Cykly koncentrácií CO₂ a O₂ v atmosfére

Cykly koncentrácií CO₂ a O₂ v atmosfére

Graf ukazuje takzvanú Keelingovu krivku, teda najdlhší súvislý záznam vývoja koncentrácií CO2 v atmosfére.

Obsah

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 %.

Dlhší rad koncentrácie CO2

Rekonštrukcia historických hodnôt koncentrácie CO2 za posledných 800 tisíc rokov.

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?

Pri fotosyntéze rastliny spotrebovávajú oxid uhličitý z atmosféry a vydávajú kyslík. Pri dýchaní naopak kyslík spotrebovávajú a vydychujú oxid uhličitý:

CO2 + H2O ⟷ O2 + sacharidy

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.

Spaľovanie spotrebováva kyslík a uvoľňuje oxid uhličitý. Pri spaľovaní uhlia je reakcia jednoduchá:

C + O2 ⟶ CO2

Spaľovanie zemného plynu spotrebováva ešte viac kyslíka, pretože pri ňom vzniká vodná para:

CH4 + 2 O2 ⟶ CO2 + 2 H2O

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.

Súvisiace infografiky a štúdie

Zaujala vás naša práca? Preskúmajte ďalšie súvisiace infografiky a štúdie: