Rozmowa o oceanach w kontekście ochrony klimatu najczęściej skupia się na tym, jak wiele „nadmiarowego” ciepła pochłaniają. I faktycznie jest to imponująca ilość, bo trafia do nich ponad 90% energii, której przybywa na Ziemi w związku z nasilaniem się efektu cieplarnianego.

Środowisko morskie jest jednak ogromnym sprzymierzeńcem ludzkości również pod innym względem, o którym mówi się o wiele rzadziej. Jak podkreślają naukowcy z Instytutu Oceanologii, to ono pochłania 25% CO₂, który jest emitowany do atmosfery w wyniku działalności człowieka. Jednocześnie morza i oceany są też największym rezerwuarem węgla na świecie. Wartość usług środowiskowych związanych z pochłanianiem CO₂ wyceniana jest na bilion dolarów rocznie, co odpowiada mniej więcej 1% globalnego PKB.

Choć dzięki dekadom badań mamy już ogólną wiedzę, że oceany odgrywają kluczową rolę w stabilizacji klimatu, wciąż wiele fundamentalnych pytań czeka na odpowiedzi. Jak dokładnie przebiegają procesy w ramach tzw. biologicznej pompy węglowej w oceanach (BCP – z ang. Biological Carbon Pump), której zawdzięczamy tak wiele? Jak zmiany w ocieplającej się najszybciej Arktyce wpłyną na ekosystemy morskie na całym świecie, a przez to globalny obieg węgla? Jak mocno zmiana klimatu odmieni strefy przybrzeżne i jaki będzie tego skutek?

Tymi i innymi zagadnieniami zajmują się naukowcy związani z Instytutem Oceanologii Polskiej PAN w Sopocie. Jeden z nich jest też koordynatorem międzynarodowych działań w zakresie monitorowania zmian w obiegu węgla w oceanie. Choć polski wkład w zrozumienie roli oceanów dla klimatu jest ogromny, świadomość o tym zdaje się być znikoma. Tym artykułem chcemy się przysłużyć temu, by ją zwiększyć.

Zrozumieć „pompę biologiczną”

Od ogromnych płetwali po maleńki plankton – przeróżne organizmy biologiczne żyjące w oceanie kontrolują pobieranie i magazynowanie węgla w różnych formach (w tym CO₂). Jak dokładnie przebiegają te procesy, próbuje ustalić  grupa około 120 naukowców z wiodących uniwersytetów i instytutów badawczych z 14 europejskich krajów. Prace powstałego w tym celu konsorcjum prowadzone są w ramach pięcioletniego unijnego projektu OceanICU. Koordynatorem części prac jest dr Maciej Telszewski z Instytutu Oceanologii PAN.

„Sama zmiana klimatu, podobnie jak próba jej ograniczenia i adaptacji do niej, oznaczają koszty – te, które już ponosimy, ale przede wszystkim te, które poniesiemy. Bardzo trudno oszacować, jak duże koszty to będą. Wiadomo jednak, że dzięki „pompie biologicznej” i pobieraniu 25% emitowanego przez nas dwutlenku węgla, oceany pozwalają zaoszczędzić nam mniej więcej bilion dolarów rocznie” – wyjaśnia dr Telszewski w rozmowie z „Nauką o klimacie”.

Prace nad zrozumieniem obiegu węgla w środowisku morskim trwają co najmniej od lat 90. XX w. Obecnie monitoring zachodzących w oceanach procesów dokonywany jest za pomocą 45 milionów punktów pomiarowych na powierzchni oceanu i prawie 1,5 miliona punktów pomiarowych w jego głębi. Ale w większości są to pomiary fizyko-chemiczne i tylko nieznaczna ich część pozwala zbadać rolę „pompy biologicznej”.

Projekt OceanICU stanowi więc kolejną część ważnych działań realizowanych od dekad. „W jego ramach grupy naukowców dokonują pomiarów poprzez obserwacje na statkach, pławach i innych platformach. To dziesiątki rejsów badawczych i setki dni badawczych na oceanie w ciągu 4 lat trwania projektu” – opowiada dr Telszewski.

Winda w głąb oceanu

Wspomnianą „pompę biologiczną” równie dobrze można wyobrazić sobie jako windę. Na najwyższym poziomie procesy fizykochemiczne sprawiają, że CO₂, podobnie jak inne gazy, rozpuszcza się w wodzie. Później dochodzi do szeregu reakcji w ramach całego łańcucha pokarmowego (troficznego), przekierowujących ten węgiel z cząsteczek CO₂ na niższe poziomy (większa głębokość).

Rozpuszczona w wodzie cząsteczka dwutlenku węgla zostaje zaabsorbowana przez fitoplankton (drobne organizmy roślinne) w powierzchniowej wodzie morskiej, czyli tam, gdzie dociera światło, i zamieniona w związki organiczne (węgiel organiczny). Fitoplankton, a tym samym tworzący go węgiel organiczny, jest zjadany przez drobne organizmy zwierzęce, a te – przez większe, od ryb po walenie. I tak oto węgiel z tej cząsteczki CO₂ rozpuszczonej w wodzie powierzchniowej wędruje wraz z kolejnymi organizmami w łańcuchu pokarmowym. Z kolei, gdy różne organizmy obumierają, część zakumulowanego w nich węgla opada wraz z nimi na dno, trafiając do osadów morskich. W ten sposób zostaje on wyłączony z globalnego obiegu i w pewnym sensie wychwycony przez środowisko morskie, co zmniejsza koncentrację CO₂ w atmosferze.

„Duża część organizmów morskich działa niczym winda, która bardzo szybko przetransportowuje węgiel w głąb kolumny wody lub na dno. Co prawda nie zostanie on tam na zawsze, ale zanim wróci z powrotem do obiegu minie – w zależności od miejsca na Ziemi – od kilkudziesięciu do kilkuset, a nawet kilku tysięcy lat. Z perspektywy wyzwań klimatycznych, przed jakimi stoi ludzkość, to naprawdę znaczący czas” – wyjaśnia dr Artur Palacz, kolejny z badaczy sopockiego instytutu naukowego.

I dodaje: „Obecnie oceany pochłaniają 25% CO₂ pochodzącego z działalności człowieka. Ale jak będzie to wyglądać w przyszłości, jeżeli emisje cały czas będą rosnąć, a funkcjonowanie ekosystemów będzie się zmieniać również na skutek odławiania ryb, waleni czy innych organizmów? I jak zmieniające się zależności ekologiczne i fizykochemiczne w oceanie wpłyną na obieg znajdującego się w nim węgla? Czyli pytając inaczej: czy te 25% zostanie zachowane, bo różne procesy wciąż będą utrzymywać równowagę, czy jednak zostaną zachwiane na tyle, że ocean przestanie być naszym sprzymierzeńcem w walce ze skutkami emisji CO₂? To pytania, które sobie zadajemy i na które poszukujemy odpowiedzi.”

Największy rezerwuar węgla

Badacze z Instytutu Oceanologii PAN podkreślają, że tylko skrupulatne, długoterminowe i systematyczne obserwacje środowiska morskiego pozwalają zdobyć informacje, które zainteresują znacznie szersze grono odbiorców. Pozyskiwane dane z mórz i oceanów i innych ekosystemów na Ziemi stanowią bowiem podstawę nie tylko do zrozumienia obecnych i przewidzenia przyszłych zmian. Są też niezbędne, abyśmy dowiedzieli się, jakie mechanizmy związane z oceanami mogą zdestabilizować życie na Ziemi i jakie są najlepsze sposoby, by związane z tym ryzyka ograniczać.

Co to wszystko oznacza? Że prace w ramach OceanICU mają przynieść konkretne korzyści. Lepsze zrozumienie „pompy biologicznej” to lepsze modelowanie klimatu, a lepsze modelowanie klimatu to możliwość podejmowania lepszych działań adaptacyjnych i ograniczających zmianę klimatu. Projekt nieprzypadkowo jest więc finansowany przez UE – decydenci chcą, by pomógł im w podejmowaniu lepszych decyzji umożliwiających osiągnięcie neutralności klimatycznej do 2050 r., co jest ogólnounijnym celem.

„Globalnie oceany pochłaniają 25% CO₂, ale jednocześnie stanowią największy rezerwuar węgla na kuli ziemskiej. I jest to ilość wielokrotnie większa niż w środowisku lądowym, w paliwach kopalnych czy w atmosferze. Zrozumienie tego, co dzieje się w oceanach, jest więc naprawdę kluczowe. Zwłaszcza że oceany nie są ekosystemem lądowym, który można łatwo oddzielić, jak las i pustynię.

Oceany to jest system naczyń połączonych, który wymaga skoordynowanych działań i przedsięwzięć globalnych. Bardzo nas cieszy, że instytut odgrywa więc kluczową rolę w dokonywaniu i koordynowaniu tych przeróżnych obserwacji” – mówi dr Palacz, zaangażowany również w dwa inne projekty finansowane ze środków unijnych, BioEcoOcean oraz SEA-Quester.

Arktyki problem z satelitami

Celem projektu SEA-Quester jest zrozumienie tego, jak postępujące globalne ocieplenie zmieni      regiony polarne – i do czego może to doprowadzić. Również w kontekście „pompy biologicznej”, ale nie tylko.

„Ocean to nie studnia bez dna. Gdy dwutlenek węgla do niego wpada, to nie znika w nim bez śladu. To wszystko ma swoje szerokie konsekwencje” – tłumaczy dr Palacz. 

Projekt SEA-Quester koncentruje się na badaniu zmian zachodzących w Arktyce. To ważne miejsce, bo nie dość, że w istotny sposób wpływa na klimat na Ziemi, to jeszcze ociepla się cztery razy szybciej od światowej średniej. Mimo to z różnych przyczyn wiemy o nim, podobnie jak o Antarktydzie, znacznie mniej niż o innych obszarach.

„Śledząc zmiany klimatyczne w oceanie w skali globalnej bardzo mocno opieramy się na metodach teledetekcji. Dzięki satelitom możemy uzyskać jednocześnie obraz wielu parametrów na powierzchni niemalże całego oceanu, i to w wysokiej rozdzielczości. W rejonach polarnych jest to jednak bardzo utrudnione. Przez kilka miesięcy w roku jest tam ciemno, a większość czujników satelitarnych polega na odbiorze światła odbijającego się od powierzchni wody. Z kolei w miesiącach letnich duże zachmurzenie również blokuje odbiór sygnału. Jednocześnie chcemy mieć pewność, że to, co widzi satelita, odpowiada rzeczywistości w wodzie. W związku z tym potrzebujemy całkiem sporej ilości pomiarów dokonanych ręcznie z pokładu statku – w tym samym czasie i miejscu, co uzyskane zdjęcie satelitarne. Biorąc pod uwagę, jak trudne warunki pogodowe i logistyczne ograniczają ilość rejsów badawczych w rejonach polarnych, takie pomiary są na wagę złota”- wyjaśnia dr Palacz.

Jednym z ważnych celów projektu SEA-Quester jest skompletowanie jak największej ilości danych, które można zestawić z pomiarami satelitarnymi. Pozwoli to na zbudowanie w następnym kroku nowych, ulepszonych algorytmów satelitarnych, które umożliwią lepszy monitoring zmian w środowisku morskim w rejonach polarnych. W tym celu naukowcy z IO PAN współpracują nie tylko z wieloma ośrodkami naukowymi w Europie, Ameryce Północnej i Azji, ale również wykonują zadania dla Europejskiej Agencji Kosmicznej, stając się jednym z liderów w tej dziedzinie nauki.

Zrozumieć cały ekosystem

Kierownikiem naukowym niezwykle cennego rejsu badawczego przeprowadzonego z partnerami zagranicznymi i poświęconego tej tematyce był dr hab. Karol Kuliński, profesor Instytutu Oceanologii PAN. Celem było zmierzenie w trakcie tej jednej ekspedycji możliwie wielu parametrów fizyko-chemicznych i  biologicznych, które pozwoliłyby zobrazować cały obieg węgla dla konkretnego fiordu na Spitsbergenie.

Wybrano fiord, który jest bardzo zróżnicowany – jedna jego część znajduje się pod silnym wpływem uchodzącego do niej lodowca, a druga to obszar, który lodu jest już pozbawiony. W ten sposób badacze mogą dokonać analizy zmian w morskim obiegu węgla, jakie mogą się pojawić w Arktyce w przyszłości, gdy topniejące lodowce będą coraz słabiej oddziaływać na obszary przybrzeżne.

Wnioski z pracy naukowców na Spitsbergenie będą ważne ze względu na topnienie nie tylko lodowców, lecz także wieloletniej zmarzliny, która gromadzi ogromne pokłady węgla organicznego. „Potencjalnie ten ładunek może trafiać do atmosfery, wzmacniając zmianę klimatu poprzez podnoszenie stężenia CO₂ i metanu. Z drugiej strony zmniejszający się zasięg lodu morskiego i cofające się lodowce odsłaniają nowe ekosystemy, które mają jeszcze niezbadaną zdolność pochłaniania węgla. Mamy więc procesy, które działają w dwóch kierunkach, a ich bilans sumaryczny jest nie do końca poznany. Próbujemy go ustalić” – tłumaczy naukowiec.

I to właśnie na tym skupia się PROSPECTOR, czyli kolejny z projektów oceanicznych finansowany przez Narodowe Centrum Nauki, a koordynowany przez Instytut Oceanologii PAN.

„Arktyka ociepla się cztery razy szybciej niż średnia globalna, a zmiany tam zachodzące są najszybsze i najbardziej widoczne. Te zmiany są na tyle duże, że doprowadzają do przekształcenia obecnych i powstawania nowych ekosystemów. Wpływają one na to, jak wydajnie te wody mogą pochłaniać dwutlenek węgla” – tłumaczy prof. Kuliński „Nauce o Klimacie”.

Warto mieć przy tym na uwadze, że Arktyka pochłania go przez cały rok. A wiadomo to m.in. dzięki badaniom Instytutu Oceanologii PAN. „Woda jest niedosycona w stosunku do atmosfery, więc cały czas mamy do czynienia z pochłanianiem CO₂ z powietrza. W umiarkowanych szerokościach geograficznych do pochłaniania dochodzi głównie w okresie letnim, podczas gdy zimą – gdy nie ma wegetacji – jest ono znacznie mniejsze lub wręcz wody stają źródłem CO₂. W tym kontekście Arktyka działa bardzo wydajnie i pochłania CO₂ przez cały rok. Chcemy zbadać, czy zmiana klimatu może to zmienić” – wyjaśnia prof. Kuliński.

Jak opowiada naukowiec, wymierną korzyścią z prac w obszarach polarnych ma być połączenie wniosków z różnych dziedzin. Biolodzy, fizycy czy chemicy koncentrują się na analizie wybranych elementów układanki, które w oczywisty sposób są im znane. Sami nie są jednak w stanie ocenić wszystkich procesów, jakie zachodzą w morzach i oceanach.

„Dość unikalną rzeczą jest więc to, że różne projekty, w które zaangażowane jest nasz instytut, mają posłużyć koordynacji działań również pod tym względem. Nie chcemy zrozumieć pojedynczego procesu. Chcemy zrozumieć, jak działa ekosystem jako całość. Tylko to pozwoli nam osiągnąć efekt, na którym nam zależy, czyli obliczyć przepływy dwutlenku węgla w oceanie i poznać co się z nim dzieje” – mówi prof. Kuliński.

Oceaniczny Dziki Zachód

Naukowcy z Instytutu Oceanologii PAN zwracają przy tym uwagę, jak ważna jest standaryzacja pomiarów. W przypadku węgla nieorganicznego, a więc m.in. CO₂ emitowanego na skutek spalania węgla, wspólnota naukowa wypracowała przez dekady dość jasne metody pomiarowe. Są one dobrze opisane i możliwe do zastosowania w wielu rejonach.

„Jeśli mówimy o biologii, to tu w dalszym ciągu mamy do czynienia trochę z Dzikim Zachodem. Poszczególne instytucje i poszczególni naukowcy dokonują pomiarów w mało skoordynowany czy ustandaryzowany sposób. To jedna z największych przeszkód na drodze do lepszego zrozumienia zachodzących w oceanach procesów. Realizowane obecnie projekty takie jak BioEcoOcean mają spróbować tę przeszkodę, jeśli nie wyeliminować, to przynajmniej znacząco zmniejszyć” – opowiada dr Palacz.

Osobną kwestią pozostaje dostęp do danych.

„W dziedzinie fizyki czy chemii morza dzielenie się danymi jest prawie normalnością. W przypadku biologii ekosystemów morskich ciągle mamy problemy z udostępnianiem zbieranych danych. To olbrzymie wyzwanie” – twierdzi naukowiec.

Dlatego Instytut Oceanologii postanowił zadziałać także i na tym polu. Jednym z założeń projektu BioEcoOcean jest tzw. data mining, czyli odkopywanie dawnych danych w celu ich szerszego udostępnienia. „Aktualnie publikujemy bazy danych z ostatnich ponad 20 lat badań. Umożliwią one całej wspólnocie naukowej bezprecedensowy dostęp do informacji, które pozwolą na zbudowanie nowych algorytmów i usprawnienie tych już istniejących” – informuje dr Palacz.

Bez precedensu

Każdy z wymienionych w tym tekście naukowców zaangażowany jest w przynajmniej dwa z      przedstawionych projektów. Można więc powiedzieć, że w pewien sposób system naczyń połączonych stanowią nie tylko oceany, lecz także badacze, którzy się nimi zajmują. Zaangażowanie w różne inicjatywy nie tylko pogłębia ich wiedzę, ale i sprawia, że na jeden element oceanicznej układanki spogląda się z wielu stron.

„Przepływ wiedzy i wyników powstałych z analiz jednego projektu naukowego ma więc w rezultacie bezpośredni i natychmiastowy wpływ na to, co się dzieje w drugim. Tak jest i tak być powinno, również z perspektywy Komisji Europejskiej” – wyjaśnia dr Telszewski.

