Już w drugiej połowie XIX wieku tacy naukowcy 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 cząsteczkę 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 CO2przez promieniowanie. Prawidłowe światło podczerwone pomyliła ze światłem widzialnym. Co jednak współczesny świat nauki wybaczył i docenił uczoną za to, że zwróciła po raz pierwszy uwagę na dwutlenek węgla i parę wodną, że mają własności cieplarniane 1.
Wyniki uczonej zostały przedstawione w 1856 roku na zebraniu American Association for the Advancement of Science przez profesora Johna Henry’ego.
—-
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 2.
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.
—-
Pierwsze obliczenie podwojenia zawartości dwutlenku węgla pod wpływem wzrostu temperatury globalnej, poczynając od 1900 roku, czyli wyznaczenie po raz pierwszy czułości klimatu, w swoich obliczeniach 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 2021-2022.
—-
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 amerykański oceanolog Roger Revelle wraz z austriackim fizykiem jądrowym Hansem Suessem zbadali po raz pierwszy izotopy dwutlenku węgla w atmosferze i w oceanach. Zaobserwowali, że nastąpił znacznie większy stosunek izotopu węgla 12C do izotopu węgla 13C. Wyciągnęli prosty wniosek, że skoro rośliny bardziej preferują 12C niż 13C, to skoro odkryto rosnący stosunek tego pierwszego do drugiego, to oznaczało, 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 atmosferycznego 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 dziś się zwiększać.
—-
Rys.1. Względna koncentracja węgla 13C w stosunku do 12C. Na podstawie artykułu Floriana Böhma z 2002 r., Monthly Atmospheric 13C Concentrations, Scripps Institution of Oceanography.
—-
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 więcej 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 (Scripps Institution of Oceanography) 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. Ale na Antarktydzie zmierzono nieco mniejszy, ale trwały, także rosnący wzrost jego koncentracji 6.
Keeling, który zapoczątkował pomiary koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze za pomocą metody badawczej spektrometrii masowej w obserwatorium na Hawajach, na wyspie Mauna Loa, zauważył, że stężenie tego gazu wzrasta systematycznie w górę w takim samym tempie, z małą różnicą pomiędzy okresami jesieni i zimy, gdy wegetacja roślinna ustaje i więcej CO2 trafia do atmosfery oraz pomiędzy okresami wiosny i lata, gdy wegetacja roślin intensyfikuje się i więcej tego gazu jest przez nie pochłaniane. Jednak te fluktuacje wielkości stężenia widoczne w ciągu dwunastu miesięcy, są prawie niezauważalne na tak zwanej krzywej Keelinga, czyli wykresie wzrastającej systematycznie koncentracji dwutlenku węgla.
—-
Na podstawie badań spektrometrycznych Jack C. Pales i Charles D. Keeling, od 1958 do 1963 roku, zaobserwowali już wyraźnie znaczący wzrost koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze i opisali to w swojej pracy w 1965 r. 7.
Autorzy na wstępie swojej pracy naukowej napisali:
Stężenie atmosferycznego dwutlenku węgla w Obserwatorium Mauna Loa na Hawajach i w jego pobliżu jest raportowane w ciągu pierwszych sześciu lat (1958-1963) długoterminowego programu dokumentowania wpływu spalania węgla i ropy naftowej na dystrybucję gazu CO2 w atmosferze i oceanach na świecie. Większość przedstawionych tu pomiarów uzyskano w Obserwatorium Mauna Loa za pomocą analizatora gazów w podczerwieni, który w sposób ciągły rejestrował dane. Zgłaszane są również pomiary 261 oddzielnych próbek powietrza zebranych w szklanych kolbach na Mauna Loa, na nawietrznym wybrzeżu Hawajów oraz z samolotów w pobliżu Wysp Hawajskich. Otrzymano następujące wyniki:
(1) stężenie CO2 w Obserwatorium Mauna Loa zmienia się w zależności od pory roku ze średnią amplitudą 6 ppm i wzrasta w średnim tempie 0,7 ppm rocznie.
(2) Te zmiany odzwierciedlają regionalne zmiany w powietrzu, które leży nad warstwą pasatów w pobliżu Hawajów.
(3) Stężenie CO2 w warstwie pasatów jest zasadniczo takie samo jak w powietrzu, z wyjątkiem miesięcy letnich, kiedy jest nieco niższe.
(4) Emisje wulkaniczne CO2 w pobliżu szczytu Mauna Loa i pochłanianie tego gazu na zalesionych niższych zboczach góry wpływają na jego stężenie w Obserwatorium Mauna Loa, ale nie przeszkadzają poważnie w określaniu zmian regionalnych.
Obecnie krzywa Keelinga przedstawia się następująco.
—-
Rys.2. Krzywa Keelinga (Program Scripps CO2). Wykres pomiaru stężenia dwutlenku węgla mierzonego metodą spektroskopii masowej od 1958 roku do dziś. Badania rozpoczęto w obserwatorium na Hawajach, na wyspie Mauna Loa (Fot. Scripps Institution of Oceanography).
—-
Przez ten czas wyszedł szereg prac monitorujących wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze Ziemi. Dziś mierzymy je w wielu rejonach planety, zarówno na półkuli północnej (np. jeszcze 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 w Instytucie Oceanografii im. Scrippsa na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego 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 8.
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.
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, przeprowadzonych przez zespół naukowy pod kierownictwem Charlesa Keelinga w latach 1958-1961.
—-
Rys.3. Cykliczne wzniesienia i obniżenia koncentracji dwutlenku węgla w jednostkach ppm (parts per milion), a ściślej w danej ilości cząsteczek CO2, np. 415 ppm, na zawartość miliona cząsteczek powietrza atmosferycznego. (Grafika: NOAA)
—-
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 średnia temperatura na północ od 30°N wzrosła o 1°C od 1960 roku. 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.
—-
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. Pales J. C. et al., 1965 ; The concentration of atmospheric carbon dioxide in Hawaii ; Journal of Geophysical Research ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/…/JZ070i024p06053
8. Graven H. D. et al., 2013 ; Enhanced Seasonal Exchange of CO2 by Northern Ecosystems Since 1960 ; Enhanced Seasonal Exchange of CO2 by Northern Ecosystems Since 1960 ; Science