4. Za vším hledej uhlík

Tato kapitola určená biologům, chemikům a geografům se dívá na uhlík jako součást horninového cyklu a sleduje také rezervoár CO2 v atmosféře. Který je sice malý, zato ale velmi významný, protože CO2 je zásadní skleníkový plyn. Sleduje uhlík na jeho uzavřené cestě, kdy se dostává do organogenních hornin a fosilních paliv. Sem tam jej sopky vrátí do atmosféry. Dnes jsme ovšem takových permanentně soptících sopek v podobě komínů a výfuků otevřeli spousty, a to nám přírodní cyklus narušuje.

Doporučeno pro vyučovací předměty

chemie, fyzika, biologie/přírodopis, zeměpis/geografie, základy společenských věd, jazyky

Klíčové pojmy

sloučeniny uhlíku, CO₂, skleníkové plyny, fosilní paliva, koloběh uhlíku, fotosyntéza, oceány, emise, klimatická změna, okyselení, zachytávání uhlíku, spalování, permafrost, dýchání, dekarbonizace

Cíle:

• Žák vysvětlí uhlíkový cyklus včetně problematiky využívání fosilních paliv.
• Žák vytvoří model fotosyntézy a objasní ukládání uhlíku v biomase a půdě.

Důkazy o učení:

• Jednotlivé typy uhlíkatých sloučenin správně umístěné v koloběhu uhlíku. 

Související lekce z webu Učím o klimatu

uhlík
UHLÍK VŠUDE KAM SE PODÍVÁŠ
UHLÍK V NAŠEM OKOLÍ

ekologická stopa
EKOLOGICKÁ STOPA
UHLÍKOVÁ STOPA POTRAVIN

emise, spalovací procesy
KDO JSOU SKLENÍKOVÉ PLYNY
KDE SE BEROU SKLENÍKOVÉ PLYNY
JAK SNÍŽIT ČESKÉ EMISE
ENERGETIKA V ČR DNES A ZÍTRA
EMISNÍ NEROVNOSTI
HRA NA SKLENÍKOVÝ EFEKT
   
permafrost
TÁNÍ PERMAFROSTU

jídelníček - přežvýkavci a metan
UPRAV SI SVŮJ JÍDELNÍČEK 

 

Úkoly pro studenty:

Proč je problém spalování uhlí, ale ne naše dýchání?
Dýchání: vrací do vzduchu CO₂, který rostliny nedávno z atmosféry odebraly při fotosyntéze – cyklus trvá dny až roky, prakticky prodýcháváme potravu, kterou jíme. Jablko, které shnije uvolní stejné množství CO2 jako jablko, které sníme a “vydýcháme”.
Spalování uhlí: uvolňuje uhlík uložený v podzemí desítky milionů let, přidává tak nový CO₂ navíc, takže jeho celková koncentrace v atmosféře roste.

Proč se liší množství CO2 v atmosféře v létě a v zimě?

• Léto: listnaté lesy a další vegetace na severní polokouli prudce fotosyntetizují. Pohlcují víc CO₂, atmosférická hladina klesá.
• Zima: listy opadnou, fotosyntéza slábne, ale dýchání a rozklad zbytků pokračují → CO₂ stoupá. 

Na jižní polokouli je trend opačný, ale tam je méně pevniny, takže globální křivka se řídí severem.  Podrobně tady.

Jak souvisí více CO₂ ve vzduchu s okyselováním oceánů?
CO₂ z atmosféry se ve vodě rozpouští a reaguje - vzniká kyselina uhličitá (H₂CO₃). Ta uvolňuje H⁺ ionty, takže pH mořské vody klesá. Kyselejší oceán ztěžuje tvorbu vápenatých schránek korálům, měkkýšům či planktonu.

