W drugiej połowie XIX wieku naukowcy, tacy jak Eunice Foote ze Stanów Zjednoczonych czy John Tyndall z Irlandii, rozpoznali eksperymentalnie własności fizyczne podstawowych gazów cieplarnianych, jak dwutlenek węgla i para wodna. Tyndall dodatkowo zbadał też własności cieplne i fizyczne cząsteczki metanu.
—
Amerykańska uczona Eunice Newton Foote po raz pierwszy ujawniła światu naukowemu, że dwutlenek węgla jest gazem odpowiedzialnym za wzrost temperatury w atmosferze. Niestety mylnie zinterpretowała absorpcję CO2 przez promieniowanie. Prawidłowe niewidzialne światło podczerwone pomyliła z widzialnym światłem słonecznym. Co jednak współczesny świat nauki uczonej wybaczył i docenił ją, ale dopiero w maju 2018 roku, za to, że zwróciła po raz pierwszy uwagę na dwutlenek węgla i parę wodną, że mają własności cieplarniane 1.
Wyniki Foote zostały przedstawione w 1856 roku na zebraniu American Association for the Advancement of Science przez profesora Johna Henry’ego 1.
Z kolei John Tyndall, niezależnie od odkrycia Foote, w 1860 roku w swoich wynikach pracy eksperymentalnej, zwrócił po raz pierwszy uwagę na wspomniane gazy cieplarniane – dwutlenek węgla, parę wodną, a także metan. Uczony ten zbudował specjalny zestaw do badania własności absorpcyjnych gazów w zakresie promieniowania termicznego („radiant heat”) z wykorzystaniem termostosu. I w ten sposób został pionierem spektroskopii absorpcyjnej 2.
Pierwsze obliczenie podwojenia zawartości dwutlenku węgla, pod wpływem wzrostu temperatury globalnej, poczynając od 1900 roku, czyli wyznaczenie po raz pierwszy czułości klimatu, w swoich badaniach analitycznych pokazał światu naukowemu szwedzki chemik Svante Arrhenius 3.
Czułość klimatu u Arrheniusa wyniosła 5-6 stopni Celsjusza, a więc prawie dwukrotnie więcej niż to co zostało ustalone w 5 Raporcie Oceny IPCC w latach 2013-14 oraz teraz w 6 Raporcie Oceny IPCC w latach 2021-2023.
—
Na temat globalnego ocieplenia wywołanego przez człowieka jest szereg dowodów ustalonych już w latach 50 XX wieku. Są to tak zwane klimatyczne odciski palców.
W 1957 roku naukowcy, z Instytutu Oceanografii im. Scrippsa (Scripps Institution of Oceanography) na Uniwersytecie Kalifornijskim w La Jolla, amerykański oceanolog Roger Revelle i austriacki fizyk jądrowy Hans Suess, zbadali po raz pierwszy izotopy dwutlenku węgla w atmosferze i w oceanach. Zaobserwowali, że nastąpił znacznie większy stosunek [δ – symbol izotopu] izotopu węgla 12C do izotopu węgla 13C. Wyciągnęli prosty wniosek, że jeśli rośliny bardziej preferują 12C niż 13C, to skoro odkryto rosnący stosunek tego pierwszego do drugiego, oznaczało to, że pochodzą one z roślin kopalnych, czyli ze spalanego węgla kamiennego i brunatnego 4.
—
Po wielu latach Florian Böhm i jego współpracownicy, z Centrum Badawczego Nauk o Ziemi Morskiej – GEOMAR w Kilonii, zauważyli podczas swoich badań, że od początku rewolucji przemysłowej, czyli od początku drugiej połowy XIX wieku, gdy zaczęto coraz intensywniej spalać paliwa kopalne i emitować dwutlenek węgla do atmosfery, stosunek izotopowy węgla 12C zaczął się powiększać względem 13C. I to był wyraźny sygnał, że do obecnego globalnego ocieplenia przyczynia się człowiek, już od ponad 200 lat 5.
