Jak se měří CO₂

Studium časových změn obsahu oxidu uhličitého v atmosféře

Vladimír Wagner

Jedním s nejsledovanějších a nejdiskutovanějších plynů v atmosféře je v současné době oxid uhličitý. Je jedním z tzv. skleníkových plynů, který naše technická civilizace produkuje v hojné míře, a který může přispívat ke zvýšení teploty na Zemi. Proto je velmi důležité co nejpřesněji určit vývoj jeho množství v atmosféře.

Observatoř Barlow na Aljašce (zdroj ESRL).

Jak se to dělá

V současnosti množství oxidu uhličitého většinou měříme určováním absorpce infračerveného světla. Infračervená analýza je založena na tom, že oxid uhličitý pohlcuje velmi intenzivně světlo s přesně danou vlnovou délkou. Infračervený analyzátor množství oxidu uhličitého obsahuje zdroj infračerveného záření, dvě nádobky (v jedné je měřený vzorek vzduchu a v druhé kalibrační vzorek s přesně známým obsahem oxidu uhličitého) a detektor infračerveného záření. Speciální zařízení střídavě překlápí měřený a kalibrační vzorek do polohy mezi zdrojem detektorem. Míra absorpce infračerveného záření je úměrná množství oxidu uhličitého ve vzorku. Díky srovnání s kalibračním vzorkem se známým obsahem oxidu pak můžeme dostat i absolutní hodnotu tohoto množství.

Při měření je velmi důležité zajistit co nejstabilnějších podmínky. Jde například o to si uvědomit, že teplota, tlak a vlhkost se v daném místě mění. Proto je nutné v konečném důsledku co nejpřesněji stanovit poměr mezi počtem molekul oxidu uhličitého a všech molekul a atomů v suchém vzduchu, a to za kontrolovaných podmínek. Množství oxidu uhličitého je relativně velmi nízké, pohybuje se v řádech setin procenta. Výsledek se tak udává v ppm, tedy v počtu molekul oxidu uhličitého na milion molekul a atomů suchého vzduchu. Měřená množství oxidu uhličitého představují řádově stovky ppm. Přesnost měření je lepší než 0,2 ppm. Pochopitelně, že fluktuace způsobené lokálními změnami atmosférických podmínek jsou větší (řádově i jednotky ppm).

Výsledky měření vývoje množství oxidu uhličitého v atmosféře prováděné od roku 1957 na Observatoři Mauna Loa (zdroj ESRL)

Proč měříme

Obsah oxidu uhličitého měříme z řady důvodů. Může nás třeba zajímat příspěvek místních zdrojů (vegetace, civilizační zdroje nebo geologické zdroje) k množství oxidu uhličitého v životním prostředí. Pokud však chceme zjišťovat globální změny množství tohoto plynu v atmosféře, musíme stavět observatoře v místech vzdálených od civilizace i vegetace, ve stabilních podmínkách a spíše ve vyšších nadmořských výškách, kde nedochází k místnímu hromadění některých atmosférických příměsí. Zároveň je třeba identifikovat rychlé lokální fluktuace v atmosférických podmínkách. Pro získání průkazných výsledků je dále důležité měření v co největším počtu observatoří, které jsou umístěny co nejdále od sebe. To umožňuje posoudit, zda je vývoj množství oxidu uhličitého na různých místech shodný. Pro měření dlouhodobých vývojových trendů je také důležité měřit v daném místě stejnou standardní metodou co nejdelší dobu.

Družice Envisat je nejtěžší a nejkomplexnější družice evropské organizace ESA (zdroj ESA)

Sopka nevadí?

Nejdelší řadu takový dlouhodobých měření absorpční metodou zahájil Charles D. Keeling už roku 1957 v Oceánografickém ústavu v La Jolla v Kalifornii a od roku 1974 se měření přesunulo na observatoř Mauna Loa na Havaji. Jedná se o observatoř daleko od civilizace a ve velmi stabilním klimatu. Jediným problémem by v tomto případě mohla být relativní blízkost sopky jako lokálního zdroje oxidu uhličitého. Sopka je vzdálena několik kilometrů. To, jestli se oxid uhličitý do observatoře dostane, závisí ve velké míře na povětrnostních podmínkách. Navíc se vyskytuje jen nízko při zemi a měření učiněné několik metrů nad povrchem už neovlivňuje. Jeho příspěvek k celkovému množství oxidu uhličitého i v době erupce sopky není v místě observatoře velký. Observatoř Mauna Loa na Havaji nám tak poskytuje spolehlivé údaje o globálních změnách množství oxidu uhličitého. Postupně se k této stanici připojovaly i další observatoře v různých místech na zeměkouli.