Wspólnym mianownikiem dla wszystkich wymienionych projektów współrealizowanych i/lub koordynowanych przez Instytut Oceanologii PAN jest próba odpowiedzi na krytyczne luki wiedzy dotyczące obiegu węgla w oceanie. Warto przy tym podkreślić, że placówka ta jest zaangażowana w związane z tym prace praktycznie na każdym możliwym poziomie. Czyli od prowadzenia i koordynowania badań, przez łączenie ustaleń naukowców z różnych dziedzin, na rozwoju lepszych technologii badawczych i komunikacji z decydentami kończąc. 

Sam dr Telszewski, będący koordynatorem prac w ramach OceanICU, jest też dyrektorem w International Ocean Carbon Coordination Project (IOCCP). To realizowany już od dwóch dekad międzynarodowy program, który kładzie nacisk na zrozumienie procesu obiegu węgla w oceanie. IOCCP koordynuje działania poszczególnych grup badawczych na świecie, jak również reprezentuje środowisko naukowe w czasie rozmów i przy podejmowania decyzji w takich agendach ONZ jak Światowa Organizacja Meteorologiczna (WMO) i Międzyrządowa Komisja Oceanograficzna (wchodzi w struktury UNESCO).

„Choć jesteśmy stosunkowo małym instytutem badawczym, to robimy w nim rzeczy bez precedensu, w znakomicie skoordynowany sposób i istotne w skali globalnej” – ocenia prof. Kuliński.

Wesprzeć jak prognozy pogody

Naukowcy z Instytutu Oceanologii mają przy tym nadzieję, że wysiłki ich i tysięcy innych badaczy doprowadzą do zmiany podejścia decydentów. Ich zdaniem badania związane z monitorowaniem procesów zachodzących w oceanach nie powinny być realizowane w ramach kilkuletnich projektów i niepewnych dofinansowań. Zamiast tego należy przeznaczyć na nie stabilne finansowanie, które zapewni możliwość realizowania badań i prowadzenia obserwacji w sposób trwały, cykliczny i ustandaryzowany oraz niezależny od politycznych uwarunkowań.

„Trudno sobie wyobrazić, że dziś nagle stracilibyśmy możliwość poznania prognozy pogody na najbliższe dni. Ale to, że dziś każdy z nas może w łatwy sposób sprawdzić ją w telefonie, jest efektem wielu dekad pracy niezliczonej liczby naukowców, którzy mieli instytucjonalne wsparcie. Dzięki temu mogli przez lata zbierać dane, dokonywać analiz i uskuteczniać modele. W przypadku badań mórz i oceanów wciąż na taką możliwość czekamy, choć jak widać zrozumienie ich roli jest dla naszej przyszłości niezwykle ważne” – podsumowuje dr Telszewski.

Naukowcy z Polski liczą też na to, że wciąż będą mogli dokonywać pomiarów i prowadzić badania z polskiego statku badawczego. Oceania to statek niezwykle ważny dla polskiej oceanografii, ale i bardzo wysłużony. Ma ponad 40 lat, a jej żywotność się kończy.

„Jeżeli chcemy prowadzić badania na wysokim poziomie. które są dostrzegane w skali i europejskiej i globalnej, to potrzebujemy do dyspozycji odpowiednie narzędzia. A narzędzia w postaci statku badawczego nie zdobędzie się w projekcie naukowym. To muszą być decyzje polityczne” – zauważa prof. Kuliński.

I podsumowuje: „Cieszymy się więc, że w ubiegłym roku władze krajowe postanowiły ostatecznie przekazać dofinansowanie na kontynuowanie działania Oceanii. Warto jednak, abyśmy myśleli o badaniach morskich i polskiej obecności na morzach i oceanach strategicznie. Jeśli chcemy utrzymać się w światowej czołówce badań oceanograficznych, to potrzebujemy nowego statku badawczego z odpowiednim zapleczem technicznym i logistycznym oraz finansowymi mechanizmami jego utrzymania w przyszłości.”

The post Morza i oceany pochłaniają 25% światowych emisji CO2. Naukowcy z Polski są kluczowi dla zrozumienia ich roli appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Jak to się stało, że zaczął pan badać odległą Syberię?

W 2012 r. uzyskaliśmy finansowanie z programu INTERACT i we współpracy z naukowcami ze Szwajcarii i Francji podjęliśmy działania w zachodniej części Syberii. Polecieliśmy do Chanty-Mansyjska – tam, gdzie Ob łączy się z Irtyszem. Celem wyjazdu było stworzenie eksperymentu oraz pobranie rdzeni torfowych.

Później w 2019 r. razem z prof. Michałem Słowińskim z PAN podjęliśmy wyprawę w podobny region. Też zaczęliśmy od okolic Chanty-Mansyjska, gdzie jest nieregularna zmarzlina, ale później przemieściliśmy się na północ od Nojabrska, gdzie wieloletnia zmarzlina jest już wyraźnie rozpoznawalna. Niestety, badania Syberii zakończyliśmy wraz z wybuchem wojny w Ukrainie.

Czemu Syberia?

Badania wieloletniej zmarzliny są szeroko zakrojone w kontekście Ameryki Północnej, ale na Syberii, ze względu na niedostępność obszaru, jest ich znacznie mniej. Udało nam się pobrać kilka rdzeni, których analizy są obecnie opracowywane. Dotychczasowe badania wskazują, że torfowiska syberyjskie, szczególnie te związane z wieloletnią zmarzliną, bardzo gwałtownie się zmieniają. Zresztą, aby dojść do takiego wniosku, nie trzeba analizy rdzenia torfu obejmującej tysiące poprzednich lat. To coś, co widać nawet na powierzchni – po prostu całe obszary zapadają się.

Gdy wieloletnia zmarzlina rozmarza…

Co to znaczy „zapadają”?

Po angielsku używa się pojęcia „tajanie”, czyli thawing. Lód, który związał węgiel organiczny w postaci torfu, topi się, a powierzchnia zmarzliny zapada się. W rezultacie torfowiska typu palsa, czyli takie pagóry torfowe z rdzeniem lodowym, zanurzają się pod wodę. Podobne procesy obserwujemy w północnej Norwegii. We wschodniej Syberii, gdzie znajduje się mineralny grunt, proces może wyglądać nieco inaczej, choć w efekcie także ziemia staje się niestabilna i powstają zapadliska.

Jakie są konsekwencje tego procesu?

Musimy mieć świadomość, że obecnie zapadający się pod wodę węgiel był zgromadzony i konserwowany przez tysiące lat. Syberia nie była pokryta lodem podczas ostatniego zlodowacenia, więc ten węgiel ma dziesiątki tysięcy lat. Obecne zapadanie się jest zaś widoczne nie w kontekście setek lat, lecz dekad. Ktoś może uznać: „ok, najwyżej torf znajdzie się pod wodą i będzie zakonserwowany właśnie w niej, żadna różnica”. Ale różnica jest znacząca, bo proces prowadzi do gwałtownych emisji metanu do atmosfery.

Dlaczego tak się dzieje?

Mówiąc bardzo ogólnie, torfowiska, które mają zbyt niski poziom wody, wydzielają dużo dwutlenku węgla. Tu proces wygląda odwrotnie – gwałtowne zalewanie węgla zgromadzonego w torfie prowadzi do zwiększonej aktywności bakterii metanogennych, które przekształcają materię organiczną. W przeciwieństwie do suchych torfowisk, gdzie emisje metanu są niewielkie lub zerowe, w zalanych torfowiskach proces ten jest bardzo intensywny. Czasami dochodzi do tego właśnie poprzez wspomniane zapadanie się wieloletniej zmarzliny, ale czasami również poprzez nieumiejętne nawadnianie, czyli zalewanie powierzchni torfowiska wodą.

Zalewanie torfowisk to w Polsce temat budzący dużo kontrowersji, głównie w kontekście politycznej nagonki i niechęci ze strony części rolników. Od razu więc dopytam: czy źle odtworzone torfowisko może doprowadzić do emisji metanu również w Polsce?

Tak – niewłaściwe nawadnianie torfowisk może prowadzić do podobnych, niepożądanych efektów również u nas. Dlatego ważne jest, aby proces odtwarzania torfowisk był przeprowadzany prawidłowo, z uwzględnieniem potencjalnych skutków ubocznych, takich jak zwiększona emisja metanu.

Tego uczą nas doświadczenia m.in. z zapadającymi się torfowiskami palsa w obszarze pagórkowatych terenów w Arktyce. W miejscu zmrożonych gruntów tworzą się tam wręcz jeziora. Nadmierne zalewanie mokradeł rzeczywiście może więc prowadzić do procesów niekorzystnych dla klimatu. Oczywiście podniesienie poziomu wody jest potrzebne, ale nieumiejętne piętrzenie powodujące zalanie powierzchni torfowiska może wywołać nagły impuls metanowy. Jak obrazowo określa to mój kolega prof. Bogdan Chojnicki, torfowisko zaczyna wtedy „dymić metanem”.

Jak w takim razie powinno wyglądać prawidłowe odtwarzanie torfowisk?

Przede wszystkim warto wyjaśnić, że nikt w Polsce nie chce zalewać torfowisk czy łąk, które są użytkowane przez rolników. Celem powinno być zaś utrzymanie torfowisk w stanie wilgotnym, ale nie zalanym. Nie chodzi o tworzenie jezior z torfowisk, tylko o podniesienia poziomu wody do optymalnego.

Wróćmy więc do Syberii i waszych ustaleń…

Można powiedzieć, że obserwujemy tam kontrastowe zjawiska. Niektóre jeziora znikają, gdy woda ucieka przez rozpadliny powstałe w wyniku wytapiania wieloletniej zmarzliny – to tak, jakby ktoś wyciągnął korek z wanny. Jednak globalnie dominuje zapadanie się gruntu i powstawanie nowych zbiorników wodnych oraz obszarów ze stojącą i przepływającą wodą.

Powoduje to wyraźną transformację krajobrazu. Na pierwszy rzut oka dla przyrodnika może to wyglądać fantastycznie – powstaje wilgotne, piękne i malownicze bagno. Jednak z perspektywy globalnego ocieplenia efekt jest bardzo niekorzystny. Zmiany te zachodzą zaś bardzo szybko. Widać to bardzo dobrze chociażby w północnej Norwegii, gdzie obserwujemy gwałtownie degradujące i rozpadające się palsa, które mogą mieć nawet 2-3 metry wysokości. Widać wyraźnie, że ulegają one degeneracji – krawędzie są już mocno poobrywane i są zalewane przez wodę. Dzieje się tak, ponieważ zanika lód, który spajał te struktury. Dotarcie do nich staje się coraz trudniejsze ze względu na bardzo wilgotne, bagienne warunki wokół nich. Z roku na rok mamy do czynienia z bardzo gwałtownym zapadaniem się ziemi.

A przecież mówimy o miejscu, które istniało w niezmienionym kształcie przez wiele tysięcy lat…

Tymczasem omawiane procesy zachodzą bardzo szybko. Nie mówimy tu o setkach lat, ale o dekadach. To, co obserwujemy, to smutne pomniki zanikającej wieloletniej zmarzliny. To nie spekulacje, ale realne zjawiska zachodzące na naszych oczach. Jeśli temperatura w regionie będzie wzrastać, ostateczny proces rozpadu może nastąpić zaledwie w ciągu kilku najbliższych lat. Te obserwacje potwierdzają, jak szybko i dramatycznie zmieniają się obszary dotknięte tajaniem wieloletniej zmarzliny. To kolejny dowód na to, jak istotne jest monitorowanie i badanie tych procesów w kontekście globalnych zmian klimatu.

Punkt krytyczny dla wieloletniej zmarzliny

Czy w związku z tym zbliżamy się do punktu krytycznego (tipping point) dla wiecznej zmarzliny? To coś, przed czym naukowcy bardzo przestrzegają.

Nie chcę popadać w fatalistyczny ton…

To dobrze, bo ja do tego nie namawiam – interesuje mnie realizm.

Realizm jest więc w tym przypadku do bólu blisko fatalizmu. Punkty krytyczne, które są przekraczane w skali globalnej, są wyraźnie widoczne w obszarach wiecznej zmarzliny. Na przykład w publikacji prof. Tima Lentona o punktach krytycznych na mapie zaznaczono te związane z wieczną zmarzliną. Nie uwzględniono w niej jednak borealnych torfowisk zachodniej Syberii, które również odgrywają istotną rolę w tym procesie.

A, jak rozumiem, w różnych obszarach Syberii punkty krytyczne znajdują się gdzie indziej?

Dokładnie tak – punkty krytyczne są bardzo kontrastowe w zależności od regionu. W przypadku wieloletniej zmarzliny są one bardziej widoczne w postaci wytapiania się gruntu, zalewania obszarów i emisji metanu. Natomiast w południowej i środkowej części Syberii, a także w północnej części Ameryki Północnej, mamy do czynienia z innym zjawiskiem – pożarami. Jest to bardzo widoczne, bo trudno zaprzeczyć płonącym torfowiskom, tlącym się w głąb pod śniegiem. A do takich pożarów dochodzi nawet już bliżej środkowej części Syberii, nie tylko na południu.

Takie pożary otrzymały w mediach nazwę „pożary zombie”.

Zgadza się – zombie fires. Pożary takie mogą przetrwać zimę, aby wybuchnąć na nowo i ze wzmożoną siłą latem. Takie „pożary zombie” mają już miejsce na przykład w Jakucji. W ostatnich latach region ten jest często otoczony dymem, szczególnie w okresie letnim. To znacząco wpływa na jakość życia mieszkańców – tam po prostu trudno jest nawet oddychać.

Choć te obszary mogą wydawać się nam odległe, mają one znaczący wpływ na globalny klimat. Przykładem są pożary w Kanadzie sprzed kilku lat, których dym był widoczny nawet w pomiarach przeprowadzanych w Polsce. A gazy cieplarniane, które wydostają się do atmosfery z płonących torfowisk i tajającej wieloletniej zmarzliny, również dotyczą naszego życia, bo wpływają na globalny klimat. To pokazuje, jak ważne jest monitorowanie i badanie obszarów wieloletniej zmarzliny oraz borealnych lasów i torfowisk. Zmiany zachodzące w tych regionach mogą mieć istotny wpływ na globalny klimat i wymagają dalszych, intensywnych badań.

Kiedy możemy spodziewać się przekroczenia punktu krytycznego dla wieloletniej zmarzliny? To perspektywa naszej starości, trochę wcześniej, trochę później?

Trudno podać jedną datę, gdyż  –  jak wspomniałem – wieloletnia zmarzlina to ogromny i zróżnicowany obszar. Myślę jednak, że jest to perspektywa naszej starości. Obszary na północy mogą stać się więc nieodwracalnie przekształcone w stosunkowo krótkim czasie.

Problem w tym, że – jak mówią naukowcy zajmujący się tymi obszarami od wielu lat – wciąż nie wiemy wystarczająco dużo na ich temat. Pomiary, które wykonujemy, nie są wystarczająco gęste ani intensywne, szczególnie ze względu na ograniczony dostęp do wielu kluczowych miejsc, takich jak np. yedoma.

Czym jest yedoma?

Yedoma to rodzaj wieloletniej zmarzliny występujący w zimnych regionach wschodniej Syberii, takich jak północna Jakucja, a także na Alasce i Jukonie. Zawiera nawet do 90% lodu, a organiczna gleba leży bezpośrednio na lodzie. Jest znana z zawartości szczątków mamutów, często pozyskiwanych przez lokalną społeczność. Ta bardzo stara forma zmarzliny, mająca nawet kilkadziesiąt tysięcy lat, ulega obecnie gwałtownym zmianom z powodu zmiany klimatu.

Emisje dwutlenku węgla i metanu z tajającej zmarzliny

Jaka jest skala emisji gazów cieplarnianych z topniejącej wieloletniej zmarzliny? I o ile mogą one podwyższyć globalną temperaturę?

Dokładne oszacowanie emisji jest trudne ze względu na ograniczoną liczbę pomiarów. Potrzebne są rozszerzone badania, aby określić, jak ocieplenie może wpływać na topnienie wieloletniej zmarzliny – choć już teraz wiemy, że to bardzo duży wpływ. Arktyczna wieczna zmarzlina zawiera wiele miliardów ton zamrożonego i rozmrażającego się węgla. Ocieplenie grozi uwolnieniem tego węgla, wpływając na procesy klimatyczne zwane sprzężeniem zwrotnym węgla wiecznej zmarzliny.

Udział metanu (CH₄) zamiast dwutlenku węgla (CO₂) w przyszłych arktycznych emisjach dwutlenku węgla ma szczególne znaczenie dla określenia odpowiedzi, ponieważ znacznie większy wpływ metanu na globalną temperaturę w ciągu najbliższych kilku dekad w przeliczeniu na cząsteczkę czyni go silniejszym gazem cieplarnianym. Pomiary emisji to ogromne technologiczne wyzwanie związane z wykorzystaniem skomplikowanego i kosztownego sprzętu oraz szeroko zakrojonej logistyki pracy w terenie. Monitoring tych emisji jest niezwykle ważnym celem, choć równie ważne są przewidywania. 

Badania emisji gazów szklarniowych pozwalają na przybliżone estymacje. Mokradła i jeziora w regionie wiecznej zmarzliny emitują od 5,3 do 37,5 Tg CH₄-C/r (źródło netto), przy czym większość szacunków jest bliska 22,5 Tg CH₄-C/r (Treat i in., 2024). Oprócz wymiany dwutlenku węgla za pośrednictwem ekosystemów, bezpośrednie emisje z pożarów arktyczno-borealnych wynoszą od 100 do 400 Tg C rocznie (średnio 142 Tg C rocznie).

Opisujące estymacje z tajającej wieloletniej zmarzliny – skumulowane emisje CO₂ i CH₄ z wiecznej zmarzliny w tym stuleciu, przy globalnej trajektorii emisji zgodnej z celem 2°C, mogą być równoważne 55 miliardom ton węgla w CO₂, z czego około jedna trzecia pochodzi z CH₄. Pochłonęłoby to 18% „budżetu węglowego” społeczeństwa – bezpośrednich emisji dwutlenku węgla z działalności człowieka (czytaj: Pan-Arctic Methane: Current Monitoring Capabilities, Approaches for Improvement, and Implications for Global Mitigation Targets).

