Wszystkie rośliny używane w przemysłowej produkcji biopaliw wymagają odpowiedniej uprawy pozwalającej uzyskać wysokie plony. Uprawa wiąże się w większości przypadków z zabiegami naruszającymi wierzchnią warstwę gleby. Sprzyja to rozkładowi zawartej w niej materii organicznej, czemu towarzyszą emisje CO₂. Im gleba bardziej bogata w materię organiczną, tym te emisje są większe. Na końcu skali znajdują się gleby organiczne np. torfowe. Ich osuszanie na cele rolnicze oraz uprawa, skutkująca dalszą degradacją, wiążą się z bardzo dużymi emisjami CO₂. Na tyle dużymi, że mogą one wielokrotnie przewyższyć ilość CO₂ pobraną z atmosfery przez uprawiane rośliny.

Na ten problem wskazuje m.in. opublikowany w tym roku w Nature Climate Change artykuł pod kierownictwem prof. Chrisa Evansa, specjalisty biogeochemii torfowisk z Brytyjskiego Centrum Ekologii i Hydrologii. Naukowcy przyjrzeli się w nim uprawom kukurydzy na surowiec do produkcji biometanu prowadzonym na osuszonych torfowiskach w Wielkiej Brytanii. Okazało się, że w tym przypadku same emisje z gleby, wliczane do całościowego śladu węglowego biometanu z kukurydzy, mogą przekraczać nawet trzykrotnie ilość CO₂ emitowanego ze spalania równoważnej ilości gazu ziemnego (Evans i in., 2024).

Biodiesel niekoniecznie lepszy od ropy

Podobna sytuacja ma miejsce w przypadku np. biodiesla uzyskiwanego z owoców palm olejowych uprawianych na osuszonych torfowiskach tropikalnych. Emisje ze spalania takiego biodiesla, gdy uwzględni się emisje z gleby, mogą być od 3 do nawet 40 razy wyższe w porównaniu do diesla „kopalnianego”. Niszczenie głębokich torfowisk, które tworzyły się dziesiątki tysięcy lat, uwalnia „starożytny” węgiel organiczny, co powoduje, że emitowany na skutek tych działań CO₂ jest bardziej podobny pod względem wpływu na klimat do CO₂ z paliw kopalnych niż do tego pochodzącego ze spalania materii organicznej uczestniczącej w bieżącym cyklu węglowym (np. drewna) (Evans i in., 2024) (zobacz też: Torfowiska – kolejne dodatnie sprzężenie zwrotne zmiany klimatu) 

Nie tylko emisje z gleby

Dodatkowymi źródłami emisji gazów cieplarnianych w przypadku wytwarzania biopaliw z roślin są  też np. stosowanie nawozów (emisje N₂O) czy rowy odwadniające (CH₄ z rozkładu materii organicznej zanurzonej w stojącej wodzie). W przypadku produkcji biogazu z kukurydzy uprawianej na glebach organicznych okazuje się, że emisje związane z użyciem nawozów, transportem itp. sumarycznie są i tak niższe od tych z gleby. To pokazuje jak ważne jest uwzględnienie tych ostatnich przy określaniu emisji z całego cyklu produkcyjnego (LCA) biopaliwa. Bez tego jego ślad węglowy może zostać znacznie zaniżony. Podobnie może się stać, gdy potraktuje się wszystkie gleby organiczne jednakowo, bez rozróżniania ich według procentowej zawartości materii organicznej (emisje z tych „bogatszych” mogą być wielokrotnie wyższe od tych z „uboższych”), a także gdy nie wlicza się metanu z rowów odwadniających pola uprawne (Evans i in., 2024, Liang i in, 2024) (zobacz też: Z pól do morza – nawozy a środowisko i klimat).

Biometan nie zawsze może być dobrym rozwiązaniem

Precyzyjne określenie śladu węglowego biopaliw jest konieczne, gdyż często są one uznawane za jedno z ważnych rozwiązań mitygacyjnych. Od 2000 r. produkcja samego biometanu zwiększyła się na świecie czterokrotnie, a szacunki IEA dotyczące dalszego wzrostu są równie optymistyczne. Problem w tym, że jeśli nie będziemy w  stanie wyeliminować biopaliw bardziej emisyjnych niż paliwa kopalne, może się okazać, że trudno jest dzięki nim zbliżać się do celów dekarbonizacyjnych w transporcie czy ogrzewaniu. Szczególnie, że pod uprawy energetyczne potrzebne są tereny, które mogłyby zostać wykorzystane na inne cele: uprawy roślin jadalnych czy zalesianie, a w przypadku gleb organicznych – zostać wycofane z produkcji rolnej i poddane renaturyzacji. Te ostatnie działania mogłyby mieć w wielu miejscach większy wpływ na lokalne ograniczanie emisji gazów cieplarnianych niż wykorzystanie biopaliw (IPCC, 2023, Evans i in., 2024).

Biopaliwa – tak, ale z rozsądkiem

Tymczasem gdyby produkcja biometanu w procesach beztlenowych (fermentacji) miała zaspokoić 6-9% światowego zapotrzebowania na energię pierwotną, czyli ilość możliwą do osiągnięcia według szacunków producentów biopaliw, wymagałoby to znacznego zwiększenia obszaru upraw energetycznych np. kukurydzy, tak aby zajmowały one ok. 7% światowej ziemi rolnej. Biorąc pod uwagę, że ekspansja rolnictwa na tereny naturalne jest jedną z głównych przyczyn wylesiania i związanych z tym emisji CO₂, a także zmniejszania bioróżnorodności, można się zastanawiać czy jest to warte swojej ceny – szczególnie gdy dokładnie policzymy „klimatyczny” bilans produkcji biopaliw z roślinnej biomasy (Ritchie, 2021, Evans i in., 2024). 

The post Klimatyczny koszt biopaliw bywa wyższy niż paliw kopalnych appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Wykres średniej globalnej koncentracji metanu (CH₄) miesiąc po miesiącu, dla ostatnich dekad. Dane pochodzą z naziemnych stacji pomiarowych (Cooperative Global Air Sampling Network). Więcej o metanie, więcej o pomiarach koncentracji gazów cieplarnianych.

Oś pozioma: lata, oś pionowa: koncentracja CH₄ w powietrzu (ppm – parts per million, liczba cząsteczek CH₄ w milionie cząsteczek gazów składających się na powietrze)

Czerwone punkty oznaczają wartości średnich miesięcznych. Czarna linia pokazuje dane, z których usunięto wpływ wahań koncentracji CH₄ związanych z cyklem pór roku.

Źródło: Global Monitoring Laboratory, Earth System Research Laboratories NOAA (bezpośredni link).

W ramach akcji „Wykres na dziś” publikujemy wykresy i inne wizualizacje dotyczące zagadnień związanych ze zmianą klimatu. Mamy nadzieję, że prezentowane przez nas dane stanowić będą punkt wyjścia do szerokiej i opartej na faktach dyskusji na temat globalnego ocieplenia oraz możliwości jego ograniczenia. Akcję prowadzimy we współpracy z Komitetem ds. Kryzysu Klimatycznego Polskiej Akademii Nauk.

Zobacz wszystkie wizualizacje.

