Vulcanii europeni tot mai activi din Islanda și Italia – Motive de îngrijorare pentru climă?
În Europa, Islanda alături de Italia reprezintă polii vulcanilor activi de pe continentul nostru, iar in ultimii ani activitatea acestora a fost tot mai pronunțată.
Gazele și particulele de praf injectate în atmosferă în timpul erupțiilor vulcanice pot influența clima. Chiar dacă vulcanii se află în locuri specifice pe Terra, efectele lor pot fi distribuite global deoarece gazele, praful și cenușa ajung în atmosfera înaltă și pot circula global.
Potrivit cercetătorilor există aproximativ 1.500 de vulcani potențial activi în întreaga lume. Cei mai mulți sunt concentrați în jurul Oceanului Pacific unde formează Cercul de Foc al Pacificului, o potcoavă cu o suprafață de aproximativ 40.000 km, unde se află 75% din vulcanii activi. În Europa, Islanda alături de Italia reprezintă polii vulcanilor activi de pe continentul nostru, iar in ultimii ani activitatea acestora a fost tot mai pronunțată. Foarte recent o nouă erupție în sudul Islandei a dus la evacuarea tuturor localnicilor din Grindavik, continuând șirul evenimentelor vulcanice din nordul Europei.
Ce sunt vulcanii și cum pot erupțiile vulcanice de mare amploare să influențeze clima?
Activitatea vulcanică a creat peste 80% din suprafața terestră. Un vulcan poate fi descris ca o deschidere în crusta terestră prin care rocile topite, gazele fierbinți și alte materiale ies la suprafață. În interiorul unui vulcan activ se găsește o cameră în care se acumulează rocă topită, numită magmă. Presiunea din interiorul camerei cu magma determină deplasarea magmei prin canale din rocă care ajunge la suprafață. Odată ce magma ajunge la suprafață, aceasta este cunoscută sub numele de lavă.
Unele erupții vulcanice sunt explozive, în timp ce altele apar sub formă de un flux lent de lavă. Erupțiile pot surveni printr-o deschidere principală în vârful vulcanului sau prin deschideri care se formează pe marginile vulcanului. Ritmul și intensitatea erupțiilor, precum și compoziția magmei, determină forma vulcanului.
Vulcanii sunt întâlniți atât pe uscat, cât și pe fundul oceanului. Atunci când vulcanii erup pe fundul oceanului, deseori creează munți subacvatici și lanțuri muntoase, pe măsură ce lava eliberată se răcește și se întărește.
Dar erupțiile vulcanice de mare amploare pot influența și clima.
Cum influențează erupțiile vulcanice clima pe termen scurt, mediu și lung
Gazele și particulele de praf injectate în atmosferă în timpul erupțiilor vulcanice pot influența clima. Chiar dacă vulcanii se află în locuri specifice pe Terra, efectele lor pot fi distribuite global deoarece gazele, praful și cenușa ajung în atmosfera înaltă și pot circula global.
În timpul erupțiilor vulcanice, cantități uriașe de gaze vulcanice, aerosoli și cenușă sunt injectate în stratosferă (stratul din atmosferă cuprins între 10-50 km). Particulele mai mari de cenușă au un efect de scurtă durată asupra climei deoarece majoritatea acestor particule cad din atmosferă în câteva ore sau zile de la o erupție și sunt depozitate pe sol. Cenușa sau praful vulcanic eliberat în atmosferă în timpul unei erupții absoarbe radiația solară și cauzează o răcire temporară.
Particulele mici de cenușă pot forma un nor în zona joasă a atmosferei (troposferă) care umbrește și răcește zona aflată sub el pentru o perioadă de timp. Dar cele mai mici particule de praf ajung în stratosferă și sunt capabile să călătorească distanțe foarte mari. Aceste particule mici sunt atât de ușoare încât pot rămâne în stratosferă timp de luni întregi, blocând lumina solară și cauzând răcire. Norii de cenușă vulcanică se pot răspândi pe suprafețe mari, transformând lumina zilei în întuneric și reducând semnificativ vizibilitatea, fiind adesea însoțiți de tunete și fulgere.
În cazuri extreme, acești nori de cenușă vulcanică pot provoca "ierni vulcanice". Un astfel de exemplu este erupția din 1815 a vulcanului Mount Tambora din Indonezia, cea mai mare erupție din istoria măsurătorilor. Atunci temperature medie globală a scăzut cu până la 3°C provocând condiții meteorologice extreme în întreaga lume timp de trei ani. Ca rezultat al cenușii vulcanice eliberate în urma erupției vulcanului Mount Tambora, America de Nord și Europa au experimentat în anul următor – 1816 "Anul fără Vară", marcat de recolte slabe, foamete și boli.
După ce sunt eliberate în atmosferă, emisiile sulfuroase se transformă în aerosoli de sulfat, care pot rămâne acolo de la câteva luni până la un an. Acești aerosoli au capacitatea de a reflecta radiațiile solare, reducând astfel cantitatea acestora care ajunge la suprafața Pământului, de a influența formarea ozonului și, prin urmare, de a reduce temperatura medie globală la suprafața Pământului.
Dacă gazele vulcanice precum dioxidul de sulf pot cauza răcire globală, dioxidul de carbon, un gaz cu efect de seră, are potențialul de a favoriza încălzirea globală. Acest lucru a determinat încălzirea globală în perioadele mai îndepărtate din istoria Pământului, când vulcanii au emis cantități mari de gaze cu efect de seră.
