Magyar Tudomány, 2008/11 1359. o.

Tanulmány


EGY ADATSOR,

AMELY MEGVÁLTOZTATTA A VILÁGOT


Haszpra László


az MTA doktora,

Országos Meteorológiai Szolgálat

haszpra . l met . hu


Ötven éve, 1958 márciusában kezdõdtek azok a folyamatos, nagypontosságú légköri szén-dioxid-koncentráció mérések, amelyek bebizonyították, hogy a fosszilis tüzelõanyagok elégetése és az erdõirtások során keletkezõ szén-dioxid a légkörben felhalmozódik, és az erõsödõ üvegházhatás miatt globális éghajlatváltozással fenyeget. Az adatsor által tükrözött folyamat megkerülhetetlen kérdéseket vetett fel a természettudományok széles spektruma mellett a gazdaság- és társadalomtudományok számára is. A potenciális következmények döntéskényszerbe hozták a politikusokat, a gazdasági élet szereplõit. A tengerszint-emelkedést, árvizeket, gyilkos hõhullámokat és egyéb szélsõséges idõjárási eseményeket elszenvedõ, a gleccserek és a sarki jégmezõk zsugorodásával, az éghajlatváltozás keltette népvándorlás veszélyével szembesülõ emberiség egésze ráébredni kényszerül, hogy eddigi életmódja fenntarthatatlan.

•

A 18. században a síküveg egyre elterjedtebb használata ahhoz a tapasztalathoz vezetett, hogy az üvegablakokon keresztül benapozott, egyébként fûtetlen helyiségben, hintóban magasabb lehet a hõmérséklet, mint a szabadban. A meteorológiával kapcsolatos tevékenységérõl is ismert Horace-Bénédict de Saussure svájci fizikus, geológus 1767-ben kezdett kísérletei során egymásba zárt üvegtetejû dobozokat tett ki a napsütésre, és így a legbelsõ dobozban a víz forráspontját meghaladó hõmérsékletet is el tudott érni (Cleveland – Lawrence, 2006). Saussure kísérletére is hivatkozott Jean Baptiste Fourier francia matematikus, fizikus, amikor 1824-ben a Föld hõmérsékletével foglalkozva feltételezte, hogy a légkör „lassítja” a hõ távozását a felszínrõl, így melegebben tartja a bolygót annál, mint amilyen légkör nélkül lenne (Fourier, 1827). A légkör mint az üvegtetõ Saussure dobozain… Ebbõl a felismerésbõl született utóbb a ma használt légköri üvegházhatás kifejezés.

Fourier hipotézisét 1860-ban John Tydall angol fizikus támasztotta alá mérésekkel, aki megállapította, hogy a légkörben lévõ vízgõz és szén-dioxid (CO2) elnyeli a felszín infravörös tartományba esõ kisugárzását. A légkör által elnyelt és részben visszasugárzott energia pedig melegebben tartja a Föld felszínét, mint az a közvetlenül elnyelt napsugárzásból következne. Napjainkban mintegy 33 fokos felszíni hõmérsékleti többletet köszönhetünk a légköri üvegházhatásnak. A vízgõz és a szén-dioxid légköri mennyisége tehát alapvetõen befolyásolja a Föld éghajlatát.

John Tyndall, Claude Servais Mathias Pouillet és Samuel Pierpont Langley méréseire alapozva Svante Arrhenius svéd kémikus a jégkorszakok okát kutatva 1896-ban megjelent munkájában (Arrhenius, 1896) egyszerû számításokkal igazolta, hogy a légköri szén-dioxid-tartalom esetleges csökkenése eljegesedést, növekedése pedig felmelegedést válthat ki. Bár Arvid Högbom számításaiból Arrhenius tudta, hogy a széntüzelés révén nagymennyiségû szén-dioxid jut a légkörbe, az esetleges globális felmelegedést a távoli jövõ problémájának tartotta, és így részletesebben nem foglalkozott vele. Osztotta azt a véleményt, hogy a geokémiai folyamatok révén történõ szén-dioxid-kivonás (kémiai mállás, beoldódás az óceánokba) nagyrészt ellensúlyozza az emberi eredetû kibocsátást.

