De invloed van de mens op het zuurstofgehalte in de atmosfeer en de oceanen

Zuurstof is het tweede meest voorkomende element op aarde. Circa 21% van de atmosfeer bestaat uit zuurstofgas; het wordt door ons ingeademd en verbruikt bij de interne verbrandingsprocessen van planten en dieren. Als onderdeel van het molecuul water vormt zuurstof het hoofdbestanddeel van de oceanen, maar gelukkig voor de vissen is zuurstofgas ook in opgeloste vorm in water aanwezig. Zuurstof is niet altijd in onze atmosfeer aanwezig geweest. Van circa 2,4 tot 2,1 miljard jaar geleden is volgens onze kennis van het geologische verleden de concentratie in de atmosfeer sterk toegenomen, een gebeurtenis die bekend staat als de “Great Oxidation Event” of “Great Oxygenation Event”. Dit alles dankzij het leven dat de fotosynthese had ontdekt.

Bij fotosynthese wordt, gebruik makend van zonne-energie, CO2 omgezet in complexere koolstofverbindingen die ook tot voedsel dienen voor andere soorten leven. In de biologie heet dit vastleggen van koolstof in organische verbindingen (bijv. zetmeel) de koolstofassimilatie. Het ‘verbranden’ van deze verbindingen vindt zowel plaats door plantaardig als dierlijk leven. Een deel van de koolstofverbindingen die in het verre verleden zijn onttrokken aan deze cyclus van vastleggen en verbranden, vormen de fossiele grondstoffen zoals aardolie, kolen en gas. Ons verbruik van deze grondstoffen door verbranding en de daaraan gerelateerde stijging van de broeikasgasconcentraties in de atmosfeer, heeft – zoals bekend – een duidelijk merkbare invloed op onze leefwereld zoals een oplopende temperatuur, smeltende ijskappen en een stijging van het zeeniveau. Minder bekend is echter dat ons stookgedrag ook van invloed is op het zuurstofgehalte in de atmosfeer en in de oceanen.

Zij die een beetje hebben opgelet op de middelbare school weten dat bij het verbranden van koolstofverbindingen CO2 en water ontstaan. Bij dit verbrandingsproces (of oxidatie) wordt er zuurstof verbruikt. Logischerwijs zou je dus zeggen dat het verbranden van olie, gas of kolen moet leiden tot een toename van de CO2-concentratie in de atmosfeer en dat tegelijkertijd de zuurstofconcentratie evenredig zou moeten dalen. Beide zijn dan ook waargenomen, zie de grafiek in figuur 1. Interessant in deze figuur is ook de invloed van de seizoenen. Tijdens de wintermaanden neemt de CO2-concentratie toe (groene lijnen) om in de zomermaanden weer af te nemen als de planten en bomen weer groeien. Deze verandering zie je in omgekeerde vorm terug bij de zuurstofconcentratie in de atmosfeer (blauwe lijnen). Deze seizoensinvloed is groter voor het noordelijk halfrond dan voor het zuidelijk halfrond doordat het oppervlakte aan land op het noordelijk halfrond veel groter is en er daar dus ook meer bomen en planten aanwezig zijn.

Figuur 1. De verandering van de CO2– en de zuurstofconcentratie in de atmosfeer beide gemeten op twee verschillende plekken op aarde. MLO = Mauna Loa, SPO = South Pole, ALT = Alert en CGO = Cape Grim. MLO en ALT liggen op het noordelijk halfrond en SPO en CGO op het zuidelijk halfrond. Bron: figuur 6.3a uit het IPCC AR5 rapport.


