Dwutlenek węgla CO2

Dwutlenek węgla to ważny gaz wychwytujący ciepło, pochodzący z wydobycia i spalania paliw kopalnych, pożarów lasów, oraz procesów naturalnych, takich jak erupcje wulkaniczne.

Dwutlenek węgla jest najważniejszym gazem cieplarnianym powodującym zmiany klimatyczne wywołane działalnością człowieka. Chociaż inne gazy cieplarniane w przeliczeniu na cząsteczkę mają większy wpływ na efekt cieplarniany, sama ilość emisji dwutlenek węgla wynikająca z działalności człowieka, oraz fakt że część emisji pozostaje w atmosferze przez setki a nawet tysiące lat sprawia, że ​​CO2 stanowi największe wyzwanie w walce z zmianami klimatu i globalnym ociepleniem.

Stężenie CO2 w atmosferze osiągnęło w 2023 roku 420 ppm (części na milion), czyli było najwyższe od 800 tys. lat, a prawdopodobnie od ostatnich 2 mln. lat. Równie bezprecedensowa jest prędkość, z jaką CO2 gromadził się w atmosferze w erze przemysłowej, ok. 10 razy szybciej niż kiedykolwiek w ciągu ostatnich 66 milionów lat.

Wszystkie zwierzęta wydychają dwutlenek węgla który pobierany jest przez rośliny i w procesie fotosyntezy zamieniany na tlen. Dwutlenek węgla odgrywa ważną rolę w utrzymaniu równowagi kwasowo-zasadowej organizmu.

Dwutlenek węgla w atmosferze Ziemi

Atmosferyczny dwutlenek węgla występuje w powietrzu w śladowych ilościach (około 0,04%), ale bierze udział w licznych procesach przyrodniczych na Ziemi. Odgrywa ważną rolę w obiegu węgla na Ziemi, w którym dwutlenek węgla jest usuwany z atmosfery za pomocą naturalnych procesów, takich jak fotosynteza, rozpuszczanie w wodzie czy osadzanie się węglanów, oraz dodawany do atmosfery w wyniku naturalnych procesów, takich jak wybuchy wulkanów, procesy życiowe organizmów, rozkładu substancji organicznych w bagnach, mokradłach i torfowiskach, oddawanie CO2 wcześniej zaabsorbowanego przez zbiorniki wodne, oraz działalności człowieka, takich jak spalanie paliw kopalnych i zmiany w użytkowaniu ziemi.

Około 4 mld lat temu dwutlenek węgla był jednym z głównych składników atmosfery tworzącej się Ziemi i utrzymywał się w znacznych ilościach aż do związania węgla przez organizmy fotosyntezujące. W kolejnych okresach historii Ziemi stężenie CO2 w jej atmosferze zmieniało się w szerokich granicach, osiągając 4000 ppm (10 razy więcej niż obecne) w okresie kambryjskim około 500 milionów lat temu, a spadając do 180 ppm podczas zlodowacenia plejstocenu około dwa miliony lat temu. Przez dłuższy czas od początku neogenu stężenie wahało się wokół 280 ppm.

W związku z antropopresją stężenie dwutlenku węgla w atmosferze wzrosło z poziomu 280 ppm utrzymującego się w ciągu 10 tys. lat (do połowy XVIII wieku), do 420 ppm w 2023 roku. Wzrost ten przypisuje się działalności człowieka, w szczególności wylesianiu i spalaniu paliw kopalnych. Wzrost CO2 i innych gazów cieplarnianych w ziemskiej atmosferze spowodował średni wzrost temperatury zwanym globalnym ociepleniem.

To, że rosnąca ilość dwutlenku węgla w atmosferze jest powodowana przez ludzką emisję, jest oczywiste, gdy porówna się koncentrację CO2 w atmosferze i antropogeniczne emisje tego gazu.

Stężenie dwutlenku węgla zmienia się sezonowo, w zależności od szerokości geograficznej, a także lokalnie szczególnie w pobliżu ziemi. Koncentracja jest na ogół większa nad lądami niż na oceanami, na półkuli północnej większa niż na południowej, na obszarach miejskich i w pobliżu miejsc spalania paliw kopalnych jest większa niż średnia. Koncentracja w pomieszczeniach może być nawet 10 razy większa niż średnia.

Ważnym procesem w bilansie atmosferycznego dwutlenku węgla jest rozpuszczanie się CO2 w oceanach, gdzie jest częściowo pochłaniany przez organizmy żywe, oraz wchodzi w reakcje chemiczne, a częściowo pozostaje w wodzie oceanicznej. Powoduje to zwiększenie stężenia dwutlenku węgla w warstwach powierzchniowych wody, a w wyniku powolnego mieszania się wód oceanicznych także w głębszych jej warstwach. Konsekwencją pochłaniania CO2 przez oceany jest znacznie mniejszy wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze niż wynikałoby to z ilości spalonych paliw kopalnych. Z kolei oddawanie CO2 zaabsorbowanego przez oceany powoduje wzrost jego stężenia w atmosferze wraz ze wzrostem temperatury wody w związku ze zmniejszeniem rozpuszczalności.

Dodatkowo wzrost stężenia dwutlenku węgla w wodach śródlądowych i oceanach powoduje niekorzystne dla środowiska wodnego zakwaszanie wód.

Wpływ dwutlenku węgla na efekt cieplarniany

Naturalny efekt cieplarniany na Ziemi sprawia, że życie jest takie jakie znamy, a dwutlenek węgla odgrywa znaczącą rolę w zapewnieniu wysokiej temperatury jaka jest na Ziemi. Oddziaływanie obecnych w atmosferze gazów cieplarnianych na temperaturę powierzchni Ziemi polega na zmniejszeniu promieniowania elektromagnetycznego z zakresu podczerwieni, wypromieniowywanego z powierzchni Ziemi w kierunku przestrzeni kosmicznej. Powoduje to podwyższenie temperatury powierzchni i atmosfery planety do takiej, w której uzyskiwana jest równowaga między energią docierającą do globu ze Słońca przez promieniowanie słoneczne a odprowadzaną w przestrzeń kosmiczną przez promieniowanie podczerwone.

Absorpcja promieniowania zachodzi wtedy, gdy energia fotonów odpowiada różnicy między dozwolonymi poziomami energetycznymi, które mogą zająć elektrony w atomach lub fragmenty cząsteczki, wzbudzane do drgań lub obrotów. Absorpcja promieniowania podczerwonego przez cząsteczki CO2 jest związana z ich wzbudzaniem do drgań zginających i rozciągających cząsteczkę. Wzbudzenie drgań zginających symetrycznych i niesymetrycznych odpowiada energii promieniowania elektromagnetycznego o długości fali około 15 μm, odpowiada mu pasmo absorpcyjne wokół tej długości fali, pasmo to leży w pobliżu maksimum emisji energii cieplnej przez powierzchnię Ziemi, do tego w zakresie 12–15 μm para wodna nie pochłania promieniowania, przez co obecność dwutlenku węgla w atmosferze zmniejsza wypromieniowywanie ciepła w przestrzeń kosmiczną. Drgania symetryczne nie mogą być wzbudzone przez pochłonięcie fotonu, ani nie mogą wypromieniować energii, ponieważ wzbudzenie ich nie powoduje zmian momentu dipolowego cząsteczki.

Chociaż para wodna jest odpowiedzialna za większość (36-70%) całkowitego efektu cieplarnianego Ziemi, to wielkość ta nie jest bezpośrednio związana z działalnością człowieka a zależy od temperatury atmosfery. Na Ziemi dwutlenek węgla jest najbardziej istotnym, bezpośrednio wpływającym antropologicznie gazem cieplarnianym.

dodatkowe informacje
Efekt cieplarniany
Gazy cieplarniane

Dwutlenek węgla w wodzie

Oceany na Ziemi zawierają dużą ilość dwutlenku węgla, znacznie więcej niż ilość w atmosferze. Działają one jak duży pochłaniacz dwutlenku węgla pochłaniając około jednej trzeciej atmosferycznego dwutlenku węgla uwalnianego w wyniku działalności człowieka.

Występuje on w postaci rozpuszczonego gazu, jonów wodorowęglanowych i węglanowych. W wodzie występują inne jony a woda styka się ze skałami zawierające węglany i inne sole, które rozpuszczają się w wodzie, a nierozpuszczalne sole wytrącają z wody i osiadają. W wodzie żyją organizmy pobierające i wydalające dwutlenek węgla i jony do wody, podobnie jak organizmy lądowe. Wszystkie te czynniki będące częścią obiegu węgla w przyrodzie wpływają na stężenie dwutlenku węgla w wodzie.

