Stężenie 400 ppm dwutlenku węgla w atmosferze osiągnięte

Kiedy w Polsce obchodziliśmy Dzień Flagi, w obserwatorium na Hawajach zarejestrowano rekordowy poziom stężenia dwutlenku węgla (CO₂) w atmosferze. Wieczorem, 2 maja 2013 r., po zachodzie słońca, kiedy ustała fotosynteza, stężenie CO₂ w atmosferze dobiło do rekordowego poziomu 400 ppm czyli do 0.04%. To najwyższa wartość od czasu zainstalowania czujników w 1958 r. Mało tego, to największe stężenie w ciągu ostatnich 800 tys. lat.

Obserwatorium znajduje się w pobliżu szczytu hawajskiego wulkanu Mauna Loa (Mauna Loa Observatory - MLO) i dostarcza obecnie danych pomiarowych z najdłuższej, nieprzerwanej obserwacji stężenia CO₂ w atmosferze ziemskiej. Krzywa zmian nazywana bywa krzywą Keelinga od nazwiska Charlesa Davida Keelinga, który w 1956 zainicjował program pomiaru stężenia ditlenku węgla w atmosferze a w 1958 roku doprowadził do otwarcia obserwatorium na Hawajach.

Obserwatorium na Hawajach (MLO)

Od 2 maja stężenie CO₂ cały czas oscyluje wokół 400 ppm, co prawda średnia dobowa jest nieco niższa, ale maksymalne stężenie 3, 7 i 8 maja przekraczało 0.04% CO₂ w atmosferze. Kiedy rozpoczęto rejestrację pod koniec lat 50-tych - stężenie wynosiło w granicach 315 ppm. Szacuje się, że tzw. średnia przed-industrialna to 280 ppm.

Stężenie dwutlenku węgla w atmosferze od 2 do 8 maja 2013 r. zmierzone w obserwatorium na Hawajach.

400 ppm rejestrowano już w ubiegłym roku w arktycznych stacjach pomiarowych, ale to właśnie wskazania hawajskich mierników, ze względu na swoje położenie na środku oceanu traktowane są jako średnia dla całej Ziemi. Tak więc możemy uznać, że właśnie 2 maja 2013 r. padł globalny rekord nie pobity od conajmniej 800 tys. lat.

Stężenie ditlenku węgla w ostatnich 800 tys. lat. Widać olbrzmi skok obecnego stężenia. Część badaczy sądzi, że przekroczyliśmy granicę, gdzie stężenie będzie przyrastało w sposób wykładniczy (wg Scripps Institution of Oceanography).

Średnie stężenie dobowe CO₂ niebawem spadnie o kilka ppm-ów, co jest związane z rozpoczęciem wegetacji roślin półkuli północnej. Rośliny w procesach fotosyntezy pobierają dwutlenek węgla z atmosfery, stąd charakterystyczny ząbkowany przebieg krzywej Keelinga, związany z porami roku. Jak się domyślacie, najwyższe stężenie CO₂ spodziewane jest tuż przed rozpoczęciem wiosennej fotosyntezy na półkuli północnej, gdzie znajduje się większość lądów. Spadek jednak nie przekracza 10 ppm i w przyszłym roku bariera 400 ppm będzie pokonana znacznie wcześniej.

Krzywa Keelinga. Zielona linia oznacza 400 ppm (wg MLO).

Jaka będzie przyszłość? Stężenie będzie rosło, przynajmniej przez najbliższe lata. Za naszego życia świętować będziemy przekroczenie 450 a może i 500 ppm. W ubiegłym roku ludzie wyemitowali do atmosfery 36 miliardów m³ CO₂, o 1 miliard więcej niż w poprzednim roku. I to tylko z powodu recesji. Magiczna wartość krytycznego stężenia dwutlenku węgla przesunięta została na 450 ppm. Tej granicy nie powinniśmy przekroczyć, podobno. Zakłada się, że przy stężeniu 450 ppm CO₂ średnia temperatura na Ziemi wzrośnie o 2^oC. Póki co, nie jesteśmy na to przygotowani, przynajmniej my Polacy. Wystarczy popatrzeć na to jak się budujemy.

Źródła:
ESRL Global Monitoring Division - Mauna Loa Observatory (MLO)
Fot. w nagłówku - Plaża na Hawajach Photo Credit: Justin Ornellas via Compfight cc

Czytaj więcej

Bakteryjne ogniwa paliwowe

 Do ekologicznych źródeł energii, oprócz paneli słonecznych i wiatraków, dołączyć można także bakterie wytwarzające prąd elektryczny. Planując budowę domu, warto się nad tym zastanowić. Opracowany niedawno system pozwala na wygenerowanie prądu elektrycznego zdolnego do pokrycia rocznego zapotrzebowania na energię dla niewielkiego gospodarstwa domowego. Wszystko czego potrzeba do uzyskania prądu to trochę bakterii oraz niewielka działka, gdzie odkładałaby się materia organiczna. Jej rozkładem zajmowałyby się bakterie, wytwarzając przy okazji prąd elektryczny. Okazuje się, że z takiej bakteryjnej mini-elektrowni można będzie uzyskać wydajność rzędu 3.2 Watt/m². W sumie, ze 100 m² powierzchni fermentujących roślin można będzie wyciągnąć 2800 kWh/r. Dla porównania, w Polsce gospodarstwo dwuosobowe rocznie zużywa około 3100 kWh energii elektrycznej.

Dla nieobeznanych z tematem brzmi to nieco fantastycznie. Dla nieco bardziej zorientowanych kojarzyć może się z biopaliwami. Te, w Polsce często łączone są z tzw. biokomponentami, które, zgodnie z unijnymi dyrektywami mają być dodawane do oleju napędowego. Tym razem chodzi jednak o coś zupełnie innego. Chodzi o tzw. ogniwa paliwowe (ang. fuel cell), a nawet więcej, chodzi o bakteryjne ogniwa paliwowe. Ogólnie rzecz biorąc całość prac nad bakteryjnymi ogniwami paliwowymi związana jest z bio-elektrochemicznymi procesami jakie zachodzą przy udziale bakterii. Po części pokrywa się to z ideą samych ogniw paliwowych, znanych już od połowy XIX w.