Autorzy pracy piszą:
Szkielety z gąbki koralowej są doskonałym narzędziem do rekonstrukcji historii izotopów rozpuszczonego węgla nieorganicznego (DIC – Dissolved Inorganic Carbon) w tropikalnych wodach powierzchniowych. Zapisy izotopów węgla z gąbek koralowych wyraźnie odzwierciedlają przemysłowy wzrost izotopów węgla δ12C w atmosferycznym dwutlenku węgla, z precyzją, która pozwala na ilościowe interpretacje.
Na podstawie zapisu zestawu izotopów δ13C pochodzących z czterech okazów gąbek karaibskich, stwierdzamy, że odpowiedź izotopowa nierozpuszczonego węgla nieorganicznego (DIC) w wodzie powierzchniowej na zmieniający się skład izotopowy atmosferycznego CO2 zmieniała się dynamicznie w ciągu ostatniego stulecia, w zależności od tempa zmian atmosferycznych. Trzy z naszych gąbek zapewniają 600-letnie zapisy izotopów 13C.
—
Na przestrzeni lat 1350-1850, naukowcy zaobserwowali niewielkie wahania izotopów 12C w stosunku do 13C. Wszystko się zmieniło z początkiem rewolucji przemysłowej około 1850 roku, gdy ludzkość zaczęła spalać paliwa kopalne. Wówczas stosunek izotopów 12C do 13C zaczął do dzisiejszego dnia się zwiększać.
—
Rys.1. Porównanie gąbki karaibskiej z płytkiej wody (niebieska linia ciągła) i z głębszej wody (czerwona linia przerywana). Zapisy izotopów węgla δ13C w skamielinach gąbek (wewnętrzna lewa oś y), zapisy izotopów węgla δ13C atmosferycznego CO2 (zielone krzyżyki, zewnętrzna lewa oś y) i atmosferycznym ciśnieniu cząstkowym pCO2 (niebieskie kółka, prawa oś y , podziałka odwrotna). (Dane dotyczące atmosfery pochodzą z rdzenia lodowego Antarktydy i wtrąceń powietrza firnowego [Etheridge i in., 1996; Francey i in., 1999] oraz pomiarów powietrza [Keeling i Whorf, 2001]).Klimatyczny zapis izotopów δ 13C jest skalowany pod kątem jego średniej przedindustrialnej i wartości minimalnych, aby pasował do zapisu z płytkiej wody. Standardem ustalonym dla izotopu węgla 13C jest wiedeński wzorzec porównawczy paleotemperatur, przy określaniu składu izotopowego węgla i tlenu, tzw. Vienna Pee Dee Belemnite (VPDB). Jest to kredowa skamielina morskiego głowonoga Belemnitella americana, pochodzącego z formacji Peedee w Południowej Karolinie. Linia pozioma oznacza przedprzemysłowe średnie (1350–1850 n.e.) (odpowiednio koncentracja dwutlenku węgla 280,5 ppm, przy zawartości w promilach, dla izotopu δ13C -6,37‰ oraz dla wzorca VPDB 4,95‰). Niewielkie przesunięcia w czasie pomiędzy zapisami atmosfery i zapisami gąbek mogą być artefaktami metod datowania. Niebieski pasek u góry pokazuje przybliżony czas trwania Małej Epoki Lodowcowej (Jean M. Grove, 1988). Czerwone słupki oznaczają minima słoneczne Spörera (ok. 1420–1540 n.e.) i Maundera (1645–1715 n.e.) (Florian Böhm i inni, 2002).
—
W ciągu 200 lat, które upłynęły od początku epoki przemysłowej, względna zawartość 13C spadła o 2 promile.
Dwutlenek węgla łącząc się w prostej reakcji chemicznej z cząsteczką tlenu, utlenia się do cząsteczki dwutlenku węgla:
C + O2 = CO2
Gdy przybywa dwutlenku węgla w atmosferze, czyli im większe rośnie jego stężenie, tym więcej pochłania on energii cieplnej w zakresie podczerwieni o długości fal wynoszącej 15 mikrometrów (15 μm). Następnie cząsteczki CO2 wyemitowują tę energię na wszystkie strony, zarówno w kosmos, jak i ku powierzchni chmur i ku powierzchni Ziemi, dzięki czemu omówiony wcześniej efekt cieplarniany jest wzmacniany przez rosnącą koncentrację dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych.