Woda oceaniczna jest lekko zasadowa, pH przy powierzchni wynosi około 8,1. Stężenie CO2 w oceanie nie jest w równowadze z jego stężeniem w atmosferze dlatego następuje rozpuszczanie atmosferycznego dwutlenku węgla w oceanie, które wywołuje zmianę odczynu roztworu, określanego jako zakwaszanie oceanów. W wyniku pochłaniania dwutlenku węgla od początku ery industrialnej pH wody oceanicznej zmniejszyło się o 0,11 i przewiduje się dalsze zmniejszanie się.

Zakwaszenie oceanów wpływa negatywnie na organizmy, które budują struktury z węglanu wapnia, ponieważ rozpuszcza się on wraz ze wzrostem kwasowości wody. Szczególnie wrażliwe są korale, muszle i szkarłupnie, takie jak rozgwiazdy i jeżowce.

Wodorowęglan powstaje w reakcji między węglanem, wodą i dwutlenkiem węgla. Roztwór węglanu wapnia z dwutlenkiem węgla tworzy bufor wodorowęglanowy, w którym duże zmiany ilości rozpuszczonych składników wywołują niewielkie zmiany odczynu roztworu. Reakcje między CO2 a skałami niewęglanowymi również dodają wodorowęglan do mórz. W przeszłości przebieg reakcji w kierunku zwiększenia zasadowości skutkowało dużych ilości skał węglanowych i udostępnieniem węgla dla organizmów.

Ostatecznie znaczna część CO2 emitowanego przez działalność człowieka rozpływa się w oceanie, jednak tempo, w jakim ocean podejmie ją w przyszłości, jest mniej pewne. Na szybkość przepływów węgla między atmosferą a oceanem ma wpływ wiele czynników w tym rozpuszczenie minerałów węglanowych i innych uwalniających jony dodatnie, zwiększone stężenie wodorowęglanu i zmniejszone lub niezmienione stężenie jonu węglanowego spowoduje wzrost stężenia niezjonizowanego kwasu węglowego i rozpuszczonego CO2 to, wraz z wyższą temperaturą, oznaczałoby wyższe stężenie CO2 w równowadze między wodą a powietrzem.

Dwutlenek węgla zawarty w atmosferze rozpuszcza się w kroplach deszczu i jest rozpuszczony w wodzie opadowej nadając jej lekko kwaśny odczyn. Woda przesiąkając do głębszych warstw gleby rozpuszcza zawarty w glebie CO2, jak i inne substancje, głównie związki wapnia. W wodzie zawierającej dwutlenek węgla i wapń, w zależności od pH CO2 występuje jako wolny, wodorowęglanowy i węglanowy. Dwutlenek węgla rozpuszczony w wodzie jako wolny wywołuje korozję metali i betonu, jego działanie jest dwustronne, poprzez reakcję z metalem jako kwas oraz przez niszczenie warstw węglanów na powierzchni konstrukcji w wyniku reakcji tworzenia kwaśnych węglanów, które są lepiej rozpuszczalne w wodzie. Korozyjności CO2 sprzyja tlen rozpuszczony w wodzie. Jony te reagują z jonami dodatnimi tworząc elektrolity bądź związki chemiczne nierozpuszczalne lub słabo rozpuszczalne w wodzie. W wodach naturalnych reaguje głównie z jonami wapnia, magnezu. Stan równowagi, zależny od temperatury i ciśnienia parcjalnego dwutlenku węgla nad wodą oraz stężenia innych jonów w wodzie określa stężenie wszystkich możliwych związków tworzonych z CO2 i innych rozpuszczonych związków.

Rozpuszczalność dwutlenku węgla w wodzie spada wraz ze wzrostem temperatury. Ponieważ zimna woda ma większą gęstość woda bogata w dwutlenek węgla opada w głębsze warstwy. Tylko przy ciśnieniach powyżej 300 bar i temperaturach powyżej 120 °C (393 K) jest odwrotnie co zachodzi blisko głębokich kominów hydrotermalnych.

Wody podziemne zawierają dwutlenek węgla. Wody mineralne o dużej zawartości CO2 zwane szczawami (CO2 > 1000 mg/dm³) lub wodami kwasowowęglowymi są butelkowane lub wykorzystywane jako źródło dwutlenku węgla. W wodzie przeznaczonej do konsumpcji i technologicznej dwutlenek węgla usuwa się z niej w procesie zwanym odkwaszaniem realizowanym poprzez kontakt wody z powietrzem.

Jeżeli w jeziorze nie zachodzi konwekcyjne mieszanie wody to dolne jej warstwy mogą znacznie nasycić się dwutlenkiem węgla pochodzącym z działalności wulkanicznej lub z rozkładu materii organicznej. Tak nagromadzony CO2 może nagle wydostać się na powierzchnię, co jest zwane erupcją limniczną powodując drastyczny wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze aż do poziomu śmiertelnego dla ludzi i zwierząt. Zjawiskiem takim była katastrofa nad jeziorem Nyos.

Wpływ zwiększenia stężenia CO2 na rośliny

Badania prowadzone w szklarniach wykazały, że podwojenie stężenia CO2 stymuluje wzrost różnych gatunków roślin średnio o ok. 37%. Przy czym wpływ zwiększenia stężenia CO2 różnił się znacznie w zależności od gatunku, niektóre wykazywały znacznie większe przyrosty, a niektóre mniejsze. Na przykład podwojenie dwutlenku węgla spowodowało, że przyrost suchej masy roślin bawełny podwoił się, ale dla kukurydzy przyrost wyniósł tylko 20%.

Oprócz badań w szklarni prowadzone są pomiary terenowe i satelitarne starając się określić wpływ zwiększenia CO2 w naturalnym środowisku. W eksperymentach wzbogacania dwutlenkiem węgla wolnego powietrza rośliny uprawia się na polach, a w otaczającym je powietrzu zwiększa się stężenie CO2. W badaniach rośliny wykazują mniejsze zmiany wzrostu niż w badaniach szklarniowych, podobnie jak w badaniach w szklarniach zauważono różnice przyrostów w zależności od gatunków roślin. Przy CO2 w stężeniu 475–600 ppm, zauważono średni wzrost plonu o 17%, przy czym rośliny strączkowe wykazywały większą odpowiedź niż inne gatunki, a rośliny C4 ogólnie wykazywały mniejszy.

Wyrażana jest hipoteza mówiąca, że zwiększenie poziomu CO2 może mieć negatywny wpływ na jakość odżywczą niektórych roślin. Zwiększenie fotosyntezy zwiększy ilość węglowodanów, przy jednoczesnym pozostawieniu lub obniżeniu ilości innych ważnych składników odżywczych, takich jak białko, żelazo i cynk. Uprawy, w których zauważono spadek białka, obejmują ryż, pszenicę, jęczmień i ziemniaki.

Pomiary satelitarne i badania naziemne prowadzone w ciągu ostatnich 35 lat wykazały wzrost wskaźnika powierzchni liści dla 25% – 50% obszarów wegetacyjnych Ziemi, podczas gdy mniej niż 4% powierzchni wykazuje zmniejszenie zazielenienia (brązowienie), co dowodzi istnieniu dodatniej korelacji między stężeniem dwutlenku węgla w atmosferze a fotosyntezą. Symulacje z wieloma modelami globalnego ekosystemu sugerują, że efekty nawożenia CO2 wyjaśniają 70% zaobserwowanego trendu zazieleniania. Szybki wzrost stężenia dwutlenku węgla może być zagrożeniem dla równowagi ekosystemów leśnych.

Historia pomiarów

Przed 1957 rokiem

Przed latami 50. XX wieku pomiary stężenia atmosferycznego dwutlenku węgla podejmowano w różnych lokalizacjach, ale nie prowadzono pomiarów systematycznych. W 1938 roku inżynier i amator meteorolog Guy Stewart Callendar porównał zestawy danych dotyczące atmosferycznego CO2 z Kew w latach 1898–1901, który uśrednił do 274 ppm, oraz ze wschodnich Stanów Zjednoczonych w latach 1936–1938, który średnio wynosił 310 ppm. Callendar stwierdził że stężenia CO2 rosły ze względu na antropogeniczne emisje, jednak jego badania nie zostały powszechnie zaakceptowane przez społeczność naukową.