Ideę ogniwa paliwowego streścić można w prosty sposób: to energia uzyskiwana z reakcji chemicznego utleniania dostarczanego do niej paliwa. Wygląda to w ten sposób, że paliwo jako darczyńca (donor) elektronów (ang. donor) gromadzi się na anodzie oddzielonej od akceptora elektronów (ang. acceptor) specjalną membraną, która przepuszcza tylko protony. Ruch elektronów z anody do katody, czyli prąd elektryczny, odbywa na zewnątrz membrany się przez odbiornik energii. Jako membrany (ang. PEM - Polymer Electrolyte Membrane) stosuje się obecnie polimery fluorowe. Warto jeszcze dodać, że ogniwa paliwowe, w odróżnieniu od tzw. zwykłych baterii, nie wymagają wcześniejszego naładowania. Nie magazynują prądu, ale za to wytwarzają go już od momentu rozpoczęcia reakcji utleniania.

Schemat działania ogniwa paliwowego: 1) wodór; 2) ruch elektronów; 3) odbiornik; 4) tlen; 5) katoda; 6) membrana; 7) anoda; 8) woda; 9) jony (żr. wikipedia)

Jak łatwo się można zorientować, wykorzystanie takiego ogniwa niesie ze sobą wymóg dostarczania paliwa, co może być ekonomicznie nieopłacalne. Kolejnym progiem jest sprawność energetyczna samego ogniwa. Teoretycznie może ona wynosić do 83%, jednak w praktyce, w przypadku pojazdów mechanicznych uzyskuje się w tej chwili ok. 40% sprawność. Niewątpliwym jednak atutem jest ekologiczna czystość odpadów podczas uzyskiwania takiej energii. W obecnie stosowanych ogniwach paliwowych, paliwem dostarczanym do ogniwa jest najczęściej wodór, zaś produktem ubocznym woda (para wodna). Jak widać kolejnym atutem są także w zasadzie niewyczerpane źródła wodoru.

Ale - właśnie problem z dostawą wodoru do układu ogniwa paliwowego powoduje, że ogniwa wodorowe są obecnie drogie i trudno sobie wyobrazić coś w rodzaju takiego ogniwa zaopatrującego dom w energię elektryczną. Gdybyśmy chcieli zrealizować taki pomysł musielibyśmy mieć dostęp do źródła wodoru, najlepiej w postaci skroplonej. Łatwo się zorientować, że koszt działania takiej instalacji mógłby przewyższać cenę wyprodukowanej energii. Próbuje się temu zaradzić łącząc ogniwo wodorowe np. z wiatrakami lub panelami słonecznymi, które produkują wodór. Jednak to taka hybryda, która trochę rozmywa pomysł stosowania ogniwa paliwowego.

Najpopularniejsze zastosowanie, czy też cieszące się największym zainteresowaniem potencjalnych nabywców, ogniwa paliwowe znalazły w przemyśle motoryzacyjnym. Honda, Toyota czy Mercedes mają w swej gamie samochodów również modele wykorzystujące ogniwa paliwowe. Na razie są to pojazdy prototypowe, ale obejmują one także autobusy, które będą mogły być wykorzystywane w centrach dużych miast, gdzie zanieczyszczenie powietrza, może skutecznie wyeliminować ruch konwencjonalnych pojazdów benzynowych. W rur wydechowych będzie wylatywać para wodna. Oczywiście potrzeba do tego sieci dystrybucji wodoru, ale niektóre państwa pewnie będzie stać na stosunkowo szybką rozbudowę takiej sieci. Można nawet w ciemno stawiać w pierwszym rzędzie na Niemcy, gdzie już dziś do centrów miast mogą wjeżdżać tylko samochody o odpowiednio niskiej emisji spalin. No i jeszcze jedno, cena w salonie za takie autko. Na razie za drogo, nawet dla Niemców, ale Toyota obiecuje, że już za parę lat wprowadzi na rynek model za ok. 50 tys dolarów.

Honda FCX - model na wodorowe ogniwo paliwowe za nieco ponad 100 tys. $ (źr. Honda News)

Oprócz samochodów, próbuje się konstruować również inne pojazdy, typu motorów, statków czy łodzi podwodnych. W USA, na wyspie Stuarta uruchomiono także elektrownię, która działa na zasadzie pętli: panele słoneczne → elektroliza wodoru → ogniwo paliwowe → prąd elektryczny. Sama wyspa zamieszkana jest przez 800 mieszkańców i elektrownia traktowana jest na razie jako eksperyment, tym bardziej, że jej sprawność wynosi zaledwie ok. 7%.

Wróćmy jednak do bakterii. Bakteryjne ogniwa paliwowe z angielska zwane microbial fuel cells (MFC) związane są z bio-elektrochemicznymi systemami (ang. BES). W takim systemie bakteria reaguje z elektrodami, anodą i katodą czyli donorem i akceptorem, transportując pomiędzy nimi elektrony. Donorem (anodą czyli paliwem) może być tak jak poprzednio wodór, ale mogą być także metale (żelazo, mangan) czy też kwas mrówkowy. Akceptorem jest oczywiście tlen. Do warunków takiej wymiany elektronów czyli płynięcia prądu elektrycznego przewodzonego przez bakterie może dochodzić w kilku przypadkach i przy udziale kilku typów bakterii.

