Avem prea mult dioxid de carbon în atmosferă?

Este adevărată încălzirea globală? Sunt verile mai calde? Dacă da, ce are de-a face omul în toată povestea și cât e un proces natural al Pământului? În articolul de mai jos căutăm împreună o parte din răspunsuri. Pentru asta, ne uităm îndeaproape la dioxidul de carbon și explorăm felul în care modifică el, mai ales de 200 de ani încoace, compoziția atmosferei.

Biosfera pe Pământ este un echilibru între toate componentele ei – bacterii, plante, animale, între oxigen şi dioxid de carbon. Ştim că animalele absorb oxigen şi elimină dioxid de carbon, iar plantele procedează pe invers: absorb dioxid de carbon şi elimină oxigen.

În felul acesta, Pământul “respiră” de la an la an: plantele cresc începând din primăvară şi extrag dioxid de carbon din atmosferă. Concentraţia acestuia trebuie să fie mică toamna, când cad frunzele copacilor, după ce au extras o parte din dioxidul de carbon din atmosferă. În timpul iernii, până când vine primăvara iar, concentraţia de dioxid de carbon din atmosferă creşte la loc și se reface.

Asta vedem în graficul de mai jos, pentru o locație din emisfera nordică. Pe axa orizontală sunt anii, iar pe cea verticală concentraţia de dioxid de carbon. Vedem cum, într-adevăr, concentraţia este minimă toamna (spre sfârşitul anului) şi maximă primăvara, când plantele, florile şi copacii revin la viaţă şi sufletul omului este parcă mai fericit cu atât de multă verdeaţă în jur.

Aici este graficul pentru toată planeta. Deoarece emisfera nordică are o suprafaţă continentală mai mare, cele două emisfere nu se compensează exact și avem un efect net pozitiv. Pe axa din stânga vedem concentraţia de dioxid de carbon din atmosferă: aproximativ 400 ppm, adică 400 de “părţi pe milion”. Asta înseamnă că, dacă luăm un volum de aer uscat în care se află 1.000.000 de molecule în total (oxigen, azot, etc.), 400 dintre acestea vor fi de dioxid de carbon. Adică 0.04 procente din molecule.

Atmosfera are o masă totală de aproximativ 5.5 milioane de miliarde de tone. Moleculele au mase diferite. Dacă vrem să ştim cantităţile totale, trebuie să folosim următoarea conversie: 1 ppm de dioxid de carbon este echivalent (folosind masa moleculelor) cu o masă de aproximativ 7,8 miliarde de tone (adică 7,8 giga tone) de dioxid de carbon în atmosferă.

Molecula de dioxid de carbon are un atom de carbon şi doi de oxigen. Din cele 7,8 gigatone de dioxid de carbon, masa numai a atomilor de carbon va fi de aproximativ 2,1 gigatone. În continuare, în acest video, ne vom referi numai la masa atomilor de carbon din dioxidul de carbon.

De exemplu, dacă vrem să ştim masa totală a atomilor de carbon din atmosferă (ce provin din dioxidul de carbon), înmulţim 400 ppm cu 2,1 gigatone, obţinând cam 840 gigatone de carbon.

Măsurătorile acestea au fost făcute prima dată de Charles Keeling în anii ‘60 în Hawaii. Spre surpriza lui, acesta a mai remarcat un lucru: concentraţia de dioxid de carbon creşte în timp. Hai să mai privim o dată graficul nostru: vedem aici o creştere medie de aproximativ 2 ppm/an. Folosind factorul de conversie precedent, obţinem că atmosfera se încarcă cu un surplus de 4 miliarde de tone de carbon în fiecare an.

Surprins şi el, Keeling a continuat măsurătorile în Hawaii. Iată aici cum arată ele, până acum. Vedem cum, din anii ’60, creşterea este constantă, chiar puţin accelerată. Concentraţia de dioxid de carbon a crescut de la 310 ppm la 410 ppm. Asta înseamnă aproximativ o treime.

Dar cum poate creşte concentraţia de dioxid de carbon din atmosferă cu o treime în doar 50 de ani? Poate fi acesta un proces natural? Este ceva ce am făcut noi între timp?

