Röviden

Olyan kijelentést tenni, hogy „a kisebb jelentőségű üvegházhatású gázok, mint a CO₂, alig fejtenek ki hatást”, annyit jelent, mint figyelmen kívül hagyni 160 év tudománytörténetét. Nézzük meg tehát, ki és mikor tárta fel a szén-dioxid hőmegkötő tulajdonságait.

Különböző gázkeverékekkel végzett kísérletek már az 1850-es években kimutatták a vízgőz, a CO₂ és a metán hőmegkötő képességét. Ezeket a hatásokat azonban még nem számszerűsítették – nem álltak rendelkezésre érdemi adatok. Erre még további 40 évet kellett várni.

A számításokat a svéd tudós, Svante Arrhenius (1859–1927) végezte el. Eredményeit egy figyelemre méltó tanulmányban mutatta be 1896-ban, „A légköri szénsavtartalom hatása a földfelszín hőmérsékletére” címmel.

Az 1896-os tanulmány számos számítást tartalmaz, köztük becsléseket arra vonatkozóan, hogy mekkora CO₂-növekedés vagy -csökkenés szükséges ahhoz, hogy az éghajlat egy másik állapotba kerüljön. Példaként szerepel benne a kainozoikum üvegházi klímája, körülbelül 50 millió évvel ezelőttről, valamint az elmúlt néhány százezer év eljegesedési időszakai.

Ahhoz, hogy az Északi-sarkvidéken 8–9 °C-os hőmérséklet-emelkedés következzen be, Arrhenius számításai szerint a CO₂-szintnek az 1890-es évek értékének 2,5–3-szorosára kellett volna növekednie. A hőmérséklet 4–5 °C-os csökkentéséhez – azaz a jégkorszaki viszonyok visszaállításához – a CO₂-szintnek az 1890-es évek értékének 0,62–0,55-szörösére kellett volna csökkennie.

Az 1890-es évek CO₂-szintjét jégmagmintákból ismerjük: körülbelül 295 ppm volt. Számoljunk egy kicsit. A 295 ppm 0,55–0,62-szerese 162,2–183,9 ppm. A modern jégmagvizsgálatok, amelyek az elmúlt 800 000 évet fedik le, azt mutatják, hogy a jégkorszakok idején a CO₂-szint 170–180 ppm közé csökkent.

Amit ma már tudunk az 1896 óta végzett további kutatások alapján, az az, hogy a CO₂ egy kulcsfontosságú „erősítő visszacsatolás” volt. Ez azt jelenti, hogy a Föld pályájának hosszú távú, ciklikus változásai által kiváltott felmelegedés vagy lehűlés együtt járt a CO₂ felszabadulásával vagy megkötésével. Ezek a CO₂-szint változások befolyásolták a Föld üvegházhatásának erősségét. Az üvegházhatás változásai pedig végül befejezték azt a folyamatot, amely az éghajlatot az interglaciális állapotból jégkorszaki állapotba – vagy fordítva – mozdította el.

Arrhenius egy fontos megállapítást tett a vízgőzzel kapcsolatban is: „Léghajós mérésekből azt is tudjuk, hogy a vízgőz eloszlása nagyon egyenetlen lehet, és eltérhet az ideális átlagos eloszlástól.” Ez az állítás ma is érvényes: a vízgőz üvegházhatású gáz, de mivel a víz gáz, folyékony és szilárd halmazállapotban is jelen van a légkörben, folyamatosan ki- és beáramlik a levegőbe. Eloszlása rendkívül egyenetlen, és a felső légkörben ritkán fordul elő. Ebben különbözik a CO₂-től.

A CO₂ viszont, ha egyszer a légkörbe kerül, nagyon hosszú ideig ott marad. Ennek következtében viszonylag egyenletesen oszlik el – ezt nevezik „jól kevertnek”. Ahogyan Arrhenius már akkor számszerűsítette, a CO₂ folyamatosan elnyeli és minden irányba újrasugározza a hőt. Ezért rendkívül rossz ötlet mindössze egy év alatt 44 milliárd tonnát a légkörbe juttatni belőle (2019 – IPCC Hatodik Értékelő Jelentés, 2022).

Részletesebb magyarázat

A jó tudományos elméletek egyik ismérve az úgynevezett „előrejelző képesség”. Más szóval, pusztán egy elmélet birtokában képesnek kell lennünk előrejelzéseket tenni egy adott jelenséggel kapcsolatban. Ha az elmélet megfelelő, az előrejelzések valóra válnak.

Íme egy példa: amikor a kémiai elemek periódusos rendszerét 1869-ben megalkották, sok elem még nem volt ismert. A periódusos rendszer elmélete alapján az orosz kémikus, Dmitrij Mengyelejev képes volt előre megjósolni a germánium, a gallium és a szkandium tulajdonságait még azok felfedezése előtt (sorrendben 1886-ban, 1875-ben és 1879-ben). Előrejelzései helyesnek bizonyultak.

Az ember által kibocsátott CO₂ hozzáadásának hatását a Föld üvegházhatására az üvegházhatású gázok elmélete írja le. Ezt az elméletet először a svéd tudós, Svante Arrhenius fogalmazta meg 1896-ban, Fourier, Foote és Tyndall korábbi munkáira alapozva. Azóta számos tudós finomította az elméletet. Szinte mindannyian ugyanarra a következtetésre jutottak: ha növeljük az üvegházhatású gázok mennyiségét a légkörben, a Föld felmelegszik.