W pierwszym typie MFC bakterie hodowane są w oddzielnym zbiorniku gdzie w efekcie swojego metabolizmu wytwarzają wodór dostarczany do ogniwa paliwowego. Mamy więc klasyczne rozwiązanie, gdzie beztlenowe bakterie, np. Escherichia coli wytwarzają wodór w wyniku fermentacji kwasów mieszanych. Podobno najlepiej sprawdza się kwas masłowy i bakteria z rodzaju Clostridium.

W drugim typie jako paliwo używany jest wodór, siarkowodów i kwas mrówkowy. Całość, donor i akceptor, znajduje się w tym samym zbiorniku. W ogniwie biorą udział bakterie siarkowe z rodzaju Desulfovibrio, które żyją z redukcji siarczanów.

W trzecim typie MFC do przekazywania elektronów służą tzw. mediatory redoks, które przedostają się do wnętrza komórki bakteryjnej, gdzie ulegają redukcji. Zredukowany mediator opuszcza komórkę bakterii i szybko ulega utlenieniu na elektrodzie nie osiadając na niej. W tym przypadku bakterie pełnią tylko rolę redukcji mediatorów-paliw. Jako przykład takiego duetu może służyć wymieniana już pałeczka okrężnicy Escherichia coli i błękit metylowy jako mediator.

Do czwartego typu MFC należą bakterie które bezpośrednio łączą paliwo z anodą, czyli przekazują na nią elektrony. Ten typ bakteryjnego ogniwa paliwowego jest najbardziej wydajny i nad nim skupia się większość prac badawczych. Jak to wygląda? W gruncie rzeczy związane jest to ze sposobem komunikowania się ze sobą bakterii. Bakterie potrafią przekazywać informacje o swoim stanie i otoczeniu innym bakteriom w pobliżu. Oczywiście, najszybszą metodą są sygnały optyczne rozchodzące się przecież z prędkością światła, jednak nie zawsze można z nich skorzystać. Wtedy najlepszym sposobem jest bezpośredni kontakt. który bakterie realizują w różny sposób. Najczęściej stosowanym sposobem jest łączenie się bakterii w zespoły wielu komórek, które działają jak jeden organizm.

Fragment bakteryjnego biofilmu - widać cienkie pili łączące ze sobą bakterie (źr. adonofrio)

Wielokomórkowe agregaty bakteryjne mogą tworzyć cienkie powłoki pokrywające różne powierzchnie, tzw. biofilm. W takim biofilmie pojedyncze bakterie połączone są z innymi bakteriami zewnątrzkomórkowymi wypustkami zwanymi pili. Pili tworzą skomplikowaną sieć powiązań międzykomórkowych, a sygnał pomiędzy komórkami przekazywany jest przy pomocy ładunku elektronów. Trochę przypomina to strukturę mózgu. Dość dobrze poznaną bakterią, która w ten sposób przewodzi prąd, jest rodzaj Shewanella. Doświadczenia przeprowadzano w osadach bogatych w materię organiczną i pozbawionych tlenu, tzw. osadach anoksycznych. Wtedy gdy kolumna wody ponad osadem także pozbawiona była tlenu, w osadzie nie obserwowane żadnych zmian. Gdy jednak do dna dostarczono trochę tlenu okazało, że materia organiczna i zgromadzony w strefie anoksycznej siarkowodór uległy gwałtownemu utlenieniu, któremu towarzyszyła jednoczesna redukcja strefy utlenionej oraz wzrost alkaliczności wody (pH). Jedynym wytłumaczeniem był proces transportu elektronów wzdłuż bakteryjnych pili, które zyskały miano nanokabelków (ang. nanowires). W późniejszych badaniach okazało się, że nie tylko bakteryjne pili mogą przewodzić prąd elektryczny.

Prąd może być także transportowany wzdłuż bakteryjnych nitek, tzw. filamentów. Skala tego zjawiska jest już znacznie większa, gdyż filamenty przewodzące prąd mogą mieć do kilku centymetrów długości i kilka mikrometrów grubości. Mimo, że to wciąż bardzo mało (ponad 100 metrów takiego kabelka mieści się w 1 cm³ osadu), to jednak mikrokable (ang. microcables) mają już potencjał do wykorzystania przez człowieka.

Bardzo ciekawym przykładem bakterii siarkowych, które tworzą rozległe pola mat bakteryjnych wypuszczających w głąb osadu, długie na kilkanaście cm filamenty, są gigantyczne bakterie z rodzaju Thioploca. Filamenty takich bakterii mogą mieć do 1.5 mm średnicy, na dodatek łączą się w wiązki, które pokryte są wspólną osłonką - taki splot kabelków w koszulce. Bakterie te operują w strefie pomiędzy anoksyczną a utlenioną, tzw. suboksycznej, dbając o to, żeby nie było w niej ani za dużo siarki, ani za dużo tlenu. Energię czerpią z utleniania siarczków w głębokiej części strefy ankosycznej przy pomocy azotanów z pogranicza strefy anoksycznej i suboksycznej, jako ostatecznych akceptorów.

Wracając do początku, do działki z bakteriami produkującymi prąd, sytuacja wyglądałaby podobnie jak w czwartym typie bakteryjnych ogniw paliwowych, gdzie bakterie utleniałyby butwiejącą w strefie anoksycznej materię organiczną. Początkiem całego łańcucha jest oczywiście fotosynteza, czyli wzrost roślin, które po obumarciu dostają się do osadu pozbawionego tlenu, gdzie dochodzi do procesów gnicia, tworzenia się siarczków i ostatecznie metanogenezy. Bakterie działające na granicy stref anoksycznej i tlenowej generowałyby ruch elektronów w stronę tlenowego akceptora wzdłuż swoich filamentowych struktur.

Schemat działania PMFC (źr. Nature)

Cały pomysł tzw. Plant Microbial Fuel Cell (PMFC) jest w tej chwili opracowywany na uniwersytecie w Wageningen w Holandii, gdzie założono spółkę typu spin-off o nazwie Plant-e, która chce wykorzystać rośliny z nadmorskich równi pływowych i bagien. W przypadku braku działki, na której mogłyby takie rośliny rosnąć, Holendrzy proponują produkcję bakteryjnego prądu na płaskich dachach. Zobaczymy jak spółka się rozwinie, bo sam projekt ma być wcielony w życie do 2015 roku.