—
Nawiązując jeszcze do ważnego wydarzenia w związku z badaniem antropogenicznej zmiany klimatu, a zwłaszcza własności fizyko-chemicznych dwutlenku węgla, Charles David Keeling, pracujący w tamtych czasach w Instytucie Oceanografii Scrippsa na Uniwersytecie Kalifornijskim w La Jolla, dokonał analizy, że na półkuli północnej zostało zaobserwowane i eksperymentalnie zbadane, systematyczne zróżnicowanie stężenia i obfitości izotopowej dwutlenku węgla w atmosferze, i to w zależności od pory roku i szerokości geograficznej. A na Antarktydzie zmierzono nieco mniejszy wzrost koncentracji tego gazu 6.
Keeling, który zapoczątkował pomiary koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze, za pomocą metody badawczej spektrometrii masowej, w obserwatorium na Hawajach, na wulkanie tarczowym Mauna Loa (wyspa Hawai’i), zauważył, że stężenie tego gazu systematycznie rośnie w atmosferze w sezonach jesieni i zimy, wówczas wegetacja roślinna ustaje. Natomiast w sezonach wiosny i lata, wegetacja roślin intensyfikuje się i więcej tego gazu jest przez nie pochłaniane. Obrazuje to wykres od 1958 roku, do dzisiejszego dnia, tzw. krzywa Keelinga, z charakterystycznym naprzemiennym wzrostem i spadkiem koncentracji CO2 w ciągu roku.
—
Rys.2. Krzywa Keelinga stężeń w atmosferze zmierzona w Obserwatorium Mauna Loa w latach od 1958 do 2021 r. (NOAA).
—
Przez ten czas wyszedł szereg prac monitorujących wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze Ziemi. Mierzymy je w wielu rejonach planety, zarówno na półkuli północnej (w Barrow na Alasce w USA, na wyspie Lampeduza we Włoszech czy na Szetlandach w Wielkiej Brytanii), jak i na południowej (na wyspie Samoa, w Cape Grim na Tasmanii w Australii, w Baring Head w Nowej Zelandii czy na biegunie południowym).
—
Bardzo ważna zespołowa praca na temat koncentracji dwutlenku węgla ukazała się w 2013 roku. Jej główni autorzy, pracujący na co dzień we wspomnianym już Instytucie Oceanografii im. Scrippsa na Uniwersytecie Kalifornijskim w La Jolla, Heather D. Graven oraz Ralph Keeling (kontynuator pracy ojca Charlesa Keelinga), przedstawili ważny aspekt zmienności sezonowej stężenia dwutlenku węgla na półkuli północnej 7.
Mianowicie, wraz z nastaniem fotosyntezy roślin, drzew, krzewów i roślin zielnych, oraz ich rozkwitem w porze wiosennej i jej intensyfikacją w porze letniej, koncentracja dwutlenku węgla w atmosferze się zmniejsza, a gdy w porze jesienno-zimowej fotosynteza ustaje i wiele roślin zielnych obumiera, a drzewa i krzewy tracą liście, koncentracja dwutlenku węgla zwiększa się.
W czasach przedprzemysłowych stężenie dwutlenku węgla w atmosferze wahało się od 170 do 280 części na milion w ciągu ostatnich 800 000 lat.
W 1958 roku, gdy Charles Keeling zaczął gromadzić dane pomiarów stężenia dwutlenku węgla na wulkanie Mauna Loa (wyspa Hawaii), stężenie wzrosło do około 315 części na milion.
—
Fot. Obserwatorium pomiarów koncentracji dwutlenku węgla na wulkanie tarczowym Mauna Loa na wyspie Hawai’i na Hawajach (NASA Earth Observatory).
—
Przed opublikowaniem tejże pracy w maju 2013 r., dzienne pomiary dwutlenku węgla na Mauna Loa przekroczyły 400 części na milion – po raz pierwszy w historii ludzkości.
