Na początek sprecyzujmy – każda wzmianka o węglu dotyczy w niniejszym artykule węgla jako pierwiastka oznaczanego symbolem C. Podobnie jak ten artykuł, życie kręci się wokół niego. Uwielbia być związany z cząsteczką tlenu (symbol O2). Gdy do takiego małżeństwa dochodzi, powstaje dwutlenek węgla (CO2), a nowa para aż promienieje, emitując energię do otoczenia.
C + O2 → CO2 + energia
Bywa również i tak, że pod wpływem energii otoczenia dochodzi do „rozwodu”.
CO2 + energia → C + O2
Dodajmy do tego właściwie niezmienną ilość tych pierwiastków na Ziemi oraz nieprzerwany, stały dopływ energii na naszą planetę ze Słońca i mamy receptę na liczne związki i ich rozpady. W zasadzie na tym możemy poprzestać dalsze rozważania. Wszystko inne jest uwikłaniem otoczenia w te romanse.
Fotosynteza – budulec z powietrza
Podstawowym procesem zachodzącym w roślinach jest fotosynteza. Roślina mająca szczęście dostępu do promieni słonecznych (energia) oraz wody (H20) pobiera z powietrza cząsteczkę CO2. To wszystko co potrzebne, aby stworzyć podstawowy związek syntezowany przez rośliny, czyli glukozę – rodzaj cukru.
6H2O + 6CO2 + energia (słoneczna) → C6H12O6 (glukoza) + 6O2
Ilość energii słonecznej zużytej do wytworzenia jednego mola (to jest 602 214 076 000 000 000 000 000 cząsteczek) glukozy to 2872 kJ, inaczej – 687 kcal (kilokalorii). To zużycie energii słonecznej jest powodem, dla którego latem tereny zielone w mieście są wyraźnie chłodniejsze niż beton, który jedynie chłonie ciepło promieni i nagrzewa się nie zużywając energii do niczego innego.
Glukoza jest podstawowym, ale nie jedynym węglowodanem wytwarzany przez rośliny, które przechowują ją w skrobi. Inne związki roślin są jednak podobne, więc dla uproszczenia skupmy się tylko na glukozie. Przyjęliśmy myśleć o roślinach jako o producentach tlenu. Dokładniej jednak rośliny zainteresowane są jedynie „oderwaniem” węgla z cząsteczki CO2 i zwróceniem tego co pozostało – tlenu – do atmosfery.
Biorąc pod uwagę masę atomową poszczególnych pierwiastków tworzących glukozę, masa węgla stanowi aż 40 proc. masy cząsteczki C6H12O6, a z tego wynika, że aż 40 proc. suchej biomasy rośliny (np. suchego drewna) pochodzi… z powietrza.
Spalanie to odwrotność fotosyntezy
Proces spalania to inaczej „utlenianie” – przyłączanie atomów tlenu. W czasie tego przyłączenia emituje się ciepło, które w dużej ilości obserwujemy jako płomień. Eksperymentem łatwym do wykonania w domu jest zapalenie świeczki, a następnie zakrycie jej słoikiem. Po „wyczerpaniu” wolnego tlenu z powietrza pod takim przykryciem świeczka zgaśnie. Nie oznacza to, że ten tlen zniknął. Jest nadal pod słoikiem, ale teraz już w szczęśliwym małżeństwie z węglem, w postaci CO2. Na ściankach słoika osadzi się też para wodna. Opis spalania celulozy, budulca ścianek komórkowych roślin, to:
C6H10O5 + 6O2 → 6CO2 + 5H2O + energia (płomień)
a dla glukozy:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energia (płomień)
Porównując powyższe do równania reakcji fotosyntezy, obie strony równania są podobne tylko zamienione stronami. Różnią się troszkę energią, w fotosyntezie były to promienie słońca, a w spalaniu mamy płomień. Czyżby ten płomień to…? Tak, to promienie Słońca! Tylko gwałtownie wyemitowane w jednej chwili. Spalając gałązkę drewna dostaniemy tyle płomienia, ile promieni roślina pochłonęła w trakcie wzrostu o jej wagę. To naprawdę sporo. Innymi słowy, płomień to dawne promienie przyjęte przez roślinę.