Możliwość wpływania stężenia dwutlenku węgla w atmosferze na efekt cieplarniany była ignorowana przez naukowców z pierwszej połowy XX wieku. Jeszcze na przełomie lat 40. i 50. meteorolodzy nie zwracali uwagi na wpływ CO2 na temperaturę Ziemi, pomimo tego że prace fizyków dotyczące promieniowania podczerwonego w atmosferze były już zaawansowane. Odkrycie powstawania izotopu węgla C-14 w górnych warstwach atmosfery, oraz podczas wybuchów jądrowych, umożliwiło określenie rozprzestrzeniania się węgla. Dodatkowo w 1955 roku Hans Suess odkrył, że w drewnie drzew rosnących w ostatnim stuleciu (niż w późniejszym drewnie) jest mniejsze stężenie C-14, które można wyjaśnić dodawaniem węgla kopalnego do atmosferycznego. Jego pierwsze szacunki były jednak niedokładne. Stwierdził, że większość spalanego węgla jest pochłaniana przez oceany, po dekadzie ogłosił nowe dane z których wynikało, że znaczna część węgla pozostaje w atmosferze.

Pomiary Keelinga

W 1953 roku Charles Keeling po uzyskaniu tytułu doktora chemii, odbywał staż podoktorancki na utworzonym wówczas Wydziale Geochemii CalTech pod kierunkiem fizyka i geochemika Harrisona Browna, zainteresowanego historią skorupy ziemskiej. Z inspiracji Browna sprawdzał hipotezę, dotyczącą równowagi stężenia dwutlenku węgla w układzie termodynamicznym wapienie–woda–powietrze, w badaniach środowiskowych stosował manometryczne i miareczkowe metody pomiarów. Stwierdził, że informacje w literaturze dotyczące stężenia dwutlenku węgla w atmosferze są nieprecyzyjne, a interpretacja zmian niezgodna z wynikami jego pomiarów.

W 1955 Keeling zaobserwował, że ilość dwutlenku węgla w atmosferze praktycznie nie zależy od miejsca pomiaru, co było sprzeczne z ówczesnymi publikacjami. Wywnioskował z tych obserwacji, że dwutlenek węgla jest gazem dobrze wymieszanym w atmosferze.

W 1957 roku w ramach projektu Międzynarodowy Rok Geofizyczny Keeling otrzymał zadanie pomiaru stężenia dwutlenku węgla w powietrzu. Keeling postanowił zastosować do pomiaru metody fizyczne umożliwiające ciągłe pomiary stężenia dwutlenku węgla. Pomiarów dokonywał w kilku miejscach na Ziemi, a głównym było nowo utworzone wysokogórskie obserwatorium na Mauna Loa (Hawaje). Kierował się przy tym przeświadczeniem, że skoro dwutlenek węgla jest dobrze wymieszany w atmosferze, to pomiary w jednym miejscu dadzą reprezentatywny wynik dla całego globu. Na jego zlecenie wykonano 4, niedyspersyjne mierniki pochłaniania promieniowania podczerwonego w paśmie, w którym pochłania CO2 wyznaczonym filtrem. Jeden miernik zainstalowano w obserwatorium na zboczu Mauna Loa, drugi na biegunie południowym, trzeci umieszczono na statku, czwarty pracował w laboratorium.

W obserwatorium na Mauna Loa powietrze pobierano na szczycie jednej z czterech 7-metrowych wież, używano 2 przeciwległe wieże. Pomiar z jednej wieży trwał 10 minut, następnie z przeciwległej, a kolejne 10 minut trwał pomiar gazu wzorcowego. Pomiar czasami był zakłócany gazami wydostającymi się z wulkanów (Mauna Loa jest aktywnym wulkanem) i innymi lokalnymi zakłóceniami. Pomiary odstające od średniej o 0,5 ppm odrzucano, dla poprawnych obliczano średnie godzinowe. Pomiar uznawano za poprawny jeśli w danej dobie udało się uzyskać niezakłócone pomiary z sześciu kolejnych godzin. W bazach danych gromadzono średnie wartości dzienne stężenia atmosferycznego CO2, oraz prędkość i kierunek wiatru. Stacja w Mauna Loa działa od 1958 roku, a wyniki jej pomiarów znane są pod nazwą krzywa Keelinga (patrz niżej: pomiary bezpośrednie: od 1958-obecnie).

Wyniki pomiarów porównywano ze stężeniami CO2 w innych miejscach globu. W tym celu przewożono do laboratorium próbki powietrza, pobierane w sieci punktów SIO Air Sampling Network:

• Alert, NWT (Kanada)
• Point Barrow (Alaska), od 1974
• La Jolla Pier, (Kalifornia), od 1985
• Baja California Sur (Kalifornia), od 1997
• Cape Kumukahi (Hawaiʻi), od 1979
• Christmas Island (Terytorium Wyspy Bożego Narodzenia), od 1975
• American Samoa (Terytorium Samoa Amerykańskiego)
• Cape Matatula (Tutuila, Samoa)
• Kermadec Islands (grupa wysp wulkanicznych w południowo-zachodniej części Oceanu Spokojnego)
• Baring Head (Wyspa Północna, Nowa Zelandia)
• Biegun południowy (pomiary ciągłe na miejscu w latach 1960 – 1963)

Pomiary dwutlenku węgla w innych placówkach potwierdziły regularne wahania roczne, oraz stały trend pokazywany na krzywej Keelinga.

Charles David Keeling (ur. 20 kwietnia 1928, zm. 20 czerwca 2005)
amerykański klimatolog, doktorant w Northwestern University (Illinois), profesor chemii w kalifornijskim Scripps Institution of Oceanography, na Uniwersytecie w Heidelbergu, oraz Uniwersytecie Berneńskim. Wyniki jego wieloletnich ciągłych pomiarów stężenia dwutlenku węgla w atmosferze ziemskiej, wykonanych od 1958 roku w obserwatorium na Mauna Loa, bywają uznawane za najważniejszy zestaw danych środowiskowych, zebranych w XX wieku. Zbiór jest znany jako tzw. krzywa Keelinga. Keeling zajmował się również tematyką różnorodności biologicznej.

Metody pomiaru

Przed pomiarami Keelinga do pomiaru stężenia dwutlenku węgla stosowano metody chemiczne opierające się o charakterystyczne reakcje chemiczne przeprowadzane przez miareczkowanie, oraz metody manometryczne polegające na pomiarze ciśnienia badanej mieszanki gazów przy obniżaniu jej temperatury. Kondensacja składnika mieszanki powoduje odchylenie przebiegu zależności ciśnienia od temperatury w porównaniu z gazem idealnym.

Metoda stosowana przez Keelinga polega na pomiarze pochłaniania promieniowania podczerwonego przez gaz. Metoda opiera się na założeniu, że wśród składników atmosfery o zmiennej ilości, promieniowanie podczerwone o długości fali w okolicy 10 μm pochłania para wodna i dwutlenek węgla. Po pozbyciu się pary wodnej przez wymrożenie, dwutlenek węgla będzie jedynym składnikiem badanego powietrza, którego zmiany wpływają na pochłanianie promieniowania podczerwonego. W metodzie tej nie rozkłada się badanego promieniowania w widmo, dlatego określana jest ona jako metoda niedyspersyjna.

Obecnie niemal wszystkie pomiary przeprowadza się metodami spektroskopowymi, w których promieniowanie przechodzące przez powietrze rozkłada się na widmo, a o wyniku decyduje analiza pochłaniania lub odbicia promieniowania w wąskich zakresach długości fali. Wśród metod opartych o rozchodzenie się promieniowania w gazie rozróżnia się metody badające gaz w pobliżu czujnika, oraz na ścieżce obejmującej znaczną odległość a nawet wysokość całej atmosfery. Wyniki pomiarów obejmujące słup powietrza na całej wysokość atmosfery oznaczane są jako XCO2.

W celu badania rozprzestrzeniania się CO2, analizuje się także ruch powietrza w miejscu pomiaru.

