Användarverktyg

Webbverktyg


koldioxid

Koldioxid

Koldioxid1) är en mycket vanlig gas, som är lukt- och färglös i normala temperaturer. För närvarande (juli 2013) utgör den omkring 397 ppm2) av atmosfärens volym, en ökning på en ppm sedan juli 2011. Koldioxid har en signifikant biologisk betydelse, spelar en viktig roll för jordens klimat och har många industriella tillämpningar.koldioxid.jpg

Koldioxid är en växthusgas3) och bildas vid fullständig förbränning av kolföreningar i syre. Vid förbränning av biomassa ökar inte halten av koldioxid i atmosfären, så länge biomassan tillåts växa upp igen och åter absorbera samma mängd koldioxid. Vid förbränning av fossila bränslen som kol, petroleum, naturgas, oljeskiffer, tjärsand, sopor och vid gasfackling4) 5) återförs kol som varit utanför kretsloppet väldigt länge. Såvida inte återfört kol binds i ny biomassa, så ökar koldioxidhalten i atmosfären.

Koldioxid tas upp i vatten, speciellt i världshaven, vars pH6) är över 7.0. Då regn faller över områden i världen där det finns kalksten och kalkhaltig lera binds också koldioxid. Kalciumkarbonat, CaCO37), reagerar med koldioxid, bundet i vatten, s.k. kolsyra, H2CO38). Kalciumvätekarbonat, Ca(HCO3)29) bildas istället.10)

Koldioxid är livets gas

Utan koldioxid dör både växter och djur

Debattartikel i Eskilstunakuriren av Ludmila Hell, fysiklärare

Koldioxid är vitamin för alla vitaminer. Den är förutsättningen för allt liv på jorden. Ändå räknar Nationalencyklopedin koldioxid som en luftförorening. Koldioxid är den grundläggande regulatorn av kroppens funktioner och vitamin för alla vitaminer. Den reglerar aktiviteten hos enzymer och vitaminer. Om koldioxiden inte räcker till, fungerar alla enzymer och vitaminer onormalt. Då får man en ämnesomsättning, som leder till allergier, cancer och saltutsöndring. Syre har en rengörande funktion i kroppen. Cellerna i kroppen måste ständigt rengöras. Speciellt känsliga är hjärnceller, som kan dö på grund av syrebrist. I en frisk människa är förhållandet mellan koldioxid och syre 3:1.

Koldioxid finns i öl, mousserande vin, de flesta sorters läsk samt i kvinnans befruktade ägg och i fostrets blod. Ett nyfött barn har en hög halt av koldioxid i blodet. Den är byggnadsmaterial för alla växter, som utgör mat för djuren. Den får vårt bröd att jäsa. Den dödar bakterier i vatten och håller det rent. Den verkar som ett konserveringsmedel med koden E290. Den är färglös, utan lukt och smak.

I fotosyntesen tar växterna upp koldioxid ur luften samt vatten och små mängder mineraler ur marken. Deras klorofyll använder solens energi till att slå samman kol från koldioxiden med väte från vattnet för att skapa kolhydrater, som bygger upp växternas vävnader. Det frigjorda syret släpps ut i luften, som vi sedan kan andas.

I Jordens barndom bestod atmosfären mest av koldioxid. Växtligheten blev enorm. Dels producerade den syre till luften och dels lagrades döda växter ovanpå varandra och bildade efter miljontals år bergarten stenkol. Detta utgör således lagrad solenergi, som frigörs då vi bränner upp det och återför koldioxiden till luften.

I luften finns nu 21 procent syre och 0,04 procent koldioxid. Den senare är den viktigare för livet: Utan syre dör djuren, men växterna överlever. Utan koldioxid dör både växter och djur.

Inom biologin säger man att varje organism upprepar Jordens evolution i individens utveckling: Från encellig varelse till fisk till apa till människa. Koldioxiden är en oumbärlig del av ämnesomsättningen. Människans celler behöver ta upp 6-7 procent koldioxid och bara 2 procent syre. Kvinnans befruktade ägg har under de första dagarna en nästan syrefri miljö, eftersom syre helt enkelt är skadligt. Fostrets blod har en låg syrehalt och en hög koldioxidhalt jämfört med en vuxen människas. Överskott av syre är dödligt, eftersom syre är ett starkt oxidationsmedel, som kan förstöra cellväggarna.

