Röviden

Az ipari forradalom előtti időszak óta egyre nagyobb mennyiségben égetünk el fosszilis tüzelőanyagokat. Ezt saját szemünkkel is láthatjuk, ha csak kinézünk az ablakon, vagy hallhatjuk a járműforgalom zajából. A fosszilis tüzelőanyagok égetésének látványa és hangja folyamatosan jelen van a mindennapjainkban.

A szén-dioxidot – amely a fosszilis tüzelőanyagok égése során keletkező két fő termék egyike (a másik a vízgőz) – nem látjuk és nem ízleljük. De folyamatosan a légkörbe kerül – 2021-ben például az ilyen kibocsátások mennyisége a Nemzetközi Energiaügynökség adatai szerint 36.300.000.000 tonna volt. Képzeljük el ezt a mennyiséget egy hatalmas homokhalomként!

A légkörbe jutva egy kulcsfontosságú különbség a szén-dioxid és a vízgőz között meghatározóvá válik. A vízgőz felhőkké kondenzálódik, majd jégkristályokká fagy. Az eső, jégeső, ónos eső és hó mind felhőkből hullik alá – ez egy folyamatos, ciklikus folyamat, amely azonban helytől függően eltérő mennyiségben zajlik.

A szén-dioxid azonban a Föld légkörében tapasztalható nyomáson nem lép folyékony halmazállapotba. Ehelyett normál légköri nyomáson szilárdból gázzá szublimál −78 °C-on. A szilárd szén-dioxidot szárazjégként ismerjük, de természetes körülmények között nem alakul ki a Föld légkörében, noha ipari módszerekkel különféle célokra előállítják. Tehát a vízgőzzel ellentétben a szén-dioxid nem kondenzálódik, és ha egyszer a légkörbe kerül, ott hosszú ideig megmarad. Ezért halmozódik fel a légkörben a hatalmas mennyiségű CO₂, amelyet kibocsátunk.

Ha szükség lenne egy „füstölgő pisztolyra”, hogy elfogadjuk a fenti állításokat, akkor az rendelkezésre áll: a fosszilis tüzelőanyagok égéséből származó szén-dioxid egyedi kémiai ujjlenyomattal rendelkezik, amely könnyen kimutatható a levegőmintákban. Ha kíváncsi vagy, hogyan végezzük ezeket a méréseket, olvasd el az alábbi részletes magyarázatot. Az ilyen vizsgálatok, amelyek pontosan azt a trendet mutatják, amit a növekvő kibocsátások alapján elvárnánk, egyértelművé teszik, hogy a felelősséget nem háríthatjuk másra – ez mindannyiunk közös ügye.

Részletesebb magyarázat

Ha egyértelmű bizonyítékot keresünk az emberi szén-dioxid-kibocsátások és a globális felmelegedés közötti kapcsolatra, hol érdemes kutatni? Több ilyen bizonyíték is létezik, és a cáfolat középhaladó (csak angolul elérhető) változata sokat leír ezek közül, de kezdjük itt a legfontosabbal!

A fosszilis üzemanyagok termelése és felhasználása jól dokumentált. Emiatt a CO₂-kibocsátások is jól ismertek. 2019-ben mintegy 44,25 milliárd tonna (vagy gigatonna) került a légkörbe (IPCC AR6, WG III Technikai Összefoglaló 2022). Ez az érték a legmagasabb volt az évről évre folyamatosan növekvő trendben.

Tehát jól tudjuk, hogy az utóbbi években évente több tízmilliárd tonna CO₂-t adtunk a légkörhöz. Hogyan észlelhetjük ezt a fosszilis tüzelőanyagokból származó jelet a levegőben? 

1. ábra: emberi ujjlenyomatok a klímaváltozás bűnhelyén. Vegyük észre, hogy több bizonyíték is a "fosszilis üzemanyagok szénjére" utal. Olvasson tovább...

A válasz a szén izotópjaiban rejlik.

A legtöbb kémiai elem a természetben több változatban is előfordul. Ezek az elem izotópjai. A szén sem kivétel. Legfontosabb természetes izotópjai a szén-12, szén-13 és szén-14, jelölésük: ¹²C, ¹³C és ¹⁴C. Mindhárom izotóp atommagjában hat proton található – ez a szén rendszáma, és ez állandó. Azonban a szén-12 atommagjában hat neutron van, míg a ¹³C-ben hét, a ¹⁴C-ben pedig nyolc.

A szén-14 csak apró nyomokban fordul elő – körülbelül egy atom grammonként. A természetben a légkör felső rétegeiben kozmikus sugarak által keltett neutronok nitrogénatomokkal való ütközése révén keletkezik. Az emberi tevékenység is hozzájárult ehhez: a múlt századi nukleáris robbantások növelték a ¹⁴C mennyiségét két nagyságrenddel. Ez az izotóp hasznos, mivel radioaktív, és felhasználható geológiailag fiatal anyagok radiometrikus kormeghatározására. Mivel bomlási sebessége gyors (felezési ideje 5700 év), az 50 000 évnél idősebb anyagok túl kevés ¹⁴C-t tartalmaznak a radiokarbonos kormeghatározáshoz. A fosszilis tüzelőanyagok, amelyek több millió vagy akár több száz millió évesek, nem tartalmaznak ¹⁴C-t.