De-a lungul secolului trecut, erupțiile vulcanice au determinat o scădere a temperaturii medii la suprafața terestră de până la 0.5°C pentru perioade cuprinse între 1-3 ani. Un exemplu elocvent este erupția vulcanului Mount Pinatubo pe 15 iunie 1991, una dintre cele mai mari erupții ale secolului al XX-lea. Aceasta a injectat în stratosferă un nor de dioxid de sulf cunoscut sub numele de norul Pinatubo, cel mai mare observat vreodată în stratosferă de la începutul observațiilor satelitare. Ca urmare, a avut un impact semnificativ asupra climei și a răcit suprafața Pământului timp de trei ani după erupție.
Dioxidul de carbon (CO2) este un gaz cu efect de seră și este principalul gaz responsabil pentru schimbările climatice. În timp ce dioxidul de sulf eliberat în erupțiile vulcanice contemporane a cauzat uneori răcire globală detectabilă a atmosferei inferioare, dioxidul de carbon eliberat în erupțiile vulcanice contemporane nu a cauzat niciodată încălzire globală detectabilă a atmosferei. În 2010, activitățile umane au fost responsabile pentru aproximativ 35 gigatone de emisii de CO2. Studiile și măsurătorile realizate până în prezent cu privire la emisiile globale de dioxid de carbon indică faptul că vulcanii eliberează mai puțin de 1% din dioxidul de carbon eliberat în prezent de activitățile umane.
Erupțiile vulcanice foarte mari pot injecta cantități semnificative de CO2 în atmosferă. Spre exemplu, erupția vulcanului Mount St. Helens din 1980 a eliberat aproximativ 10 milioane de tone de CO2 în doar 9 ore. Cu toate astea, societatea are nevoie azi de doar 2,5 ore pentru a emite aceeași cantitate. În timp ce erupțiile explozive mari precum aceasta sunt rare și apar la nivel global o dată la câțiva ani, emisiile antropice sunt neîncetate și cresc în fiecare an.
Cum putem măsura efectele acestor erupții?
Oamenii de știință monitorizează îndeaproape vulcanii în special pe cei aflați în apropierea unor centre populate. Vulcanii semnalează iminența unei erupții. Semnele de avertizare includ mici cutremure, bombarea părților laterale ale vulcanului și creșterea emisiilor de gaze. Niciunul dintre aceste semne nu înseamnă neapărat că o erupție este iminentă, dar pot ajuta oamenii de știință să evalueze starea vulcanului atunci când magma se acumulează. Cu toate acestea, este imposibil să spunem exact când, sau dacă, un vulcan va erupe.
Impactul și magnitudinea erupțiilor vulcanice pot fi reconstituite folosind documente istorice care acoperă câteva sute de ani sau arhive naturale cum sunt inelele de creștere a arborilor, carotele de gheață, sedimentele marine și lacustre care se întind pe perioade mai lungi de timp.
Prin analize chimice detaliate asupra unei carote de gheață lungi de 3.400 de metri extrase din Antarctica s-a realizat o istorie a marilor erupții vulcanice din ultimii 11.000 de ani. S-au găsit urme a 426 de erupții vulcanice care au avut loc atât în Emisfera Nordică, cât și în cea Sudică. Pentru perioada mai recentă verile excepțional de reci înregistrate în Europa (și în alte regiuni) în anii 1816, 1601, 1453, 1109, 574 și 541 au precedat erupții vulcanice majore.
Un istoric al celor mai violente erupții din Europa
În Europa, printre cele mai violete erupții vulcanice cu consecințe devastatoare asupra societății și mediului se numără erupția vulcanului Etna, care deține unul dintre cele mai lungi înregistrări documentate ale activității vulcanice din lume. Rămâne unul dintre cei mai activi vulcani din lume și în prezent. Înregistrările istorice ale activității vulcanului Etna datează din 1500 î.Hr. Erupție din 1169 a dus la moartea a 15.000 de persoane; cinci secole mai târziu, o altă erupție a dus la moartea a 20.000 de persoane.
Vezuviu, un stratovulcan caracterizat prin erupții explozive, situat la est de orașul Napoli, Itali, este cunoscut în istoria recentă datorită erupției din anul 79 AD, care a acoperit sub cenușă și rocă orașele romane Pompei și Herculaneum, și a dus la moartea aproximativ 16.000 de oameni.
În prezent, Vezuviul se numără printre cei mai periculoși vulcani din lume, deoarece aproximativ 3 milioane de oameni locuiesc în apropierea acestuia.
Pe 14 aprilie 2010, vulcanul islandez Eyjafjallajökull a erupt pentru a doua oară în decurs de două luni, după 200 ani de adormire. Erupția a provocat o coloană de cenușă care a fost injectată în stratosferă un nor de cenușă ce a fost transportat de vânt în Europa de Nord și de Vest. Norul a perturbat transportul aerian cauzând o catastrofă comercială în Europa.
Ciomadul, craterul care găzduiește acum Lacul Sfânta Ana și turbăria Mohoș, este cel mai recent vulcan din regiunea României, cunoscut pentru erupțiile sale explozive. Cercetările indică faptul că prima erupție a avut loc acum 51.000 de ani în regiunea turbăriei Mohoș, iar cele mai recente erupții s-au produs acum 29.600 de ani în zona actuală a Lacului Sfânta Ana.