Różnorodne pomiary stężenia dwutlenku węgla w powietrzu oraz jego źródeł i pochłaniaczy obejmują m.in.:

• monitorowanie stężenia CO2 nad kontynentami i oceanami w sieciach laboratoriów naziemnych
• satelitarne pomiary zawartości CO2 w słupie powietrza nad powierzchnią Ziemi
• oznaczenia wielkości emisji z elektrowni, ciepłowni, elektrociepłowni, cementowni itp. i modelowanie rozprzestrzeniania się emitowanych zanieczyszczeń, badania przebiegu procesów oczyszczania gazów i sekwestracji dwutlenku węgla
• badania emisji związanych z działalnością agrotechniczną i chowem zwierząt w fermach, oraz oszacowania szybkości pochłaniania CO2 przez roślinność, wodę, gleby (naturalna sekwestracja)
• pomiary strumieni uwalnianych z różnych źródeł naturalnych (np. oddychanie, degradacja biomasy, wulkanizm), oraz pochłanianych w wyniku procesów naturalnych (np. wietrzenie skał, rozpuszczanie w wodzie oceanów, asymilacja), w tym pomiary „wymiany netto” w różnego rodzaju ekosystemach, prowadzone z równoczesnym wykorzystaniem pomiarów naziemnych i satelitarnych

Wyniki pomiarów są gromadzone w publicznie dostępnych bazach danych np. IPCC. Zgromadzone dane umożliwiają weryfikację modeli zmian stężenia atmosferycznego dwutlenku węgla, budowania prognoz dotyczących przyrostu CO2 i działania globalnego systemu klimatycznego.

Współcześnie pomiary stężeń oraz przepływów CO2 w atmosferze, oraz między powietrzem a wodą, gruntem oraz roślinnością, są prowadzone w wielu stacjach monitoringu, m.in. zrzeszonych w sieciach międzykontynentalnych, tj. Fluxnet-Canada, AmeriFlux, LBA, CarboeuropeIP, NECC, Carboafrica i in.

Oznaczenia stężenia dwutlenku węgla w troposferze wykonuje się z użyciem urządzeń instalowanych w samolotach. Zbadano m.in. zależność tych stężeń od sezonu i zmian wydajności w rolnictwie, stwierdzając np. że wzrost produkcji kukurydzy, pszenicy, ryżu i soi na półkuli północnej o 240%, który nastąpił w latach 1961–2008, spowodował wyraźne zwiększenie ilości węgla wychwytywanego przez pola uprawne w okresie wegetacyjnym.

Do wyznaczania strumienia wymiany CO2 stosowane są techniki pomiarowe:

• komory zamknięte bez możliwości przepływu powietrza
• komory zamknięte z możliwością przepływu powietrza
• komory otwarte z możliwością przepływu powietrza
• zautomatyzowane systemy komór otwartych z możliwością przepływu powietrza (ang. open-flow method)
• przenośne systemy pomiaru wymiany gazowej CO2, np. typu ACE (ang. Automatic CO2 Exchange System) lub SRS-1000 (przenośny Soil Respiration Systems)

W Polsce zintegrowany monitoring środowiska prowadzi m.in. Stacja Kompleksowego Monitoringu „Puszcza Borecka”, należąca do Instytutu Ochrony Środowiska w Warszawie.

Pomiary satelitarne

Satelitarne pomiary stężeń CO2 rozpoczęto w latach 80. XX wieku z użyciem aparatury zainstalowanej na satelicie pogodowym NOAA-10. Pierwszym satelitą którego jednym z celów był pomiar stężenia gazów cieplarnianych był japoński ADEOS I, wyniesiony na orbitę w 1996 roku. Satelita działał około 9 miesięcy i był wyposażony między innymi w interferometr podczerwieni (Interferometric Monitor for Greenhouse Gases) analizujący światło słoneczne odbite od powierzchni Ziemi. Analizatorem był Interferometr Michelsona. Na podstawie uzyskanych widm określano stężenie CO2, CH4, N2O.

Na początku XXI wieku rozpoczęły swoje misje satelity A-Train, czyli konstelacja satelitów meteorologicznych i środowiskowych, które lecą kolejno jeden za drugim i prowadzą skoordynowane obserwacje tych samych obszarów na powierzchni Ziemi za pomocą różnorodnych instrumentów naukowych. Ich obserwacje pozwalają uzyskać kompleksowy obraz pogody i klimatu na Ziemi.

W 2014 roku został wystrzelony OCO-2 (Orbiting Carbon Observatory-2) wykonujący pomiary z rozdzielczością 1,3 × 2,2 km, odczytujący 3 razy na sekundę obraz widm z 3 spektroskopów, a w styczniu 2009 roku został wyniesiony w przestrzeń kosmiczną japoński Ibuki (GOSAT, Greenhouse Gases Observing Satellite) wyposażony w spektrometry. Jeden z nich do pomiaru w podczerwieni światła słonecznego odbitego od powierzchni, dedykowany do określenia stężenia gazów cieplarnianych takich jak CO2 i CH4. Rozdzielczość aparatury odpowiadała pomiarom w 56 tys. punktach na Ziemi.

W 2019 roku na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej zainstalowano OCO-3, urządzenie które pozwala na celowanie w wybrany punkt i mapowanie obszaru 100×100 km.

W 2022 roku NASA planowała uruchomić GeoCARB, ale ostatecznie ogłosiła odwołanie prac. Geostacjonarne Obserwatorium Cyklu Węglowego (Geostationary Carbon Cycle Observatory, GeoCarb) było misją obserwacyjną Ziemi zaprojektowaną w celu pomiaru obiegu węgla. GeoCarb miał stacjonować nad Ameryką dokonywać obserwacji pomiędzy 50° szerokości geograficznej północnej i południowej. Jego podstawową misją było prowadzenie obserwacji stanu roślinności i stresu, a także obserwacja procesów rządzących wymianą dwutlenku węgla, metanu i tlenku węgla pomiędzy lądem, atmosferą i oceanem.

Przewiduje się, że kolejnych latach pomiary stężenia gazów cieplarnianych będzie wykonywać GOSat-3 (Greenhouse gases Observing SATellite-3, Ibuki 2).

Próby ochrony klimatu

W końcu XX wieku przekonanie o względnej poprawności opracowanych modeli klimatycznych i konieczności ograniczenia emisji dwutlenku węgla stało się niemal powszechne. Próby wprowadzenia ograniczeń emisji podjęto pomimo braku całkowitej zgodności postaw naukowców w sprawie przyczyn ocieplenia, konfliktów interesów między państwami znajdującymi się na różnym poziomie rozwoju i świadomości że osiągnięcie celu będzie trudne i kosztowne.

W 2008 roku James Hansen pisał m.in., że całkowite wycofanie się w ciągu następnych 20–25 lat ze spalania węgla bez sekwestracji CO2 jest zadaniem herkulesowym. Niezbędny wysiłek porównywał do poniesionego w czasie II wojny światowej, zwracając uwagę, że obecnie stawką jest życie na całej planecie.

Kalendarz uzgodnień strategii

• 1972 rok – Konferencja sztokholmska ONZ i UNEP
• 1988 rok- powołanie Międzynarodowego Zespołu ds. Zmian Klimatu (IPCC)
• 1990 rok – publikacja I raportu IPPC – pierwszego międzynarodowego porozumienia w sprawie zmian klimatu (podstawa do negocjacji Ramowej Konwencji ONZ)
• 1992 rok- Szczyt Ziemi 1992 w Rio de Janeiro i podpisanie Ramowej konwencji Narodów Zjednoczonych w sprawie zmian klimatu, która weszła w życie w 1994 roku
• 1995 -1996 rok – Drugi raport IPCC
• od 1995 roku odbywają się coroczne spotkania sygnatariuszy i obserwatorów konwencji – Konferencje stron (Conferences of the Parties, COP), organizowane w czasie kolejnych Konferencji Narodów Zjednoczonych w sprawie zmian klimatu, na których są opracowywane szczegóły dotyczące realizacji wspólnych postanowień oraz plany dalszych działań.
• 1997 rok – Konferencja w Kioto (COP-3), której efektem był Protokół z Kioto (1997), rozwijający konwencję ramową z 1992 roku
• 2015 rok – spotkanie COP-21 w Paryżu i podpisanie Porozumienia Paryskiego, określanego jako pierwsze powszechne i prawnie wiążące światowe porozumienie dotyczące klimatu
• 2001 rok – Trzeci raport IPC
• 2007 rok – Czwarty raport IPCC
• 2014 rok – Piąty raport IPCC
• 2018 rok – Specjalny raport IPCC dotyczący globalnego ocieplenia o 1,5 °C (SR15)
• 2019 roku – Komisja przedstawiała Europejski Zielony Ład, czyli zbiór inicjatyw których nadrzędnym celem jest osiągnięcie neutralności dla klimatu w Europie do 2050 roku.
• 2021 -2022 rok – Szósty raport IPCC

Aktualne pomiary, dane, wykresy i animacje

Obszerne bazy wyników pomiarów są powszechnie dostępne, co umożliwia weryfikowanie opracowywanych modeli zmian klimatu zachodzących pod wpływem zmian emisji dwutlenku węgla. Matematyczne opisy zmian składu atmosfery w tym zmian stężenia CO2, oparte na licznych danych proxy i prawach nauki są podstawą modeli ogólnej cyrkulacji i modeli ziemskiego systemu klimatycznego.

