Koutsoyiannis i izotopy węgla, czyli nieudana próba podważenia wiedzy o zmianie klimatu

Artykuł “Net Isotopic Signature of Atmospheric CO₂ Sources and Sinks: No Change since the Little Ice Age” Demetrisa Koutsoyiannisa jest kolejną z serii publikacji tego samego autora, podważającą fundamentalne ustalenia nauk o Ziemi. Podobnie jak w poprzednim artykule, który skomentowaliśmy na naszym portalu, autor próbuje udowodnić tezę, że wzrost zawartości dwutlenku węgla w atmosferze mierzony mniej więcej od początku XIX wieku nie jest konsekwencją działalności człowieka (spalania paliw kopalnych, produkcji cementu i wylesiania). Popełnia przy tym jednak podstawowe błędy. 

Tematem artykułu są zmiany zawartości izotopu węgla ¹³C w atmosferycznym CO₂, które zdaniem Koutsoyiannisa wskazują, że wzrost koncentracji CO₂ ma naturalne przyczyny. Użyte przez autora metody analizy są podobne do tych z poprzednich jego publikacji, mają podobne ograniczenia i zawierają podobne błędy. Zanim jednak je omówimy, pokrótce przypomnijmy o co chodzi z różnymi izotopami węgla i co mają one wspólnego z globalnym ociepleniem.

Izotopy węgla a globalne ocieplenie

Izotopy to odmiany tego samego pierwiastka chemicznego, różniące się liczbą neutronów w jądrze atomu, a zatem i masą atomową. ¹³C jest izotopem węgla, stanowiącym około 1% atomów węgla występującego na Ziemi. Proporcja ta jest konsekwencją składu izotopowego mgławicy protoplanetarnej, z której powstał Układ Słoneczny, a zatem wcześniejszych procesów gwiazdowej fuzji jądrowej, w której powstały atomy węgla. W odróżnieniu od rzadszego, ale bardziej znanego izotopu ¹⁴C, izotop ¹³C jest stabilny, czyli nie ulega samoistnemu rozpadowi radioaktywnemu. 

Zróżnicowanie składu izotopowego

W kontekście badań nad klimatem i nie tylko, znaczenie ¹³C wynika z istnienia procesów tzw. frakcjonacji izotopowej, czyli preferencji dla jednego izotopu w niektórych reakcjach chemicznych. Przykładowo, w trakcie fotosyntezy rośliny z większym prawdopodobieństwem wychwytują z powietrza i przetwarzają w glukozę nieco lżejsze cząsteczki dwutlenku węgla zawierające ¹²C. Wskutek tego biomasa roślinna – a także wszystkich innych ogniw łańcucha pokarmowego – jest w izotop ¹³C zubożona („lżejsza izotopowo”), czyli zawiera go proporcjonalnie mniej niż np. atmosfera.

Zubożenie to wygodnie jest wyrażać za pomocą wskaźnika zwanego delta-C-trzynaście, δ¹³C. Wyraża on, w promilach, różnicę w stosunku ¹³C/¹²C względem takiego stosunku w próbce „standardowej” zwanej VPDB. Wartości ujemne oznaczają w tej konwencji, że badana próbka zawiera mniej ¹³C niż w standardzie. Przykładowo, δ¹³C próbki o stosunku ¹³C/¹²C wynoszącym 0,011 równa się -21‰. Więcej na ten temat znajdziesz w tekście Paleoklimatologia: co nam powie skład izotopowy węgla.

Od badania izotopów do wniosków o obiegu węgla w przyrodzie

Badając skład izotopowy atmosfery, roślinnej biomasy, a także starożytnych próbek drewna, powietrza, czy związków węgla takich jak węglan wapnia, można dowiedzieć się o zmianach obiegu węgla, czy szerzej zmianach środowiskowego w mniej lub bardziej odległej przeszłości¹. Zajmuje się tym dziedzina zwana geochemią izotopową, a z jej narzędzi metodycznych i ustaleń korzystają naukowcy innych dziedzin, między innymi klimatolodzy. Jednym z tych ustaleń, mających już ponad pół wieku, jest spadek koncentracji izotopu ¹³C w atmosferze, spowodowany spalaniem paliw kopalnych. 

Ponieważ węgiel, ropa i gaz ziemny mają biogeniczne pochodzenie i powstały z biomasy o obniżonym ¹³C, same też są zubożone w ¹³C. Kiedy więc spalamy paliwa kopalne i wypuszczamy do atmosfery powstały w ten sposób CO₂, obniżamy proporcję atmosferycznego ¹³C („rozcieńczanie izotopowe”). Różnica nie jest duża, ale da się ją zmierzyć precyzyjnymi urządzeniami pomiarowymi, i faktycznie spadek koncentracji ¹³C jest obserwowany w atmosferze (a także oceanach, do których trafia część „kopalnego” dwutlenku węgla) i jest on skorelowany z antropogenicznymi emisjami CO₂.