Mivel az óceánok közel két nagyságrenddel több szén-dioxidot tartalmaznak, mint a légkör, és oldatként egyensúlyt tartanak a légköri szén-dioxid-tartalommal, évtizedeken keresztül senki nem kételkedett komolyan abban, hogy az óceánok képesek megkötni az ember által kibocsátott, relatív értelemben csekély szén-dioxid-mennyiség döntõ részét. Egy fontos tényezõrõl a 20. század elsõ felének kutatói azonban rendre megfeledkeztek: az idõrõl. A légkörbe kerülõ szén-dioxid óceánokba való elnyelõdéséhez idõ kell. Ha a kibocsátás üteme számottevõen gyorsabb, mint az elnyelõdésé, akkor az egyensúlyinál lényegesen magasabb légköri koncentráció alakulhat ki, gyors ütemben erõsítve a légköri üvegházhatást. A bekövetkezõ irreverzibilis változások miatt az egyensúly késõbbi esetleges kialakulásakor nem ugyanazokkal az állapotokkal fogunk találkozni, mint ha ugyanaz a szén-dioxid-mennyiség folyamatos légkör–óceán (kvázi)egyensúlyi feltételek mellett került volna a légkörbe.

A légköri szén-dioxid az óceánok felszíni rétegébe oldódhat be, és a szén-dioxid-felvétel ütemét a kémiai folyamatok sebességén túlmenõen alapvetõen az határozza meg, hogy ez a légkörrel folyamatosan egyensúlyban lévõ vékony felszíni réteg milyen ütemben cserélõdik ki a mélységi víztömeggel. Más szavakkal: milyen ütemben cserélõdik ki a felszíni, szén-dioxiddal gyorsan telítõdõ víztömeg a mélységi, még telítetlen víztömegekkel. Az óceáni szén-dioxid-felvételben a tisztán kémiai folyamatok mellett az élõ szervezetek szén-dioxid-felvétele is szerepet játszik.

Az 1940-es években vált technikailag lehetségessé a szén 14-es tömegszámú, radioaktív izotópjának (14C) mérése. Természetes körülmények között a 14C a légkörben keletkezik a levegõ nitrogénjébõl a kozmikus sugárzás hatására. Felezési ideje kb. 5730 év. Állandónak tekinthetõ keletkezési sebessége és szintén állandó bomlási sebessége miatt légköri mennyisége elvben ugyancsak állandó. Az állandó és jól lokalizált keletkezés, valamint az állandó bomlási sebesség alkalmassá teszi kormeghatározásra. Az élõ szervezetek – közvetve vagy közvetlenül – folyamatosan kapcsolatban állnak a légkörrel, szerves anyaguk szénizotóp-összetétele összefüggésben van a légköri összetétellel. Elhalásuk után ez a kapcsolat megszakad, szerves anyaguk 14C-tartalma a radioaktív bomlás következtében fokozatosan csökken, így 14C-koncentrációjukból elhalásuk ideje meghatározható. Az évmilliókat a föld mélyében töltõ, ott szénné, kõolajjá, földgázzá alakuló szerves anyag a viszonylag rövid felezési idõ miatt gyakorlatilag 14C-mentes. Az 1950-es évek elején Hans Suess fák évgyûrûinek szénizotóp-összetételét vizsgálva azt tapasztalta, hogy az állandó légköri 14C-mennyiség ellenére a szerves anyag viszonylagosan egyre szegényebb radioaktív szénben, azaz a légkörben növekszik a fosszilis tüzelõanyagokból származó, 14C-mentes szén-dioxid mennyisége (Suess, 1955).

Ugyanebben az idõben Harmon Craig az óceánok átkeveredését tanulmányozta. A légkörrel érintkezõ felszíni vízréteg szénizotóp összetétele azonos a légkörével. A felszíntõl elszakadva azonban a radioaktív bomlás miatt a 14C-tartalom az idõ függvényében csökken. A mélységi vizek 14C-koncentrációja alapján meghatározható, mikor érintkezett az adott víztömeg utoljára a felszínnel. Mérései alapján az óceánok átkeveredési idejét évszázadokra becsülte, míg korábban mások ennél lényegesen rövidebb idõt tételeztek fel (Craig, 1957).

