Cykl węglowy jest najbardziej podstawowym cyklem biogeochemicznym na Ziemi, ale jego znaczna część pozostaje zagadkowa. Wiadomo nam, że jest zakłócany poprzez spalanie paliw kopalnych oraz zmiany użytkowania terenu.
Węgiel jako pierwiastek chemiczny w procesie spalania łączy się z atmosferycznym tlenem (O2), a podczas deforestacji, karczowania, osuszania mokradeł, gdy powstaje w warunkach tlenowych, to trafia do atmosfery jako związek chemiczny dwutlenek węgla (CO2), a w warunkach beztlenowych jako metan (CH4). I tak powstająca nadwyżka dwutlenku węgla w atmosferze ma już pochodzenie antropogeniczne. Jedna jej połowa zostaje w atmosferze, a druga połowa jest absorbowana przez lądy i oceany.
Węgiel naturalnego pochodzenia uczestniczy w cyklu węglowym. I jest nie tylko wydzielany, ale i też pochłaniany przez oceany i gleby. Z kolei w przypadku roślinności na Ziemi, zachodzi fotosynteza, czyli pochłanianie atmosferycznego dwutlenku węgla, w porze dziennej przez wszystkie rośliny i glony oraz wydzielanie w tym samym czasie tlenu. Jednak wyjątek stanowią rośliny tzw. typu C3 (których jest większość na Ziemi), które w porze nocnej dodatkowo wydzielają dwutlenek węgla. Ponadto ten gaz jest wydzielany do atmosfery przez rośliny po ich śmierci.
Z kolei zwierzęta i grzyby tylko CO2 wydzielają do atmosfery, za to absorbując tlen, zarówno w porze dziennej, jak i nocnej.
Pośmiertna zespołowa praca, której głównym autorem był zmarły w grudniu 2016 roku Piers J. Sellers – dyrektor Wydziału Nauk o Ziemi w Goddard Space Flight Center NASA w Greenbelt, to jeden z kamieni milowych na temat satelitarnych badań węgla w atmosferze Ziemi i jego interakcji z lądem oraz z oceanem 1.
W powyższym artykule Sellers i jego współpracownicy zbadali „sprzężenia zwrotne obiegu węgla i klimatu” – potencjalną odpowiedź systemów naturalnych na zmiany klimatyczne spowodowane przez emisje człowieka.
Naukowcy zastanawiają się, jak wymiana węgla wpłynie na interakcje pomiędzy lądem, oceanem a powietrzem. Nie są pewni jak dalszy wzrost temperatury globalnej wpłynie na dalsze procesy absorpcji węgla przez lasy i oceany, które w pewnym sensie na razie są buforami spowolnienia ocieplania się klimatu w atmosferze, od której my ludzie oraz wiele zwierząt lądowych jest zależnych. Można zadać pytanie czy pochłanianie netto węgla przez lądy i oceany zmniejszy się czy też te rezerwuary węgla będą powoli stawać się źródłami netto węgla?
Rys.1. Sprzężenia zwrotne systemu ziemskiego prowadzą do pochłaniaczy, które pochłaniają około połowy emisji antropogenicznych, a pozostała część przyczynia się do wzrostu atmosferycznego węgla.
Strumienie węgla pochodzą z globalnego budżetu węglowego „Global Carbon Budget” (Le Quéré et al., 2015).
Ten budżet nie jest zbilansowany i zawiera szczątkowy strumień wynoszący 0,6 Pg/rok.
(Piers Sellers i inni, 2018)
David Schimel, naukowiec z Laboratorium Napędów Odrzutowych (JPL – Jet Propulsion Laboratory) w Pasadenie oraz wieloletni współpracownik naukowy Sellersa, będący także współautorem artykułu odpowiedział:
Wszyscy postrzegaliśmy zrozumienie przyszłości sprzężeń zwrotnych obiegu węgla jako jedno z największych wyzwań nauki o zmianie klimatu.
—-
W 2014 roku NASA wystrzeliła satelitę Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2), po to by bezpośrednio mierzyć stężenie dwutlenku węgla w atmosferze. A wraz z dalszym postępem w zakresie pomiarów i technik modelowania komputerowego, naukowcy coraz lepiej rozumieją w swoich symulacjach w jaki sposób węgiel przepływa pomiędzy atmosferą, lądem a oceanem.
Zadaniem OCO-2 jest gromadzenie globalnych pomiarów z wystarczającą precyzją, pokryciem i rozdzielczością, aby pomóc w identyfikacji źródeł i pochłaniaczy CO2.
Interesujące i zbliżone prace na ten temat, w kontekście satelitarnych badań koncentracji dwutlenku węgla, pokazali w tym samym czasie naukowcy, tacy jak Annmarie Eldering, Junjie Liu i Florian Schwandner, pracujący w Laboratorium Napędów Odrzutowych (JPL) na Technologicznym Instytucie Kalifornijskim w Pasadenie w Kalifornii.
—-
Pierwsza praca zespołowa, której autorką była Annmarie Eldering wyjaśnia nam wiele tematów 2.
Jednym z nich jest przyjrzenie się uważne, że tropikalne regiony Ameryki Południowej, Afryki środkowej i Azji południowo-wschodniej podczas silnego El Niño 2015-16 wyemitowały do atmosfery wielokrotnie więcej dwutlenku węgla niż w okresie 2010-11 podczas silnej La Niña.
