Fizikai Szemle 2001/2. 50.o.

A MAGYARORSZÁGI LÉGKÖR/BIOSZFÉRA SZÉN-DIOXID FLUXUS MÉRÉSEK EREDMÉNYEI

Haszpra László
Országos Meteorológiai Szolgálat
Barcza Zoltán
ELTE Meteorológiai Tanszék

Az ENSZ Éghajlati Keretegyezményéhez csatolt Kiotói Jegyzőkönyv 3. cikkelye szerint a CO₂ kibocsátás-csökkentési intézkedések során, bizonyos korlátozásokkal, figyelembe vehető a földhasználat változtatásával lekötött szén-dioxid mennyiség. Napirenden van a kibocsátási kvótákkal való kereskedés kérdése. A korábbi kutatások azt sejtetik, hogy jelenleg a bioszféra/talaj rendszer Magyarországon is nettó szén-dioxid felvevő lehet, azaz saját természetes CO₂ kibocsátása mellett az antropogén kibocsátás egy részét is felveszi, beépíti. A mérték a földhasznosítással megváltoztatható, de változik a környezeti feltételekkel is. Egyes hipotézisek szerint földrajzi régiónk bioszférája csak átmenetileg viselkedik nettó nyelőként. A felmelegedés előrehaladtával nettó kibocsátóvá válhat, ami az antropogén kibocsátás drasztikus visszaszorítását kényszerítheti ki. Itt beszámolunk a nemzetközi együttműködés keretében folyó hazai kutatási programról és eddigi eredményeiről.

A 19. század második felében már ismert volt, hogy a légkörben szén-dioxid is van, amely a Föld hőmérsékleti kisugárzásának tartományában jelentős elnyelési sávokkal rendelkezik és így légköri jelenléte befolyásolja bolygónk éghajlatát. 1896-ban jelent meg Svante Arrhenius, a később a kémia terén végzett munkájáért Nobel-díjat kapott svéd tudós híres munkája, amely először vetette fel, hogy a széntüzelésből származó szén-dioxid a légkörben felhalmozódhat, ami éghajlatváltozáshoz vezethet. Ezt a tanulmányt manapság sokszor idézik, annak ellenére, hogy a maga idejében nem keltett különösebb feltűnést.

A légkör szén-dioxid tartalmának alakulása

A 20. század első felében végzett szórványos mérések nem jelezték a légköri szén-dioxid koncentráció emelkedését. Ma már tudjuk, hogy a korabeli módszerek nem voltak elég érzékenyek a változások kimutatásához. Charles D. Keeling az 1950-es évek közepén dolgozta ki a ma is használatos, az infravörös elnyelésen alapuló mérési módszert. Az első két műszert 1957/1958-ban a Nemzetközi Geofizikai Év során helyezték üzembe a hawaii Mauna Loa Obszervatóriumban és a Déli-sarkon lévő amerikai kutatóállomáson. Ez a mérési módszer már elegendően érzékeny volt ahhoz, hogy kimutassa a bioszféra évszakosan változó aktivitásának a légkör szén-dioxid tartalmára gyakorolt hatását, és egy idő után a mérések a légköri felhalmozódást is egyértelműen igazolták.

A méréstechnika fejlődése lehetővé tette az évszázadokkal, évezredekkel korábban a sarkvidéki jégbe fagyott levegőzárványok szén-dioxid tartalmának meghatározását is. Ezek a mérések azt mutatták, hogy a legutolsó nagy eljegesedés után a légköri szén-dioxid szint 270-280 ppm (270-280 milliomod térfogatrész) körül stabilizálódott, majd a 18. századtól kezdve egyre gyorsulva emelkedni kezdett (1. ábra). Mindez elsősorban a széntartalmú, fosszilis tüzelőanyagok egyre nagyobb mennyiségű felhasználásával hozható kapcsolatba.

Az emberi tevékenység hatása a szén-dioxid körforgalomra

Az ipari forradalom kibontakozását megelőző több ezer évben a szén biogeokémiai körforgalmában résztvevő szférák (bioszféra, litoszféra, pedoszféra, hidroszféra, atmoszféra) egymással nagyjából egyensúlyban voltak (2. ábra). Az óceánokból felszabaduló és oda beoldódó, illetve a bioszféra/talaj által kibocsátott és a fotoszintézis révén felvett szén-dioxid mennyiség hosszabb idő átlagában kiegyenlítette egymást. Ezt a kvázi-egyensúlyi állapotot zavarta meg az ember. Az elmúlt két évszázadban a növekvő energiaigény kielégítésére évről évre egyre több fosszilis tüzelőanyagot égetett el. Ma ezen a módon mintegy 5,5 Gt szén kerül évente szén-dioxid formájában a levegőbe. A mezőgazdasági, ipari, közlekedési, településfejlesztési igényeket kielégítő erdőirtások pedig évente további 1,6 Gt szén járulékot jelentenek.

