Czy ditlenek węgla jest zanieczyszczeniem?

Atmosferyczny CO₂ stanowi mieszaninę pochodzącą z różnych źródeł, zarówno naturalnych (odgazowanie oceanów, oddychanie biosfery lądowej), jak i zachodzących pod wpływem działalności człowieka (spalanie paliw kopalnych i zmiana użytkowania gruntów).

Węgiel (pierwiastek) w przyrodzie występuje przede wszystkim pod postacią ditlenku węgla (CO₂), znajdującym się w ciągłym obiegu pomiędzy głównymi jego rezerwuarami: litosferą, biosferą, oceanem i atmosferą. Za przepływ CO₂ z biosfery kontynentalnej do atmosfery odpowiedzialny jest proces respiracji (oddychania) pokrywy roślinnej i rozkładu materii organicznej w glebie, natomiast za przepływ z atmosfery do biosfery – proces fotosyntezy (przemiana energii świetlnej w energię chemiczną, w postaci cukrów). Naturalny obieg węgla jest obecnie zaburzany wskutek wzrostu strumieni węgła pochodzących ze spalania paliw kopalnych i zmiany użytkowania gruntów (np. wylesianie, zmiana użytkowania gruntu na pola uprawne) oraz produkcji cementu – zwany powszechnie strumieniem antropogenicznym.

Od początku rewolucji przemysłowej (koniec XVIII w.), głównymi czynnikami napędzającymi emisję CO₂ są m.in. wzrost zużycia węgla kopalnego, głównie dla celów grzewczych, a od początku XX w., w wyniku rozwoju motoryzacji i lotnictwa zwiększenie wykorzystania paliw ciekłych. Gospodarka światowa stale się rozwija, a poziom emisji CO₂ nieustannie rośnie. Dynamika ta zmieniała się tylko kilka razy w całej historii podczas globalnych kryzysów gospodarczych. Kryzys naftowy w 1973 r., globalna recesja w 1981 r., rozpad ZSRR w 1991 r., kryzys finansowy w 2009 r. przyczyniły się do spowolnienia wzrostu emisji. Byli to tylko chwilowe epizody hamujące zwiększenie emisji CO₂, obecnie obserwowany jest coraz szybszy wzrost emisji.

W roku 2020 pandemia COVID-19 i zastój gospodarki może wywołać największy spadek emisji CO₂ w historii obliczania (inwentaryzacji) gazów cieplarnianych. Oczywistym jest że wzrost gospodarczy powróci, gdy epidemia się skończy, a wraz z nim poziom emisji CO₂. Ditlenek węgla pochłania promieniowanie cieplne docierające do atmosfery z powierzchni ziemi, co powoduje nasilenie efektu cieplarnianego wywołującego globalne ocieplenie. Dlatego tak ważną jest poprawa efektywności energetycznej oraz zastosowania niskoemisyjnych technologii wytwarzania i dystrybucji energii dla ułatwienia przejścia na energooszczędną i niskoemisyjną gospodarkę.

Czy jest oczywiste że zwiększa się zawartość ditlenku węgla w atmosferze?

Skutkiem spalania paliw kopalnych od momentu rozpoczęcia ery przemysłowej jest m.in. systematycznie rosnące stężenie atmosferycznego CO₂ w skali regionalnej i globalnej: od ok. 270 ppm w roku 1750 do ok. 410 ppm w roku 2019. Obecnie (marzec 2020 r.) w atmosferze jest już ok. 413 ppm ditlenku węgla, czyli na każdy milion cząsteczek powietrza przypada już 413 cząsteczek CO₂ (stanowi już >0,04 % składu powietrza). Ustalone na podstawie analiz geologicznych, tak wysokie jak teraz stężenia CO₂ występowało około 3–5 miliony lat temu.

Obserwowany eksponencjalny charakter wzrostu koncentracji CO₂ w powietrzu wskazuje że atmosfera jest silnie obciążona emisjami CO₂ pochodzącymi z licznych źródeł (np. produkcja energii, transport, ogrzewanie, przemysł, gospodarka odpadami), szczególnie na terenach zurbanizowanych. Stały trend wzrostowy CO₂ na początku lat osiemdziesiątych XX wieku wynosił ok. 1,3 ppm/rok, a obecnie średnia szybkość narostu stężenia CO₂ przekracza wartość 2 ppm/rok. A to oznacza, że rośnie nie tylko ilość ditlenku węgla w atmosferze, ale również szybkość z jaką go przybywa.

Przebieg stężeń dobowych CO₂ ma wyraźne fluktuacje sezonowe, wywołane przede wszystkim zmiennym wpływem źródeł emisji i pochłaniania CO₂ (respiracja i pochłanianie biosfery oraz pochodzenia antropogenicznego). Najwyższe stężenia CO₂ obserwuje się pod koniec zimy (styczeń – luty), a najmniejsze pod koniec lata (na przełomie sierpnia i września). Wpływ biosfery na stężenie CO₂ w atmosferze jest dominujący wiosną i latem, gdy proces fotosyntezy usuwa CO₂ z dolnej warstwy atmosfery, co powoduje stopniowe obniżanie jego poziomu. W okresie zimowym respiracja dominuje nad fotosyntezą i do atmosfery uwalniany jest CO₂.