Analizując równania fotosyntezy i spalania możemy zauważyć, że posadzone drzewo pochłonie pewną ilość CO2 (a dokładniej tylko węgiel z tej cząsteczki, bo tlen wróci do atmosfery). Gdy to samo drzewo spalimy, to wrócimy do poprzedniego stanu CO2 w powietrzu, zanim drzewo wyrosło. „Produkcja” dwutlenku węgla to nic innego jak przenoszenie atomów węgla z jednego miejsca w inne.
Zwróćmy uwagę również, że dwutlenek węgla musi występować w naturze i nie szkodzi (w umiarkowanym stężeniu) naszym organizmom, w końcu sami go też wydychamy. W kontekście ogólnego pojęcia „czystego powietrza” zdarzają się dyskusje nie oddające istoty problemu. Przykładem takiego może być rozważanie co jest lepsze dla środowiska: samochody napędzane silnikami diesla czy benzynowe, a oba mają wady:
- lokalny smog: diesle są pod tym względem gorsze od silników benzynowych, gdyż emitują więcej toksycznych NOx
- zmiany klimatyczne: silniki benzynowe są pod tym względem gorsze od diesli, bo na przejechany 1 kilometr spalają trochę więcej paliwa, co emituje więcej CO2 z paliw kopalnych
Królestwo zwierząt
Termin „związki organiczne” to określenie na cząsteczki bazujące na węglu i ta nazwa jest nieprzypadkowa. Wszystkie żywe stworzenia i ich budulec (białka, tłuszcze, węglowodany) są związkami węgla. Zwierzęta nie umieją dokonywać fotosyntezy, a jednak potrzebują węgla jako budulca. Potrzebują też energii do życia. Obie te potrzeby zaspokajają zjadając rośliny – tak robią zwierzęta roślinożerne, z dołu łańcucha pokarmowego. Zwierzęta wyżej w łańcuchu pokarmowym mają w swojej diecie także inne zwierzęta z niższych rejonów łańcucha, a te organizmy też zbudowane są ze związków organicznych, opartych na węglu.
Nasze najbardziej podstawowe funkcje życiowe to jedzenie i oddychanie. Przy wdechu wciągamy do płuc powietrze z tlenem (O2), a wydychamy powietrze z dwutlenkiem węgla (CO2). Gdy „chuchniemy” na lusterko ujawni się, że ponadto wydychamy parę wodną. Węgiel w wydychanym CO2 bierzemy z trawionego pokarmu, a sam ten proces kolokwialnie nazywamy „spalaniem” (kalorii). Nazwa całkiem trafna, ponieważ jej saldo jest takie jak spalania biomasy roślinnej z użyciem ognia. Zachodzą jeszcze przy tym etapy pośrednie na potrzeby magazynowania i transportu pokarmu do komórek, ale efekt końcowy jest taki sam. Często ulubionym źródłem energii jest cukier i wiedząc już, ile energii słonecznej rośliny zużywają do zsyntezowania glukozy, porównajmy to z energią otrzymywaną z pokarmu. Nie musimy daleko szukać, tabela żywieniowa produktu bogatego w cukry proste, np. cukru lub soku owocowego, zawiera informacje o kaloryczności. Spożyte 100 g produktu da nam około 400 kcal, to jest 4 kcal na każdy gram produktu.
Wróćmy ponownie do równania reakcji fotosyntezy z początku artykułu i powstającej w jej wyniku glukozy. Energia słoneczna pobrana przez roślinę do wytworzenia jednego mola glukozy, była potrzebna w ilości 687 kcal. 1 mol glukozy waży 180g, a to oznacza, że na każdy 1 g glukozy pochłonięto prawie 4 kcal promieni słonecznych. Kalorie zjadanego przez nas pokarmu ostatecznie pochodzą z promieni Słońca, a zwierzęta działają odwrotnie do roślin. Nawet jedząc mięso kury to budulec i energia zmagazynowana w mięsie pochodzi ze zjedzonych przez nią roślin. Ponadto pamiętajmy, że 40 proc. suchej masy roślin wzięło się z powietrza, podobnie można więc myśleć o mięsie.
