W 1960 roku w czasopiśmie Tellus ukazała się praca „The Concentration and Isotopic Abundances of Carbon Dioxide in the Atmosphere”, która wskazała kolejny nowy rozdział w nauce. Amerykański klimatolog Charles David Keeling pokazał, że atmosfera Ziemi nie jest chemicznie stała. Udowodnił na podstawie wcześniejszych i późniejszych prac, że stężenie dwutlenku węgla rośnie z roku na rok i jednocześnie pulsuje w rytmie pór roku. W ten sposób wkrótce narodził się słynny wykres, nazwany krzywą Keelinga. Stał się on jednym z najważniejszych symboli epoki antropogenicznej – epoki spalania paliw kopalnych.
Atmosfera Ziemi „oddycha”. Na półkuli północnej latem stężenie CO₂ spada o ok. 5–6 ppm dzięki fotosyntezie, dzięki której liście roślin intensywnie pochłaniają ten gaz. Z kolei zimą stężenie te rośnie wskutek zahamowania fotosyntezy, ponieważ wiele roślin gubi liście. Oczywiście, zarówno latem, jak i zimą, czy też jesienią i wiosną, cały czas zachodzi rozkład materii organicznej, składającej się nie tylko ze szczątków roślin, ale też zwierząt i grzybów. Badania Keelinga wykazały też, że jednocześnie półkula (hemisfera) północna ma wyższe średnie stężenie CO₂ niż południowa. Dzieje się tak dlatego, ponieważ tam gdzie jest więcej lądów niż oceanów, tam jest też więcej ludzi, i jest więcej emisji przemysłowych. Ponadto naukowiec z Instytutu Oceanografii i. Scrippsa (SIO – Scripps Institute of Oceanography) zauważył, iż wymieszanie między obiema półkulami trwa około roku.
Jednak co tu jest bardzo istotne, nad tym sezonowym pulsem ziemskim kształtuje się wyraźna linia wznosząca: rok po roku średnia koncentracja CO₂ coraz wyraźniej rośnie. Właśnie to pokazał w 1960 r. Charles David Keeling — oddzielił naturalnie przebiegający biologiczny rytm planety od długoterminowego trendu antropogenicznego. Udowodnił, że oba zjawiska są jednocześnie prawdziwe i zachodzą na siebie.
Preludium: zanim Keeling zaczął mierzyć stężenie dwutlenku węgla
Warto tu zaznaczyć kluczowy aspekt: historia pomiarów atmosferycznego CO₂ nie zaczęła się w 1958 roku. Już w XIX wieku Amerykanka Eunice Foote, Irlandczyk John Tyndall w drugiej połowie lat 50-tych oraz Szwed Svante Arrhenius w drugiej połowie lat 90-tych prowadzili chemiczne oznaczenia składu powietrza, lecz ich metody miały charakter lokalny, niestandaryzowany i obarczony dużą niepewnością. Dane były wówczas zbierane w różnych miejscach oraz za pomocą różnych technik, a więc trudno było je porównywać ze sobą.
W latach 30. i 40. XX wieku brytyjski inżynier i klimatolog amator Guy Stewart Callendar w śmiały sposób zestawił historyczne pomiary CO₂, argumentując przy tym, że spalanie paliw kopalnych zwiększa jego stężenie w atmosferze. W 1938 r. opublikował bardzo ważną analizę, która wskazywała wyraźnie, że klimat ziemski ociepla się, i ma to związek z emisjami przemysłowymi. Problem jednak polegał na tym, że jego baza danych była fragmentaryczna, a środowisko naukowe pozostawało sceptyczne aż do drugiej połowy lat 50-tych XX w.
Tak się składa, że brakowało wtedy jednego bazowego aspektu: długoterminowej, precyzyjnej, globalnie reprezentatywnej serii pomiarowej. I właśnie to od podstaw pod koniec lat 50-tych postanowił zbudować Keeling, co mu się – jak dziś to widzimy w drugiej połowie lat 20-tych XXI w. – rewelacyjnie udało.
Dane przedstawione przez Keelinga pokazały powtarzalny cykl roczny. Maksimum stężenia CO₂ przypadało późną wiosną (kwiecień–maj), a minimum pod koniec kalendarzowego lata lub wczesną jesienią (wrzesień). Amplituda wahań pomiędzy oboma sezonami w roku wynosiła wówczas pod koniec lat 50-tych około 5–6 ppm.