Czytałem w niedawnym badaniu, że topniejąca wieloletnia zmarzlina nie tylko emituje gazy cieplarniane, ale i może pochłaniać dwutlenek węgla – bo w miejsce zamarzniętej powierzchni pojawia się roślinność. Prawda to?

Tak, istnieją badania na ten temat. Opublikowaliśmy pracę dotyczącą hydrologii północnych torfowisk związanych z tymi procesami. Część z nich emituje dwutlenek węgla, szczególnie torfowiska borealne i w zachodniej Europie. Jednak na północy, gdzie wieloletnia zmarzlina się wytapia i tereny zapadają, zaczynają gromadzić się torfowce. Jest to związane z podniesieniem się poziomu wody i tworzeniem płycizn, w których szybko gromadzi się roślinność.

W przypadku obszarów tundrowych i wieloletniej zmarzliny na skutek wzrastającej temperatury dochodzi również do rozprzestrzeniania się krzewinek – to tzw. shrubification. Ponadto, na obszarach takich jak Grenlandia czy Spitsbergen, gdzie wcześniej nie było roślinności, zaczyna się ona pojawiać w miejscu ustępującego lodu. Podobne procesy zachodzą w obszarze Antarktyki. Na Grenlandii badania nowo pojawiających się torfowisk prowadzi prof. Katarzyna Marcisz z naszego zespołu. Podobne badania prowadzimy na Svalbardzie.

Zmiany w roślinności mogą więc wpływać na bilans węglowy i funkcjonowanie ekosystemów w tych regionach. W rezultacie, według modeli do 2100 r., torfowiska mogą w pewnym sensie kompensować emisje związane z innymi źródłami. Nawet w najbardziej dramatycznym scenariuszu klimatycznym, torfowiska do 2100 r. mogą jeszcze gromadzić węgiel, choć później większość obszarów prawdopodobnie stanie się emitentami, a nie pochłaniaczami.

Na pierwszy rzut oka takie „zazielenianie” rzeczywiście można odebrać za coś optymistycznego – ale nie możemy zapominać o perspektywie długoterminowej.

Czyli?

Po pierwsze – do procesów tych dochodzi na skutek degradacji przez człowieka tych terenów poprzez zmiany w atmosferze. Po drugie – nie równoważy to w żaden sposób zwiększonych emisji związanych z topnieniem wieloletniej zmarzliny. W skali ogólnej mówimy o skromnej kompensacji, a nie równowadze. Absolutnie nie powinniśmy traktować więc tych zmian jako pozytywnych ani naturalnych.

Dlaczego używamy terminu „wieloletnia zmarzlina” zamiast „wieczna zmarzlina”? Przez długie lata zawsze słyszałem tylko o tym drugim pojęciu. Zmiana klimatu jest już tak wyraźna, że coś „wiecznego” stało się tylko „wieloletnie”?

Raczej nie o to chodzi. Termin „wieloletnia zmarzlina” jest po prostu bardziej precyzyjny naukowo. „Wieczność” sugeruje, że coś trwa wieki. W Polsce utarło się jednak, że to coś, co trwa zawsze – a wiemy, że zmarzlina nie istniała zawsze w historii Ziemi, bo w przeszłości geologicznej były okresy zbyt ciepłe, aby mogła się utrzymać. Dlatego w literaturze naukowej preferuje się termin „wieloletnia zmarzlina”, choć „wieczna zmarzlina” wciąż funkcjonuje w języku potocznym. Jednak nie należy się zbytnio przywiązywać do konkretnego terminu – ważniejsze jest zrozumienie samego zjawiska i procesów z nim związanych.

Prof. dr hab. Mariusz Lamentowicz pracuje na Uniwersytecie im. Adama Mickiewicza w Poznaniu. Jego główne zainteresowania naukowe koncentrują się na ekologii i paleoekologii mokradeł. Jest specjalistą w dziedzinie badań wpływu klimatu i człowieka na torfowiska. W ramach swojej pracy naukowej i organizacyjnej kieruje Pracownią Ekologii Zmian Klimatu na Wydziale Nauk Geograficznych i Geologicznych. Jego projekty mają na celu zbadanie zaburzeń antropogenicznych, opracowanie strategii ochrony torfowisk i wykorzystania ich potencjału dla lepszej sekwestracji węgla w tych ekosystemach. Współpracuje z Centrum Ochrony Mokradeł (CMOK) w celu odtwarzania, ochrony i monitoringu torfowisk.

The post Polak badający wieloletnią zmarzlinę: „Realizm jest do bólu blisko fatalizmu” appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Morskie magazyny węgla

Terminem „niebieski węgiel” (ang. blue carbon) najczęściej określa się organiczny węgiel magazynowany przez zbiorowiska roślinne znajdujące się na wybrzeżach mórz, w tym namorzyny, łąki morskich traw i słone bagna. W biomasie i glebie/osadach tych ekosystemów może znajdować się nawet kilka razy więcej węgla na jednostkę powierzchni niż w lasach porastających lądy. Według szacunków EPA (Environmental Protection Agency, Agencja Ochrony Środowiska w USA), w 1 ha amerykańskiego lasu namorzynowego zawarte jest tyle tego pierwiastka, co w ponad milionie litrów benzyny. Z tego względu ekosystemy „niebieskiego węgla” są wskazywane jako ważny element mitygacji zmiany klimatu (Macias i in., 2017, Fenessy i in., 2021, Hilmi i in., 2021, Quevedo i in., 2023).

Morskie ekosystemy jak torfowiska

Znajdują się one na wszystkich kontynentach poza Antarktydą i zajmują według raportu IPCC z 2022 r. ok. 35 milionów hektarów. W sumie gromadzą ok. 9-30 Gt węgla organicznego. Rozbieżności w szacunkach wynikają m.in. z tego, że tempo kumulacji węgla może być bardzo różne w zależności od danej lokalizacji, co ma wpływ na zakres niepewności przy obliczaniu wielkości magazynów (Ouyang i Lee, 2020, Fenessy i in., 2021, Macreadie  i in., 2021, Williamson i Gattuso, 2021, Cooley i in., 2022).

Duża zdolność do magazynowania węgla wynika głównie z beztlenowych warunków panujących w osadach porastanych przez te ekosystemy. Brak tlenu spowalnia rozkład i – podobnie jak dzieje się w torfowiskach na lądzie – zgromadzone szczątki mogą zostać wycofane z bieżącego cyklu węglowego nawet na tysiące lat w sprzyjających warunkach. Te szczątki to zarówno korzenie czy części roślin jak i cząstki nanoszone rzekami czy prądami morskimi (Ouyang i Lee, 2020, Fenessy i in., 2021) (zobacz też: Torfowiska: ważny gracz światowego cyklu węglowego).

W przypadku namorzynów i słonych bagien warunki beztlenowe sprzyjają też (niestety) emisjom N₂O i CH_4.  Wpływają one na bilans przepływów węgla, jednak zasadniczo ekosystemy te są „pochłaniaczami” netto.

Bardziej skomplikowana sytuacja ma miejsce w przypadku podmorskich łąk traw. Ważną rolę odgrywają tu procesy związane z tworzeniem i rozpuszczaniem węglanów. Związki te znajdują się w organizmach tworzących łąki (np. glonach wapiennych) a także w osadach. Gdy tempo kalcyfikacji (tworzenia struktur wapiennych) przewyższa w tych ekosystemach tempo fotosyntezy, mogą być one źródłem emisji CO₂. Choć zagadnienie to jest badane dopiero od kilku lat, to naukowcy skłaniają się do tego, że kalcyfikacja jest równoważona przez rozpuszczanie węglanów w podłożu, co powoduje, że łąki są jednak „pochłaniaczami” netto. Do tego efektywnie gromadzą materię organiczną w osadach, co dodatkowo niweluje straty z kalcyfikacji. Procesy związane z rozpuszczeniem węglanów z osadów zachodzą także w namorzynach i naukowcy szacują, że pełnią istotną rolę w pochłanianiu węgla przez te ekosystemy. Wraz ze zmieniającymi się warunkami w oceanach sytuacja może jednak wyglądać w przyszłości inaczej (Saderne i in., 2020, Van Dam i in., 2021, Williamson i Gattuso, 2021, Howard i in., 2023).

Znikające namorzyny

Jeśli ekosystemy na wybrzeżach są nienaruszone, mogą służyć jako magazyny organicznego węgla przez setki czy tysiące lat. Niestety w stosunku do czasów przedprzemysłowych utraciliśmy już według różnych szacunków od 25 do 50% z nich łącznie. Powoduje to, że zarówno zmniejsza się ich potencjał do pochłaniania CO₂ jak i rośnie ryzyko uwolnienia węgla zgromadzonego w osadach. Podobnie jak w przypadku torfowisk, jest to często „starożytny węgiel”, wycofany „z obiegu” dawno temu (Lovelock i Reef, 2020, Fenessy i in., 2021) (zobacz też: Torfowiska – kolejne dodatnie sprzężenie zwrotne zmiany klimatu). Szacuje się, że na skutek niszczenia ekosystemów „błękitnego węgla” co roku dostaje się do atmosfery średnio 0,5 Gt CO₂. Połowa z tego to skutek wycinania namorzynów np. pod akwakultury krewetek. Ta ilość równa jest mniej więcej rocznym emisjom CO₂ Wielkiej Brytanii. Doliczenie tego do globalnych emisji z wylesiania podnosi je nawet o 10%, a wielkość strat ekonomicznych wynikających z tego szacowana jest nawet na 40 miliardów dolarów rocznie (Fenessy i in., 2021, Hilmi i in., 2021).

Za gorąco by magazynować węgiel

Oprócz bezpośredniego niszczenia ekosystemom „błękitnego węgla” zagrażają min. zanieczyszczenie wody, wzrost poziomu morza a także podnosząca się temperatura oceanów, w tym występowanie morskich fal gorąca. Wpływ tego ostatniego problemu jest widoczny np.: w przypadku lasów brunatnic. Glony te zaczynają zamierać na krańcach swojego zasięgu, szczególnie gdy dodatkowo występują inne niekorzystne czynniki powodowane działalnością ludzi. Stres cieplny powoduje też, że funkcjonują gorzej jako „pochłaniacze” CO₂. Przykładowo lasy wodorostów w cieplejszej części północno-wschodniego Atlantyku gromadzą około 70% mniej węgla niż te znajdujące się w chłodniejszych regionach. Podobna sytuacja może mieć miejsce w przypadku podmorskich łąk traw. Zmiana klimatu nasila także ryzyko susz i podnosi energię fal, co szkodzi słonym bagnom i namorzynom (Lovelock i Reef, 2020, Fenessy i in., 2021, Hilmi i in., 2021, Cooley i in., 2022, Plaisted i in., 2022) (zobacz też: Skwar w oceanie, część 1: coraz dłuższe morskie fale gorąca).

Mimo tych zagrożeń lasy namorzynowe, podmorskie łąki i słone bagna są traktowane jako ważne elementy strategii mitygacyjnych opartych na ekosystemach. Już teraz wiele państw uwzględnia ekosystemy „błękitnego węgla” w swoich politykach klimatycznych np.: wliczając ich udział do Deklarowanych Celów Krajowych (ang. NDC=nationally determined contributions) czy włączając do programów typu REDD. Często podkreśla się przy tym dodatkowe korzyści, które oferują, ułatwiając adaptację do zmiany klimatu czy wypełnienie Celów Zrównoważonego Rozwoju. Chronią przed powodziami i erozją wybrzeża: działają podobnie do naturalnych falochronów, łagodząc siłę fal i zapobiegając niszczeniu brzegów. Są naturalnymi „filtrami” wody, a także miejscami o dużej bioróżnorodności. Zapewniają pożywienie i schronienie dla wielu gatunków zwierząt, w tym ryb, będących ważnym źródłem wyżywienia i zarobku w wielu nadmorskich społecznościach. Usługi dostarczane przez te ekosystemy mają często wartość wielu setek milionów dolarów. Przykładowo odtworzenie mokradeł Everglades (Floryda, USA) przyniosłoby sumaryczną korzyść ekonomiczną w wysokości 1,8 mld dolarów (Richardson i in., 2014, Fenessy i in., 2021, Wedding i in., 2021, Quevedo i in., 2023). 

Mały, ale ważny sojusznik

Raport specjalny IPCC dotyczący oceanów i kriosfery (SROCC) szacował, że odtwarzanie tych ekosystemów najprawdopodobniej nie jest w stanie zmniejszyć obecnych emisji o więcej niż 2%. Uwzględniał jednak tylko ekosystemy z roślinami okrytonasiennymi (czyli bez np. glonów) i nie szacował ich udziału w tworzeniu osadów w głębinach morskich (np.: poprzez wynoszenie materiału organicznego z prądami z dala od lądów). Nowsze szacunki mówią o 3% do 2030 r., z czego ochrona ma potencjał ograniczać emisje o ok. 0,3 Gt CO_2e rocznie, a odtwarzanie o 0,8. Co więcej osady np. namorzynów mogą gromadzi węgiel przez kolejne tysiąclecia. Jest to związane z warunkami beztlenowymi spowalniającymi rozkład, przez co węgiel wolniej wraca do obiegu. Dodatkowo warstwa wody ogranicza wymianę węgla pomiędzy osadami a atmosferą, a roślinność spowalniając przepływ wody chroni osady przed wymywaniem. Wszystko to powoduje, że ekosystemy “błękitnego węgla” są bardziej  trwałym magazynem węgla niż gleby na lądach, które dość szybko mogą ulec wysyceniu (czyli zgromadzić pewną “maksymalną” ilość węgla organicznego), a uwolnienie z nich węgla następuje stosunkowo łatwo np.: w przypadku pożarów czy niewłaściwej gospodarki rolnej czy leśnej. Aby ekosystemy “błękitnego węgla” mogły jednak być naszym sojusznikiem w walce o zahamowanie wzrostu globalnej temperatury muszą być chronione, a zmiana klimatu nie może postępować w tempie, które przekroczy ich zdolności adaptacyjne (Ouyang i Lee, 2020, Hilmi i in., 2021, Macreadie  i in., 2021) (zobacz też: Glebowe magazyny węgla – jak je chronić przed erozją?).

Niestety dalsze ocieplenie może spowodować degradację ekosystemów „niebieskiego węgla”. W przypadku łąk morskich już przekroczenie 2,3°C w stosunku do czasów przedprzemysłowych wywrze na nie silny negatywny wpływ, łącznie z ryzykiem utraty zgromadzonego przez nie węgla. W przypadku słonych bagien ten próg wynosi 3,1°C, a dla namorzynów 3,7°C. Pogarszanie zdrowotności tych zbiorowisk będzie jednak następowało dużo wcześniej przed tymi „krytycznymi” wartościami – wiele wskazuje, że już ma to miejsce. Pokazuje to, że żadne naturalne rozwiązania nie mają szansy pomóc w ograniczeniu tempa ocieplania, jeśli nadal będziemy spalać paliwa kopalne (Williamson i Gattuso, 2021, Cooley i in., 2022).

Anna Sierpińska, konsultacja merytoryczna: dr Natalia Szymańska

The post Niebieski węgiel („blue carbon”), czyli pochłanianie CO2 przez przybrzeżne ekosystemy appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

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.

The post Koutsoyiannis i izotopy węgla, czyli nieudana próba podważenia wiedzy o zmianie klimatu appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Otwornice – mikroskopijni mieszkańcy oceanów

Otwornice to mikroskopijne organizmy, które żyją w oceanach i budują swoje skorupki z węglanu wapnia.

— Są to jedne z najliczniejszych w oceanie organizmów skorupkowych występujących w toni wodnej. Znajdują się prawie wszędzie tam, gdzie słona woda. To jedne z najmniejszych organizmów morskich. Ich rozmiar można porównać do ziarnka piasku. Były takie okresy, że otwornice występowały tak licznie, że formowały skały. Miliony lat później skały te wykorzystywano do budowy. Na przykład cały Paryż jest zbudowany z wapienia luteckiego, który ma taki charakterystyczny, beżowy kolor.

Inne mikroskopijne organizmy morskie, są wykorzystywane również w przemyśle kosmetycznym i niekiedy do produkcji leków. Ciągle odkrywamy też ich bogactwo, a szczególnie w rejonach, gdzie jeszcze nie są dobrze poznane, na przykład w Arktyce — wskazuje Ekspertka.

Otwornice a zmiana klimatu

— Otwornice planktoniczne, kiedy umierają, opadają na dno i w ten sposób usuwają węgiel z oceanu. Odpowiadają nawet za 40% węgla grzebanego na dnie w ciągu roku — podkreśla dr Szymańska. W ten sposób otwornice odrywają swoją ważną rolę w regulacji globalnego klimatu.

Badania dr Szymańskiej pokazują, że zmiana klimatu negatywnie wpływa na otwornice. Ocieplenie oceanów powoduje zmniejszenie grubości skorupek otwornic. Niektóre gatunki są również wrażliwe na wzrastające zakwaszenie oceanów, które utrudnia otwornicom budowanie skorupek.

— Otwornice budują muszle z substancji pobranych z wody i mogą mieć z tym trudności, gdy w powietrzu jest więcej dwutlenku węgla. W skrajnych przypadkach muszle mogą się nawet rozpuścić. Badania pokazują, że jeśli wzrost dwutlenku węgla jest powolny i stopniowy, natura może sobie z tym poradzić. Ale teraz, poziom dwutlenku węgla wzrasta bardzo szybko, co jest problemem — podkreśla dr Szymańska.

Istotne jest, że w konsekwencji tego procesu otwornice stają się mniejsze, ich skorupki słabsze, populacje w niektórych regionach maleją, a dominować zaczynają gatunki o małych rozmiarach.

Wpływ zmniejszenia się populacji otwornic na inne ekosystemy

Zmniejszenie populacji otwornic może mieć negatywny wpływ na całe ekosystemy morskie.

