Podnebne spremembe na Zemlji 3 – ogljikov dioksid

Nazaj

Poglej/poslušaj na

Zgodba o odkritju vpliva ogljikovega dioksida na podnebje je dejansko zgodba o odkritju tega toplogrednega plina ter infrardeče svetlobe. Pa se vrnimo v 17. stoletje. Takrat je flamski kemik Jan Baptist van Helmont (1579-1644) delal zanimive poskuse. Med drugim je v zaprti posodi kuril oglje in ugotovil, da je bila teža pepela, ki je ostala po gorenju, manjša od začetne teže oglja. Del oglja se pri gorenju namreč spremeni v nevidni plin, ki ga je Helmont poimenoval „gas sylvestre“ ali divji plin. Danes temu plinu pravimo ogljikov dioksid ali CO₂. Tako je ravno van Helmont uvedel izraz „plin“ v kemijo, hkrati pa je pravilno posumil da se taisti plin sprošča pri fermentaciji sadnega soka.

Približno 100 let pozneje je škotski kemik Joseph Black (1728-1799) odkril, da se taisti plin sprošča, če na apnenec zlijemo kislino. Black je ugotovil, da je ta plin gostejši od zraka, da ne gori in da je lahko škodljiv za živali.

Nič manj pomembno ni bilo odkritje nemškega astronoma Fredericka Williama Herschela (1738-1822), ki je raziskoval svetlobo. V takratnem času so se znanstveniki spraševali zakaj se bela svetloba pri prehodu skozi prizmo razčleni v mavrične barve. Leta 1800 si je Herschel zadal za nalogo izmeriti temperaturo vsake barve. S pomočjo prizme je belo svetlobo razčlenil v mavrico, nato pa je s termometri meril temperaturo vsake barve posebej. En termometer pa je Herschel postavil v temo, zraven rdeče barve, da bi mu služil kot referenca. Na njegovo presenečenje se je najbolj segrel ravno ta termometer. S tem je Herschel odkril, da obstaja svetloba, ki je našim očem nevidna. Danes nevidni svetlobi z nekoliko daljšo valovno dolžino od rdeče barve, pravimo infrardeča svetloba.

Naslednji velik korak je naredil francoski matematik Jean Baptiste Joseph Fourier (1768–1830), ki se je med drugim ukvarjal z vprašanjem površinske temperature planetov. V tistih časih namreč ni bilo jasno zakaj se planeti sčasoma ne ohladijo. Nekateri znanstveniki so se igrali z idejo, da temperatura v notranjosti planetov vpliva na temperaturo na površju, kar pa je Fourier ovrgel. Fourier je takrat že vedel, da je steklo prozorno za vidno, ne pa tudi za infrardečo svetlobo. Vedel je tudi, da je eden od mehanizmov, s katerim se prenaša toplota, konvekcija in da če na vročo posodo damo pokrov, konvekcija ne more več odnašati toplote iz posode. Podobno konvekcija ne more odnašati toplote z Zemljinega površja v vesolje. Fourier je pokazal, da je edini način, kako se naš planet ohlaja, sevanje infrardeče svetlob in da je zrak v atmosferi sicer prozoren za vidno svetlobo, medtem, ko pa je le delno prozoren za infrardečo svetlobo. Atmosfera pusti, da Sončeva energija doseže Zemljino površje, pri tem pa je na površju deloma absorbirana, zaradi česar se površje ogreje. To ogrevanje pa ne more trajati v nedogled. Vsi objekti na Zemljinem površju sevajo infrardečo svetlobo in to tem bolj, čim bolj topli so. Če Zemlja ne bi imela atmosfere, bi ta infrardeča svetloba prosto ušla v Vesolje. Ker pa je Zemljina atmosfera le delno propustna za infrardečo svetlobo to pomeni, da nekaj te svetlobe zadrži, zaradi česar je zrak v atmosferi relativno topel. S tem pa je Fourier dejansko iznašel princip tople grede.

Dokončno je učinek tople grede v 19. stoletju dokazal irski znanstvenik John Tyndall (1822-1893), ki je znan tudi po tem, da je razložil, zakaj je nebo modro. Leta 1859 je Tyndall meril kako učinkovito posamezne komponente Zemljine atmosfere absorbirajo infrardečo svetlobo. Ugotovil je, da jo najbolj absorbira vodna para, da sta zanjo kisik ter dušik prozorna in da sta ozon ter CO₂ nekje na sredi. Pozneje je Tyndall pokazal, da metan približno 4,5 krat bolje absorbira infrardečo svetlobo kot CO₂. Tyndall je pokazal, da čeprav vodna para predstavlja 0.5 % atmosfere ima zelo velik vpliv na njeno temperaturo. Suh zrak se zelo hitro ohlaja, to pa je tudi razlog zakaj so noči v puščavah zelo hladne.