Příprava spektrometru SCIAMACHY na družici Envisat

Měření pomocí družic

Určitě vás napadne, zda by při měření globální charakteristiky nebylo výhodné využít družici na oběžné dráze okolo Země. Právě taková družice, která má získat co nejkomplexnější celkový obraz o množství skleníkových plynů v atmosféře, je základem evropského projektu Envisat (Environmental Satellite). Jedná se o největší a nejsložitější družicí Země, kterou organizace ESA připravila a vypustila. Její délka je 10 m a váha 8,5 t. Pohybuje se po dráze blízké k polární (prochází přes oba póly) ve střední výšce 800 km, za den oběhne Zemi čtrnáctkrát a nad stejným místem za stejných podmínek obíhá jednou za 35 dní.

Družice má na palubě deset přístrojů, které zajišťují komplexní informace o stavu okolí, a to nejen atmosféry. Nejzajímavějším z přístrojů je pro nás spektrometr SCIAMACHY, který se věnuje zkoumání obsahu oxidu uhličitého a dalších stopových plynů v atmosféře Země. Jedná se o spektrometr s velmi širokým rozsahem od ultrafialové přes viditelnou až pro infračervenou oblast. Sluneční záření, které neprocházelo atmosférou je porovnáváno se slunečním zářením, které prošlo různými jejími vrstvami. Přístroj určuje míru absorpce v oblastech čar, které odpovídají různým molekulám, a tím i množství těchto molekul v různých místech. Měření, při kterém se sonda dívá přímo pod sebe, umožňuje určit obsah různých plynů v sloupci vzduchu pod sondou. Měření ve směru tečny k okraji Země umožňuje získávat výškový profil atmosféry. Kombinace obou režimů tak postupně umožňuje zjistit rozložení množství, třeba právě i oxidu uhličitého, s dobrou přesností jak v horizontálním tak i ve vertikálním (výškovém) směru.

Období aktivní činnosti družice Envisat bude pomalu končit. Proto je dobře, že byla letos vypuštěna japonská sonda IBUKI (GOSAT – Greenhouse gases Observing SATellite). Startovala 23. ledna a během února a března probíhaly úspěšné testy a kalibrace přístrojů. Infračervený spektrometr pořídil první spektra pro určování množství oxidu uhličitého. Start velmi komplexní družice OCO (Orbiting Carbon Observatory) organizace NASA bohužel skončil havárií. Tato sonda se měla zaměřovat na studium umělých i přírodních zdrojů oxidu uhličitého a mechanismu koloběhu uhlíku v přírodě.

Družice IBUKI (Zdroj JAXA)

Jak jsme tedy na tom?

V současnosti se množství oxidu uhličitého měří na desítkách míst rozmístěný po celém světě a zároveň i pomocí družic na oběžné dráze okolo Země. Srovnáme-li tato měření dojdeme k velmi pěkné shodě. Výsledky souhlasí v absolutní hodnotě obsahu oxidu uhličitého v atmosféře, která je v současnosti zhruba 380 ppm. Shoda je i v průběhu sezónních změn jeho množství a v celkovém trendu dlouhodobého vývoje jeho zastoupení.

A jaké jsou trendy ve vývoji množství oxidu uhličitého v atmosféře? O tom vypovídá graf na obrázku měsíčních průměrů tohoto množství pořízených od roku 1957 – nejdříve v Kalifornii a pak na observatoři Mauna Loa. Velice pěkně jsou zde vidět roční sezónní změny. Zároveň také vidíme, že od začátku měření na konci padesátých let množství oxidu v atmosféře neustále roste. Z hodnoty pod 320 ppm se zvýšilo až na uvedených 380 ppm. Může nás napadnout otázka, zda momentálně nejsme v nějakém přechodném období růstu množství tohoto plynu a zda podobné nárůsty a poklesy nejsou běžnou záležitostí. Odpověď mohou dát v podstatě dvě metody zjišťování změn – první z nich je analýza starších měření a druhou je zjišťování obsahu oxidu uhličitého uvězněného v různě starém ledu v místech, kde se vrstvy sněhu dlouhodobě hromadí a mění na led.