Hartă a celor mai activi vulcani la nivel global (Sursa National Geographic)
În viitor ne putem aștepta la erupții vulcanice în zonele unde aceștia sunt activi, dar și acolo unde sunt inactivi. Stratovulcanii sunt considerați cei mai periculoși, deoarece erupțiile lor se pot întâmpla fără avertisment, sunt explozive și eliberează cantități masive de material, inclusiv curgeri pricolastice (curenți rapizi de gaze fierbinți și materii vulcanice). Posibilitatea erupțiilor vulcanice poate fi prevăzută, atunci când vulcanologii au acces la istoricul activității vulcanului, folosesc instrumentele adecvate pentru monitorizarea regiunii și dispun de suficiente date pentru a studia comportamentului acestuia.
Există diverse semnale care pot indica intensificarea activității vulcanice, precum creșterea frecvenței cutremurelor, emisii de aburi și gaze (fumarole), sau formarea de noi deschideri în crusta terestră. Cu toate astea, chiar și cu ajutorul tehnologiei avansate, estimarea exactă a magnitudinii unei erupții rămâne o provocare.
Modelele matematice pot simula modul în care sistemul climatic reacționează la erupțiile vulcanice, acestea fiind similare cu cele folosite pentru a înțelege reacția la modificările gazelor cu efect de seră, însă mecanismele implicate sunt diferite.
Dr. Aritina Haliuc
Cercetatător postdoctoral (Environnements et Paléoenvironnements Océaniques et Continentaux), Universitatea din Bordeaux, Franța.
Domenii de cercetare:
Paleoclimatologie, Climatologie istorică, Schimbările climatice și impactul acestora asupra mediului și societății.
Mineritul asteroizilor, o opțiune viabilă pentru viitorul planetei?
Exploatarea resurselor din spațiu este o idee mai veche, însă mai actuală ca niciodată. De la an la an epuizăm din ce în ce mai repede resursele anuale ale planetei, anul acesta “reușind” performanța ca la puțin peste jumătatea anului (2 august) să consumăm toate resursele naturale regenerabile pentru anul 2023
Exploatarea resurselor din spațiu este o idee mai veche, însă mai actuală ca niciodată. De la an la an epuizăm din ce în ce mai repede resursele anuale ale planetei, în 2023 “reușind” performanța ca la puțin peste jumătatea anului (2 august) să consumăm toate resursele naturale regenerabile pentru anul 2023. Prin urmare, găsirea unor surse alternative provenite din exploatarea altor corpuri (precum asteroizii) din Sistemul Solar a devenit o idee intens dezbătută în cercurile științifice la nivel mondial. Recent un asteroid de mărimea unui zgârie-nori a trecut la mai puțin de 2,7 milioane de kilometri de Pământ.
Așadar, contrar mesajului filmului “Don’t look up?” ne putem uita sus către corpurile cerești pentru resurse și cât de fezabilă ar fi o astfel de soluție, mai ales în viitorul apropiat?
În ultimii ani asistăm la un avânt tehnologic fără precedent în domeniul spațial. Astfel, cercetătorii și-au pus întrebarea dacă resursele extraterestre ar putea contribui la menținerea capacității planetei noastre de a mai susține umanitatea pe termen lung. În teorie, răspunsul este afirmativ, însă punerea în practică este delicată. Asta deoarece există numeroase provocări tehnice, economice și chiar etice în privința exploatării altor corpuri din Sistemul Solar. Iar costurile unor astfel de misiuni spațiale, precum și impedimentele legate de mineritul, extragerea și aducerea acestor resurse pe Pământ sunt încă la cote ridicate.
Ce corpuri ar merita explorate pentru extragerea resurselor?
Fig.1: Distribuția asteroizilor în Sistemul Solar. Credit foto: NASA/ McREL
Deoarece satelitul natural al Pământului și planetele telurice din Sistemul Solar nu sunt atât de atractive în privința exploatării resurselor, cercetările s-au îndreptat către asteroizi, corpuri primordiale ale Sistemului Solar ale căror orbite se află mai ales între Marte și Jupiter. Conform datelor centralizate în timp real de către NASA, numărul asteroizilor cunoscuți din întreg Sistemul Solar este 1.327.790 de exemplare, corpuri de mai mari sau mai mici dimensiuni. Astfel, cel mai mare asteroid este Ceres care măsoară 940 km în diametru, în timp ce cele mai mici astfel de corpuri nu depășesc 1 m în diametru. Și chiar dacă numărul acestora este impresionant, marea majoritate a asteroizilor sunt de mici dimensiuni, iar masa cumulată a tuturor acestor corpuri nu depășește masa Lunii. Conform analizelor spectrale efectuate de către astronomi, asteroizii pot conține o varietate de resurse, inclusiv metale de bază ori din categoria celor prețioase, precum și compuși organici. Prin urmare, mineritul și aducerea acestor resurse pe Pământ ar putea fi o soluție de luat în calcul deoarece ar reduce dependența de resursele naturale existente și aflate in continuă scădere. Însă această activitate implică și dezvoltarea de tehnologii avansate pentru a ajunge la asteroizi, a extrage resursele și a le transporta pe Terra, o adevărată provocare pentru știința actuală.