— Na przykład, jeśli zabraknie otwornic, ślimaki i inne zwierzęta, które się nimi żywią, mogą mieć problem ze znalezieniem wystarczającej ilości pokarmu. To z kolei wpłynie na populację ryb, które żywią się tymi mniejszymi organizmami. Mniejsza liczba ryb oznacza problemy dla rybołówstwa i dla morskich ptaków, które muszą latać coraz dalej, aby znaleźć pokarm.

Zmiany w środowisku mogą również wpływać na skład gatunkowy otwornic. W miarę ocieplania się wód, gatunki, które wolą chłodniejsze środowisko, takie jak te związane z lodem, mogą zniknąć i zostać zastąpione przez gatunki ciepłolubne. Te nowe gatunki mogą być mniej wydajne w pobieraniu węgla z wody, co dodatkowo wpływa na funkcjonowanie całego ekosystemu — wylicza dr Szymańska.

Zmiana klimatu następuje coraz szybciej

— Czasem się mówi, że zawsze były zmiany i kiedyś było cieplej a kiedyś zimniej, ale przy badaniu rdzenia z otwornicami, i tego, w jakim okresie żyło im się gorzej, to było to obserwowane w ciągu kilku lub częściej kilkunastu tysięcy lat, był to powolny proces. Teraz jest to około 20 lat. Nie znalazłam takiego przykładu, by wcześniej tak szybko następowały te zmiany — zauważa dr Szymańska. Podkreśla to ogromną rolę oceanów w produkcji tlenu i regulacji obiegu węgla.

Ekspertka alarmuje, że szybkie zmiany klimatyczne, obserwowane obecnie na skali zaledwie kilkudziesięciu lat, stanowią nietypowe zjawisko w historii Ziemi. Musimy działać, aby zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych i spowolnić zmianę klimatu. Możemy to zrobić, przechodząc na odnawialne źródła energii i oszczędzając energię elektryczną. Ochrona środowiska morskiego jest kluczowa dla zapobiegania negatywnym skutkom zmiany klimatu.

Rozmawiała Klaudia Katarzyńska

dr Natalia Szymańska – paleooceanografka z Instytutu Oceanologii Polskiej Akademii Nauk w Sopocie, zajmuje się badaniem udziału otwornic w obiegu węgla oraz wykorzystaniem ich pozostałości do badania przeszłości klimatu, bierze udział w projekcie NEEDED (2019/34/H/ST10/00682) finansowanym przez Norway Grants in the Polish-Norwegian Research Programme, którego celem jest odtworzenie historii ekosystemów Północnego Atlantyku.

Powyższy tekst powstał jako efekt warsztatów naukowej komunikacji zmiany klimatu zorganizowanych przez Naukę o klimacie i Fundację Edukacji Klimatycznej w ramach projektu realizowanego przez Fundację Edukacji Klimatycznej.

Projekt finansowany przez Islandię, Liechtenstein i Norwegię z Funduszy EOG i Funduszy Norweskich w ramach Programu Aktywni Obywatele – Fundusz Regionalny

The post Maleńkie organizmy z oceanu i ich wielkie znaczenie dla globalnego ekosystemu appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Ciągły wzrost stężenia gazów szklarniowych w atmosferze jest głównym powodem globalnego ocieplenia, a obecne oszacowania wskazują, iż aby ograniczyć ocieplenie Ziemi do maksymalnie 2^oC powyżej wartości temperatury z okresu przedprzemysłowego (z prawdopodobieństwem >67%) możemy wyemitować w sumie jeszcze nie więcej niż ok. 288-298 GtC (gigaton węgla organicznego, stan na koniec roku 2023) (Noon i in., 2021, Friedlingstein, 2023). Dla porównania, obecne podniesienie temperatury powierzchni Ziemi o ok. 1,1°C to efekt wprowadzenia przez człowieka do atmosfery 651 GtC w wyniku spalania paliw kopalnych i zmian pokrycia terenu, przy czym ponad połowa tego została pochłonięta przez ekosystemy lądowe i oceany. Ponieważ obecne działania mitygacyjne są jedynie symboliczne, budżet węglowy dla celu 2^oC będzie się dalej kurczył – dzieje się to teraz w tempie ok. 10 GtC rocznie. Jeśli te emisje nie zostaną ograniczone, w ciągu ok. 30 lat zostanie w ten sposób całkowicie wyczerpany. (Noon i in., 2021). 

Nasz budżet węglowy a pochłanianie CO₂ przez rośliny

To mogą być jednak optymistyczne szacunki. Część naukowców wskazuje bowiem, że modele projektu CMIP6, na których bazują raporty IPCC, mogą zawyżać możliwość pochłaniania CO₂ z atmosfery przez ekosystemy lądowe, a tempo niszczenia lasów, torfowisk itp. jest zbyt duże, by te magazyny węgla organicznego mogły nimi dalej pozostać. Należy tu dodać, iż degradacja tych ekosystemów powoduje dodatkowe emisje CO_2.,  część uwolnionego w ten sposób węgla, np. z gleb organicznych, nie ma szansy być ponownie zasekwestrowana przez te ekosystemy (zakładając, że nadal będą istnieć) szybciej niż za setki lub tysiące lat. Jeśli te ekosystemy staną się źródłami a nie  pochłaniaczami netto CO₂, to budżet węglowy wyczerpie się dużo szybciej niż za 3 dekady (Noon i in., 2021, Friedlingstein i in., 2022, raport IPCC AR6, 2022)

Obecnie ekosystemy lądowe pochłaniają ok. 3 GtC netto rocznie, co wraz z absorbcją CO₂ przez oceany, spowalnia tempo wzrostu stężenia tego gazu w atmosferze. Ludzie mają bezpośredni wpływ na to pochłanianie, bo takie sektory gospodarki, jak rolnictwo, leśnictwo, czy górnictwo odkrywkowe zmieniają szatę roślinną poszczególnych obszarów, a tym samym ich zdolność do akumulacji węgla. Emisje CO₂ związane ze zmianami użytkowania terenu (głównie wylesianiem) wynoszą ok. 1 GtC rocznie, co zmniejsza faktyczną ilość węgla sekwestrowanego przez te ekosystemy. 

Jeśli chcemy zatrzymać ocieplenie klimatu na poziomie 2^oC względem epoki przedprzemysłowej, emisje tego typu muszą zostać „wyzerowane”, tak samo, jak te związane ze spalaniem paliw kopalnych. IPCC wskazuje, że musi to nastąpić najpóźniej do ok. 2033 r. Można to osiągnąć poprzez ochronę naturalnych terenów, zalesianie czy zwiększanie zawartości materii organicznej w glebach uprawnych. Działania te, wdrożone na dużą skalę, mogą nie tylko „wyzerować” emisje z sektora AFOLU (rolnictwo, leśnictwo i inne użytkowanie terenu), ale zapewnić według IPCC nawet 20-30% globalnego ograniczenia emisji, potrzebnego do zatrzymania wzrostu średniej temperatury Ziemi poniżej 2^oC. 

Spośród wymienionych, największy potencjał w ograniczaniu antropogenicznych emisji mają takie działania, jak: ochrona i lepsze zarządzanie naturalnymi ekosystemami (ok. 1,5-2 GtC rocznie) a także odtwarzanie lasów i innych ekosystemów (ok. 1-1,5 GtC rocznie) (raport IPCC AR6, 2022) (zobacz też: Rolnictwo wpływa na klimat, klimat wpływa na rolnictwo).

Problemy z szacowaniem pochłaniania CO2 przez ekosystemy

Problem w tym, że szacunki, w myśl których ekosystemy naturalne i antropogeniczne (np. rolnicze) miałyby pochłaniać coraz więcej CO₂, są oparte na kilku założeniach nie oddających w pełni rzeczywistości. Po pierwsze, aby uzyskać wartości z górnych granic przedziałów wyliczanego potencjału trzeba byłoby  natychmiast zaprzestać niszczenia naturalnych ekosystemów. 

Po drugie większość modeli wykorzystanych do obliczeń cytowanych przez IPCC nie uwzględnia m.in. pełnej odpowiedzi roślin na zmiany w środowisku i nie różnicuje tempa odtwarzania różnych ekosystemów. 

Ponadto istnieją duże (ok. 1,5 GtC) rozbieżności w wyliczeniach rocznych emisji antropogenicznych z AFOLU wynikające z różnic w metodologiach używanych w krajowych inwentaryzacjach gazów cieplarnianych i modelach globalnych. Jeśli weźmiemy pod uwagę krajowe ewidencje, odkryjemy, że pozostały budżet węglowy wspomniany na początku artykułu może być przez IPCC zawyżony. Dobrym przykładem opisu niepewności w szacowaniu emisji z odwodnionych torfowisk jest praca Kotowskiego (2021).

Określenie, w jakim stopniu naturalne ekosystemy mogą nam pomóc w ograniczaniu tempa zmiany klimatu nie jest więc takie proste! (raport IPCC AR6, 2022). W dalszej części tekstu przedstawimy powody, dla których możliwości magazynowania węgla w przyszłości w ekosystemach mogą być przeszacowane.

„Nawożenie” CO₂  nie zawiezie nas daleko

Według raportów takich jak IPCC AR5 (2015), specjalny raport „Zmiana klimatu i lądy” (2018) i AR6 (2022), obserwowany w ostatnich dekadach wzrost pochłaniania CO₂ przez ekosystemy to przede wszystkim efekt „nawożenia CO₂”. Oznacza on wzrost efektywności fotosyntezy w odpowiedzi na większą zawartość tego gazu w atmosferze. Dzięki temu przyrasta biomasa roślin, a tym samym ilość węgla organicznego gromadzonego w ich tkankach. 

Nawet za połowę tego wzrostu okresie 1995-2014 mogły odpowiadać tropiki. AR6 prognozuje, że w XXI w. ten region Ziemi nadal będzie „pochłaniaczem” węgla. Jednak wiele badań pokazuje, że efekt „nawożenia CO₂” z czasem słabnie – efektywność fotosyntezy nie może rosnąć w nieskończoność a i rośliny mają ograniczoną możliwość wykorzystania produkowanych w niej związków (utrudniają to coraz wyższe temperatury, częstsze susze, i ograniczona dostępność składników odżywczych np.: azotu). (Wieder i in., 2015, Fernández-Martínez i in., 2019, Zang i in., 2019, IPCC AR6, 2022)

Zespół Songhana Wanga na podstawie danych naziemnych i satelitarnych określił, że na większości obszarów lądowych efekt nawożenia już de facto osłabł w ostatnich 3-4 dekadach, co dobrze koreluje ze zmianami dostępności składników odżywczych i wody w glebie (Wang i in., 2020). 

Do tego obserwowana w ostatnich dekadach zwiększona produkcja pierwotna netto („zazielenianie”) w dużej mierze dotyczy terenów nie będących lasami – głównie pól uprawnych. Nie są one jednak w stanie pełnić tak ważnej roli w mitygacji zmiany klimatu jak obszary naturalne, chociażby ze względu na to, że właściwie nie gromadzą węgla w biomasie nadziemnej (plony są co roku zbierane i procesie trawienia z powrotem zamieniane na takie gazy, jak CO₂ i CH₄) (Zang i in., 2019) (zobacz także: Ziemia się zieleni – ale gdzie i dlaczego?).

Zbyt mało fosforu i azotu

Większość modeli systemu ziemskiego (ESM) wykorzystywanych w obliczeniach odzwierciedla głównie wpływ zmian użytkowania terenu, zmiany klimatu i stężenia CO₂ na produkcję pierwotną netto i oddychanie organizmów cudzożywnych (tj. zwierząt, większości bakterii itd.) bez uwzględniania różnych niuansów. Ilość węgla zgromadzonego na lądzie jest wyliczana po prostu na podstawie różnicy między całkowitą produkcją (pochłanianie netto CO₂ przez rośliny) a oddychaniem heterotroficznym w ekosystemie (rozkład martwej biomasy).  

Choć w projekcjach dla XXI w. ocieplenie powoduje nasilenie oddychania, to obliczenia pokazują, że jednocześnie nawożenie CO₂ będzie na tyle stymulować wzrost produkcji pierwotnej netto, że węgiel nadal będzie odkładał się w ekosystemach. AR6 przewiduje, że emiterem netto CO₂ staną się one raczej po 2100 r. (IPCC AR6, 2022)

Sytuacja wygląda jednak inaczej, gdy w modelach uwzględni się np. dostępność dwóch kluczowych dla roślin składników odżywczych – azotu i fosforu. Dostępność azotu biorą pod uwagę tylko 2 z wielu modeli fazy 5 programu Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5), używanych do prognoz w raporcie AR5 oraz ponad połowa fazy 6 CMIP (raport AR6). 

Fosfor uwzględnia natomiast tylko 1 model CMIP6. Jego niedobory są  jednak dość powszechne na lądach i w przyszłości jego dostępność dla roślin może spadać. Będzie to ograniczać produkcję pierwotną, szczególnie w tropikach. Uwzględnienie ograniczeń związanych azotem i fosforem obniża prognozowane na koniec XXI w. szacunki produkcji pierwotnej netto o ok. 25% w stosunku do modeli CMIP5. W wyniku tego powierzchnia lądów staje się emiterem netto CO₂ jeszcze przed 2100 r. (Wieder i in., 2015, Kawamiya i in., 2020)

Wylesianie – to się wciąż dzieje

W większość modeli systemu ziemskiego używanych do obliczania redukcji emisji antropogenicznych  koniecznych do wypełnienia założeń Porozumienia Paryskiego, przyjęto, że obecne, ogromne naturalne magazyny węgla np. lasy pozostaną raczej nienaruszone i że obszary te nadal  będą sekwestrować węgiel (ewentualnie – z coraz mniejszą efektywnością, w miarę starzenia się drzewostanów). 

W rzeczywistości jednak wiele naturalnych magazynów jest niszczonych. W latach 2000-2015 globalny obszar lasów kurczył się średnio o 12 mln ha co 5 lat, a w niektórych regionach na północy globu, szczególnie w Ameryce Północnej, średni obszar płonących rocznie torfowisk więcej niż podwoił się w ostatnich dekadach. Ocieplenie zwiększyło także częstotliwość pojawiania się susz, pożarów i dużej ilości owadów żerujących na drzewach w takim stopniu, że zachodnia Kanada i Syberia mogły już stać się źródłami emisji netto CO₂ (Yang i in., 2015, Goldstein i in., 2020, Tagesson i in., 2020).

Zakłócenia, takie jak wycinki, uszkodzenia przez roślinożerców czy pożary wpływają także na sposób odtwarzania się lasów. Oznacza to, że zniszczony las może odrastać w wolniejszym tempie, mieć inny skład gatunkowy, a nawet przekształcić się w inny ekosystem. Będzie to miało oczywiście znaczenie dla sekwestracji węgla na określonym obszarze (Brienen i in., 2020). 

Co więcej, przy większym stężeniu CO₂ w atmosferze rośliny wprawdzie szybciej rosną, ale niektóre też (np. drzewa) szybciej się starzeją, co w konsekwencji skraca ich życie. Efekt ten prawdopodobnie jest już obserwowany w tropikach i na wysokich szerokościach geograficznych i może częściowo tłumaczyć wzrost śmiertelności drzew w tych miejscach. Oznacza to oczywiście skrócenie czasu magazynowania węgla w ekosystemie. Jeśli efekt ten będzie się utrzymywał czy wręcz nasilał, to z czasem lasy będą pochłaniać coraz mniej dwutlenku węgla netto, a mogą wręcz zacząć go emitować. (Zang i in., 2019, Brienen i in., 2020, raport IPCC AR6, 2022) (zobacz też: Tajga płonie. Coraz częściej., Bagna a klimat. Wysuszone torfowiska na świecie emitują 2 mld ton CO2 rocznie).

Dalsze efekty zmian w krajobrazie

Oprócz uwzględnianych w modelach bezpośrednich emisji CO_2, zmiana pokrycia terenu powoduje także inne efekty wpływające na cykl węglowy. Na przykład wylesianie tropików modyfikuje obieg wody i bilans energetyczny przy powierzchni ziemi, co ma znaczenie dla krążenia węgla w ekosystemie np. poprzez wpływ na tempo rozkładu oraz akumulacji materii organicznej. Z tego powodu badacze wskazują, że np. prognozowany wzrost potencjału magazynowania węgla w ekosystemach należałoby zmniejszyć o ok. 25% (Quesada i in., 2018, Noon i in., 2021). 

Według części badań już obecnie pochłanianie węgla przez nienaruszone lasy tropikalne jest niemal neutralizowane (wyzerowane) przez emisje związane z wylesianiem. Do tego niektóre bazy danych służące do określania pochłaniania i emisji ekosystemów lądowych np. ESA-CCI, za las uznają zarówno pierwotny las tropikalny, jak i plantację palm oleistych. W ten sposób z bilansów „umykają” zmiany zawartości węgla w danym miejscu po jego przekształceniu: pierwotny las jest bowiem zupełnie innym magazynem i pochłaniaczem węgla niż plantacja. Przykładowo, zróżnicowany gatunkowo i wiekowo las naturalny lepiej radzi sobie w niekorzystnych warunkach, dzięki czemu pochłanianie CO₂ jest w nim bardziej stabilne (Fernández-Martínez i in., 2019, Osuri i in., 2020, Tagesson i in., 2020).

„Błękitny węgiel”

Ważnym pochłaniaczem i magazynem węgla są także ekosystemy morskie i przybrzeżne. Są one w mniejszym stopniu narażone na część zakłóceń (np. pożary) od lądowych, a słone, beztlenowe warunki ograniczają rozkład materii organicznej, co pozwala na efektywne gromadzenie węgla nawet tysiącleciami. 

Ekosystemy gromadzące „błękitny węgiel”, takie jak namorzyny, słone bagna czy łąki morskich traw, zawierają ok. 30 GtC (zobacz też ilustracja 6). W osadach na dnie morskim, w warstwie 1 m,  znajduje się natomiast ok. 2300 GtC (prawie 2 razy więcej niż w glebach na lądach), z czego 80% w głębinach. Magazyn ten, jeśli nie jest niszczony, może przetrwać tysiące a nawet miliony lat. Z tego względu morskie ekosystemy i osady mogą pełnić ważną rolę w mitygacji zmiany klimatu (Atwood i in., 2020, Macreadie  i in., 2021). 