Srovnání zastoupení oxidu uhličitého v atmosféře měřené v Mauna Loa na Havaji, Mace Head v Irsku a na družici Envisat (v tomto případě jde o pozorování severní polokoule). (Zdroj Universita v Heidelbergu).

Starší měření pomocí chemických metod

Dříve se využívaly chemické metody a už od roku 1812 existují záznamy z řady měření. Problémem těchto dat je, že chemická měření byla mnohem náročnější a daleko méně přesná než současná infračervená měření. Navíc se jedná o soubor místně i metodicky velice různorodých měření, která probíhala v ne vždy zcela vhodných podmínkách a často v blízkosti velkých měst a významných civilizačních zdrojů oxidu uhličitého. Samotní autoři těchto měření uvádějí jejich přesnost v řádu setin procenta (stovek ppm). Problém byl hlavně v složitosti nabírání standardního vzorku, zajištění standardních podmínek a v kalibraci. To je také důvodem, proč se pro analýzu vývoje vybírají pouze dlouhodobější sady starých chemických měření. Jejich přesnost se testuje tím, jestli se nich odrážejí sezónní změny s časovým průběhem, který se shoduje s dnes velmi dobře experimentálně prověřeným. Tato měření ukazují na nízké hodnoty oxidu uhličitého (okolo 300 ppm) před rokem 1950.

Srovnání měření množství oxidu uhličitého na čtyřech různých observatořích. Žlutá a fialová data, která leží jinde se týkají obsahu metanu. (zdroj ESRL)

Jak využít led?

Další možností, jak získat historické údaje o obsahu oxidu uhličitého v atmosféře, je zkoumání ledu v oblastech ledovců. Tento led obsahuje i bublinky vzduchu, které nám uchovávají informaci o jeho složení v době, kdy led vznikal. Výhodou je, že pro určování obsahu oxidu uhličitého lze využít moderní metody jeho měření s využitím všech současných znalostí. Problémem mohou být otazníky kolem změn složení vzduchu během dlouhého pobytu v ledu, rizika změny složení během získávání a zpracovávání vzorku a přesnosti datování. Vzhledem k tomu, že metodě analýzy bublinek z ledu byla věnována řada prací, je otázka datování řešena na dobré úrovni. Relativně dobře si vzájemně odpovídají i data z různých vrtů. Lze je tak považovat za věrohodný zdroj informaci o historickém vývoji obsahu oxidu uhličitého v atmosféře.

Observatoř Tutuila v Americké Samoi (zdroj ESRL)

Co jsme zjistili

Široká škála dlouhodobých měření na různých místech povrchu Země i z vesmíru přesvědčivě prokazuje, že nárůst množství oxidu uhličitého v atmosféře v posledních desetiletích je realitou. Teorie o civilizačním původu pozorovaného vzrůstu množství oxidu uhličitého se při pohledu na danou závislost jeví jako velmi pravděpodobná. Jinou otázkou však je eventuální podíl změn množství oxidu uhličitého na vývoj klimatu.

V každém případě je pro poznání vývoje zastoupení oxidu uhličitého a dalších skleníkových plynů v atmosféře Země a jejich souvislosti s vývojem klimatu třeba získávat další dlouhodobá, co nejpřesnější a co nejkomplexnější data. Klíčová je vzájemná součinnost dlouhodobých pozemních a vesmírných měření. Česká republika se do takových akcí může nyní zapojit ještě rozsáhleji i díky tomu, že jsme se stali členem evropské vesmírné organizace ESA.

Podrobněji o měření oxidu uhličitého: http://www.osel.cz/index.php?clanek=4150

Podrobněji o sondě Envisat: http://www.osel.cz/index.php?clanek=4163.

Vývoj obsahu oxidu uhličitého v atmosféře, červená data jso měření z Mauna Loa a modrá analýza ledového vrtu (zdroj MLO)

---