Koloběh uhlíku

Tato stránka je slouží jako Výzkumná zpráva simulace "Koloběh uhlíku" k semestrálnímu projektu pro předmět 4IT495 Simulace systémů (LS 2012/2013) na VŠE v Praze.

Zadání

• Název simulace: Koloběh uhlíku
• Předmět: 4IT495 Simulace systémů (LS 2012/2013)
• Autor: Marta Machová
• Typ modelu: Systémová dynamika
• Modelovací nástroj: Vensim

Definice problému

Definice problému
Na planetě Zemi existuje několik základních, pro život na planetě nezbytných látek. Jedná se především o prvky kyslík, uhlík a sloučeninu vodu. Tyto látky v závislosti na čase a na rychlosti a intenzitě činnosti člověka a jeho nástrojů mění svou "podobu", resp. lokalizaci v rámci planety. Tato změna umístění s sebou nese přeměnu těchto látek z chemického hlediska a z těchto nových chemických vlastností vyplývající inklinace ke zmíněnému umístění. Jedná se o navázání na litosféru, hydrosféru, atmosféru či biosféru. V těchto jednotlivých sférách se vyskytují zmíněné "látky" či prvky v různých podobách, různě pevně "zabudované" dle konkrétních sloučenin, do kterých se zaintegrují. Dynamiku změn sloučenin (kvalitativních) a tím i skupenství lze namodelovat a sledovat kvantitativní změny poměrů jednotlivých "forem" (sloučenin, skupenstvích). Tyto systémy jsou v přírodě přirozené, ale činností člověka se "rozházely" více méně rovnovážné poměry těchto jednotlivých forem. Před počátkem velmi intenzivní činnosti člověka, jaká je dnes, byly tyto cykly samoregulované a dokázaly se z určitého vyvážení dostat zpět do rovnovážného stavu. Ale pokud je příliš veliký tlak na jednu stranu vah, je potřeba dát druhé straně čas a možnost, aby misky zpětně vyrovnala.

Cíl simulace
Cílem simulace je namodelovat cyklus uhlíku v přírodě ve všech jeho podobách, do kterých se dostává, zobrazit jednotlivé objemy v různých skupenstvích a formách. Experimenty by měly ukázat predikci vývoje těchto množství a dosažení možných hranic.

Metoda

Metoda - diskuse možností řešení, výběr metody a prostředku (metod a prostředků) řešení, zdůvodnění výběru (jinými slovy, proč to chcete řešit tak, jak to chcete řešit, jaké jsou jiné alternativy a proč je ta Vámi zvolená pro tuto úlohu nejvhodnější)

Model

Na planetě Zemi je jedním z nejdůležitějších prvků uhlík. Tvoří základní stavební kámen všech organických sloučenin a tím i všech živých organismů na této planetě. Může se vyskytovat ve čtyřech zemských vrstvách, sférách. Konkrétně v atmosféře, hydrosféře, litosféře a biosféře.

Forma uhlíku v jednotlivých sférách (pools)

"Úložiště" - resp. obecné umístění uhlíku v rámci "sferického" rozdělení

Atmosferický Uhlík

V atmosféře se vyskytuje uhlík ve formách:

• CO2 (0,037%-0,04%) (750GigaTun=miliardy tun, změna +3,2za rok)
• methan (0,004%) (produkt rozkladu látek biogen.původu-bioplyn či jako produkt metabolismu velkých přežvýk., z termitišť a rýžovišť)
• antropogenní chlor-fluorované uhlovodíky

Hydrosferický uhlík

Ve vodách se vyskytuje uhlík v možství (36gigatun) (28mg/l) ve formách:

• rozpuštěný organický uhlík ve vodě (méně než 700gt)
  • rozpuštěný oxid uhličitý
  • rozpuštěný methan v některých jezerech
• organická hmota-mořská biota (3gt)
• sedimenty (150gt) (roční přírustek 0.2gt)
• hluboký oceán (38100gt)
• povrch oceánu (1020gt)

