Klimatske promjene i izotopi ugljika: Kako znamo da je za povećanje CO₂ u atmosferi kriv baš čovjek

Andreja Sironić

Institut Ruđer Bošković

Ključne riječi: izotopi ugljika, ¹³C, ¹⁴C, Suessov efekt, globalno povećanje koncentracije atmosferskog CO₂, klimatske promjene, Bomb peak efekt, ledene jezgre, antropogeni utjecaj

I gotovo 40 godina nakon osnivanja IPCC-a (Međunarodni panel za klimatske promjene, ipcc.ch, The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) – tijelo Ujedinjenih naroda za procjenu znanosti vezanih uz klimatske promjene) dovodi se u pitanje jesu li klimatske promjene uzrokovane antropogenim djelovanjem.

Ovdje se ne bavim pitanjima postoji li doista globalno povećanje temperature zraka, ni može li CO₂ pojačati efekt staklenika. Tema je globalno povećanje koncentracije CO₂ u atmosferi i koji mu je uzrok, prirodni ili antropogeni.

Mjerenja koncentracija CO₂ u atmosferi od 800 000 godina do danas

Uzorkovanja zraka i mjerenja koncentracije CO₂ u atmosferi se vrše na desecima „čistih“ lokacija diljem svijeta od 1950.-ih (npr. na Mauna Loi, na Havajima, slika 1.), a postoje podaci i za 800 000 godina u prošlost koji su dobiveni analizom zraka iz mjehurića zarobljenih u ledenim jezgrama s Grenlanda i Antarktika (slika 2.).

Slika 1. Mauna Loa – stanica za uzorkovanje atmosferskih plinova (Global Monitoring Laboratory)

Od početka Industrijske revolucije koncentracija CO₂ u atmosferi raste i danas iznosi preko 400 ppm (part per million, 1 molekula CO₂ na 1 000 000 ostalih molekula koje čine zrak), dok je u posljednjih 800 000 godina varirala između 170 i najviše 300 ppm (Slika 3. Climate.gov).

Slika 2. Ledene jezgre s Antarktika (NASA Earth Observatory)

a)

b)
Slika 3. a) Koncentracija CO2 u atmosferi u posljednjih 800 000 godina, podaci iz ledenih jezgri s Grenlanda i Antarktika, b) Koncentracija CO2 u atmosferi u posljednjih 60 godina mjerena na Mauna Loi (obje slike Climate.gov)

Ovo intenzivno povećanje atmosferskog CO₂ od preko 30% u posljednjih 150 godina može imati nekoliko mogućih uzroka: 1) proizvodnja CO₂ se znatno povećala zbog sagorijevanja goriva, ili 2) uslijed prirodnog raspada organske tvari ili karbonata, odnosno 3) apsorpcija CO₂ iz atmosfere koju inače vrše biljke se znatno smanjila zbog npr. uklanjanja velikih površina šuma. Ustvari, svi navedeni procesi su prisutni, samo je pitanje koji je prevladavajući. Drugim riječima, jedan je dio procesa ciklusa ugljika u prirodi izašao iz ravnoteže. No, kako možemo znati što je uzrokovalo neravnotežu?

Sastav stabilnih izotopa je gotovo kao otisak prsta

Iako je molekula CO₂ uvijek ista (slika 4.), bez obzira nastala ona disanjem živih bića, sagorijevanjem nafte, drva ili npr. raspadom/otapanjem karbonatnih stijena, ipak, sastav izotopa atoma koji ju tvore daje odgovor upravo na pitanje odakle je potekla.

Slika 4. Molekula CO2 – uvijek ista?

Naime, svaki materijal ima različiti omjer stabilnih izotopa elementa od kojih se sastoji ovisno o porijeklu elemenata (tj. u kojim su spojevima/materijalima prije bili), a i o tome kakvi su bili fizikalni i kemijski uvjeti nastajanja tog novog materijala/spoja. Dok je sastav stabilnih izotopa kisika (omjer broja izotopa ¹⁸O prema ¹⁶O) u CO₂ ovisan o sastavu zraka ili vode (već od kuda potječe kisik u molekuli CO₂), sastav stabilnih izotopa ugljika (omjer stabilnih izotopa ¹³C i ¹²C, izražava se kao δ¹³C) ukazuje na njegov izvor iz nekog specifičnog materijala koji sadrži ugljik. U prirodi se ugljik također pojavljuje i kao radioaktivni ¹⁴C koji daje dodatne informacije o porijeklu ugljika u CO₂. Dakle, ukoliko su δ¹³C i aktivnost ¹⁴C u CO₂ nepromijenjeni u posljednjih 150 godina, možemo govoriti o prevladavajućem utjecaju smanjenja apsorpcije CO₂ iz atmosfere (odnosno, efektu deforestacije, scenarij 3), ali ako se mijenja, to upućuje da se u atmosferu uvodio CO₂ iz nekog izvora koji do sad nije bio pristan, ili barem ne u toj količini (scenariji 1 i 2).