A szén-12 stabil és nagyon gyakori, a Föld összes szénjének 98,93%-át teszi ki, míg a szén-13 a maradékot, a szén-14 apró mennyiségét leszámítva. A fotoszintézis során a szén-dioxidot és a vizet a növények felveszik. Ezeket a nyersanyagokat tápanyagokká (cukorrá) alakítják, és melléktermékként a bennük lévő oxigén kétharmadát felszabadítják a légkörbe, lehetővé téve számunkra és más élőlények számára a légzést. A fontos rész az, hogy a fotoszintézis során a szén izotópjai frakcionálódnak, ami azt jelenti, hogy a ¹²C és ¹³C aránya megváltozik a kémiai reakciók során, előnyben részesítve a ¹²C felvételét a cukorban. Tehát a fotoszintézis a ¹²C javára tolja el az arányt.

Bármilyen széntartalmú minta – legyen az egy üveg olaj, egy darab szén, egy kalcium-karbonát alapú anyag, például mészkő vagy tengeri kagylóhéj, egy lombiknyi levegő – számos példát lehetne sorolni – elemezhető, és meghatározható annak szénizotópos összetétele. Ezáltal kiszámítható a ¹³C és ¹²C aránya (ismert nevén delta vagy δ¹³C), amelyet összehasonlíthatunk egy nemzetközileg elfogadott standard összetétellel. Az egyenlet a következő:

δ¹³C = ((¹³C/¹²C minta) / (¹³C/¹²C standard) -1) × 1000‰

Mivel a fotoszintézis során a növények előnyben részesítik a ¹²C felvételét, a δ¹³C értéke, amelyet ezrelékben (‰) fejezünk ki, hasonló lesz minden olyan anyagban, amely növényi eredetű bomlás, égés, megőrződés vagy fogyasztás révén keletkezik. Ennek eredményeként az alacsonyabb (vagy negatívabb) δ¹³C érték továbbterjed az egész táplálékláncban, megőrződik a szénben, az olajban vagy a földgázban, valamint a karbonátos kőzetekben, például a mészkőben és a kagylóhéjas fosszíliákban.

Nem meglepő tehát, hogy ha kiássuk és elégetjük a fosszilis tüzelőanyagokat, az így kibocsátott CO₂ negatívabb δ¹³C értéket eredményez a légkörben – és pontosan ezt figyeljük meg. Ha a légköri CO₂ kizárólag vulkáni eredetű lenne, a δ¹³C értéke közelebb állna a nullához. Ehelyett a trend folyamatosan egyre negatívabb irányba mozdul el: a Mauna Loa és a Déli-sark levegőmintavételi állomásainak kumulatív adatai (1. ábra) azt mutatják, hogy 1980-ban az érték -7,5‰ volt, majd folyamatosan csökkent -8,5‰-re 2020-ra. Az iparosodás előtti becsült érték körülbelül -6,6‰ (Graven et al., 2020). Ez egyértelmű bizonyítéka az emberi eredetű szén-dioxid-kibocsátásnak. Egy másik bizonyíték pedig az, hogy mivel a fosszilis tüzelőanyagok nem tartalmaznak ¹⁴C-t, az ezekből származó CO₂ sem tartalmazza azt, így tovább hígítva a légkörben már eleve csekély mennyiségű ¹⁴C-t.

 1. ábra: A szénizotóp-adatok 1975–2022 között. Fekete pontok: A légköri szén-dioxid δ¹³C értékének havi átlaga a hawaii Mauna Loa Obszervatóriumban. Ahogyan a Keeling-görbe a CO₂-szintek változását mutatja, ez a grafikon is megjeleníti a fotoszintézist végző növények által okozott szezonális ingadozást, ahogy a levelek nőnek, majd elhalnak. Piros pontok: A légköri szén-dioxid δ¹³C havi átlaga az Antarktiszon, a Déli-sarkon.

A szénizotóp-arányok a geológiában is rendkívül hasznosak. Az értékeik hirtelen változásai, amelyeket pozitív vagy negatív „kilengéseknek” nevezünk, arra utalnak, hogy valami monumentális esemény történt. Például az egyik legnagyobb negatív δ¹³C kilengés a geológiai feljegyzésekben a perm végi tömeges kihalást jelöli, amely 250 millió évvel ezelőtt történt (Saitoh & Isozaki, 2021).

Az a tény, hogy az elmúlt 500 millió év egyik leghosszabb és legintenzívebb vulkáni tevékenysége éppen a perm végi kihalás idején zajlott, arra utal, hogy abban az időben hatalmas mennyiségű CO₂ szabadult fel. Azonban a Föld köpenyéből származó vulkáni CO₂ „súlyosabb”, vagyis pozitívabb δ¹³C értékkel rendelkezik, körülbelül -6‰-el. Ez nem magyarázhatja a negatív kilengést – de egy másik tényező igen. A magma, amely mélyről tört a felszínre, egy olyan üledékes medencén haladt át, amely hatalmas olaj- és szénkészleteket tartalmazott, és ezek teljesen kiégtek a folyamat során. Becslések szerint ennek következtében a szibériai trappok kitörései néhány tízezer év alatt tíz- és százbillió tonna közötti szén-dioxidot bocsátottak ki – részben vulkáni eredetűt, de óriási mennyiségben a kiégett fosszilis tüzelőanyagokból származót. Ami 250 millió évvel ezelőtt Szibériában történt, az emberiség számára a lehető legkomolyabb figyelmeztetést jelenti arra, hogy ne avatkozzon bele a Föld szénciklusába.