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.