Cykly koncentrací CO₂ a O₂ v atmosféře

Cykly koncentrací CO₂ a O₂ v atmosféře

Graf ukazuje takzvanou Keelingovu křivku, tedy nejdelší souvislý záznam vývoje koncentrací CO2 v atmosféře.

Obsah

Dlouhodobý nárůst koncentrace oxidu uhličitého a pokles koncentrace kyslíku ukazují, že složení atmosféry se mění v důsledku lidské činnosti – především spalováním fosilních paliv.

Co vidíme v grafu?

Koncentrace CO2 se vlivem fotosyntézy a dýchání mění během roku, od května do října klesá a během zbytku roku zase roste. Dlouhodobě vlivem spalování fosilních paliv roste tempem okolo 20 ppm za desetiletí. V roce 1960 byly hodnoty okolo 315 ppm, v roce 2021 okolo 419 ppm – to je nárůst přibližně o 30 %.

Delší řada koncentrace CO2

Rekonstrukce historických hodnot koncentrace CO2 za posledních 800 tisíc let.

Graf také ukazuje vývoj koncentrace kyslíku (O2), konkrétně o kolik se v daném roce změnila oproti referenčnímu roku 1991. Také koncentrace O2 se vlivem fotosyntézy a dýchání mění během roku, dlouhodobě ale vlivem spalování fosilních paliv klesá asi o 40 ppm za desetiletí.

Koncentrace CO2 a pokles koncentrací O2 uvádíme v jednotkách ppm. Jednotka ppm znamená parts per million, tedy označuje počet částic v jednom milionu, podobně jako procento [%], tedy per cent, znamená počet ve stovce a promile [‰] označuje počet v tisíci. Koncentrace 400 ppm znamená, že v jednom milionu molekul vzduchu je 400 molekul oxidu uhličitého, což odpovídá 0,4 ‰ nebo 0,04 %.

V absolutních číslech nemusí nárůst koncentrace CO2 v řádu desítek molekul působit zásadně. I takto malá změna však může mít velký vliv – připomeňme si, že dvojnásobné zvýšení koncentrace CO2 vede k dlouhodobému zvýšení teploty na planetě o 3 °C (viz citlivost klimatu).

Jak se měří koncentrace CO2 a O2?

Při fotosyntéze rostliny spotřebovávají oxid uhličitý z atmosféry a vydávají kyslík. Při dýchání naopak kyslík spotřebovávají a vydechují oxid uhličitý.

CO2 + H2O ⟷ O2 + sacharidy.

Přesnou metodu měření koncentrace CO2 s přesností 0,1 ppm (tedy 0,00001 %) vyvinul teprve Charles Keeling v roce 1952. Nejprve byl výsledky svých měření překvapen, protože se koncentrace chaoticky měnila podle toho, odkud foukal vítr. Došlo mu, že jeho měření v San Franciscu ovlivňují okolní lesy (fotosyntéza) a továrny (spalování) a že potřebuje měřit na místě, které bude od takových vlivů hodně vzdálené. Přesunul se proto doprostřed Tichého oceánu na Mauna Loa na Havaji. Tam jeho měření začalo dávat smysl – koncentrace zůstávala stabilní. Po několika měsících viděl, že hodnoty kolísají během roku – od května do října klesají a po zbytek roku zase stoupají. Pochopil, že pozoruje dýchání celé planety.

Většina světových lesů se nachází na severní polokouli. V létě mají listnaté stromy listy a převažuje fotosyntéza – rostliny odčerpávají CO2 z atmosféry a ukládají uhlík do svých kmenů a listů. Na podzim stromy shazují listy, které hnijí a uvolňují CO2 zpátky.

Kromě tohoto kolísání mezi létem a zimou viděl Keeling také dlouhodobý nárůst koncentrace CO2, který přičítal spalování uhlí, ropy a zemního plynu.

Spalování spotřebovává kyslík a uvolňuje oxid uhličitý. Při spalování uhlí je reakce jednoduchá:

C + O2 ⟶ CO2.

