Czy z powodu antropogenicznej emisji dwutlenku węgla planeta nam „spłonie”?

W Miesięczniku Uniwersytetu Jagiellońskiego – Alma Mater (lato 2024 nr 250), ukazał się artykuł autorstwa Agnieszki Defus pt. „Węgiel niepowtarzalna szansa czy ostateczny wyrok?”. Warto nadmienić, że jego autorka jest pracownikiem Centrum Promocji i Komunikacji UJ. Z lektury rozważanego artykułu (na str. 91) możemy dowiedzieć się, że eksploatując obecnie paliwa kopalne:„Znajdujemy się w trakcie bardzo niebezpiecznego globalnego eksperymentu chemicznego. Eksperymentu, który wciąż negowany jest przez tak wielką (i, co gorsza, wciąż rosnącą) liczbę osób”.

Jak widać, najwyraźniej autorkę w wysokim stopniu niepokoi postępujący ostatnio w społeczeństwie systematyczny zanik wiary w antropogeniczne ocieplenie klimatu na Ziemi. Tymczasem problematyka globalnego ocieplenia nie jest w żadnym wypadku kwestią jakiejś bliżej nieokreślonej „wiary”, czy też może „niewiary”, a li tylko przedmiotem prowadzonych rzetelnie badań naukowych. Nie ma się zatem czym specjalnie przejmować, że wiara w antropogeniczne ocieplenie klimatu wciąż słabnie i nieustannie traci rzesze swoich wyznawców, bo w tego rodzaju sprawach nie potrzeba w ogóle żadnej bliżej nieokreślonej „wiary” bądź „niewiary”, a jedynie precyzyjnego i ścisłego dowodu, przeprowadzonego oczywiście w sensie naukowym, ponieważ w żadnym wypadku bynajmniej nie chcemy już jedynie „wierzyć” bądź „nie wierzyć” w jakieś tam wydumane antropogeniczne globalne ocieplenie, lecz po prostu chcemy wiedzieć, jak kwestie z tym związane przedstawiają się w rzeczywistości.

Natomiast samą domenę wiary proponuję pozostawić wyłącznie celem rozpatrywania kwestii o wiele poważniejszych, natomiast w sprawach związanych z ziemskim klimatem jakakolwiek wiara absolutnie nie ma w zasadzie nic do rzeczy.

Wracając tymczasem do kwestii związanych z samym dowodem, autorce rozważanego artykułu wydaje się, że taki niezaprzeczalny dowód właśnie znalazła, możemy bowiem w owym artykule przeczytać:

„A przecież dane są, w zasadzie, na wyciągniecie ręki. Wiele osób sięga po argument, że owszem, zmiany klimatyczne postępują, jednak są one niezależne od działalności człowieka. Spójrzmy więc na coś niepodważalnego – na izotopy węgla w powietrzu. O tym, że występujący w naturze dwutlenek węgla podlega ciągłej wymianie między atmosferą, roślinami i zwierzętami poprzez oddychanie, fotosyntezę oraz rozkład (a także między atmosferą i oceanem poprzez wymianę gazową), już wiemy. W naturze mamy do czynienia z trzema rodzajami węgla w postaci trzech izotopów: C-12, C-13 i C-14, w zależności od masy atomowej. Izotop C-14 powstaje w górnych warstwach atmosfery, miesza się z nią, pochłaniany jest przez rośliny, zjadany w nich przez zwierzęta i później przez nie wydychany. W dosyć małych ilościach, jednak, mimo wszystko, wystarczająco mierzalnych. Okres połowicznego rozpadu C-14 to około 5700 lat, a to oznacza, że paliwa kopalne, siłą rzeczy, go nie zawierają (gdyż są dużo starsze) i w związku z tym dodają do atmosfery taki rodzaj dwutlenku węgla, w którym nie ma tego izotopu. Malejąca ilość izotopu C-14 względem innych rodzajów węgla jest właśnie tym czynnikiem, który dowodzi, że zmiany klimatyczne są spowodowane spalaniem paliw kopalnych. Gdybyśmy go nie zaobserwowali, moglibyśmy przypuszczać, że przyczyny zmian klimatycznych mają inną – naturalną genezę. I w tym przypadku kwestia ta jest właściwie rozstrzygająca”.

Całe szczęście, że na końcu zamieszczonych powyżej tak obszernych wywodów ich autorka użyła wyrazu „właściwie”, ponieważ przedstawione tutaj dywagacje bynajmniej nie są żadnym dowodem w rozumieniu naukowym, a co więcej, nie są to nawet marnej jakości poszlaki.