Pentru asta trebuie să ne uităm înapoi în istorie. Dar cum? Până în anii ‘60 nimeni nu a măsurat concentraţia de dioxid de carbon din atmosferă, iar acum o sută de ani nici nu erau aparate care să o măsoare.

Gheața – o capsulă a timpului care ne arată istoricul climei

Dar aici intervine știința! Și Antarctica, unde cercetătorii ajung și foreaza gheață. Și ce să vezi – de la an la an, un strat nou de zăpadă se așează peste cele vechi, tot așa cum crește trunchiul copacilor.

Ați văzut cum putem măsura câți ani are copacul, urmărind cercurile sale, pentru că fiecare dintre ele crește într-un an? La fel se întâmplă și cu gheața: în fiecare mostră – forată și adusă la suprafață – se poate vedea trecerea anilor.

Mai mult însă, fiecare bucată de gheaţă este o capsulă a timpului: atunci când zăpada se așază pe sol, ea închide, în micile ei interstiţii, porţiuni din atmosfera care exista atunci. Asta este ideal pentru cercetători: desfac mostra luată din adâncime, calculează (de la suprafaţă) anii pe care îi reprezintă şi apoi eliberează aerul de acolo într-un aparat de măsură special. În felul acesta măsoară direct compoziţia atmosferei Pământului în acei ani.

Uite aici un rezultat, în cazul concentraţiei de dioxid de carbon. Pe axa orizontală este timpul, din anul 1600 până azi, iar pe axa verticală concentraţia de dioxid de carbon. În partea dreaptă sunt adăugate şi datele măsurate în Hawaii, după 1960. Ce vedem? În primul rând, cele două curbe (din gheaţă antarctică şi Hawaii) se completează reciproc foarte bine, iar asta ne dă încredere.

Al doilea lucru este suspect: acum trei sute de ani, concentraţia de dioxid de carbon era aproximativ constantă şi abia în ultimele două sute de ani a început să crească accelerat.

Hai să ne uităm şi mai mult înapoi în timp: uite cum arăta în urmă cu 10.000 de ani. Şi pe atunci concentraţia de dioxid de carbon era constantă, dar creşte brusc abia în ultimii 200 de ani.

Mai în urmă? Avem echipamente în Antarctica ce pot scoate mostre de la adâncimi şi mai mari, acolo unde zăpada depusă este de acum aproape un milion de ani. Iată ce au măsurat aparatele când au “mirosit” aerul de atunci, eliberat de gheața ce îl păstra prizonier.

Din nou, pe axa verticală este concentraţia de dioxid de carbon, iar pe cea orizontală timpul, de data asta în mii de ani, începând de acum 800.000 de ani.

Vedem două lucruri:

1) Concentraţia de dioxid de carbon a variat de-a lungul timpului, între 200 ppm şi 270 ppm, pe o perioadă de un milion de ani.

2) În ultimii 200 de ani, aceasta a crescut brusc, depășind 400 de ppm. Aici se vede foarte bine cum creşterea este bruscă, aproape instantanee la această scară de sute de mii de ani: linia este aproape verticală.

Acum este momentul pentru o primă concluzie. Încep cu a mea:
Creşterea bruscă de dioxid de carbon, din ultimii 200 de ani, trebuie să aibă legătură cu omul.

Este puţin probabil ca linia verticală – creșterea bruscă – să fie naturală (ce ar putea fi?) şi, dacă ar fi, de ce ar fi apărut tocmai acum, când civilizația umană are o creştere tehnologică la fel de bruscă pe scara timpului geologic? Nu văd un alt răspuns.

Ca să fim sinceri cu noi, trebuie să admitem că omul a făcut ceva care a destabilizat echilibrul existent şi a condus la o creştere bruscă a dioxidului de carbon în atmosferă. Urmărind metoda ştiinţifică, răspunsul stă în arderea de combustibili fosili. Dar hai să vedem împreună de ce este așa:

Emisiile industriale de dioxid de carbon

Ideea de la care pornim este şi cea menționată de Charles Keeling în lucrările sale. Anume, că omul arde lemnul pentru a se încălzi, cărbune pentru a pune în funcțiune mașinile lui cu aburi, petrol pentru a pune în mișcare mașinile. Adică arde combustibili fosili.
Iar numărul de oameni a crescut în ultimele sute de ani, deci implicit și cantitatea arsă de combustibili fosili.