Az emberi tevékenység során kibocsátott szén-dioxid mennyiségének mintegy fele a légkörben marad, folyamatosan növelve annak szén-dioxid tartalmát. Másik fele mennyiségileg alig ismert folyamatokon keresztül az óceánokba, illetve a bioszférába kerül. A légköri növekedési ütem azonban nem egyenletes, jobban ingadozik, mint az antropogén kibocsátás (3. ábra). Ez azt jelzi, hogy a bioszféra/talaj és a légkör, illetve az óceánok és a légkör közötti szén-dioxid csere a környezeti viszonyok ingadozása miatt az emberi tevékenység hatásával összemérhető módon változik.

A hiányzó nyelő

A 80-as évek végére, a 90-es évek elejére elegendően sok mérési adat gyűlt össze ahhoz, hogy az egyre pontosabb globális cirkulációs modellek felhasználásával megkíséreljék a mérési adatokat közvetlenül összefüggésbe hozni az ismert, illetve feltételezett szén-dioxid forrásokkal és nyelőkkel, ezek földrajzi elhelyezkedésével. A modellek azt jelezték, hogy az északi félgömb mérsékelt éghajlati övezetében valamilyen folyamat több szén-dioxidot von ki a légkörből, mint amennyit korábban feltételeztek. Ez az ismeretlen nyelő (“missing sink") komoly lendületet adott a kutatásoknak és a mérőhálózatok fejlesztésének. Ha ugyanis nem tudjuk, hogy milyen folyamatok vezérlik a légkör szén-dioxid tartalmát, akkor nehezen képzelhető el, hogy megbízható előrejelzésekkel támogathatjuk az éghajlatváltozás lehetőségével, mértékével, sebességével foglalkozó szakembereket.

A szén-dioxid izotóp-összetétel (¹³C/¹²C, ¹⁸O/¹⁶O) mérések és az egyre részletesebb, pontosabb modellek arra utaltak, hogy a többlet szenet az északi félgömb mérsékelt kontinentális területeinek ökológiai rendszerei veszik fel. A folyamatok tisztázására közvetlen bioszféra-légkör anyagáram méréseket kellett indítani.

Egyes növényállományok szén-dioxid felvételének meghatározására korábban is végeztek rövidebb-hosszabb idejű méréseket, regionálisan reprezentatív mérések azonban nem folytak. Az első ilyen program az Amerikai Egyesült Államokban, Észak-Karolinában indult 1994-ben. Nem sokkal később egy a Magyar-Amerikai Közös Alap és az OTKA által támogatott kutatási program keretében hasonló méréseket indítottunk Magyarországon is.

Az amerikai mérések első évei igazolni látszottak, hogy az említett földrajzi övezetben a bioszféra nettó nyelőként működik, azaz saját kibocsátásánál több széndioxidot vesz fel. Elnyeli az antropogén kibocsátás egy részét is. Ez a tudományos eredmény a kiotói klímaértekezlet idején politikailag kényes helyzetet teremtett. A nagy szén-dioxid kibocsátó iparilag fejlett országok zöme ugyanis a kritikus földrajzi övezetben helyezkedik el. Így elvileg hivatkozhattak arra, hogy kibocsátásuk egy részét a saját területükön lévő ökológiai rendszerek fel is veszik. Nettó kibocsátásuk tehát alacsonyabb, mint ami a fosszilis tüzelőanyagok felhasználásából számítható. Kiotóban végül olyan megállapodás született, amely bizonyos korlátozásokkal (később kidolgozandó módon) lehetővé teszi a bioszféra által felvett szén-mennyiség figyelembevételét, emellett elvileg megnyitotta az utat a kibocsátási kvótákkal való kereskedés előtt is. Mindez lényegében stratégiai kérdéssé lett, hogy ki-ki pontosan ismerje a saját területén a bioszféra és a légkör közötti szén-dioxid cserét. Ennek megfelelően, elsősorban az iparilag fejlett országokban, gyors ütemben megkezdődött a mérőállomások kialakítása. Egy európai mérőhálózat felállítását az Európai Unió is kiemelten támogatja (CARBOEUROPE).