Z przedstawionego przez autorkę faktu, że w ostatnich latach obserwowane jest systematyczne zmniejszanie się stosunku ilości atomów izotopu radiowęgla C-14 (o okresie połowicznego zaniku równym 5730 lat) do ilości atomów jego izotopów stabilnych: C-12 (stanowiącego ponad 98% wszystkich atomów szóstego pierwiastka) i C-13, wynika tylko tyle, że wskutek spalania paliw kopalnych po prostu uwalniamy te stabilne izotopy węgla do atmosfery, a zatem ich względna ilość w stosunku do izotopu radiowęgla C-14 musi w związku z tym faktem przecież nieustannie wzrastać, tak samo jak w ogóle z tego powodu systematycznie wzrasta i samo stężenie CO2 w powietrzu atmosferycznym. Trudno jest zresztą oczekiwać, aby mogło być inaczej – tego rodzaju paradoks stanowiłby dopiero prawdziwą zagadkę naukową, zapewne niezmiernie trudną do racjonalnego wyjaśniania.

Tymczasem autorka rozważanego artykułu zdaje się z powyższego faktu wyciągać bardzo daleko idące wnioski, które awansują w jej opinii wręcz do miana dowodu naukowego, sprowadzające się w konkluzji do tego, że wzrost stężenia CO2 w atmosferze ziemskiej spowoduje swego rodzaju „katastrofę klimatyczną”, a stąd tylko krok do stwierdzenia, że już w niedalekiej przyszłości Ziemia się „ugotuje” bądź wręcz „spali”, co dla pewnych niezrównoważonych psychicznie osobników stanowić może później podstawę do podjęcia stosowanych działań zaradczych, takich jak choćby przyklejanie się do asfaltu i blokowanie ruchu drogowego, bądź oblewanie farbą zabytków czy też cennych dzieł sztuki w muzeach.

Tymczasem istnienie tego rodzaju wniosku przyczynowo-skutkowego należałoby dopiero wykazać, pamiętając przy tym, że zawsze przyczyna poprzedza skutek – podobno jedynym wyjątkiem od tej reguły jest sytuacja, gdy lekarz podąża w kondukcie pogrzebowym za trumną swego byłego pacjenta. Jednak przeprowadzenie tego rodzaju ścisłego naukowego dowodu nie jest bynajmniej możliwe, ponieważ w sposób naukowy udowodnić można właśnie coś zupełnie przeciwnego, czyli że nawet znacznie większe niż obserwowane obecnie stężenie CO2 w powietrzu atmosferycznym w żadnym wypadku nie spowoduje istotnego podniesienia się temperatury na Ziemi.

Tego rodzaju dowód wynika bezpośrednio z rozwiązania tzw. równania Schwarzschilda, opisującego absorpcję promieniowania elektromagnetycznego w ośrodku gazowym. Najważniejszym wnioskiem wynikającym z tego równania jest stwierdzenie, że zależność absorpcji promieniowania termicznego (emitowanego w zakresie podczerwieni) przez ośrodek wypełniony dwutlenkiem węgla ma charakter funkcji logarytmicznej. Nie jest to zatem funkcja liniowa, jak jest to zwykle milcząco przyjmowane we wszelkich rozważaniach prowadzonych nad wpływem CO2 na globalne ocieplenie klimatu na Kuli Ziemskiej, lecz jest to w rzeczywistości bardzo słaba zależność – w zasadzie jest to zależność najsłabsza, jak w ogóle występuje we wszelkich znanych nam prawach fizyki.

Natomiast jej totalnym przeciwieństwem jest zależność wykładnicza, gdzie już znikomo małe zmiany na wejściu mogą powodować wręcz gigantyczne zmiany wielkości wyjściowej. Natomiast w przypadku zależności logarytmicznej nawet bardzo duże zmiany na wejściu wywołują wręcz ledwie zauważalne zmiany na wyjściu, ponieważ wykres funkcji logarytmicznej jest praktycznie płaski i im dalej poruszamy się w kierunku osi odciętych, tym stopień jej spłaszczenia jest większy.

Przykładem tego typu zależności w fizyce jest chociażby zależność napięcia pomiędzy katodą i anodą diody półprzewodnikowej od wartości przepływającego przez nią prądu. Otóż napięcie to wynosi w przypadku diod krzemowych w normalnym obszarze ich pracy zawsze około 0,7 V i w pewnym uproszczeniu przyjmowane jest z grubsza, że w ogóle nie zależy od zmian wartości przepływającego przez rozważaną diodę prądu.

W najbardziej ogólnej postaci rozwiązanie wspomnianego równania Schwarzschilda przedstawia się w następujący sposób:

A = C + D ln(m) + K ln(p)

W powyższym wzorze przez A oznaczono absorbcję termicznego promieniowania elektromagnetycznego przez dwutlenek węgla, z kolei C, D i K są to pewne stałe, których wartości wyznaczane są empirycznie, natomiast (m) oznacza masę absorbującego promieniowanie CO2, a (p) oznacza ciśnienie, pod którym gaz ten się znajduje.