Proč chránit a rozšiřovat lesy a vegetaci?
Pohlcují CO₂ a ukládají uhlík do biomasy i půdy. Stabilizují klima, zadržují vodu, brání erozi a hostí většinu suchozemské biodiverzity. Jsou nejdostupnějším „přírodním nástrojem“ pro zpomalení oteplování a zároveň poskytují řadu dalších ekosystémových služeb (dřevo, stín, rekreace).

Rozšiřující úkoly

Kde najdeme uhlík

Rozdejte studentům kartičky "uhlíkového pexexa" dle následující tabulky (název, nebo vzorec, podle toho, kde v chemii jste) a zadejte jim dva úkoly:
A: ať je položí na správné místo v uhlíkovém cyklu v učebnici
B: ať je seřadí od nejrozšířenější sloučeniny po tu nejvzácnější:
(Můžete společně se studenty pomocí brainstormingu nebo myšlenkové mapy jednotlivé rezervoáry uhlíku definovat před zadáním úlohy).

Uhlíkové pexeso ke stažení v PDF: TADY

Řešení: Sloučeniny a zásobárny uhlíku na Zemi – seřazeno podle množství

Hlavní rezervoáry uhlíku na Zemi
Správné členění odpovídá standardu podle Berner (2004) a Falkowski et al. (2000).

	Rezervoár	Množství (Gt C)	Podíl (%)	Hlavní forma
1	Vápence a dolomity (karbonátové horniny)	60 000 000	79,792	CaCO₃, MgCO₃
2	Břidlice a organogenní sedimenty (kerogen aj., bez dvojího započtení fosilních paliv)	15 000 000	19,948	organický C v sed. horninách
3	Mořské dno (nelitifikované sedimenty)	150 000	0,199	uhličitany, organický detritus
4	Oceán (rozpuštěný anorganický C)	38 000	0,051	CO₂, H₂CO₃, HCO₃⁻, CO₃²⁻
5	Fosilní paliva (uhlí + ropa + plyn)	4 000	0,005	uhlovodíky, CH₄
6	Půda (organický C)	2 000	0,003	humus, půdní mikrobiální biomasa
7	Atmosféra	870	0,001	CO₂, CH₄
8	Biomasa (živé organismy)	550	0,001	polysacharidy, lipidy, lignin aj.

Zdroje dat: IPCC AR6 WG1 (2021); Falkowski et al. (2000, Science 290:291–296); Bar-On et al. (2018, PNAS 115:6506–6511); Berner (2004, The Phanerozoic Carbon Cycle); Hedges & Keil (1995, Marine Chemistry 49:81–115); Lal (2004, Science 304:1623–1627); Sabine et al. (2004, Science 305:367–371); USGS (2017, Carbon Sequestration and Storage in Geologic Formations).

Zamyslete se nad otázkami: 

• Jak je možné, že tak malá zásobárna uhlíku je tak významná pro změnu klimatu? 
• CO2 je významný skleníkový plyn i při malém množství v atmosféře, už dnes jsme na dvojnásobku postindustriální éry.
• Jak funguje zpětná vazba v případě silnějšího zastoupení CO2 v atmosféře, které cesty se posílí, jak systém zajistí alespoň částečné odebrání CO2 z atmosféry? (pufrování oceánem - který se pak ale okyseluje, urychlení fotosyntézy)

Pojmová mapa

Aktivita pojmová mapa  + pomůcka (příčina-problém-projev-důsledky-řešení)
Každé skupině (dělíme je opět do 4 skupin) dáme sadu kartiček. Žáci je mají správně poskládat ve vztahu příčina - problém - projev - důsledek - řešení. Na plnění úkolu jim necháme 10 minut. Řešení mohou být různá - jeden pojem může mít smysl ve více řetězcích. Tady je řešení:

