Zmiany ilości CO2 w atmosferze

Historia zmian ilości dwutlenku węgla w atmosferze

Globalna emisja dwutlenku węgla związana z działalnością człowieka na rok 2008 to 35 miliardów ton rocznie (9.5 mld ton węgla). Największe źródła emisji to spalanie paliw kopalnych w elektrowniach, transport samochodowy i lotniczy oraz procesy związane z produkcją towarów przemysłowych.

Przeczytaj więcej o źródłach emisji 

Zmiany emisji dwutlenku węgla ze spalania paliw kopalnych w historii (w milionach ton węgla, aby przeliczyć na miliony ton dwutlenku węgla, wartości należy przemnożyć przez 3.66).

Prowadzone do lat ’50 XX wieku pomiary koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze, prowadzone metodami chemicznymi dawały niejasne i sprzeczne wyniki (Jakie wątpliwości jeszcze pozostały można przeczytać w Kąciku sceptyka ). Regularne i dokładne pomiary zawartości CO₂ w atmosferze z użyciem spektrometrii podczerwieni zaczęto prowadzić pod koniec lat 50-tych XX wieku. Już po kilku latach naukowcy zauważyli, że z roku na rok dwutlenku węgla w atmosferze przybywa.

Zmiany koncentracji CO₂ mierzone w obserwatorium na Mauna Loa na Hawajach.
Skala w ppmv – cząsteczkach CO₂ na milion cząsteczek powietrza.
Źródło: globalwarmingart.com

Od końca lat ’50 XX wieku koncentracja CO₂ w atmosferze wzrosła z 315 ppmv do poziomu 385 ppmv i wzrost ten jest coraz szybszy.

Na wykresie koncentracji CO₂ w atmosferze (szara linia) wyraźnie widać roczne oscylacje. Jest to związane z pochłanianiem CO₂ przez rośliny lądowe na wiosnę i w lecie (od maja do października), a następnie, wraz ze spadkiem liści i śmiercią roślin jednorocznych jesienią i zimą – oddawaniem go do atmosfery. Na półkuli południowej cykl pór roku i wzrostu roślinności jest co prawda przesunięty o pół roku, ale powierzchnia lądów na półkuli północnej jest znacznie większa, więc ich wpływ dominuje. Plankton w oceanach wzrasta równomiernie przez cały rok, nie wpływając istotnie na sezonowe wahania zawartości CO₂ w atmosferze.

Pomijając te oscylacje i uśredniając zawartość CO₂ w atmosferze rok po roku (czerwona linia) widać, że jego stężenie w atmosferze konsekwentnie i coraz szybciej rośnie. Stopniowo też zaczęto prowadzić takie pomiary w innych obserwatoriach, otrzymując spójny obraz sytuacji. Także coraz doskonalsze techniki satelitarne pozwoliły na śledzenie zmian koncentracji gazów cieplarnianych w atmosferze. ( Dowiedz się więcej o satelitarnych pomiarach gazów cieplarnianych w artykule na stronie The Encyclopedia of Earth ). Szczególnie interesująco zapowiadają się planowane na rok 2009 misje satelitów OCO i GOSAT, których rozdzielczości powinny być wystarczające do określenia przepływów dwutlenku węgla w atmosferze – gdzie są jego źródła, gdzie jest usuwany z atmosfery oraz jaki jest jego obieg w atmosferze Ziemi.
Warto zauważyć, że w miastach samochody, elektrownie i fabryki produkują dwutlenek węgla tak intensywnie, że obserwuje się jego koncentracje nawet 2-3 krotnie wyższą od średniej światowej.

Przyjrzyjmy się bliżej zmianom koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze w przeciągu ostatnich 250 lat, czyli od początków epoki przemysłowej (rys). Stężenie dwutlenku węgla coraz szybciej, od poziomu ~280 ppmv, w tempie odpowiadającym ilości spalanych przez nas paliw kopalnych.