Źródła:
Huettel M, Forster S, Kloser S, & Fossing H (1996). Vertical Migration in the Sediment-Dwelling Sulfur Bacteria Thioploca spp. in Overcoming Diffusion Limitations. Applied and environmental microbiology, 62 (6), 1863-72 PMID: 16535328

Nielsen, L., Risgaard-Petersen, N., Fossing, H., Christensen, P., & Sayama, M. (2010). Electric currents couple spatially separated biogeochemical processes in marine sediment Nature, 463 (7284), 1071-1074 DOI: 10.1038/nature08790

Pfeffer, C., Larsen, S., Song, J., Dong, M., Besenbacher, F., Meyer, R., Kjeldsen, K., Schreiber, L., Gorby, Y., El-Naggar, M., Leung, K., Schramm, A., Risgaard-Petersen, N., & Nielsen, L. (2012). Filamentous bacteria transport electrons over centimetre distances Nature, 491 (7423), 218-221 DOI: 10.1038/nature11586

Rabaey K, Rodríguez J, Blackall LL, Keller J, Gross P, Batstone D, Verstraete W, & Nealson KH (2007). Microbial ecology meets electrochemistry: electricity-driven and driving communities. The ISME journal, 1 (1), 9-18 PMID: 18043609

Reguera G (2011). When microbial conversations get physical. Trends in microbiology, 19 (3), 105-13 PMID: 21239171

Sikora, A. & Sikora, R. 2005. Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe. Biotechnologia, 2: 68-77.

Fot. w nagłówku: na amerykańskim rynku już pojawiły się dystrybutory z wodorem (źr. flickr)

Czytaj więcej

Szczelinowanie i sekwestracja dwutlenku węgla - dwa w jednym

Pomysł wykorzystania skroplonego dwutlenku węgla do zabiegów szczelinowania wydaje się posunięciem rozwiązującym dwa, a nawet trzy problemy za jednym zamachem. Z jednej strony uzyskujemy dostęp do pokładów gazu uwięzionego w łupkach, z drugiej strony pozbywamy się nadmiaru CO₂, a z trzeciej strony nie musimy obawiać się o dostęp do wody używanej do tej pory do szczelinowania.

O szczelinowaniu pisałem już wcześniej i chyba każdy, komu choć trochę obiło się o uszy hasło gaz łupkowy wie mniej więcej na czym to polega. Jednak jak wspomniałem idea szczelinowania dwutlenkiem węgla rozwiązuje jeszcze problem jego sekwestracji.

Sekwestracja CO₂ to nic innego jak wtłaczanie dwutlenku węgla pochodzącego głównie z emisji związanej ze spalaniem węglowodorów z powrotem pod ziemię. Skoro człowiek uwolnił spore ilości tego gazu cieplarnianego do atmosfery, i póki co nie zanosi się na jakieś drastyczne zmniejszenie emisji, to dobrze byłoby CO₂ wyłapywać i wtłaczać z powrotem do skał. Tworzylibyśmy coś w rodzaju takich podziemnych śmietników na dwutlenek węgla. Skały wykorzystane do sekwestracji muszą być odpowiednio porowate, żeby przyjąć gaz wtłaczany do siebie i muszą też być odpowiednio odizolowane od atmosfery, żeby CO₂ nie ulatniało się do niej. Na takie podziemne zbiorniki idealnie nadają się pokłady gazu łupkowego, np. sylurskie łupki w Polsce. Dlaczego?

Idea sekwestracji dwutlenku węgla (wg LeJean Hardin i Jamie Payne CC-BY-SA)

Przede wszystkim wynika to z właściwości samego dwutlenku węgla. Na powierzchni i w atmosferze występuje w stanie gazowym, ale pod pewnym ciśnieniem i w odpowiedniej temperaturze można go skroplić. Dla CO₂ wartości punktu krytycznego ciśnienia i temperatury, w którym występuje jako ciecz, wynoszą ok. 300^o K dla temperatury i ok. 100 atm dla ciśnienia. Powyżej tych wartości CO₂ występuje w stanie cieczy nadkrytycznej (ang. supercritical fluid). I takie właśnie warunki panują na głębokościach większych od 1000 m. Przypomnę tylko, że w Polsce łupki sylurskie zalegają z reguły znacznie głębiej, ok. 3 km, a więc tam CO₂ byłby utrzymywany w stanie płynnym. Głównie za sprawą ciśnienia. Na powierzchni, aby skroplić CO₂, lepiej go schłodzić, żeby nie wytwarzać zbyt dużych ciśnień.

Właściwości dwutlenku węgla w zależności od ciśnienia i temperatury (wg Benn Finney i Mark Jacobs CC)

Jak widać samo przechowywanie czyli sekwestracja CO₂ głęboko pod ziemią teoretycznie wygląda dość fajnie. Jednak wykorzystanie dwutlenku węgla do szczelinowania zamiast wody to już inny, poważniejszy problem. Głównie za sprawą lepkości skroplonego CO₂, która jest o rząd wielkości mniejsza od wody. Sprawą zajęli się Japończycy, którzy na Uniwersytecie w Kioto laboratoryjnie sprawdzili możliwość wykorzystania CO₂ do szczelinowania. Całość badań prowadzono na kostkach granitowych o boku 17 cm. Okazało się, że płynny CO₂ rozszczelnia skałę bardziej niż woda. Mało tego, siatka spękań dla CO₂ w stanie cieczy nadkrytycznej jest bardziej przestrzenna niż w przypadku szczelinowania płynnym CO₂. Zatem wtłoczony CO₂ na pewnej głębokości zyskuje na wartości jako środek szczelinujący. Zresztą w przypadku szczelinowania wodą, siatka spękań ma też tendencję do układania się w równoległe pasy, zgodne z uwarstwieniem. CO₂ pozwoliłoby tę siatkę bardziej rozprzestrzenić. Do tego Japończycy stwierdzili, że dwutlenek węgla wymaga mniejszych ciśnień do szczelinowania niż roztwór wodny.