Obecnie tylko ok. 1,5% powierzchni ekosystemów „błękitnego węgla” znajduje się w granicach morskich obszarów chronionych.  Do tego powierzchnia tych ekosystemów zmniejszyła się już o ok. połowę od czasów przedprzemysłowych. Na przykład w latach 1990-2020 z powodu rolnictwa i akwakultury zniszczono ok. 1 mln ha namorzynów. Osady denne są natomiast naruszane przez trałowanie czy wydobywanie ropy i gazu z dna morskiego (Ouyang i Lee, 2020). 

Ochrona ekosystemów błękitnego węgla oraz odtworzenie ich na ok. 40 mln ha mogłoby potencjalnie ograniczyć roczne emisje antropogeniczne o ok. 3%. Dodatkowymi korzyściami byłaby ochrona bioróżnorodności, wybrzeży i zwiększone połowy ryb. (Ouyang i Lee, 2020, Macreadie  i in., 2021, raport IPCC AR6, 2022).

Niszczenie ekosystemów likwiduje magazyny węgla na dekady, a w niektórych przypadkach nawet tysiąclecia. Odliczenie tego od budżetu węglowego dla celu ograniczenia ocieplenia poniżej 2 °C zmniejsza go. Wprawdzie szybko regenerujące się ekosystemy, np. trawiaste, mogą częściowo wyrównać tą lukę, to nadal jakaś pozostanie, gdyż np. zniszczone torfowiska potrzebują setek czy tysięcy lat na odtworzenie.

 Biorąc pod uwagę, że emisje netto zero powinniśmy osiągnąć w 2050 r., niszczenie długo regenerujących się ekosystemów będzie zmniejszać ilość CO₂, który możemy wyemitować w ramach działalności gospodarczej dla danego budżetu węglowego. 

Zespół Moniki Noon wskazał w niedawnej pracy ekosystemy magazynujące węgiel, których po zniszczeniu nie byłoby szansy odbudować w ciągu kolejnych 3 dekad. To właśnie one przechowują ok. 20% węgla zasekwestrowanego w ekosystemach lądowych i wybrzeżach bez wliczania wieloletniej zmarzliny. Około 140 GtC z tego znajduje się w „magazynach”,których utratę można stosunkowo  łatwo zahamować, rezygnując z przekształcania terenów lub podejmując działania adaptacyjne (np. ponowne nawadniając (odtwarzając) tereny podmokłe). (Noon i in., 2021). 

Zidentyfikowanie obszarów, w których znajdują się największe nieodtwarzalne magazyny węgla pozwoliłoby skoncentrować wysiłki na ochronie miejsc mających największy wpływ na ziemskie bezpieczeństwo klimatyczne. Zespół Noon wymienia tu tropikalne lasy i torfowiska Amazonii (31,5 GtC), dolinę Kongo (8,2GtC), wyspiarską część południowo-wschodniej Azji (13,1GtC), umiarkowane lasy północno-zachodniej Ameryki Północnej (5GtC), lasy i torfowiska wschodniej Kanady i zachodniej Syberii (12,4GtC) oraz namorzyny i zalewowe tereny podmokle wybrzeży na całym świecie (4,8GtC). Ochrona tych miejsc jest kluczowa, dla realizacji celów Porozumienia Paryskiego. 

Obecnie jednak z nieodtwarzalnych magazynów ubywa co roku około 0,4 GtC (co odpowiada ok. 3,5% wielkości emisji CO₂ ze spalania paliw kopalnych i wylesiania). To efekt przede wszystkim pozyskiwania drewna, ekspansji rolnictwa i pożarów. Im bardziej wzrosną temperatury, tym te straty będą wyższe (m.in. w wyniku zamierania drzew, zapalania lub rozkładu pokładów torfu, wzrostu poziomu morza, cyklonów niszczących lub zalewających ekosystemy na wybrzeżach, czy przekraczania punktów krytycznych ekosystemów, za którymi będą stawały się źródłem CO₂ a nie „pochłaniaczem”). (Noon i in., 2021). 

Niszczenie torfowisk prawie jak spalanie ropy naftowej

Badania takie, jak zespołu Moniki Noon pokazują, że część emisji będących wynikiem przekształcania ekosystemów naturalnych powinna być de facto traktowana jak emisje z paliw kopalnych – np. w przypadku torfowisk. Inaczej wyliczenia wpływu np. zalesiania na równoważenie emisji z lądów mogą być zawyżone. To pokazuje, że mitygacja oparta na obszarach naturalnych może być de facto mniej efektywna, niż pokazują podsumowania wyników badań przedstawione w dotychczasowych raportach IPCC. 

Biorąc pod uwagę, jak wiele ważnych czynników bywa pomijane w obliczeniach, nie dziwią duże rozbieżności co do prognoz pochłaniania węgla przez lądy w XXI w. Na przykład zespół Vanessy Haverd oszacował, że przy scenariuszach niskich emisji, w XXI w. ekosystemy właściwie utrzymają obecne tempo sekwestracji (ok. 1,8 GtC rocznie). Według IPCC pod koniec XXI w. pochłanianie będzie w tym przypadku wynosić 0,4 GtC rocznie (scenariusz SSP1-2.6), a w przypadku wysokich emisji (scenariusz SSP5-8.5) sięgać ok. 5,6 GtC (Haverd i in., 2020, IPCC AR6, 2022). 

Część naukowców uważa jednak, że wzrost pochłaniania węgla przez ekosystemy, w scenariuszach wysokich emisji IPCC (zobacz ilustracja 9), załamie się tak naprawdę już w połowie wieku, co może skutkować dodatkowym przyrostem ilości CO₂ w atmosferze. Tym bardziej, że w przyszłości, szczególnie w przypadku scenariuszy wysokich emisji (RCP 8.5), należy spodziewać się zdecydowanego zwiększania częstości klimatycznych ekstremów niszczących naturalne ekosystemy. Choć modele fazy 5 CMIP wskazywały, że tropiki i północne szerokości pozostają  głównymi pochłaniaczami CO₂ do 2100, to obserwacje wskazują, że być może już teraz mamy w  ich przypadku raczej do czynienia z emisjami niż pochłanianiem (Yang i in., 2015, Green i in., 2019, Friedlingstein i in., 2022, IPCC AR6, 2022). 

Lasy nas nie uratują

Wszystko to oznacza, że poleganie na ekosystemach jako sposobie na mitygację zmiany klimatu nie jest najlepszym pomysłem, mimo ich dużego potencjału technicznego*. Niestety wiele projektowanych obecnie działań skupia się raczej na wykorzystaniu naturalnych „pochłaniaczy” CO₂ zamiast na obcinaniu emisji ze spalania paliw kopalnych. Wśród nich są m.in. „rolnictwo węglowe” w EU, rynek kredytów węglowych dla lasów, wzmocnienie programów typu REDD+ czy biokredyty. Wielu naukowców wskazuje jednak, że te pomysły mają de facto niewiele wspólnego ze skuteczną ochroną klimatu, mogą za to przynieść w niektórych przypadkach negatywne skutki np. dla realizacji Celów Zrównoważonego Rozwoju. 

Ponieważ modele systemów ziemskich są ciągle ulepszane, możliwe jest też, że kolejny raport IPCC pokaże mniej optymistyczne szacunki dotyczące pochłaniania węgla przez lądy. Do tego dalsze doprecyzowanie poziomu historycznego ocieplenia i  zakresu niepewności związanych z odpowiedziami klimatu na inne, niż CO₂, emisje (CH₄, N₂O i aerozole), może zmienić (zwiększyć lub zmniejszyć (!)) budżety węglowe o 150 GtC i 60 GtC odpowiednio. Spowoduje to konieczność dalszego zwiększania wysiłków potrzebnych do osiągnięcia celów klimatycznych w dużo krótszym czasie niż mamy obecnie. Tym bardziej, że tempo niszczenia ekosystemów raczej nie spada, a tym samym magazyny węgla organicznego kurczą się, wśród nich są te uznawane za nieodnawialne. 

Budżet węglowy dla celu 2^oC jest więc mocno zagrożony wyczerpaniem się szybciej niż za 30 lat. Ochrona ekosystemów może być kluczowym elementem dającym nam więcej czasu, jednak nie ma szansy zastąpić zdecydowanych działań w ograniczaniu emisji gazów cieplarnianych ze spalania paliw kopalnych (IPCC AR6, 2022) (zobacz też: „Na skróty przez las”? Nie tędy droga.).

Anna Sierpińska, konsultacja merytoryczna: dr hab. Bogdan Chojnicki

The post Magazyny węgla, których nie możemy stracić appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Wykres pokazujący równowagę pomiędzy ilością CO2 emitowanego w wyniku działalności człowieka oraz przybywającego w środowisku (górna i dolna część wykresu to w przybliżeniu odbicia lustrzane).

Oś pionowa: masa emitowanego / pojawiającego się CO₂ w gigatonach (mld. ton) CO₂. Oś pozioma: czas (lata). 

Panel górny: emisje CO2 związane z działalnością człowieka, w podziale na emisje ze spalania paliw kopalnych i produkcji cementu (pomniejszone o CO2 wiązane przez beton) (kolor szary) – oraz ze zmian użytkowania terenu (kolor beżowy). 

Panel dolny: przyrosty masy CO2 w oceanie (kolor ciemnoniebieski), ekosystemach lądowych (kolor zielony) i atmosferze (kolor niebieski).

Źródło: Global Carbon Project (bezpośredni link do wykresu) na podstawie danych opisanych w artykule Firedlingstein i in. (2022)

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 Antropogeniczne emisje CO2 i ich los appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

W skutych zmarzliną gruntach Arktyki (północna Syberia jest jej częścią), znajduje się prawie 1700 Gt (gigaton; 1 Gt = 1 miliard ton) organicznego węgla, z czego większość w górnych 3 m gruntu, a około 1/3 głębiej. Jego ewentualne uwolnienie do atmosfery w postaci gazów cieplarnianych CO₂ (dwutlenku węgla) i CH₄ (metanu) przyśpieszyłoby ocieplenie klimatu. Z drugiej strony, rosnąca temperatura Ziemi zagraża stabilności tego ogromnego magazynu w wieloraki sposób (zobacz: Topnienie zmarzliny niszczy lądowe magazyny węgla). Ocieplenie nie tylko powoduje fizyczne tajanie zmarzliny, ale m.in. stwarza coraz dogodniejsze warunki do powstawania tam pożarów. Ich wpływ, choć jeszcze nie do końca dokładnie rozumiany przez naukowców, wydaje się być większy, niż do tej pory sądzono (Turetsky i in., 2020, Miner i in., 2022). 

Pożary w Arktyce – to prawdziwa inwazja

Liczba pożarów, a także ilość emitowanych w czasie ich trwania gazów cieplarnianych, jest na obszarze Syberii większa niż na Alasce i w Kanadzie. Co roku na Syberii zniszczeniu ulega od ok. 5 do ok. 20 mln ha terenów naturalnych, a średni wypalony obszar był w latach 2011-2020 ponad 2 razy większy, niż jeszcze na początku XXI w. 

Związane z tym emisje węgla wahały się w ostatnich dwóch dekadach w szerokim zakresie od 0,02 do 0,22 Gt węgla (GtC) rocznie (średnio ok. 0,08 GtC), choć np. w roku 2020, w związku z długotrwała suszą, znacznie przekroczyły te wartości osiągając 0,35 GtC. Dla porównania w Kanadzie średnie roczne emisje to ok. 0,06 GtC.

Susze i fale upałów stają się coraz częstsze na północy globu, ponieważ Arktyka ociepla się trzykrotnie szybciej niż reszta planety (odpowiada za to efekt arktycznego wzmocnienia). Prognozy wskazują, że w 2050 r. średnia temperatura roczna będzie na Syberii co najmniej o 0,5 stopnia Celsjusza wyższa niż teraz, a w przypadku scenariuszy wysokich emisji nawet o 5 stopni (obecne tempo ocieplania południowej części Syberii to ok. 0.08 ̊C rocznie) (Ciavarella i in., 2020, Czerniawska i Chlachula, 2020). Ociepleniu towarzyszy wzrost liczby następujących po sobie dni suchych i zmniejszanie liczby występujących w ciągu roku dni wilgotnych, co zwiększa ryzyko pożarowe. 

Modele klimatyczne od ponad dekady prognozują „inwazję” pożarów na obszar Arktyki (rozumianej jako obszar o szerokościach geograficznych powyżej 66°N), a od 2015 r. wzrasta liczba dowodów na bezpośredni wpływ zmiany klimatu na pojawianie się dużych pożarów na początku sezonu. Z powodu wydłużania sezonu pożarowego i zwiększania wypalanego obszaru, średni poziom emisji z pożarów na obszarze całej Syberii (nie tylko części arktycznej) wzrośnie w 2030 r. według prognoz do ok. 0,25 GtC rocznie w przypadku ekstremalnych sezonów pożarowych i do ok. 0,11 GtC dla umiarkowanych. W 2050 r. może to być jeszcze więcej. 

W przypadku scenariusza zakładającego brak globalnych działań na rzecz ochrony klimatu (scenariusz wysokich emisji RCP8.5), w połowie XXI wieku emisje te mogą osiągnąć nawet 1,2-1,5 GtC rocznie. Taka dodatkowa “dostawa” gazów cieplarnianych to odpowiednik ok. 4-letnich emisji Polski (Justino i in., 2021, McCarty i in., 2021, Ponomarev i in., 2021, Popovicheva i in., 2021). (zobacz też: Tajga płonie. Coraz częściej)

Susze w tajdze i tundrze oraz ich konsekwencje

Wzrost temperatur i wydłużanie się okresów bezopadowych  sprzyja pojawianiu się pożarów ekstremalnych także pośrednio. Silne susze wiosenne i letnie prowadzą do osłabiania drzew, a nawet niewielki wzrost parowania może mieć znaczenie dla ich stanu zdrowotnego. W stosunkowo suchym środowisku wnętrza Syberii* tajająca latem zmarzlina, a dokładniej – jej warstwa czynna, w dużym stopniu dostarcza wody koniecznej dla wzrostu lasu Choć początkowo myślano, że głębsze rozmarzanie gleby wraz  ze wzrostem globalnej temperatury może rekompensować straty wilgoci wynikające z parowania, to obecnie uznaje się, że w scenariuszach średnich i wysokich emisji modele systemów ziemskich zaniżają wielkość parowania oraz przeszacowują obecną i przyszłą dostępność wody w lasach północy, więc na takie skompensowanie nie można liczyć.

Mniejsza ilość wody, a także większa presja ze strony owadów żerujących na roślinach oraz chorób, które w wyniku ocieplenia rozprzestrzeniają się na nowe obszary, powodują większą śmiertelność drzew. Ich zamieranie jest już obserwowane m.in. na południowej granicy zasięgu tajgi. Im więcej martwych drzew jest w lesie, tym więcej „paliwa” podsycającego ogień, czego skutkiem mogą być długotrwałe, silne pożary. 

W ostatnich latach wzrasta także częstość pożarów tundry, a sytuacja może się pogorszyć w przyszłości w wyniku susz, zmian rytmu występowania opadów, wkraczania drzew i krzewów, a także wzrostu liczby wyładowań atmosferycznych podczas burz. Spowoduje to, że pożary obszarów na północ od szerokości 60°N będą miały najprawdopodobniej największy wkład do wzrostu emisji z pożarów na Syberii (Tchebakova i in., 2009, Ponomarev i in., 2016, McCarty i in., 2021, Ponomarev i in., 2021).

Syberyjskie lasy
Lasy modrzewiowe stanowią około połowy lasów na Syberii. Lokalne gatunki są dobrze przystosowane do ekstremalnego klimatu kontynentalnego centralnej i wschodniej części regionu. Są w stanie rozwijać się na zmarzlinie, a modrzew dahurski jest jedynym drzewem mogącym rosnąć w miejscach, gdzie warstwa czynna gleby (sezonowo odmarzająca) ma jedynie 10-30 cm. 
Wilgoć zawarta w rozmarzającej latem warstwie pozwala na rozwój drzew w suchych warunkach Syberii, której tereny byłyby w innym przypadku pokryte stepem lub półpustynią. Pożary, szczególnie ekstremalne, utrudniają odrastanie lasu. Obserwowane jest to np. w reliktowych lasach sosnowych w górach Tuva, gdzie na niższych wysokościach drzewa są obecnie zastępowane przez trawy. Mają one krótszy cykl życiowy, łatwiej odradzają się po pożarach i są dobrze zaadaptowane do minimalnych opadów oraz susz. Siedliska leśno-stepowe i step mogą według prognoz zdominować nawet połowę powierzchni Syberii do 2080 r. w przypadku scenariusza RCP 8.5, co wpłynie m.in. na bilans węglowy regionu, a także wywoła zmiany hydrologiczne (Tchebakova i in., 2009, McCarty i in., 2021, Talucci i in., 2022).

Pożary ogniste i tlące się

Pojawy intensywnych pożarów ognistych można odnotować nawet korzystając z danych satelitarnych. Dużo poważniejszym problemem w przypadku Syberii są jednak pożary trudne do wykrycia nie tylko z odległości, ale czasem nawet przez obserwatora znajdującego się tuż obok. To tlące się pożary torfowisk.

Torfowiska pokrywają znaczną część obszaru Syberii i są naturalnymi magazynami węgla (zobacz: Torfowiska – kolejne dodatnie sprzężenie zwrotne zmiany klimatu). Degradacja zmarzliny czy susze powodują odwadnianie torfowisk, a przesuszone torfowiska łatwo ulegają zapłonowi. Do tego mogą tlić się miesiącami, latami, a nawet dekadami. Taki pożar, niewidoczny lub słabo widoczny na powierzchni, rozprzestrzenia się w głąb i wszerz gleby, „przenosząc” się pod ziemią na nowe obszary, nawet jeśli na powierzchni wszystko wydaje się pozornie ugaszone. 