Să le luăm pe rând. Aţi văzut ce se întâmplă când punem un lemn pe foc? După ce arde, acesta parcă dispare cu totul; rămâne în urma lui doar puțină cenușă. Dar unde s-a dus lemnul? Că doar legile fizicii ne spun că materia nu dispare aşa, dintr-o dată.

Ei bine, lemnul s-a dus în aer! Hidrocarburile din lemn (adică hidrogen şi carbon) au reacționat cu oxigenul din aer, pentru a forma dioxid de carbon şi apă. Dioxidul de carbon şi vaporii de apă urcă apoi în atmosferă, aşa cum se vede în această schiță.

Şi ne întrebăm şi noi – are asta sens? Câte familii să fie pe Pământ? Câteva miliarde? Cât lemn folosește o familie când vine iarna? Să zicem câtevatone? Cam jumătate din acestea reprezintă masa atomilor de carbon. Obţinem că ajung în aer, în fiecare an, câteva miliarde de tone de carbon (calculul este aproximativ, ne interesează doar ordinul de mărime).

Cu cât creşte cantitatea de dioxid de carbon din atmosferă în fiecare an? Am văzut – în ultimii ani cu aproximativ 4 miliarde de tone pe an. Adică o valoare de același ordin de mărime.

Să nu ne grăbim însă cu concluziile, pentru că avem nevoie de date mai precise referitor la emisiile de dioxid de carbon datorate arderilor de combustibili fosili, pentru a înțelege bine ce se întâmplă.

Să ne uităm la graficul de mai jos. Pe axa orizontală este timpul (în ani), iar pe cea verticală cantitatea totală de dioxid de carbon emisă în atmosferă prin arderea combustibililor fosili.

Putem avea încredere în acest grafic – fiecare fabrică din lume este azi, în principiu, monitorizată pentru emisii de dioxid de carbon. Știm câte fabrici sunt şi cât dioxid de carbon emit pe hornurile lor.

Vedem cum sunt emise, din ce în ce mai mult, miliarde de tone de carbon în fiecare an, aşa cum am estimat noi simplu la început, prin arderea lemnului. Mai vedem cum creşterea este pronunțată în ultimii ani, aşa că să mai adăugăm un grafic.

Mai jos se vede același grafic cu culoare roşie, doar că acum, cu linie albastră (axa verticală în dreapta), este suprapus un grafic cu populația globului. Vedem cum emisiile de dioxid de carbon sunt corelate destul de bine cu creşterea populației.

Din grafic se vedem şi cum, în ultimii ani, a crescut cantitatea de combustibili fosili arși pe cap de locuitor pentru că, în medie, a crescut gradul de dezvoltare.

Acum putem verifica şi teoria noastră: în ultimii ani vedem că urcăm, prin arderea de combustibili fosili, cam 9-10 gigatone de carbon în atmosferă, în fiecare an. Pe de altă parte, am văzut cum atmosfera are o creştere anuală de doar 4 gigatone de carbon pe an.

Dar cum se poate să punem 9-10 gigatone de carbon în atmosferă în fiecare an, iar atmosfera să acumuleze doar 4 gigatone de carbon pe an? Ce se întâmplă cu restul?

E momentul să detaliem mai mult misterul.

Ecosistemul dioxidului de carbon

Pământul nu a fost aşa de primitor cu viaţa de la început. La început, atmosfera sa era de 30 de ori mai densă decât cea de azi şi formată în cea mai mare parte din dioxid de carbon.

Dioxidul de carbon a fost eliminat în timp prin două mecanisme: absorbția sa de către oceane şi conversia sa în oxigen, de către cianobacterii.