Szczelinowanie CO₂ ma jeszcze jeden aspekt, o którym nie wspomniałem. Pozwala wywołać większy wypływ metanu ze skały niż w przypadku wody. Wynika to z tego, że łupki chętniej wchłaniają, na drodze reakcji chemicznej, dwutlenek węgla niż metan czy wodę. Tak więc, otwory byłyby bardziej produktywne, zwiększając opłacalność wydobycia.

Po prostu nic, tylko przyklasnąć projektowi. Będziemy mogli wyciągnąć z łupków więcej metanu, a jednocześnie będziemy mogli pozbyć się nadmiaru CO₂. Na zakończenie jeszcze wspomnę, że w Polsce działa Krajowy Program Rozpoznanie formacji i struktur do bezpiecznego geologicznego składowania CO₂ wraz z ich programem monitorowania. Ciekawe czy rozważane są w nim pomysły mózgowców z Kioto?

ps. Dziękuję Maciejowi Ćwikowi, Mateuszowi Orzechowskiemu i Karolowi Jewule za dyskusję i motywację do napisania tego postu.

Źródła:
Ishida, T., K. Aoyagi, T. Niwa, Y. Chen, S. Murata, Q. Chen, & Y. Nakayama (2012). Acoustic emission monitoring of hydraulic fracturing laboratory experiment with supercritical and liquid CO2 Geophys. Res. Lett, 39 DOI: 10.1029/2012GL052788

fot. w nagłówku: Skroplony dwutlenek węgla w temperaturze pokojowej, fot. Mu6 CC-BY-SA

Czytaj więcej

Wypalanie traw i dinozaury w płomieniach

Sezon wiosennego wypalania traw w pełni. Strażacy dwoją się i troją, a my w wolnych chwilach możemy zająć się pożarami w czasach dinozaurów, czyli w mezozoiku. Pożary na Ziemi są tak stare jak lądowa materia organiczna i tak powszechne jak stężenie tlenu. Zależność jest prosta - im więcej tlenu, tym częstsze pożary. W dziejach Ziemi mamy dwa takie okresy kiedy tego tlenu w atmosferze było znacznie więcej niż obecnie. Pierwszy to przełom karbonu i permu - koniec palezoiku, a drugi to koniec mezozoiku czyli kreda.

Tym razem przyjrzyjmy się kredzie (145 - 65 mln lat temu). Okazją do rozważań (oprócz wiosennego wypalania traw) są dwa świeżutkie artykuły: Marynowskiego (2012) oraz Brown i innych (2012). Oba dotyczą pożarów mezozoicznych choć Brown et al. (2012) skupiają się głównie na kredzie. Kreda, znana ze swego specyficznego cieplarnianego klimatu, jest też okresem kiedy stężenie tlenu było o wiele wyższe niż obecnie. Nie ma zgody co do konkretnej wartości stężenia tlenu, ale spośród wielu danych, wszystkie wskazują na więcej niż 21% pod koniec kredy. Skrajnie wartości przyjmują nawet ponad 30% (Brown et al., 2012), ale są pewnie przesadzone (patrz komentarze poniżej).

Przy takim stężeniu tlenu temperatura samozapłonu jest bardzo niska. Poza tym palić się może prawie wszystko co rośnie na ziemi. Nawet roślinność bagienna. Istny raj dla wypalaczy traw, których jednak brakowało w kredzie. W kredowym klimacie cieplarnianym nie byli jednak potrzebni. Temperatury były znacznie wyższe niż obecnie, zatem niewiele brakowało do samozapłonu. Poza tym klimat był o wiele bardziej niestabilny, więc wyładowania atmosferyczne były znacznie częstsze. I to one wzniecały pożary.

Spopielone liście paproci kredowych (Brown et al., 2012)

Okazuje się, że pożary roślinności były normą pod koniec kredy. Spośród wielu stanowisk osadów lądowych z tego okresu znaleziono mnóstwo węgli drzewnych i popiołów świadczących o tym, że stale coś musiało się palić. Częste pożary pełniły wieloraką funkcję w złożonym ekosystemie kredowym.

Po pierwsze, ogień zużywa sporo tlenu, więc jego stężenie było niejako kontrolowane częstotliwością pożarów. Taki mechanizm samoregulacji. Z drugiej strony pożary sieją spustoszenie wśród pokrywy roślinnej przyspieszając erozję. Przy często zdarzających się burzach i wezbraniach wody, ten mechanizm powoduje częste powodzie. Prowadziło to do wypłukiwania wielu związków mineralnych i odprowadzania ich do oceanu, co z kolei powodowało wzrost produkcji organicznej w morzach. Stąd tak popularne w kredzie czarne łupki bogate w węglowodory - obecnie główne złoża ropy i gazu ziemnego. Dowody na takie właśnie środowisko życia dinozaurów przynoszą analizowane sekwencje osadowe z węglami drzewnymi.

Wody powodziowe tuż po pożarze niosą mnóstwo spopielonej materii organicznej (Brown et al., 2012)

Kreda jawi się jako świat płomieni, które prawdopodobnie były również motorem napędzającym ewolucję roślin okrytozalążkowych. Dinozaurom nie było lekko. Musiały walczyć z dymem i ogniem, podobnie jak dzisiejsi strażacy. Tyle, że one miały małe mózgi i nie miały wyboru. Czy jest jakaś analogia pomiędzy nimi a wiosennymi podpalaczami?