Magyarországi mérések

A magyarországi mérőállomást, tulajdonképpen az első kifejezetten a regionális anyagáram meghatározására létesített európai mérőállomást, amerikai segítséggel és az Antenna Hungária Rt. természetbeni támogatásával a hegyhátsáli TV adótorony felhasználásával 1994 végén hoztuk létre. Itt 10 m és 115 m között négy szintben folyamatosan mérjük a levegő szén-dioxid koncentrációját, valamint az alapvető meteorológiai paramétereket (hőmérséklet, légnedvesség, szél). A koncentráció-gradiensen alapuló fluxus-számítás azonban ilyen toronymagasság mellett bizonyos légköri rétegződés mellett már nem alkalmazható. Ezért 1997-ben a mérőrendszert közvetlen anyagáram-mérésre alkalmas eszközökkel egészítettük ki (eddy-korrelációs módszer). A 4. ábrán jól látható a szén-dioxid felvétel nyári, nappali maximuma és a viszonylag egyenletes éjszakai kibocsátás. Az 5. ábrán a bioszféra/talaj és a légkör közötti nettó szén-dioxid csere napi értékeinek évi meneteit tüntettük fel. Mind 1998-ban, mind pedig 1999-ben, de valószínűleg a mérési szempontból csonka 1997-es esztendőben is, a mérőállomást övező ökológiai rendszerek nettó szén-dioxid nyelőként működtek. 1998-ban a nettó szén-dioxid felvétel hektáronként 4,85 t, 1999-ben pedig 3,38 t volt. A mérőpont felszín feletti 82 m-es magasságából becsülhetően a mérések a tornyot övező mintegy 200 km²-es terü.letre vonatkoznak, de feltételezhető, hogy érvényesek Nyugat-Dunántúl hasonló talaj- és vegetációs adottságú területeire is. Magyarország antropogén széndioxid kibocsátása 1998-ban 61 millió tonna volt, ami egyenletes eloszlás esetén 6,55 t hektáronként, azaz a bioszféra nem elhanyagolható hatást gyakorol az ország szén-dioxid mérlegére.

A legújabb eredmények szerint a legtöbb antropogén eredetű szén-dioxidot valószínűleg az eurázsiai erdőségek veszik fel. Látható módon azonban földrajzi régiónk szén-dioxid felvétele is számottevő lehet. Legalábbis egyelőre. A feltételezések szerint a légkör megnövekedett szén-dioxid koncentrációjának és a szintén antropogén eredetű többlet nitrogén-bevitelnek köszönhető, hogy mára a bioszféra nettó szén-dioxid nyelővé vált. A hőmérséklet növekedésével azonban a bomlási folyamatokból származó szén-dioxid kibocsátás exponenciálisan nő, így a nem is túl távoli jövőben a bioszféra/talaj-rendszer nettó szén-dioxid nyelőből nettó forrássá válhat, amely komoly lökést adhat a légköri mennyiség növekedésének, és így az üvegház-hatás erősödésének. Ezért is kell folyamatosan figyelemmel kísérni a légkör szén-dioxid tartalmát, illetve a bioszféra és a légkör közötti széndioxid áramot.

Jelenleg azt vizsgáljuk, hogyan változik a bioszféra/ talaj-rendszer és a légkör közötti szén-dioxid átvitel a környezeti feltételek (hőmérséklet, talajnedvesség, besugárzás, növényi életciklus stb.) függvényében. Ezekből az adatokból következtethetünk arra, hogy a meginduló éghajlatváltozás várhatóan milyen hatással lesz a széndioxid körforgalomra, milyen mértékű visszacsatolásokra kell számítanunk. Ehhez hosszú idejű, folyamatos mérésekre van szükség, amelynek személyi, tárgyi és anyagi feltételeit igyekszünk megteremteni.

Irodalom

1. J.M. BARNOLA, D. RAYNAUD, Y.S. KOROTKEVICH, C. LORIUS: Vostoc ice core provides 160,000 year record of atmospheric CO₂ - Nature 329 (1987) 408-414
2. B. BOLIN, E.T. DEGENS, P. DUVIGNEAUD, S. KEMPE: The global biogeo chemical carbon cycle. - In: The global carbon cycle. SCOPE 13 (eds.: B. Bolin, E.T. Degens, S. Kempe, P. Ketner) John Wiley & Sons, Chichester - New York - Brisbane - Toronto 1977.
3. C.D. KEELING, T.P. WHORF: Atmospheric CO₂ records from sites in the SIO air sampling network - In: Trends '93: A Compendium of Data on Global Change. ORNL/CDIAC-65. (eds.: T.A. Boden, D.P. Kaiser, R.J. Sepanski, F.W. Stoss) CDIAC, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee, U.S.A. 16-26. 1994.
4. NEFTEL, H. FRIEDLI, E. MOOR, H. LÖTSCHER, H. OESCH-GER:R, U. SIEGENTHALER, B. STAUFFER: Historical CO₂ record from the Siple Station ice core - In: Trends '93: A Compendium of Data on Global Change. ORNL/CDIAC-65. (eds.: T.A. Boden, D.P. Kaiser, R.J. Sepanski, F.W. Stoss) CDIAC, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee, U.S.A. 11-14. 1994.
5. D. SCHMEL, D. ALVES, I. ENTING, M. HEIMANN, F. JOOS, D. RAYNAUD, T. WIGLEY, M. PRATHER, R. DERWENT, D. EHHALT, P. FRASER, E. SAN. HUEZA, X. ZHOU, P. JONAS, R. CHARLSON, H. RODHE, S. SADASIVAN, K.P. SHINE, Y. FOUQUART, V. RAMASWAMY, S. SOLOMON, J. SRINIVASAN, D. ALBRITTON, I. ISAKSEN, M. LAL, D. WUEBBLES: Radiative forcing of climate change - In: Climate change 1995 (eds.: J.T. Houghton, L.G. Meira Filbo, B.A. Callander, A. Harris, A. Kattenberg, K. Maskell) 65-132. 1996.