale erstattes af nyt forholdsvis hurtigt.

Landbrug

Bidraget fra landbruget (agerbrug) er lille, men meget interessant i forhold til det menneskeskabte bidrag. Den mængde CO₂, der bindes eller frigøres fra jorden, er meget tæt forbundet med menneskets brug af jorden – altså landbrug og markanvendelse. De øverste jordlag dræner atmosfæren for CO₂ ved dannelse af humus gennem fotosyntese. Hvis markerne ikke passes, sker der en udvaskning eller erosion af jorden, hvorved CO₂ frigives til atmosfæren. Skov optager CO₂ fra atmosfæren, mens fældning, afbrænding og opdyrkning af jorden frigiver CO₂. Skovrydning fører også til et øget udslip af CO₂. Dette modvirkes dog af, at et øget CO₂-indhold i atmosfæren stimulerer planternes vækst, og dermed bindes CO₂‘en igen.

Landbruget bidrager også med kulstof via kvægdrift og andre husdyrhold. Koprutter indeholder methan (CH₄), som frigives til atmosfæren. Der dannes samtidig lattergas fra husdyrenes afføring, når den spredes ud på markerne.

Tilbagekoblingsmekanismer

CO₂-koncentrationen i atmosfæren har ændret sig mange gange igennem Jordens historie. Det skyldes ændringer i den vekselvirkning, der sker mellem geosfæren og de andre sfærer.

Forvitring af bjergarter

I alt optages der to dele CO₂ ved nedbrydning af silikatbjergarter, mens der kun afgives en del CO₂ ved dannelse af kalksedimenter. Det betyder, at nedbrydningen af silikatbjergarter trækker CO₂ ud af atmosfæren.

Hastigheden af bjergarternes forvitring følger mængden af vand, temperatur og CO₂ i atmosfæren. Når atmosfæren har et højt CO₂-indhold, stiger temperaturen, og atmosfæren kan indeholde mere vand. Der er derved varmere, og der falder mere regn. Derved øges hastigheden på bjergarternes forvitring, hvilket fjerner CO₂ fra atmosfæren via hydrosfæren/biosfæren til geosfæren (sedimenter).

Denne proces menes at være vigtig, idet drænet af CO₂ fra atmosfæren er med til at stabilisere atmosfærens CO₂-indhold, fordi den kemiske reaktion er afhængig af temperatur.

Ophobning af sedimentære lag på land

Det organiske materiale i sedimenter, der ikke bliver iltet, ved at sedimentet bliver begravet, dræner også atmosfæren for kulstof. Denne proces er også vigtig, idet den er afhængig af planternes leveforhold og derved også temperatur. Processen er med til at stabilisere indholdet af CO₂ i atmosfæren.

Oceanerne

Når CO₂-koncentrationen i atmosfæren ændres, overføres størstedelen af det forøgede CO₂-indhold til verdenshavenes organismer. Men denne overførsel tager mange år.

Læs mere om klimaforståelse

Klimaforståelse
– Klimaforandringer og global opvarmning
– Hvad er klima?
– Drivhuseffekten
– Klimazoner
– Drivhusgasser
– Klimamodeller
– Kulstofkredsløbet (denne side)

 

Kilder

NOAH
DMI
Geoviden, 2006, 2: Klima
Geoviden, 2006, 4: Fortidens Drivhusverden – Indsigt for fremtiden
GO Naturgeografi – Jorden og Mennesket, 2. udgave

Denne artikel stammer oprindeligt fra Climate Minds, som er udviklet af Experimentarium i samarbejde med Dansk Energi og Energyminds.