Źródła:
Marynowski, L. (2012). Mezozoiczne pożary - ich rozprzestrzenienie i znaczenie w trakcie zdarzeń globalnych Przegląd Geologiczny 60 link
Brown, S., Scott, A., Glasspool, I., & Collinson, M. (2012). Cretaceous wildfires and their impact on the Earth system Cretaceous Research DOI: 10.1016/j.cretres.2012.02.008

Fot. w nagłówku: John McColgan PD


[Edit] Ponieważ szablon blogu przyciął komentarze i sporo informacji umknęło, pozwolę sobie wkleić poniżej całą dyskusję, łącznie z poprawionymi linkami do cytowanych artykułów. Myślę, że dzięki Wam komentującym post zyskał bardzo dużo [MK] 


makroman pisze...

Moje wątpliwości co do płomiennego przyspieszacza erozji zlikwidowało by znalezienie skamieniałości świadczących o spopielaniu także korzeni.

Co do reszty to zgoda

12 kwietnia 2012 09:32

Mariusz Kędzierski pisze...

Zakładam, że palą się tylko nadziemne części roślin. Po pożarze, kiedy nie ma pokrywy roślinnej znacznie obniża się tzw. warstwa graniczna, więc wiatr z łatwością może wysuszać i wywiewać cząstki gleby. Tylko w przypadku bardzo wysokich temperatur podziemna część będzie uwęglona.
Poza tym, zanim powróci wegetacja, woda z ulewnych deszczów wymyje ziemię razem z korzeniami niespalonych roślin. To może działać tak jak wyrąb lasów, gdzie korzenie drzew zostają w glebie.
Dla mnie to spojrzenie na kredę pokazuje po raz kolejny, że dogmat o aktualiźmie jest mocno przereklamowany :)

12 kwietnia 2012 10:39

Tomasz Skawiński pisze...

Późnokredowe "wypalanie" (czyli po prostu pożar) traw (oczywiście z dinozaurami w tle) to bardzo prawdopodobny obrazek, ale pamiętam dobrze, jak jeszcze całkiem niedawno mówiono, że żadne dinozaury nie mogły jeść trawy (ani tym bardziej wypalać), bo ta powstała dopiero 40 mln lat temu.

Druga refleksyjka, tym razem co do klimatu kredowego. Powszechnie przyjmuje się, że był to okres cieplarniany - i faktycznie, większa część kredy rzeczywiście cechowała się znacznie wyższymi temperaturami niż obecnie, ale istniały też okresy, kiedy średnia roczna temperatura prawdopodobnie nie przekraczała ok. 10 °C (choć to i tak cieplej niż współcześnie w Polsce), jak miało to miejsce we wczesnej kredzie na terenach dzisiejszej prowincji Liaoning (gdzie indziej pewnie też, ale jakoś się tym nie interesowałem). Pewnie nawet padał tam śnieg, a i pożarów nie było zbyt dużo :)

12 kwietnia 2012 23:44

Arctic Haze pisze...

Co do klimatu kredy, to był on chłodny tylko z początku. Była w literaturze przedmiotu dyskusja czy na granicy jury z kreda nie było epoki lodowej. Dowodami na jej istnienie miały być kamyczki (dropstones) gubione przez góry lodowe w osadach morskich wysokich szerokości geograficznych i chyba jakieś mniej lub bardziej wątpliwe moreny ("podejrzane" gliny zwałowe). W sumie wygląda na to, że były aktywne lodowce ale nie było lądolodu. Czyli było cieplej niż w chwili obecnej gdy mamy Antarktydę i Grenlandię pod lodem. A potem było już tylko cieplej (chociaż Bornemann i inni 2008 http://dx.doi.org/10.1126/science.1148777 próbowali się doszukać krótkiej epoki lodowej 91,2 mln lat temu). Artykuł przeglądowy na ten temat to Price 1999 "The evidence and implications of polar ice during the Mesozoic", Earth-Science Reviews 48 1999 183–210.

Mam też wątpliwości co do tych 30% tlenu w kredzie. Stwierdzenie takie pada we wpisie: "Skrajnie wartości przyjmują nawet ponad 30% (Brown et al., 2012)". Problem w tym, że artykuł Brown et al. 2012 nie powinien być źródłem tego stwierdzenia. W abstrakcie jest tam napisane: "This increased fire activity has been linked to elevated atmospheric oxygen concentrations, predicted as in excess of 21% throughout this period and 25% during some stages". Czyli nie 30%, a 25% - a i to w porywach. Co ciekawe w tekście artykułu nie pada nawet 25%, a raczej "trochę ponad 21%". Oto co piszą o tym:

"Models have varied in their predictions of Cretaceous atmospheric oxygen concentration (Berner et al., 2003; Bergman et al., 2004; Berner, 2006, 2009; Glasspool and Scott, 2010)(Fig. 1 ). Berner (2009) predicted levels below present until the Albian, rising just above 21% thereaf ter. Bergman et al. (2004) predicted levels significantly above present throughout the Cretaceous but reaching their highest during the Cenomanian. Similarly, Glasspool and Scott (2010) predicted levels above present throughout the Cretaceous but more moderately so and peaking at about the Albian e Cenomanian transition".

Te 30% występują jedynie na wspomnianym rysunku (Fig. 1). Wygląda na to, że Glasspool i Scott 2010 rekonstruują wartości miedzy 25% a 30% przez kilka milionów lat w środkowej kredzie, a bardzo zgrubna rekonstrukcja Bergman i inni 2004 http://lgmacweb.env.uea.ac.uk/ajw/Reprints/Bergman_Lenton_Watson_AmJSci_2004.pdf nawet ponad 30%. Jednk u nich ta ich nadwyżka istnieje nadal w trzeciorzędzie co raczej wygląda na błąd ich modelu COPSE niż na rzeczywistość. Ich model ma inne podejrzane wyniki, jak na przykład brak spadku koncentracji tlenu na granicy permu i triasu, o którego wpływie na ewolucje kręgowców tak przekonywająco pisze Peter D. Ward w swojej książce "Out of thin air" (polecam!).

