Nemrég emlékeztünk meg a folyamatos légköri szén-dioxid-koncentráció-mérések megkezdésének 50. évfordulójáról (Haszpra, 2008). Mára már a hazai mérések idősorának hossza is eléri a harminc évet, ami alkalmat teremt arra, hogy röviden felvillantsuk a hazai mérések történetét és az ez idő alatt tapasztalt változásokat.

Bevezetés

A 19. század második felében már ismert volt, hogy a légkör széndioxid-tartalma fontos szerepet tölt be a Föld éghajlatának alakításában (Tyndall, 1861). Ma már azt is tudjuk, hogy geológiailag rövid időskálán az éghajlati rendszer szabályzásában a Napból érkező energia mellett a szén-dioxid játssza a meghatározó szerepet (Lacis et al., 2010). Bár már több mint egy évszázada is tudott volt, hogy az emberiség a fosszilis tüzelőanyagok elégetése révén nagymennyiségű szén-dioxidot juttat a légkörbe, az esetleges következmények csak akkor kerültek az érdeklődés homlokterébe, amikor az 1950-es években végzett óceáni és bioszférikus radiokarbon (14C) -vizsgálatok jelezték, hogy a kibocsátott szén-dioxid egy része nagy valószínűséggel a légkörben marad, növelve a légköri koncentrációt (Revelle – Suess, 1957). Ennek tisztázására indította meg Charles David Keeling (Scripps Institution of Oceanography, La Jolla, California, USA) az 1957/1958-as Nemzetközi Geofizikai Év keretében a folyamatos légköri szén-dioxid-koncentráció-méréseket a hawaii Mauna Loa Obszervatóriumban és az Amerikai Egyesült Államok déli-sarki kutatóállomásán. A mérések megindításának tudománytörténeti hátterét a korábbi tanulmányban (Haszpra, 2008) részletesen bemutattuk.

Keeling mérései rövid időn belül bebizonyították a szén-dioxid légköri halmozódását (Pales – Keeling, 1965). Ezt követően a Meteorológiai Világszervezet (WMO) – a globális éghajlatváltozás veszélye miatt – kiemelt figyelmet szentelt a légköri széndioxid-tartalom megfigyelésének. A széndioxid-koncentráció mérését az 1960-as évek végén életre hívott globális háttérlevegőszennyezettség-mérő hálózat (Background Air Pollution Monitoring Network [BAPMoN], a mai Global Atmosphere Watch [GAW] hálózat elődje) alapállomásainak (baseline station) kötelező feladatává tette (WMO, 1974).

A hazai mérések története

1978-tól 1992-ig Mészáros Ernő (ma az MTA tagja) vezetésével az Országos Meteorológiai Szolgálat (OMSZ) adott otthont a WMO által elsősorban a fejlődő országok szakemberei számára szervezett, a háttér-levegőszennyezettség mérésével foglalkozó továbbképző tanfolyamoknak. A demonstrációs eszközöket ehhez a WMO biztosította. Így jutott az OMSZ egy Siemens ULTRAMAT 3 típusú, infravörös elnyelésen alapuló széndioxid-monitorhoz. A műszer 1981-ben az akkor elkészült K-pusztai (Kiskunság, 46o58’N, 19o33’E) mérőállomásra került, ahol 1981. június 5-én indultak meg a folyamatos légköri mérések. A WMO kimutatása szerint Európában ekkor még csak Németországban és Olaszországban működtek CO₂-mérő állomások, miközben világviszonylatban harminchárom állomás jelentett adatokat (URL1).

Míg korábban a mérőhelyek kijelölésénél előnyben részesítették a bioszférától távoli helyszíneket (magas hegycsúcsok, sarkvidéki és sivatagi területek, kontinensektől távoli óceáni szigetek) a ciklikusan fotoszintetizáló-respiráló vegetáció keltette széndioxid-koncentráció-ingadozás, „zaj” elkerülésére, az 1980-as évek végén, az 1990-es évek elején fordulat következett be a légköri szén-dioxid mérési stratégiájában. A források és nyelők földrajzi elhelyezkedésének vizsgálatára kifejlesztett ún. inverz terjedési modellek ugyanis ekkortájt mutatták ki, hogy a bioszféra sokkal jelentősebb szerepet játszik a légkör globális széndioxid-mérlegében, mint azt korábban gondolták. Ez a tény felértékelte a vegetációval borított területeken korábban telepített mérőállomásokat, így K-pusztát is, és további ilyen állomások létrehozásához adott lendületet. Kihasználva a meglévő mérési tapasztalatokat és a tudományos együttműködések támogatására ekkor alakult Magyar–Amerikai Közös Alap nyújtotta lehetőségeket, 1992-ben az Országos Meteorológiai Szolgálat és az Amerikai Egyesült Államok Nemzeti Óceán- és Légkörkutató Hivatala (National Oceanic and Atmospheric Administration – NOAA) közös tervet dolgozott ki a magyarországi mérések továbbfejlesztésére.

