W 1957 roku dwóch naukowców: Amerykanin oceanograf Roger Revelle i również Amerykanin, ale pochodzenia austriackiego, fizyk jądrowy Hans E. Suess z Instytutu Oceanografii im. Scrippsa (SIO – Scripps Institution of Oceanography) wykazali, że atmosfera od ponad 100 lat niosła w sobie chemiczny ślad spalania węgla, ropy i gazu. Analiza izotopów węgla pozwoliła po raz pierwszy jednoznacznie przypisać wzrost stężenia CO₂ z powodu działalności przemysłowej człowieka, nie tylko w atmosferze – jak to założyli wcześniej Svante Arrhenius, Thomas Chamberlin i Guy Stewart Callendar, ale też w oceanach. To była przełomowa praca, która zmieniła klimatologię z dyskusji o hipotezach w naukę opartą na detekcji fizycznego sygnału.
Praca Rogera Revelle’a i Hansa E. Suessa z 1957 roku „Carbon Dioxide Exchange Between Atmosphere and Ocean and the Question of an Increase of Atmospheric CO2 During the Past Decades”, zamieszczona w czasopiśmie Tellus, pokazała, że wzrost atmosferycznego CO₂ ma charakter wybitnie antropogeniczny, co udowodnili na podstawie obliczeń zmiany składu izotopowego węgla. Wzrost udziału izotopu węgla δ 12C w stosunku do 13C oraz „rozcieńczenie” 14C w atmosferze odpowiadają sygnaturze spalanej materii organicznej, z której powstały paliwa kopalne.
Jednocześnie autorzy wykazali, że oceany nie są w stanie w krótkim czasie pochłonąć całej emisji przemysłowej, co też wiązałoby się – jak to zbadali późniejsi geochemicy morscy – z potencjalnie destrukcyjnym zakwaszeniem tych największych akwenów na świecie. A jakie były fakty prawie 70 lat temu? Część wyemitowanego antropogenicznego CO₂, która zaczęła kumulować się w atmosferze, zaczęła zmieniać wyraźnie jej skład chemiczny.
Był to pierwszy tak silny, fizyczny dowód, że działalność człowieka zmienia globalny cykl węgla.
Fot. Roger Revelle. Źródło: Glasheen. [Negatyw AN24/41906/484/34, Zbiory Specjalne UCSD.]/CC BY-SA 4.0
Fot. Hans Suess. Źródło: Zbiory specjalne i archiwa, Uniwersytet Kalifornijski w San Diego, La Jolla, 92093-0175 (https://lib.ucsd.edu/sca)/CC BY-SA 4.0
Zanim pojawił się dowód
W połowie XX wieku naukowcy znali już podstawy fizyki efektu cieplarnianego. Wiadomo było z badań już XIX-wiecznych (Eunice Foote, John Tyndall, Svante Arrhenius), że CO₂ pochłania pewne pasma promieniowania podczerwonego – zwłaszcza 15 mikrometrów – i wpływa zaburzająco na bilans radiacyjny Ziemi, doprowadzając do jej nierównowagi radiacyjnej (badanej intensywnie w późniejszych latach). Już od czasów Arrheniusa rozważano, że spalanie paliw kopalnych może prowadzić do ocieplenia klimatu, ale na przełomie XIX i XX wieku jeszcze nie zdawano sobie sprawy jak szybko to będzie postępować i jakie poważne konsekwencje będzie mieć dla życia ludzi i innych gatunków na Ziemi.
Do 1957 r. brakowało naukowcom istotnej i pewnej odpowiedzi na kluczowe pytanie: czy rosnące stężenie CO₂ rzeczywiście pochodzi z działalności człowieka? Atmosfera i ocean tworzą złożony system dynamiczny, w którym węgiel nieustannie krąży w tak zwanym cyklu węglowym. Część badaczy w tamtych czasach sądziła, że oceany wchłoną niemal całość antropogenicznej emisji.
W tym kontekście Roger Revelle i Hans E. Suess na podstawie swoich badań oceaniczno-atmosferycznych postanowili podejść do problemu nie poprzez spekulacje, lecz poprzez pomiar. Sięgnęli po narzędzie, które pozwala odróżnić źródła węgla z precyzją atomową – analizę izotopową.
Izotopy jako „odcisk palca”
Węgiel występuje w przyrodzie głównie jako izotopy węgla 12C i 13C oraz w śladowych ilościach jako radioaktywny 14C. Procesy biologiczne preferują lżejszy izotop 12C. W efekcie rośliny – a później powstałe z nich paliwa kopalne – są względnie zubożone w 13C.
Jeśli spalanie paliw kopalnych zwiększa ilość CO₂ w atmosferze, to powinno to prowadzić do zmiany stosunku 13C/12C. Atmosfera powinna stawać się relatywnie uboższa w 13C. Taki sygnał można zmierzyć z dużą dokładnością.
