PLANETA ZIEMIA-KLIMAT-ŚRODOWISKO-PRZYSZŁOŚĆ-PRZESĄDY

Dwutlenek węgla - zbawienny gaz życia dla Ziemi

Musi dotrzeć do społeczności Homo Sapiens, że wszystko co jest żywe na „bioreaktorze Ziemia”, jest wygenerowane w wyniku syntezy kilku głównych pierwiastków, którym najważniejszym jest węgiel. Produkty naturalne, które Homo Sapiens spożywa, zawierają od 40 do 45% węgla, a produkty które człowiek wytwarza z surowców naturalnych, t.j. z paliw, skrobi, tłuszczów i białka zawierają od 40-86% węgla.
Węgiel kamienny, gaz ziemny, ropa i produkty otrzymywane na ich bazie mogą zakłócić równowagę ekologiczną środowiska ziemskiego przez niestaranne, czy nawet wręcz niechlujne, składowanie. Przykłady możliwości technologicznego nadzorowania procesów fotosyntezy są zachęcające i powinny one jednocześnie ostudzić ogłupiałe masy Homo Sapiens, porażone histerią walki z dwutlenkiem węgla, że nie jest to właściwy kierunek walki z globalnym ociepleniem, które nam nie grozi, jak również i z incydentalnym kryzysem klimatycznym, ale umożliwia skuteczną walkę z głodem.

