Ma aligha akad olyan, a világ dolgai iránt érdeklődő ember, aki ne hallott volna az üvegházhatás erősödéséről, a globális éghajlatváltozás veszélyéről. Haszpra László, az MTA doktora történeti áttekintése a légköri széndioxid-koncentráció méréséről.
EGY ADATSOR, AMELY MEGVÁLTOZTATTA A VILÁGOT
Ötven éve, 1958 márciusában kezdődtek azok a folyamatos, nagypontosságú légköri szén-dioxid-koncentráció mérések, amelyek bebizonyították, hogy a fosszilis tüzelőanyagok elégetése és az erdőirtások során keletkező szén-dioxid a légkörben felhalmozódik, és az erősödő 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 szereplőit. A tengerszint-emelkedést, árvizeket, gyilkos hőhullámokat és egyéb szélsőséges időjárási eseményeket elszenvedő, a gleccserek és a sarki jégmezők zsugorodásával, az éghajlatváltozás keltette népvándorlás veszélyével szembesülő 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 fűtetlen helyiségben, hintóban magasabb lehet a hőmérséklet, mint a szabadban. A meteorológiával kapcsolatos tevékenységéről is ismert Horace-Bénédict de Saussure svájci fizikus, geológus 1767-ben kezdett kísérletei során egymásba zárt üvegtetejű dobozokat tett ki a napsütésre, és így a legbelső dobozban a víz forráspontját meghaladó hőmérsékletet is el tudott érni (Cleveland – Lawrence, 2006). Saussure kísérletére is hivatkozott Jean Baptiste Fourier francia matematikus, fizikus, amikor 1824-ben a Föld hőmérsékletével foglalkozva feltételezte, hogy a légkör „lassítja” a hő távozását a felszínről, így melegebben tartja a bolygót annál, mint amilyen légkör nélkül lenne (Fourier, 1827). A légkör mint az üvegtető Saussure dobozain… Ebből a felismerésből született utóbb a ma használt légköri üvegházhatás kifejezés.
Fourier hipotézisét 1860-ban John Tydall angol fizikus támasztotta alá mérésekkel, aki megállapította, hogy a légkörben lévő vízgőz és szén-dioxid (CO2) elnyeli a felszín infravörös tartományba eső 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 hőmérsékleti többletet köszönhetünk a légköri üvegházhatásnak. A vízgőz és a szén-dioxid légköri mennyisége tehát alapvetően 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) egyszerű 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 nagymennyiségű szén-dioxid jut a légkörbe, az esetleges globális felmelegedést a távoli jövő problémájának tartotta, és így részletesebben nem foglalkozott vele. Osztotta azt a véleményt, hogy a geokémiai folyamatok révén történő szén-dioxid-kivonás (kémiai mállás, beoldódás az óceánokba) nagyrészt ellensúlyozza az emberi eredetű 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 döntő részét. Egy fontos tényezőről a 20. század első felének kutatói azonban rendre megfeledkeztek: az időről. A légkörbe kerülő szén-dioxid óceánokba való elnyelődéséhez idő kell. Ha a kibocsátás üteme számottevően gyorsabb, mint az elnyelődésé, akkor az egyensúlyinál lényegesen magasabb légköri koncentráció alakulhat ki, gyors ütemben erősítve a légköri üvegházhatást. A bekövetkező irreverzibilis változások miatt az egyensúly későbbi 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 túlmenően alapvetően az határozza meg, hogy ez a légkörrel folyamatosan egyensúlyban lévő vékony felszíni réteg milyen ütemben cserélődik ki a mélységi víztömeggel. Más szavakkal: milyen ütemben cserélődik ki a felszíni, szén-dioxiddal gyorsan telítődő víztömeg a mélységi, még telítetlen víztömegekkel. Az óceáni szén-dioxid-felvételben a tisztán kémiai folyamatok mellett az élő 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 levegő nitrogénjéből a kozmikus sugárzás hatására. Felezési ideje kb. 5730 év. Állandónak tekinthető 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 élő 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 töltő, ott szénné, kőolajjá, földgázzá alakuló szerves anyag a viszonylag rövid felezési idő miatt gyakorlatilag 14C-mentes. Az 1950-es évek elején Hans Suess fák évgyűrűinek 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 tüzelőanyagokból származó, 14C-mentes szén-dioxid mennyisége (Suess, 1955).
Ugyanebben az időben Harmon Craig az óceánok átkeveredését tanulmányozta. A légkörrel érintkező felszíni vízréteg szénizotóp összetétele azonos a légkörével. A felszíntől elszakadva azonban a radioaktív bomlás miatt a 14C-tartalom az idő 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 időt 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-től Skandinávia tizenöt pontján vettek tíznaponként levegőmintát bárium-hidroxid elnyelető oldatban (Fonselius et al., 1955). Az adatok meglehetősen széles tartományban szórtak. Mint utóbb kiderült, ez a módszer nem volt elegendően reprezentatív és pontos (Keeling, 1978).
