Cykly koncentrácií CO₂ a O₂ v atmosfére

Dlhodobý nárast koncentrácie oxidu uhličitého a pokles koncentrácie kyslíka ukazuje, že zloženie atmosféry sa mení v dôsledku ľudskej činnosti –⁠ predovšetkým spaľovaním fosílnych palív.

Čo vidíme v grafe?

Koncentrácia CO₂ sa vplyvom fotosyntézy a dýchania v priebehu roka mení –⁠ od mája do októbra klesá a počas zvyšku roka zase rastie. Dlhodobo ale vplyvom spaľovania fosílnych palív rastie tempom okolo 20 ppm za desaťročie. V roku 1960 boli hodnoty okolo 315 ppm, v roku 2020 približne 415 ppm, čo predstavuje nárast približne o 30 %.

Graf takisto ukazuje vývoj koncentrácie kyslíka (O₂), konkrétne o koľko sa v danom roku zmenila oproti referenčnému roku 1991. Takisto koncentrácia O₂ sa vplyvom fotosyntézy a dýchania mení v priebehu roka, dlhodobo ale vplyvom spaľovania fosílnych palív klesá asi o 40 ppm za desaťročie.

Koncentrácia CO₂ a pokles koncentrácií O₂ uvádzame v jednotkách ppm. Jednotka ppm znamená parts per million, teda označuje počet častíc v jednom milióne, podobne ako percento [%], teda per cent, znamená počet v stovke a promile [‰] označuje počet v tisícke. Koncentrácia 400 ppm znamená, že v jednom milióne molekúl vzduchu je 400 molekúl oxidu uhličitého, čo zodpovedá 0,4 ‰ alebo 0,04 %.

V absolútnych číslach nemusí nárast koncentrácie CO₂ rádovo v desiatkach molekúl pôsobiť zásadne. Aj takto malá zmena však má veľký vplyv –⁠ pripomeňme si, že zdvojnásobenie koncentrácie CO₂ vedie k dlhodobému zvýšeniu teploty na planéte o 3 °C (viď. citlivosť klímy).

Ako sa meria koncentrácia CO₂ a O₂?

Presnú metódu merania koncentrácie CO₂ s presnosťou 0,1 ppm (teda 0,00001 %) vyvinul Charles Keeling v roku 1952. Najprv bol z výsledkov svojich meraní prekvapený, pretože sa koncentrácia chaoticky menila podľa toho, odkiaľ fúkal vietor. Došlo mu, že jeho merania v San Franciscu ovplyvňujú okolité lesy (fotosyntéza) a továrne (spaľovanie) a že potrebuje merať na mieste, ktoré bude od takých vplyvov veľmi vzdialené. Presunul sa teda doprostred Tichého oceánu na Mauna Loa na Havaji. Tam jeho meranie začalo dávať zmysel – koncentrácia zostávala stabilná. Po niekoľkých mesiacoch videl, že hodnoty kolíšu počas roka – od mája do októbra klesajú a po zvyšok roka zase stúpajú. Pochopil, že pozoruje dýchanie celej planéty.

Väčšina svetových lesov sa nachádza na severnej pologuli. V lete majú listnaté stromy listy a prevažuje fotosyntéza – rastliny odčerpávajú CO₂ z atmosféry a ukladajú uhlík do svojich kmeňov a listov. Na jeseň stromy zhadzujú listy, ktoré hnijú a uvoľňujú CO₂ späť.

Okrem tohto kolísania medzi letom a zimou videl Keeling tiež dlhodobý nárast koncentrácie CO₂, ktorý pripisoval spaľovaniu uhlia, ropy a zemného plynu.