Spalování zemního plynu spotřebovává ještě více kyslíku, protože při něm vzniká vodní pára:

CH4 + 2 O2 ⟶ CO2 + 2 H2O.

Důkaz, že je nárůst koncentrace CO2 v atmosféře skutečně způsobený spalováním, přinesl Keelingův syn Ralph. Ten v roce 1988 objevil způsob, jak velmi přesně měřit koncentraci kyslíku. Jeho měření ukazují na dlouhodobý nepřirozený pokles koncentrace kyslíku v atmosféře. Dnes existují i další vědecké práce, založené mimo jiné na zkoumání izotopových stop, které potvrzují, že oxid uhličitý, který v atmosféře přibývá, pochází ze spalování fosilních paliv. Je proto jisté, že nárůst koncentrace CO2 je skutečně způsobený člověkem.

Keelingova metoda měření koncentrací CO2 spočívá v extrémně přesném měření absorpce specifických vlnových délek infračerveného záření ve vzorku vzduchu. Podrobněji je popsána v článku The Story of Atmospheric CO2 Measurements (PDF). Další kontext, včetně vysvětlení měření izotopových stop, najdete v článku The Keeling Curve: Carbon Dioxide Measurements at Mauna Loa.

Jak víme, že nárůst koncentrací CO2 je důsledkem spalování fosilních paliv?

Důkazů, že nárůst koncentrací CO2 je způsoben spalováním fosilních paliv je několik:

Emise CO2 ze spalování uhlí, ropy a plynu

Lidstvo ročně spálí asi 8 miliard tun uhlí, 5 miliard tun ropy a asi 3 miliardy tun zemního plynu.

  • Lidstvo ročně spálí asi 8 miliard tun uhlí, 5 miliard tun ropy a asi 3 miliardy tun zemního plynu. Nárůst koncentrací CO2 v atmosféře odpovídá těmto množstvím (po započtení pohlcení části CO2 v oceánech). Kdyby chtěl někdo tvrdit, že koncentrace CO2 rostou z jiného důvodu, musel by přesvědčivě vysvětlit, kam se „ztratí“ emise ze spalování tak velkého množství fosilních paliv.
  • Nárůst koncentrací CO2 je doprovázen poklesem koncentrací O2, který přesně odpovídá směšovacím poměrům při spalování fosilních paliv (po započtení pohlcení části CO2 v oceánech) – tedy jde o další důkaz, že za zvyšování koncentrací CO2 může právě spalování.
  • Různé zdroje oxidu uhličitého mají různé isotopové složení. Uhlík obsažený v uhlí a ropě neobsahuje žádné isotopy 14C a sníženou koncentraci 13C. Oxid uhličitý vydechovaný rostlinami má nižší koncentraci 13C než oxid uhličitý, který vychází z oceánu. Oxid uhličitý v atmosféře je smíchaný z těchto zdrojů a jeho podrobnou analýzou lze zjistit, že současné narůstající koncentrace CO2 přesně odpovídají množství spalovaných fosilních paliv. Více o isotopech uhlíku v atmosféře najdete na webu NOAA Earth System Research Laboratory.

Další souvislosti a odkazy

  • Metoda pro velmi přesné měření koncentrací O2 je podrobně popsána v disertační práci Ralpha Keelinga (PDF). Tato metoda spočívá v interferometrickém měření indexu lomu vzduchu, který je závislý na poměru koncentrací kyslíku a dusíku. Podrobnější diskuse metodiky měření O2 (včetně převodu jednotek per meg na ppm) je na stránkách Scrippsova O2 programu.

  • Koncentrace CO2 jsou částečně ovlivněny pohlcováním části CO2 v oceánu, což má za následek zvyšování kyselosti mořské vody. Podrobnosti lze najít například v článku Ocean-Atmosphere CO2 exchange od NOAA.

  • Velikost kolísání je v různých místech různá. Obecně na severní polokouli je větší a na jižní polokouli menší – záleží na vzdálenosti od velkých lesů, které svým dýcháním tyto koncentrace ovlivňují. Závislost amplitudy kolísání koncentrací CO2 zobrazuje animovaná vizualizace NOAA.