Zdarza się, że osoby negujące globalne ocieplenie podnoszą argument, że należałoby… zakazać oddychania, ponieważ wydychamy CO2. Oddychanie jest takim samym procesem jak proces spalania roślin i saldo takiego procesu jest takie jak posadzenie rośliny, a następnie spalenie po jej wyrośnięciu. Jak wcześniej zauważyliśmy, końcowa ilość CO2 jest taka jak przed posadzeniem rośliny, zatem oddychanie samo w sobie nie przyczynia się do zwiększenia jego stężenia (o ile w procesie jego produkcji nie spalano paliw kopalnych, o czym w dalszej części artykułu).
Złudna równowaga
Zwierzęta potrzebują do życia tlenu „wyprodukowanego” (po oderwaniu O2 z CO2) przez rośliny. W roślinach zachodzi proces odwrotny. Gdyby pozwolić roślinom wzrastać w sposób nieograniczony, rosłyby do momentu pochłonięcia całego węgla dostępnego na planecie. A że ilość jest stała, to istnieje maksimum możliwej biomasy roślinnej jaka może istnieć na naszej niebieskiej planecie. W podobny sposób ograniczona jest całkowita biomasa zwierząt. W miarę, gdy rośliny, w toku ewolucji, usprawniały sposoby akumulacji węgla atmosferycznego, równolegle zwierzęta usprawniały mechanizmy „kradzieży” węgla z roślin przez ich konsumpcję. Ta wzajemna „gonitwa za węglem” może sprawiać wrażenie wzajemnego równoważenia się obu tych królestw. W końcu każde z nich uwalnia zasoby niezbędne dla drugiego królestwa. Mogłoby się wydawać, że potrzebujemy się nawzajem, ale jednak rośliny powstały na świecie wcześniej od zwierząt, a zjawiskiem naturalnie utrudniającym pochłonięcie całego dostępnego węgla przez rośliny były obecne od zawsze… pożary.
Energia ekstrasomatyczna
Organizmy zwierząt, nie będąc zdolnymi do fotosyntezy, opierają swoją taktykę pozyskiwania budulca/energii (węgla w związkach organicznych) na jego „kradzieży” z innych żywych organizmów. Presja ewolucyjna łagodniej obchodziła się z tymi zwierzętami, które energię oszczędzały (za wyjątkiem okresu dzieciństwa u ptaków czy ssaków, kiedy wysoka aktywność jest niezbędna do nauki dla późniejszego przeżycia). Pewnie dlatego lubimy się lenić i pomimo rosnących problemów z otyłością człowiek chętniej skorzysta z elektrycznej hulajnogi czy samochodu, zamiast pójść pieszo. Przypuszczalnie, dawne osobniki, które niepotrzebnie traciły energię częściej umierały z głodu.
W obecnych czasach jedzenia mamy w bród. Pierwotny, polujący człowiek potrzebował na dobę ok. 4000 kcal (powiedzmy 600 kcal/h polując, 70 kcal/h śpiąc). Współczesny człowiek potrzebuje ok. 2500 kcal na dobę. Przeciętny mieszkaniec Polski potrzebuje godziny, czasami dwóch, by zarobić na jedzenie o wartości kilku tysięcy kilokalorii. Za dzienną pensję mógłby zdobyć tyle kalorii w postaci żywności, że układ pokarmowy nie dałby rady strawić go w jeden dzień, a na pewno czułby się niezbyt dobrze po zjedzeniu tego wszystkiego. Układ pokarmowy, pozyskując energię z jedzenia, ma ograniczoną “przepustowość” i choćbyśmy zjedli nie wiadomo ile, to nie dostarczy więcej energii ciału, co najwyżej zamieni tę energię w tłuszcz. Poradziliśmy sobie z tym ograniczeniem odkrywając „energię ekstrasomatyczną”, to jest wykorzystując energię spoza ciała do realizowania naszych celów.