Az emberiség által kibocsátott szén-dioxid sorsa a neves svéd-amerikai meteorológust, Carl-Gustaf Rossbyt is izgatta, és kezdeményezte, hogy – mintegy két évtizeddel az utolsó ismert légköri mérések után – indítsanak programot a légköri szén-dioxid-koncentráció meghatározására. A program során 1954-tõl Skandinávia tizenöt pontján vettek tíznaponként levegõmintát bárium-hidroxid elnyeletõ oldatban (Fonselius et al., 1955). Az adatok meglehetõsen széles tartományban szórtak. Mint utóbb kiderült, ez a módszer nem volt elegendõen reprezentatív és pontos (Keeling, 1978).

1953-ban egy fiatal vegyész, a posztdoktori ösztöndíjjal a Kaliforniai Mûszaki Egyetemre (California Institute of Technology, Pasadena, California, USA.) került Charles David Keeling a felszíni vizek karbonáttartalmának és a légköri szén-dioxid-koncentráció kapcsolatának tanulmányozását kapta feladatul. A felszíni vizeket érintõ mérések ugyan nem indultak meg, de Keeling számos légköri mérést végzett nagypontosságú manometrikus módszerével az Egyesült Államok különbözõ részein. Tapasztalta, hogy a növényzet fotoszintézise/respirációja napi hullámot generál a légkör szén-dioxid koncentrációjában, de ami ennél érdekesebb volt: a kora délutáni koncentráció értékek mindenhol 315 ppm (milliomod térfogatrész) körül alakultak. Úgy vélte, létezik tehát egy nagytérségû háttér koncentráció, azaz a szén-dioxid légköri tartózkodási ideje viszonylag hosszú lehet (Scripps CO2 Program, 2008).

Roger Revelle, a Scripps Oceanográfiai Intézet (Scripps Institution of Ocanography, La Jolla, California, USA.) igazgatója, aki szakmai pályafutásának nagy részét az óceánokban zajló kémiai folyamatoknak, köztük a szén-dioxid beoldódásának szentelte, ráérzett arra, hogy Suess és Craig eredményei azt jelezhetik, hogy a légkörbe bocsátott szén-dioxid talán mégsem tûnik el maradéktalanul az óceánokban. Revelle ismerte Guy Stewart Callendar munkáit (Callendar, 1938; 1949), aki talán az egyetlen olyan kutató volt a 20. század elsõ felében, aki a rendelkezésére álló, bizonytalan megbízhatóságú légköri szén-dioxid-koncentráció adatok alapján azt állította, hogy az emberi kibocsátás nyomán a szén-dioxid a légkörben igenis felhalmozódik, sõt a hõmérséklet emelkedése is kimutatható. Az amerikai haditengerészettõl kapott anyagi támogatás (például: nukleáris kísérletek termékeinek eloszlása, nukleáris hulladék esetleges eltemetése az óceánokban stb.) lehetõvé tette Revelle számára, hogy meghívja a Scrippsbe Suesst és Craiget is, hogy közösen tanulmányozzák az óceánok átkeveredését, az óceánok szén-dioxid felvételét. Revelle arra a következtetésre jutott, hogy a fosszilis tüzelõanyagokból származó szén-dioxid nagy részének a légkörben kell maradnia, ami már az évszázad végére problémákat okozhat. 1957-ben megjelent munkájukban (Revelle – Suess, 1957) azt írják: „Az emberiség soha nem látott globális geofizikai kísérletet végez. Néhány évszázadon belül visszajuttatjuk a légkörbe és az óceánokba azt a szerves szenet, amely százmillió évek óta rejtõzik az üledékes kõzetekben.”

Revelle ugyanakkor tisztában volt azzal, hogy a rendelkezésére álló adatok elégtelenek ahhoz, hogy pontosan megbecsülje az óceánok és a bioszféra szerepét a globális szén-dioxid-körforgalomban, és ezeken keresztül világos választ kapjon arra, milyen ütemben halmozódik fel a szén-dioxid, ez a fontos üvegházhatású gáz az emberi tevékenység következtében a légkörben. Ehhez részletes légköri mérések kellettek, és ezek elvégzésére Keeling tûnt a legalkalmasabbnak. Alkalomként pedig az 1957–1958-as Nemzetközi Geofizikai Év kínálkozott.