Mechanizm ma trend biogeochemiczny. Wiosną i latem roślinność półkuli północnej intensywnie prowadzi fotosyntezę, pochłaniając CO₂ z atmosfery. Jesienią i zimą, gdy liście opadają, a procesy rozkładu dominują nad fotosyntezą, CO₂ powraca do powietrza. Atmosfera reaguje jak system sprzężony z biosferą — pulsuje. Fakt. Cyklicznie.
Kluczowe jest to, że wspomniana amplituda sezonowa wahań stężenia CO2 jest największa na półkuli północnej. To właśnie tam znajduje się nie tylko większość lądów ale też najwięcej biomasy roślinnej na planecie. Na półkuli południowej, która jest zdominowana przez oceany, wahania sezonowe są znacznie słabsze. Wynika to z tego, że temperatura w oceanach jest bardziej stabilna niż w atmosferze Ziemi, która wykazuje się większą dynamiką. Te subtelne i wyraźne różnice między obiema półkulami pokazały dokładnie dane Keelinga w niniejsze pracy z 1960 r.
To odkrycie przede wszystkim miało fundamentalne znaczenie, ponieważ pokazało, że globalny cykl węgla jest silnie kontrolowany przez lądową biosferę półkuli północnej.
Różnice między półkulami: sygnatura emisji i transportu
Keeling prowadził również pomiary na Antarktydzie. Okazało się, że średnie stężenie CO₂ na półkuli południowej było nieco niższe niż na północnej. Różnica ta pokazała, że większość emisji przemysłowych przede wszystkim pochodziła (i nadal pochodzi) z półkuli północnej. Poza tym na półkuli południowej jest więcej oceanów niż lądów z przemysłem ludzi i inną działalnością emisyjną (np. zmianą użytkowania terenu – tu głównie wylesianiem). Co jest bardzo ważne w badaniu Keelinga, to udowodnił, że pełne wymieszanie atmosfery między hemisferami zachodzi w ciągu prawie całego roku.
Generalnie był to geofizyczny przełom w „świeżych” nowoczesnych badaniach zmian klimatu. Praca Keelinga, na podstawie danych atmosferycznych, wykazała wyraźnie zaznaczony ślad antropogenicznych emisji w danych atmosferycznych. A był on zdecydowanie wyraźniejszy na półkuli północnej niż na południowej.
Dodatkowo, naukowiec wskazuje słabszą amplitudę sezonową na południu planety, aniżeli na północy. Dzieje się tak dlatego, gdyż na półkuli południowej silniejszą rolę niż dynamiczna biosfera lądowa odgrywa bardziej stabilny, choć ogromny, ocean.
Najważniejszy wniosek z pracy z 1960 r. wypływał taki, iż niezależnie od sezonowych spadków i wzrostów, trend średni stężenia CO2 miał charaker wzrostowy. I to z roku na rok. Z biegiem czasu przyszli naukowcy definitywnie przekonali się, że jest on skorelowany z trendem wzrostowym globalnej temperatury.
W każdy razie to był pierwszy jednoznaczny, instrumentalny dowód, że stężenie CO₂ w atmosferze systematycznie wzrasta. Właśnie z powodu działalności człowieka. Był to pierwszy dowód na podstawie pośrednich wskaźników. Na podstawie ciągłych pomiarów.
Dziś krzywa Keelinga przekroczyła wyraźnie 420 ppm. Ale jej siła nie tkwi tylko w liczbie. Tkwi w metodzie: w konsekwentnym, precyzyjnym monitoringu, pozwalającym na oddzielenie sezonowego „oddechu” biosfery od długoterminowego trendu antropogenicznego.
Keeling nie stworzył hipotezy. Stworzył naukowy standard pomiarowy. A jego wykres stał się ikoną współczesnej klimatologii. Stał się jednym z najbardziej wymownych dokumentów epoki przemysłowej — zapisem tego, jak atmosfera reaguje na spalanie węgla, ropy i gazu oraz zmiany użytkowania terenu – wylesianie czy osuszanie mokradeł.
Referencje:
Charles David Keeling 1960 ; Measurements of Atmospheric CO₂ at Mauna Loa Observatory ; Tellus ; https://www.rescuethatfrog.com/wp-content/uploads/2017/01/Keeling-1960.pdf