The post Globalna średnia koncentracja metanu w ostatnich dekadach (NOAA) appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Metan jest drugim, pod względem wpływu na klimat, istotnym gazem cieplarnianym (więcej na temat przeczytasz np. w artykule „Metan w środowisku” na naszym portalu). Jego ilość w atmosferze stale wzrasta (patrz „Coraz więcej gazów cieplarnianych w atmosferze”), co zagraża realizacji celów klimatycznych przyjętych przez państwa świata w Porozumieniu paryskim. W trakcie spotkania COP26 w Glasgow w 2021 r., po publikacji raportu Global Methane Assessment (CCAC/UNEP), ponad 100 krajów podpisało porozumienie Global Methane Pledge. Sygnatariusze zobowiązali się do ograniczenia emisji metanu o 30% do 2030 r. w odniesieniu do 2020 r. Niestety, porozumienia nie podpisały Chiny, Indie i Rosja, czyli duzi emitenci metanu, aczkolwiek Chiny złożyły inną wspólną deklarację wraz z USA. Realizacja Global Methane Pledge może zmniejszyć przewidywane do 2050 r. globalne ocieplenie o 0,28°C. Ponadto, jak wskazano w Global Methane Assessment, realna byłaby także większa redukcja emisji: o 45% w ciągu dekady.

Emisje metanu w poszczególnych krajach znamy głównie z obowiązkowych deklaracji, dotyczących wybranych gałęzi przemysłu oraz oszacowań, bazujących na znajomości procesów, w których metan jest emitowany (więcej znajdziesz np. w artykule “The Global Methane Budget 2000–2017”). Istniejące bazy gromadzące dane o emisjach nie pozwalają na ustalenie z dużą dokładnością, gdzie występują emisje i w jakich ilościach. Metan wydobywa się m.in. z gazociągów, szybów naftowych, kopalni, zakładów przetwórstwa paliw kopalnych, czy składowisk odpadów. Wycieki mogą następować przez zaniedbanie lub w wyniku celowego działania, co sprawia, że przynajmniej część z nich jest ukrywana. W związku z tym konieczna jest weryfikacja i śledzenie wycieków na całym świecie. Warto tu wspomnieć, że ONZ powołało Międzynarodowe Obserwatorium Emisji Metanu, działające w ramach Programu Środowiskowego (UNEP). Jego zadaniem jest wiarygodne określenie wszelkich emisji tego gazu. 

Jak znaleźć emitentów metanu

Obecnie, weryfikację emisji metanu można prowadzić użyciem satelitów, co ma tę zaletę, że informacje pozyskuje się szybko i globalnie. Na orbitach okołoziemskich funkcjonuje już kilka satelitów lub ich sieci, a część jest w fazie przygotowania, m.in.:

• GHGSat – satelity firmy prywatnej, oferującej dane dla sektorów: wydobycia ropy, gazu i węgla, gospodarki odpadami, a także dla instytucji finansowych i publicznych, od 2016 r.
• Copernicus Sentinel-5 Precursor – satelita Europejskiej Agencji Kosmicznej i Komisji Europejskiej, od 2017 r.
• GOSAT/GOSAT-2 – satelity Japan Aerospace Exploration Agency, od 2018 r. 
• MethaneSAT – satelita finansowany przez amerykańską organizację pozarządową  Environmental Defense Fund oraz Nowozelandzką Agencję Kosmiczną, planowane wystrzelenie w 2022 r.
• GeoCarb – satelita geostacjonarny, wspólna inicjatywa m.in. NASA i University of Oklahoma, planowane wystrzelenie w 2023 r.
• Carbon Mapper – publiczno-prywatny projekt NASA/Jet Propulsion Laboratory, planowany

Satelity różnią się między sobą parametrami sensorów, m.in. rejestrowanymi zakresami długości fali elektromagnetycznej, rozdzielczością, zarówno przestrzenną, jak i widmową (szerokością wspomnianych przedziałów długości fal), szybkością lotu itp. Koncentracja metanu nie jest mierzona w sposób bezpośredni, lecz uzyskiwana w wyniku analizy i interpretacji natężenia światła w różnych zakresach widmowych, zwykle dla całej kolumny powietrza, od powierzchni Ziemi do szczytu atmosfery.       

Uzyskanie precyzyjnej informacji o lokalizacji punktu emisji jest sporym wyzwaniem. Przykładowo, detektor TROPOMI, umieszczony na satelicie Sentinel-5P, ma nominalną rozdzielczość 7 x 7 kilometrów i na podstawie zbieranych przez niego danych można tylko orientacyjnie ustalić globalne „hotspoty” emisji. Aby uzyskać precyzyjne lokalizacje źródeł, firma GHGSat, łączy te informacje z własnymi danymi (zbieranymi z użyciem instrumentów o większej rozdzielczości, przyrządów montowanych w samolotach i in.) oraz analizami stanu atmosfery.      

Inna wykorzystana metoda to połączenie danych z dwóch misji: Copernicus Sentinel-5P i Sentinel-2, oraz zastosowanie algorytmów sztucznej inteligencji. Dzięki temu specjaliści z firmy Kayrros wykryli 13 zdarzeń emisji metanu (do 164 ton na godzinę) w latach 2019–2020 wzdłuż rurociągu Jamał-Europa, biegnącego przez Rosję, Białoruś, Polskę i Niemcy, na dystansie 4196 km. Co ciekawe, liczba zdarzeń-emisji na terenie Rosji, wykrytych przez Kayrros, wzrosła o 40% w 2020 r. w porównaniu z 2019 r., mimo że pandemia COVID-19 spowodowała zmniejszenie eksportu rosyjskiego gazu do Europy o około 14%, według Międzynarodowej Agencji Energetycznej IEA.

Na ilustracji 2 możecie zobaczyć emisję metanu z wysypiska śmieci w pobliżu centrum Madrytu w Hiszpanii, na ilustracji 3 emisję z kopalni węgla w prowincji Shanxi w Chinach, zaś na ilustracji 4 emisję w wyniku wycieku z gazociągu w Kazachstanie.

Niedoszacowane emisje metanu

Analiza danych satelitarnych wskazuje, że emisje metanu są niedoszacowane i że problem dotyczy praktycznie całego świata. Na przykład, w Turkmenistanie na polach wydobywczych wykazano szereg wycieków, którym można było zapobiec (choćby przez wypalenie, w wyniku którego do atmosfery zamiast metanu trafi mniej szkodliwy dwutlenek węgla), czego jednak nie wykonano. W niektórych punktach wyciekają dziesiątki ton metanu na godzinę. W USA, z kolei, wykryto wycieki z opuszczonych odkrywek gazowych w Pensylwanii i wskazano dziesiątki innych wycieków z funkcjonujących szybów gazowych. Wszystko wskazuje na to, że problem jest bardzo istotny, szczególnie w kontekście odchodzenia od energetyki węglowej na rzecz spalania gazu, jako rzekomo mniej emisyjnego medium energetycznego, stanowiącego paliwo przejściowe na drodze do źródeł niskoemisyjnych. 

Według Yasjka Meijera, naukowca pracującego w ramach projektu Carbon Dioxide Monitoring mission (CO2M):

Wielu producentów ropy i gazu twierdzi, że ich średni wyciek wynosi około 1%. Okazuje się, że to znacznie więcej. Spalanie gazu w elektrowni przewyższa węgiel pod względem śladu węglowego tylko wtedy, gdy wyciek nie przekracza około 4%. Biorąc pod uwagę obecne liczby, faktycznie mamy wątpliwości, ponieważ może to być może 6% lub 12%, a wtedy globalny wpływ na klimat byłby znacznie większy.

Nie tylko przemysł paliw kopalnych ma swoje tajemnice. Ilse Aben, naukowiec z Netherlands Institute for Space Research, powiedział:

Zanim zobaczyliśmy pierwszy, nigdy nie sądziłem, że będziemy w stanie zobaczyć z kosmosu emisje ze składowisk odpadów. To z pewnością wywołało efekt ‘wow’, kiedy zobaczyliśmy to po raz pierwszy. A teraz wykryliśmy ich już całkiem sporo. 