Revelle eredeti elképzelése az volt, hogy Keelinggel felméreti a feltételezése szerint térben és idõben erõsen változó légköri szén-dioxid-koncentráció globális eloszlását. Úgy vélte, hogy ezt a felmérést tíz-húszévente megismételve kideríthetõ, hogy változik-e, és ha igen, mennyivel, a légkör szén-dioxid-tartalma. A koncentráció jelentõs változékonyságát jelezték az idõközben megindult svéd mérések is. Keeling azonban a korábbi mérések során szerzett tapasztalatai alapján úgy gondolta, hogy létezik egy globális, mindenhol közel azonos „háttér-koncentráció”, amit az eseti mérések nem feltétlenül „találnak el”. Nem érdemes tehát sok helyen mérni, elég csak néhányon, de ott pontosan, folyamatosan, hosszú távon. A folyamatos, nagy pontosságú mérésekhez Keeling az Applied Physics Corp. segítségével a szén-dioxid infravörös sugárzást elnyelõ tulajdonságát kihasználó mûszert épített, ami lényegében egy célszerûen átalakított infravörös spektrofotométer volt. A mûszer, amellett, hogy folyamatos mérésekre volt képes, még jóval pontosabb is volt, mint a légköri szén-dioxid-tartalom meghatározására használt más mérési módszerek. Ugyanakkor lényegesen drágább is volt. A légköri CO2-koncentráció korábbi mérések által jelzett nagy ingadozása miatt sokan fölöslegesnek tartották a komoly költségek árán elérhetõ nagyobb pontosságot. A Nemzetközi Geofizikai Év kapcsán elnyert támogatások azonban lehetõvé tették négy berendezés létrehozását. Keeling olyan helyeket keresett mûszerei számára, amelyek mentesek voltak a közvetlen antropogén szennyezéstõl és a bioszféra ciklikus viselkedésébõl fakadó koncentráció-ingadozásoktól. Egyik helyszínként a déli-sarki amerikai kutatóbázis kínálkozott. Mivel az amerikai Meteorológiai Hivatal (U. S. Weather Bureau) új, hawaii Mauna Loa Obszervatóriumában maga is meg akarta indítani a szén-dioxid-méréseket (kapcsolódva Rossby kezdeményezéséhez), és ebben az ügyben tárgyalt is Keelinggel, az idõközben a Kaliforniai Mûszaki Egyetemrõl a Scripps Oceanográfiai Intézethez szerzõdött fiatal kutató másik mérési helyszínként a Mauna Loa oldalában 3397 m magasságban, a helyi/regionális hatásoktól mentes szabad troposzférában elhelyezkedõ obszervatóriumot választotta. Megindította a méréseket a Scripps székhelyén, La Jollában, az intézet Csendes-óceánba nyúló mólóján is (Keeling, 1978). A negyedik berendezés a laboratóriumban maradt, egyebek között repülõgépen vett levegõminták elemzésére (Keeling, 1960).

A Déli-sarkon 1957 szeptemberében megindított folyamatos mérés számos mûszaki problémával küzdött, és anyagi támogatás hiányában a Nemzetközi Geofizikai Év végével megszûnt. (A mintavételen alapuló mérések fennmaradtak.) Az 1958 márciusában indult Mauna Loa-i mérések azonban folytatódhattak, így ma már fél évszázados közvetlen légköri mérési adatsor bizonyítja az emberiség globális környezeti hatását, és nyújt segítséget ahhoz, hogy megértsük a minket is magában foglaló természet mûködését.