Što vidimo iz omjera stabilnih izotopa ugljika, δ¹³C

Prema mjerenju izotopnog sastava CO₂ u zraku u mjehurićima u ledenim jezgrama s Grenlanda i Antarktika, u razdoblju prije Industrijske revolucije, δ¹³C u atmosferi iznosi oko -6,5 ‰ (relativno odstupanje od standarda), uz oscilacije od oko 0,5 ‰ (Francey et al 1999, Graven et al 2017). U posljednjem stoljeću δ¹³C atmosferskog CO₂ konstantno pada da bi danas dosegnuo -8,4 ‰ (2015. godine). A taj pad δ¹³C također i korelira s povećanjem koncentracije CO₂ u atmosferi (slika 5.).

Slika 5. Odnos δ¹³C i koncentracije CO2 u atmosferi od 1890. do 2007. (Krajcar Bronić 2007)

Izotopni sastav δ¹³C karbonata u prirodi (geološke formacije, vapnenačke i dolomitne stijene, morski karbonat) iznosi oko 0 ‰ pa, ukoliko je njihov raspad na CO₂ taj koji uzrokuje promjenu, δ¹³C atmosferskog CO₂ bi trebao biti viši od onog iz predindustrijskog razdoblja, što nije. S druge strane, δ¹³C fosilnih goriva (nafte, ugljena i zemnog plina) iznosi oko -30 ‰, što upućuje da bi glavni izvor ovog smanjenja mogao biti baš fosilnog porijekla (scenarij 1). Ipak, treba iskreno reći da je i δ¹³C bilja (i organske tvari u tlu) također niži od atmosferskog iz predindustrijskog razdoblja i iznosi oko -27 ‰ (za biljke C3 fotosintetskog ciklusa) (scenarij 2), što bi moglo značiti da bi tu neravnotežu mogli uzrokovati i spaljivanje ili raspad suvremenog bilja odnosno organske tvari.

As u rukavu – radioaktivni ¹⁴C

Rješenje ove dvojbe donosi prirodni radioaktivni izotop ugljika, ¹⁴C. Njegovo vrijeme poluraspada iznosi 5730 godina, što znači da ga u materijalu starijem od 50 000 godina praktički nema. Nafta, zemni plin i ugljen su fosilnog porijekla, stari milijunima godina, te ne sadrže mjerljivu količinu ¹⁴C (aktivnost im  je 0 pMC (engl. percent Modern Carbon)), dok suvremeni ugljik sadrži oko 100 pMC. Od 1850. do 1950., dakle u samo 100 godina, aktivnost ¹⁴C u atmosferi pala je za dva posto (slika 6. a). Inače, poznata je  aktivnost ¹⁴C do 11 000 godina u prošlost koja se određuje u dendrokronološki datiranim godovima drveća, budući da kopnena biota brzo reflektira ¹⁴C aktivnost atmosfere. Utjecaj fosilnih goriva na atmosferski CO₂ s početkom Industrijske revolucije naziva se Suessov efekt (Suess 1955), očituje se u smanjenju aktivnosti ¹⁴C te smanjenju vrijednosti δ¹³C, odnosno povećanju koncentracije atmosferskog CO₂ (slika 6. a i b).

Slika 6. Udio ¹⁴C i δ¹³C od 1850. do danas (Graven et al. 2017). Strelica na slici a) pokazuje Suessov efekt na atmosferski 14C vidljiv prije 1950. Krivulje na a) su za različita područja: NH – sjeverna hemisfera (Northern hemisphere), Tropics – tropski pojas i SH – južna hemisfera (Southern hemisphere). Krivulja na b) prikazuje srednje vrijednosti δ¹³C za cijeli globus.

Nakon 1950. na aktivnost ¹⁴C je utjecao tzv. Bomb-peak efekt, efekt povećanja radioaktivnih izotopa ¹⁴C u atmosferi uslijed učestalih testiranja termonuklearnih eksplozija u atmosferi za vrijeme Hladnog rata. Zbog testiranja je do 1963. koncentracija ¹⁴C u atmosferi (sjeverna hemisfera) porasla gotovo dva puta, a nakon 1963. je počela i opadati nakon međunarodne zabrane takvih pokusa. Do danas je taj poremećaj približno anuliran, i atmosferski CO₂ ima aktivnost oko 104 pMC ( oko -40 ‰, slika 6. a). Usporedbom trenda pada δ¹³C (slika 3. b) prije i nakon 1950., može se zaključiti da se proizvodnja CO₂ nakon 1950. znatno intenzivirala u novom razdoblju.