Din multitudinea aceasta de asteroizi, cei mai adecvați explorării sunt cei din apropierea Pământului, mai exact cei din categoria NEA (Near Earth Asteroids) care provin din centura de asteroizi sau din alte zone ale Sistemului Solar și care se deplasează pe orbite aflate în proximitatea orbitei Pământului. Asteroizii cunoscuți au fost centralizați în baza de date Minor Planet Center (MPC) susținută de IAU (International Astronomical Union) și NASA.
Dintre aceștia se pot califica pentru misiuni de explorare cei care, în urma analizelor spectrale, au demonstrat o abundență de resurse de interes pentru umanitate.
Un alt criteriu este acela al mărimii asteroidului pentru ca o astfel de misiune să poată ajunge la sol și să înceapă activitatea de minerit. Evident că mai sunt o serie de criterii specifice, ceea ce restrânge din ce în ce mai mult numărul candidaților pentru activitățile de exploatare. Mai trebuie menționat că pentru a determina de pe Pământ proprietățile fizice ale unui asteroid se utilizează spectroscopia și determinarea culorii, ceea ce împreună cu depărtarea acestuia față de Soare ne oferă informații clare despre compoziția și locul de proveniență. Mărimea asteroidului se poate determina prin studiul radiației termice în spectrul infraroșu, iar pentru a afla perioada de rotație a unui asteroid, dar și forma ori structura sa internă, se utilizează fotometria, adică studiul variației de strălucire.
Fig. 2: Numărul total al asteroizilor NEA cunoscuți, grupați în funcție de dimensiuni. Grafic: JPL/ Caltech/ NASA
Ce tipuri de resurse sunt prezente în compoziția asteroizilor
În general asteroizii sunt alcătuiți din metal și rocă, iar aceștia sunt clasificati în trei mari categorii:
— metalici (parțial topiți și care conțin olivină, rocă vulcanică – piroxen și metale)
— primitivi (conțin materiale organice, carbon și silicați)
— bazaltici (fragmente ale unor corpuri mari ce conțin bazalt, olivina și metale)
Însă interesul este ridicat mai ales pentru materialele rare (prețioase) cruciale pentru tehnologiile terestre, precum celule de combustie și semiconductori. Pe Pământ, rezervele actuale de metale rare sunt gestionate doar de câteva țări care pot introduce vulnerabilități în lanțul de aprovizionare la nivel mondial, astfel renunțarea la această dependență suscită un interes major. De asemenea, unii asteroizi mai conțin apă, in diferite forme, un element esențial pentru misiunile spațiale cu echipaj uman sau chiar pentru colonizarea planetei Marte.
Totuși, cea mai bună metodă de analizare a compoziției asteroizilor este evident cea prin prelevare directă de probe din sol, asta deoarece stratul de praf de la suprafață asteroizilor (regolit) și care s-a format în urma impacturilor dintre ei este un factor care induce o incertitudine în determinarea precisă de la distanță a compoziției. De asemenea, în urma ciocnirilor, unii asteroizi chiar au fost dezintegrați, însă fragmentele rezultate au rămas împreună pe traiectorie și s-au ”sudat” în timp datorită forțelor de atracție, astfel unii asteroizi se remarcă printr-o structura poroasă (rubble pile).
Asteroizii pot fi clasificați în anumite clase taxonomice, pe baza modului cum reflectă lumina Soarelui în intervalul de lungimi de undă 0,45 – 2,45 micrometri. Practic se studiază spectrul asteroidului, în diferite lungimi de undă. Taxonomia actuală a asteroizilor, denumită taxonomia Bus-DeMeo clasifica asteroizii prin corelarea observațiilor din spectrul infraroșu apropiat (Near Infrared) cu cele din spectrul vizibil.
Primele misiuni de exploatare a resurselor extraterestre
De-a lungul ultimelor decenii au fost efectuate o serie de cercetări cu privire la determinarea compoziției acestor asteroizi, studiile fiind realizate prin detecție de la distanță ori prin analizarea meteoriților proveniți din anumiți asteroizi, iar în ultimii ani chiar prin probe prelevate de pe suprafață asteroidului și aduse pe Pământ. La acest capitol trebuie menționate cele două misiuni Hayabusa ale agenției japoneze JAXA, care au adus mostre de pe asteroidul 25143 Itokawa in anul 2010 și de pe asteroidul 162173 Ryugu in 2020.
Fig. 3: Comparație a dimensiunii asteroidului 101955 Bennu. Credit foto: NASA
Lansată pe 8 septembrie 2016, misiunea OSIRIX-REx (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security, Regolith Explorer) a fost destinată studierii asteroidului 101955 Bennu, prelevarea unor probe de sol de pe suprafață acestuia și apoi reîntoarcerea pe Pământ. În 20 octombrie 2020 sonda a ajuns pe suprafața asteroidului Bennu și a început operațiunea de colectare a probelor, în punctul denumit “Nightingale” (Privighetoarea).
Pe 24 septembrie 2023, la o distanță de peste 100.000 km față de Pământ, sonda americană a ejectat capsula cu probele preluate de pe asteroidul Bennu, această reintrând în atmosfera terestră, fiind apoi recuperată din deșertul Utah (SUA) de către cercetători.