Egipski malunek sprzed ponad 3000 lat, przedstawiający chłopa poganiającego woły, które orzą ziemię, ilustruje naszą zdolność wykorzystania energii ekstrasomatycznej („kradzionej” wołom) do uprawy roślin, które posłużą jako pokarm (kolejna „kradzież” energii). Znacznie wcześniej ujarzmiliśmy ogień. Jest on jeszcze lepszy, bo to energia pozyskiwana bez zwierzęcych pośredników. Długo jednak nie umieliśmy wykorzystać ognia jako napędu, aż do czasu wynalezienia maszyny parowej. Silniki zastąpiły zwierzęta. 1 kg drewna daje ponad 4000 kcal. Efektywnie umiemy wykorzystać ledwie 10 proc. tego, ale jego kompaktowość, łatwość pozyskania, gwałtowność spalania i możliwość elastycznego sterowania spalaniem oferowały nową jakość w ekstrasomatycznej energetyce, którą nie dysponowaliśmy przy wykorzystaniu zwierząt.Mamy więc drewno i pierwsze maszyny parowe. Ale drewno ustąpiło paliwom kopalnym.
Paliwa kopalne
385 milionów lat p.n.e. pojawiły się pierwsze drzewa (były to Eospermatopteris) – super magazyny węgla. Rozprzestrzeniały się wychwytując węgiel, którego w powietrzu było mnóstwo. Gdy padały, np. ze starości, ale nie spłonęły to zawarty w nich węgiel nie uwalniał się do atmosfery, nie było jeszcze bowiem organizmów je konsumujących. Część z nich grzęzła gdzieś pod ziemią. Kolejne miliony lat to kolejne pokolenia drzew, które może i zużyłyby węgiel dostępny w powietrzu, ale ewolucja to też wyścig. W miarę jak rośliny usprawniały jego magazynowanie, pojawiły się pewne stworzenia. Około 290 milionów lat temu na Ziemi wyewoluowały grzyby białej zgnilizny (white rot of wood). Te grzyby zyskały umiejętność trawienia drewna i mając do dyspozycji wiele pni powalonych drzew, rozpoczęły wielką ucztę. Jednak niektóre z pni z wcześniejszego okresu 360-290 mln p.n.e. zdążyły już skamienieć i zmienić się w węgiel bitumiczny (tutaj chodzi nie o pierwiastek, lecz o węgiel kamienny lub brunatny), którego grzyby nie były w stanie trawić. Trawienie to spalanie, a spalanie to przyłączanie atomów węgla do tlenu i emisja jako dwutlenek do powietrza. Wspomniane wydarzenia są widoczne na wykresie prehistorycznych poziomów CO2 jako największy spadek w historii po powstaniu drzew, a następnie odbicie po powstaniu grzybów zgnilizny.
Grzyby węgla bitumicznego nie przetrawiły i pozostawał on bezpiecznie ukryty pod ziemią aż do XVIII wieku naszej ery, kiedy to osobniki z gatunku Homo sapiens odkryły ten skarb i zaczęły go stosować w maszynie parowej. Nowe gatunki, wliczając w to nas, które się w międzyczasie pojawiły, powstały w warunkach obniżonego CO2 w atmosferze, które od czasu pierwszego drzewa na planecie już nigdy nie powróciło do poziomu, którego pierwsze drzewa doświadczyły. Węgiel bitumiczny okazał się o tyle lepszy wydajniejszy od drewna, że 1 kg oferuje dwukrotnie więcej kalorii niż drewno, a efektywność spalania wynosi już ćwierć tego (przy drewnie 10 proc.), co daje już 2100 kcal/kg. Wzór chemiczny węgla kamiennego to C137H97O9NS – aż 137 atomów węgla (pierwiastka) w jednej cząsteczce! Złoża węgla dały początek dwóm innym paliwom kopalnym w innych stanach skupienia – ropie naftowej i gazowi ziemnemu. Ropa naftowa ma kaloryczność 10 000 kcal/l i umiemy ją spalać z 93 proc. efektywnością.
Te odkrycia zaoferowały nam olbrzymie ilości energii ekstrasomatycznej. Przywołując ponownie Polaka o przeciętnych dochodach, za 1 godzinę pracy kupi on 4 litry benzyny, z której uzyska na swoje potrzeby 37 000 kcal, to jest tyle ile wytworzy jego układ pokarmowy przez 2 tygodnie. A nadal uważamy, że benzyna jest droga. Przy zakodowanym skąpstwie w wydatkowaniu własnej energii, niechętnie odpuszczamy to źródło ekstrasomatyczne, od którego się uzależniliśmy.