A mérések minél nagyobb területi reprezentativitásának eléréséhez magas (>100 m) mérőtoronyra lett volna szükség, s ez K-pusztán nem állt rendelkezésre. Pénzügyi okokból csak már létező torony felműszerezése jöhetett szóba. Számos szempont (magasság, légáramlás viszonylagos homogenitása, közvetlen antropogén szennyezőforrások távolsága stb.) mérlegelése után az Antenna Hungária Rt. hegyhátsáli adótornyára esett a választás (46°57’N, 16°39’E). Európa első, kifejezetten hosszú távú megfigyelésre szánt magas tornyos széndioxid-mérő állomásán 1993 márciusától palackos levegőminta-vételek, majd 1994 szeptemberének végétől négy magassági szintben (10 m, 48 m, 82 m, 115 m) folyamatos szén-dioxid-koncentráció-mérések zajlanak. 1997-től az ELTE Meteorológiai Tanszékével együttműködve folyamatosan mérjük a talaj+növényzet és a légkör közötti széndioxid-forgalmat. Számos egyéb, üvegházhatású gázokkal kapcsolatos mérés után, 2008-tól az MTA ATOMKI-val már lehetőségünk nyílt a légköri szén-dioxid ¹⁴C-tartalmának mérésére is.

A K-pusztán és Hegyhátsálon 1994 és 1999 között végzett párhuzamos mérések bebizonyították, hogy míg az éjszakai mérések erősen a helyi viszonyokat tükrözik, addig a nappali, kora délutáni mérések lényegi különbséget nem mutatnak a két helyszín között (Haszpra, 1999). A két adatsor egyetlen homogén adatsorként kezelhető, így ma már – nemzetközileg is kiemelkedően – harmincévnyi széndioxidkoncentráció-adat áll rendelkezésre az elemzésekhez. A mérési adatok a Meteorológiai Világszervezet adatbázisában, illetve számos európai kutatási projekt (pl.CarboEurope) adatbázisában nyilvánosan elérhetők, ezzel is segítve a csak nemzetközi együttműködésben végezhető éghajlatkutatást.

Néhány eredmény

Az 1999-ben megszűnt K-pusztai és az 1994-ben indult hegyhátsáli mérések a helyi vegetáció által keltett „zaj” ellenére hűen tükrözik a globális légkörben végbement változásokat (1. ábra). A növekedési ütemben tapasztalható változások lényegesen nagyobbak annál, mint ami a meglehetősen egyenletes antropogén kibocsátás számlájára lenne írható, és időben valamivel megelőzik a közepes északi szélességekre vonatkozó óceáni háttérkoncentráció ingadozását. A változások ugyanakkor jól korrelálnak a Csendes-óceán egyenlítői térségében időnként kialakuló tengervíz-hőmérsékleti anomáliával, az El Niño jelenséggel (1. ábra). Az ingadozások a kontinentális területeken, így Magyarországon is nagyobbak, mint a jelenség által közvetlenül érintett csendes-óceáni térségben. Ez, továbbá az időbeli eltérés azt jelzi, hogy a megfigyelt ingadozások hátterében – az óceáni folyamatokon túlmenően – jelentős szerepet játszik az éghajlati zavar által megbolygatott bioszféra, illetve a globális cirkuláció átmeneti megváltozása. Kivételt képez az 1991–1992-es időszak, amikor a Pinatubo-vulkán kitörése átmeneti lehűlést okozott, elsősorban az északi félgömbön. Ez az alacsonyabb hőmérséklet valamelyest visszafogta a növényi és talaj-respirációt, ami az ekkoriban éppen fennálló El Niño jelenség ellenére fékezte a légköri szén-dioxid-koncentráció növekedését.