De daling van de zuurstofconcentratie in de atmosfeer hoeft niet tot paniek te leiden, we kunnen ook in de toekomst gewoon doorgaan met rustig ademhalen. Sinds de industriële revolutie hebben we door al ons gestook de hoeveelheid zuurstof in de atmosfeer met circa 0,1% doen dalen. Zelfs als we straks alles opstoken wat we redelijkerwijs uit de bodem kunnen halen, zullen we de hoeveelheid zuurstof in de atmosfeer hooguit met enkele procenten laten dalen. De laatste metingen aan het zuurstofgehalte in de atmosfeer voor verschillende meetstations zijn o.a. bij een speciale website van het Scripps instituut te bekijken: Scripps O2 Program.

Het water van de oceanen bevat dus zuurstof in opgeloste vorm. Deze oplosbaarheid neemt af als de temperatuur van het water toeneemt en is lager voor zout water dan voor zoet water. Je voelt het dan al aankomen: door klimaatverandering worden de oceanen warmer en daardoor zal het zuurstofgehalte logischerwijs afnemen. Er spelen echter ook nog andere processen een rol zoals een toenemende gelaagdheid (of stratificatie), biologische effecten (aanmaak en consumptie van zuurstof) en veranderingen in de oceaancirculatie. De toenemende gelaagdheid is een gevolg van het sneller opwarmen van het water aan het oppervlak dan het onderliggende koudere diepe water. Warm water heeft een geringere dichtheid en drijft als het ware op een koude, dichtere onderlaag. Hierdoor zal het mixen van het zuurstofrijke water aan het oppervlak met zuurstofarmer water op grotere diepte verminderen.

Dit jaar zijn er enkele studies verschenen over het zuurstofgehalte in de oceanen, eentje van Schmidtko et al. en eentje van Ito et al.. De resultaten van beide studies zijn ongeveer hetzelfde, ze rapporteren allebei een afname van het zuurstofgehalte in de oceanen van circa 2% sinds 1960. Als je hun data omrekent naar tonnen zuurstof komen daar, door de enorme hoeveelheid water in de oceanen, indrukwekkende getallen uit: Schmidtko rapporteert bijv. een afname van 961 Teramol O2 per decennium, circa 15 miljard ton O2 als ik me niet vergis. De twee images in figuur 2 geven het zuurstofgehalte in de oceanen weer en de verandering daarin sinds 1960 volgens Schmidtko e.a.

Figuur 2. De gemiddelde hoeveelheid opgelost zuurstof in de gehele waterkolom in de oceanen (boven) en de verandering in deze zuurstofconcentratie sinds 1960 (onder). Bron: website Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel.

Een afname van het zuurstofgehalte in de oceanen kan negatieve gevolgen hebben voor het leven in de oceanen. Als het zuurstofgehalte beneden een bepaalde ondergrens komt, kunnen diverse levende wezens er simpelweg niet meer in leven. Deze ondergrens verschilt per soort, zie figuur 3. De gebieden met een lage zuurstofconcentratie duidt men aan met de termen hypoxic (< 60-80 µmol O2 per kg) en suboxic (< 5 µmol O2 per kg). Gebieden waar de zuurstofconcentratie naar nul is gedaald noemt men anoxic. In het geologische verleden van de aarde zijn er diverse perioden geweest waarbij grote delen van de oceanen zuurstofloos waren geworden, deze gebeurtenissen noemt men Oceanic Anoxic Events. Volgens Jenkyns 2010 zijn die veelal gepaard gegaan met een sterke stijging van de temperatuur, geïnduceerd door een snelle stijging van de CO2-concentratie in de atmosfeer door vulkanische en/of methaan-gerelateerde bronnen.

Figuur 3. De gemiddelde dodelijke ondergrens in de zuurstofconcentratie voor vier verschillende soorten zeeleven. Bron: Keeling et al. 2010.