Należy pamiętać, że wiarygodne prognozowanie stężenia dwutlenku węgla w przyszłych dziesięcioleciach i stuleciach utrudnia niepewność dotycząca zmian wpływu antropogenicznego. Zależy on m.in. od szybkości rozwoju demograficznego, zmian potrzeb żywnościowych i energetycznych mieszkańców Ziemi, kierunków, tempa rozwoju energetyki, przemysłu, rolnictwa, hodowli, oraz skali degradacji naturalnych ekosystemów.

Obecny poziom dwutlenku węgla w atmosferze

Najnowszy pomiar: sierpień 2023
420 ppm (parts per million, cząsteczki na milion)

Dane podaje się jako ułamek molowy suchego powietrza, zdefiniowany jako liczba cząsteczek dwutlenku węgla podzielona przez liczbę wszystkich cząsteczek w powietrzu, w tym samego CO2, po usunięciu pary wodnej. Ułamek molowy wyraża się w częściach na milion (ppm).
Przykład: 0,000420 wyraża się jako 420 ppm.

Pomiary bezpośrednie: 1958-obecnie (Krzywa Kellinga)

Krzywa Keelinga to wykres pokazujący zmiany stężenia dwutlenku węgla w atmosferze Ziemi od 1958 roku, kiedy to Charles David Keeling z Instytutu Oceanografii jako pierwszy zaobserwował zmiany stężenia atmosferycznego dwutlenku węgla w obserwatorium na szczycie wulkanu Mauna Loa na Hawajach. Krzywa Keelinga jest jednym z najczęściej przedrukowywanych wykresów przedstawianych w debacie na temat zmian klimatu.
Dane pokazują systematyczny wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze od ok. 315 ppm w 1958 roku, do ok. 420 ppm w 2023 roku. Wykres Keelinga pokazuje także cykliczne zmiany o ok. 5 ppm w ciągu każdego roku, związane ze zmianą aktywności roślinności. Na półkuli północnej jest więcej lądów niż na półkuli południowej, dlatego jest tam też więcej roślinności (pomijając fitoplankton). Poziom dwutlenku węgla zaczyna zmniejszać się, gdy na półkuli północnej trwa wiosna. Rośliny wówczas intensywnie rosną, pobierając dwutlenek węgla z otoczenia i zużywając go w procesie fotosyntezy. Stężenie dwutlenku węgla wzrasta ponownie jesienią, kiedy na półkuli północnej kończy się okres wegetacyjny i zużywa się dużo opału do ogrzewania.

Dane dotyczące dwutlenku węgla na Mauna Loa stanowią najdłuższy zapis bezpośrednich pomiarów CO2 w atmosferze. Dane są uzyskiwane z wysokości 3400 m w północnych obszarach subtropikalnych i mogą różnić się od średniego globalnego stężenia CO2 na powierzchni.

źródło danych i dodatkowe informacje:
Global Monitoring Laboratory NOAA Trends in Atmospheric Carbon Dioxide, gml.noaa.gov

Sezonowe wahania dwutlenku węgla w atmosferze

Bliższe spojrzenie na pomiary dwutlenku węgla mierzone w Obserwatorium Mauna Loa na Hawajach pokazuje serię wahań danych. Chociaż całkowity poziom CO2 rośnie z roku na rok, w ramach szerszego trendu widoczny jest również cykl krótkoterminowy. Coroczny wzrost i spadek poziomu dwutlenku węgla jest spowodowany sezonowymi cyklami fotosyntezy na masową skalę. Wiosną na półkuli północnej rośliny ożywają i pobierają CO2, aby napędzać swój wzrost. Rozpoczyna to proces zmniejszania ilości dwutlenku węgla w atmosferze. Jesienią na półkuli północnej wzrost roślin zatrzymuje się lub zwalnia, a cały proces się odwraca. Duża część materii roślinnej rozkłada się, uwalniając CO2 z powrotem do atmosfery. Podobny, ale mniej intensywny cykl powtarza się na półkuli południowej w przeciwnych porach roku. Wiosenny wzrost rozpoczyna się we wrześniu, a zimowy rozkład rozpoczyna się w marcu, więc dane dotyczące dwutlenku węgla na półkuli południowej pokazują odwrotny wzór do obserwowanego na Mauna Loa. Ponieważ na półkuli północnej jest znacznie więcej ziemi i roślinności niż na półkuli południowej, globalny cykl sezonowy jest bardziej zgodny z wzorcem północnym. Ten cykl wzrostów i rozkładu roślin sprawia, że ​​wykres CO2 ma charakter piłokształtny, obejmujący wzrost i spadek z roku na rok.
W większej skali wspinanie się w górę linii trendu na przestrzeni dziesięcioleci jest spowodowane emisją dwutlenku węgla pochodzącą głównie ze spalania paliw kopalnych. Zatem dane ilustrują zarówno czynniki naturalne, jak i dodatek CO2 przez człowieka.

źródło danych:
NOAA Global Monitoring Laboratory

W powyższej animacji instrumenty NASA pokazują sezonowy cykl wegetacyjny i stężenie dwutlenku węgla w atmosferze. Animacja rozpoczyna się 1 stycznia, kiedy na półkuli północnej panuje zima, a na półkuli południowej lato. O tej porze roku większość żywej roślinności, pokazanej na zielono, znajduje się wokół równika i poniżej niego, na półkuli południowej. W miarę odtwarzania animacji, do połowy kwietnia stężenie CO2 pokazane w kolorze pomarańczowo-żółtym w środkowej części najniższej warstwy atmosfery Ziemi (troposferze) wzrasta i rozprzestrzenia się na półkuli północnej, osiągając maksimum około maja. Ten efekt wzrostu dwutlenku węgla następuje po sezonowych zmianach zachodzących w ekosystemach północnych szerokości geograficznych, w których drzewa liściaste tracą liście, co skutkuje uwolnieniem netto CO2 w procesie zwanym oddychaniem. Dwutlenek węgla jest również uwalniany wczesną wiosną, gdy gleba zaczyna się nagrzewać. Każdego roku przez glebę przechodzi prawie 10% atmosferycznego CO2.
W kwietniu na półkuli północnej rozpoczyna się wiosna, rośliny zaczynają rosnąć, osiągając szczyt późnym latem. Proces fotosyntezy roślin usuwa dwutlenek węgla z powietrza. Animacja pokazuje, jak CO2 jest usuwany z atmosfery przez dużą ilość wzrastającej roślinności. Po osiągnięciu szczytu wegetacji widoczne staje się zmniejszenie zawartości dwutlenku węgla w atmosferze w wyniku fotosyntezy, szczególnie w lasach borealnych.Należy zauważyć, że między stanem roślinności na powierzchni Ziemi a jego wpływem na dwutlenek węgla w środkowej troposferze występuje mniej więcej trzymiesięczne opóźnienie.

źródło danych
NASA/JPL AIRS Project, NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio
Watching Earth Breathe: The Seasonal Vegetation Cycle and Atmospheric Carbon Dioxide, airs.jpl.nasa.gov

Pomiary proxy (pośrednie)

Wykres przedstawia poziomy dwutlenku węgla (podczas trzech ostatnich cykli lodowcowych na Ziemi) wychwytywane przez pęcherzyki powietrza uwięzione w pokrywach lodowych i lodowcach. Dane z rdzeni lodowych ujawniły, że obecnie obserwowane koncentracje przewyższają stężenia CO2 z ostatnich 800 tys. lat. Okresu których maksima szacowane są na ok. 300 ppm, a obieg węgla w atmosferze był w pobliżu warunków równowagi. Wraz z początkiem industrializacji w XIX wieku wzrosła zawartość dwutlenku węgla w atmosferze. Obecna koncentracja jest prawdopodobnie najwyższa od 15 do 20 mln. lat.