Dôkaz, že je nárast koncentrácie CO₂ v atmosfére skutočne spôsobený spaľovaním, priniesol Keelingov syn Ralph. Ten v roku 1988 objavil spôsob, ako veľmi presne merať koncentráciu kyslíka. Jeho merania ukazujú na dlhodobý neprirodzený pokles koncentrácie kyslíka v atmosfére. Dnes existujú aj ďalšie vedecké práce založené okrem iného aj na skúmaní izotopových stôp, ktoré potvrdzujú, že pribúdajúci oxid uhličitý v atmosfére pochádza zo spaľovania fosílnych palív. Je preto isté, že nárast koncentrácie CO₂ je skutočne spôsobený človekom.

Ako vieme, že nárast koncentrácií CO₂ je dôsledkom spaľovania fosílnych palív?

Dôkazov, že nárast koncentrácií CO₂ je spôsobený spaľovaním fosílnych palív, je niekoľko:

• Ľudstvo ročne spáli viac ako 5 miliárd ton uhlia, asi 4 miliardy ton ropy a asi 3 miliardy ton zemného plynu. Nárast koncentrácie CO₂ v atmosfére zodpovedá týmto množstvám (po započítaní pohltenia časti CO₂ v oceánoch). Keby chcel niekto tvrdiť, že koncentrácia CO₂ rastie z iného dôvodu, musel by presvedčivo vysvetliť, kam sa „stratia“ emisie zo spaľovania tak veľkého množstva fosílnych palív.
• Nárast koncentrácie CO₂ je sprevádzaný poklesom koncentrácie O₂, ktorý presne zodpovedá reakčným pomerom pri spaľovaní fosílnych palív (po započítaní pohltenia časti CO₂ v oceánoch) – ide teda o ďalší dôkaz, že za zvyšovanie koncentrácie CO₂ môže práve spaľovanie.
• Rôzne zdroje oxidu uhličitého majú rôzne zastúpenie izotopov uhlíka. Uhlík obsiahnutý v uhlí a rope neobsahuje žiadne izotopy ¹⁴C a má zníženú koncentráciu ¹³C. Oxid uhličitý vydychovaný rastlinami má nižšiu koncentráciu ¹³C ako oxid uhličitý, ktorý vychádza z oceánu. Oxid uhličitý v atmosfére je zmiešaný z týchto zdrojov a jeho podrobnou analýzou je možné zistiť, že súčasné narastajúce koncentrácie CO₂ presne zodpovedajú množstvu spaľovaných fosílnych palív. Viac o izotopoch uhlíka v atmosfére nájdete na webe NOAA Earth System Research Laboratory.

Ďalšie súvislosti a odkazy

• Keelingova metóda merania koncentrácie CO₂ spočíva v extrémne presnom meraní absorpcie špecifických vlnových dĺžok infračerveného žiarenia vo vzorke vzduchu. Podrobnejšie je popísaná v článku The Story of Atmospheric CO₂ Measurements (PDF). Ďalší kontext, vrátane vysvetlenia meraní izotopových stôp, nájdete v článku The Keeling Curve: Carbon Dioxide Measurements at Mauna Loa.

• Metóda pre veľmi presné merania koncentrácie O₂ je podrobne popísaná v dizertačnej práci (PDF) Ralpha Keelinga. Táto metóda spočíva v interferometrickom meraní indexu lomu vzduchu, ktorý je závislý na pomere koncentrácií kyslíka a dusíka. Podrobnejší popis metodiky merania O₂ (vrátane prevodu jednotiek per meg na ppm) je na stránkach Scrippsovho O₂ programu.

• Koncentrácia CO₂ sú čiastočne ovplyvnené pohlcovaním časti CO₂ v oceáne, čo má za následok zvyšovanie kyslosti morskej vody. Podrobnosti je možné nájsť v článku Ocean-Atmosphere CO₂ exchange od NOAA.

• Veľkosť kolísania je na rôznych miestach rôzna. Vo všeobecnosti je väčšia na severnej pologuli a menšia na južnej – záleží na vzdialenosti meracej stanice od veľkých lesných celkov, ktoré svojím dýchaním túto koncentráciu ovplyvňujú. Závislosť amplitúdy kolísania koncentrácie CO₂ zobrazuje animovaná vizualizácia NOAA.