Voor de komende eeuw wordt door het IPCC een verdere daling van het zuurstofgehalte in de oceanen verwacht van circa 1,5 tot 4% (AR5 hfdst. 6.4.5). Uiteraard verschilt dat per emissiescenario, zie figuur 4. Er is geen consensus of het totale volume van de gebieden in de oceanen waar het zuurstofgehalte laag of heel laag is, toe zal nemen. In IPCC-taal wordt dat dan mooi omschreven als “as likely as not”. Meer metingen goed verspreid over de oceanen en betere modellen kunnen ons in de toekomst hopelijk meer uitsluitsel over deze toch belangrijke zaak geven.
De afname van het zuurstofgehalte in het zeewater, aangeduid met de term Ocean Deoxygenation, is echter niet de enige chemische verandering die de ecosystemen in de oceanen te wachten staat. Er is ook nog zoiets als de oceaanverzuring, ook een gevolg van onze CO2-productie.

Figuur 4. De verwachte verandering in het zuurstofgehalte in de oceanen voor verschillende emissie-scenario’s tot het jaar 2100. Bron: figuur 6.30a uit het IPCC AR5 rapport.

Hieronder nog een mooie uitleg over Ocean Deoxygenation, gegeven door een onderzoekster van het Scripps Institution of Oceanography.

Advertenties

12 Reacties op “De invloed van de mens op het zuurstofgehalte in de atmosfeer en de oceanen

  1. G.J. Smeets

    “…Ocean Deoxygenation, is echter niet de enige chemische verandering die de ecosystemen in de oceanen te wachten staat. Er is ook nog zoiets als de oceaanverzuring, ook een gevolg van onze CO2-productie.”

    Waarmee de titel van Jos’ informatieve stuk – mille grazie – zijn omkering rechtvaardigt: de invloed van het zuurstofgehalte in atmosfeer en oceanen op de mens.
    Fig. 3 in het stuk laat de ondergrens zien van vier soorten zeeleven. Een van die soorten hoeft maar in fatale zuurstofnood te komen of het gehele zeeleven verandert met alle onbekende gevolgen van dien – ook voor de mens. En in dit geval niet ‘as likely as not’ (om het met Jos in IPCC-taal uit te drukken) maar ‘most likely.’ Het is biologen en ecologen welbekend: 1 schakel die uit de voedsel keten verdwijnt verandert de keten incl. homo sapiens ingrijpend.

  2. Een daling van het zuurstofniveau met enkele procenten. Is dit niet een heel hoge schatting. De toename van het CO2-gehalte sinds het begin van de industriële revolutie zal ongeveer 130 ppm zijn. De afname van O2 zal dan ongeveer het zelfde zijn immers; C + O2 -> CO2 + warmte. 130 ppm is 0,013 %. Het CO2 gehalte moet wel heel erg toenemen om de 1% te halen. Dan moet het CO2 gehalte toenemen tot 10.000 ppm en dat is wel heel erg veel.

  3. Bob Brand

    Hallo Raymond,

    Dit klopt niet helemaal:

    De toename van het CO2-gehalte sinds het begin van de industriële revolutie zal ongeveer 130 ppm zijn. De afname van O2 zal dan ongeveer het zelfde zijn immers; C + O2 -> CO2 + warmte.

    Van het CO2 dat de mens heeft toegevoegd aan de dampkring, is ruim meer dan 50% inmiddels opgenomen door oceaan en land. Het O2 dat daarvoor verbruikt is, werd echter wél definitief onttrokken aan de dampkring (overigens ook niet helemaal, er komt wat extra fotosynthese voor terug). Je zou dus eerder kunnen rekenen met ruim 2 x 0,013%.

    Je ziet dat effect terug in de hellingshoek van de beide curves in Figuur 1. De blauwe O2 curves dalen ongeveer 2 x zo snel als de groene CO2 concentraties stijgen, over dezelfde periode.

  4. Bob Brand

    Een toename van het CO2-gehalte tot 5.000 ppm zou dan volstaan om het O2 gehalte met 1% te doen dalen — dat zijn geen procentpunten maar 1% van het totale volume van de dampkring.

    Het opkrikken van CO2 tot die 5000 ppm is weliswaar veel, maar niet onmogelijk op basis van de theoretisch winbare hoeveelheden aan fossiele brandstoffen op aarde. Vooral steenkool is er in immense onontgonnen reserves en dat geldt nog meer voor methaanhydraten uit de diepzee.

