Kalsium - viktig i karbonsyklusen

Kalsium er et metall i jordalkaliegruppen som inngår i karbonsyklusen på jorden og påvirker CO₂ innholdet i luften. Kalsium forekommer i flere mineraler, blant annet i kalk som hovedsakelig er kalsiumkarbonat. De italienske fjellene Dolomittene har gitt navnet til dolomitt, et mineral som inneholder kalsium, magnesium, karbon og oksygen (CaMgCO₃). Kalsium og magnesiumholdige bergarter er de største lagrene for karbon på jorden. Kalsiumsilikat er en annen viktig kalsiumforbindelse (generalisert her med formelen CaSiO₃) som forekommer blant annet i feltspat og finnes i vanlige bergarter som granitt og basalt. Kalsiumsilikat løst i ferskvann binder karbondioksyd fra atmosfæren.

I diskusjonene om luftens CO₂ innhold er det meste av oppmerksomheten vært rettet mot organisk bundet karbon. Dette er forbindelser hvor karbonet gjennom fotosyntesen er blitt bundet i en redusert form i organisk materiale.Ved denne prosessen er oksygen frigjort til atmosfæren. Jordens uratmosfære hadde store mengder karbondioksid, men manglet så og si fritt oksygen. Da plantene begynte med fotosyntese økte oksygen innholdet, men først i karbon- og permtiden for 350-250 millioner siden, fikk atmosfæren en sammensetning omtrent som idag. Da hadde plantene invadert landjorden og av ulike grunner ble det organiske materialet fra disse nye landplantene lite nedbrutt når de døde. Store mengder organisk stoff fra dem ble bevart for ettertiden som kull, olje, gass og leirskifer. Fra Karbon- og Permtiden stammer det meste av kulleiene på jorden. Luftens karbondioksidinnhold sank dramatisk til rundt 0.03% og det frie oksygenet økte til over 20%.

Mengdene organisk bundet karbon lagret i de organiske forbindelsene i leirskifer, fossilt brennstoff og i levende og døde organsimer, er enorme i forhold til karbondioksydmengdene i atmosfæren. Det menneskene brenner av fossilt brennstoff er svært lite i forhold til jordens totale reserver, men det er nok til å forandre de allerede små karbondioksyd mengdene i luften.

Karbondioksid har som kjent en betydelig drivhuseffekt og forandringer i atmosfærens innhold av denne gassen synes å påvirke klimaet på jorden i betydelig grad. Når menneskene gjør betydelig bruk av bruk av fossilt brennstoff, kan det på kort tid skapes store forandringer i klimaet på jorden.

I midlertid har ikke bare det organisk bundne karbonet betydning for atmosfærens innhold av karbondioksyd. Gjennom jordens historie har innholdet av karbondioksid i atmosfæren hatt svingninger forårsaket av geokjemiske prosesser. Dette har også ført til klimaendringer, som har gjort at jorden til tider har vært betydelig varmere og betydelig kaldere enn idag. Men slike prosesser er langsomme og kan ikke forklare vår tids forandringer i karbondioksid.

I de geokjemiske prosessene hvor karbonforbindelser inngår, spiller kalsium og til dels også magnesium en viktig rolle. Tabell 1 viser hvor karbonet på jorden er lagret. Det som er ganske tydelig ut fra tabellen, er at selv om fossilt organisk karbon kan være viktig, er det meste av jordens karbon bunnet til kalsium (Ca) og tildels magnesium (Mg) i oksidert form som karbonater.

Når vanndamp fortettes til regndråper og faller gjennom atmosfæren løses karbondioksyd (CO₂) i vannet. Karbondioksyd er lett løslig i vann og det reagerer med vannet og danner den svake syren karbonsyre (H₂CO₃). Noe av karbonsyren spaltes i bikarbonat (HCO₃^-) og hydrogenjoner (H⁺), og videre kan det spaltes i karbonat (CO₃^--) og nok et hydrogenjon. Denne spaltningen gjør regnvannet svakt surt og uten påvirkning av forurensning fra svovel- eller nitrogenoksyder, vil regnvannet ha en pH på ca 5,6. Dette er surt nok til å løse noe kalsium (Ca⁺⁺) ut av kalsiumholdige mineraler på bakken. Når vannet med kalsiumjoner når havet vil det ikke lenger være surt (sjøvann er basisk). I basisk miljø er kalsium mindre løslig enn i surt vann, og kalkdannende organismer, som koraller, kan lett danne kalkskall og kalsium felles ut som kalsiumkarbonat (CaCO₃). Ved denne prossessen blir ett karbondioksyd molekyl pr kalsium jon bundet til kalsium karbonat. Med andre ord tas det ut ett molekyl av den karbondioksyden som har løst seg i vannet fra atmosfæren.

Hvis mineralet i jordsmonnet er kalsiumsilikat (CaSiO₃) fra for eksempel feltspat, skjer følgende reaksjon:

Fordi sjøvann er basisk vil kalsiumkarbonatet ikke så lett gå i løsning igjen og kalken blir varig lagret på bunnen. Magnesium kan inngå i denne prosessen på samme måten, men utgjør en mindre del.

Er imidlertid det imidlertid kalkfjell som løses av det sure regnet, er det gammel havbunn og består allerede av kalsiumkarbonat. Når det løses og ført til havet for senere og bli grunnlaget for ny kalkdannelse skjer følgende:

Ved denne prosessen er det ikke noe fjerning av karbondioksyd.

Imidlertid er det også geokjemiske prosesser som kan omdanne karbonatene til karbondioksyd og på den måten bidra til å øke karbondioksydet i luften. Når kalkavleiringene på sjøbunnen ved geologiske prosesser blir brakt flere kilometer inn mot jordens indre, blir de utsatt for svært høye temperaturer. Dette setter igang en reaksjon mellom karbonater og silisiumoksyder. Da dannes igjen kalsiumsilikat og karbondioksyd. Karbondioksydet siver etter hvert ut i atmosfæren, for eksempel via sodakilder. Det kan også skje mer dramatisk i forbindelse med vulkanutbrudd. Reaksjonen kan skrives slik:

For videre lesning

Berner, R. A. 1990.

Atmospheric carbondioxide levels over phanerozoic time. >Science 249:1382-1386.

Berner, R. A. 1989.

Modeling the geochemical carbon cycle. Scientific American 260 (3):54-57.

Lorius, C., Jouzel, J., Raynaud, D., Hansen J., og Le Treut, H. 1990.

The ice-core record: climate sensitivity and future greenhouse warming. Nature 347: 139-145.

Rowland, F. S. 1990.

Stratospheric ozone depletion by chlorofluorocarbons. Ambio 19:281-292.

Schneider, S. H. 1989.

The changing climate. Scientific American 26 (3):38-47

Wallace, R. A., King, J. L. and Sanders, G. 1986.

Prokaryotes, viruses, and origin of life. Chapter 18 in: Biology. The science of life. Scott, Foresman and company. Glenview, Illinois, London, England. 1217 p.