A Magyarországon mért széndioxid-koncentráció átlagosan 3,5 μmol mol^-1-lal (milliomod térfogatrész, ppm) haladja meg a közepes északi szélességekre becsülhető óceáni háttérértéket (1. ábra). Ez a többlet alapvetően az európai antropogén forrásoknak köszönhető. Az eltérés az ezredforduló táján volt a legnagyobb (kb. 4,5 μmol mol^-1), azóta – összhangban az európai kibocsátás-mérséklési erőfeszítésekkel – valamelyest csökkent. A komoly kibocsátás ellenére mindössze 1%-os többlet jelzi, hogy hosszú légköri tartózkodási ideje miatt a szén-dioxid meglehetősen egyenletesen elkeveredik a bolygó légkörében.

A globális kibocsátás által vezérelt koncentrációnövekedés üteme nem lassul. A mérések első tíz évében (1981–1990) 1,65 μmol mol^‑1 év‑1 volt, míg az utolsó tíz évben (2001–2011) már 1,95 μmol mol^‑1 év^‑1. Ezek az értékek lényegében megegyeznek a Föld más részein mért értékekkel. Ebben az értelemben a K-pusztai és a hegyhátsáli mérőállomás, bár egy erősen iparosított kontinens közepén helyezkednek el, tulajdonképpen globálisan reprezentatívnak tekinthető. A mérések kezdetén, 1981 júniusában a nagy területre reprezentatívnak tekinthető koradélutáni széndioxid-koncentráció 330,3 μmol mol^‑1 volt (2. ábra). 30 évvel később ugyane hónapban 383,1 μmol mol^‑1-t mértünk. (Nyári, az éves minimumkoncentráció környéki időszakról lévén szó, az évszakos változás kiszűrésével számított értékek magasabbak: 343,4, illetve 396,2 μmol mol^‑1.) A harminc év alatti 52,8 μmol mol^‑1-os növekmény közel fele (45%) az ipari forradalom kezdete óta bekövetkezett növekedésnek.

Laikusok részéről időről időre felmerül a kérdés, hogy miért vagyunk biztosak abban, hogy a légkör széndioxid-koncentrációját az emberi tevékenység növeli? Nem csak az szól az emberi felelősség mellett, hogy egyetlenegy olyan természetes CO₂-forrást sem ismerünk, amely az elmúlt háromszáz évben lépett volna működésbe egyre nagyobb mennyiségű (ma már több mint 30 Gt év-1 [Friedlingstein et al., 2010]) szén-dioxidot juttatva a légkörbe, és nem csak az, hogy az átlagos légköri koncentrációnövekedés összhangban van az antropogén kibocsátással. Közvetlen mérések is jelzik az emberi tevékenység hatását.

A természetben a szén két stabil (¹²C – ~98,9% és ¹³C – ~1,1%) és egy radioaktív izotópja (¹⁴C – ~10‑10%) fordul elő. Utóbbi a Földön természetes körülmények között a légkörben a kozmikus sugárzás hatására keletkezik, és 5730 éves felezési idővel bomlik el. A növényzet a fotoszintézis során a 12-es tömegszámú szénizotópot tartalmazó szén-dioxidot előnyben részesíti a 13-as tömegszámú izotóppal szemben, így a biomassza ¹³C-ban hígabb, mint a légkör. Ha az elhalt szerves anyag nem a szabadban bomlik el, széntartalma nem jut vissza a légkörbe, hanem a földkéregbe kerül, akkor a nem arányos szénizotóp-kivonás miatt a légkör ¹³CO₂-ban dúsul. Ugyanebből az okból a biomasszából a földkéregben képződött fosszilis tüzelőanyagok ¹³C izotópban szegényebbek, mint a légkör. A fosszilis tüzelőanyagok felhasználása során a légköri arányokhoz képest kisebb arányba kerül ¹³CO₂ a légkörbe, mint ¹²CO₂, így a légköri ¹³CO₂-részarány csökken. A 3. ábrán a hegyhátsáli levegőmintákból a NOAA által végzett ¹³CO₂/¹²CO₂-arány vizsgálatának eredménye látható. Az ábrán jól megfigyelhető a növényzet életciklusa által gerjesztett éven belüli ingadozás, továbbá a fosszilis tüzelőanyagokból származó, ¹³C-ban relatívan szegény szén-dioxid bevitele miatti fokozatos izotóparány-eltolódás.