Pożary “zombie”

W sprzyjających warunkach pożar tlący się, może przerodzić się w ognisty, wypalając drzewa i krzewy.  Im cięższy był pożar torfowiska, tym większe jest ryzyko, że uda mu się przetrwać  zimę na północy globu. Obserwacje pokazują, że niektóre nie wygasają nawet przy temperaturach spadających poniżej −35°C. Są to tzw. pożary „wstrzymane” („zimujące”, „zombie”). Naukowcy podejrzewają, że np. część z najwcześniejszych pożarów w maju 2020 r. dookoła zamarzniętego jeziora termokrasowego w Jakucji, mogła wybuchnąć właśnie w wyniku „odżycia” pożarów z poprzedniego sezonu (McCarty i in., 2021, Rein i Huang, 2021). 

Toksyczny dym

Dotychczas  badania naukowe głównie skupiały  się przede wszystkim na łatwiejszych do wykrycia pożarach ognistych. Jednak te tlące się wzbudzają coraz większe zainteresowanie, gdyż powodują zanieczyszczenie powietrza na dużych obszarach, istotne emisje węgla, oraz są trudne do wykrycia i zduszenia, a wszystko to powoduje, że mogą mieć spory wpływ na klimatu.

Ponieważ spalanie w pożarach tlących jest niecałkowite, pochodzący z nich dym zawiera obok CO₂ dużą ilość CO, NH₃ i pyłów zawieszonych. Żarzący się torf jest źródłem lotnych związków organicznych, m.in. wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, które są dobrze znanymi substancjami rakotwórczymi, teratogennymi i mutagennymi, a także – w dużo większym stopniu niż pożary nadziemnej roślinności – źródłem emisji rtęci do atmosfery. Narażenie na oddychanie takim dymem powoduje wiele problemów zdrowotnych, głównie z układem oddechowym i krążenia, jest także przyczyną zwiększonej śmiertelności płodów i niemowląt. (zobacz też: Coraz więcej upałów w Polsce) (McCarty i in., 2021, Rein i Huang, 2021, Xue i in., 2021).

Czarny i brązowy węgiel a klimat Arktyki

Zanieczyszczenia zawarte w dymie są poważnym problemem nie tylko z punktu widzenia zdrowia ludzi. Sadza („czarny węgiel”, black carbon), pochodząca z niecałkowitego spalania biomasy (a także paliw kopalnych) w pożarach tlących się, pochłania promieniowanie słoneczne. Kiedy więc znajduje się w atmosferze zasadniczo podnosi jej temperaturę. Globalnie ten wpływ nie jest duży, choćby ze względu na krótki czas pobytu sadzy w powietrzu, jednak może mieć znaczenie dla klimatu Arktyki. Szacuje się, że sadza i aerozole siarczanowe podnoszą temperaturę powierzchni Arktyki o ok. 0,3^oC, co stanowi ok. 20% obserwowanego ocieplenia tego regionu od wczesnych lat 80. Ponadto sadza, tak jak inne cząsteczki w atmosferze, wpływa na albedo (czyli na to, jaką część padającego na nią promieniowania chmura odbija), stabilność i czas utrzymywania się chmur, a tym samym na opady. Dodatkowo, osadzając się na jasnej powierzchni śniegu i lodu przyspiesza jego topnienie. Ten efekt może się utrzymywać przez wiele lat, a nawet dekad po pożarze. 

Badania przeprowadzone na Grenlandii pokazały, że w ostatnich 20 latach tutejszy lód i śnieg robiły się coraz „ciemniejsze”, a związany z tym spadek albedo wyspy może osiągnąć co najmniej 10% do końca wieku. Okazuje się, że wzrost „ciemnienia” Grenlandii nie ma związku z sadzą „aktualnie” zawartą w atmosferze, ale tą, która została naniesiona wcześniej na wyspę i zgromadziła się w śniegu.  Jak tłumaczy Marco Tedesco, profesor w Lamont-Doherty Earth Observatory i naukowiec pracujący w NASA Goddard Institute of Space Studies:

 Topnienie uwalnia ciemne cząsteczki zgromadzone w pokrywie śnieżnej.Część [z nich] jest zmywana z wodą, ale 20-30% – zgodnie z naszą najlepszą wiedzą – zostaje na powierzchni lodu czy śniegu w czasie, gdy topnienie postępuje. […] Gdy topnienie zachodzi tak szybko, jak działo się to [na Grenlandii] w ciągu ostatnich 20 lat, to z powodu [tego] tempa topnienia większe znaczenie ma to, co już nagromadziło się w śniegu niż to, co pochodzi [aktualnie] z atmosfery.

Choć w przypadku Arktyki ponad 40% ilości sadzy osadzającej się na powierzchniach pochodzi ze spalania gazu w instalacjach wydobywczych (flaring), to emisje z pożarów lasów mają często niewspółmiernie duży wpływ na topnienie lodu. Są bowiem źródłem ponad połowy ilości sadzy emitowanej na północ od szerokości geograficznej 60°N, mają także miejsce głównie wczesną wiosną i latem, gdy ze względu na cyrkulację atmosferyczną, sadza może był łatwo transportowana nawet na tysiące kilometrów i osadzać się na lodzie morskim. Lód morski ma najniższy zasięg latem i wczesną jesienią; jest wtedy najbardziej wrażliwy na procesy wywołujące topnienie. Sadza nanoszona z pożarów lasów może więc w dużym stopniu „dokładać się” do zmniejszania pokrywy lodowej. 

Pożary terenów naturalnych są także źródłem „brązowego węgla” (cząsteczek powstających w wyniku spalania materii organicznej z roślin i gleby, powodujących m.in. że dym ma kolor żółtawy czy brązowy), a autorzy badania pod kierownictwem Siyao Yue wskazują, że również on może w dużej mierze przyczyniać się do nadzwyczajnego ocieplenia Arktyki w ostatnich dekadach. 

Ku naszemu zaskoczeniu, analizy obserwacyjne i symulacje numeryczne pokazują, że nad Arktyką efekt ocieplający aerozoli z brązowym węglem [stanowi] nawet około 30% tego, co w przypadku sadzy

– mówi współautor artykułu, Pingqing Fu, chemik atmosfery z Uniwersytetu Tianjin w Chinach. 

Rola „brązowego węgla” w Arktyce jest słabo przebadana i rozumiana, jednak podobnie jak w przypadku sadzy, należy się spodziewać, że jego emisje będą w przyszłości rosły. Uruchomione zostanie dodatkowe sprzężenie zwrotne, gdzie osadzanie się ciemnych cząsteczek na lodzie będzie powodować jego topnienie i zmniejszanie albedo (czyli spadek ilości promieniowania słonecznego odbijanego w kosmos), co będzie napędzać ocieplenie, które w konsekwencji przyniesie więcej pożarów, a tym samym więcej sadzy i „brązowego węgla” (Tedesco i in., 2016, McCarty i in., 2021, Popovicheva i in., 2021, Yue i in., 2022).

Uwalnianie „starożytnego” węgla

Kolejnym problemem związanym z pożarami tlącymi się jest to, że dzięki swojej długotrwałości mogą one spalić dużo więcej materii organicznej niż ogniste, a do tego w przypadku głębokich pożarów torfu może dochodzić do uwalniania „starożytnego” węgla (starszego niż 10 000 lat) zgromadzonego w torfie. Efekt jest więc podobny do spalania paliw kopalnych, bo ten węgiel został wyłączony z szybkiego cyklu węglowego tysiące lat temu – w okresie od ostatniego zlodowacenia. 

Szacunki zakładające dalszy wzrost globalnej temperatury o 0,44°C na dekadę (obecne tempo) pokazują, że sumarycznie, w całym XXI w., w wyniku pożarów torfowisk na północy globu może zostać uwolnione nawet 28 GtC. Będzie to generować kolejne dodatnie sprzężenie zwrotne w systemie klimatycznym, tym bardziej, że w cieplejszym klimacie gleby organiczne będą bardziej narażone na przesuszanie, a więc będą łatwiej ulegać zapłonowi. 

Co więcej, okazuje się, że choć temperatura pożarów tlących jest niższa (ok. 500-700°C) niż w przypadku pożarów ognistych (1500-1800°C), to żarzenie w dużo większym stopniu podgrzewa glebę. Pożary tlące przemieszczają się wolno (ok. 1 cm na godzinę, o 2 rzędy wielkości wolniej niż w przypadku pożarów ognistych), co powoduje długotrwałe (nawet ponad godzinę) utrzymywanie się wysokiej temperatury wierzchniej warstwy gleby. Gdy jest ona wyższa niż 450°C właściwie cały zawarty w niej węgiel organiczny zostanie wyemitowany do atmosfery. Gdy temperatura na powierzchni osiąga 700°C, temperatury powyżej 100°C mogą występować nawet na głębokości ponad 20 cm. Tymczasem już 50°C powoduje wysuszanie/zabijanie korzeni roślin, a nasiona giną przy 70–90°C. 

Skutkiem takiego przegrzania jest długotrwałe zaburzenie w ekosystemie. Zmienia się skład gatunkowy mikroorganizmów i fauny glebowej, tracone są składniki odżywcze z gleby, zaburzony zostaje cykl azotowy i węglowy oraz inne procesy biochemiczne, co może m.in. faworyzować rozwój innych niż do tej pory gatunków roślin (np.: drzew liściastych na obszarze lasów modrzewiowych). Podgrzanie gleby uruchamia także inne procesy mające wpływ na klimat, takie jak szybszy rozpad zmarzliny. (Turetsky i in., 2020, Chen i in., 2021, Li i in., 2021, McCarty i in., 2021, Rein i Huang, 2021).

Niestabilny grunt – wpływ pożarów na wieloletnią zmarzlinę

Na obszarze Syberii coraz częściej obserwuje się gwałtowne niszczenie zmarzliny w wyniku erozji wybrzeży, zapadania się gruntu (termokras) czy jego „spływu” (soliflukcja). Podczas gdy stopniowe topnienie zawartego w zmarzlinie lodu oddziałuje na glebę powoli, centymetr po centymetrze, to nagłe zjawiska mogą odsłonić warstwy zmarzliny z głębokości kilku metrów w czasie tak krótkim jak kilka dni. Prognozy pokazują, że o ile łączne emisje CO₂ i CH₄ w XXI w. ze stopniowego tajania zmarzliny będą wynosiły rocznie ok. 0,6-0,8 GtCO_2e, to z gwałtownego – ok. 0,62 GtCO_2e, choć nagłe rozmarzanie dotknie najprawdopodobniej mniej niż 20% powierzchni obszaru pokrytego zmarzliną. W drugiej połowie XXI w.  tworzenie termokrasu może przyspieszyć, ponieważ również tu mamy do czynienia z  dodatnim sprzężeniem zwrotnym: częstsze pożary sprzyjają osiadaniu gruntu, odsłanianie zmarzliny sprzyja jej tajaniu, co prowadzi do silniejszego ocieplenia i częstszych pożarów.

Ciężkie pożary powodują poważne szkody głównie w miejscach, gdzie zmarzlina nie jest ciągła lub występuje sporadycznie w postaci izolowanych fragmentów. Szczególnie niszczycielskie dla zmarzliny są pożary tlące. 

Obserwacje prowadzone na Alasce pokazały, że między rokiem 1950 a 2016 tempo tworzenia termokrasu wzrosło już o ok. 60%, a na wypalonych obszarach tundry pojawiało się średnio dziewięciokrotnie więcej (w m² na ha) form termokrasowych niż na terenach niewypalonych. W przypadku tajgi do zapadania gruntu dochodziło nawet 30 lat po pożarze i prawie 80 lat w przypadku tundry. Tak długotrwały efekt to skutek zarówno pogrzania gleby podczas pożaru jak i zmian zachodzących na wypalonej powierzchni. Wyższa o kilka stopni w stosunku do niewypalonych obszarów temperatura gleby może utrzymywać się dekadami nawet na głębokości 1 m pod powierzchnią. 

Pożary powodują  zakłócenia stosunków wodnych w glebie i zmiany w jej strukturze zwiększające jej podatność na erozję. Jeśli mikrotopografia terenu dodatkowo ułatwia zatrzymywanie wody na powierzchni gleby, to więcej ciepła gromadzi i rozprzestrzeniania się w zamarzniętym gruncie (woda ma niskie albedo i wysoką przewodność cieplną). Odsłonięta w wyniku pożaru gleba jest też w dużo większym stopniu wystawiona na działanie promieniowania słonecznego. Powierzchnia gleby zostaje również pozbawiona efektu chłodzenia wynikającego ze spadku  parowania wody (ewapotranspiracja), a albedo powierzchni ulega gwałtownemu zmniejszeniu (w wyniku „zaczernienia”). W ten sposób bilans cieplny podłoża zmienia się w kierunku wzrostu strumienia ciepła wnikającego do podłoża (strumień ciepła glebowego)

Na wypalonych powierzchniach gromadzi się zimą więcej śniegu, który działa jak izolacja nie pozwalając „wychłodzić się” glebie. Natomiast wiosną znika on szybciej w takich miejscach ze względu na zabrudzenia sadzą i brązowym węglem, oraz na wyłaniające się zwęglone resztki roślin oraz brak zacienienia przez korony drzew. To wszystko powoduje dalsze nagrzewanie gleby – warstwa aktywna zmarzliny jest na takich obszarach grubsza, niż na nietkniętych. Skutkiem jest nie tylko większą aktywność mikroorganizmów glebowych, a więc szybszy rozkład materii organicznej (dodatkowe emisje CO₂ i CH₄), ale również wyższe ryzyko gwałtownego rozpadu zmarzliny. 

Uwzględnienie emisji z pożarów w prognozach emisji węgla z gleb i zmarzliny podwyższa je o 30% w stosunku do sytuacji, gdy uwzględnione jest samo ocieplenie (w przypadku scenariusza umiarkowanych emisji). Wywołane pożarami tajanie zmarzliny i idący za tym rozkład wcześniej zamarzniętej materii organicznej mogą więc stać się dominującym źródłem emisji węgla w Arktyce w najbliższych dekadach napędzając sprzężenia klimatyczne i zmiany ekologiczne. (Nitzbon i in. 2020, Turetsky i in., 2020, Chen i in., 2021, Li i in., 2021, McCarty i in., 2021, Natali i in., 2021, Runge i in., 2022, Talucci i in., 2022).

Ponura przyszłość Syberii

Sprzężenia zwrotne uruchomione w Arktyce będą dalej napędzać wzrost temperatury Ziemi. Syberyjska tajga będzie w przyszłości jeszcze bardziej narażona na pożary, w tym coraz częściej na ekstremalne. Może to spowodować przekształcenie tego obszaru z „pochłaniacza” w źródło gazów cieplarnianych. 

Obecne prognozy dla obszaru Syberii są ponure, np. już w roku 2050 mogą pojawić się tutaj fizycznie niemożliwe do opanowania pożary wierzchołkowe (koron drzew), a powrót ekosystemów do stanu pierwotnego po pożarach może stać się w przyszłości w ogóle niemożliwy. W obecnym klimacie okres wysokiego zagrożenia pożarowego wynosi dla południowej Syberii 40–50 dni i 50–60 dni dla Jakucji. Pod koniec XXI w. te okresy wydłużą się o 10 dni w przypadku umiarkowanych scenariuszy emisji i 20-30 w przypadku scenariuszy wysokich emisji, czego skutkiem może być dwukrotny wzrost wypalanej powierzchni terenów naturalnych w Rosji. Już w latach 1998 – 2006 większość sezonów pożarowych była ciężka lub ekstremalna, co nie jest najlepszym prognostykiem na przyszłość.

Wzrost rozległości pożarów, ich intensywności i częstotliwości oraz dalsze ocieplanie klimatu będzie sprzyjać zmianie roślinności na dużych obszarach i nieodwracalnemu tajaniu zmarzliny. Praktyki pomagające ograniczyć ryzyko pożarowe, takie jak nawadnianie osuszonych torfowisk, mogą odegrać pewną rolę w ograniczaniu podgrzewania planety, mają także znaczenie w ochronie zdrowia i życia ludzi oraz ograniczaniu strat w dobytku. Wpływ na klimat Arktyki może mieć także zmniejszenie lokalnych emisji sadzy ze spalania paliw kopalnych. Jednak bez ograniczenia tempa wzrostu globalnej temperatury takie działania nie będą miały dużego znaczenia. Już teraz pożary zmniejszają globalnie potencjał pochłaniania CO₂ przez ekosystemy naturalne o 0,57 GtC rocznie. W przyszłości ta wartość może wzrastać powodując, że w coraz mniejszym stopniu będziemy mogli polegać na mitygacji opartej na obszarach naturalnych. Wraz z prognozami dotyczącymi przekształcania całych ekosystemów w źródła gazów cieplarnianych netto powoduje to, że szanse na nieprzekroczenie progu 2^oC ocieplenia z roku na rok coraz bardziej maleją (Tchebakova i in., 2009 , Yang i in., 2015, Ponomarev i in., 2016, Tedesco i in., 2016, Li i in., 2021, McCarty i in., 2021, Natali i in., 2021, Ponomarev i in., 2021, Talucci i in., 2022, Yue i in., 2022). 

Anna Sierpińska, konsultacja merytoryczna: prof. Bogdan Chojnicki

*średnie opady roczne w części regionu leżącej na zmarzlinie wynoszą około 410 mm, dla porównania w Polsce jest to ok. 650 mm)

The post Syberia w ogniu: pożary napędzają tajanie zmarzliny. appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Żyzna gleba o odpowiedniej strukturze to podstawa dobrych plonów, jednak jej właściwości mają także wpływ na ilość emitowanych (głównie podtlenku azotu) lub pochłanianych przez nią gazów cieplarnianych (dwutlenku węgla). Zasadniczą rolę odgrywają tutaj mikroorganizmy, które przekształcają materię organiczną oraz substancje mineralne (azot). Na skład gatunkowy i aktywności mikrobiomu glebowego wpływają m.in. zabiegi agrotechnicze. Dzieje się to zarówno bezpośrednio (np. fungicydy oprócz grzybów chorobotwórczych zabijają także pożyteczne gatunki) jak i pośrednio (np. ujednolicanie struktury gleby przez nadmierne zagęszczanie w wyniku przejazdów maszynami rolniczymi powoduje zmniejszanie ilości nisz dostępnych dla mikroorganizmów).