Viaţa, aşa cum o cunoaștem, şi-a făcut singură loc pe acest Pământ, iar fără cianobacterii, care au transformat atmosfera planetei, noi n-am fi existat azi. Variațiile anuale în concentraţia dioxidului de carbon (pe care le-am văzut înainte) sunt o dovadă că biosfera “respiră” în continuare în atmosfera pe care ea şi-a creat-o.

Să detaliem, în continuare, ciclul dioxidului de carbon pe planeta noastră. Să privim următorul grafic, reconstruit pentru perioada de dinaintea revoluției industriale.

Vedem cum, atunci, atmosfera conținea cam 600 de gigatone de carbon. În fiecare an, biosfera extrăgea aproximativ 120 de gigatone (dioxidul de carbon folosit de plante, copaci etc.) şi punea la loc în atmosferă 60 de gigatone (cel expirat de animale, de exemplu).

În același timp, jumătate din dioxidul de carbon captat de biosferă se ducea în sol, prin moartea plantelor şi animalelor – în total cam 60 gigatone pe an. Din sol, tot cam 60 de gigatone de carbon sunt puse, anual, direct în atmosferă, de exemplu, prin descompunerea resturilor de animale și plante de către anumite bacterii și alte microorganisme. Practic, biosfera era în echilibru cu atmosfera.

La fel se întâmplă şi în partea dreaptă, unde avem contribuția oceanului. Oceanul – la suprafaţă și în adâncime – stochează cam 40.000 de tone de carbon. La suprafaţa oceanului, apa interacționează în multe moduri cu atmosfera. O parte din dioxidul de carbon este absorbit de către fitoplanctonul format din plante acvatice. O altă parte se dizolvă parțial în apă, aşa cum se întâmplă și cu alte gaze. Aici, dioxidul de carbon poate reacționa cu moleculele de apă, formând acid carbonic. În total, oceanul captează cam 90 de gigatone de carbon din atmosferă, pe an.

Pe de altă parte, oceanul pune dioxid de carbon în atmosferă. Astfel, la sfârşitul vieții lor, plantele acvatice ce formează fitoplanctonul sunt descompuse de microorganisme iar dioxidul de carbon este eliberat, o parte ajungând în atmosferă.

O altă parte din dioxidul de carbon atmosferic, dizolvat în apă, este eliberat la loc în atmosferă. În total, 90 de gigatone de carbon se urcă la loc în atmosferă, în fiecare an. Şi oceanul, ca şi biosfera, este în echilibru cu atmosfera.

Interesant este ce se întâmplă cu acidul carbonic format în apă. Acesta interacționează mai departe în ocean şi formează substanțe care se numesc carbonați. Aceștia se sedimentează pe fundul oceanului.

Dintre aceștia și din alte resturi organice, prin mișcarea plăcilor tectonice, ceva mai puţin de 0,02 gigatone de carbon (cifrele exacte sunt greu de obținut) ajung în adâncurile Pământului în fiecare an. În altă parte a Pământului însă, prin activitatea vulcanilor (indusă tot de mișcarea plăcilor tectonice), tot ceva mai puţin de 0,02 gigatone de carbon sunt eliberate pe an în atmosferă. Astfel, se închide ciclul carbonului.

Imaginea de mai sus este cea de echilibru. Dacă nu este perturbat de alte situații, carbonul din atmosferă se păstrează constant de-a lungul mileniilor. În perioade mai mari de timp, de zeci şi sute de mii de ani, intervin alte mecanisme care dezechilibrează situația. Noi însă, discutăm doar despre ce se întâmplă în aceste câteva sute de ani de evoluție tehnologică a omului, combinată cu o explozie a populației.

Dezechilibrul atmosferei

Ce se întâmplă azi, când omenirea pune anual 9-10 gigatone de carbon în atmosferă? Aşa cum am văzut, doar 4 gigatone de carbon rămân acolo, iar restul trebuie să se ducă în altă parte. Dar unde?