Problem 1 – zmiany klimatu
Po odkryciu paliw kopalnych zaczęliśmy je gwałtownie wydobywać i spalać. Spalanie przyłączyło do atomów węgla tlen i powstało CO2 emitowane do atmosfery, skąd nie umiemy go już odebrać. Gdyby spróbować odwrócić proces – sadzić lasy, ścinać je i drewno (czyli uwięzione w nim atomy węgla) zakopywać w ziemi to będzie to rozwiązanie nietrwałe, bo w glebie są już grzyby zgnilizny i one po czasie uwolnią atomy węgla ponownie do atmosfery.
Nasza planeta jest ciepła, nagrzana przez Słońce, ale też przez ciepło z jej gorącego rdzenia i stale promieniuje z niej 398 watów energii z każdego metra kwadratowego (uśredniając). Jako promieniowanie podczerwone przepływając ku kosmosowi napotyka na swej drodze w atmosferze „kocyk” otulający naszą kochaną planetę, w postaci mieszanki różnych gazów. Niektóre z nich nie umieją tego ciepła zatrzymać, podczas gdy na inne oddziałują niektóre części widma podczerwieni (różne rodzaje gazów są podatne na inne części widma). Należą do nich m.in. para wodna, CO2, tlen, azot, metan. Spośród 398 W/m2 emitowanego ciepła „gazowy kocyk” zatrzyma aż 340 W/m2. Część widma niezaabsorbowana, nazywana „oknem atmosferycznym” przepłynie dalej do kosmosu.
Gdyby nie ten „kocyk”, Ziemia miałaby temperaturę -18 st. C zamiast obecnie obserwowanych +15 st. C. Jeszcze 60 lat temu obserwowaliśmy 0,9 st. C mniej. Widmo podczerwieni, które CO2 absorbuje, leży na krawędzi okna atmosferycznego, zawężając je. Dwutlenku węgla nie umiemy wychwycić, zatem jego wpływ na ocieplenie jest trwały. Jego stężenie w porównaniu do epoki preindustrialnej, wzrosło z 270 ppm. (particles per cubic meter – cząsteczek na metr sześcienny) do 407 ppm. Ta różnica powoduje zatrzymanie przez „kocyk” dodatkowego 1,5 W/m2 ciepła i odbicie go z powrotem ku Ziemi. Skupiamy się tu jedynie na CO2, ale dwutlenek nie jest jedynym winowajcą odpowiedzialny za wzrost globalnej temperatury. Przyczynia się za to także do większego zakwaszenia oceanów, stanowiących 2/3 powierzchni globu.
Czy możemy uwięzić węgiel obecny w atmosferze prowadząc intensywne zalesianie? Tak, ale trzeba brać pod uwagę pożary i procesy gnilne. Musielibyśmy stale utrzymywać dodatnie saldo żywych roślin, tak by było ich więcej niż drzew spalonych lub obumarłych i podlegających wówczas procesom gnilnym.
Zmiany klimatu – czy możemy się do nich przystosować?
Można by mieć nadzieję, że nasz gatunek, jako nadzwyczaj inteligentny, coś wymyśli i sobie z ociepleniem poradzi, choćby korzystając z klimatyzacji. Niestety, znajdujemy się na samym końcu łańcucha pokarmowego, więc bezpośrednio lub pośrednio zależymy od każdego elementu w tym łańcuchu. Jeśli puści w nim jedno oczko, to możemy tego nie przetrwać.
Od czasu, gdy 360 mln p.n.e, gdy atmosferycznego dwutlenku węgla było najwięcej, powstały m.in.:
- 250 mln lat temu – koralowce rafotwórcze, bez nich oceany zamieniają się w podwodne pustynie
- 200 mln lat temu – pierwsze ssaki
- 2 mln lat temu – pierwsze gatunki ludzi
- 250 tys. lat temu – współczesny człowiek
Liczby robią wrażenie, ale w skali Ziemi nie są to odległe wydarzenia. Żaden z tych organizmów nie jest przystosowany do rosnących temperatur czy coraz bardziej kwaśnej wody w oceanach. Gatunki potrzebują kilkuset tysięcy lat na przystosowanie się do ewolucyjnej presji. My zauważalnie zmieniliśmy klimat w zaledwie kilkaset lat, od XVIII wieku. Działamy tysiące razy szybciej. Ewolucja nie jest w stanie za nami nadążyć.