    Als we zo stom zijn om laatstgenoemde methaanhydraten op te gaan stoken… dan verandert het sommetje ook nog eens ingrijpend:

    CH4 + 2 O2 —> CO2 + 2 H2O + warmte

    M.a.w. voor elke mol CO2 die we toevoegen aan de dampkring, verbruiken we dan 2 mol zuurstof. Op die manier volstaat een toename van CO2 tot ca. 2500 ppm om het zuurstof-gehalte met 1% te doen dalen. Laatstgenoemde effect speelt nu al deels mee vanwege het stoken van aardgas (CH4).

    Dit zijn uiteraard rekensommetjes ‘over de manchet’ om een beeld te krijgen van de ruwe getallen. De biosfeer op Aarde zou in dat geval ingrijpend veranderen en het is twijfelachtig of de oceaan — in dat geval — een netto ‘sink’ van CO2 zou blijven. Daarvoor moet je meer in detail modelleren.

  5. G.J. Smeets

    https://www.trouw.nl/groen/de-oplossing-zit-onder-de-motorkap-van-de-plant~ae981686/

    Citaat uit dit stuk van journalist Willem Schoonen en hoofdredacteur van Trouw:

    “Zuurstof is een afvalproduct van de fotosynthese, dat door de plant in de atmosfeer wordt geloosd. Die uitstoot is een van de grootste milieurampen in de geschiedenis van de aarde. Zuurstof is een agressieve en destructieve stof, waar de plant zelf helemaal niet tegen kan. Het kwam in de oorspronkelijke atmosfeer van de aarde niet voor, maar maakt er nu 20 procent van uit. […] Maar de zuurstof heeft het ontstaan mogelijk gemaakt van al die levensvormen die níét middels fotosynthese zelfvoorzienend zijn, waaronder de mens.”

    Het zet mens, vegetatie en zeeleven in elkaars perspectief. Historisch en chemisch perspectief.

  6. Bob Brand

    Hi Goff,

    Dat is waarom het bekend staat als de ‘Oxygen Catastrophe’ van ca. 2,45 tot 2,1 miljard (!) jaar geleden:

    https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/03/Oxygenation-atm-2.svg

    Bedenk wel dat er toen er nog geen enkel leven op het vasteland bestond. In de oceanen bestond het leven uitsluitend uit ééncellige bacteriën (en mogelijk enkele meercellige algen).

    Het waren de blauw-groene algen (cyanobacteria) die al vóór 2,45 miljard jaar geleden de fotosynthese (chlorofyl) uitvonden. De zuurstof die zij in de dampkring dumpten vóór die 2,45 miljard jaar geleden, werd aanvankelijk grotendeels opgebruikt door oxidatie van ijzer dat toen veel voorkwam aan het oppervlak en in de oceanen. Dit werd omgezet naar ijzeroxiden, het huidige ijzererts. Pas nadat dit ijzer grotendeels geoxideerd was, begon door de doorgaande uitstoot van zuurstof door de blauw-groene algen de concentratie van zuurstof in de dampkring (verder) toe te nemen.

    Stromatolieten (versteende koloniën van blauw-groene algen) uit die tijd behoren tot de oudste fossielen op aarde:

    Zie: http://newatlas.com/fossil-stromatolite-oldest-record/45179/ en http://www.geol.ucsb.edu/faculty/awramik/pubs/AWRA9275.pdf

    De mens is bepaald niet het eerste ‘nietige’ organisme dat de samenstelling van de atmosfeer, en de aarde, vergaand verandert.