źródło danych:
Rekonstrukcja na podstawie rdzeni lodowych.
NOAA

Szeregi czasowe: 2022-2022 (październik)

Animowana mapa pokazuje globalny rozkład i zmienność stężenia dwutlenku węgla obserwowane przez sondę AIRS NASA Aqua na przestrzeni 20 lat. Pomiary te pochodzą ze środkowej troposfery (warstwy atmosfery ziemskiej znajdującej się od 8 do 12 kilometrów nad ziemią). Kolory zmieniają się wraz ze wzrostem ilości CO2 z 365 ppm w 2002 roku, do 420 ppm obecnie.
Analizując dane można zauważyć ciągły wzrost zawartości dwutlenku węgla w czasie, co widać w zmianie koloru mapy z jasnożółtego na czerwony. Inną cechą jest sezonowa zmienność CO2 na półkuli północnej, która jest regulowana przez cykl wzrostu roślin. Można to postrzegać jako pulsowanie kolorów, z przesunięciem w stronę kolorów jaśniejszych rozpoczynających się w kwietniu/maju każdego roku i przesunięciem w kierunku czerwieni, gdy koniec sezonu wegetacyjnego zapowiada zimę. Cykl sezonowy jest bardziej wyraźny na półkuli północnej niż na półkuli południowej,
Dane te zapewniają wgląd w znaczny wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze, podkreślając wpływ działalności człowieka na klimat Ziemi.

źródło danych i dodatkowe informacje:
20 years of AIRS Global Carbon Dioxide (CO₂) measurements (2002-October 2022), Scientific Visualization Studio, @ NASA

Całkowita emisja dwutlenku węgla rocznie (MtCO 2/dzień) – Carbon Monitor

Carbon Monitor to międzynarodowa inicjatywa dostarczająca dane dotyczące dziennej emisji CO2. Dzienne emisje CO2 szacuje się na podstawie różnorodnego zakresu danych dotyczących działalności, w tym: danych dotyczących godzinowej i dziennej produkcji energii elektrycznej w 29 krajach, miesięcznych danych dotyczących produkcji i wskaźników produkcji procesów przemysłowych w 62 krajach/regionach, dziennych danych dotyczących mobilności i wskaźników mobilności w transporcie drogowym z 416 miast na całym świecie. Do szacunków sektora lotnictwa i transportu morskiego wykorzystano dane dotyczące lokalizacji poszczególnych lotów oraz dane miesięczne. Ponadto do oszacowania emisji z budynków komercyjnych i mieszkalnych wykorzystano dane dotyczące miesięcznego zużycia paliwa skorygowane o dzienną temperaturę powietrza w 206 krajach.

Dane Carbon Monitor pokazują dynamiczny charakter emisji CO2 poprzez wahania dzienne, tygodniowe i sezonowe, na które wpływają dni robocze i święta, a także rozwijające się skutki pandemii Covid-19. Carbon Monitor pokazuje 7,8% spadek emisji dwutlenku węgla na całym świecie od 1 stycznia do 30 kwietnia 2020 roku w porównaniu z tym samym okresem 2019 roku, oraz pokazuje ponowny wzrost emisji CO2 do końca kwietnia, głównie związany z ożywieniem działalności gospodarczej w Chinach, oraz częściowe złagodzenie obostrzeń w innych krajach.

źródło danych i dodatkowe informacje:
Carbon Monitor, carbonmonitor.org
Global Carbon Atlas, globalcarbonatlas.org – globalne i krajowe emisje CO2 wynikające z działalności człowieka

Misje NASA obserwujące stężenie dwutlenku węgla w atmosferze:
Atmospheric Infrared Sounder (AIRS)
Orbiting Carbon Observatory (OCO-2)
Orbiting Carbon Observatory (OCO-3)

Globalny budżet węglowy (emisji dwutlenku węgla)

Wyróżnia się szybki cykl węglowy i wolny cykl węglowy. Szybki cykl węglowy odnosi się do przemieszczania się węgla między środowiskiem a żywymi organizmami w biosferze, podczas gdy wolny cykl węglowy obejmuje ruch węgla między atmosferą, oceanami, glebą, skałami i wulkanizmem. Oba cykle węglowe są ze sobą ściśle powiązane, a przepływ węgla w postaci gazowego dwutlenek węgla przez atmosferę jest elementem cyklu.

Ilość przepływającego węgla do i z atmosfery szacuje się w zależności od rozpatrywanego przepływu. Emisje pochodzące ze spalania paliw kopalnych (EFF) określa się na podstawie statystyk wydobycia i zużycia kopalin. Emisje wynikające z użytkowania gruntów i zmiany użytkowania gruntów (ELUC), określa się na podstawie modeli uwzględniających wylesiania, użytkowanie gruntów produkcji rolnej i pod zabudowę. Pochłanianie CO2 w oceanie (SOCEAN) i na lądzie (SLAND) są szacowane na podstawie modeli globalnych procesów z uwzględnieniem obserwacji, w tym np. satelitarnych stężenia dwutlenku węgla w atmosferze, oraz zazielenienia powierzchni.

źródło danych i dodatkowe informacje:
Dwutlenek węgla w atmosferze Ziemi, autorzy, licencja CC BY SA 4.0

Opisany powyżej budżet węglowy odnosi się do budżetu wszystkich emisji i pochłaniania CO2, które są bezpośrednim lub pośrednim skutkiem działalności człowieka. Największym składnikiem tych zaburzeń ludzkich są emisje ze spalania paliw kopalnych (węgla, ropy i gazu), które stanowią prawie 90% wszystkich emisji CO2 i obejmują niewielki składnik powstający przy produkcji cementu. Pozostała część emisji wynika ze zmiany sposobu użytkowania gruntów (np. wylesiania).
Na szczęście dla nas, z całego CO2 emitowanego do atmosfery, tylko około połowa pozostaje w atmosferze, co prowadzi do zmian klimatycznych, a druga połowa jest usuwana przez pochłaniacze CO2 na lądzie (pobieranie przez roślinność w procesie fotosyntezy) i oceany (w drodze dyfuzji). W ten sposób wpływ na zmianę klimatu jest tylko o połowę mniejszy niż byłby, gdyby nie pomoc naturalnych pochłaniaczy CO2. Dlatego tak ważne jest, abyśmy monitorowali, rozumieli i przewidywali ewolucję pochłaniaczy CO2, abyśmy wiedzieli, jak szybko i w jakim stopniu nastąpi zmiana klimatu.

Szacowanie budżetu węglowego:
W ramach projektu Global Carbon Project utworzono konsorcjum ponad 50 instytucji badawczych na całym świecie w celu gromadzenia obserwacji, statystyk i uruchamiania globalnych modeli w celu corocznej aktualizacji i ulepszania budżetu emisji dwutlenku węgla. Wymaga to gromadzenia krajowych i światowych statystyk dotyczących zużycia energii, produkcji przemysłowej, zmian w użytkowaniu gruntów, rozprzestrzeniania się pożarów, stężeń CO2 w atmosferze i oceanach, oraz dużej ilości danych klimatycznych, aby móc uruchomić dziesiątki modeli w celu niezależnego oszacowania każdego z głównych źródeł i pochłaniaczy CO2.

Niepewności:
Nie wszystkie strumienie CO2 są równie dobrze znane i chociaż najlepiej znane są globalne sumy, próby zrozumienia regionalnego udziału każdego strumienia pozostają niepewne. Dbrze znamy emisję paliw kopalnych aż do poziomu krajowego. Najbardziej niepewne są strumienie CO2 wynikające ze zmiany sposobu użytkowania gruntów, dlatego naukowcy dokładają wszelkich starań, aby je poprawić. Istnieje również zmienność tych strumieni w skali rocznej i dekadowej, dla której rozumiemy niektóre z tych czynników, ale nie wszystkie. Trendy długoterminowe są lepiej znane i stanowią najważniejsze trendy w zrozumieniu i przewidywaniu zmian klimatycznych.

źródło danych i dodatkowe informacje:
Data source: Friedlingstein et al. 2022 Global Carbon Budget 2022. Earth System Science Data
Global Carbon Budget, globalcarbonatlas.org

Globalny budżet emisji węgla dla cyklu wodnego ląd-ocean (LOAC)

Powyżej przedstawiono nową ocenę globalnego budżetu emisji węgla (C) dla cyklu wodnego z lądu do oceanu (LOAC) powstałego w wyniku emisji i pochłaniania zarówno naturalnych jak i powodowanych przez człowieka. LOAC koncentruje się na wkładzie wód śródlądowych (strumieni, rzek i terenów zalewowych, jezior i zbiorników wodnych), oraz przybrzeżnych (ujścia rzek, bagna i lasy namorzynowe, szelfy) w globalnym budżecie węgla. Ocena jest efektem współpracy instytutów badawczych uczestniczących w projekcie H2020 C-CASCADES i Global Carbon Project .