Litosferický uhlík

V půdě se vyskytuje uhlík v množsvtí (1580Gt+sedimenty 70Gt)(200–800 ppm (mg/kg) ve formách:

• sedimenty
  • uhličitany, látky s obsahem uhlíku, fosilní paliva (4000gt) (v ropných produktech-mj.methan CH4, hoření: CH4+2O2-CO2+H2O),
    • methan: zemní plyn, důlní plyn, ropa

Biosferický uhlík

V biosféře se vyskytuje uhlík v množství(1900gigatun) ve formách:

• těla roslin (610Gt)
• těla živočichů (např. v lidském těle 18,5 % hmotnosti, v sušině víc)

Procesy

Dýchání

=respirace=ventilace - proces výměny plynů, zejm. O2 a CO2 mezi organismem a externím prostředím (těla živočichů) - organické molekuly se rozkládají na vodu a CO2 (C6H1206+6O2->6CO2+6H2O+energie) - CO2 se dostává do atmosféry (60Gt vydechnou rostliny)

Spalování

- CO2 se dostává do atmosféry

• organického materiálu
• fosilních paliv (=ropa, uhlí, zemní plyn) se rozpadají organické látky, které se ukládaly miliony let v biosféře (5,5Gt-6Gt/rok z fosilních paliv do atmosféry)

Fotosyntéza

- množství 0.5gt CO2/rok se z atmosféry dostává fotosyntézou do těl rostlin (=autotrofní organismy) - ty pohlcují CO2 a mění ho na sacharidy a zároveň vylučují kyslík. (dále se sacharidy mění na škrob, bílkoviny, tuky aj. organické látky) - tento proces probíhá v tmavé fázi: 6CO2+12H2O->C6H1206+6O2+6O2+6H20 - co2 se zde podílí na vytváření rostlinných tkáních (z atmosféry do biosféry) - nejrychlejší je tento proces u lesů (+jiných biotopů), kde probíhá rychlý růst nové biomasy

Příjem z potravy

- z rostliných a zvířecích těl se dostává do těl živočichů (potravní řetězec) - uhlík v sacharidech a bílkovinách

Rozpouštění atmosferického CO2 do mořské vody

- čím je voda chladnější, tím více CO2 může pohltit

Pohlcování CO2 fytoplanktonem

- fytoplankton(řasy, sinice) do svých tkání a schránek integrují uhlík - děje se tak ve vyších vrstvách oceánu, ty pak klesají ke dnu jako sedimenty a zvětrávají

Zvětráváním křemičitých hornin

- zvětrávání schránek se děje pomocí kyseliny uhličité (H2CO3) a uvolňují se hydrogenuhličitany (HCO3-), na dně se pak usazují nánosy uhličitanů (např. vápence-CaCO3)

Rozkládání rostlinné a živočišné biomasy

• pomocí hub a bakterií a za přítomnosti O2 se mění organické látky na CO2
• anaerobní, za nepřítomnosti O2 se mění organické látky na methan (CH4)(v ropě, zemním plynu, důlním plynu-v litosféře),(bioplyn u přežvýkavců-vstupuje do atmosféry se v atmosféře)

Sopečné erupce

-které obsahují mj. CO2 - kompenzuje úbytek uhlíku při zvětrávání

Důsledky přebytku či nedostatku C

-poměr CO2 ve vzduchu je stálý, při vysokém či malém obsahu CO2 se fotosyntéza sníží až zastaví -methan patří mezi významné skleníkové plyny zvyšující teplotu zemské atmosféry (20x účinnější než CO2), obsah v atmosf. je ovšem asi 9x menší než CO2

Výsledky

Výsledky - výpis výsledků, jejich analýza, interpretace, zhodnocení.

Závěr

Závěr - jak se Vám podařilo definovaný problém vyřešit

Kód

Kód modelu (soubor xls, spm, nlogo, mdl, apod.)