Ustalenia te – jeszcze raz podkreślmy, że powszechnie akceptowane przez środowisko specjalistów od geochemii izotopowej – kwestionuje w swoim artykule Demetris Koutsoyiannis. Stawiane przez niego tezy są problematyczne z wielu powodów, których najważniejsze przedyskutujemy poniżej.

1.  Biosfera nie jest emitentem netto dwutlenku węgla

Proponowany przez Demetrisa Koutsoyiannisa scenariusz, w którym to lądowe ekosystemy są przyczyną wzrostu koncentracji CO₂, wymagałby transferu netto dwutlenku węgla z biosfery do atmosfery, co oznacza że ilość węgla zawartego w ekosystemach lądowych musiałaby znacząco maleć. Choć (jak wielokrotnie podkreśla Koutsoyiannis) emisje antropogeniczne są niewielkie w porównaniu do naturalnych, jeśli rozpatrzymy je w kontekście wieloletnim oraz całego bilansu, które obejmują emisję oraz pochłanianie, jasne się stanie że muszą mieć decydujący wpływ na poziom dwutlenku węgla w atmosferze (patrz Mit: Dwutlenek węgla emitowany przez człowieka nie ma znaczenia).

Wzrost koncentracji CO₂ z 278 części na milion (ppm) w roku 1750 do obecnego poziomu 423 ppm, czyli w sumie 145 ppm, oznacza, że w atmosferze przybyło  310 miliardów ton węgla pierwiastkowego (GtC). Dla porównania, masa węgla pierwiastkowego zawartego w lądowej biomasie roślinnej obecnie szacowana jest na 450 GtC (IPCC, 2021). Gdyby to emisja z lądowej roślinności miała być przyczyną wzrostu poziomu dwutlenku węgla w atmosferze, roślinność ta musiałaby stracić co najmniej 40% biomasy – co najmniej, bo część związanych z tym emisji musiałaby też zostać pochłonięta przez oceany – i musiałoby to nastąpić w większości w ostatnich kilku dekadach². 

Choć masowe wylesianie w ekosystemach tropikalnych (ale i nie tylko) jest wciąż dużym problemem, zachodzi na skalę o rząd wielkości mniejszą niż wynikałoby z artykułu Koutsoyiannisa, oraz jest z nawiązką kompensowane przez pochłanianie CO₂ przez ekosystemy lądowe. Sam Koutsoyiannis też wydaje się z tym faktem zgadzać, skoro pisze o „wzroście produktywności” i „rozroście” biosfery.

Biosfera musi więc skądś „wyczarowywać” atomy węgla, i tym źródłem nie może być powietrze, bo przecież zgodnie z pomysłami Koutsoyiannisa przepływ netto następuje z lądu do atmosfery, a nie na odwrót. Jednocześnie emisja antropogeniczna – około 740 GtC od roku 1750 –  gdzieś w równie magiczny sposób znika. Gdyby nie znikała, poziom dwutlenku węgla w atmosferze rósłby znacznie szybciej niż obserwujemy, bo do emisji antropogenicznych trzeba byłoby dodać emisje netto (zamiast pochłaniania) lądowej biosfery.

Czy Koutsoyiannis jest świadomy tych sprzeczności? Można podejrzewać, że tak, bo w toku dyskusji z krytykami swojego poprzedniego artykułu, prowadzonej na blogu Judith Curry, pośrednio przyznał że lądowa biosfera i oceany więcej dwutlenku węgla pochłaniają niż emitują. Kiedy jednak wskazano mu, że konsekwencją tego faktu jest wniosek, iż nie mogą więc być źródłem przyrostu CO₂, Koutsoyiannis odmówił dalszej dyskusji.

2. Roślinność, podobnie jak paliwa kopalne, też jest zubożona w ¹³C.

Jak wspomniano wcześniej, paliwa kopalne są zubożone (w różnym stopniu: węgiel i ropa mniej, gaz ziemny najbardziej) w ciężki izotop węgla ¹³C, ponieważ zubożona była biomasa roślinna, z której bezpośrednio albo pośrednio powstały miliony lat temu. Oznacza to, że sama obserwacja zmniejszania względnej koncentracji ¹³C w atmosferze, rozpatrywana w oderwaniu od innych argumentów, nie mówi nam jednoznacznie o przyczynach wzrostu koncentracji CO₂, bo zubożony w ¹³C dwutlenek węgla mógłby potencjalnie pochodzić z biosfery współczesnej, albo tej sprzed milionów lat i uwięzionej w postaci paliw kopalnych. 