Ten temat wyjaśnia nam, że procesy zachodzące w rytmie pór roku podczas regionalnych zmian stężeń CO2 w cyklu węglowym na półkuli północnej mają charakter cykliczny. Koncentracja CO2 na półkuli północnej spada wiosną i latem, gdy kwitnące i owocujące rośliny pobierają ten gaz z powietrza, natomiast wzrasta jesienią i zimą w trakcie występującego wówczas rozkładu materii organicznej z rozkładającej się roślinności oraz z procesu wyhamowania fotosyntezy, gdy w strefie umiarkowanej drzewa wtedy gubią liście. W ten sposób CO2 wraca w większej ilości z powrotem do atmosfery. Na fluktuacje sezonowe wzrostu i spadku stężenia dwutlenku węgla w atmosferze nakłada się też stały wzrost koncentracji CO2 w atmosferze związany ze spalaniem paliw kopalnych podczas zwiększonego ogrzewania mieszkań i domów użyteczności publicznej.
Rys.2. Wpływ El Niño na strumień węgla w 2015 r. W stosunku do 2011 r., Wykryty na podstawie danych z satelity Greenhouse Gases Observing Satellite (GOSAT) i OCO-2 (Anmarie Eldering i inni, 2017).
—–
Interesujące jest też badanie zespołu badawczego Junjie Liu, w którym naukowcy połączyli dane pomiarowe satelity OCO-2 z danymi zebranymi za pomocą innych satelitów 3.
Ostatecznie, pokazały one, że opisane, także przez zespoły Eldering i Liu, tropikalne regiony Ameryki Południowej, Afryki i Azji, podczas bardzo silnego El Niño wyemitowały do atmosfery w 2015 roku aż 2,5 GtC (gigaton węgla) więcej niż w 2011 roku, gdy była bardzo silna La Niña, czyli blisko o ¼ , tyle, ile wynoszą łącznie emisje antropogeniczne. Jak się okazało, ekstremalnie wysokie temperatury towarzyszące falom upałów, suszom i pożarom sprzyjały temu, że do atmosfery w tropikach trafiało więcej dwutlenku węgla z gleb, roślinności i zapewne z oceanów.
Rys.3. Zróżnicowane anomalie czynników klimatycznych i reakcje cyklu węglowego na El Niño 2015–2016 na trzech kontynentach tropikalnych tropikalnych (Jiunjie Liu i inni, 2017).
Z kolei Florian Schwandner i jego współpracownicy przyjrzeli się dokładniej analizie satelitarnej, w której na trzech obszarach tropikalnych, opisanych przez Elderinga i Liu, procesy pokazujące wzrost emisji były różne 4.
I tak przykładowo:
W Ameryce Południowej przyczyną emisji był brak deszczu przynoszący suszę. Z kolei w Afryce, chociaż wzrost roślin był normalny, emisje wzmacniały temperatury regionalne, które były wyższe od średniej temperatury, a to prowadziło do szybszego rozkładu materii organicznej. Natomiast w Azji główną przyczyną emisji były pożary podczas suszy w wielu regionach silnie wylesionych.
Przyszłość naszego klimatu jest niepewna. Anomalnie wysokie temperatury, susze oraz pożary najprawdopodobniej przyczynią się do dodatkowych emisji CO2 i dalszego nasilenia się ocieplania klimatu.
Rys.4. Pomiary stężeń CO2 próbkowane w prostokątach 1,3 x 2,25 km, wykonane przez OCO-2 podczas jednego z przelotów nad Los Angeles. Źródło Schwander i in., 2018.
Marcin Popkiewicz w artykule „Satelitarne obserwacje stężeń źródeł emisji i miejsc pochłaniania CO2”, w serwisie Nauka o klimacie, pisze 5:
Przykładowo, dane zebrane podczas przelotów OCO-2 nad Los Angeles (rysunek 8) wykazały, że koncentracje CO2 w próbkowanych obszarach nad centrum miasta przy korzystnych warunkach wiatrowych były o 4,4-6,1 ppm wyższe niż w leżących 100 km dalej terenach pozamiejskich. Podobnie rejestrowane są też emisje CO2 z aktywnych wulkanów oraz ich zmiany wraz ze zmianami aktywności, rejestrowanej równolegle za pomocą znajdujących się na innych satelitach detektorów SO2 (dwutlenku siarki).
Referencje:
- Sellers P. J. et al., 2016 ; Observing carbon cycle–climate feedbacks from space ; Proceedings of the National Academy of Sciences ; https://www.pnas.org/content/115/31/7860
- Eldering A. et al., 2017 ; The Orbiting Carbon Observatory-2 early science investigations of regional carbon dioxide fluxes ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aam5745
- Liu J. et al., 2017 ; Contrasting carbon cycle responses of the tropical continents to the 2015–2016 El Niño ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aam5690
- Schwandner F. M. et al., 2017 ; Spaceborne detection of localized carbon dioxide sources ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aam5782
- Popkiewicz M., 2018 ; Satelitarne obserwacje stężeń, źródeł emisji i miejsc pochłaniania CO2 ; Nauka o klimacie : https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/satelitarne-obserwacje-stezen-zrodel-emisji-i-miejsc-pochlaniania-co2-293/