Monitorowanie emisji gazów cieplarnianych z satelitów jest wciąż na wczesnym etapie, jednakże przemysł kosmiczny jest gotowy, aby poprawić technologię i zrobić kolejny krok, skutecznie pilnując emitentów z kosmosu. Ta możliwość będzie miała kluczowe znaczenie, aby świat był na dobrej drodze do osiągnięcia celów redukcji emisji gazów cieplarnianych i utrzymania globalnego ocieplenia w pobliżu limitu 1,5°C, określonego w Porozumieniu paryskim wynegocjowanym w 2015 r. Obecnie kraje samodzielnie zgłaszają swoje emisje na podstawie ilości paliw kopalnych spalanych w różnych sektorach ich gospodarki. Jednak kraje często publikują te liczby z pięcioletnim opóźnieniem, a eksperci kwestionują ich dokładność.

Niemniej jednak, trzeba walczyć o ograniczenie emisji metanu, albowiem to osiągniecie wydaje się znacznie prostsze niż osiągnięcie redukcji dwutlenku węgla. Uwalnianie metanu nie leży w niczyim interesie.

Monitorowanie emisji metanu a dwutlenku węgla

Monitorowanie metanu jest prostsze niż monitorowanie emisji dwutlenku węgla. Naturalna ilość metanu w powietrzu jest znacznie niższa niż dwutlenku węgla, a dodatkowo poziom emisji ze źródeł antropogenicznych jest znacznie wyższy niż poziom tła, więc znacznie łatwiej można je wyodrębnić. W przypadku dwutlenku węgla jest odwrotnie. W atmosferze jest go względnie dużo, a dodatek wywołany przez poszczególne źródła jest stosunkowo niewielki.

Mimo trudności, monitorowanie źródeł emisji CO₂ jest równie ważne. Misja ESA CO2M ma za zadanie uruchomienie pierwszego tego typu narzędzia zdolnego do wskazania poszczególnych antropogenicznych źródeł dwutlenku węgla. Obecnie podobne zadanie wykonują satelity NASA Orbiting Carbon Observatory 2 i detektor OCO-3, jednak rozdzielczość tych dwóch instrumentów nie jest wystarczająco dobra, aby wykryć poszczególne emitery. Misja CO2M, która ma wystartować do 2026 roku, ma mierzyć stężenia gazu z dokładnością do 0,25%, co nadal stanowi wyzwanie techniczne. 

Wiara czyni cuda

Mamy nadzieję, że obserwacje satelitarne pomogą utrzymać świat na właściwej drodze do zażegnania kryzysu klimatycznego. Mimo, że skala wycieków metanu zaskoczyła badaczy, to jednak teraz, kiedy można wreszcie zobaczyć ukryte wcześniej przecieki gazociągów i zanieczyszczające atmosferę składowiska, rozwiązanie problemu jest przynajmniej technicznie możliwe. 

Jacek Pniewski, na podstawie T. Pultarova, “Satellites discover huge amounts of undeclared methane emissions”

The post Satelity na tropie niezadeklarowanych emisji metanu appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

2020: stężenie CO₂ już prawie o połowę większe niż w epoce przedprzemysłowej

Średnie stężenie CO₂ w atmosferze w 2020 r., jak pokazują pomiary NOAA, sięgnęło poziomu 412,5 ppm (cząsteczek na milion cząsteczek powietrza).

Roczny wzrost o 2,6 ppm w 2020 roku, pomimo ok. siedmioprocentowego spadku emisji CO₂ związanego ze spowolnieniem gospodarczym, był piątym najwyższym w historii pomiarów.

Duże wzrosty atmosferycznej koncentracji CO₂ mają miejsce zwykle w latach występowania silnych zjawisk El Niño, prowadzących do spadku produktywności biologicznej na lądach i wynikającego z tego ograniczenia pochłaniania CO₂ przez ekosystemy lądowe (jak np. w 1998 czy 2015 r., patrz też Pięć pytań o ENSO). W 2020 roku El Niño nie występowało, dlatego duże tempo wzrostu ilości CO₂ w atmosferze tym bardziej zwraca uwagę.

W epoce przedprzemysłowej koncentracja CO₂ w atmosferze wynosiła ok. 278 ppm. Przy utrzymaniu się emisji CO₂ na poziomie z ostatnich lat (przynoszących wzrost stężenia dwutlenku węgla o ok. 2,5 ppm rocznie), w przyszłym roku średnie globalne stężenie CO₂ przekroczy 417 ppm, czyli będzie o 50% wyższe niż w epoce przedprzemysłowej.

Stężenia CO₂ zbliżone do obecnych po raz ostatni miały miejsce ok. 3,3-3 mln lat temu, w środkowym pliocenie (ang. mid-Pliocene Warm Period, MPWP). Globalna temperatura była wtedy wyższa o ok. 3°C, poziom morza był wyższy o ponad 20 metrów, a obszary Arktyki będące obecnie tundrą porastały gęste lasy (Brigham-Grette, 2013). Długoterminowo zaś średnie stężenie CO₂ utrzymywało się ostatnio na tym poziomie kilkanaście milionów lat temu, w miocenie.

2020: Najszybszy wzrost stężenia metanu w historii pomiarów

Drugim w kolejności gazem cieplarnianym mającym największy wkład w obecną zmianę klimatu jest metan. Każda wyemitowana do atmosfery tona tego gazu ma w 100-letnim horyzoncie czasowym 28-krotnie większy wpływ ocieplający niż tona CO₂ , a w 20-letnim ponad 80-krotnie większy (IPCC, 2013).

Wstępne dane NOAA pokazują, że w 2020 roku średnie globalne stężenie metanu w atmosferze wzrosło o 14,7 ppb (cząsteczek na miliard cząsteczek powietrza), co było największym wzrostem w całej historii pomiarów.

W rezultacie stężenie metanu w grudniu 2020 r., ostatnim miesiącu, dla którego przeanalizowane zostały dane pomiarowe, wyniosło 1892,3 ppb.

O ile w latach 1998-2006 stężenie metanu w atmosferze było dość stabilne, to od tego czasu rośnie coraz szybciej. Tempo wzrostu koncentracji metanu leży „w pół drogi” między dwoma najbardziej pesymistycznymi scenariuszami wykorzystywanymi do projekcji klimatu (tzw. reprezentatywnymi ścieżkami koncentracji, ang. Representative Concentration Paths, RCP) – RCP6.0 i RCP8.5.

Główne antropogeniczne źródła emisji metanu to hodowla przeżuwaczy, ryżowiska, eksploatacja paliw kopalnych (w tym wycieki metanu z kopalń węgla), wysypiska śmieci oraz spalanie biomasy. Do bezpośrednich źródeł antropogenicznych dołączają także sprzężenia zwrotne związane ze zmianą klimatu takie jak wzrost emisji z mokradeł tropikalnych i (na razie w mniejszym stopniu) wieloletniej zmarzliny oraz wydłużenie czasu życia metanu w środowisku w związku z niewystarczającą ilością rodników hydroksylowych •OH usuwających metan z obiegu (patrz Metan w środowisku).

Jaka jest przyczyna szybkiego wzrostu stężenia metanu? Wstępne analizy, bazujące na analizie izotopowej próbek powietrza NOAA, przeprowadzone przez Institute of Arctic and Alpine Research przy Uniwersytecie Colorado w Boulder sugerują, że głównym czynnikiem wzrostu stężenia metanu są źródła biologiczne. Swoją cegiełkę w 2020 roku dołożyły też emisje metanu z infrastruktury wydobycia i wykorzystywania paliw kopalnych: w wyniku spadku cen oraz obcięcia funduszy na utrzymanie liczba emisji (upustów) tego gazu do atmosfery w ostatnim roku wzrosła – w Rosji aż o 40%, wykrywane są też emisje w rejonach wydobycia gazu łupkowego w USA oraz w Kazachstanie (ESA 2021).