För ett normalt liv krävs 7-7,5 procent koldioxid i vårt blod. Sjunker halten till 4 procent innebär det omedelbar död. Vi får den av maten, vars proteiner, fetter och kolhydrater oxideras av syre och bildar koldioxid i vävnaderna. Den lilla höjning vi sett av luftens halt från 0,03 procent till 0,04 procent har varit gynnsam för mänskligheten. Öknarna har minskat, skördarna ökat och Jorden har blivit cirka 10 procent grönare. Någon annan inverkan på klimatet tycks den inte ha.

Koldioxid är ingen förorening utan Livets Gas.

Solens strålar

Solljuset utgörs till stor del av strålning på våglängder där jordens atmosfär är genomskinlig. För den långvågigare värmestrålningen från jordytan är atmosfären däremot bara delvis genomskinlig. Det mesta av värmestrålningen fångas upp av vattenånga, koldioxid och andra växthusgaser.

I atmosfären släpper koldioxiden igenom solens strålar men minskar värmeutsläppet från jorden. Ökad mängd koldioxid ökar därmed värmen något, men förklarar inte helt den uppmätta ökningen. En fördubbling av mängden koldioxid från tiden före industrins genombrott bör ge ungefär en grads förhöjd temperatur. Denna värmeökning ger i sin tur upphov till effekter som ökar respektive minskar värmen.

Solljuset utgörs till stor del av strålning på våglängder där jordens atmosfär är genomskinlig. För den långvågigare värmestrålningen från jordytan är atmosfären däremot bara delvis genomskinlig. Det mesta av värmestrålningen fångas upp av vattenånga, koldioxid och andra växthusgaser. 11)


Koldioxidhalten i atmosfären

IPCC skriver i AR5 att koncentrationen av CO2 är högre än de varit under de senaste 800.000 åren. CO2 har ökat med 40% sedan förindustriell tid främst pga utsläpp från fossil förbränning och i andra hand genom utsläpp från markanvändning. Haven har absorberat omkring 30% av den antropogena koldioxiden vilket lett till en försurning. 12)

mauna_loa.jpgDiagrammet visar resultat av mätningar av koldioxid vid Manua Loa. Den röda linjen visar antalet koldioxidmolekyler i torr luft i förhållande till samtliga molekyler. När solen mest lyser på norra halvklotet ökar mängden för att sedan minska något mindre när solen mest lyser på södra halvklotet.

Den genomsnittliga koncentrationen13) är ca 400 koldioxidmolekyler per miljon molekyler (ppm) i volym (eller 591 ppm i massa). Den totala mängden koldioxid i atmosfären är 3,16×1015 kg, dvs ca 3.000 gigaton.

Koncentrationen varierar säsongsvis och per region speciellt på marknivå. I städer har koncentrationen allmänt högre och inomhus kan den uppgå till 10 gånger den genomsnittliga koncentrationen. Koldioxidhalten har också uppskattats under en längre tid. På Siple-stationen på Antarktis har man tagit upp en iskärna som visar att koldioxidhalten var tämligen konstant 280 ppm från år 1000 till 1750.

När snö omvandlas vid firn, en mellanform av snö och is, stannar gaser kvar i form av bubblor och innesluts i isen. Bubblorna förflyttar sig dock i isen vilket försvårar analysen av gasens resp islagrets ålder. För att gasen ska fixeras krävs ett islaget på typiskt 100 meter. Vid Vid Vostok var differensen upp til 7000 år. Bubblornas position påverkas också av att glaciärisen flyter långsamt.14)

Trots en mycket begränsad ökning av koldioxidhalten 1910 -1940 steg temperaturen markant.15)


Excitering av växthusgaser

Värmestrålningen från jordytan skulle gå rakt ut i rymden om det inte fanns växthusgaser i atmosfären. Växthusgaser absorberar en del av den värmestrålningsenergi som emitteras från jordytan. Växthusgaserna kommer att exciteras, få en högre energi, och denna energi sprids till andra molekyler i atmosfären, huvudsakligen genom kollisioner. Den uppvärmda atmosfären kommer att i sin tur skicka ut värmestrålning i alla riktningar. En del av denna värmestrålning går mot jordytan och absorberas där. Detta leder till en extra uppvärmning av jordytan. Mer värmestrålning kommer då att emitteras från jordytan och vi får en serieprocess, som ställer in sig på ett sluttillstånd, där vi får en viss temperatur vid jordytan.

De viktigaste växthusgaserna i atmosfären är vattenånga, koldioxid, metan, dikväveoxid, ozon.