Prvi, ki je ugotovil, kako CO₂ v atmosferi vpliva na njeno temperaturo je bil švedski kemik Svante August Arrhenius (1859–1927). Leta 1896 je Arrhenius objavil rezultate študije, v kateri je pokazal, da bi lahko 40 % nihanja vsebnosti CO₂ v ozračju imela za posledico globalno segrevanje ter ohlajanje planeta, s čimer bi lahko razložili tudi pojave ledenih dob. Izračunal je tudi, da bi porast vsebnosti CO₂ v atmosferi za faktor 2,5 do 3 imel kot posledico dvig temperature v polarnih območjih za 8° do 9° C, hkrati pa bi zmanjšanje te koncentracije za 35-45 % povzročilo poledenitev na geografskih širinah med 40. in 50. vzporednikom.

V svojem poznejšem delu je Arrhenius je ocenil da bi podvojitev koncentracije CO₂ iz takratnih 300 ppm na 600 ppm povzročila dvig temperature na Zemlji za 6° C, kar je nekoliko več od današnjih ocen, ki znašajo med 2.5 in 4° C. Po drugi strani je ocenil, da je tekom zadnje poledenitve koncentracija CO₂ v zraku padla na 165-186 ppm, kar je blizu modernim ocenam 180 ppm. Leta 1907 je Arrhenius celo zapisal, da bi lahko trenutno majhen delež CO2 v atmosferi v nekaj stoletjih zelo narasel zaradi industrijske dejavnosti.

Znanstvenik Thomas Chrowder Chamberlin (1843–1928) je bil prvi, ki je spoznal kako pomembno vlogo pri koncentraciji CO₂ v zraku igra ocean. CO₂ ob stiku z vodo tvori namreč šibko kislino, ki nato z dežjem pade na Zemljo in raztaplja različne minerale v kamninah. Pri tem se ustvarijo karbonski ioni CO₂-, ki se sčasoma sperejo v oceane, tam pa morska bitja uporabijo kalcijev ter magnezijev karbonat za gradnjo svojih lupin. Na ta način oceani počasi, vendar vztrajno absorbirajo CO₂ iz atmosfere. CO₂ pa iz atmosfere odstranjujejo tudi rastline, ki ogljik uporabljajo za svojo rast.

Chamberlain je svojo teorijo vloge CO₂ pri podnebnih spremembah zastavil nekako takole: ko tektonski procesi povzročijo povečanje kopenske mase in tvorbo gora, se dotok CO₂ v oceane poveča, kar pomeni, da se posledično zmanjša koncentracija tega plina v atmosferi. Povečanje kopenske mase zmanjša življenjski prostor morskih bitjih, kar posledično zmanjša dotok CO₂, ki se sprosti pri dekompoziciji umrlih morskih živali, v atmosfero. Zaradi zmanjšane koncentracije CO₂ v ozračju se površje našega planeta ter oceani ohladijo. Hladnejši ocean je učinkovitejši pri absorpciji CO₂, kar še dodatno prispeva h globalnemu ohlajanju. Sčasoma se zaradi erozije zmanjša površina kopna, kar nato postopoma privede do povečanja koncentracije CO₂ v ozračju in ponovnega ogrevanja planeta. Toplejši oceani poplavijo dele kopnega, kar dodatno zmanjša erozijo.

V svojem poznejšem delu je Chamberlin opisal tudi vlogo morskih tokov v globinah oceanov. V toplih obdobjih globokomorski tokovi prenašajo toploto v smeri od ekvatorja proti srednjim geografskim širinam, kar pomeni, da so posledično tudi polarna območja relativno topla. Ko ti tokovi obrnejo svojo smer, se polarna območja močno ohladijo. Hladnejši oceani v polarnih območjih absorbirajo več CO₂ iz atmosfere, kar še dodatno prispeva k zmanjšanju njene temperature.

Opišimo še na kratko vlogo človeštva pri globalnem segrevanju. Človeški prispevek k izpustih CO₂ v ozračje je že močno presegel naravne izpuste. Podzemni ter podmorski ognjeniki letno izpustijo v ozračje med 0,18 in 0,44 milijard ton (giga ton = Gt), v povprečju pa 0.26 Gt CO₂, medtem ko je ocena za izpuste CO2, ki je posledica človeške dejavnosti, za leto 2010 znašala 35 Gt/leto, kar je 135 krat več od povprečnega izpusta ognjenikov!