A nézetkülönbségek inkább a felmelegedés pontos mértékére vonatkoznak. Ezt a kérdést „klímaérzékenységnek” nevezik: azt mutatja meg, mennyivel nő a hőmérséklet, ha a CO₂-szint megduplázódik az iparosodás előtti szinthez képest. A klímamodellek szerint a legkisebb várható átlagos hőmérséklet-emelkedés 1,65 °C, míg a felső becslések jelentősen eltérnek, átlagosan 5,2 °C körül alakulnak. A jelenlegi legjobb becslések körülbelül 3 °C emelkedést valószínűsítenek, legfeljebb körülbelül 4,5 °C-ig. A kimenetelek ezen választékának egyik fő oka az éghajlati visszacsatolások nagy száma és azok egymással való változó kölcsönhatása. Egyszerűen fogalmazva: egyes folyamatokat sokkal jobban értünk, mint másokat.

Ami lemegy…

Az üvegházhatás a következőképpen működik: az energia a Napból érkezik látható fény és ultraibolya sugárzás formájában. A Föld ezután ennek az energiának egy részét infravörös sugárzásként bocsátja ki. A légkörben lévő üvegházhatású gázok ennek a hőnek egy részét „elnyelik”, majd minden irányba újrasugározzák – beleértve a Föld felszíne felé visszairányuló sugárzást is.

E folyamat révén a CO₂ és más üvegházhatású gázok 33 °C-kal melegebben tartják a Föld felszínét, mint amilyen nélkülük lenne. Mi 42%-kal több CO₂-t juttattunk a légkörbe, és a hőmérséklet emelkedett. Kell lennie valamilyen bizonyítéknak, amely összekapcsolja a CO₂-t a hőmérséklet-emelkedéssel.

Eddig az átlagos globális hőmérséklet több mint 1 °C-kal emelkedett:

„A NASA Goddard Űrkutatási Intézetének (GISS) tudósai által végzett folyamatos hőmérsékleti elemzés szerint a Föld átlagos globális hőmérséklete legalább 1,1 °C-kal (1,9 °F) emelkedett 1880 óta. A felmelegedés nagy része 1975 óta következett be, körülbelül 0,15–0,20 °C-os évtizedenkénti ütemben.”

A hőmérsékletek emelkednek, pontosan úgy, ahogyan azt az elmélet előre jelezte. De hol van a kapcsolat a CO₂-vel, illetve más üvegházhatású gázokkal, mint a metán, az ózon vagy a dinitrogén-oxid?

A kapcsolat az üvegházhatású sugárzás spektrumában található meg. Nagy felbontású FTIR-spektroszkópia segítségével pontosan mérhető a felszínt elérő hosszúhullámú (infravörös) sugárzás hullámhossza.

1. ábra: A felszínen mért üvegházhatású sugárzás spektruma. A vízgőz hatása ki van szűrve, így láthatóvá válnak a többi üvegházhatású gáz hozzájárulásai (Evans 2006).

Valóban látható, hogy a CO₂ jelentős mértékben hozzájárul a felmelegedéshez, az ózonnal (O₃) és a metánnal (CH₄) együtt. Ezt felszíni sugárzási kényszernek nevezik, és ezek a mérések az empirikus bizonyítékok részét képezik arra, hogy a CO₂ okozza a felmelegedést.

...annak fel kell mennie

Mióta járul hozzá a CO₂ a felmelegedés növekedéséhez? A NASA szerint „a felmelegedés kétharmada 1975 óta történt”. Van megbízható módja annak, hogy azonosítsuk a CO₂ hatását a hőmérsékletekre ebben az időszakban?

Van: meg tudjuk mérni a Földet elhagyó hosszúhullámú sugárzás (felfelé irányuló sugárzás) hullámhosszait. A műholdak rögzítették a Föld által kibocsátott sugárzást. Megvizsgálhatjuk a felfelé irányuló hosszúhullámú sugárzás spektrumát 1970-ben és 1997-ben, hogy kimutassuk az esetleges változásokat.

2. ábra: A spektrum változása 1970 és 1996 között nyomgázok hatására. A „fényességi hőmérséklet” azzal egyenértékű, mintha egy fekete test hőmérsékletét mérnénk (Harries et al. 2001).

Ezúttal azt látjuk, hogy abban az időszakban, amikor a hőmérséklet a legnagyobb mértékben emelkedett, a felfelé irányuló sugárzás kibocsátása csökkent a sugárzás csapdába esése miatt, pontosan ugyanazokon a hullámszámokon, ahol a lefelé irányuló sugárzás növekedett. Ugyanazok az üvegházhatású gázok azonosíthatók: CO₂, metán, ózon és így tovább.

Empirikus bizonyítékok

Ahogy a hőmérséklet emelkedni kezdett, a tudósok egyre inkább érdeklődtek az okok iránt. Számos elmélet született. Ezek közül mindegyik – egy kivételével – idővel háttérbe szorult, mivel nem állt rendelkezésre elegendő bizonyíték. Egyetlen elmélet állta ki az idő próbáját, és kísérletek sora erősítette meg.

Már a 19. században, Foote, Tyndall és Arrhenius munkássága óta tudjuk, hogy a CO₂ elnyeli és újrasugározza a hosszúhullámú sugárzást. Az üvegházhatású gázok elmélete azt jósolja, hogy ha növeljük ezen gázok arányát, akkor a felmelegedés fokozódik.

A tudósok megmérték a CO₂ hatását mind a beérkező napsugárzásra, mind a távozó hosszúhullámú sugárzásra. Kevesebb hosszúhullámú sugárzás jut ki az űrbe az üvegházhatású gázokra jellemző hullámhosszakon. Ugyanezeken a hullámhosszakon megnövekedett hosszúhullámú sugárzás mérhető a Föld felszínén.