Sondă spațială OSIRIX a fost redirecționată pe o nouă traiectorie pentru misiunea de studiere a asteroidului (99942) Apophis care la 13 aprilie 2029 va trece la o distanță extrem de mică față de Pământ. Catalogat că fiind un asteroid de dimensiuni mari, 340 metri diametru, Apophis se va apropia până la 31.000 km de suprafață Terrei, o distanță chiar mai mică decât cea a orbitelor sateliților geostaționari (aproximativ 36.000 km). Iar distanța mică (sub valoarea de 0,1 distanțe lunare) și dimensiunile mari ale lui Apophis îl vor face vizibil pentru aproximativ 2 miliarde de oameni din vestul Europei și nordul Africii.
Beneficiile exploatării resurselor extraterestre, în special vorbind despre mineritul asteroizilor, sunt de neconstestat. Cu toate acestea, studiile privind viabilitatea economică a unor astfel de misiuni nu ne oferă un orizont de timp până când aceste planuri vor deveni realitate. Chiar dacă misiunile Hayabusa și OSIRIX au demonstrat că acest lucru este posibil, costurile acestor misiuni raportate la cantitățile infime de probe prelevate și aduse pe Pământ, nu dovedesc că mineritul asteroizilor ar fi o soluție viabilă din punct de vedere economic cu tehnologia actuală.
Din perspectiva etică, exploatarea resurselor din spațiu și implicit mineritul asteroizilor va exacerba și mai mult discrepanțele între țări, la nivel mondial. Asta deoarece costurile unor astfel de misiuni sunt prohibitive pentru marea majoritate a națiunilor de pe Pământ, doar câteva state fiind capabile financiar să investească în mineritul asteroizilor. Iar în urma acestor campanii, aceste state vor deveni din ce în ce mai bogate. De asemenea, aducerea pe Pământ a unor metale rare va genera o depreciere a valorii acelorași exploatate pe Pământ, asta în detrimentul unor națiuni din Africa direct dependențe de aceste resurse. Prin urmare, decizia de exploatare a resurselor din spațiu ar trebui reglementată la nivel mondial pentru ca nicio națiune să aibă de suferit, iar discrepanța dintre bogăție și sărăcie să devină și mai mare.
Doctorand în Astronomie și Astrofizică la Facultatea de Fizică (Universitatea București) și inginer în electronică (Universitatea Politehnică București). Cercetări în domeniul asteroizilor potențiali periculoși (PHA) și cu privire la impactul mega-constelatiilor de sateliți.
Atmosfera și cum funcționează efectul de seră în ea
Este foarte important să înțelegem detaliile efectului de seră, că să vedem cât este contribuția dioxidului de carbon la încălzirea globală. Mai mult, aflăm cum ține atmosfera de cald Pământului şi cât de important este rolul dioxidului de carbon.
Dacă data trecută am dezbătut cantitatea de dioxid de carbon din atmosferă, astăzi vorbim despre efectul de seră. Este foarte important să înțelegem detaliile acestui efect de seră pentru ca, mai târziu, să vedem cât este contribuția dioxidului de carbon la încălzirea globală. Este interesant și să înțelegem cum atmosfera ține de cald Pământului şi cât de important este rolul dioxidului de carbon.
Pentru claritate, ne vom referi la efectul de seră ca fiind efectul prin care atmosfera ține cald Pământului de miliarde de ani şi la încălzirea globală ca fiind creşterea adițională a temperaturii Pământului datorită arderilor de combustibili fosili şi a eliberării în atmosferă a gazelor din epoca industrială.
Pământul fără atmosferă
În spațiu este frig! Dacă pui un obiect în spațiul îndepărtat, va fi înconjurat de radiația de fond, acea lumină apărută după explozia Big Bangului şi ajunsă azi în domeniul microundelor. Ca într-un cuptor cu microunde, radiația de fond îl va încălzi până la temperatura sa, care este de doar 2,73 grade Kelvin deasupra lui zero absolut (-270 grade Celsius).
Pământul însă, mai are două surse de căldură: Soarele şi nucleul său (al Pământului) încălzit la mii de grade Celsius. De la Soare, Pământul primește în medie o putere de 173.000 de terawaţi (adică 173 de milioane de miliarde de wați). Reamintim: 1 watt este un joule pe secundă. De la nucleul Pământului, suprafaţa Pământului primește în medie 47 terawaţi, adică de câteva mii de ori mai puţin; Pământul primește de la Soare în medie o putere de 173.000 de terawaţi;
Energia aceasta termică a nucleului se dovedește în final a fi de aproximativ 20 de ori mai mică decât cea indusă de încălzirea globală, de aceea o vom neglija.
Cât este energia medie pe care suprafata Pamantului o primeste de la Soare? Cum Soarele luminează doar jumatate din Pământ, împărțim cei 173.000 de terawati de energie la jumătate din suprafața totală a Pământului.
Obținem că, în medie, în timpul zilei, Pământul primește aproximativ 680W pe fiecare metru pătrat (în zonele ecuatoriale mai mult, înspre poli mult mai puțin). Daca luăm în calcul o zi întreagă (deci și noaptea), energia medie primită este jumătate din această valoare, adica 340W/m2.
O parte din lumina Soarelui, aproximativ 30% se reflectă înapoi în spațiu, ceea ce înseamnă că densitatea efectivă de energie primită de Pământ este 0.7*340, adică aproximativ 240W/m2.