W kontekście wyjaśniania przyczyn wzrostu zawartości dwutlenku węgla w atmosferze zmniejszanie proporcji ¹³C nie jest rozpatrywane w izolacji: wiemy, że spalamy paliwa kopalne i w jakiej ilości; wiemy, że biosfera lądowa nie zmniejszyła się znacząco w ostatnich dekadach, a nawet wręcz przeciwnie; strumienie dwutlenku węgla w atmosferze monitorujemy naziemnie, z satelitów, a także modelujemy numerycznie. 

W artykule Koutsoyiannisa te dodatkowe fakty są jednak kompletnie ignorowane, i nie pojawiają się w zastępstwie żadne inne. Oznacza to, że gdyby postawione przez autora argumenty faktycznie przemawiały przeciwko antropogenicznej emisji CO₂ jako przyczynie wzrostu koncentracji tego gazu w atmosferze, przemawiałyby również przeciwko emisji z lądowej biosfery, bo ta emisja też jest zubożona w izotop ¹³C. Można je od siebie odróżnić przy starannym modelowaniu, bo poziom zubożenia nie jest identyczny. Koutsoyiannis jednak takich starannych obliczeń nie przedstawia (mniej starannych też nie). 

3. Koutsoyiannis nie potrafił sformułować przewidywań, które miały zostać sfalsyfikowane. 

Powyższe problemy dotyczą fundamentalnych założeń przyjętych przez Koutsoyiannisa, które zostały przez niego pominięte albo zignorowane. Same w sobie sugerują one, że niezależnie od tego, jak wygląda analiza autora, jest ona błędna albo w technicznych szczegółach, albo w interpretacji wyników. Możemy się więc przyjrzeć tym szczegółom bliżej.

Większość artykułu używa metody zwanej „wykresem Keelinga” (opisanej w sekcji 3 artykułu, i wyprowadzonego z równań 1-12), po raz pierwszy użytej przez Charlesa Keelinga pod koniec lat 50-tych ubiegłego wieku (Keeling, 1958). Umożliwia ona określenie składu izotopowego (tj. δ¹³C) źródła dwutlenku węgla, takiego jak lokalny ekosystem albo obszar oceanu, w oparciu o pomiary składu izotopowego i koncentracji dwutlenku węgla powietrza w pobranej próbce. Przy spełnieniu określonych warunków zależność między nimi jest silnie liniowa, a wykres Keelinga, poprzez zastosowanie regresji, pozwala na ilościowe oszacowanie wartości δ¹³C źródła emisji gazu.

Ten rodzaj analizy bywał stosowany przez geochemików od ponad pół wieku (Pataki  in., 2003), może więc wydać się zaskakujące że Koutsoyiannisowi – który geochemikiem bynajmniej nie jest – wyszły wnioski na bakier z dotychczasowymi ustaleniami najlepszych specjalistów z tej dziedziny. Jak się jednak okazuje, wnioski te są wynikiem błędnej interpretacji danych.

Izotopowa sygnatura źródła – czy i na ile powinna się zmieniać?

Główna teza artykułu wyrażona jest w tytule i jego streszczeniu: Koutsoyiannis odkrył, że sygnatura izotopowa uśrednionego źródła odpowiedzialnego za przyrost zawartości dwutlenku węgla w atmosferze nie zmieniła się w ostatnich kilkudziesięciu latach (tudzież do połowy XIX wieku), i w związku z tym jest niewrażliwa na wzrost emisji antropogenicznej dwutlenku węgla w tym samym okresie.

Nasuwa się jednak w tym momencie oczywiste pytanie, które powinien zadać (i odpowiedzieć) autor, a kiedy tego nie zrobił, powinni je zadać recenzenci artykułu. Pytanie to brzmi: „i co z tego?” Dlaczego sygnatura izotopowa źródła zmian dwutlenku węgla w atmosferze miałaby się zmienić skoro źródło samej emisji nie uległo zmianie? A jeśli powinna się zmienić, to o ile? Innymi słowy, autor powinien przedstawić jakieś ilościowe przewidywania oparte o model, który pragnie sfalsyfikować, a następnie porównać je z wynikami pomiarów.

Koutsoyiannis tego nie zrobił. Całość uzasadnienia jego tezy zawarta jest w dwóch zdaniach z sekcji 4.3 artykułu, że skoro „w obserwowanym okresie ludzkie emisje CO₂ wzrosły dwukrotnie w skali rocznej (od 5,2 GtC rocznie w 1978 r. do 10,1 GtC rocznie w 2022 r.) i wzrosły ponad trzy razy jeśli chodzi o wartości skumulowane (od 152,1 GtC w 1978 r. do 481,8 GtC w 2022 r.)”, to „jeśli spalanie paliw kopalnych było przyczyną wzrostu CO₂ i spadku δ¹³C, rozsądnym było także oczekiwanie spadku wartości sygnatury izotopowej δ¹³C_I”. 