Eratostenes z Cyreny w III wieku przed nasza erą, która podobno, niezbyt dokładnie, liczy sobie już 2019 lat, ustalił, że nasz świat, planeta Ziemia jest kulą. Wieki minęły, aż po dzień dzisiejszy, a nie wszyscy w to wierzą. Uczeni i przepowiadacze, których daremnie tutaj przytaczać, nadal mają obecnie też wątpliwości podobnej rangi, a mianowicie, czy grozi nam kryzys klimatyczny lub inna przypadłość, podobnej rangi. Nie bacząc bowiem na niezbite dowody, że nasza planeta niewątpliwie przypomina kulę, że znamy jej ciężar, wymiary, powierzchnię, objętość, to z trudem dopuszczamy do swojej świadomości fakt, ze dla stabilnego bytowania, głównie na powierzchni tej kuli, potrzebujemy na każdym kroku energii. Jej jedynym źródłem życia dla Ziemi jest Słońce. W pogodny dzień ze Słońca otrzymujemy 1,388J/cm²s energii, z tego średnio Ziemia pochłania 43%. Pozostała energia ulega odbiciu w różnym stopniu od powierzchni lądów i wód mórz i oceanów. Stopień odbicia określany jako albedo waha się od 75% w przypadku pola pokrytego śniegiem do zaledwie 7% dla swobodnego lustra wody¹. Wskaźnik albedo zależy również od kąta padania promieni słonecznych na powierzchnie odbijające, czyli generalnie od szerokości geograficznej a także od barwy powierzchni i stopnia zachmurzenia atmosfery. Wody mórz i oceanów w zależności od stopnia zmętnienia wykazują niższe albedo niż wody czyste-klarowne. Zmętnienie wód mórz i oceanów a także wód powierzchniowych płynących i stojących, pochodzi od zawartości w nich głównie mikroorganizmów i masy cząstek mineralnych o wymiarach mniejszych od 10^-9m oraz struktur koloidalnych o wymiarach 10^-9-10^-7m. Cząstki o umownym wymiarze większym od 10^-7m tworzą zawiesiny, które z reguły łatwo ulegają sedymentacji- opadaniu, pod wpływem siły ciężkości². Stopień pochłaniania energii promieniowania słonecznego przez powierzchnię mórz i oceanów jest bardzo wysoki z uwagi na silną adsorpcję energii, głównie przez organizmy autotroficzne zasiedlające to środowisko. Masa tych organizmów stanowi 90% masy wszystkich organizmów żywych bytujących na naszej planecie a tylko 10% z nich zasiedla powierzchnie lądów³.
Wraz z energią, niezbędną w procesie biochemicznym fotosyntezy, mikroorganizmy zarówno bytujące w wodach, jak i na powierzchni lądów, pochłaniają dwutlenek węgla. Do komfortu bytowania mikroorganizmów lądowych niezbędna jest też woda w ilości co najmniej równej 40% ich masy, aby mógł trwać bez zakłóceń, proces fotosyntezy. Przy niedoborze wody procesy biochemiczne praktycznie ustają. Dwutlenek węgla, podstawowy czynnik syntezy wszystkich środków spożywczych i główny składnik masy ludzkiego ciała występuje, jako rozpuszczony w czystej wodzie w temperaturze 25^oC w ilości 0,44 mg/dm³. Jego niska rozpuszczalność jest limitowana odczynem wody (pH) i niewielkim stężeniem w powietrzu. Przy stężeniu 0,02% w powietrzu rozpuszczalność CO₂ w wodzie ustaje z powodu jego niskiego ciśnienia parcjalnego.
W odwiertach z lodowców, sięgających okresu neogenu, w epoce holocenu, jego stężenie kształtowało się na prawie stałym poziomie, około 0,03%.
W wodach naturalnych-niezanieczyszczonych, dwutlenek węgla występuje w postaci jonu wodorowęglowego przy odczynie (pH) wody w przedziale 7-9, z reguły jako wodorowęglan wapnia. W wodzie morskiej jego stężenie w postaci jonu (HCO³-) może być rzędu 140 mg/dm³, a w wodach rzecznych 65 mg/dm³, ⁴.
Do ostatnich dekad epoki holocenu (wiek XX), stężenie CO2 w atmosferze utrzymywało się na poziomie zrównoważonym z popytem, normowanym przez proces fotosyntezy skorelowany głównie z masą mikroorganizmów autotroficznych-producentów, bytujących w środowisku wodnym przy nieznacznym udziale zanieczyszczenia generowanych przez homo sapiens (HS). W procesie tym uczestniczyły również heterotrofy wykorzystujące produkty fotosyntezy autotrofów-jako producentów podstawowych, z syntezą własnych produktów fotosyntezy, akumulując węgiel w drewnie. Procesy te zachodzą w roślinach zielonych występujących na powierzchni lądów naszej planety. Wykorzystują przy tym energię słoneczną bezpośrednio, ale i konsumują jej produkty. Przy braku bowiem dopływu energii, np. w okresie nocnym, wydzielają proporcjonalne ilości tlenu (O₂) do atmosfery, w procesie rozkładu zmagazynowanej masy produktów syntezy.
Nie jest więc korzystne, wbrew obiegowej opinii, sadzenie drzew i oczekiwanie latami, na ich „zbawienny” wpływ na magazynowanie CO2. Pochłonięty węgiel gromadzi się głównie w tkankach zdrewniałych gałęzi i pniach, które nie biorą udziału w biosyntezie. Są one natomiast magazynem węgla głównie w okresie apogeum swojej życiowej aktywności. Drzewa liściaste zrzucają sezonowo swoje liście, a te podlegają rozkładowi z udziałem destruentów i emitują znaczne ilości CO2 do atmosfery. W przypadku akcji masowego nasadzania drzew należy więc kierować się zasadą racjonalności wynikającej z bilansu strat i korzyści. Są dostępne inne organizmy roślinne, w tym drzewa które wtórnie mniej zanieczyszczają środowiska. Bardziej korzystne, z punktu widzenia ograniczenia emisji CO₂ jest raczej sadzenie drzew i krzewów wiecznie zielonych. Te ostatnie dobrze się czują w strefie klimatów obejmujących pas równika i obszar Ziemi w strefach umiarkowanych i podzwrotnikowych, zarówno półkuli północnej jak i południowej, szczególnie na obszarach o dostatecznej ilości wody; o co powinniśmy zadbać i w zasadzie wiemy jak. Nie wzbudzajmy więc nadmiernych sensacji lamentami z powodu wycinania lasów. Na ich miejsce posadźmy jednak nowe, a na części obszarów zagarniętych wcześniej przez stare lasy, posadźmy rośliny zielone przemysłowe, pochłaniające CO₂ i produkujące węglowodory, białka i tłuszcze, których brakuje do wykarmienia obecnie prawie co dziewiątemu mieszkańcowi naszej planety.