Interesant este că, pe baza acestei valori, putem estima temperatura Pământului în lipsa atmosferei. Astfel, în echilibru termic şi fără atmosferă, suprafaţa Pământului trebuie să radieze aceeaşi energie înapoi, adică 240W/m2.
Aceasta este însă o radiație termică, emisă de un corp încălzit, aşa cum emite şi corpul uman, care şi el este încălzit. Iar această radiație termică, pentru temperaturile de care vorbim noi, este emisă în special în infraroșu, de aceea camerele de filmat noaptea folosesc senzori cu infraroșu.
Cu cât temperatura corpului este mai mare, cu atât se emite mai multe radiaţie în infraroşu. Relația aceasta poartă numele de formula lui Stefan-Boltzmann.
Formula este folosită în termometrele cu infraroşu, care măsoară temperatura unei suprafețe de la distanță. Acestea focalizează pe un senzor radiaţia infraroşie emisă de o arie mică de pe piele (raza de laser pe care o au unele aparate nu are loc de măsură, ea este doar pentru a identifica aria de pe piele de unde se ia temperatura).
Știind suprafaţa ariei de pe piele şi măsurând puterea radiaţiei cu senzorul, se calculează temperatura suprafeței care o emite, folosind formula lui Stefan-Boltzmann. Simplu, nu?
Hai să facem şi noi un exercițiu similar: să estimăm temperatura suprafeței Pământului în lipsa atmosferei. Ştim care este aria Pământului şi ştim densitatea de energie pe care ar emite-o în echilibru: 240W de fiecare m2 de suprafaţă. Avem ecuația lui Stefan-Boltzmann şi trebuie să aflăm temperatura.
Acum înlocuim în formulă şi aflăm temperatura. Ne iese că, în lipsa atmosferei, suprafaţa Pământului ar fi trebuit să aibă -18 grade Celsius! Succes! Şi, evident, pe Pământ este mai cald de atât.
Efectul de seră sau „plapuma” Pământului?
Din fericire, pe Pământ sunt, în medie, mai mult decât -18 grade Celsius. Iar asta se datorează atmosferei, care funcţionează ca o plapumă, dacă e să îl citez pe fizicianul Lawrence Krauss, sau ca un efect de seră, dacă este să folosim o denumire mai des întâlnită.
Aţi văzut cum plapuma este caldă pe partea interioară şi rece pe cea exterioară? La fel şi atmosfera, ea este caldă pe partea interioară, cea dinspre Pământ, unde locuim noi şi rece înspre cea exterioară.
Aici este o schiță de model. Am desenat atmosfera Pământului, simplificat, ca un singur strat (ea are mai multe straturi). Vedem cum lumina ce vine de la Soare, fiind în spectrul vizibil, trece prin atmosferă şi ajunge la Pământ, încălzindu-l. Pământul, încălzit, emite radiaţie termică, în domeniul infraroşu.
Această radiaţie este absorbită de atmosfera Pământului, care o reemite apoi în două direcții: către spațiul cosmic şi către suprafaţa Pământului. Primind înapoi o parte din radiaţia emisă, suprafaţa Pământului se încălzește adițional! Iată de ce este cald pe suprafaţa Pământului!
Efectul de mai sus se mai numeşte şi „efect de seră”, deoarece se aseamănă cu felul în care aerul devine cald într-o seră. Aici lumina Soarelui trece prin geamul de deasupra serei şi încălzește aerul dinăuntru. Căldura din seră nu poate ieși, pentru că geamurile sunt închise. În felul acesta, temperatura în seră creşte, numai bine pentru plante.
Între cele două modele, efectul de seră şi plapumă, probabil că mai potrivit este cel de-al doilea. În fond însă, este doar o denumire. Întrebarea care se pune este dacă fenomenul descris mai sus este cel corect şi dacă temperatura Pământului creşte datorită atmosferei.
Pentru asta ar trebui să măsurăm temperatura planetei Pământ, aşa cum am văzut că se măsoară temperatura corpului, adică cu un termometru în infraroşu!
Măsurăm Pământul cu un "termometru"
Un astfel de termometru există, iar el a măsurat nu numai temperatura, ci întregul spectru în infraroşu al atmosferei.
Înainte să vă arăt rezultatul, mă simt obligat să vă prezint un spectru optic, emis de un corp încălzit la temperaturi din ce în ce mai mari, ca să înțelegem despre ce vorbim.
Iată-l! Pe axa orizontală este lungimea de undă a luminii emise, iar pe axa verticală intensitatea. Aşa arată spectrul unui corp încălzit. Pentru o singură temperatură, vedem o curbă ce are un maxim în domeniul infraroşu (câțiva micrometri) şi la capete intensitatea scade.
Curba descrie radiaţia corpului negru, ceea ce înseamnă că, dacă un corp este negru, el emite lumină când este încălzit (de aceea jarul încins este luminos, chiar dacă e negru când este stins).
Mai vedem pe curbă cum, cu cât temperatura este mai mare, cu atât intensitatea totală a curbei creşte, ceea ce înseamnă că radiaţia infraroşie emisă de corp este mai multă (asta este relația Stefan-Boltzmann, deja folosită mai sus). Fiecare curbă se modelează cu o formulă datorată fizicianului Max Planck, care ne spune cât este temperatura.