Az elsõ mérési napon a Mauna Loa Obszervatóriumba telepített mûszer csaknem pontosan ugyanazt a koncentráció-értéket adta, mint amit Keeling nem sokkal korábban a kontinensen kapott. Ezt követõen azonban a koncentráció érthetetlen módon monoton nõtt. A kora nyári idõszaktól novemberig csökkent, majd ismét emelkedni kezdett. Egyetlen év folyamatos mérés elegendõ volt ahhoz, hogy világos legyen a bioszféra oszcilláló hatása a légkör szén-dioxid-koncentrációjára. Ezt a korábbi eseti, nem kellõen pontos és reprezentatív mérések nem tudták kimutatni. A következõ évben a ciklus megismétlõdött, de valamivel magasabb évi átlag mellett. A mérési program indulásakor senki sem gondolta, hogy a légköri szén-dioxid-szint hosszú távú változása, ha van egyáltalán, rövid idõn belül kimutatható lesz. A Mauna Loa-i és az antarktiszi folyamatos mérésekre alapozva azonban Keeling már két év után becslést adott a szén-dioxid légköri felhalmozódására (Keeling, 1960), jelezve, hogy az óceánok nem veszik fel az ember által kibocsátott szén-dioxid-mennyiség egészét. A mérési sor bõvülésével egyre pontosabban meghatározhatóvá vált az óceánok szerepe és a légköri felhalmozódás mértéke.

Keeling mérései szerteágazó és messze ható folyamatokat indítottak el. Keeling 2005 nyarán bekövetkezett halála kapcsán Charles F. Kennel, a Scripps Oceanográfiai Intézet akkori igazgatója azt mondta, hogy három olyan mérést ismer, amely alapvetõen megváltoztatta a világot: Tycho Brahe bolygómegfigyeléseit, amelyek Isaac Newton gravitációs elméletéhez vezettek, Albert Michelson fénysebesség méréseit, amelyek Albert Einstein relativitáselméletét alapozták meg, és David Keeling légköri szén-dioxid-koncentráció méréseit, amelyek az emberiség létét alapvetõen befolyásoló éghajlat kutatását indították el. Keeling közel ötvenéves, nagy pontosságú adatsora a 20. század legfontosabb mérési adatsora (Scripps News, 2005).

A szakemberek gyorsan felismerték: Keeling mérései azt jelzik, hogy az éghajlat emberi eredetû megváltozása reális veszély. Megszülettek az üvegházhatásra, a várható éghajlatváltozásra vonatkozó elsõ komoly tudományos hátteret felvonultató számítások. Az 1970-es évek elején az éghajlatváltozás potenciális veszélye miatt a Meteorológiai Világszervezet a kiépülõben lévõ globális háttérlevegõszennyezettség-mérõ hálózat alapállomásainak kötelezõ feladatává tette a légköri szén-dioxid-koncentráció nyomon követését (WMO, 1974). 1979 februárjában megrendezték az Elsõ Éghajlati Világkonferenciát, amely az Éghajlatváltozási Kormányközi Testület (Intergovernmental Panel on Climate Change – IPCC) 1988-as megalakulásához vezetett. Az ember okozta globális éghajlatváltozás egyre egyértelmûbb bizonyítékai nyomán jött létre a Kiotói Jegyzõkönyv (1997), amely elõször tett kísérletet arra, hogy a beláthatatlan következményekkel fenyegetõ globális éghajlatváltozás elkerülése érdekében az üvegházhatásért felelõs nyomgázok kibocsátását korlátozza.

Ma aligha akad olyan, a világ dolgai iránt érdeklõdõ ember, aki ne hallott volna az üvegházhatás erõsödésérõl, a globális éghajlatváltozás veszélyérõl. Kormányok és cégek veszik figyelembe politikájuk, gazdasági stratégiájuk kidolgozásakor azt, amire Keeling mérései felhívták a figyelmet. Az árakban, adókban is tükrözõdõ hatások befolyásolják építkezési, közlekedési, vásárlási szokásainkat. A környezeti változások jelzik korábbi életmódunk fenntarthatatlanságát.

1958 márciusában a szén-dioxid légköri átlagkoncentrációja a Mauna Loa Obszervatórium mérései szerint 315,7 ppm volt. Ötven évvel késõbb, 2008 márciusában 385,7 ppm. A mérések elsõ öt évében a növekedési ütem 0,62 ppm volt évente. A legutóbbi öt évben 2,01 ppm/év, szoros kapcsolatban a legpesszimistább forgatókönyveket is felülmúlóan növekvõ antropogén szén-dioxid-kibocsátással (Raupach et al., 2007).