Jak zrównoważyć potrzeby mieszkańców Ziemi z energią dostarczaną ze Słońca

Bioreaktor kosmiczny, - nasza Ziemia, jest, jak na razie, jedynym fenomenalnym, znanym nam w otaczającym nas Wszechświecie, Ciałem Niebios, posiadającym biosferę. Nasza biosfera wypełniona jest wodą, dwutlenkiem węgla, azotem, argonem i tlenem, i wykreowanym życiem biologicznym na bazie węgla, przepełnionym organizmami roślinnymi i zwierzęcymi. Ten ostatni, podział życia biologicznego na Ziemi zawdzięczamy sobie; naczelnemu przedstawicielowi świata zwierząt, chełpliwie nazywanym, (przez samego siebie), człowiekiem myślącym - HS. Człowiekiem myślącym nie jest jednak każdy z tego gatunku egzemplarz stworzenia, godnym tego miana. Co najmniej połowa to, niestety, nieodpowiedzialne i bezmyślne brudasy, zaśmiecające swoje gniazdo- Ziemię.
Obecnie przedstawiciele HS dominują. Możemy oczekiwać lada dzień, miesiąc, względnie rok, że będzie nas już 8 mld (8·10⁹). Ta masa ciał składających się z tlenu (65%), węgla (18%), wodoru (10%) i innych pierwiastków o masie tylko 7%, zawdzięcza swoje istnienie energii promieniowania Słońca. Pożywienie dla bytowania i regeneracji ciała HS pozyskuje dzięki dobrze wykorzystującym energię Słońca, ogromnej masie mikroorganizmów. Przekształcają one w masę pokarmową dwutlenek węgla (CO₂) i wodę (H₂O), pod działaniem promieni słonecznych w procesie fotosyntezy. Są to proste związki chemiczne: węglowodany (cukry), węglowodory (tłuszcze) i białka (proteiny). Czynnikiem warunkującym apetyt HS na te produkty, jest zatem racjonalne nadzorowanie ilości węgla w biosferze, w miarę proporcjonalnie do jego stosunku do masy produktów podstawowych, możliwych do pozyskania z biosfery. W ich wytwarzaniu wyspecjalizowały się organizmy autotroficzne-podstawowe, zawierające chlorofil, a także organizmy heterotroficzne będące pierwszym ogniwem konsumentów produktów biosyntezy autotrofów. Niezbędnego, w tym łańcuchu przemian-węgla, w postaci zbawczego CO₂ dla biosyntezy nie dośle nam, mieszkańcom Ziemi, niestety nikt, bo ani wiatr słoneczny, ani promieniowanie kosmiczne, ani promieniowanie jądra Ziemi. Wiatr słoneczny to tylko masa materii elementarnej ocenianej na 4 150 000 ton/sek, ale zawiera ona bardzo mało węgla, który do powierzchni Ziemi dociera w ilościach śladowych. W tej sytuacji, jako HS, musimy sami zadbać w biosferze, o wystarczającą dla naszej egzystencji i rozsądnego rozwoju, ilość węgla, jako CO₂ i o wodę. Absorpcja energii słonecznej, niezbędnej w procesie biosyntezy, zależy od zawartości wody w podłożu powierzchni Ziemi, jej temperatury oraz stopnia „zasiedlenia” podłoża przez mikroorganizmy, których liczebnością musimy nauczyć się sterować. Albedo pustyń maleje z 40% do 25%, jeżeli zasilimy je wodą, bo pobudzimy do aktywności organizmy przetrwalnikowe, zawierające chlorofil-głównie autotrofy. Pamiętać też należy, że obszary rolnicze mogą np. zawierać w 1cm₃ gleby nawet 100 milionów mikroorganizmów spragnionych wody⁴.

Przybliżony bilans „bioreaktora Ziemia”