Do 2022 roku na orbicie znajdzie się konstelacja 10 satelitów GHGSat prowadzących precyzyjne pomiary emisji metanu z rozdzielczością 50×50 metrów oraz komplementarny do nich satelita MathaneSat o szerokim polu widzenia, wskazujący rejony emisji do szczegółowej analizy przez satelity GHGSat. Działanie tych satelitów umożliwi znacznie skuteczniejsze wykrywanie emisji metanu, zarówno z infrastruktury wydobycia paliw kopalnych i ich przesyłu, jak i hodowli zwierząt czy wysypisk (ESA 2020, GHGSat, Bloomberg 2021).

Łączny wpływ gazów cieplarnianych na klimat w 2020

Wspomnieliśmy, że w epoce przedprzemysłowej średnia koncentracja CO₂ w atmosferze wynosiła 278 ppm, a w ostatnim roku wzrosła do 412,5 ppm. A jaki jest łączny wpływ na klimat gazów cieplarnianych, których stężenie w atmosferze zwiększyliśmy? W 2019 roku ustanowiliśmy okrągły rekord koncentracji gazów cieplarnianych w atmosferze, wyrażonej w ekwiwalencie CO₂: 500 ppm (NOAA). W 2020 roku przekroczyliśmy ten próg, osiągając 503 ppm.

Równoważnik (nazywany także ekwiwalentem) dwutlenku węgla (CO₂e) to wyrażona w ppm koncentracja dwutlenku węgla, która skutkowałaby identycznym wymuszeniem radiacyjnym, jak dane stężenie porównywanego gazu/gazów cieplarnianych.

Przykładowo, dla mieszaniny gazów w powietrzu w 1998 roku, IPCC podaje wymuszenie promieniowania (w odniesieniu do 1750 roku) dla różnych gazów jako: CO₂ = 1,46 (odpowiada to stężeniu 365 ppm), CH₄ = 0,48, N₂O = 0,15, a innych gazów = 0,01 W/m². Suma wszystkich wynosi 2,10 W/m². Odpowiada to wymuszeniu radiacyjnemu dwutlenku węgla o koncentracji 412 ppm, czyli możemy zapisać CO₂e = 412 ppm.

Gdyby obecne tempo wzrostu na poziomie 3 ppm utrzymało się, to w ciągu kilkunastu lat osiągnęlibyśmy ekwiwalent koncentracji CO₂e na poziomie 556 ppm, odpowiadający podwojeniu koncentracji CO₂ względem epoki przedprzemysłowej. Związany z tym wzrost temperatury powierzchni Ziemi (tzw. czułość klimatu) jest szacowany na ponad 3°C. Oczywiście nie oznacza to, że za kilkanaście lat globalna temperatura tak bardzo wzrośnie – oceany nagrzewają się powoli, topnienie lądolodów też zajmuję dużo czasu, a ponadto część ocieplającego wpływu gazów cieplarnianych jest kompensowana przez aerozole siarczanowe blokujące dopływ promieniowania słonecznego do powierzchni Ziemi. Szybka redukcja emisji może więc pozwolić na ustabilizowanie klimatu do 2100 roku na poziomie zgodnym z celami Porozumienia Paryskiego.

Redukcja emisji metanu ma tutaj szczególnie duże znaczenie. Cząsteczki tego gazu mają bardzo silny wpływ cieplarniany, jednak dość krótkotrwały, dlatego zdecydowane ograniczenie emisji metanu może doprowadzić do szybkiego spadku jego stężenia w atmosferze, osłabienia sumarycznego wymuszania radiacyjnego antropogenicznych gazów cieplarnianych i tym samym osiągniecia celów Porozumienia Paryskiego.

Marcin Popkiewicz, konstultacja merytoryczna: prof. Szymon Malinowski

The post Coraz więcej dwutlenku węgla i metanu pomimo spadku aktywności gospodarczej w 2020 r. appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Metan – źródła emisji

Metan jest drugim, pod względem wpływu na klimat, istotnym gazem cieplarnianym. W sposób naturalny powstaje głównie w słodkowodnych mokradłach i jeziorach w procesie beztlenowego rozkładu materii organicznej. Jest również produkowany w innych procesach biologicznych: w glebach, żołądkach przeżuwaczy i termitierach. Może być również produktem niepełnego spalania biomasy, np. podczas pożarów roślinności.

Klatraty metanu

Także część opadającej na dno oceanu materii organicznej ulega procesom beztlenowego rozkładu tworząc w rezultacie m.in. złoża klatratów metanu – kryształów podobnych do lodu, w których cząsteczki gazu są uwięzione w „klatkach” z cząsteczek wody. Ich pokłady są zgromadzone w stokach ocea­nicznych i w większości przykryte są warstwą osadów.

Klatraty metanu są stabilne w warunkach wysokiego ciśnienia i niskiej tempera­tury. Im niższa temperatura wody, tym mniejsze ciśnienie wystarcza do zapewnie­nia klatratom stabilnych warunków, dlatego w zimnych wodach Arktyki klatraty są stabilne już na głębokości 300 metrów. Klatraty metanu w osadach oceanicz­nych znaleźć można tylko do określonej głębokości pod dnem oceanicznym – dalej w głąb Ziemi temperatura wzrasta, uniemożliwiając ich istnienie.

W ostatnich dziesiątkach milionów lat temperatura naszego globu bardzo powoli spadała (w tej skali czasowej epoki lodowe to krótkie i niewielkie fluktuacje), dzięki czemu pokłady klatratów metanu w dnie oceanicznym były stabilne i kumulowały się przez bardzo długi czas. Szacun­ki ilości metanu w tych złożach (zarówno w formie klatratów, jak i znajdujących się pod nimi bąbli metanowych) są obarczone dużą niepewnością i wahają się w zakresie 2000–8000 GtC (IPCC, 2013). Metan stanowi jedynie 15% masy klatratów, ponieważ jednak po uwolnieniu z kryształu przyjmie formę gazową, z 1 m³ klatratów powstanie aż 170 m³ metanu. W krótkiej skali czasowej charakterystycznej dla szybkiego cyklu węglowego, klatraty metanu nie grają istotnej roli. Sytuacja może się zmienić w szczególnych sytuacjach geologicznych, kiedy gwałtowne ocieplenie klimatu może zdestabilizować złoża (patrz m.in. Klimat dawnych epok: paleoceńsko-eoceńskie maksimum termiczne (PETM), Klimat dawnych epok: wielkie wymierania).

Metan z procesów geologicznych

Metan wytwarzany jest także w procesach geologicznych. Na głębokości kilku kilometrów pod ziemią wysoka temperatura i ciśnienie prowadzą do przekształcenia materii organicznej, w wyniku czego powstawać mogą złoża gazu ziemnego (jeśli powstały metan pozostaje uwięziony) lub emisje gazu do atmosfery, jeśli leżące powyżej skały są przepuszczalne.

Emisje metanu związane z działalnością człowieka

Działalność ludzi, taka jak hodowla przeżuwaczy, zakładanie ryżowisk, składowanie odpadów na wysypiskach czy wydobywanie paliw kopalnych (metan ulatnia się wtedy z warstw geologicznych), również prowadzi do emisji tego gazu.