W latach 2009-2011 roku, naukowcy przeprowadzili pomiary koncentracji CO2 z samolotów nad Północnym Pacyfikiem i Oceanem Arktycznym. I na podstawie wieloletniego, lotniczego przeglądu chemii atmosferycznej, zaobserwowali, że na wyższych szerokościach półkuli północnej, od 45° do 90° N, pomiędzy porami, wiosenno-letnią a jesienno-zimową, na wysokości 3-6 kilometrów, amplituda wymiany węgla wzrosła o około 50%, pomiędzy atmosferą a roślinnością i glebami, w porównaniu z wcześniejszymi obserwacjami z samolotów, przeprowadzonymi przez zespół naukowy pod kierownictwem Charlesa Keelinga w latach 1958-1961.
Podczas badania w 2013 roku, na niższych szerokościach, od 10° do 45° N, międzysezonowa amplituda wymiany węgla, w porównaniu z poprzednimi badaniami, wzrosła o 25%.
Graven i Keeling, wraz ze swoimi współpracownikami, oszacowali, że od początku lat 60 do 2013 roku, stężenie dwutlenku węgla, w stacjach pomiarowych na Mauna Loa (Hawaje) i na Barrow (Alaska), wzrosło o 23 procent, a od 1960 roku, średnia temperatura wzrosła o 1°C w kierunku północnym od 30° N. Ponadto naukowcy stwierdzili, że wzrost amplitudy pomiędzy porą wiosenno-letnią a jesienno-zimową ma duży wpływ na zmiany w ekosystemach. W pierwszym przypadku, podczas fotosyntezy, występuje wzmocnione nawożenie roślin dwutlenkiem węgla, a w drugim, podczas jej zaniku, zwiększenie temperatury Ziemi.
Naukowcy wyciągnęli wnioski, że wzrost międzysezonowej amplitudy wymiany węgla na średnich i wysokich szerokościach geograficznych ma także wpływ na przesuwanie się zasięgów geograficznych gatunków oraz biomów wraz ze strefami klimatycznymi. Również zmiana składu gatunkowego we florze i faunie jest coraz bardziej zauważana wraz z zaobserwowanym procesem zaburzającym dynamikę biosfery lądowej i morskiej. W ekosystemach leśnych i pozaleśnych następują zmiany węgla w liściach, korzeniach i pniach (łodygach) roślin drzewiastych i zielnych.
Na wysokich szerokościach geograficznych, obok zaniku fotosyntezy w porze jesienno-zimowej, na duży sezonowy wzrost koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze ma też ogrzewanie mieszkań, obiektów użyteczności publicznej oraz zakładów przemysłowych.
—
Referencje:
1. Foote E. , 1856 ; Circumstances affecting the heat of the sun’s rays ; American Journal of Science and Arts 22: 382-383 ; https://static1.squarespace.com/…/foote_circumstances…
2. Tyndall J., 1872 ; Contributions to Molecular Physics in the Domain of Radiant Heat ; Longmand, green and co ; https://archive.org/…/contributionsto0…/page/n8/mode/2up
3. Arrhenius S., 1896 ; On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground ; Philosophical Magazine and Journal of Science 41: 237-276 ; https://www.rsc.org/images/Arrhenius1896_tcm18-173546.pdf
4. Revelle R. et al., 1957 ; Carbon Dioxide Exchange Between Atmosphere and Ocean and the Question of an Increase of Atmospheric CO2During the Past Decades ; Tellus ; https://www.tandfonline.com/…/10.3402/tellusa.v9i1.9075
5. Böhm F. et al., 2002 ; Evidence for Preindustrial Variations in the Marine Surface Water Carbonate System from Coralline Sponges ; Geochemistry, Geophysics and Geosystems ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/…/2001GC000264
6. Keeling C. D. , 1960 ; The Concentration and Isotopic Abundances of Carbon Dioxide in the Atmosphere ; Tellus ; http://www.rescuethatfrog.com/…/2017/01/Keeling-1960.pdf
7. Graven H. D. et al., 2013 ; Enhanced Seasonal Exchange of CO2 by Northern Ecosystems Since 1960 ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.1239207