Budżet LOAC C:
Obejmuje wymywanie C z ekosystemów lądowych do wód śródlądowych, sekwestrację C wzdłuż LOAC, głównie w osadach, reemisję C z powrotem do atmosfery i eksport do otwartego oceanu. W szczególności strumień CO2 przez granicę faz powietrze-woda jest wynikiem złożonego następstwa źródeł i pochłaniaczy. Ostatecznie w ogólnym budżecie dominują emisje do wód śródlądowych, które są jedynie częściowo kompensowane przez zatrzymywanie roślin wodnych i absorpcję przez oceany przybrzeżne. Podział tych strumieni pomiędzy wpływy naturalne i spowodowane działalnością człowieka nie jest obecnie zbyt dobrze poznany.

Znaczenie:
Najnowszy raport Międzyrządowego Zespołu ds. Oceny Zmian Klimatu (5. AR IPCC) uwzględnia transport węgla (C) przez LOAC jako kluczowy element globalnego cyklu C. Jednakże nadal istnieje duża niepewność co do ilościowego wkładu LOAC w globalne emisje CO2, a zwłaszcza w odniesieniu do jego ewolucji od ery przemysłowej w wyniku różnorodnych czynników ludzkich (użytkowanie gruntów i zmiany klimatyczne, gospodarka wodna oraz rolnictwo, bytowość i przemysł). Zrozumienie dynamiki globalnego budżetu LOAC C i przypisanie zmian różnym źródłom ma kluczowe znaczenie dla śledzenia zmian klimatycznych i opcji łagodzenia, aby zapobiec dalszemu globalnemu ociepleniu.

Szacowanie budżetu LOAC C:
Budżet CO2 LOAC szacowany jest na 5 kontynentach dla 3 kategorii źródeł przy użyciu metod „oddolnych” (BU). Dostępny jest także wybrany zestaw emisji dla poszczególnych krajów. BU wykorzystuje różnorodne zbiory danych, metody oparte na obserwacjach i modele biogeochemii oparte na procesach.

źródło danych i dodatkowe informacje:
C-CASCADES – Carbon Cascades from Land to Ocean in the Anthropocene, c-cascades.ulb.ac.be
Hastie et al. (2018), Lauerwald et al. (2015), Laruelle et al. (2013), Raymond et al. (2013), and Regnier et al. (2013)
Lakes & Rivers Carbon Budget, globalcarbonatlas.org

dodatkowe informacje
global Carbon Atlas, globalcarbonatlas.org
NASA’s Climate Kids: Why is Carbon Important? – NASA o klimacie dla dzieci

Miejskie emisje CO2

Miasta na całym świecie skupiają populację, zużycie energii i wyniki gospodarcze. Miasta są zatem gorącymi punktami globalnego cyklu węglowego charakteryzującymi się znaczną emisją dwutlenku węgla z paliw kopalnych, wynikającą ze zużycia energii elektrycznej, transportu naziemnego, oraz budynków mieszkalnych i komercyjnych. Co więcej, w wielu regionach wokół miast i w ich obrębie rozwinęła się działalność przemysłowa która również przyczynia się do emisji dwutlenku węgla. Globalna emisja CO2 związana z energią miejską waha się od 8,8 do 14,3 Gt CO2 rocznie, co stanowi od 53% do 87% emisji CO2 z globalnego końcowego zużycia energii.
Coraz większa część światowej populacji mieszka w miasta a ten trend urbanizacyjny (szczególnie wyraźny w krajach rozwijających się) przyczyni się do wzrostu emisji dwutlenku węgla w nadchodzących dziesięcioleciach. Miasta oferują wyjątkowe możliwości ograniczenia zużycia paliw kopalnych poprzez zarządzanie energią w domach, firmach, infrastrukturze i gałęziach przemysłu zlokalizowanych na obszarach miejskich. Planowanie, technologie i zmiany zachowań mają kluczowe znaczenie dla łagodzenia skutków w miastach. Dlatego też miasta są kluczowymi obszarami, na których należy się skupić, aby zmniejszyć globalną emisję CO2 w ramach realizacji celów Porozumienia Paryskiego w sprawie klimatu.

Cechy emisji miejskich:
Emisje dwutlenku węgla różnią się pomiędzy miastami nawet w tym samym kraju, a różnice te opierają się na czynnikach społeczno-ekonomicznych, takich jak dostęp do energii, ukształtowanie urbanistyczne, warunki klimatyczne wpływające na ogrzewanie zimą i zużycie energii elektrycznej na klimatyzację latem. Dane łączące miejskie emisje CO2 i ich czynniki są ważnym przedmiotem zainteresowania Global Carbon Project WEO 2008, Dhakal 2010, Grubler i in. 2012, Seto i in. 2014, Creutzig i in. 2016, IEA 2016, Chen 2017

Zestaw danych dotyczących emisji miejskich:
Zbiór danych zawiera emisje z zakresu 1 w każdym mieście, które obejmują emisje z transportu, przemysłu, odpadów i lokalnych elektrowni w granicach miasta. Emisje z zakresu 2 (jeśli są dostępne) obejmują energię dostarczaną z sieci, zużywaną przez miasta i wytwarzaną przez elektrownie znajdujące się poza granicami miast.

Zbiór danych pomocniczych, które potencjalnie mają bezpośredni lub pośredni wpływ na emisję CO2, zebrano z innych zbiorów danych (np. wskaźników społeczno-ekonomicznych i ruchu drogowego) lub obliczono (wskaźniki klimatyczne, rozwój obszarów miejskich), a następnie połączono z danymi dotyczącymi emisji.

Niepewności:
Ilościowe określenie niepewności w zbiorze danych dotyczących emisji miejskich nie jest całkowicie wykonalne ze względu na nieznane niepewności pochodzące z danych zgłaszanych samodzielnie, opartych na różnych metodach inwentaryzacji i według różnych protokołów. Pełna identyfikowalność oryginalnych danych wykorzystywanych w inwentaryzacji emisji w każdym mieście często nie jest możliwa, a dane dotyczące emisji CO2 na poziomie miasta i kierowców nie zawsze są spójne w przestrzeni i czasie. Co więcej, zakres gazów i sektorów objętych zbiorami danych jest często nierówny i nie zawsze ujawniany, a dane dotyczące działalności mogły zostać pomniejszone w stosunku do danych krajowych, gdy dane dotyczące działalności lokalnej były niedostępne.

źródło danych i dodatkowe informacje:
Naukowcy z Global Carbon Project we współpracy z organizacjami międzynarodowymi kierującymi wysiłkami społeczności globalnej na rzecz gromadzenia danych dotyczących inwentaryzacji emisji opracowali globalny zbiór danych na temat emisji CO2 dla 343 miast. W ramach projektu Carbon Disclosure Project (CDP) dostarczono dane dotyczące emisji dla 187 miast na całym świecie (kilka w krajach rozwijających się), Bonn Center for Local Climate Action and Reporting (Carbonn) dostarczyło dane dla 73 miast na całym świecie (głównie w krajach rozwijających się), Uniwersytet w Pekinie zebrał listę 83 chińskich miast. Większość (88%) tych miast odnotowała emisję w latach 2010–2015.
City Emissions, globalcarbonatlas.org

źródło:
A-Train, autorzy, licencja CC BY SA 4.0
C-CASCADES – Carbon Cascades from Land to Ocean in the Anthropocene, c-cascades.ulb.ac.be
Carbon Dioxide, climate.nasa.gov
Carbon Monitor, carbonmonitor.org
Charles David Keeling, autorzy, licencja CC BY SA 4.0
City Emissions, globalcarbonatlas.org
Data source: Friedlingstein et al. 2022 Global Carbon Budget 2022. Earth System Science Data
Dwutlenek węgla, autorzy, licencja licencja CC BY SA 4.0
Dwutlenek węgla w atmosferze Ziemi, autorzy, licencja CC BY SA 4.0
Efekt cieplarniany, autorzy, licencja licencja CC BY SA 4.0
Global Carbon Budget, globalcarbonatlas.org
Global Monitoring Laboratory NOAA Trends in Atmospheric Carbon Dioxide, gml.noaa.gov
Hastie et al. (2018), Lauerwald et al. (2015), Laruelle et al. (2013), Raymond et al. (2013), and Regnier et al. (2013)
Krzywa Keelinga, autorzy, licencja CC BY SA 4.0
Mit: Nie ma empirycznych dowodów na globalne ocieplenie, skepticalscience.com
Watching Earth Breathe: The Seasonal Vegetation Cycle and Atmospheric Carbon Dioxide, airs.jpl.nasa.gov
20 years of AIRS Global Carbon Dioxide (CO₂) measurements (2002-October 2022), Scientific Visualization Studio, @ NASA