Ceva mai puţin de jumătate din diferența de 6 gigatone este preluată de biosferă, iar cealaltă de oceane. Practic, din cauza excesului de dioxid de carbon, în unele locuri din lume vegetația se înmulțește, absorbind în plus, din atmosferă, aproximativ 2-3 gigatone de carbon. Alte trei gigatone se duc anual în oceane (prin fitoplancton și celelalte mecanisme de care am vorbit). În final, mai rămân aproximativ 4 gigatone care se acumulează în atmosferă.

Ce deducem de aici? Că biosfera şi oceanele ne ajută, doar că nici ele nu fac față ritmului accelerat în care civilizația eliberează dioxidul de carbon din combustibilii fosili.

La final, să abordăm câteva mituri legate de dioxidul de carbon, iar apoi concluziile.

Mituri legate de dioxidul de carbon

1.„Emisiile de dioxid de carbon sunt datorate vulcanilor; omul nu are nicio contribuție semnificativă.” – FALS

Am văzut deja că emisiile datorate vulcanilor sunt de aproximativ 0,02 gigatone de carbon pe an, iar ale omului se apropie de 10 gigatone pe an. E clar că “omul bate vulcanul”. Asta se vede şi din acest grafic, ce arată evoluția în timp (cu verde este contribuția omului, cu mov, contribuția vulcanilor).

2. „Concentraţia de dioxid de carbon a variat şi înainte, deci ceea ce se întâmplă acum este natural.” – FALS

Să ne uităm din nou la graficul în discuție. Vedem cum, la aproximativ 100.000 de ani, concentraţia creşte şi apoi scade. Asta are de-a face cu perioadele de glaciațiune, provocate de mișcarea orbitală a Pământului. Atenţie însă, creşterea din ultimele două sute de ani este mult mai mare şi, mai important, mult mai rapidă decât variațiile pe zeci de mii de ani de până acum. Adică este ceva în plus, iar acel ceva nu poate fi provocat decât de om, aşa cum am văzut mai sus.

3. „Plantele au nevoie de dioxid de carbon şi absorb tot excesul datorat civilizației umane.” – FALS

Am văzut că o parte a acestei afirmații este adevărată. Oceanul şi plantele absorb peste jumătate din cantitatea emisă de om prin arderea combustibilului fosil. Dar nici ele nu fac față unui ritm atât de rapid al emisiilor provocate de om: aproximativ 4 gigatone de carbon se acumulează în atmosferă, an de an, nefiind absorbite nici de plante, nici de oceane.

Concluzia mea? Omul pune într-adevăr cantități mari de dioxid de carbon în atmosferă, an de an. Plantele şi oceanele nu fac față ritmului impus de om şi nu absorb decât o parte din el.

Notă: Acesta este primul articol dintr-o serie de trei, despre procesele încălzirii globale. Rămâi aproape pentru următoarele două materiale – despre temperaturi (este mai cald și dacă da, de ce?) și despre consecințele încălzirii globale, la pachet cu măsurile de care avem nevoie pentru încetinirea fenomenului. Urmărește și varianta video pe canalul de YouTube al lui Cristi (te poți abona aici ca să afli când apar și celelalte din serie).

*Sursele graficelor de mai sus sunt: https://keelingcurve.ucsd.edu/ și https://gml.noaa.gov/.

Cristian Presură

A urmat studiile facultăţilor de electrotehnică şi fizică. A lucrat la Institutul de Fizică Atomică, unde s-a ocupat de instalaţii electrice şi a studiat proprietăţile laserilor cu medii active solide.

În 2002 a obţinut doctoratul în fizică la Universitatea Groningen, Olanda, unde a caracterizat proprietăţile optice ale sistemelor corelate de electroni. Rezultatele sale au fost publicate în reviste de specialitate de mare impact, precum Science, Physical Review Letters şi Physical Review B.

Totodată, Cristian Presură are o intensă activitate de popularizare a ştiinţei în limba română, scriind cărţi şi articole, realizând numeroase prezentări fizice şi online. Este autorul cunoscutelor cărți „Fizica povestită” şi „O călătorie prin univers”. Poate fi urmărit săptămânal cu noutăţi pe canalul de youtube „Fizica cu Cristian Presură”.

Featured