Iată acum şi spectrul promis, adică radiaţia emisă de partea superioară a atmosferei. În cazul de față, radiaţia a fost măsurată de un avion aflat la 20 de kilometri deasupra Pământului, în dreptul Polului Sud (deasupra Antarcticii).
Pe axa orizontală este lungimea de undă a radiaţiei (în partea de sus, exprimată în micrometri).Aceeaşi axă orizontală este exprimată şi în numere de undă (partea de jos, în cm^-1), care este o altă expresie a lungimii de undă. Pe axa verticală avem intensitatea radiaţiei. Pentru claritate, cercetătorii au modelat deja curba cu formula cunoscută a lui Planck, aşa că noi putem citi direct ce temperatura reprezintă.
Dacă dăm un zoom, vedem că, în cea mai mare parte, curba descrie un corp încălzit la temperatura de aproximativ 268 grade Kelvin, adică doar câteva grade Celsius sub zero. Aceasta este radiaţia care scapă în spațiu direct de pe suprafaţa Antarcticii, acolo unde temperatura este într-adevăr cu puţin sub zero. Această radiaţie nu a fost absorbită de atmosferă, de aceea ajunge în spațiu.
Partea interesantă se vede în domeniul infraroşu, acolo unde numărul de undă al radiaţiei este între 600 şi 700 cm^-1. Vedem aici o scădere bruscă, ce descrie un corp încălzit la 225 grade Kelvin, adică aproximativ -45 grade Celsius. Ce poate fi?
Răspunsul este următorul: partea aceasta din spectru reprezintă radiaţia în infraroşu emisă de atmosferă, în partea ei superioară. Aici (în stratosferă) temperatura straturilor sale superioare este de aproximativ -40 grade Celsius.
Vedem cum, față de restul graficului, care descria radiaţia emisă de Pământ ce scapă în spațiu, aici intensitatea este scăzută. Asta înseamnă că, în intervalul 600-700cm-1, radiaţia emisă de suprafaţa Pământului încălzit a fost absorbită aproape în totalitate de atmosferă (nu se vede decât radiaţia termică a stratului de stratosferă de la 20 Km).
Să ne convingem de interpretare, hai să mai privim un spectru al radiaţiei emise de atmosferă, dar de data aceasta nu din spațiu, ci măsurat de un spectrometru aflat la sol, privind în sus către atmosferă.
Vedem aici cum, între 600 şi 700 cm-1 intensitatea este într-adevăr maximă, iar în rest destul de mică. Adică atmosfera a absorbit într-adevăr radiaţie în acest interval (600 şi 700 cm-1), iar acum o reemite parțial către suprafaţa Pământului. Asta este ceea ce ne încălzește pe noi!
Să ne convingem citind temperatura asociată acestei radiații: ea este de aproximativ 270 grade Kelvin, adică câteva grade sub zero, atât cât este temperatura în partea de jos a atmosferei, la suprafaţa Antarcticii, acolo unde a avut loc măsurătoarea (în alte părţi din lume, unde e mai cald, temperatura aceasta va fi mai mare).
Dacă suprapunem cele două grafice unul peste celălalt, înțelegem esența mecanismului de încălzire a planetei. La suprafaţa exterioară, temperatura sa (dată de radiaţia termică între 600 şi 700 cm-1) este de aproximativ -45 grade Celsius.
În partea de jos temperatura este mai mare, egală cu cea de la suprafaţa planetei. Aceasta este “plapuma” de care vorbeam: rece înspre spațiu şi caldă în interior.
Mai observăm că de acest efect este responsabilă doar o partea a radiaţie, cea din infraroşu, mai specific între 600 şi 700 cm -1. În acest domeniu are loc absorbția radiaţiei termice a Pământului de către atmosferă, radiaţie care este apoi emisă în spațiu (mai puţin) şi către suprafaţa Pământului (mai mult). Dar ce se absoarbe în atmosferă radiaţia emisă de Pământ? Ce molecule fac acest lucru?
Moleculele atmosferei
Moleculele absorb lumină, de aceea mâna, făcută şi ea din molecule, ni se încălzește la foc! Întrebarea este: ce molecule din atmosferă absorb radiaţia infraroşie emisă de suprafaţa încălzită a Pământului? Pentru a răspunde, trebuie să înțelegem, pe scurt, cum are loc absorbția luminii de către molecule.
Moleculele, formate din câțiva atomi, vibrează. Atunci când frecvența luminii ce ajunge la moleculă este egală cu frecvența unui mod de vibrație, are loc o rezonanță şi lumina este absorbită de moleculă.
Moleculele cu doi atomi vibrează pe direcția celor doi atomi. Când cei doi atomi sunt identici, vibrația aceasta este rapidă, de aceea doar lumina care are o frecvență foarte ridicată (chiar în domeniul ultraviolet) va fi absorbită.
Moleculele cu doi atomi diferiți, sau mai mulți atomi au şi alte moduri de vibrație.Dacă sunt trei atomi, molecula se poate îndoi şi în direcție perpendiculară pe axa ei. Frecvența de vibrație este mai scăzută, ajungând în domeniul infraroşu.
Din ce este compusă atmosfera? 77-78% azot, are doi atomi identici, nu absoarbe infraroşu. Oxigen 20-21% are doi atomi identici, iese de pe listă. Argon 1%, are un atom, nu absoarbe infraroşu. Au mai rămas sub 1 procent de molecule care pot absorbi în infraroşu!