Temperaturen 255 K är medeltemperaturen vid jordytan sett över hela året och över hela jordklotet, om det inte funnits växthusgaser i atmosfären.

Temperaturen 288 K är den medeltemperatur vi har över året och hela jorden med nuvarande mängd växthusgaser.16)

Amazing! First ever photograph inside a hydrogen atom, Fox News. (2013-05-28) http://www.foxnews.com/science/2013/05/28/amazing-first-ever-photograph-inside-hydrogen-atom/

Excitering betyder att energi tillförs en atom så att en elektron ”hoppar upp” till ett skal som innehåller mer energi. Energin tillförs genom att en elektron exempelvis absorberar en foton, eller krockar med en närliggande atom eller partikel.

Exciterade atomer är vanligen mycket instabila; efter en bråkdel av en sekund hoppar elektronen tillbaka till sitt grundskal, varvid den extra energin avges i form av elektromagnetisk strålning (ljus). Beroende på atomslaget, hur mycket energi som tillförts och huruvida elektronen hoppar tillbaka till sitt grundtillstånd i ett enda, eller flera steg, så kommer olika våglängder att utsändas.

Det utstrålade ljuset har väldigt specifika våglängder, vilket gör att fenomenet kan användas för att beräkna vilka ämnen ett visst prov består av. Detta används bland annat inom astronomi för att bestämma vilka grundämnen olika stjärnor är uppbyggda av.17) 18)

Atomfysik

Läs mer om Atomfysik.

Källor

Mätningar av koldioxid

Mätningarna av atmosfärens koldioxidhalt sker på flera platser. Den primära mätningen sker vid Mauna Loa Observatory19), som är en del av National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)20). Observatoriet ligger på 3397 meters höjd på norra sidan av vulkanen21) Manua Loa på Hawaii. Mätningarna av mängden koldioxid i atmosfären började på Mauna Loa 195622).

Manua Loa är världens största vulkan. Den är aktiv och hade sitt senaste utbrott våren 1984. På samma ö finns också vulkanen Kīlauea23) som är den mest aktiva av de fem vulkanerna på Hawaii. Mätningarna av koldioxidhalten påverkas ibland av utsläpp från Hawaiis vulkaner, men det är möjligt ta bort dessa effekter från resultatet. 24) 25)

CarbonTracker CO2 weather for June-July, 2008. Warm colors show high atmospheric CO2 concentrations, and cool colors show low concentrations. As the summer growing season takes hold, photosynthesis by forests and crops draws concentrations of CO2 down, opposing the general increase from fossil fuel burning. The resulting high- and low-CO2 air masses are then moved around by weather systems to form the patterns shown here

Koldioxiden är ojämnt fördelad i atmosfären. Det framgår av NASAs carbon tracker. (Klicka på bilden om animationen inte startar) 26)

Uppskattningar av mängden koldioxid innan mätningarna kom igång på Manua Loa, bygger på analyser av gasens förekomst i iskärnor 175027) 28) och genom beräkningar baserade på uppskattad användning av fossila bränslen.29)

Källor

Nytillskottet av koldioxid

De naturliga utsläppen av koldioxid från biosfären och hydrosfären (sjöar och oceaner) är tjugo gånger så stora. Men det är bara de fossila utsläppen som ger atmosfären ett nytillskott av koldioxid. Nytillskottet år 2000 var ungefär 1% av atmosfärens totala mängd av koldioxid. Dessa utsläpp kommer att fortsätta. Om de utsläppen begränsas till dagens nivå kommer koldioxiden i atmosfären mer än fördubblats jämfört med idag.

Koncentrationen av koldioxid varierar stark runt jorden. Diagrammet visar resultatet av satellitmätningar under mars månad 2011.

Innan CO2 släpptes ut av mänsklig aktivitet varierade mängden koldioxid med temperaturen som i sin tur styrdes av instrålningen från solen. För 500 hundra miljoner år sedan innehöll atmosfären 20 gånger mer än idag. Under Jura30) i den mesozoiska eran31), för ca för 208-146 år sedan sjönk koloxiden till 4-5 gånger jämfört med idag. För 49 miljoner år sedan minskade koldioxiden kraftigt.

Mänsklig aktivitet som avgaser från fossilt bränsle och avskogning har ökat mängden koldioxid med 35 % från industrialismens början.