1953-ban egy fiatal vegyész, a posztdoktori ösztöndíjjal a Kaliforniai Műszaki 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 érintő mérések ugyan nem indultak meg, de Keeling számos légköri mérést végzett nagypontosságú manometrikus módszerével az Egyesült Államok különböző 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 nagytérségű 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 tűnik el maradéktalanul az óceánokban. Revelle ismerte Guy Stewart Callendar munkáit (Callendar, 1938; 1949), aki talán az egyetlen olyan kutató volt a 20. század első 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, sőt a hőmérséklet emelkedése is kimutatható. Az amerikai haditengerészettől kapott anyagi támogatás (például: nukleáris kísérletek termékeinek eloszlása, nukleáris hulladék esetleges eltemetése az óceánokban stb.) lehetővé 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 tüzelőanyagokból 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 rejtőzik az üledékes kőzetekben.”
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 tűnt 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 időben erősen változó légköri szén-dioxid-koncentráció globális eloszlását. Úgy vélte, hogy ezt a felmérést tíz-húszévente megismételve kideríthető, hogy változik-e, és ha igen, mennyivel, a légkör szén-dioxid-tartalma. A koncentráció jelentős változékonyságát jelezték az időközben 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 elnyelő tulajdonságát kihasználó műszert épített, ami lényegében egy célszerűen átalakított infravörös spektrofotométer volt. A műszer, 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 elérhető nagyobb pontosságot. A Nemzetközi Geofizikai Év kapcsán elnyert támogatások azonban lehetővé tették négy berendezés létrehozását. Keeling olyan helyeket keresett műszerei számára, amelyek mentesek voltak a közvetlen antropogén szennyezéstől és a bioszféra ciklikus viselkedéséből 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 időközben a Kaliforniai Műszaki Egyetemről a Scripps Oceanográfiai Intézethez szerződött fiatal kutató másik mérési helyszínként a Mauna Loa oldalában 3397 m magasságban, a helyi/regionális hatásoktól mentes szabad troposzférában elhelyezkedő 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 repülőgépen vett levegőminták elemzésére (Keeling, 1960).
A Déli-sarkon 1957 szeptemberében megindított folyamatos mérés számos műszaki problémával küzdött, és anyagi támogatás hiányában a Nemzetközi Geofizikai Év végével megszűnt. (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 működését.
Az első mérési napon a Mauna Loa Obszervatóriumba telepített műszer csaknem pontosan ugyanazt a koncentráció-értéket adta, mint amit Keeling nem sokkal korábban a kontinensen kapott. Ezt követően azonban a koncentráció érthetetlen módon monoton nőtt. A kora nyári időszaktól novemberig csökkent, majd ismét emelkedni kezdett. Egyetlen év folyamatos mérés elegendő volt ahhoz, hogy világos legyen a bioszféra oszcilláló hatása a légkör szén-dioxid-koncentrációjára. Ezt a korábbi eseti, nem kellően pontos és reprezentatív mérések nem tudták kimutatni. A következő évben a ciklus megismétlődött, 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 időn 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 bővülésével 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 alapvetően 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 alapvetően 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 eredetű megváltozása reális veszély. Megszülettek az üvegházhatásra, a várható éghajlatváltozásra vonatkozó első komoly tudományos hátteret felvonultató számítások. Az 1970-es évek elején az éghajlatváltozás potenciális veszélye miatt a Meteorológiai Világszervezet a kiépülőben lévő globális háttérlevegőszennyezettség-mérő hálózat alapállomásainak kötelező feladatává tette a légköri szén-dioxid-koncentráció nyomon követését (WMO, 1974). 1979 februárjában megrendezték az Első Éghajlati Világkonferenciát, amely az Éghajlatváltozási Kormányközi Testület (Intergovernmental Panel on Climate Change – IPCC) 1988-as megalakulásához vezetett. Az ember okozta globális éghajlatváltozás egyre egyértelműbb bizonyítékai nyomán jött létre a Kiotói Jegyzőkönyv (1997), amely először tett kísérletet arra, hogy a beláthatatlan következményekkel fenyegető globális éghajlatváltozás elkerülése érdekében az üvegházhatásért felelős nyomgázok kibocsátását korlátozza.
Ma aligha akad olyan, a világ dolgai iránt érdeklődő ember, aki ne hallott volna az üvegházhatás erősödéséről, a globális éghajlatváltozás veszélyéről. Kormányok és cégek veszik figyelembe politikájuk, gazdasági stratégiájuk kidolgozásakor azt, amire Keeling mérései felhívták a figyelmet. Az árakban, adókban is tükröződő 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 később, 2008 márciusában 385,7 ppm. A mérések első 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 növekvő antropogén szén-dioxid-kibocsátással (Raupach et al., 2007).
Haszpra László az MTA doktora, Országos Meteorológiai Szolgálat
Az írás eredetije a Magyar Tudomány, 2008/11 számában olvasható >>>