Primul pe listă, apa(vaporii de apă), cu o medie de 0.4% (şi variații mari) are trei atomi diferiți(hidrogen și oxigen), deci poate absorbi radiaţie în infraroşu. Urmează dioxidul de carbon, concentrație de 0.04%, are trei atomi diferiți(carbon și oxigen), îl trecem şi pe el pe listă.Neon, helium, nu, metanul da!
Chiar dacă are o concentrație extrem de scăzută, 0,00015 procente, coeficientul de absorbție al metanului este mare. Şi, cam acestea au fost.
Facem o pauză pentru a realiza importanța momentului: avem trei molecule pe listă: apă, dioxid de carbon şi metan, a căror concentrație în atmosferă este mai mică de un procent. Cu toate acestea, ele sunt gazele care ne păstrează căldura pe Pământ. Fără ele, pe Pământ ar fi fost -18 grade Celsius! Puține, dar importante! Ele se numesc gaze cu efect de seră.
Din cauza lipsei de spațiu şi timp, lăsăm momentan deoparte metanul şi discutăm despre apă şi dioxid de carbon. Putem verifica dacă ele chiar contribuie la încălzirea Pământului, urmărind şi spectrul lor de absorbție în banda 600-700cm-1.
Iată aici spectrul. Pe axa orizontală este numărul de undă (jos) iar pe axa verticală intensitatea. Ce observăm? Că ambele molecule absorb radiaţie în domeniul 600-700cm-1 (radiaţie emisă de Pământul încălzit, să ne aducem aminte), deci ambele fac „plapuma” atmosferei să funcționeze!
Dacă privim curba roşie, corespunzătoare dioxidului de carbon, citim în dreapta curbei şi coeficientul de absorbție: aproximativ 10^-2, 10^-3 m^-1 pentru intervalul nostru de interes. Inversul acestui număr este distanța medie pe care radiaţia se deplasează înainte de a fi absorbită în totalitate. Obţinem astfel 100-1000 de metri. Asta înseamnă că radiaţia infraroşie din zona care ne interesează (600-700cm-1) merge prin aer aproximativ câțiva kilometri, iar apoi este absorbită.
Cum partea cea mai densă a atmosferei are câteva zeci de kilometri înălțime, concluzionăm că întreaga radiaţie din domeniul de interes (600-700cm-1), emisă de suprafaţa Pământului, este absorbită de atmosferă.
Mai observăm cum spectrul apei este format din multe linii separate de absorbție. Aceasta este o primă problemă majoră pentru cercetători: spectrul este greu de modelat prin formule analitice. În plus, concentraţia de vapori de apă depinde mult de locație şi de temperatură (de la 0,01% în zonele arctice la peste 2% în unele zonele calde).
În plus, ciclul natural al apei face ca o moleculă de apă să stea în medie 10 zile în atmosferă. De aceea, comportarea apei este unul dintre cele mai mari surse de nesiguranță în modelările climatice.
Circuitul apei in natură
Astăzi, este greu de estimat precis cât de mult datorăm apei că atmosfera ne ține de cald şi cât dioxidului de carbon. În general (depinzând de condițiile meteorologice) contribuția apei este estimată a fi între 40 şi 60 de procente, cea a dioxidului de carbon între 20 şi 30 de procente iar cea a metanului sub 10%. La aceasta se mai adaugă contribuția ozonului şi cea variabilă a norilor.
Am identificat cine ne-a ajutat să nu facem frigul pe această planetă: atmosfera.
Am identificat trei dintre moleculele din atmosferă care absorb radiaţia emisă de Pământul încălzit: apa, dioxidul de carbon şi metanul. Reemiţând către Pământ o parte din această radiaţie, Pământul este mai cald la suprafaţa lui!
Părerea personală? Faptul că pe Pământ nu este nici frig (ca pe Marte), nici foarte cald (ca pe Venus) se datorează unei potriviri a compoziției atmosferei. Nu este evident că planetele din Univers au parte de şansa pe care a avut-o Pământul.
Mituri
„Dioxidul de carbon este doar 0.04% din atmosferă. Este foarte puţin, el nu are cum să afecteze atmosfera şi să determine încălzirea globală.” — FALS
Deși aici am vorbit doar despre efectul de seră, nu despre încălzirea globală, trebuia să abordez acest mit, pentru că i se poate da un răspuns chiar acum. M-a revoltat de când l-am auzit rostogolit în mass-media. În primul rând este filozofic fals: dacă un lucru este mic, nu înseamnă că nu este important!
La fel cu dioxidul de carbon. În primul rând, chiar având o concentrație atât de scăzută, el contribuie cu un sfert la efectul de încălzire normală a Pământului! Fără el şi fără vaporii de apă (care şi ei, sunt sub un procent), Pământul ar fi avut -18 grade în medie! Brrrrrr. Chiar şi cu aceste concentrații scăzute, le datorăm celor două gaze faptul că nu facem frigul!
Notă: Acesta este al doilea articol dintr-o serie de trei, despre procesele încălzirii globale (Pe primul îl găsești aici). Rămâi aproape pentru ultimul material – despre cum crește temperatura medie a Pământuluio datorită creșterii bruște de dioxid de carbon. Urmărește și varianta video pe canalul de YouTube al lui Cristi.
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”.
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.
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.
Sursa: Adobe Stock
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”.