Fakt nie komentowania tych wartości w artykule oraz pewna rozbieżność miedzy abstraktem a treścią artykułu świadczą moim zdaniem o tym, że recenzent (był może sam Berner) kazał im poskromić entuzjazm bo tak naprawdę ta nadwyżka tlenu w kredzie mieści się w granicach błędu metod rekonstrukcji na podstawie modeli biogeochemicznych.

Zatem radziłbym poprawić te 30% we wpisie bo to budzi niepotrzebną sensację w sytuacji gdy tak naprawdę nie wiemy o ile, a nawet czy w ogóle koncentracja tlenu była wtedy wyższa(ja bym napisał, że "prawdopodobnie była nieco większa niż dzisiaj", mniej więcej jak Brown i inni w tekście swego artykułu).

13 kwietnia 2012 09:09

Mariusz Kędzierski pisze...

@Tomasz Skawiński: Trawy to raczej w kredzie nie jadły, analogia dotyczyła pożarów, które co roku o tej porze otaczają mnie, więc poczułem się przez chwilę jak te dinozaury w kredzie. Z drugiej strony, parę lat temu ukazał się art. (ale nie pamiętam już gdzie) i późnokredowym dino znalezionym w Indiach, który miał w przewodzie pokramowym coś co wyglądało na roślinę spokrewnioną z ryżem. Miał to być dowód na to, że już w kredzie mogły być pierwsze trawy (zapewne niezbyt jeszcze powszechne).

13 kwietnia 2012 10:26

Mariusz Kędzierski pisze...

@Arctic Haze: Debata o klimacie kredy pewnie będzie jeszcze powracać nie raz. Ostatnio ukazał się art. Follmiego o klimacie wczesnej kredy w którym autor pisze: "Early Cretaceous climate oscillated between “normal” greenhouse, predominantly arid conditions, and intensified greenhouse, predominantly humid conditions" (Cretaceous Research 35:230-257). Jak widać, nie wspomina o zlodowaceniach. Raczej przeciwnie. Z całego mezozoiku trias wydaje się najchłodniejszy, zaś na przełomie keloweju i oksfordu Dromart et al (2003) postulują 2 mln epokę lodowcową. W kredzie rzekome dropstony znajdowano również w angielskim chalku, ale dopóki sam nie zobaczę tego na własne oczy nie uwierzę. Widziałem już takie dropstony w turonie, które później okazały się debrytami (spływy gęstościowe - debris flow).
Co do wartości tlenu, w istocie, napisałem na podstawie fig. z art. Brown, ale te wartości Bernera jednak funkcjonują w obiegu (patrz np.: Nick Lane "Tlen. Cząsteczka, która stworzyła świat", Prószyński i s-ka, ISBN 83-7337-936-3, również gorąco polecam), zaznaczyłem w tekście, że są to skrajne wartości (nawet), więc chyba dobrze się zabezpieczyłem :) W moim odczuciu, rzeczywiście, te 30% to bardzo dużo, i jak pisze Lane: "w 25% stężeniu nawet wilgotna materia organiczna spala się z łatwością"; więc 30% to paliłoby się wszystko, łącznie z tropikalnymi lasami. Z drugiej strony, cytowany Marynowski podaje dla późnej kredy wartości % tlenu niewiele różniące się od obecnych (w skrajnych przypadkach 23-24% wg krzywej Bernera z 2009) i twierdzi, że do wzniecenia pożaru roślinności wegetatywnej potrzeba conajmniej 545 st. C.
A propos pożarów w historii Ziemi polecam też art Bowmana i in. 2009 (tak, tak, to ten od słoni w Australii).

13 kwietnia 2012 10:58

makroman pisze...

1 - zawartość tlenu w "kredowej" atmosferze to rzecz dla wydźwięku artykułu kluczowa.
2 - jeśli istotnie sięgała ona 30% MUSI to mieć odzwierciedlenie w budowie ówczesnego życia i w taki sposób powinno buc weryfikowane.
3 - to czy płonęły trawy czy paprotniki nie ma większego znaczenia, te drugie palą się podobnie, jednak ze względu na inną budowę przyziemnych partii roślin inaczej będzie ich dopalania przebiegało- trawy po prostu spalą się i zgasną, nie naruszając korzeni, zaś paprotniki będą tliły się niczym papierosy - stąd moje wcześniejsze pytanie. W atmosferze 30% tlenowej nastąpi krótki gwałtowny quasi wybuch, opalenie części nadziemnych i samoczynne wygaśniecie, znacznie groźniej jest w atmosferze uboższej, zamiast "fuknięcia" mamy intensywne spalanie które uszkadza również system korzeniowy - czyli faktycznie wpływa na przyspieszenie erozji.
4 - teza o pożarach regulujących stężenie O2 w powietrzu, jest co najmniej problematyczna.

13 kwietnia 2012 11:47

Mariusz Kędzierski pisze...