Kulcsszavak: szén-dioxid, üvegházhatás, éghajlatváltozás, tudománytörténet


IRODALOM

(A hivatkozott publikációk elérésének megkönnyítésére igyekeztünk a források internetes hozzáférhetõségét is megadni)

Arrhenius, Svante (1896): On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground. Philosophical Magazine and Journal of Science Series. 5, 41, 237–276. http://www.globalwarmingart.com/images/1/18/Arrhenius.pdf

Callendar, Guy S. (1938): The Artifical Production of Carbon Dioxide and Its Influence on Temperature. The Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 64, 223–240. http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/116316069/PDFSTART

Callendar, Guy S. (1949): Can Carbon Dioxide Influence Climate? Weather. 4, 310–318.

Cleveland, Cuttler – Lawrence, Tom (2006): De Saussure, Horace Bénédict. In: Cleveland, J. Cuttler (ed.): Encyclopedia of Earth. Environmental Information Coalition, National Council for Science and the Environment, Washington, D. C. [Published on-line in the Encyclopedia of Earth December 21, 2006; Retrieved April 29, 2008]. http://www.eoearth.org/article/De_Saussure,_Horace_Bénédict

Craig, Harmon (1957): The Natural Distribution of Radiocarbon and the Exchange Times of CO2 between Atmosphere and Sea. Tellus. 9, 1–17.

Fonselius, Stig – Koroleff, F. – Buch, K. (1955): Microdetermination of CO2 in the Air, with Current Data for Scandinavia. Tellus. 7, 258–265.

Fourier, Jean Baptiste Joseph (1827): Mémoires sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires. Mémoires de l’Académie Royale des Sciences de l’Institut de France VII, 570–604. http://visualiseur.bnf.fr/ConsulterElementNum?O=NUMM-3370&Deb=102&Fin=130&E=PDF

Keeling, Charles D. (1960): The Concentration and Isotopic Abundances of Carbon Dioxide in the Atmosphere. Tellus. 12, 200–203. http://scrippsco2.ucsd.edu/publications/keelling_tellus_1960.pdf

Keeling, Charles D. (1978): The Influence of Mauna Loa Observatory on the Development of Atmospheric CO2 Research. In: Miller, John (ed.): Mauna Loa Observatory. A 20th Anniversary Report. National Oceanic and Atmospheric Administration Special Report, September 1978. 36–54.

http://www.mlo.noaa.gov/mlo/webmuseum/publications.html ,vagy

http://www.mlo.noaa.gov/documents/pdf/maunaloa20thanniversary/maunaloa20th1-50zip7.0later.pdf (240 MB)

Raupach, Michael R. – Marland, G. – Ciais, P. – Le Quéré, C. – Canadell, J. G. – Klepper, G. – Field, Christopher B. (2007): Global and Regional Drivers of Accelerating CO2 Emissions. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 104, 10288–10293. http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.0700609104

Revelle, Roger – Suess, Hans E. (1957): Carbon Dioxide Exchange Between Atmosphere and Ocean and the Question of an Increase of Atmospheric CO2 During the Past Decades. Tellus. 9, 18–27.

Scripps CO2 Program (2008): Charles David Keeling Biography. http://scrippsco2.ucsd.edu/sub_program_history/charles_david_keeling_biography.html

Scripps News (2005): Obituary Notice. Climate Science Pioneer: Charles David Keeling. http://scrippsnews.ucsd.edu/Releases/?releaseID=687

Suess, Hans E. (1955): Radiocarbon Concentration in Modern Wood. Science. 122, 415–417. http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/122/3166/415-a.pdf

WMO (1974): WMO Operational Manual for Sampling and Analysis Techniques for Chemical Constituents in Air and Precipitation. WMO No. 299



1. ábra • A légköri szén-dioxid-koncentráció (térfogati keverési arány) alakulása a Scripps Oceanográfiai Intézet által a Mauna Loa Obszervatóriumban végzett mérések alapján milliomod térfogatrészben (ppm) kifejezve (Forrás: http://scrippsco2.ucsd.edu/data/data.html


<-- Vissza a 2008/11 szám tartalomjegyzékére

<-- Vissza a Magyar Tudomány honlapra

[Információk] [Tartalom] [Akaprint Kft.]