Zmieniając środowisko (zmiany klimatu, wylesianie, zmiana stosunków wodnych i in.) wpływamy też na emisje metanu z ekosystemów lądowych, w tym m.in torfowisk, wiecznej zmarzliny czy jezior. Choć emisje te pochodzą z naturalnych ekosystemów, ich zmian nie można traktować jak naturalnych, wiążą się bowiem z naszą działalnością.

Usuwanie metanu z atmosfery

Kluczowe dla zachowania metanu w środowisku jest to, że po uwolnieniu do atmosfery powoli reaguje on z aktywnymi chemicznie związkami tlenu, w szczególności z rodnikami ^•OH (neutralnej pod względem ładunku formie jonu wodorotlenkowego), utleniając się do dwutlenku węgla. Gdy aktywnych związków tlenu brakuje, cząsteczki CH₄ nie reagują z cząsteczkami tlenu – obserwujemy to na przykład w pęcherzykach powietrza uwięzionych w rdzeniach lodowych.

Średni czas pozostawania metanu w powietrzu (nazywany też „czasem życia”) wynosi około 10 lat (z oszacowaniami wahającymi się od 9 do 12 lat (IPCC 2013, Wuebbles i Hayhoe, 2001). Oznacza to, że wyemitowany gaz dość szybko znika z atmosfery, a przy stałym tempie jego emisji w horyzoncie czasowym kilkudziesięciu lat ustala się równowaga i rozkładowi ulega tyle samo cząsteczek, ile jest emitowane:

Głównym mechanizmem usuwania metanu ze środowiska są wspomniane wyżej reakcje z rodnikami hydroksylowymi ^•OH (powstającymi w wyniku rozkładu ozonu przez promieniowanie słoneczne, a następnie reakcję swobodnego atomu tlenu z cząsteczkami wody). Do niedawna w skali globalnej jedynie 15% rodników ^•OH było wykorzystywane w reakcjach z metanem – zapas był wystarczająco duży, by tempo usuwania metanu z atmosfery nie zależało znacząco od jego koncentracji. Ma to jednak swoje granice – wraz ze wzrostem koncentracji metanu w atmosferze możemy spodziewać się przyspieszonego usuwania rodników •OH, ich deficytu i w rezultacie wydłużenia czasu życia metanu. Możliwe, że spadek dostępności rodników był jedną z przyczyn wzrostu stężenia metanu w atmosferze, jaki nastąpił po roku 2007 (Rigby i in., 2017, Turner i in., 2017).

Przyjmując stały czas życia metanu, tempo jego rozkładu jest związane z jego ilością w atmosferze i czasem życia zależnością:

Łącząc równania (1) i (2), otrzymujemy:

Przy założeniu niezmiennego czasu życia metanu jego ilość w atmosferze zależy liniowo od tempa emisji (przy lekkim wydłużeniu czasu życia metanu jego ilość w atmosferze dodatkowo wzrośnie). Gdy patrzymy na Rysunek 3, pokazujący strumienie emisji naturalnych i antropogenicznych, widzimy, że ich suma jest blisko 2,5-krotnie większa od strumienia naturalnego (przyjmując w przybliżeniu, że wywołane przez nas zmiany emisji z ekosystemów naturalnych są znacząco mniejsze od bezpośrednich emisji związanych z naszą działalnością gospodarczą). Możemy więc się spodziewać, że obecna atmosferyczna koncentracja CH₄ też będzie mniej więcej 2,5-krotnie większa od tej w epoce przedprzemysłowej. Taki też wzrost obserwujemy (rysunek 4).

Artykuł jest zaktualizowanym i przeredagowanym na potrzeby publikacji w internecie fragmentem książki Marcina Popkiewicza, Aleksandry Kardaś i Szymona Malinowskiego pt. Nauka o klimacie.

The post Metan w środowisku appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Koncentracje gazów cieplarnianych – stan na 2020

Wyniki prowadzonych w licznych stacjach pomiarowych na całym świecie pomiarów wskazują, że koncentracje gazów cieplarnianych mających największy wkład w ocieplanie się klimatu (dwutlenku węgla, metanu i tlenku azotu(I) znanego też jako podtlenek azotu) wciąż rosną. W przypadku wielu tak zwanych freonów (gazów niszczących ozon i jednocześnie w istotny sposób zwiększających efekt cieplarniany, patrz Przed czym uchronił nas Protokół montrealski?) obserwujemy spadek koncentracji (CFC-11, CFC-12 – na rysunku poniżej) – to oczekiwany skutek wdrażania przepisów ograniczających ich wykorzystanie. Niestety, nie dotyczy to jeszcze wszystkich gazów technicznych mogących oddziaływać na klimat.

Sumaryczne wymuszanie radiacyjne gromadzących się w atmosferze, wyemitowanych przez nas gazów cieplarnianych, również cały czas rośnie.

Dwutlenek węgla

Jak widać na rysunku 3, pośród wszystkich gazów cieplarnianych przyczyniających się do obecnej zmiany klimatu największe znaczenie ma CO₂, odpowiadający za ok. 2/3 spowodowanego przez wzrost stężenia tych gazów wymuszenia radiacyjnego. Średnie globalne stężenie CO₂ w atmosferze przekroczyło próg 400 ppm (cząsteczek na milion cząsteczek powietrza) w 2015 roku. W 2019 roku, zaledwie cztery lata później, wzrosło już do 410,5 ppm. To o 48% więcej niż 278 ppm w epoce przedprzemysłowej. Niewiele brakuje już do wzrostu o połowę – w obecnym tempie zajmie to 3 lata.

Stężenie CO₂ rośnie coraz szybciej

Średnie tempo wzrostu w ostatnich latach jest już na poziomie 2,5 ppm rocznie – jeszcze w latach 90. XX wieku było to niewiele ponad 1 ppm rocznie. Nigdy w znanej nam historii klimatu Ziemi stężenie CO₂ nie rosło tak szybko jak w ostatnich latach.

Metan

Drugi pod względem udziału w wymuszaniu radiacyjnym (patrz rysunek 3) jest metan. Jego średnie globalne stężenie w 2019 roku wyniosło 1877 ppb (cząsteczek na miliard cząsteczek powietrza). To już o 160% więcej niż w epoce przedprzemysłowej. Tempo wzrostu koncentracji metanu leży „w pół drogi” między dwoma najbardziej pesymistycznymi reprezentatywnymi ścieżkami koncentracji (scenariuszami wykorzystywanymi do projekcji klimatu) – RCP6.0 i RCP8.5.

Główne antropogeniczne źródła emisji metanu to hodowla przeżuwaczy, ryżowiska, eksploatacja paliw kopalnych (w tym wycieki metanu z kopalń węgla), wysypiska śmieci oraz spalanie biomasy.

Podtlenek azotu – N₂O

Trzeci pod względem udziału w wymuszaniu radiacyjnym jest podtlenek azotu. Jego średnie globalne stężenie w 2019 roku wzrosło do 323 ppb. To o 23% więcej niż w epoce przedprzemysłowej. Główne antropogeniczne źródła emisji N₂O to emisje z rolnictwa (szczególnie związane ze stosowaniem nawozów azotowych), procesów przemysłowych oraz spalania paliw kopalnych i biomasy.

Trendy 2020: rok z koronawirusem

W związku z pandemią koronawirusa wiele krajów na świecie wprowadziło ograniczenia w przemieszczaniu się i działalności gospodarczej, czego konsekwencją jest mniejsze zapotrzebowanie na energię (zarówno w przemyśle postaci elektryczności, jak i paliw płynnych używanych w transporcie), a zatem i zmniejszone emisje dwutlenku węgla do atmosfery. Według oszacowań Global Carbon Project w okresie najsilniejszych restrykcji dzienne emisje CO₂ globalnie spadły o 17%. Ponieważ rok wciąż trwa, a w wielu krajach polityka ograniczeń w kontaktach międzyludzkich, działalności różnych sektorów gospodarczych i lockdownów zmienia się na bieżąco, to, jaki ostatecznie będzie spadek emisji w tym roku, na chwilę bieżącą można tylko szacować. Wstępne analizy pokazują, że spadek emisji będzie na poziomie 4,2-7,5%.