Revelle i Suess wykazali, że obserwowany skład izotopowy atmosferycznego węgla rzeczywiście zmienia się w kierunku charakterystycznym dla spalanych paliw kopalnych. Dodatkowo zaobserwowano spadek względnej zawartości 14C — zjawisko później nazwane „efektem Suessa”. Paliwa kopalne, takie jak węgiel, ropa, gaz, jako bardzo stare, pamiętające czasy nawet 300 milionów lat w paleozoiku, nie zawierają już 14C, który uległ rozpadowi w skali milionów lat. Średnio statystycznie czas połowicznego rozpadu następuje po 5730 latach.
To był kluczowy dowód niezależny od stosowanych wówczas modeli klimatycznych. Np. przez Gilberta Plassa. Wynikał on bezpośrednio z fizyki jądrowej i chemii.
Rys. Oczekiwany długoterminowy wzrost stężenia CO2 w powietrzu zgodnie z równaniem (7), dla średnich czasów życia CO2 w atmosferze t(atm) = 10 lat i 3,0 lat, z korektą i bez korekty na wzrost ciśnienia cząstkowego CO2 przy stężeniu całkowitego CO2 w wodzie morskiej (krzywe dla y = 10 i y = I odpowiednio), dla stałej szybkości dodawania przemysłowego COP wynoszącej i = 2,5 * 10-* x Ao. Źródło: Roger Revelle & Hans Suess/CC BY 4.0
Ocean nie jest nieskończonym zlewem
Drugim kluczowym elementem pracy była analiza wymiany CO₂ między atmosferą a oceanem. Autorzy pokazali, że zdolność oceanu do pochłaniania dwutlenku węgla jest ograniczona przez równowagi chemiczne w układzie węglanowym.
Rozpuszczony CO₂ tworzy w wodzie morskiej kwas węglowy, wodorowęglany i węglany. Jednak wraz ze wzrostem koncentracji CO₂ zmienia się równowaga chemiczna, co ogranicza dalsze pochłanianie gazu. Oznacza to, że oceany działają jako bufor, ale nie jako nieskończony magazyn.
Revelle oszacował, że znaczna część antropogenicznego CO₂ pozostanie w atmosferze przez długie dziesięciolecia. To była fundamentalna zmiana myślenia o globalnym cyklu węgla.
W praktyce oznaczało to, że już w drugiej połowie lat 50-tych XX wieku wiadomo było, że każda tona spalonego węgla przyczynia się do zwiększania atmosferycznego stężenia CO₂ w sposób trwały w skali ludzkiego życia.
Od sygnału izotopowego do krzywej Keelinga
W tym samym okresie rozpoczęły się systematyczne pomiary stężenia CO₂ prowadzone przez Charlesa Davida Keelinga w obserwatorium dwutlenku węgla na hawajskiej wyspie Mauna Loa. Dane te, znane są dziś jako krzywa Keelinga. Pokazały one stały wzrost koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze.
Izotopowy dowód dostarczony przez Revelle’a i Suessa wyjaśniał źródło tego wzrostu. Krzywa Keelinga pokazywała tempo i skalę, a analiza izotopowa – przyczynę.
W kolejnych dekadach wzrost wartości 12C w stosunku do 13C w atmosferze stał się jednym z najważniejszych wskaźników antropogenicznego wpływu na cykl węgla. Współczesne pomiary potwierdzają ciągłość tego trendu.
To właśnie połączenie precyzyjnych pomiarów i fizycznej interpretacji sprawiło, że klimatologia wkroczyła w erę detekcji i atrybucji.
Moment, w którym atmosfera przemówiła
Artykuł z 1957 roku był pierwszą w pełni udaną techniczną analizą wymiany gazów i stosunków izotopowych. Jego znaczenie ujawniło się z czasem i było przez długie lata kluczowym wzorcem dla wielu późniejszych klimatologów.
w tamtych czasach po raz pierwszy pokazano, że atmosfera zachowuje zapis działalności przemysłowej w strukturze atomów. I to nie był model, czy też scenariusz, lecz bezpośredni pomiar zmiany składu chemicznego powietrza.
Dziś, gdy stężenie CO₂ dosięgnęło 425 ppm, sygnał izotopowy pozostaje jednym z najmocniejszych dowodów antropogenicznego charakteru zmian klimatu. Fundament tego rozumowania został położony w 1957 roku.
To wtedy klimat przestał być wyłącznie tematem teoretycznych rozważań. Stał się mierzalnym skutkiem działalności człowieka, zapisanym w proporcjach izotopów węgla.
Referencje:
Roger Revelle & Hans Suess, 1957 ; Carbon Dioxide Exchange Between Atmosphere and Ocean and the Question of an Increase of Atmospheric CO2 During the Past Decades ; Tellus, Volume 9, Issue 1 ; https://www.documentcloud.org/documents/7275887-1957-Revelle-Suess-Carbon-Dioxide-Exchange/