Czy faktycznie byłoby to rozsądne oczekiwanie? W 1978 roku spalaliśmy paliwa kopalne i w 2022 roku też spalaliśmy paliwa kopalne. Ich uśredniona sygnatura izotopowa faktycznie mogła się trochę zmienić, bo zmieniły się wzajemne proporcje konsumpcji węgla, ropy i gazu ziemnego, a także dwutlenku węgla emitowanego wskutek wylesiania i gospodarki gruntami. W szczególności, wkład węgla w emisję wzrósł, a gazu ziemnego spadł w porównaniu do wartości sprzed 20 czy 30 lat. Warto przy tym podkreślić, że mamy tu do czynienia z klasycznym zagadnieniem mieszania co oznacza, że zmiana stężenia nie wynika bezpośrednio ze zmiany ilości dodawanej substancji, a ze zmian ogólnych proporcji, które wynikają z sumowania już znajdującego się w atmosferze z gazu z nowo dodanym, co ogranicza zakres zmian.

Należałoby się więc spodziewać, że uśrednione δ¹³C w ostatnich 20 latach stanie się nieco mniej ujemne – i jeśli wczytać się w artykuł Koutsoyiannisa (rys. 11), efekt ten udało mu się wykryć.

Zmiany sezonowe?

Drugim argumentem, omawianym w sekcji 4.1 artykułu, jest brak zmian sezonowej amplitudy wahań δ¹³C mierzonej w czterech stacjach: w Barrow (Alaska), La Jolla (Kalifornia), Mauna Loa (Hawaje) i Biegunie Południowym. Ponownie jednak Koutsoyiannis nie pisze, jakiej zmiany należałoby się według niego spodziewać i z czego miałaby ona wynikać. Strumienie dwutlenku węgla związane z fotosyntezą i respiracją są przecież, jak wielokrotnie podkreśla autor, wielokrotnie większe od emisji antropogenicznych, nic więc dziwnego, że mają dominujące znaczenie w kształtowaniu cyklu rocznego. Zależą od warunków klimatycznych, takich jak temperatura i opady, a także samego stężenia dwutlenku węgla w atmosferze. Skuteczność frakcjonacji izotopowej też jest zależna od koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze, i efekt ten może być już mierzalny (Keeling i in., 2017). 

Model, który nie uwzględnia, ale uwzględnia antropogeniczne emisje CO₂

Trzecim argumentem Koutsoyiannisa (sekcja 5 artykułu) jest to, że skonstruowany przez niego prosty model cyklu węglowego bardzo dokładnie przewiduje przebieg wahań zmian δ¹³C, pomimo że nie uwzględnia antropogenicznych emisji dwutlenku węgla.

Jeśli jednak przyjrzeć się konstrukcji tego modelu, staje się jasne, że emisje antropogeniczne jednak są w nim zawarte, jako wartości parametrów wyznaczonych w oparciu o pomiary wahań δ¹³C i koncentracji CO₂ zachodzących w prawdziwym świecie (gdzie te emisje przecież występują). Ponieważ jednak model Koutsoyiannisa pakuje wszystkie strumienie węgla do jednego worka i z definicji nie odróżnia emisji antropogenicznych od naturalnych, nie jest niczym dziwnym, że jego autor nie potrafił wykryć obecności tych pierwszych.

Podsumowanie

W swojej nowej publikacji Demetris Koutsoyiannis po raz kolejny NIE wykazał, że współczesny wzrost koncentracji jest spowodowany czynnikiem innymi niż działalność człowieka. W swoich wywodach pominął dobrze znane (i potwierdzone pomiarami) fakty na temat zużycia paliw kopalnych czy stanu biosfery, a w interpretacji wyników swoich obliczeń popełnił błędy, które doprowadziły go do nieuzasadnionych wniosków. 

Doskonale Szare, konsultacja merytoryczna: prof. Tomasz Goslar, prof. Bogdan Chojnicki

---

1 Na przykład wielkie wymierania z przeszłości Ziemi powiązane są z ujemnymi anomaliami izotopowymi („negative isotope excursions”), czyli zapisanym w skałach osadowych bardzo szybkim (w skali geologicznej) obniżeniem zawartości izotopu ¹³C, które interpretowane jest jako objaw uwolnienia ogromnych ilości dwutlenku węgla do atmosfery. Patrz np. Vervoort i in., 2019. Wróć do tekstu.

2 Poziom 350 ppm, czyli półmetek pomiędzy obecną (2024) a przedindustrialną wartością koncentracji CO₂, został przekroczony w 1988 roku. Wróć do tekstu.