Niestety, nawet zmniejszone emisje ze spalania paliw kopalnych wciąż oznaczają dodawanie nowych atomów węgla do atmosfery (a szerzej – środowiska w znaczeniu szybkiego cyklu węglowego). Przy prognozowanej redukcji emisji wzrost stężenia CO₂ w tym roku będzie mniejszy o 0,08-0,23 ppm niż gdyby do pandemii nie doszło. To mniej od typowej naturalnej zmienności rok do roku, związanej głównie z oscylacjami prądów oceanicznych (w szczególności El Niño-La Niña).

Nie należy zatem oczekiwać, że kilka czy nawet kilkanaście miesięcy kilkuprocentowego zmniejszenia emisji dwutlenku węgla do atmosfery rozwiąże problem kryzysu klimatycznego. Do tego niezbędna jest pogłębiająca się i trwała redukcja spalania paliw kopalnych, prowadząca do niemal całkowitego zaprzestania ich użytkowania oraz inne zmiany sposobu działania ludzkości, takie jak m.in. zaprzestanie wylesiania oraz ograniczenie emisji z produkcji mięsa i cementu.

Marcin Popkiewicz na podst. WMO: Carbon dioxide levels continue at record levels, despite COVID-19 lockdown

The post Coraz więcej gazów cieplarnianych w atmosferze appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Spośród emitowanych przez nas gazów cieplarnianych największy wkład w ocieplenie klimatu mają CO₂, CH₄ i N₂O.

Tempo, w jakim rośnie ostatnio stężenie CO₂ jest absolutnie rekordowe. Mierzone przez NOAA w obserwatorium na Mauna Loa stężenie CO₂ w 2016 roku wzrosło o 3 cząsteczki na milion cząsteczek powietrza (ppm), podobnie jak rok wcześniej. Są to rekordowo wysokie wzrosty, bezprecedensowe w 59-letniej historii pomiarów. To już piąty rok z rzędu, kiedy stężenie CO₂ rośnie o ponad 2 ppm.

W lutym 2017 roku pomiary na Mauna Loa pokazały 406,42 ppm. Globalna średnia przekroczyła 400 ppm w 2015 roku. Szybki wzrost koncentracji CO₂ pokazują też dziesiątki innych obserwatoriów sieci pomiarowej NOAA Global Greenhouse Gas Reference Network. Tempo zmian jest bezprecedensowe nie tylko w skali ostatnich dekad, ale wielu tysiącleci.

Dotyczy to zresztą nie tylko dwutlenku węgla.

Przyjrzyjmy się, jak wyglądają obecne stężenia CO₂, CH₄ i N₂O w kontekście zmian z ostatnich 800 tysięcy lat.

Gdy Ziemia wychodziła z epoki lodowej, stężenie CO₂ przez ponad 10 000 lat wzrosło o niecałe 100 ppm, z ok. 180 do 270 ppm – rosnąc w tempie poniżej 1 ppm/100 lat. Również w przypadku innych gazów cieplarnianych dzisiejsze tempo wzrostu jest bezprecedensowe. Spójrzmy na wykresy:

Warto zauważyć, że zmiany następują tak szybko, że jeszcze niedawno mogliśmy mówić o „najwyższych stężeniach CO₂ od kilku milionów lat”, teraz powinniśmy mówić o „najwyższych stężeniach CO₂ od kilkunastu milionów lat”, a już wkrótce będziemy mówić o „najwyższych stężeniach CO₂ od kilkudziesięciu milionów lat”. Niesamowite.

Tak znaczące zmiany składu atmosfery naszej planety to rezultat naszej działalności – w przypadku emisji CO₂ spalania paliw kopalnych i wylesiania, w przypadku CH₄ i N₂O głównie działalności rolniczej. Szerzej zaś ujmując, rosnącej skali naszej działalności gospodarczej.

Co będzie dalej? Z naukowego punktu widzenia na pewno będzie ciekawie. W słynnej pracy naukowej z 1957 roku, w której na podstawie badań izotopowych jednoznacznie pokazano, że dwutlenku węgla w atmosferze przybywa wskutek spalania paliw kopalnych, jej autorzy Roger Revelle i Hans Suess pisali:

I tak ludzkość prowadzi teraz jedyny w swoim rodzaju eksperyment geofizyczny, który nie wydarzył się nigdy w przeszłości, ani nie będzie mógł być w przyszłości powtórzony. W ciągu kilku stuleci zwracamy atmosferze i oceanowi węgiel odłożony przez naturę w skałach osadowych w procesie który trwał setki milionów lat.

Ze społecznego, gospodarczego, politycznego i środowiskowego punktu widzenia też będzie ciekawie, niestety.

Marcin Popkiewicz, konsultacja merytoryczna; prof. Szymon P. Malinowski

The post Zmiany stężeń CO2, CH4 i N2O w ostatnich 800 000 lat: antropocen na sterydach appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Atmosferyczne stężenie metanu, po stagnacji w okresie 1998-2008, znowu rośnie. 
Jakie są tego przyczyny? Autorzy pracy Schwietzke i in., 2016 przeanalizowali największą zgromadzoną dotąd bazę danych na temat metanu. Celem analizy było określenie jak duże są emisje tego gazu z naturalnych źródeł geologicznych, wydobycia, przetwarzania i transportu paliw kopalnych, aktywności mikrobiologicznej i spalania biomasy. Kluczem do rozróżnienia metanu pochodzącego z poszczególnych źródeł jest jego skład izotopowy – gaz zawiera różny odsetek atomów węgla ¹²C i ¹³C (czyli z 6 lub 7 neutronami w jądrze).

Analiza pokazała, że emisje metanu związane z wydobyciem paliw kopalnych są nawet o 60% wyższe, niż dotychczas uważano. Wynoszą od 120 do 150 milionów ton, co stanowi 20-25% całkowitych emisji metanu ze wszystkich źródeł (naturalnych i związanych z działalnością człowieka).

Jednocześnie potwierdziły się wnioski przedstawiane już wcześniej np. przez grupę E. G. Nisbeta (2016): to nie zakłady wydobycia czy przetwarzania paliw kopalnych odpowiadają za WZROST emisji metanu obserwowany od roku 2007. Jak to możliwe, skoro zużycie paliw kopalnych cały czas rosło? To proste: w ostatnich 30 latach producenci zdołali ograniczyć wycieki metanu towarzyszące wydobyciu ropy i gazu z 8% do 2% produkcji. W sumie oba zjawiska – wzrost produkcji i zmniejszenie wycieków – zrównoważyły się.

Jak mówi współautorka opracowania, Lori Bruhwiler z NOAA,

Nasza analiza pokazuje, że wycieki towarzyszące aktywnościom związanym z ropą i gazem odpowiadają za dużo większe emisje metanu, niż sądziliśmy. Dobra wiadomość jest taka, że poprawa jakości infrastruktury to bardzo skuteczny sposób na krótkoterminowe ograniczenie emisji tego ważnego gazu cieplarnianego.

Analiza izotopowa opisana przez Schwietzke i in., 2016 wskazuje, że za 58-67% emisji metanu (czyli 330-380 mln ton rocznie) odpowiadają źródła „mikrobiologiczne”, czyli wszystkie miejsca, w których dochodzi do beztlenowego rozkładu materii organicznej przez mikroorganizmy. Należą do nich zarówno tworzone przez człowieka wysypiska, ryżowiska, fermy zwierząt czy pryzmy nawozu, jak i naturalne zbiorniki wodne oraz tereny podmokłe.