Mikroorganizmy są także wrażliwe na różne czynniki środowiskowe. Przykładowo w wyższej temperaturze, przy odpowiednich warunkach wilgotnościowych, stają się bardziej aktywne, a to przekłada się bezpośrednio na bilans wymiany CO₂, CH₄ i N₂O (produkty i substraty ich metabolizmu) pomiędzy glebą a atmosferą. Biorąc pod uwagę, że gleby to największy lądowy magazyn organicznego węgla (w warstwie do 1 m głębokości zawierają ok. 1500 GtC, czyli ok. dwa razy więcej niż atmosfera) wartość tego bilansu, zależna od składu gatunkowego mikrobiomu i jego aktywności, ma duże znaczenie, a zwiększenie glebowego magazynu nawet o kilka procent mogłoby zdecydowanie wpłynąć na ograniczanie tempa  wzrostu  temperatury atmosfery .

Próchnica vs. erozja

Od początków naszej cywilizacji do tej pory w wyniku „oddychania gleb” (de facto glebowych mikroorganizmów) do atmosfery trafiło ok. 40-70 Gt węgla. W XXI w. tempo jego uwalniania wzrosło wraz z intensyfikacją rolnictwa. To, wraz z innymi procesami (np. wynikającymi z erozji, , doprowadziło do utraty przez gleby uprawne 20-60% zawartego w nich węgla organicznego (w stosunku do czasów przedprzemysłowych, przed rozwojem rolnictwa). Prognozy na XXI w. pokazują, że ten trend może być kontynuowany, w najbardziej pesymistycznych scenariuszach prowadząc do dalszego zmniejszenia glebowego magazynu nawet o 37 GtC (co oznacza uwolnienie  ok. 133 Gt CO₂). Zapobieganie tym stratom ma duże znaczenie dla klimatu, ale także dla rolnictwa, gdyż gleba z mniejszą zawartością materii organicznej ma gorsze właściwości: ma mniej składników odżywczych dla roślin oraz dużo słabiej „zatrzymuje” wodę, co w rezultacie zmniejsza jej odporność na susze a zwiększa ryzyko lokalnych powodzi (woda szybciej spływa, zamiast pozostawać w glebie). 

Do zmniejszania ilości próchnicy (czyli rozkładających się w glebie szczątków organicznych) przyczyniają się różne tradycyjne formy uprawy, takie jak głęboka orka. Bezpośrednim powodem jest jednak erozja, na skutek której gleba jest zwiewana bądź spłukiwana z pola. W jej wyniku ponad 900 mln ton gleby znika co roku z europejskich pól, a tempo utraty jest ok. 1,5-2 razy większe od tempa ich formowania.  W USA, w tzw. pasie kukurydzianym, ponad 1/3 pól (ok. 40 mln ha) całkowicie utraciło wierzchnią, bogatą w materię organiczną warstwę gleby, co doprowadziło do spadku plonów soi i kukurydzy o ok. 6% (Paustian K. i in., 2016, raport IPCC Climate Change and Land, 2019, Panagos P. i in., 2020, Lei J. i in., 2021, Thaler i in., 2021). 

Długi cień erozji gleb

Większość cząsteczek wypłukiwanych z gleby gromadzi się tuż obok pól, ale około 15% dostaje się do rzek i dalej do oceanów. Organiczny węgiel trafia w tym przypadku głównie do ekosystemów na wybrzeżach mórz takich jak lasy namorzynowe, marsze (bagna) czy łąki podmorskie. Są to naturalne magazyny, stabilne w długim terminie. Jednak wycinka, osuszanie czy niszczenie w wyniku zmiany warunków naturalnych powoduje uwalnianie nagromadzonego w nich węgla organicznego: globalnie jest to nawet ok. 1 GtC rocznie. 

Cząsteczki gleby zwiewane z pól uprawnych są także źródłem unoszącego się w atmosferze pyłu, inaczej – aerozolu. Szacunki na podstawie zdjęć satelitarnych wskazują, że erozja gleb odpowiada za ok. 1/4 światowych emisji pyłów. W zależności od rodzaju cząsteczek wchodzących w skład aerozolu, mogą one absorbować albo rozpraszać promieniowanie podczerwone, a także służyć jako jądra kondensacji dla chmur. Emisje pyłu mogą więc wpływać na mikrofizyczne właściwości chmur, czas ich trwania czy wielkość opadów (raport IPCC Climate Change and Land, 2019, Panagos P. i in., 2019, Panagos P. i in., 2020, Lal 2020). 

Ochrona gleb przed erozją ma w związku z tym znaczenie nie tylko bezpośrednio dla gospodarstw rolnych ale także dla klimatu, tym bardziej, że IPCC szacuje, że lepsze działania w tym zakresie pozwoliłyby uniknąć rocznie emisji netto w wysokości 1,36–3,67 GtCO₂. Zmniejszenie erozji można osiągnąć m.in. poprzez wysiewanie międzyplonów czy ściółkowanie, gdyż w największym stopniu jest na nią narażona  odsłonięta gleba. 

Choć materia organiczna wypłukana/wywiana z pól trafia ostatecznie w inne miejsca, nie ma to żadnego znaczenia w przypadku rolnictwa. Może jedynie ewentualnie rekompensować te straty w ogólnym, „środowiskowym” rozrachunku. Warunkiem jednak jest to, by miejsca, gdzie jest nagromadzona, pozostały nienaruszone. W wielu przypadkach jest to trudne, np. bagna są osuszane pod pastwiska, a lasy namorzynowe w Azji są coraz częściej likwidowane aby tworzyć akwakultury (raport IPCC Climate Change and Land, 2019). 

Jak ograniczać erozję i wspomagać gromadzenie węgla w glebie?

Szczegółowe rozpatrywanie wpływu różnych praktyk rolniczych na emisje gazów cieplarnianych jest o tyle istotne, że IPCC uznaje sekwestrację węgla przez gleby pól i pastwisk za jedną z trzech najważniejszych opcji mitygacji (ograniczania) emisji jeśli chodzi o działania związane z zarządzaniem terenami. Dwie pozostałe to zalesianie/odtwarzania lasów i BECCS. Działania te mają potencjał techniczny* ograniczenia globalnych emisji do 2050 roku odpowiednio o: 0,4-8,6 GtCO_2e rocznie, 0,5-10,1 i 0,4–11,3. Żeby gleby mogły jednak służyć jako „pochłaniacz” gazów cieplarnianych konieczne mogą być zmiany w sposobach uprawy gleby. (zobacz też: 3 pytania o BECCS) (Panagos P. i in., 2016, Paustian K. i in., 2016, Panagos P. i in., 2019, raport IPCC Climate Change and Land, 2019, Baveye i in., 2020, Thaler i in., 2021).

Uprawa bezorkowa

Straty składników odżywczych na polu można zmniejszać poprzez ograniczenie orki czy zupełne jej zaniechanie (przy jednoczesnym zastąpieniu orki innymi metodami uprawy gleby). Taki sposób uprawy chroni zasoby węgla w glebie poprzez ograniczanie erozji. Korzystny efekt ochrony przeciwerozyjnej jest większy, gdy na polu pozostawione są resztki pożniwne w takiej ilości, by nie utrudniały przenikania wody w głąb gleby (mulczowanie). Pozostawianie nadmiernych ilości resztek pożniwnych na polu może spowodować pojawienie się pleśni w mulczu i w konsekwencji zwiększyć emisje gazów cieplarnianych do atmosfery (rozkład materii organicznej).  (Paustian K. i in., 2016, raport IPCC Climate Change and Land, 2019).

Międzyplony

Wysiewanie międzyplonów pozwala zapewnić przykrycie gleby i nie narażanie jej na działanie wysokiej temperatury która prowadzi do nadmiernej mineralizacji, ale także poprawiać jakość gleby i ograniczać  erozję.  Temperatura obniżana jest na skutek wyższej ewapotranspiracji – parowania wody z gleby i roślin (uwalnianie jej z aparatów szparkowych). Niższa temperatura gleby oznacza spowolnienie procesów rozkładu materii organicznej w glebie, a tym samym „ucieczki” z niej węgla (w postaci CO₂ i CH₄).

Wysiewanie międzyplonów pozwala zapewnić przykrycie gleby i nie narażanie jej na działanie wysokiej temperatury która prowadzi do nadmiernej mineralizacji, ale także poprawiać jakość gleby i ograniczać  erozję.  Temperatura obniżana jest na skutek wyższej ewapotranspiracji – parowania wody z gleby i roślin (uwalnianie jej z aparatów szparkowych). Niższa temperatura gleby oznacza spowolnienie procesów rozkładu materii organicznej w glebie, a tym samym „ucieczki” z niej węgla (w postaci CO₂ i CH₄).

IPCC szacuje, że globalny potencjał międzyplonów, jeśli chodzi o sekwestrację węgla, to ok. 0,12 GtC rocznie, a obsianie nimi 1/4  ziemi uprawnej na świecie ma według wyliczeń Kaye i Quemady potencjał mitygacyjny ok. 0,6 Gt CO_2e rocznie. 

Wysiewanie międzyplonów przynosi także bezpośrednie korzyści dla gospodarstwa. Przedstawione w zacytowanej wyżej pracy badania przeprowadzone w Hiszpanii pokazały, że obsianie pola trawą (np. życicą) lub motylkowatymi zmniejszyło – w porównaniu do nieobsianych pól – spływ wody z pola w czasie wiosny i jesieni nawet 2,5 raza. Poprawa struktury gleby uzyskana w trakcie eksperymentu dzięki międzyplonom pozwalała na utrzymanie korzystnych warunków wodnych także w trakcie wzrostu uprawy głównej, a wpływ ten był coraz bardziej widoczny z roku na rok. W przypadku suchych wiosen międzyplony były niszczone, aby transpiracja nie zmniejszała zasobów wodnych w glebie dla uprawy głównej, a pozostawione na polu resztki ograniczały dodatkowo parowanie z gleby. Można spodziewać się, że takie korzyści będą  widoczne również w przypadku pól znajdujących się w innych regionach świata. 

Siew międzyplonów z gatunków z  rodziny krzyżowych (kapustowatych np. rzepak) o dużym, głębokim systemie korzeniowym, jest też korzystne w przypadku bardzo zagęszczonych gleb (np. ze względu na używanie ciężkiego sprzętu rolniczego), gdyż „rozluźnia” ich strukturę i pozwala roślinom plonu głównego korzystać z głębiej położonych zasobów wody. Resztki międzyplonów pozostawiane na polu czy zaorywane służą także jako „zielony” nawóz wzbogacający ją w materię organiczną czy – w  przypadku roślin z rodziny motylkowatych – także azot. 

Międzyplony pozwalają więc osiągać szereg korzyści, w tym takich, które pozwalają lepiej adaptować gospodarstwo do zmiany klimatu. Jest to także działanie mitygacyjne mogące zwiększać zawartość węgla organicznego w glebie niskim kosztem, a nawet w jakimś stopniu generować zyski dla rolników (poprzez np.: nasiona czy paszę z zebranego międzyplonu) (Smith i Olesen, 2010, Aguilera i in., 2013, Kaye i Quemada, 2017, Singh i Singh, 2017, Abdalla i in., 2019, raport IPCC Climate Change and Land, 2019, Demenois i in., 2020). 

Rośliny wieloletnie w miejsce jednorocznych

Wśród działań, które mogłyby pomóc w lepszych gromadzeniu węgla organicznego przez gleby, IPCC wskazuje również zmianę uprawianych roślin – z jednorocznych na wieloletnie, które mają głębszy system korzeniowy i nie wymagają corocznych zabiegów w postaci orki. I nie chodzi tu tylko o zastępowanie np. zbóż krzewami owocowymi, ale o nowe gatunki i odmiany znanych roślin. Przykładem jest wieloletni ryż, który ma plony podobne do najlepszych odmian jednorocznych uprawianych w prowincji Yunnan. Prowadzone są też prace nad wieloletnim gatunkiem perzu, produkującym ziarno podobne nieco do pszenicy a nazywane „kernza”. Choć na ten moment te rośliny mają niższe plony od pszenicy, to może się to zmienić w wyniku selekcji hodowlanej. Uprawa roślin wieloletnich może zmniejszyć ilość koniecznych zabiegów agrotechnicznych (co przekłada się np. na mniejszą ilość paliwa zużywaną w  gospodarstwie), ale też ograniczyć erozję czy zwiększyć ilości azotu i wody zatrzymywanych w glebie (raport IPCC Climate Change and Land, 2019). 

Agroleśnictwo

Za pewną odmianę systemu rolnego, w którym stosowane są rośliny wieloletnie można uznać agroleśnictwo. Tutaj, oprócz związanej z obecnością drzew poprawy funkcji ekologicznych obszaru rolnego (np.  zwiększania zawartości węgla w  glebie czy ograniczania erozji) osiągane są także cele gospodarcze. Na przykład sadzone w państwach afrykańskich gatunki drzew z rodziny motylkowatych zwiększają zawartość azotu w glebie, co przynajmniej częściowo kompensuje brak nawozów  naturalnych. Co więcej, badania pokazały, że afrykańskie systemy agroleśne są trzecim największym magazynem węgla (po lasach pierwotnych i wieloletnich nieużytkach) na kontynencie. Drzewa tworzą także mikroklimat, który poprawia plony niektórych roślin np. kawy – chronią krzewy przed słońcem, łagodzą ekstrema temperaturowe, zwiększają wilgotność powietrza, zmniejszają temperaturę gleby. 

Systemy agroleśne pozwalają drobnym producentom afrykańskim lepiej zaadaptować się do zmiany klimatu, chociażby poprzez poprawę wysokości plonów, ochronę upraw przed uszkodzeniami przez wiatr czy wodę, dostarczanie paszy dla zwierząt lub nowych produktów (np. owoców) zwiększających zysk gospodarstwa. Wszystko to ma wpływ na bezpieczeństwo żywnościowe lokalnych społeczności. 

Systemy agroleśne, gdzie hoduje się zwierzęta (sylwopastoralizm), jak np. hiszpańska dehesa, pozwalają jeszcze bardziej zróżnicować produkcję. Początki rozwoju dehesy sięgają kilku tysięcy lat wstecz i przetrwała ona w praktycznie niezmienionej formie do dziś. Te agrosystemy są zróżnicowane, wytrzymałe na niekorzystne warunki, wymagają małego nakładu finansowego, a dodatkowo są siedliskiem różnych dzikich gatunków zwierząt (Joffre i in., 1999, Smith i Olesen, 2010 Mbow i in., 2014, Kaye i Quemada, 2017, Singh i Singh, 2017, raport IPCC Climate Change and Land, 2019). 

Płodozmian, nawozy naturalne i biowęgiel

Innymi technikami, które pozwalają zwiększyć zawartość węgla w glebie jest odpowiedni płodozmian (czyli zmianowanie upraw w kolejnych latach), stosowanie nawozów organicznych (np. obornika, kompostu) oraz dodawanie do gleby biowęgla (biochar). W przypadku płodozmianu dodatkowymi korzyściami z rolniczego punktu widzenia są: zwiększanie jakości gleby (wpływ na jej strukturę) i poprawa plonów dzięki oddziaływaniu na krążenie składników odżywczych czy cykle życiowe szkodników. Obornik/kompost pozwala m.in. zwiększyć różnorodność mikroorganizmów glebowych i napowietrzenie gleby a przede wszystkim przyczyniać się do odbudowy materii organicznej gleby. Stosowanie nawozów organicznych może podnieść dwukrotnie zawartość węgla i azotu w glebie w ciągu 40 lat. 

Zastosowanie rolnicze biowęgla, wytwarzanego w wyniku pirolizy biomasy, mogłoby wedle ustaleń IPCC zmniejszyć antropogeniczne, roczne emisje dwutlenku węgla netto o 0,03–4,9 Gt. Duże niepewności wynikają m.in. z tego, że globalny efekt takiego działania jest słabo zbadany. Biowęgiel jest stosunkowo odporny na rozkład – jego mineralizacja zachodzi 10-100 razy wolniej niż nieprzetworzonej biomasy – co powoduje, że jest długotrwałym (dekady) magazynem węgla organicznego. Z tego względu jest wskazywany jako potencjalna technologia „ujemnych emisji” (czyli po prostu usuwania dwutlenku węgla z atmosfery). Gazy uwalniane w trakcie pirolizy biomasy mogą zostać użyte do produkcji ciepła lub elektryczności zastępując paliwa kopalne. 

Należy się jednak liczyć z tym, że jeśli technologia biowęgla jest wdrażana w sposób zrównoważony (np. produkcja biomasy potrzebnej do wytworzenia biowęgla nie konkuruje z uprawami żywnościowymi), jej potencjał mitygacyjny jest ograniczony: według szacunków mogłaby wtedy zmniejszyć emisje gazów cieplarnianych o 0,5–2 GtCO_2e rocznie. Klimatyczne zalety biowęgla mogą dodatkowo zostać zredukowane, jeśli np. jest on rozprowadzony na powierzchni jasnych gleb (zmniejszanie albedo). 

Z punktu widzenia rolnictwa zaletą biowęgla jest m.in. zmniejszenie wymagań dotyczących nawożenia azotowego (zwiększonemu biologiczne wiązanie azotu ogranicza straty związane z wymywaniem i utlenianiem) czy poprawa plonów szczególnie w przypadku gleb piaszczystych i kwaśnych tropikalnych (Paustian K. i in., 2016, Singh i Singh, 2017, raport IPCC Climate Change and Land, 2019). 