A légkörben keletkező 14-es tömegszámú szénizotóp a fotoszintézis révén kerülhet a növényekbe, a szerves anyagba. Az elhalt szerves anyag már nem tud több ¹⁴CO₂ felvenni, ellenben a benne lévő ¹⁴C izotóp geológiailag igen gyors ütemben elbomlik. Az évmilliókkal korábban elhalt szerves anyagból képződött fosszilis tüzelőanyagok gyakorlatilag ¹⁴C-mentesek. A fosszilis tüzelőanyagok elégetése során keletkező CO₂ nem tartalmaz ¹⁴C izotópot, így az antropogén CO₂-kibocsátás fokozatosan csökkenti a ¹⁴CO₂ részarányát a légkörben. Voltaképpen ez a 14C-arány csökkenés vezetett az 1950-es években ahhoz, hogy elkezdjenek foglalkozni az antropogén eredetű szén-dioxid esetleges légköri feldúsulásával (Revelle – Suess, 1957). 2008 vége óta az MTA ATOMKI közreműködésével Hegyhátsálon is mérni tudjuk a ¹⁴CO₂ légköri részarányát (Molnár et al., 2010).

Azt, hogy a légköri szén-dioxid-többlet nagyrészt széntartalmú anyagok oxidációjával (elégetésével) keletkezik, a légköri oxigénszint arányos csökkenése is bizonyítja (Prentice et al., 2001). O₂/N₂-aránymérések azonban Magyarországon monitoring jelleggel egyelőre nem folynak.

A hazai mérések jövője

A légköri szén-dioxid mennyisége meghatározó szerepet tölt be a Föld éghajlatának szabályzásában, és koncentrációjának belátható időn belüli csökkenésére a legoptimistábbak sem számítanak. A koncentráció nyomon követésére így még igen hosszú időn keresztül szükség lesz. A már hatályba lépett, illetve tervezett környezetpolitikai döntések, kibocsátás-korlátozások betartásának ellenőrzése is csak összehangolt, térben és időben sűrű, nagypontosságú mérések segítségével lehetséges. A műholdas mérések pontossága ma még egyértelműen elégtelen ezeknek a feladatoknak a megoldásához, működésük korlátai (nem „látnak át” a felhőzeten, felszíni referenciát igényelnek) pedig a jövőben is nélkülözhetetlenné teszik a felszíni, lehetőleg magas tornyokra telepített mérőállomásokat.

A szén-dioxid hosszú légköri tartózkodási ideje miatt globális szennyező, ezért mérésének is nemzetközi keretekbe kell illeszkednie. Napjainkban intenzíven bővül a globális mérőhálózat. A Meteorológiai Világszervezet adataiból becsülhetően száz fölött van már a nemzetközi programokban tevékenykedő mérőállomások száma. Elsősorban Észak-Amerikában bővül a repülőgépes mérőhálózat is. A sok, viszonylag kis területű országot magában foglaló Európában különös jelentősége van a sűrű állomáshálózatnak, hiszen csak ez teszi lehetővé, hogy kisebb területekre is elfogadható pontossággal meghatározható legyen a szén-dioxid-forgalom, benne az emberi közreműködés. E célra szerveződik, és lép operatív működésbe 2012-től az ICOS (Integrated Carbon Observation System), amelynek egyik fontos feladata az európai környezetpolitikai döntések előkészítése és ellenőrzése, és amelyről e lap hasábjain a közelmúltban részletes ismertető is megjelent (Haszpra, 2011). A magyarországi környezetpolitika eddig mégis feltűnően távol tartotta magát az ICOS-tól, azt a hamis látszatot keltve, mintha nem értene egyet a céljaival. Magyarország az egyetlen olyan ország maradt Európában, ahol van hagyományuk, szakmai hátterük a légköri üvegházgáz-méréseknek, -kutatásnak, mégsem csatlakozott az ICOS-hoz, miközben számos olyan országban (térségünkben például Csehország, Lengyelország), ahol ilyen mérések korábban nem folytak, intenzív fejlesztéseket végeznek. Távolmaradásunk nem akadályozza meg, hogy a nemzetközi központok Magyarországra vonatkozóan is végezzenek számításokat, de lehetetlenné teszi, hogy az éppen a hazai mérések hiánya miatt pontatlanabb, számunkra esetleg hátrányos eredményeket cáfoljuk, korrigáljuk.