Zacytuję Lane'a: "Jak wiemy, zawartość tlenu w powietrzu może wzrastać tylko wtedy, gdy ilość tlenu produkowanego w reakcji fotosyntezy przewyższa ilość tlenu zużywanego w procesach oddychania oraz utleniania skał i gazów pochodzenia wulkanicznego. Dzieje się tak, kiedy duże ilości materii organicznej zostają wyłączone z obiegu. Szczątki organiczne odcięte od dopływu powietrza nie ulegają utlenieniu, nie zamieniają się w dwutlenek węgla, a nieużyty tlen pozostaje w stanie wolnym. A ponieważ jak wspomniałem, zwęglone drzewa łatwiej wyłączyć z obiegu materii niż zwyczajny martwy materiał roślinny, ostatecznym wynikiem pożarów jest wzrost ilości odłożonego w ziemi węgla i w efekcie wzrost poziomu tlenu w powietrzu. To z kolei jeszcze bardziej zwiększa prawdopodobieństwo pożaru i w konsekwencji ilość tlenu wzrasta, aż do zniszczenia życia na lądzie. Dopiero wtedy gdy ustanie fotosynteza roślin lądowych, poziom tlenu zacznie powoli spadać [..]" itd.
Ten mechanizm jest nieco uproszczony do do redukcji poziomu tlenu włącza się jeszcze roślinny enzym rubisco, ale w tak to właśnie wygląda.
Raz uruchomiony mechanizm przy przekroczeniu progu tzw. okna ognia, zdaje się byc samonapędzający, więc nie dziwi mnie, że pod koniec kredy te stężenia mogły być duże i pożary częste (aż do wymierania pod koniec kredy).

13 kwietnia 2012 14:13

Mariusz Kędzierski pisze...

I jeszcze dodam, że współcześnie martwe drewno wraca do obiegu dopiero po kilkudziesięciu latach. Jeśli zostanie zwęglone do postaci węgla drzewnego, to dopiero w piecu :)
Widać to na przykładzie węgli karbońskich, gdzie większość węgla pochodzi z węgli drzewnych. To jest potężny mechanizm wyłączania węgla z obiegu.
Co do odpowiedzi świata organicznego na wysokie stężenie tlenu, to Brown i koledzy stwierdzili, że właśnie to głównie wpłynęło na rozwój roślin okryzalążkowych.

A być może przyczyniło się też do upowszechnienia się latania wśród ptaków (gęstość powietrza), być może też gigantyzm wśród dinozaurów był tym spowodowany. Pospekulować zawsze można :)

13 kwietnia 2012 14:26

Tomasz Skawiński pisze...

@Mariusz Kędzierski: Artykuł o "trawiastych koprolitach" tytanozaura z mastrychtu był w Science (Prasad i in. 2005; http://www.cerealsdb.uk.net/CerealsDB/Documents/PDFs/Dinosaur_coprolites_and_the%20_early_evolution_of_grasses_and_grazers.pdf). Autorzy sugerują, że trawy wyewoluowały jeszcze zanim Indie oddzieliły się od reszty Gondwany (jeśli tak, to całkiem sporo dinozaurów mogło mieć z tymi roślinami kontakt), na co miałaby wskazywać obecność przedstawicieli co najmniej pięciu współczesnych kladów traw.

13 kwietnia 2012 15:05

Mariusz Kędzierski pisze...

Własnie! O ten artykuł mi chodziło. Byłem pewien, że będziesz wiedział :)

13 kwietnia 2012 15:11

Mariusz Kędzierski pisze...

Przepraszam Czytelników i Komentujących jeśli Wasza przeglądarka obcina komentarze z prawej strony. Mam wrażenie, że jest to spowodowane wklejaniem długich linków (dłuższych niż szerokość kolumny). Szablon bloggera nie jest w stanie podzielić takiego linku, więc rozszerza kolumnę komentarza poza ramkę. Żeby uniknąć takiej sytuacji można linki zapisywać w postaci kodu htmla href=, wtedy powinno być dobrze i ułatwi to korzystanie z linków (będą "klikowalne").

13 kwietnia 2012 15:26

 Tomasz Skawiński pisze...

Oj, więc to chyba moja wina :( Przepraszam i obiecuję poprawę w przyszłości.
Nie ma możliwości edytowania komentarza? Nawet dla moderatora/administratora?

13 kwietnia 2012 15:57

 makroman pisze...

Biorąc pod uwagę iż lwia cześć tlenu "produkowana" jest w morzach i oceanach (teraz tak jest i nie ma żadnych przesłanek by uważać że wtedy było inaczej)argumentacja Lane'a jest co najmniej wątpliwa.
to samo się tyczy "magazynowania" węglą w spalonym drewnie...

Od siebie dodam iż tak węgiel drzewny jak i kamienny w momencie kontaktu z tlenem ulegają samoczynnemu procesowi utleniania. czasami na skutek tego dochodzi do samozapłonów, natomiast składowane na hałdzie z biegiem czasu wyraźnie tracą na kaloryczności.
Inaczej mówiąc do odłożenia węgla dochodzi w wyniku zasypań, lawin błotnych, gwałtownych powodzi (namuł) w przeciwnym wypadku - spalone czy nie i tak stosunkowo szybko ulega procesom redukcji.

13 kwietnia 2012 16:03

 Mariusz Kędzierski pisze...

Nie, to nie Twoja wina, tylko szablonu bloggera :)
Juz kiedyś zdarzył mi się taki przypadek, ale wtedy nie wiedziałem dlaczego. Teraz też nie wiem na 100% ale domyślam się, że to o to chodzi.
Komentarze jak na razie nie są moderowane, nie było takiej potrzeby, a po opublikowaniu już można je tylko usunąć lub oznaczyć jako spam.
Ale może to jest jakaś myśl, z tym moderowaniem, hm..
Trzymaj się i nie zniechęcaj do dalszych komentarzy, proszę :)

13 kwietnia 2012 16:04

 Mariusz Kędzierski pisze...

@makroman: martwe drewno potrzebuje w naszym klimacie kilkudziesięciu lat aby się rozłożyło, węgiel drzewny jeszcze więcej.
Węgle kamienne na Ziemi nie tworzyły się zawsze, ale własnie w okresach zwiększonej zawartości tlenu (głownie karbon-perm oraz kreda-paleogen). Szybkie, czyli przed rozłożeniem drewna (węgla drzewnego), pogrzebanie jest warunkiem koniecznym, ale niewystarczającym.

13 kwietnia 2012 17:29

Tomasz Skawiński pisze...

Jeśli tylko będę miał coś ciekawego do napisania ;)

13 kwietnia 2012 17:41

Czytaj więcej