1. nárůst osobní automobilové dopravy - zvýšení koncentrace CO2 v atmosféře - oteplení atmosféry - tání ledovců - využívání hromadné a sdílené dopravy
2. vysazení smrkových monokultur - kůrovcová kalamita - odumírání lesů - teplejší a sušší mikroklima - obnova lesa na druhově pestrý
3. vydláždění náměstí v centru města - vznik velké zpevněné plochy - tepelný městský ostrov - snížený komfort obyvatel - zelená infrastruktura (stromy, zeleň…)
4. spalování fosilních paliv - zvýšení koncentrace CO2 v     atmosféře - rozpouštění CO2 v oceánech a jejich okyselení - vymírání některých druhů mořských živočichů - přestat     spalovat fosilní paliva a využít čisté energie    
5. pastva hovězího dobytka a přežvýkavců - zvýšená produkce     metanu - oteplení atmosféry - extrémní projevy počasí - snížení počtu domácích přežvýkavců     
6. umělá regulace vodních toků, meliorace - rychlé odvedení vody z krajiny - neschopnost zadržení sezónních výkyvů množství vody v krajině - sucha a záplavy - obnova mokřadů a revitalizace toků

Okyselování oceánů aneb co způsobí nádech civilizace

Cíl: Zjistit, co se stane, když se do vody dostává oxid uhličitý – a proč je to problém pro oceány a mořský život.

Pomůcky: pro každou skupinu: dvě skleničky nebo průhledné nádoby, brčka podle počtu žáků, destilovaná voda (asi 200–300 ml), indikátor pH (nejlépe výluh z červeného zelí – návod níže)
příp. kapátko s octem nebo jedlou sodou pro srovnání

Postup: Do skleničky nalij vodu a přidej několik lžic výluhu z červeného zelí (viz návod). Do druhé skleničky připrav kontrolní vzorek (stejná voda + indikátor, ale bez bublání). Pomocí brčka pomalu foukej do roztoku asi 2–3 minuty. Pozoruj, zda se změní barva. Porovnej se vzorkem bez bublání. Zaznamenej výsledek a zkus odhadnout, jak se změnilo pH vody.

Co se děje s barvou? Červené zelí obsahuje přírodní indikátor – antokyany, které mění barvu podle kyselosti, neutrální jsou fialové, v zásaditém prostředí zezelenají, v kyselém zrůžoví.

Vysvětlení: Vydechovaný vzduch obsahuje oxid uhličitý (CO₂). Ve vodě CO₂ reaguje a vzniká kyselina uhličitá (H₂CO₃), která snižuje pH. Stejný princip platí i v oceánech: více CO₂ ve vzduchu → kyselejší moře → problém pro korály, mušle, plankton.

Otázky k zamyšlení:

• Co se stalo s barvou roztoku? Proč?
• Co by se stalo, kdybychom do vody přidali ocet? Nebo sodu?
• Jak tento pokus souvisí se změnami klimatu a životem v mořích?
• Které organismy jsou překyselením oceánu nejvíce ohroženy?

Jak připravit výluh z červeného zelí: Nakrájej pár listů červeného zelí, zalij je horkou vodou (ne vroucí) a nech 15–30 minut louhovat. Slij do lahvičky – hotový indikátor vydrží pár dní v lednici. Můžeš otestovat i s citronem, sodou, mýdlem nebo šamponem.

Příběh

V březnu 1958 začal americký chemik Charles David Keeling na havajské observatoři Mauna Loa souvisle měřit koncentraci CO₂ v atmosféře. Výsledná Keelingova křivka se stala jasným důkazem, že spalování fosilních paliv a odlesňování vychylují globální uhlíkový cyklus. Už první roky odhalily roční „pilkové“ kolísání dané fotosyntézou na severní polokouli i vytrvalý růst hladiny. V květnu 2013 křivka poprvé překročila 400 ppm a 1. června 2025 denní průměr dosáhl 429 ppm. Nepřerušená data dodnes poskytují věcný základ klimatické politice a připomínají, že uhlík z geologických archivů spalujeme rychleji, než jej ekosystémy stačí vázat.

---