Udział emisji CO₂ pochodzenia antropogenicznego obecnie jest znaczący w poziomach stężeń tego gazu w atmosferze. Gdyby obieg węgla na kontynencie dokładnie się bilansował, to średni roczny strumień CO₂ z biosfery do atmosfery i odwrotnie (pochłanianie/ uwalnianie węgla przez roślinność i gleby) równoważył się. Czynnikiem zaburzającym obieg węgla w skali globalnej i regionalnej jest działalność człowieka. Dane te budzą jednak często wątpliwości: nadal brakuje dowodów pomiarowych o ilości CO₂ wynikającej z wpływu cyklu naturalnego oraz antropogenicznego zanieczyszczenia powietrza. Stąd metody oceny wielkości udziału CO₂ pochodzącego ze spalania paliw w bilansie atmosferycznego ditlenku węgla są ciągle rozwijane.

Na jakiej podstawie wzrost poziomu CO₂ w atmosferze przypisujemy człowiekowi?

Najczęściej stosowaną metodą wyznaczania udziału antropogenicznego CO₂ w atmosferze jest metoda bazująca na pomiarach znaczników izotopowych w tym gazie. Izotopy to odmienne postacie tego samego pierwiastka chemicznego, różniące się liczbą neutronów w jądrze ich atomów, przy tożsamej liczbie protonów. Wszystkie naturalnie występujące izotopy węgla biorą udział w globalnym cyklu węglowym. Istotną rolę odgrywają izotopy trwałe (δ¹³C, δ¹⁸O w CO₂) oraz radioaktywny izotop węgla (¹⁴C) tworzące molekułę CO₂. Są one stosowane w celu śledzenia procesów prowadzących do emisji, a także wskazania pochodzenia dominujących antropogenicznych źródeł CO₂, a także określenie udziału składowej biogenicznej w atmosferze.

Ze względu na różnice składów izotopowych węgla w paliwach kopalnych i atmosferze, CO₂ pochodzący z ich spalania rożni się składem izotopowym od atmosferycznego CO₂ [Jasek i in., 2016]. Różne rodzaje paliw kopalnych mają inną zawartość izotopu węgla, która jest związana ze sposobem ich wytwarzania. Według krzywej wzrostu stężenia atmosferycznego CO₂ na stacji Mauna Loa na Hawajach (rys. 4), wieloletni trend zmniejszania się wraz ze wzrostem stężenia CO₂ skład izotopowy węgla wykazuje przyrost dużych ilości CO₂ w wyniku spalania paliw kopalnych (tzw. efekt Suessa). Stąd przesuniecie sygnatury izotopowej mieszaniny atmosferycznego CO₂ w kierunku wartosci bardziej ujemnych (zubożenie CO₂ w węgiel ¹³C) staje się coraz bardziej widoczny (średnio ok. 0,02‰ rok), co wskazuje na wzrost udziału antropogenicznych źródeł CO₂ w atmosferze.

W przypadku pomiarów metodą radiowęglową (¹⁴C) wyznaczania udziału antropogenicznego CO₂ zawartość radiowęgla w atmosferycznym CO₂ wykazuje stalą tendencję spadkową (rys. 5), a sezonowość jego zmian jest slabo zaznaczona [Rózanski i in., 2003]. Tendencja obniżenia koncentracji radiowęgla (¹⁴C) w atmosferze też może świadczyć, że działalność człowieka ingeruje się w naturalny obieg węgla, ze wzgłędu brak izotopu ¹⁴C w CO₂ pochodzącym ze spalania paliw kopalnych.

Grafika tytułowa: Początki rewolucji przemysłowej. Hala maszynowa w fabryce Hartmana w Chemnitz (1868), źródło: https://pl.wikipedia.org

Literatura

1. NOAA. (National Oceanic and Atmospheric Administration, USA). Trends in Atmospheric Carbon Dioxide., [dostęp: https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/gl_data.html].
2. Scripps CO₂ Program. Mauna Loa and South Pole Isotopic ¹³C Ratio [dostęp: https://scrippsco2.ucsd.edu/graphics_gallery/isotopic_data/mauna_loa_and_south_pole_isotopic_c13_ratio.html].
3. Global Carbon Budget. [dostęp: https://www.globalcarbonproject.org/carbonbudget/].
4. Jasek A., Zimnoch M., Różański K., 2016. Skład izotopowy dwutlenku węgla w atmosferze Krakowa. Acta Geographica Lodzensia 104, 113-122.
5. NOAA. (National Oceanic and Atmospheric Administration, USA). Global Monitoring Laboratory. [dostęp: https://www.esrl.noaa.gov/gmd/dv/data/index.php?category=Greenhouse%2BGases&parameter_name=C14%252FC%2Bin%2BCarbon%2BDioxide&type=Flask&site=NWR].
6. Rózanski K., Korus A., Kuc T., Necki J., Zimnoch M., Gorczyca Z. Wyznaczenie zmienności stężenia atmosferycznego dwutlenku węgla, metanu i czterofluorku siarki dla rejonu Polski i Europy Środkowej. Kraków, 2003.