  7. Zijn in de getallen van het IPCC alle mogelijke oorzaken meegenomen of zijn er nog onzekere oorzaken overgeslagen?

  8. Leo,

    De getallen van het IPCC zijn gebaseerd op berekeningen met de zogenaamde Earth System Models. In het blogstuk staat een link naar een artikel (vrij toegankelijk) met veel detailinformatie daarover (onder de zin over de consensus betreffende de zuurstofarme gebieden):
    http://www.biogeosciences.net/10/1849/2013/
    In paragraaf 4 van dat artikel staat o.m. het volgende over de O2-projecties:
    The limitations in projecting O2 changes arise from the limited understanding of the marine biological processes and the uncertainties about the future evolution of production/remineralization and marine ecosystem functions under rising CO2. Changes in nutrient fluxes from land to coastal zones and increasing atmospheric nitrogen deposition – which can result in local eutrophication and O2 depletion – are not included. An intrinsic difficulty is the complexity and multitude of interactions and teleconnections.
    Limited understanding + uncertainties: er is dus werk aan de winkel voor de wetenschappers.

    In figuur 7 van dat artikel van Cocco e.a. kun je zien waarom het IPCC “as likley as not” schrijft over een eventuele volume toename van de zuurstofarmere gebieden in de oceanen.
    Vandaar ook mijn zin over betere modellen en meer metingen. Op dat laatste wijst de Scripps onderzoekster in de video trouwens ook.

  9. G.J. Smeets

    Bob,
    Fraaie foto! en dank voor de info.

    “De mens is bepaald niet het eerste ‘nietige’ organisme dat de samenstelling van de atmosfeer, en de gehele aarde, vergaand verandert.”

    Inderdaad, we zijn niet de eersten en wellicht ook niet de laatsten.
    Overigens is het opmerkelijk dat die vergaande verandering destijds kwam door zuurstofproductie t.g.v. CO2-transformatie (koolstofassimilatie) en tegenwoordig door CO2-productie t.g.v. verbranding. Een soort van historische omkering? Zijn fotosynthese en verbranding complementair in de geo-energetische balans?

  10. Bob Brand

    Hi Goff,

    Zijn fotosynthese en verbranding complementair in de geo-energetische balans?

    Ja, precies. Fotosynthese is een vorm van koolstofassimilatie. De verbranding ofwel de ademhaling ofwel respiratie is het exacte spiegelbeeld daarvan en dat heet dan de ‘koolstofdissimilatie’.

    Samen zijn die de ‘pomp’ die CO2 en H2O voortdurend rondpompen door de biosfeer. De assimilatie is: 6 H2O + 6 CO2 → C6H12O6 + 6 O2 en de dissimilatie ‘verbrand’ het glucose C6H12O6 vervolgens weer tot waterdamp en koolzuurgas. De energie waar deze pomp op werkt is het zonlicht.

    Het legt zonne-energie tijdelijk vast in energierijke suikers C6H12O6 en daarvan afgeleide, complexere moleculen. Dit is chemische bindingsenergie geworden, die ligt opgeslagen in de C-H en H-O bindingen in het glucose molecuul:

    Zie ook: http://www.biology-pages.info/C/CellularRespiration.html

    Er bestaan ook nog wel andere vormen van koolstofassimilatie dan fotosynthese. Bijvoorbeeld rond thermische bronnen in de diepzee zijn er bacteriën die hun glucose opbouwen door gebruik te maken van het zwavelwaterstof rond die bronnen. Zij oxideren dit H2S en halen daar energie uit, dat is de chemoautotrofe assimilatie:

    http://dier-en-natuur.infonu.nl/biologie/94695-chemosynthese-wat-het-is-en-hoe-het-werkt.html

    Overigens gebruiken deze organismen daarvoor ook CO2 en H2O om glucose op te bouwen, dat vervolgens via de ‘ademhaling’ van de cel weer geoxideerd wordt tot de uitgangsprodukten. Alleen is de energiebron dan niet het zonlicht.

  11. G.J. Smeets

    Mille grazie!

  12. Pingback: De toename van het kooldioxide-gehalte in de atmosfeer is antropogeen – Deel 1 | Raymond FANTASTische Horstman

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s