Zgodnie ze słowem pisanym⁴, do Ziemi docierać może energia rzędu 21·10²⁴J/rok, względnie 21·10¹⁸ MJ/rok; 28,6% tej energii przypada na lądy a 71,4% na powierzchnię mórz i oceanów.
Całkowite średnie wiązanie biochemiczne węgla w skali roku oszacowano³ na 139,2·10⁹ ton. Pochłonęło go środowisko wodne oceanów i mórz oraz obszary lądowe. Stanowi to równowartość odpowiadającą biosyntezie glukozy (C₆H₁₂O₆), w ilości 8,507·10¹⁶ gramocząstek (gmoli).
Biosynteza wskazanej masy glukozy jest równoważna zużyciu energii słonecznej przez mikroorganizmy autotroficzne rzędu 6,816·10¹⁷MJ w skali roku. Energia czerpana ze Słońca, jaką zużywają te mikroorganizmy na wytwarzanie podstawowych substancji pokarmowych, jest niezbędna szczególnie heterotrofom i naczelnym ich konsumentom w długich wielofazowych cyklach pokarmowych. Zaspakajają w ten sposób również potrzeby energetyczne przedstawicielom HS. Pochłaniają ją oni, jako populacja globalna, w ilości równej 3,352 ·10¹⁵MJ/rok. (W energii tej uwzględniono ich masę ciała i jedynie dietę ograniczoną do 1000 kcal na dobę. Może to mało, ale ponad miliard osobników HS jest niedożywiona).
HS, jak wiadomo, dla swojego komfortu bytowania, oprócz zużywania energii podstawowej, przetwarza energię zgromadzoną w źródłach naturalnych, głównie w pokładach węgla, ropy i gazu ziemnego. Z tych zasobów zakumulowanych przed ponad setkami milionów lat, czerpie energię, jak również ją przetwarza i magazynuje. Część jej emituje w postaci CO₂ do atmosfery przyczyniając się też do inicjowania procesów fotosyntezy. Sprzyja to globalnej stabilizacji energetycznej Ziemi i pomnażania puli zasobów pokarmowych. W tym cyklu przemian energii wtórnej zapomniano jednak o potrzebie głębokiego recyklingu produktów wytwarzanych syntetycznie na bazie węgla. Powszechnie, produkty te zalegają na całym świecie opanowanym przez HS, w postaci gór śmieci. Bezmyślny HS również topi je w morzach i oceanach. Ich „przetrawieniem” zajmują się również mikroorganizmy, co jednak zajmuje im bardzo dużo czasu. W obecności wody i tlenu, przy udziale wyspecjalizowanych enzymów, ulegają one „rozdrobnieniu”, a następnie przekształceniu do postaci struktur substancji pokarmowych. Cykl tych przemian w środowisku można podzielić na 6 podstawowych etapów o różnej prędkości⁵. Na każdym etapie tych przemian angażowana jest określona porcja energii. Powoduje to, że energia „bioreaktora Ziemia” ulega rozproszeniu-czyli entropii. Równoważy ją dopływ energii słonecznej. Pochłaniać ją może jedynie proces fotosyntezy. Jeżeli jednak zapotrzebowanie na nią nie zrównoważy fotosynteza, to może nastąpić przegrzanie reaktora i może ten stan przedłużać się w czasie. Reaktor biochemiczny posiada również określony wysoki poziom tolerancji, wyrażający się dość szybką reakcją na zmiany warunków termicznych. Wzrost bowiem nadmiaru promieniowania Słońca powoduje jednocześnie wzrost temperatury środowiska, a to zwiększa „apetyt” ożywionej masy organizmów-producentów, do jej powiększania. Proces ten nie jest natychmiastowy, ale w cyklu czasowym, szczególnie w wodach płytkich-przybrzeżnych i na obszarach lądowych dostatecznie nawilgoconych, może on być nawet gwałtowny.
Jeżeli przyjąć, że tylko połowa energii słonecznej wskazana wcześniej w literaturze⁴ zostanie wykorzystana w w procesie fotosyntezy autotrofów, to można oczekiwać, że wyprodukowana zostanie masa glukozy równa 1,3105·10¹⁶gmoli. W skali roku taki przyrost i adekwatne do niego pochłonięcie energii słonecznej nie powinno naruszyć termiki klimatu na naszej planecie. W przeciwnym przypadku można by oczekiwać znacznego ocieplenia ale pod warunkiem, że planeta Ziemia w wyniku wyemitowania dodatkowych ilości CO2, ze spalanych paliw naturalnych i działalności przemysłowej, na co się nie zanosi, nie znajdzie przeciwwagi w systemie absorpcji tkwiącym w masie mikroorganizmów autotroficznych i heterotroficznych roślin drzewiastych magazynujących węgiel. Warunkiem koniecznym będzie jednak wyemitowanie 1,3978666·10¹³ kg CO₂, co może spowodować wzrost stężenia CO₂ w atmosferze ziemskiej, ale zaledwie o 30 nano% - a to mało.
Musi więc dotrzeć do społeczności HS, że wszystko co jest żywe na „bioreaktorze Ziemia”, jest wygenerowane w wyniku syntezy kilku głównych pierwiastków, którym najważniejszym jest węgiel. Produkty naturalne, które HS spożywa zawierają od 40 do 45% węgla, a produkty które człowiek wytwarza z surowców naturalnych, t.j. z paliw, skrobi, tłuszczów i białka zawierają od 40-86% węgla.
Węgiel kamienny, gaz ziemny, ropa i produkty otrzymywane na ich bazie mogą zakłócić równowagę ekologiczną środowiska ziemskiego przez niestaranne, czy nawet wręcz niechlujne, składowanie. Na powierzchni naszego globu, w epoce holocenu, do ogrzewania się w okresie chłodów, używaliśmy jedynie drewna i torfu. Z tych surowców produkowano, jako odpad, dwutlenek węgla i popiół, które ożywiły nasze lądy i morza poprzez uaktywnianie procesów fotosyntezy. Nasz bioreaktor przez to, już wówczas, coraz częściej wydłużał okresy ociepleń i łagodził okresy ochłodzeń, które stawały się jednocześnie mniej uciążliwe. Dlatego obecnie szermowane hasła o ochronie klimatu przed ociepleniem powinno się sprowadzać do generalnego sprzątania Ziemi, a nie do bzdurnego nawoływania do walki z dwutlenkiem węgla. Folie, odpady plastikowe przeróżnego rodzaju, laminaty, powinny być gromadzone w wyznaczonych miejscach i profilaktycznie komprymowane. Umożliwi to łatwiejsze ich deponowanie-składowanie, w wyznaczonych miejscach, np. w wyrobiskach po nieczynnych kopalniach, jako potencjalna rezerwa węgla do wyprodukowania dodatkowych ton żywności. W żadnym przypadku nie należy ich spalać do czasu uznania, że niezbędne będzie uzupełnienie zapasów ziemskich w dodatkowy ładunek dwutlenku węgla.

