Ako ovplyvňuje dýchanie človeka, živočíchov a rastlín koncentráciu CO₂ v atmosfére?

O oxide uhličitom sme väčšinou prvýkrát počuli na základnej škole. Z prírodopisu si zrejme pamätáme, že vzniká pri horení a pri dýchaní. V súvislosti s klimatickou zmenou sa o CO₂ hovorí ako o skleníkovom plyne a rieši sa znižovanie emisií CO₂. Koľko oxidu uhličitého človek vydýchne za deň? Ako veľmi prispieva 7 miliárd ľudí svojim dýchaním k rastu koncentrácie CO₂? A aký vplyv má dýchanie ostatných živočíchov a rastlín?

Vplyv ľudského dýchania

Pri pokojnom dýchaní prejde pľúcami priemerného človeka asi 5 – 8 litrov vzduchu za minútu. Zatiaľčo koncentrácia CO₂ vo vdychovanom vzduchu je 0,04 %, vo vydychovanom je to stokrát viac, teda asi 4 – 5 %. Hrubými výpočtami tak môžeme odhadnúť, že človek dýchaním vyprodukuje okolo 900 gramov oxidu uhličitého za deň, teda asi 300 kg za rok. V uzatvorenej miestnosti dokáže človek dýchaním zvýšiť koncentráciu CO₂ až na 2000 ppm, teda na 0,2 %. Avšak, možno prekvapujúco, v dlhodobom merítku ľudské dýchanie neprispieva ku zvyšovaniu koncentrácie CO₂ v atmosfére, pretože cyklus uhlíka je pri dýchaní uzavretý. Čo to znamená?

Aby mohol človek vydychovať oxid uhličitý, musí ku vdychovanému kyslíku pridávať uhlík a tak sa uhlík “stráca” z ľudského tela. To samozrejme nie je možné robiť dlhodobo, po určitej dobe by v ľudskom tele žiadny uhlík nezostal. Človek a ostatné živočíchy dostávajú do svojho tela uhlík v potrave vo forme sacharidov, tukov a bielkovín – tie všetky obsahujú uhlíkové reťazce. Všetok uhlík, ktorý živočíchy vydychujú vo forme CO₂, sa do ich tiel dostal z rastlín. Ako? Zo vzduchu, fotosyntézou (viď nižšie). CO₂, ktorý živočíchy vydychujú, predtým zo vzduchu odčerpali rastliny, ktoré tieto živočíchy zjedli. Človek ani žiadne ďalšie živočíchy nedokážu svojím dýchaním pridať do atmosféry oxid uhličitý, ktorý predtým z atmosféry neodčerpali rastliny. Naopak, rastliny ovplyvňujú koncentráciu CO₂ vo významnej miere či počas dňa, či počas roka.

Dýchanie a fotosyntéza rastlín

Cez deň, keď svieti slnko, prebieha v listoch fotosyntéza a rastliny vyrábajú z oxidu uhličitého a vody kyslík a sacharidy. Kyslík vypúšťajú do atmosféry a sacharidy si nechávajú v bunkách ako zdroj energie alebo ako stavebný materiál pre ďalšie časti rastliny. Naopak, v noci prebieha takzvané bunkové dýchanie – proces sa obráti a rastliny kyslík spotrebovávajú a vydychujú oxid uhličitý.

CO₂ + H₂O ⟷ O₂ + sacharidy.

Je dôležité si uvedomiť, že list šalátu alebo kmeň starého dubu sú tvorené prevažne uhlíkom, ktorý rastlina naviazala zo vzduchu. Inak povedané, rastliny dokážu oxid uhličitý z atmosféry odoberať a ukladať ich do svojich tiel. Ako sa to prejavuje na koncentrácii CO₂ v atmosfére?

Zmeny koncentrácie medzi dňom a nocou

Rozdiel medzi dňom a nocou, teda fotosyntézou a bunkovým dýchaním, sa prejavuje na miestnej koncentrácii CO₂, ktorá by mala cez deň klesať a v noci rásť. Skutočnosť je o trochu zložitejšia, ako zistil pri svojich prvých meraniach Charles Keeling v roku 1956. V článku Story of atmospheric CO₂ measurements sú popísané problémy, s ktorými sa vtedy v Kalifornii stretával:

… vzduch mal počas slnečných popoludní koncentráciu CO₂ blízku 310 ppm, ale počas nocí ukazovali merania prekvapivo rôzne hodnoty. Pre vysvetlenie bolo treba vziať do úvahy dynamiku atmosféry. Počas jasných dní slnko zohrievalo vzduch bližšie pri povrchu, ktorý stúpal a tým sa dobre premiešaval s vyššími vrstvami atmosféry, čo spôsobovalo takmer konštantné výsledky meraní blízke 310 ppm. Počas nocí, najmä, keď nefúkal vietor, sa blízko zemského povrchu vytvárala vrstva chladnejšieho a stabilného vzduchu, v ktorej sa počas noci hromadil oxid uhličitý, ktorý produkovali rastliny pri dýchaní. Aby mohol merať koncentráciu CO₂ bez týchto vplyvov, presunul Charles Keeling svoje merania doprostred Tichého oceánu, na vrchol hory Mauna Loa na Havaji, 3400 metrov nad morom. (voľný výťah článku)

Pri meraní na odľahlých miestach, ako napríklad na Havaji alebo v Antarktíde, nie sú koncentrácie ovplyvňované okolitými lesmi alebo továrňami a namerané hodnoty zodpovedajú takzvaným koncentráciám pozadia (background concentration).

Zmeny koncentrácie v priebehu roka

Ďalšie kolísanie koncentrácie spôsobujú rastliny počas roka. Na jar a v lete, kedy je dostatok slnečného svitu, prevažuje fotosyntéza a rastliny zabudovávajú oxid uhličitý zo vzduchu do svojich tiel. Na jeseň a v zime je slnečného svitu menej, prevažuje dýchanie a rastliny oxid uhličitý do atmosféry uvoľňujú. K tomu tiež prispieva napríklad rozklad listov, ktoré opadavé stromy na jeseň zhadzujú. Pretože je omnoho viac lesov na severnej pologuli, celosvetová koncentrácia klesá od mája do septembra, teda v dobe, kedy je na severnej pologuli leto. Naopak, od októbra do apríla koncentrácia CO₂ znovu rastie. Toto kolísanie koncentrácie je výrazne väčšie na severnej pologuli (až 20 ppm na severe Aljašky), smerom k rovníku sa znižuje (na Havaji okolo 6 ppm) a na južnom póle je takmer nulové, ako podrobne ukazuje analýza NOAA, prípadne animovaná grafika NOAA.