Naturliga källor för koldioxid är t.ex. vulkaniska gaser, förbränning av organiskt material och andning av organismer som andas syre. Dessutom avger från mikroorganismer koldioxid vid jäsning. Celler avger också koldioxid. Mänskliga källor för koldioxid är förbränning av fossilt bränsle, transporter, kraftförsörjning, och industriell tillverkning speciellt cementtillverkning. Växter, alger och cyanobakterier omvandlar koldioxid till kolhydrat genom fotosyntes. De naturliga källorna för koldioxid balanseras av koldioxidsänkor. Naturligt förmultnande av skog och gräsmark samt skogsbränder släpper ut 439 gigaton koldioxid vart år.

Koldioxidsänkor

Skogen

Världens skogar spelar en avgörande roll i det globala klimatsystemet. Skogen binder koldioxid när den växer och fungerar som en så kallad ”sänka” för koldioxid i atmosfären. Därför påverkar det också klimatet när världens skogsarealer minskar, alltså när skogtäckt mark omförs till åkermark, betesmark eller annan markanvändning. När skog huggs ner snabbare än den hinner växa upp blir effekten att halten av koldioxid ökar i atmosfären. Olika uppskattningar pekar på att mellan 10 och 20 procent av de totala utsläppen av växthusgaser globalt går att hänföra till avskogning. 32)

Öknar

Världens vidsträckta hav och tropiska regnskogar är effektiva att binda stora mängder koldioxid, och de kan därmed mildra växthuseffekten. Men det har alltid funnits en felande länk – omkring en tredjedel av koldioxiden från förbränning av fossila bränslen har på något obegripligt sätt försvunnit. Kanske finns åtminstone en del av svaret att finna i världens öknar.33)

Jordbruket

Men jordbruket har potential att släppa ut långt mindre klimatförstörande gaser än idag, till och med att kunna lagra mer växthusgaser än vad som släpps ut. ”Cool Farming” räknar upp en rad praktiska åtgärder för hur vi kan minska jordbrukets bidrag till klimatförändringarna. Det handlar i första hand om att minska överanvändningen av gödningsmedel, skydda och återställa jordbruksmark, förbättra risproduktionen och minska efterfrågan på kött, speciellt i de industrialiserade länderna. Med dessa förbättrade jordbruksmetoder skulle marken istället kunna binda växthusgaser. 34)

Kolcykeln

Koldioxid ingår i kolets livscykel35). Vid landväxternas fotosyntes upptas ca 123 gigaton per år men multnande landväxter avger samtidigt ca 120 gigaton per år. Växter i haven tar upp ca 92 gigaton och avger ca 90 gigaton. Mänsklig aktivitet anses avge ca 9 gigaton per år främst genom förbränning av kol, olja, gas och andra fossilt material.


Bilden visar de väsentligaste delarna av den globala kolcykeln så som den enligt IPCC var under 1990-talet.

Förnyelsebart kol återfinns huvudsakligen i

  • atmosfären, i form av koldioxid
  • hydrosfären (hav, sjöar och åar), i form av koldioxid, kolsyra och kolsyrasalter
  • biosfären (organismer och mull), i form av fotosyntetiserade kolföreningar36)

I jordskorpan finns dessutom fossilt kol och kolföreningar i form av fossila bränslen och kalciumkarbonat (kalksten, krita, marmor, m.m.)37). De förbrukas så långsamt att de anses som icke-förnyelsebara.

I bildens rektanglar anges mängden koldioxid i gigaton kol (GtC). De dubbelriktade pilarna visar hastigheten i utbytet av koldioxid i GtC per år. Källa: IPCC 2007.

Den snabbaste omsättningen av luftens koldioxid sker i biosfären. Nästan en femtedel förbrukas varje år av växter och andra organismer som livnär sig på fotosyntes. Huvudparten av den koldioxid som tas upp från luften genom fotosyntes återgår inom några dygn eller år till atmosfären genom biokemiska förbränningsprocesser, skogsbränder, och eldning med biobränslen.

Koldioxid är långt mera vattenlöslig än andra luftgaser. Det beror på att koldioxiden inte bara löses rent fysikaliskt, utan även reagerar kemiskt med vatten och bildar kolsyra. Kolsyran reagerar i sin tur med baser i vattnet och skapar salterna bikarbonat (kallad vätekarbonat av kemister) och karbonat. Vatten i kontakt med luftens koldioxid innehåller därför såväl koldioxid som kolsyra, bikarbonat och karbonat. I bilden hänförs alla till koldioxid.