Podsumowanie

„Bioreaktor Ziemia” - planeta ożywiona, jedyna w układzie planet krążących wokół Słońca, a może również jako nieliczna w układzie materii gwiazd i planet wszechświata, wygenerowała formy materii ożywionej na bazie związków węgla. Jego rozumne wykorzystywanie w permanentnych fazach istnienia Ziemi, zależy od gatunku homo sapiens. Od niego zależy racjonalne wykorzystywanie bazy surowców i energii słonecznej do podtrzymania procesów biochemicznych inicjowanych przez mikroorganizmy autotroficzne. Stanowią one pierwszy stopień ogniwa syntezy biochemicznej związków organicznych z udziałem chlorofilu. Substratami wyjściowymi tego procesu syntezy są dwutlenek węgla, (CO₂) i woda (H₂O), a czynnikiem nadrzędnym energia Słońca w postaci kwantów energii, którymi w przyszłości też nauczy się HS sterować. Proces fotosyntezy ma miejsce w morzach i oceanach i we wszelkich zbiornikach wodnych na razie jeszcze optymalnie niewykorzystywanych, a także w wilgotnym podłożu gleby lądów ziemskich. Zdolności wytwarzania chlorofilu nie posiadają rośliny drzewiaste oprócz ich liści i struktur iglastych, ale są one głównym „akumulatorem” związków węgla i zawartej w nim energii. Podstawowym związkiem chemicznym fotosyntezy organizmów autotroficznych jest glukoza (C₆H₁₂O₆). Synteza jej gramocząsteczki wymaga dawki energii słonecznej równej 8012,2 kJ. Kolejnym stopniem fotosyntezy są procesy heterotroficzne w które zaangażowane są mikroorganizmy planktonowe stanowiące grono konsumentów produktów autotroficznych. Zwornikiem obiegu węgla w „reaktorze Ziemia”, jest powszechny proces destruencji.
Cechą charakterystyczną wszystkich organizmów bytujących w środowisku wodnym, włączając w to wilgotne pola, łąki i podłoże lasów, jest jednak niepohamowane dążenie do prokreacji gwarantującej przetrwanie i będzie on trwać jeszcze miliony lat.
Namnażanie organizmów w środowisku z udziałem wody, CO₂ i tlenu w obecności energii słonecznej, i przy jednoczesnym wzroście temperatury, może doprowadzać do przesileń objawiających się zakwitami. Pojawiają się one już obecnie szczególnie w wodach przybrzeżnych mórz i oceanów a także w rzekach i w jeziorach, i na razie są to procesy niesterowalne przez HS. Szybkość produkcji ich masy na dobę może wynosić od 3 do 18g/m². W reaktorach kontrolowanych, ze specjalną saturacją wody przy użyciu CO₂, przyrost n.p. masy glonów wynosi 439 g/m²dobę ⁶. W obecnej chwili jest już w pełni opanowana technicznie produkcja masy mikroorganizmów planktonowych, jako producentów substancji pokarmowych, jak i ich konsumentów. W reaktorach biochemicznych, a takim jest, co wymaga kolejnego podkreślenia, nasza Ziemia, jako planeta, panują w określonych strefach klimatycznych doskonałe warunki do hodowli różnych „przysmaków” wodnych dla konsumentów nadrzędnych, w tym człowieka. Z hodowli jednokomórkowców i glonów otrzymać można z hektara powierzchni do 5 ton białka⁷. Przykłady możliwości technologicznego nadzorowania procesów fotosyntezy są zachęcające i powinny one jednocześnie ostudzić ogłupiałe masy HS, porażone histerią walki z dwutlenkiem węgla, że nie jest to właściwy kierunek walki z globalnym ociepleniem, które nam nie grozi, jak również i z incydentalnym kryzysem klimatycznym, ale umożliwia skuteczną walkę z głodem.