Czy samochody elektryczne pomagają w walce z globalnym ociepleniem? Samochód spalinowy jest skazany na napędzanie paliwami kopalnymi, więc taki pojazd zawsze przyczynia się do globalnego ocieplenia. Z kolei przy aucie elektrycznym to zależy od sposobu produkcji prądu, który go napędza. Jeśli ze źródeł odnawialnych, to jego węglowy ślad jest (prawie) zerowy. Jeśli został wytworzony przez spalanie kopalin, np. węgla kamiennego w elektrowni węglowej, to ma nawet gorszy wpływ od „benzyniaka”, gdyż po uwzględnieniu strat elektrowni, strat przesyłu i przechowania jego ślad węglowy na każdy kilometr jest nawet dwukrotnie większy. Na pewno za to „elektryk” jest lepszy ze względu na lokalny smog. Należy dodatkowo zauważyć, że nawet pojazd stuprocentowo “węglowo” neutralny nie zmniejsza efektu cieplarnianego. Jedynie się do niego nie przyczynia.
Problem 2 – wyczerpanie kopalin
Chcemy czy nie, nie doczekamy się powstania kolejnych pokładów kopalin. A te, z których korzystamy kiedyś się skończą. Od czasu odkrycia węgla bitumicznego populacja świata wzrosła siedmiokrotnie, napędzając gospodarkę paliwami kopalnymi, które obecnie stanowią źródło 80 proc. energii zużywanej przez ludzkość.
Gatunki natrafiające na olbrzymie źródła ograniczonych zasobów doświadczają gwałtownej ekspansji populacji, a następnie zapaści po ich wyczerpaniu. Tak dzieje się z poczciwymi drożdżami:
Również ssaki mają swój punkt graniczny (czyli także my). Dobrym przykładem jest populacja reniferów, które introdukowano na wyspę św. Mateusza (morze Beringa). Wyspa porośnięta była dywanem porostów grubym na ponad 10 cm. Kiedy w 1944 r. sprowadzono na nie stado liczące raptem 29 osobników, to już w 1957 r. było ich 1350. W 1963 r. stado liczyło 6 tys. osobników. Ale raj nie trwał wiecznie. 6 tys. sztuk ogołociło wyspę i już rok później większość z nich padła z głodu. Przy życiu pozostało tylko 41 samic i jeden samiec.
Przy okazji znaleźliśmy świetny komiks, który opowiada historię nieszczęsnych reniferów – Wyspa Św. Mateusza, autorstwa Stuarta McMillena, który jest autorem komiksów o zacięciu ekologicznym i socjologicznym. Autora można wesprzeć przez portal Patreon.
Bez przejścia na odnawialne źródła energii stoimy przed ryzykiem drastycznej redukcji ludzkiej populacji. Mamy ewolucyjnie zakodowane oszczędzanie własnej energii, więc chętnie przyjmujemy poprawę komfortu życia, a dramatycznie reagujemy na jego obniżanie. Podwyżki cen paliwa już wywołały zamieszki w Ekwadorze i Francji (ruch “Żółtych Kamizelek”). Wyczerpanie paliw to już nawet nie kwestia droższego przemieszczania się samochodem, ale także problem wielkich migracji. Migracji związanych do tego z ociepleniem i wiążącym się z nim widmem głodu.
Co możemy?
Fenomen życia jest nierozerwalnie związany ze śmiercią. Węgiel jest walutą, o którą żywe stworzenia zabiegają. To motor wielu działań, a w naszej ludzkiej, ekstrasomatycznej wersji te działania mają rozmach gigantyczny. Teoretycznie, jako jednostka mamy niewielki wpływ na otoczenie. Zauważmy jednak, że to miliardy takich jak my sprawiły, że w atmosferze pojawiło się tyle dwutlenku węgla, że ten niegroźny teoretycznie dla nas związek może sprowadzić na nas zagładę. Co możemy zrobić? Sadzić drzewa? I dbać, by żyły długo i szczęśliwie? | CHIP
Jędrzej Sobański