Wykres górny pokazuje pomiary bezpośrednie koncentracji CO₂ w atmosferze (spektrometryczne z Mauna Loa i in. – linia jasnoniebieska) oraz z rdzeni lodowych w okresie 1750-2000 (punkty z różnych rdzeni lodowych). Widać coraz szybszy trend rosnący od poziomu ~280 ppmv. Dolny wykres prezentuje naszą emisję (linia niebieska) oraz to jak wiele pozostaje w atmosferze po usunięciu części dwutlenku węgla z atmosfery przez oceany i lądy (cykl węglowy).

Dobrym sposobem upewnienia się co do źródła pochodzenia dodatkowych ilości CO₂ w atmosferze, jest przeanalizowanie historycznych koncentracji różnych izotopów węgla w atmosferze. Są w niej obecne jego 3 izotopy:

• ¹²C – stabilny, preferowany przez rośliny
• ¹³C – stabilny
• ¹⁴C – niestabilny, czas połowicznego zaniku 5700 lat

Rośliny preferują lekki izotop węgla ¹²C. Paliwa kopalne (węgiel, ropa, gaz) powstały z roślin, jest więc w nich przewaga ¹²C względem ¹³C. Węgla ¹⁴C w ogóle w nich nie ma, gdyż zdążył się już rozpaść. Spalając paliwa kopalne wyrzucamy uwięziony w nich węgiel do atmosfery, skąd pobierają go obecnie rosnące rośliny i wbudowują w siebie. Co więc obserwujemy?

• Trafiający do atmosfery węgiel z paliw kopalnych powoduje, że jest w niej coraz więcej węgla ¹²C względem ¹³C;

Atmosferyczny poziom ilości izotopu węgla ¹³C względem ¹²C, spadek względnej ilości izotopu ¹³C jest w pełni zgodny z emisją ze spalania paliw kopalnych

• Spada w niej koncentracja węgla ¹⁴C względem ¹²C;
• Spada koncentracja tlenu, który podczas spalania łączy się z węglem. Gdyby dwutlenek węgla pochodził z ocieplających się oceanów, tlenu by nie ubywało;
• Spalanie paliw kopalnych powoduje, że w atmosferze jest coraz więcej dwutlenku węgla. Duża jego część jest pochłaniana przez oceany, rośnie więc ich kwasowość, co jest obserwowane – ich współczynnik pH zmalał w ciągu ostatniego stulecia o 0.1 (czyli ich kwasowość wzrosła o 30%). Gdyby dwutlenek węgla trafiał do atmosfery z oceanów, zjawisko takie nie miałoby miejsca;

Porównanie naszej emisji CO₂ ze zmianą ilości w atmosferze izotopu węgla ¹³C

• Zmiana składu izotopowego atmosfery jest zgodna z założeniem, że odpowiada za nią emisja CO₂ ze spalania paliw kopalnych.

Żadna z prezentowanych przez sceptyków teorii alternatywnych mówiących o tym, że wzrost koncentracji CO₂ w atmosferze jest naturalny, a gaz ten pochodzi z oceanów, mikrobów czy gleby, nie wyjaśnia tych faktów.

Z pomiarów paleoklimatycznych (głównie rdzeni lodowych) wiemy, że w przeciągu ostatnich kilkuset tysięcy lat koncentracja dwutlenku węgla w atmosferze wahała się w przedziale 180- 300 ppmv.

Wynik pomiaru zmian koncentracji CO₂ w atmosferze w przeciągu ostatnich 400 tysięcy lat na podstawie rdzeni lodowych
Źródło: globalwarmingart.com

Zmiany te następowały zgodnie z cyklami zlodowaceń, przy czym nigdy tempo zmian nie było tak gwałtowne jak dziś, a zawartość CO₂ w powietrzu nie sięgała obserwowanych obecnie wielkości – blisko 400 cząsteczek CO₂ na milion cząsteczek powietrza.
Wyraźnie, w związku z działalnością człowieka, nastąpiło zachwianie naturalnej równowagi CO₂ w atmosferze.

Skoro obserwujemy wzrost koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze, to czy wpływa to jakoś na obserwowaną temperaturę powierzchni Ziemi? O tym przeczytasz w artykule zmiany temperatury Ziemi.