Wnioski

1. Obecność w biosferze Ziemi dwutlenku węgla i wody jest podstawowym warunkiem utrzymania życia biologicznego na naszej planecie.

2. Ludzkość zobowiązana jest w przyszłości zadbać, poprzez globalne zarządzanie, o równowagę pomiędzy popytem i podażą dwutlenku węgla w środowisku Ziemi.

3. Nie wolno dopuścić do działań, na skalę globalną, umożliwiających zachwianie procesów fotosyntezy dopóki Słońce obdarza Ziemię energią.

4. Pilnym bieżącym zadaniem na globie ziemskim jest likwidacja zanieczyszczenia powierzchni mórz i oceanów odpadami zawierającymi węgiel.

5. Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) i inne agendy ONZ powinna zostać zobowiązana do ustalenia nieprzekraczalnych limitów rozwoju populacji homo sapiens, niezagrażających stabilnemu funkcjonowaniu Ziemi jako reaktora biochemicznego.

6. Nie należy wykluczać, w przyszłości, wprowadzenia nowego, pokojowego unormowania granic administracyjnych państw narodowych, uwzględniających stabilność egzystencji narodów i zrównoważonego rozwoju globu.

7. Najbliższym, głównym działaniem społeczności Globu Ziemskiego jest zabezpieczenie społeczeństwom dostępu do wody pitnej i utrzymania procesów agrarnych i przemysłowych na poziomie skorelowanym z komfortem bytowania i postępem technologicznym.

---

1. Traité de Physique du Bâtiment, tom 1- Connaissance de Base, 1995, Edition CSTB, Paris (praca zbiorowa)
2. Lebiedowski M., Modelling of Wastewater Treatment Processes, Publishing House of Balystok University of Techlogy, Bialystok, 2011
3. Lehninger A.L., Bioenergetyka, Wydawnictwo PWN, Warszawa 1978
4. Kabat-Pandias A.,Pandias H., Biochemia pierwiastków śladowych, Wydawnictwo PWN, Warszawa. 1999r
5. Lebiedowski M., Parametry biologicznego usuwania zanieczyszczeń rozpuszczonych, Wyd. Politechniki Łódzkiej, Łódź, 1987r
6. Praca zbiorowa, Mikrobiologia wód, PWN, Warszawa 1973r 7. Kączkowski J., Podstawy biochemii, Wyd. PWT, Warszawa 1996r

    Prof.dr hab.inż. Marek Lebiedowski, dyscyplina naukowa - inżynieria środowiska  -  wrzesień, 2019r