Zmiany klimatu – dodatkowe informacje:
carbon offset, dekarbonizacja, denializm klimatyczny (zaprzeczanie globalnemu ociepleniu), fakty i mity klimatyczne, handel emisjami CO2, hipoteza pistoletu metanowego, naturalna zmienność klimatu, neutralność klimatyczna, neutralność węglowa, odnawialne źródła energii, rekompensata węglowa, sekwestracja CO2, ślad ekologiczny, ślad węglowy, ślad wodny, węglowy rezerwuar, zrównoważony rozwój

efekt cieplarniany, gazy cieplarniane, globalne ocieplenie
dwutlenek węgla, freony (chlorofluorowęglowodory CFC), metan, ozon, podtlenek azotu

międzynarodowe organizacje, petycje, protokoły, umowy:
Europejski System Handlu Emisjami (EU ETS), Europejski Zielony Ład, Konferencje Stron COP (Conferences of the Parties), Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu (Intergovernmental Panel on Climate Change IPCC), Petycja Oregońska, Porozumienie Paryskie, Protokół z Kioto, Ramowa konwencja Narodów Zjednoczonych w sprawie zmian klimatu (United Nations Framework Convention on Climate Change – UNFCCC, FCCC)

zagrożenia ekologiczne związane z zmianami klimatu:
blaknięcie (bielenie) raf koralowych, El Niño, ekstremalne zjawiska, gatunki zagrożone wyginięciem, geoinżynieria klimatu, gwałtowne zmiany pogody, huragany, kwaśny deszcz, La Niña, miejska wyspa ciepła, migracje gatunków, migracja ludności, ocieplenie oceanu, odtlenienie oceanu, osuwiska i tsunami, otwarcie nowych szlaków handlowych, paliwa kopalne, podtopienia, powodzie, punkty krytyczne w ziemskim systemie klimatycznym, pustynnienie, redukcja morskiej pokrywy lodowej (zmniejszenie zasięgu i frekwencji lodu morskiego), sprzężenia zwrotne w ziemskim systemie klimatycznym, straty ekonomiczne, susza, topnienie lodowców i lądolodów, topnienie lodu morskiego, topnienie wiecznej zmarzliny, ubożenie (utrata) różnorodności biologicznej, wydłużony okres wegetacyjny roślin, wylesianie (deforestacja), wymieranie gatunków, wzrost poziomu mórz i oceanów, wzrost śmiertelności, zakwaszenie wód (rzek, jezior, mórz i oceanów), zmniejszony dopływ słodkiej wody, zanieczyszczenie powietrza, zanieczyszczenie środowiska, zmiana (modyfikacja) cyrkulacji atmosferycznej, zmiana cyrkulacji termohalinowej (zaburzenie cyrkulacji oceanicznej), zwiększenie produkcji rolnej, zwiększenie powierzchni tundry w Arktyce, zwiększony zasięg występowania wektorów przenoszących zakaźne drobnoustroje (rozprzestrzenianie się chorób)

Zagrożenia ekologiczne – dodatkowe informacje:

definicje, teorie, hipotezy, zjawiska:
antropocen, bezpieczeństwo ekologiczne, biologiczny potencjał Ziemi do regeneracji (biocapacity), ekobójstwo (ekocyd), ekoterroryzm, globalne zagrożenia ekologiczne, granice planetarne, hipoteza wypadających nitów (rivet popping), katastrofy i klęski ekologiczne, katastrofy ekologiczne na świecie, klęski żywiołowe, masowe wymieranie, monokultura, komodyfikacja żywności (utowarowanie), plastisfera (plastisphere), przeludnienie, syndrom przesuwającego sią punktu odniesienia, szóste masowe wymieranie (szósta katastrofa), tragedia wspólnego pastwiska, utrata bioróżnorodności, zielony anarchizm, zjawisko przedniej szyby

degradacja środowiska:
akwakultura, betonoza (betonowanie miast), choroby odzwierzęce, górnictwo morskie, hodowla zwierząt, melioracja, monokultura, niszczenie siedlisk, przełownie, przemysł wydobywczy, przyłów, rolnictwo, spadek liczebności owadów, turystyka masowa, wylesianie (deforestacja), wypalanie traw

ozon i ozonosfera (warstwa ozonowa):
dziura ozonowa, freon (CFC)

zanieczyszczenie środowiska:
bisfenol A (BPA), eutrofizacja, farmaceutyki, handel emisjami zanieczyszczeń, kwaśny deszcz, mikroplastik, martwe strefy, nanoplastik, neonikotynoidy, odpady niebezpieczne, pestycydy, polichlorowane bifenyle (PCB), przemysł tekstylny. sieci widma, sinice, składowiska odpadów (wysypiska śmieci), smog, sztuczne ognie (fajerwerki, petardy), tworzywa sztuczne (plastik), Wielka Pacyficzna Plama Śmieci, wycieki ropy naftowej, zakwaszenie wód (rzek, jezior, mórz i oceanów), zanieczyszczenie gleby, zanieczyszczenie hałasem, zanieczyszczenie powietrza, zanieczyszczenie światłem, zanieczyszczenie wody

zmiany klimatu (kryzys klimatyczny):
blaknięcie (bielenie) raf koralowych, denializm klimatyczny (zaprzeczanie globalnemu ociepleniu), efekt cieplarniany, ekstremalne zjawiska, gazy cieplarniane, globalne ocieplenie, kryzys wodny, miejska wyspa ciepła (MWC), migracje gatunków, nawałnice, ocieplenie oceanu, wzrost poziomu mórz i oceanów, podtopienie, powódź, pożar lasu, przyducha, pustynnienie, susza, topnienie lodowców i lądolodów, topnienie lodu morskiego, trąba powietrzna, upał

klęski i katastrofy ekologiczne:
katastrofy jądrowe (nuklearne), katastrofy przemysłowe, największe katastrofy ekologiczne na świecie, największe katastrofy ekologiczne w Polsce, wycieki ropy naftowej

Czerwona księga gatunków zagrożonych, Czerwona Lista IUCN (The IUCN Red List):
gatunek wymarły (extinct EX), gatunek wymarły na wolności (extinct in the wild EW), gatunek krytycznie zagrożony (critically endangered CR), gatunek zagrożony (endangered EN), gatunek narażony gatunek wysokiego ryzyka (vulnerable VU), gatunek bliski zagrożenia (near threatened NT), gatunek najmniejszej troski (least concern LC)
Polska czerwona księga roślin, Polska czerwona księga zwierząt
gatunek inwazyjny (inwazyjny gatunek obcy IGO)

Poruszający i inspirujący do działania apel Davida Attenborough

Wiedza ekologiczna – dodatkowe informacje:
aforyzmy ekologiczne, biblioteka ekologa, biblioteka młodego ekologa, ekoprognoza, encyklopedia ekologiczna, hasła ekologiczne, hasztagi (hashtagi) ekologiczne, kalendarium wydarzeń ekologicznych, kalendarz ekologiczny, klęski i katastrofy ekologiczne, największe katastrofy ekologiczne na świecie, międzynarodowe organizacje ekologiczne, podcasty ekologiczne, poradniki ekologiczne, (nie) tęgie głowy czy też (nie) najtęższe umysły, znaki i oznaczenia ekologiczne

Dziękuję, że przeczytałaś/eś powyższe informacje do końca. Jeśli cenisz sobie zamieszczane przez portal treści zapraszam do wsparcia serwisu poprzez Patronite.

Możesz również wypić ze mną wirtualną kawę! Dorzucasz się w ten sposób do kosztów prowadzenia portalu, a co ważniejsze, dajesz mi sygnał do dalszego działania. Nad każdym artykułem pracuję zwykle do późna, więc dobra, mocna kawa wcale nie jest taka zła ;-)

Zapisz się na Newsletter i otrzymuj email z ekowiadomościami. Dodatkowo dostaniesz dostęp do specjalnego działu na stronie portalu, gdzie pojawiają się darmowe materiały do pobrania i wykorzystania. Poradniki i przewodniki, praktyczne zestawienia, podsumowania, wzory, karty prac, checklisty i ściągi. Wszystko czego potrzebujesz do skutecznej i zielonej rewolucji w twoim życiu. Zapisz się do Newslettera i zacznij zmieniać świat na lepsze.

Chcesz podzielić się ciekawym newsem lub zaproponować temat? Skontaktuj się pisząc maila na adres: informacje@wlaczoszczedzanie.pl

Więcej ciekawych informacji znajdziesz na stronie głównej portalu Włącz oszczędzanie