Globalni problem, lokalni odgovor

Iako je na globalnoj razini nakon 1950. nemoguće procijeniti Suessov efekt samo preko ¹⁴C, ipak se lokalno uočavaju razlike u aktivnosti ¹⁴C u atmosferskom CO₂ između ruralnih (čistih područja) i gradskih područja koje iznose čak i do 5 pMC (npr. Rakowski et al. 2000; Pazdur et al. 2013). U Zagrebu je razlika između grada i „čiste“ lokacije u prosjeku oko 1 pMC (Krajcar Bronić et al. 2010). Također se uočava i sezonski efekt: uslijed većeg sagorijevanja fosilnih goriva koje se koristi za grijanje, zimske su vrijednosti a¹⁴C 5 – 10 pMC niže u odnosu na topliji dio godine (Krajcar Bronić et al. 2010, Sensula 2018). Oba se lokana efekta fosilnih goriva, razlika ruralnog i gradskog područja, te sezonski efekt, podjednako primjećuju u snižavanju δ¹³C te povećanju koncentracije CO₂.

Za kraj

Dakle, izotopi ugljika na direktan i jednostavan način dokazuju da je povećanje atmosferskog CO₂ uzrokovano intenzivnim unosom ugljika fosilnog porijekla, a poklapa se s početkom Industrijske revolucije. Možemo li  sada i zaključiti da je povećanje koncentracije CO₂ u atmosferi uzrokovano ljudskom aktivnošću?

Reference (abecednim redoslijedom):

Climate.gov, https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/climate-change-atmospheric-carbon-dioxide, pristupljeno 19.5.2020.

Francey, R. J., C. E. Allison, D. M. Etheridge, C. M. Trudinger, I. G. Enting, M. Leuenberger, R. L. Langenfelds, E. Michel & L. P. Steele (1999) A 1000-year high precision record of δ 13C in atmospheric CO2, Tellus B: Chemical and Physical Meteorology 51:2, 170-193, DOI: 10.3402/tellusb.v51i2.16269;  https://doi.org/10.3402/tellusb.v51i2.16269

Global Monitoring Laboratory, Earth System Research Laboratories
https://www.esrl.noaa.gov/gmd/obop/mlo/, pristupljeno 20.5.2020.

Graven, H., Allison, C.E., Etheridge, D.D., Hammer, S., Keeling, R.F., Levin, I., Meijer, H.A.J. et al. 2017. Compiled records of carbon isotopes in atmospheric CO₂ for historical simulations in CMIP6. Geoscientific Model Development 10:4405-4417, https://doi.org/10.5194/gmd-10-4405-2017

Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), https://www.ipcc.ch/, pristupljeno 20.5.2020.

Krajcar Bronić, I. 2007. Kruženje ugljika i vode u prirodi praćeno izotopima. Fizika u ekologiji – 23. ljetna škola mladih fizičara. Ban, Ticijana ; Vučić, Zlatko (ur.). Zagreb, Hrvatska: Hrvatsko fizikalno društvo, 2007. str. 50-59

Krajcar Bronić, I., Obelić, B., Horvatinčić, N., Barešić, J., Sironić, A., Minichreiter, K. 2010. Radiocarbon application in environmental science and archaeology in Croatia. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 619 (2010), 1-3; 491-496 doi:10.1016/j.nima.2009.11.032

NASA Earth Observatory, https://earthobservatory.nasa.gov/features/Paleoclimatology_IceCores pristupljeno 19.5.2020.

Pazdur, A., Kuc, T., Pawełczyk, S., Piotrowska, N., Sensuła, B.M., Różański, K. 2013. Carbon isotope composition of atmospheric carbon dioxide in southern Poland: imprint of anthropogenic CO₂ emissions in regional biosphere. Radiocarbon 55(2–3):848–64.

Rakowski, A.Z., Pawełczyk, S., Pazdur, A. 2000. Radiocarbon concentration measurements in contemporary tree rings from Upper Silesia. Geochronometria 18:19–21.

Sensuła, B., Michczyński, A., Piotrowska, N., Wilczyński, S. (2018). Anthropogenic CO₂ Emission Records in Scots Pine Growing in the Most Industrialized Region of Poland from 1975 to 2014. Radiocarbon 60(4), 1041-1053. doi:10.1017/RDC.2018.59

Suess, H.E. 1955. Radiocarbon concentration in modern wood. Science 122:415–17.