Zaradi zelo močne korelacije med vsebnostjo ogljikovega dioksida v ozračju ter njegovo temperaturo, ki je bila dokazana že v 70-tih letih prejšnjega stoletja, so lahko znanstveniki rekonstruirali temperaturne spremembe v preteklosti. To je prva storila skupina švicarskih znanstvenikov pod vodstvom Hansa Oeschgera (1927–1998) leta 1978 in sicer z analizo koncentracije t. i. fosilnega CO₂, ki se nahaja v zračnih mehurčkov ujetih v ledu na Grenlandiji. Znanstveniki so namreč poleg koncentracije CO₂ v teh mehurčkih lahko z veliko natančnostjo določili tudi njihovo starost. Oeschgerjeva skupina je tako lahko celo določila vrednosti koncentracije CO₂ v mehurčkih iz 19. stoletja in jih primerjala z že prej izračunanimi vrednostmi. Dokazali so, da je bila koncentracija CO₂ v zadnjih 1000 letih med 260-270 delci na milijon (parts per million, ppm), da pa je konec 19. stoletja dosegla vrednost 290 ppm. Taista skupina znanstvenikov je leta 1986 dokazala, da se vsebnost CO₂ v atmosferi eksponentno povečuje vse od leta 1760, z nastopom industrijske revolucije in uporabo strojev, ki za svoje delovanje uporabljajo fosilna goriva.

Koncentracijo CO₂ v ozračju lahko iz vzorcev polarnega ledu neposredno izmerimo za preteklih 800.000 let. Spodnja slika[1] prikazuje kako sta se tekom tega obdobja spreminjala temperatura ozračja na Antarktiki in koncentracija CO₂. Vidimo, da sta obe količini zelo povezani. Povečanje (zmanjšanje) koncentracije CO2 povzroči zvišanje (znižanje) povprečne globalne temperature.

Oeschgerjevo prvotno odkritje je bilo neodvisno potrjeno s popolnoma drugačnim pristopom: z analizo drevesnih obročev oziroma branik. Minze Stuiver iz Univerze v Washingtonu (Washington University) je namreč odkril, da je vsebnost izotopa ¹³C v branikih je povezana z vsebnostjo CO₂ v atmosferi, kar pa je nato izkoristil Tsung-Hung Peng iz Nacionalnega laboratorija Oak Ridge, ki je izračunal, da je vsebnost CO₂ pred letom 1850 znašala 266 ppm.

Za konec omenimo še, da CO₂ ni edini toplogredni plin, ki bi nas moral skrbeti. Leta 1986 je bilo že jasno, da se zvišuje tudi koncentracija metana (CH₄) v atmosferi, predvsem zaradi naraščajoče proizvodnje riža ter živinoreje.

Literatura

1. Siegenthaler, U., Stocker, T.F., Monnin, E., Lüthi, D., Schwander, J., Stauffer, B., et al. (2005) Stable carbon cycle-climate relationship during the late Pleistocene. Science 310, 1313–1317.
2. La Enciclopedia Biográfica en Línea, Jan Baptist Van Helmont, https://www.biografiasyvidas.com/biografia/v/van_helmont.htm
3. US National Library of Medicine, Joseph Black, https://collections.nlm.nih.gov/catalog/nlm:nlmuid-101410573-img
4. La Enciclopedia Biográfica en Línea, William Herschel, https://www.biografiasyvidas.com/biografia/h/herschel.htm
5. La Enciclopedia Biográfica en Línea, William Herschel, https://www.biografiasyvidas.com/biografia/f/fourier.htm
6. La Enciclopedia Biográfica en Línea, Joseph Tyndall, https://www.biografiasyvidas.com/biografia/t/tyndall.htm
7. La Enciclopedia Biográfica en Línea, Svante August Arrhenius https://www.biografiasyvidas.com/biografia/a/arrhenius.htm
8. La Enciclopedia Biográfica en Línea, Thomas Chrowder Chamberlin, https://www.biografiasyvidas.com/biografia/c/chamberlin.htm
9. Oeschger Centre for Climate Change Research (OCCR), https://www.oeschger.unibe.ch/about_us/who_we_are/hans_oeschger/index_eng.html
10. Summerhayes, C.P. (2015). Trace Gases Warm the Planet. In Earth’s Climate Evolution, C.P. Summerhayes (Ed.). https://doi-org.pbidi.unam.mx:2443/10.1002/9781118897362.ch4
11. Summerhayes, C.P. (2015). The Greenhouse Gas Theory Matures. In Earth’s Climate Evolution, C.P. Summerhayes (Ed.). https://doi-org.pbidi.unam.mx:2443/10.1002/9781118897362.ch8
12. Summerhayes, C.P. (2015). Measuring and Modelling CO2 Back through Time. In Earth’s Climate Evolution, C.P. Summerhayes (Ed.). https://doi-org.pbidi.unam.mx:2443/10.1002/9781118897362.ch9