Zagrożony magazyn

Gleby nie mogą niestety gromadzić węgla w nieskończoność. W pewnym momencie osiągają coś w rodzaju „stanu nasycenia”, co oznacza spadek tempa sekwestracji do znikomego poziomu w bardzo krótkim czasie (kilka dekad). Jednak lepsze zarządzanie glebą mogłoby zrównoważyć w przeciągu 20-30 lat nawet 5-20% obecnych antropogenicznych emisji gazów cieplarnianych, co pozwoliłoby „kupić” nam nieco czasu. Co więcej, inne niż CO₂  gazy mogą być pochłaniane przez gleby właściwie w nieskończoność.

„Glebowy magazyn” jest w dodatku cały czas zagrożony z powodu zmiany klimatu – wyższa temperatura może powodować nasilone oddychanie, w wyniku zmian w opadach może zwiększać się erozja. Dodatkowo intensywne techniki uprawy czy wypasu powodują stałą utratę  z niego węgla.

Na świecie ciągle jest także powiększany areał ziem rolnych kosztem naturalnych ekosystemów – magazynów organicznego węgla, takich jak lasy i torfowiska. Pochłanianie CO₂ przez rośliny uprawne posadzone na tych terenach nie jest w żaden sposób w stanie zrekompensować zniszczenia tych ekosystemów. Jest to szczególnie wyraźnie widocznie w przypadku torfowisk, gdzie ślad węglowy produktów pochodzących z upraw na osuszonych torfowiskach jest co najmniej kilka razy większy od podobnych produktów pozyskiwanych z upraw na glebach mineralnych. 

Ochrona naturalnych ekosystemów a rolnictwo

Niszczenie terenów podmokłych przyczynia się nie tylko do zwiększenia emisji CO₂ i N₂O z powodu rozkładu materii organicznej, ale także do zmiany stosunków wodnych w okolicy, co może nasilać negatywne skutki susz (patrz Bagna a klimat. Wysuszone torfowiska na świecie emitują 2 mld ton CO2 rocznie).

Zachowanie naturalnych terenów może więc wbrew pozorom przynosić korzyści z punktu widzenia rolnictwa. Oprócz zwiększania lokalnej retencji wody, takie obszary są także m.in. siedliskami pożytecznych owadów (zapylaczy czy drapieżników jedzących szkodniki). Tworzą również korzystny mikroklimat (chłodniej, bardziej wilgotno), a zadrzewienia chronią przed erozją. 

Na kontynencie afrykańskim lasy, ale także zadrzewienia w ramach systemów agroleśnych mogą mieć istotne znaczenie dla ograniczania susz, gdyż redukcja pokrywy roślinnej powoduje spadek ilości opadów poprzez system sprzężeń zwrotnych związanych z ewapotranspiracją i albedo (zobacz też: Podniebne rzeki: jak wylesianie wpływa na globalny cykl hydrologiczny) 

Usługi świadczone przez naturalne ekosystemy mogą więc wpływać na rentowność gospodarstwa. Dodatkowo mogą stać się elementem wspomagającym adaptację do zmiany klimatu np. służąc jako rezerwuar dzikich gatunków, które potencjalnie mogą zostać udomowione czy bufory ograniczające eutrofizację zbiorników wodnych (a tym samym jakość wody pitnej dla zwierząt czy możliwość hodowli ryb). 

Postrzeganie rolnictwa bardziej w kontekście współdziałania z naturą, zamiast opierania się głównie na zdobyczach technologicznych (jak chociażby nawozach mineralnych, które zapoczątkowały „zieloną rewolucję”) staje się pewnego rodzaju koniecznością w sytuacji zmieniających się warunków na Ziemi. Pozwala bowiem nie tylko ograniczać koszty, ale także kształtować rolnictwo bardziej odporne na zmianę klimatu   (Smith i Olesen, 2010, Mbow i in., 2014, Locatelli i in., 2015, raport IPCC Climate Change and Land, 2019, Meijide A. i in., 2020).

The post Glebowe magazyny węgla – jak je chronić przed erozją? appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

1. BECCS – co to właściwie jest?

BECCS (Bioenergy with Carbon Capture and Storage – bioenergia z wyłapywaniem i magazynowaniem węgla) to wykorzystanie technologii pozyskiwania energii z biomasy z jednoczesnym przechwytywaniem CO₂ i magazynowaniem go w formacjach geologicznych. 

Jak to dokładniej wygląda? Rośliny, rosnąc, pobierają CO₂ z atmosfery i gromadzą w swoich tkankach pierwiastkowy węgiel (C). Spalając lub fermentując uzyskaną z nich biomasę, można uzyskać nośniki energii (energia elektryczna, paliwa). CO₂ będący odpadem w tych procesach zostaje wyłapany zanim trafi do atmosfery, a następnie uwięziony w pokładach geologicznych na co najmniej setki lat. Obecnie za takie magazyny służą głównie wyczerpane pokłady ropy i gazu, ale mogą to być także podziemne zbiorniki słonowodne/solanki. Szacunki dotyczące możliwości magazynowania geologicznego  wynoszą 1680–24 000 GtCO₂ -wystarczająco dużo co najmniej na to stulecie. 

Przeczytaj więcej o magazynowaniu CO2 i wiązaniu CO2.

W rezultacie BECCS następuje „przetransferowanie” CO₂ z atmosfery pod ziemię – zakładając, że emisje związane z dostarczeniem biomasy i przechwyceniem CO₂ nie przekraczają ilości usuniętej z atmosfery poprzez fotosyntezę. W ten sposób BECCS może zapewnić tzw. negatywne emisje, czyli zmniejszać stężenie CO₂ w atmosferze, jednocześnie dostarczając energii (raport IPCC 1,5^oC, 2018, Fajardy i in., 2019).

Choć bioenergia jest w tym momencie najszerzej wykorzystywanym na świecie źródłem energii odnawialnej, to technologie BECCS nie są zbyt dobrze rozwinięte. Istniejące instalacje wyłapują CO₂ wytwarzany bądź przy spalaniu biomasy podczas produkcji energii, bądź przy produkcji biopaliw (np. z fermentacji przy produkcji bioetanolu). Paliwa są jednak produkowane po to, by ostatecznie również je spalić (np. w silniku pojazdu) i CO₂ emitowany w tym procesie już wychwytywany nie jest (na tym etapie uwalniane jest ok. 25-30% węgla zawartego w pierwotnej biomasie). Przykładem działającej instalacji jest fabryka etanolu z kukurydzy koncernu Archer Daniel Midland w Decatur (Illinois, USA), gdzie CO₂ z fermentacji jest wychwytywany i przechowywany w pobliskim składowisku geologicznym. Rocznie jest to milion ton CO₂ (Fajardy i in., 2019, raport Global Status of CCS, 2020).

2. Jak bardzo BECCS pozwoli zmniejszyć stężenie gazów cieplarnianych w atmosferze?

Mimo że technologie BECCS są raczkujące, to większość scenariuszy emisji, w których globalna temperatura nie rośnie powyżej 1,5-2°C, opiera się na nich w dużym stopniu. Aby Ziemia nie ogrzała się o więcej niż 1,5°C, w XXI wieku trzeba by wdrożyć BECCS pozwalający usunąć z atmosfery w sumie 480 GtCO₂ (mediana), w tym do roku 2050 nawet do 140 GtCO₂. 

Tak szerokie użycie wynika m.in. z tego, że BECCS jest wskazywany w raporcie IPCC Climate Change & Land jako jedno z 3 najskuteczniejszych działań mitygacyjnych związanych z użytkowaniem terenów: miałoby pozwolić na ograniczenie emisji o 0,4–11,3 GtCO_2e  rocznie. Pozostałe dwa, zalesianie/odtwarzanie lasów oraz gromadzenie węgla organicznego przez gleby pól uprawnych i terenów wypasowych, mają potencjał pochłaniania odpowiednio 0,5–10,1 i 0,4–8,6 GtCO_2e rocznie (raport IPCC 1,5^oC, 2018).  

Choć sumaryczny potencjał tych rozwiązań może wydawać się duży, to tak naprawdę jest niemożliwy do osiągnięcia ze względu chociażby na ograniczoną ilość ziemi, którą dysponujemy. Gdy jeszcze uwzględnimy wymogi pozyskiwania biomasy w sposób zrównoważony, to potencjał BECCS spada do co najwyżej 5 GtCO_2e  rocznie. Na dodatek pewność naukowców co do dokładnego potencjału BECCS jest niska ze względu na przyjmowane, często rozbieżne, założenia. Chodzi między innymi o:

• wysokość plonów upraw energetycznych,
• niepełne wyliczenia odnośnie procesów zachodzących w ekosystemach,
• emisje związane z usuwaniem naturalnej roślinności pod uprawy energetyczne i z późniejszym uprawianiem roślin energetycznych. 

Wyliczenia utrudnia jeszcze rosnąca temperatura Ziemi, która na bieżąco oddziałuje na np. ilość CO₂ uwalnianego z gleb czy wysokość plonów. Zresztą samo wdrożenie na dużą skalę rozwiązań takich jak bioenergia czy zalesianie też nie będzie obojętne, jeśli chodzi o klimat planety, nie tylko ze względu na bilans gazów cieplarnianych ale np. wpływ na albedo (raport IPCC 1,5^oC, 2018, raport IPCC Climate Change & Land, 2019).

Ostateczny efekt netto BECCS zależy do tego ostatecznie od całości emisji związanych z uprawą i przetwarzaniem biomasy wśród których są: 

• bezpośrednie emisje CO₂ z użycia energii podczas uprawy, zbioru, przetwórstwa i transportu,
• emisje CH₄ i N₂O związane z suszeniem biomasy czy użyciem nawozów,
• bezpośrednia utrata węgla z gleb z powodu zmiany użytkowania terenu (np. ekosystemu trawiastego na uprawy roślin energetycznych).

Na przykład według wyliczeń zespołu Tima Searchingera, emisje ze zmiany użytkowania terenu pod uprawę kukurydzy na bioetanol w USA zostaną „wyzerowane” dzięki korzyściom zastąpienia benzyny etanolem dopiero po 167 latach. Oznacza to, że uwzględniając straty węgla z gleb, sumaryczne emisje gazów cieplarnianych z etanolu są prawie 2x większe niż z benzyny na każdy przejechany kilometr w ciągu pierwszych 30 lat. Ogólnie emisje z całego cyklu pozyskiwania biomasy mogą więc potencjalnie przekroczyć ilość CO₂ wyłapanego w ramach CCS. 

Ryzyko jest wyższe właśnie w przypadku produkcji biopaliw. Na przykład przy produkcji bioetanolu, tylko emisje CO₂ z fermentacji (15% ilości węgla zawartego w biomasie) mogą zostać przechwycone. W tej sytuacji emisje towarzyszące wytworzeniu i wykorzystaniu o bioetanolu muszą być bardzo niskie, żeby udało się uzyskać „negatywne emisje”. Oznacza to, że nie cały CO₂ związany przez rośliny zostanie zgromadzony pod ziemią w wyniku BECCS (zobacz il. 4). Do tego w niektórych sytuacjach instalacja BECCS może potrzebować więcej lub niemal tyle samo energii co produkuje (proces CCS jest energochłonny). Na przykład w przypadku wilgotnej biomasy wożonej do spalenia na długie dystanse, ilość energii uzyskanej, w stosunku do sumarycznie użytej, może być bardzo mała (Searchinger T. i in. 2008, Vaughan i in., 2018, Fajardy i in., 2019).

3. Jakie zagrożenia przynosi BECCS?

Oprócz niepewności co do rzeczywistego potencjału BECCS, technologie te mają jeszcze inne poważne wady. Produkcja biomasy zasadniczo wymaga gleby (chyba, że mowa o algach), azotu, fosforu i wody, przez co niektórzy naukowcy wskazują, że wielkoskalowe wdrożenie BECCS może z dużym prawdopodobieństwem przybliżyć systemy ziemskie do granicy planetarnej w zakresie użycia słodkiej wody i pogorszyć sytuację w zakresie bioróżnorodności i przepływów biochemicznych Fajardy i in., 2019, Creutzig i in., 2021. Oznacza też bardzo duży wzrost zapotrzebowania  na ziemię. W scenariuszach ograniczania temperatury Ziemi do maksymalnie 1,5°C uprawy  energetyczne musiałyby do roku 2050 obejmować nawet 700 mln ha. Biorąc pod uwagę, że pola i pastwiska zajmują obecnie ok.1600 mln ha jest to bardzo dużo ziemi (raport IPCC 1,5^oC, 2018). Duże użycie biomasy bez i z BECCS może więc w przyszłości wzmóc presję zarówno na tereny naturalne jak i na ziemię rolną. Wzrost cen ziemi rolnej może powodować wzrost cen żywności. 

Intensyfikacja rolnictwa w celu uzyskania większych plonów może prowadzić do degradacji gleby czy zwiększonego użycia nawozów i środków ochrony roślin. W miejscach gdzie występują niedobory wody, uprawy energetyczne mogą konkurować o nią np. ze zbożami. Z tego względu scenariusze mitygacji oparte o wykorzystanie dużych obszarów ziemi mogą z dużą pewnością oddalić osiągnięcie celów zrównoważonego rozwoju, takich jak brak biedy, brak głodu i utrzymanie bioróżnorodności na lądach. 

Sposobem na łagodzenie tych negatywnych skutków może być zrównoważone zarządzanie produkcją biomasy. IPCC szacuje że ok. 100-400 mln ha może zostać przeznaczone na produkcję bioenergii bez znaczącego ryzyka dla bezpieczeństwa żywnościowego, usług ekosystemowych i zasobów słodkiej wody. W takiej skali uprawy niektórych roślin energetycznych mogą nawet przynosić korzyści z punktu widzenia klimatu czy środowiska np. sadzenie wieloletnich traw (chociażby gatunków miskantów) może zwiększać zawartość węgla w glebie czy zapobiegać pustynnieniu na niektórych obszarach (raport IPCC 1,5^oC, 2018).

Wszystko to oznacza, że choć techniczny potencjał BECCS jest duży, to spada po uwzględnieniu ograniczeń środowiskowych, społecznych, politycznych, technicznych, ekonomicznych i geograficznych. Na przykład odpowiednie polityki, wieloletnie plany zarządzania, skuteczny rząd są potrzebne aby zarządzać podziemnymi zbiornikami CO₂ i niwelować ryzyko wycieków. Aczkolwiek według badań, nawet przy złym zarządzaniu, ok. 70-80% CO₂ wtłoczonego pod ziemię pozostaje w magazynie przez co najmniej 10 000 lat, co pokazuje, że BECCS (i ogólnie technologie CCS) może być skutecznym narzędziem do „wyciągania” CO₂ z atmosfery, nawet jeśli nie jesteśmy w stanie zagwarantować całkowitej trwałości magazynów. (Alcalde i in., 2018, raport IPCC 1,5^_oC, 2018).

Na BECCS jeszcze poczekamy

Wdrożenie BECCS w skali potrzebnej do tego, by faktycznie miało to znaczenie dla stężenia CO₂ w atmosferze, będzie wymagało zdecydowanego przyspieszenia rozwoju technologicznego. Na ten moment rozwój wszystkich technologii CCS jest powolny i nie ma niemal żadnych przykładów wielkoskalowego wdrożenia. W przypadku BECCS wszystkie funkcjonujące obecnie obiekty przechwytują około 1,5 mln ton CO₂ rocznie, co jest zaniedbywaną ilością w porównaniu do rocznych antropogenicznych emisji CO₂ (ok. 36 mld ton). 

Przejście od niemal niczego do dziesiątek gigaton w nadchodzących dekadach, wymaga ogromnych inwestycji. Szacunki mówią o ok. 260 mld dolarów rocznie do roku 2050. Niektóre scenariusze ograniczania emisji zakładają wdrożenie BECCS do końca tego wieku w skali porównywalnej wielkością do 2/3 wielkości obecnego przemysłu paliw kopalnych (raport IPCC 1,5^oC, 2018, Vaughan i in., 2018, Fajardy i in., 2019, Osman i in., 2021, Regufe i in., 2021).

Trudno powiedzieć, czy to jest w ogóle realne. Z tego powodu naukowcy podkreślają, że konieczne jest jak najszybsze i jak najbardziej radykalne obniżanie emisji ze wszystkich sektorów gospodarki, a BECCS mogłoby wtedy pozostać opcją równoważenia emisji tam, gdzie ich ograniczenie jest przy obecnych technologiach trudne. Dotyczy to np. produkcji żywności, choć w tym przypadku zmiany po stronie popytu (np. zmiany dietetyczne) i produkcji (np. intensyfikacja produkcji rolnej) są i tak konieczne aby jak najbardziej minimalizować potrzebę korzystania z technologii „negatywnych emisji” (zobacz też „Klimatyczny ślad kotleta”).  

Im dłużej będziemy jednak zwlekać z ograniczaniem emisji tym bardziej będziemy w przyszłości zależni od szybkiego wdrażania technologii, która obecnie jest w powijakach. Co więcej, wyliczenia ile CO₂ może zostać wychwycone w drugiej połowie XXI w. mogą nie mieć zupełnie znaczenia, jeśli ze względu na nasz brak działań zostaną wcześniej uruchomione sprzężenia zwrotne w systemie klimatycznym skutkujące uwolnieniem ogromnych ilości gazów cieplarnianych. IPCC wskazuje wręcz, że poleganie na BECCS niesie pewne moralne zagrożenia (moral hazards). Obietnice wdrożenia technologii usuwania CO₂ mogą powstrzymywać lub opóźniać redukowanie emisji w różnych sektorach. Konsekwencją będzie większe ryzyko niepowodzenia mitygacji i przekroczenie „bezpiecznych”  progów temperaturowych, a także przeniesienie ciężaru mitygacji i katastrofalnej zmiany klimatu na przyszłe pokolenia (raport IPCC 1,5^oC, 2018, raport IPCC Climate Change&Land, 2019, Creutzig i in., 2021). 

Anna Sierpińska, konsultacja dr. inż. Katarzyna Dąbkowska-Susfał 

The post Trzy pytania o BECCS appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.