Koldioxidens vattenlöslighet gör att den övergår till hydrosfären, men koldioxid övergår även från vattnet till luften. När de två flödena lika stora motsvarar det ungefär 75% av koldioxid-utbytet mellan atmosfären och biosfären. Årligen omsätts därför cirka en tredjedel av atmosfärens koldioxid genom utbyten med biosfären och hydrosfären. IPCC anser att dessa utbyten i stort sett varit i jämvikt i förindustriell tid.

Utsläppen av fossil koldioxid har stört den antagna förindustriella jämvikten genom att tillföra atmosfären ett överskott av koldioxid. Det har lett till att överskottet av koldioxid överförs till sk sänkor, bl.a. vatten.

Revellfaktorn38) anger motståndet mot att koldioxid absorberas av havsytan.

Tabellen visar att källorna skapar 8,0 GtC/år. Även biosfären är en källa pga bla avskogning, dvs minskande biosfär.

Sänkorna tar bara emot 5,4 GtC/år. Det innebär saknas en sänka för 2,6 GtC/år motsvarande en tredjedel av de totala årliga utsläppen. Denna brist, ”missing sink”, var känd redan åpå 80-talet. Sedan dess har IPCC bedömt att flödet från biosfär till atmosfär är större, vilket gör bristen än större.

IPCC kallar numera den okända sänkan ”residual terrestrial sink” (återstående sänka till lands) eller helt enkelt ”land sink” utan att veta var koldioxiden tar vägen. (IPCC 2007; WG1, Section 7.3.2.2.2–3)

En annan möjlighet är att man överskattat mängden ”kvar i luften”. För det talar vad som är känt om atmosfäriskt koldioxid.

Koldioxid i Sverige

Sveriges utsläpp av växthusgaser minskar. http://www.ivl.se. 2013-10-18

Svenska utsläpp av växthusgaser minskar enligt Sveriges officiella statistik [Länk].

Koldioxidekvivalenter eller CO2e är ett mått på utsläpp av växthusgaser som tar hänsyn till att olika sådana gaser har olika förmåga att bidra till växthuseffekten och global uppvärmning. När man uttrycker utsläppen av en viss växthusgas i koldioxidekvivalenter anger man hur mycket koldioxid som skulle behöva släppas ut för att ge samma verkan på klimatet.

Genom att uttrycka växthusgasutsläpp i koldioxidekvivalenter kan man jämföra de enskilda gasernas bidrag till växthuseffekten och addera dem med varandra. Omräkningen sker genom att man multiplicerar utsläppen av varje växthusgas med gasens s.k. GWP-värde (Global Warming Potential)

Forcing

Uttrycken Forcing och Radioactive forcing har central betydelse.

Ramaswamy et al. (2001) define it as ‘the change in net (down minus up) irradiance (solar plus longwave; in W m–2) at the tropopause after allowing for stratospheric temperatures to readjust to radiative equilibrium, but with surface and tropospheric temperatures and state held fixed at the unperturbed values’. Radiative forcing is used to assess and compare the anthropogenic and natural drivers of climate change. 39)

Frågor

  • Hur fördelar sig koldioxiden runt jorden?
  • Var mäts koldioxiden utöver på Manua Loa?
  • Bearbetas de direkta mätresultaten innan de publiceras?
  • Är de direkta mätresultaten allmänt tillgängliga?
  • Hur länge stannar koldioxiden i atmosfären?
  • Hur kan man veta mängden CO2 lång tid tillbaka med tanke på att CO2 är en så liten andel av atmosfären.
  • När började den ”industriella tiden”?
  • Hur mäts koldioxiden från satellit och hur stämmer de mätningarna med de på Manua Loa?
  • Hur inverkar koldioxid på växtlighet?
  • Hur inverkar djur på CO2?
  • Hur fördelas CO2 vertikalt?
  • Kan man se skillnad på antropogent resp annan CO2 i atmosfären?
  • Hur länge stannar CO2 i atmosfären?
  • Hur påverkar CO2 haven?
  • Hur inverkar CO2 på solens strålar?
  • Hur inverkar CO2 på jordens utstrålning?
  • Vad hände för 49 år sedan?
  • Hur vet man att förmultnande och skogsbränder avger just 439 gigaton och hur har det förändrats över tiden?
  • Har inte människors i hög grad påverkat koldioxidbalansen långt före industrialismen?
  • Vad händer om det är för lite koldioxid i atmosfären?
  • Hur har man mätt de volymer som ingår i kolcykeln? Hur stor är osäkerheten?

Källor

Synpunkter?

Kom gärna med synpunkter på Klimatfakta

koldioxid.txt · Senast uppdaterad: 2014/11/26 22:31 av hib