Całkowite emisje metanu wzrastały w latach 2007-2013 o ok. 25,5 mln ton rocznie. Jak wyjaśnia główny autor pracy, Stefan Schwietzke:

Uważamy, że to metan ze źródeł mikrobiologicznych – hodowli krów, rolnictwa, wysypisk, bagien i zbiorników słodkiej wody – odpowiada za ten wzrost. Na razie jednak nie możemy dokładnie wskazać głównego winowajcy. Jeśli dodatkowy metan pochodzi przede wszystkim z gospodarstw rolnych, to potencjalnie moglibyśmy coś w tej kwestii zrobić. Jeśli pochodzi z rozkładu roślinności na terenach podmokłych i w zbiornikach słodkiej wody, to sprawcą jest ocieplenie klimatu. Oznaczałoby to, że mamy do czynienia z pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego nasilającego zmianę klimatu. Odpowiedź na pytanie, które „jeśli” zachodzi w rzeczywistości, jest w związku z tym niezwykle istotna.

Naukowcy planują dalej rozbudowywać bazę danych pomiarowych, a w szczególności poszerzać ją o zestawy próbek pochodzących bezpośrednio z różnych rodzajów źródeł mikrobiologicznych. Pomoże to zredukować niepewności. Jak podkreśla Schwietzke:

Kluczową informacją jest to, że liczba i kompleksowość danych pomiarowych naprawdę ma w tym przypadku znaczenie. Modele używane w oszacowaniach dotyczących metanu są bardzo czułe na dane wejściowe. Nasza metoda polega na jak najszerszym wykorzystaniu danych empirycznych w celu zmniejszenia liczby czynionych w modelu założeń.

Aleksandra Kardaś na podstawie Study Finds Fossil Fuel Methane Emissions Greater than Previously Estimated, Schwietzke i in., 2016 i E. G. Nisbet (2016). Konsultacja merytoryczna: prof. Szymon P. Malinowski

The post Nieoczywisty metan appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Rok 1986 nie był wystarczająco gorący, by pobić rekord średniej globalnej temperatury, w tym czasie należący do roku 1981. Został on jednak pobity w 1987 roku. Ten ostatni nie utrzymał się długo na pierwszym miejscu, bo został szybko zdetronizowany przez rok 1988. Potem tytuł najcieplejszego roku w historii przypadał kolejno latom: 1990, 1995, 1997, 1998, 2005, 2010, 2014 i 2015. Obecny 2016 r. jest na dobrej drodze by zostać nowym rekordzistą. Jeśli do tego dojdzie, będzie to oznaczało, że mamy już 11. rekord średniej globalnej temperatury od czasu posiedzenia wspomnianej wyżej komisji. Pomijając fluktuacje miesiąc do miesiąca oraz rok do roku, globalna temperatura wzrosła w tym czasie o ponad 0,5 °C.

W 1986 Ziemia była już cieplejsza niż przed rewolucją przemysłową (epoka przedprzemysłowa) o prawie 0,6°C. Ponad 0,5°C, które osiągnęliśmy od tego czasu, sytuuje nas na poziomie ponad 1°C powyżej epoki przedprzemysłowej. To zrodziło już problemy: częstsze i silniejsze fale upałów i pożarów, zalewanie terenów przybrzeżnych spowodowane wzrostem poziomu morza oraz zmiany w występowaniu susz i powodzi. Jeżeli osiągniemy ocieplenie 1,5°C powyżej stanu z epoki przedprzemysłowej, będziemy w bardzo poważnych tarapatach – a jesteśmy na drodze do osiągnięcia tego w bardzo krótkim czasie (czytaj więcej: Ocieplenie o 1,5C możemy zapewnić sobie już w niecałe 5 lat) Jeżeli przekroczymy próg ocieplenia o 2°C powyżej poziomu z epoki przedprzemysłowej, podążymy ku katastrofie.

Ostrzegano nas.

Co zrobiliśmy z ostrzeżeniem sprzed 30 lat? Wiemy, że nie udało się powstrzymać wzrostu koncentracji gazów cieplarnianych. Ale może przynajmniej tempo tego wzrostu maleje?

Niestety nie. Przyspiesza.

Dwa gazy cieplarniane, których emisje wzmagają efekt cieplarniany to dwutlenek węgla (CO₂) oraz metan (CH₄) (czytaj również Mit: To metan jest główną przyczyną ocieplenia). Oto historia zmian stężenia CO₂ od 1958 r., mierzonego w obserwatorium atmosferycznym Manua Loa na Hawajach:

Regularne wahania góra-dół to roczne oscylacje, mające swój szczyt w maju i osiągające najniższy poziom na przełomie września i października. Możemy pominąć cykl sezonowy, aby lepiej widzieć trend:

W 1986 roku atmosferyczne stężenie CO₂ wynosiło 347,5 ppm (liczba cząsteczek CO₂ przypadających na milion cząsteczek powietrza), obecnie wynosi około 404,5 ppm. Wartość z 1986 roku była 25% wyższa niż poziom przedprzemysłowy, dzisiejszy poziom jest aż o 45% wyższy. To wręcz zaskakujące, jak dobrze wzrost pasuje do modelu, w którym tempo wzrostu stale rośnie. To może oznaczać, że stężenie CO₂ jest kwadratową funkcją czasu (parabola). Sprawdźmy: na wykresie poniżej czerwona linia to wykres funkcji kwadratowej a czarna – mierzone koncentracje.

Zgodny przebieg tych linii wskazuje, że tempo wzrostu stężenia CO₂ nieustannie przyspiesza:

W 1960 r. stężenie CO₂ w atmosferze rosło o mniej niż 1 ppm rocznie, podczas gdy teraz rośnie o ponad 2 ppm rocznie. I niestety nie wykazuje żadnych oznak zwalniania, jest wręcz przeciwnie…

A co z metanem? Oto stężenie CH₄ od 1984 r. mierzone w Cape Grim na Tasmanii (na południe od Australii):

Znów widzimy roczne oscylacje góra-dół uwidaczniające cykl sezonowy, mający swój szczyt we wrześniu i osiągający najniższy poziom na przełomie lutego/marca. Tak jak poprzednio, usuwając oscylacje sezonowe uzyskujemy wyraźniejszy obraz trendu:

Jak widać, wzrost koncentracji metanu w atmosferze w latach dziewięćdziesiątych zwolnił, a między rokiem 2000 i 2007 r. całkowicie ustał. Później jednak koncentracje znów ruszyły w górę i proces ten wydaje się ostatnio przyspieszać. Ilustruje to poniższy wykres tempa zmian koncentracji CH₄.

Wniosek jest zupełnie jasny: chociaż powinniśmy zwalniać wzrost emisji gazów cieplarnianych aż do jego zatrzymania, wcale tego nie robimy. Sytuacja pogarsza się zamiast poprawiać.
Już nasza własna emisja gazów cieplarnianych do atmosfery jest niebezpieczna, ale za nią kryje się jeszcze większe niebezpieczeństwo. Już znacząco podgrzaliśmy Ziemię, a robi się ona coraz cieplejsza. Oznacza to, że magazyny węgla do tej pory naturalnie uwięzionego w miejscach takich jak ocean i gleba, mogą zacząć uwalniać dwutlenek węgla i metan, co zwiększy ilość gazów cieplarnianych w atmosferze, nawet jeśli przestaniemy spalać paliwa kopalne.