A hegyhátsáli TV-adótornyon a mérési lehetőséget az Antenna Hungária Rt. természetbeni támogatásként nyújtja. Az elmúlt három évtizedben a méréseket és a kapcsolódó kutatásokat egyebek között támogatta az OTKA (T7282, T23811, T42941), a Környezetvédelmi Minisztérium, a Nemzeti Fejlesztési Ügynökség (A08-1-CK77550), a Magyar–Amerikai Közös Alap (J .F. 162, 504), az Európai Bizottság 5., 6. és 7. K+F programja (AEROCARB, CHIOTTO, CarboEurope-IP, IMECC, InGOS), valamint INTERREG IIIB CADSES programja (5D038). Az adatsorok elemzéséhez a NOAA CCGCRV adatelemző szoftverét használtuk (Thoning et al., 1989).
 

Kulcsszavak: szén-dioxid, légkör, monitoring
 

IRODALOM

Friedlingstein, Pierre – Houghton, R. A. – Marland, G. – Hackler, J. – Boden, T. A. – Conway, T. J. – Canadell, J. G. – Raupach, M. R. – Ciais, P. – Le Quéré, C. (2010): Update on CO2 emissions. Nature Geoscience. 3, 811–812. DOI:10.1038/ngeo1022 • WEBCÍM >

Haszpra László (1999): On the Representativeness of Carbon Dioxide Measurements. Journal of Geophysical Research. 104, D21, 26953–26960. DOI:10.1029/1999JD900311

Haszpra László (2008): Egy adatsor, amely megváltoztatta a világot. Magyar Tudomány. 169, 1359–1365. • WEBCÍM >

Haszpra László (2011): ICOS – a jövő páneurópai üvegházgáz-megfigyelő rendszere. Magyar Tudomány. 172, 32–37. • WEBCÍM >

Lacis, Andrew A. – Schmidt, G. A. – Rind, D. – Ruedy, R. A. (2010): Atmospheric CO2: Principal Control Knob Governing Earth’s Temperature. Science. 330, 356–359. DOI: 10.1126/science.1190653 • WEBCÍM >

Molnár Mihály – Major I. – Haszpra L. – Svetlík, I. – Svingor, É. – Veres M. (2010): Fossil Fuel CO2 Estimation by Atmospheric 14C Measurement and CO2 Mixing Ratios in the city of Debrecen, Hungary. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 286, 471–476. DOI: 10.1007/s10967-010-0791-2

Pales, Jack C. – Keeling, Charles D. (1965): The Concentration of Atmospheric Carbon Dioxide in Hawaii. Journal of Geophysical Research. 70, 6053–6076. doi:10.1029/JZ070i024p06053

Prentice, Iain Colin – Farquhar, G. D. – Fasham, M. J. R. – Goulden, M. L. – Heimann, M. – Jaramillo, V. J. – Kheshgi, H. S. – Le Quéré, C. – Scholes, R. J. – Wallace, D. W. R. (2001): The Carbon Cycle and Atmospheric Carbon Dioxide. In: Houghton, John T. – Ding, Y. – Griggs, D. J. – Noguer, M. – van der Linden, P. J. –Dai, X. – Maskell, K. – Johnson, C. (eds.): Climate Change 2001—The Scientific Basis, Contribution of WGI to the 3rd Assessment Report of IPCC. Cambridge Univ. Press, Cambridge–New York, 183–237. • WEBCÍM >

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. DOI: 10.1111/ j.2153-3490.1957.tb01849.x • WEBCÍM >

Thoning, Kirk W. – Tans, P. P. – Komhyr, W. D. (1989): Atmospheric carbon dioxide at Mauna Loa Observatory, 2, Analysis of the NOAA GMCC data, 1974–1985. Journal of Geophysical Research. 94D, 8549–8566. DOI:10.1029/JD094iD06p08549

Tyndall, John (1861): On the Absorption and Radiation of Heat by Gases and Vapours, and on the Physical Connexion of Radiation, Absorption, Conduction.—The Bakerian Lecture. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. Series 4, 22, 169–194., 273–285. • WEBCÍM >

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

URL1: WMO World Data Centre for Greenhouse Gases. • WEBCÍM >