Wraz ze wzrostem temperatury oceanu zmniejsza się jego zdolność do pochłaniania CO₂. Ocieplenie oceanów sprawi, że uwolnią one rozpuszczone w nich ogromne ilości CO₂, windując tym samym stężenie tego gazu w powietrzu. To pogorszy problem globalnego ocieplenia. Największy niepokój może budzić fakt, że Arktyka ociepla się znacznie szybciej niż cała planeta. Wieczna zmarzlina – ziemia pozostająca zamarznięta przez cały rok – rozmarza. Podczas tego topnienia uwięziona w niej materia organiczna może ulec rozkładowi. Ten proces, nasilając się, będzie uwalniać do atmosfery coraz więcej dwutlenku węgla i metanu. Dwa wielkie rezerwuary węgla – oceany i wieczna zmarzlina – mogą wyemitować do atmosfery większą ilość CO₂ niż cała dotychczasowa emisja człowieka pochodząca ze spalania paliw kopalnych na przestrzeni wieków. Jeśli do tego dojdzie, zmiana klimatu osiągnie prawdziwie niszczycielskie rozmiary. Co gorsza, nie będziemy umieli tego procesu powstrzymać.

Mamy więc powody do zmartwień. Musimy spowolnić i ostatecznie (i to szybko!) zatrzymać wzrost stężeń gazów cieplarnianych w atmosferze. Tymczasem, pomimo dziesięcioleci jednoznacznych ostrzeżeń najlepszych naukowców, wciąż nie udało nam się tego zrobić.

Za blogiem Open Mind. Tłumaczenie i skróty: Magdalena Makarewicz i Aleksandra Kardaś. Konsultacja merytoryczna: prof. Szymon Malinowski.

The post Globalne ostrzeżenie appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Czas życia metanu w atmosferze jest dość krótki w porównaniu z dwutlenkiem, ale metan jest bardzo silnym gazem cieplarnianym – każda wyemitowana tona metanu ma kilkudziesięciokrotnie większy wpływ ocieplający od tony CO₂. W dodatku przez to, że jest go w atmosferze bardzo mało, stosunkowo łatwo jest znacząco zmienić (np. podwoić) jego koncentrację (czytaj też Mit: To metan jest główną przyczyną ocieplenia). Z tego powodu naukowcy różnych dziedzin pilnie identyfikują sztuczne i naturalne źródła metanu, by móc prawidłowo uwzględnić ten gaz w modelowaniu przyszłej zmiany klimatu.

Wraz z postępującym ocieplaniem się klimatu coraz większe znaczenie ma uwalnianie się gazu ze złóż tzw. hydratów metanu – wodno-metanowych kryształów. Do powstania hydratów metanu konieczne są wysokie ciśnienie, woda, gaz (głównie metan) oraz niskie temperatury. Do tej pory koncentrowaliśmy się na dwóch typach lokalizacji zapewniających takie warunki: wieloletniej zmarzlinie na lądzie lub poza nim oraz na obszarach pod dnem oceanicznym, szczególnie wzdłuż wybrzeży kontynentów, gdzie woda jest płytka i woda przy dnie może szybko ogrzewać się. Praca Portnov i in., 2016 pokazuje jednak, że powinniśmy poważnie brać pod uwagę jeszcze jedno środowisko…

Ślady na dnie – spojrzenie w przeszłość

Lądolody to olbrzymie ciała lodowe, które dzięki swojej masie wywierają duże ciśnienie na grunt, na którym spoczywają. Naturalnie, są również zimne. Przy odpowiednich dostawach wody i metanu powstawanie pod nimi hydratów metanu jest bardzo prawdopodobne. Zbadanie, co dokładnie dzieje się obecnie w skalnym podłożu lądolodów jest niestety bardzo trudne. Chociaż ostatnio poczyniono w tej kwestii znaczne postępy (czytaj np. Mit: Topnienie lądolodu Antarktydy powoduje ukryty pod nim wulkan i Rozpad lądolodu Antarktydy Zachodniej nieunikniony), Portnov i jego koledzy powody do obaw znaleźli gdzie indziej – w rejonie, na którym lądolodu od dawna już nie ma – dnie Morza Barentsa.

22 000 lat temu, podczas ostatniej epoki lodowej północną część Eurazji oraz Morze Barentsa pokrywał lądolód. W miarę jak zlodowacenie zamieniało się w interglacjał a lądolód cofał, topniały również zagrzebane poniżej hydraty metanu, uwalniając gaz cieplarniany do oceanu i atmosfery. Co o tym świadczy? Ślady na dnie morskim, tzw. „pockmarki”. Naukowcy zidentyfikowali ponad 1900 pockmarków i aktywnych ujść gazu powstałych po ostatnim zlodowaceniu. Jak wyjaśnia autor pracy, Alex Portnov:

Obecność pockmarków dowodzi, że z podłoża uwalniał się gaz. Wnioskujemy, że pokłady hydratów metanu były stabilne tak długo, jak klimat był chłodny a lądolód stabilny. Szybkie ocieplenie spowodowało następnie stopienie lądolodu i zmniejszenie ciśnienia wywieranego na podłoże. To doprowadziło do destabilizacji hydratów. Metan został uwolniony do wzbierających wód oceanu, a możliwe, że również do atmosfery.

Naukowcy oceniają, że nawet jeśli grubość lądolodu sięgała jedynie 500 m (to najskromniejsze oszacowanie), panujące pod nim warunki wystarczały do wytworzenia strefy stabilności hydratów. Mógł to być olbrzymi rezerwuar gazu cieplarnianego – 1m3 hydratów to odpowiednik prawie 170m³ metanu w warunkach normalnych.

Antarktyda i Grenlandia – spojrzenie w przyszłość

Już od jakiegoś czasu uważa się, że pokłady hydratów metanu mogą drzemać także pod współcześnie występującymi lądolodami – Antarktydą i Grenlandią. Z badań wód lodowcowych (Vincent i Parry, 2008) wynika, że nawet w niesprzyjających, pokrytych lodem rejonach funkcjonują przetwarzające węgiel mikroorganizmy (archeony metanogeniczne). Wiadomo także, że pod lądolodem antarktycznym znajdują się ogromne złoża osadów morskich, zawierające nawet 21 000 Gt organicznego węgla (Ferraccioli i in., 2009). Kolejne prace Wadhamsa in. (2008, 2012 ) pokazały, że w środowisku tym możliwe jest powstawanie dużych ilości metanu oraz ich magazynowanie w postaci krystalicznej. Wycofanie się lądolodu może więc oznaczać uwolnienie tych pokładów, a co za tym idzie – poważne zwiększenie koncentracji metanu w atmosferze.

Warto podkreślić, że obecny proces topnienia lądolodów powstępuje dużo szybciej niż podczas wychodzenia z ostatniej epoki lodowej. Według pomiarów NASA Grenlandia traci obecnie niemal 300 Gt lodu rocznie a Antarktyda 134 Gt/rok, nie można też liczyć, że proces ten się zatrzyma (Rozpad lądolodu Antarktydy Zachodniej nieunikniony, O co chodzi z „Progiem wzrostu temperatury o 2^oC”, Antarktyda. Epizod IV – Nowa nadzieja). Jak duże jest zagrożenie? Tego jeszcze nie wiadomo. Wszystko zależy od tempa, w jakim mikroorganizmy produkują metan, a więc – ile materiału zdążyły już (i zdążą jeszcze) na niego przetworzyć. Wyniki dotychczasowych badań wskazują jednak, że dla naszej wiedzy o przyszłej zmianie klimatu mogą to być bardzo ważne informacje.

Aleksandra Kardaś, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon Malinowski

The post Metan pod lodem appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.