Przyjmując założenia upraszczające, że ciśnienie atmosferyczne (p) jest w przybliżeniu stałe (jego rzeczywiste wahania są przecież stosunkowo niewielkie), a stężenie dwutlenku węgla (S) jest wprost proporcjonalne do jego masy (m), wspomniany wzór upraszcza się do postaci:

A = L + M ln(S)

W równaniu tym przez L i M oznaczono wartości stałe, a z kolei S to stężenie CO2 w powietrzu atmosferycznym. Jak wynika z powyższego równania, absorbcja (A) termicznego promieniowania elektromagnetycznego w zakresie podczerwieni przez dwutlenek węgla jest proporcjonalna do logarytmu wyznaczonego z jego stężenia w powietrzu atmosferycznym (S).

A ~ ln(S)

Rys. 1. Logarytmiczna zależność absorpcji promieniowania elektromagnetycznego od stężenia CO2 w powietrzu atmosferycznym

(źródło: Kubicki J., Kopczyński K., Młyńczak J., Wpływ wzrostu stężenia CO2 w atmosferze na proces absorpcji promieniowania termicznego, [w:] Biuletyn WAT, Vol. LXIX, Nr 3, 2020)

Na rys. 1 przedstawiono wykres, który pokazuje, za ile procent efektu cieplarnianego na Kuli Ziemskiej jest odpowiedzialny właśnie CO2 przy odpowiednim poziomie jego koncentracji. Z rozważanego wykresu możemy odczytać, że przy stężeniu równym około 400 ppm, jego wkład do obserwowanego na Ziemi efektu cieplarnianego jest na poziomie około 4,6 proc. Z kolei zwiększenie stężenia CO2 w powietrzu atmosferycznym do wartości około 800 ppm, czyli jego podwojenie, spowoduje zwiększenie jego wkładu do efektu cieplarnianego jedynie o około 1,2 punktu proc., właśnie dzięki wspomnianej zależności logarytmicznej.

Obecnie koncentracja CO2 w ziemskim powietrzu atmosferycznym wzrasta w tempie około 2 ppm rocznie, zatem poziom 800 ppm zostałby osiągnięty dopiero za około 200 lat, oczywiście przy przyjęciu jego emisji na takim poziomie, jak ma to miejsce obecnie. Z drugiej strony światowe zasoby surowców kopalnych (głównie węgla) też są przewidywane na okres mniej więcej 200 lat, a ropy naftowej i gazu ziemnego na jeszcze znacznie krócej, oczywiście przy obecnym poziomie ich wydobycia. Zatem nie ma najmniejszych szans, aby ludzkość była w stanie rozważaną barierę 800 ppm koncentracji CO2 w atmosferze Ziemi kiedykolwiek przekroczyć – po prostu wcześniej wyczerpią się już prawdopodobnie dostępne dla nas zasoby surowców kopalnych i tym samym antropogeniczna emisja CO2 zacznie systematycznie spadać.

Oczywiście w odległej przyszłości zmniejszająca się dostępność złóż surowców kopalnych stanowić będzie wielkie wyzwanie dla całej ludzkości i zarazem będzie stanowiło to fundamentalny problem, jeśli chodzi o dalsze istnienie naszej cywilizacji technicznej, ale czy już teraz powinniśmy aż się w tak wielkim stopniu przejmować tym, co nastąpi dopiero za około 200 lat?

Czy 200 lat temu naszym prapraprapradziadkom, a także i być może praprapraprababkom (to przecież było co najmniej 6 pokoleń wstecz) przychodziło w ogóle kiedykolwiek na myśl, jak ich świat będzie za dwa wieki wyglądał? Z pewnością się nad tym w ogóle nie zastanawiali, zresztą tak samo, jak zdecydowana większość z nas nie interesuje się wcale swymi odległymi przodkami, bo zapewne prawie nikt z czytelników nie potrafi wymienić z imienia i nazwiska choćby tylko jednego ze swych 32 prapraprapradziadków.

Nie jesteśmy w stanie przewidzieć przyszłości, nie wiemy, jak będzie wyglądał nasz świat za około 200 lat. Nie mamy pojęcia, czy Polska będzie wtedy jako państwo w ogóle jeszcze istnieć, czy przetrwa naród polski przy obecnym rozmiarze katastrofy demograficznej (wszak przy obecnym poziomie dzietności liczba Polaków zmniejsza się o połowę w każdym kolejnym pokoleniu), jakie państwa będą w owym czasie należeć do głównych graczy na międzynarodowej arenie politycznej, jak zaawansowany będzie wówczas poziom techniki, czy wylądujemy wreszcie kiedyś na Marsie?

Skoro nie jesteśmy w ogóle zdolni na te pytania udzielić odpowiedzi i w związku z tym tego rodzaju sprawami obecnie w najmniejszym stopniu się nie przejmujemy, to dlaczego mamy niby się przejmować jakimiś wydumanymi problemami związanymi z emitowanym przez przemysł i transport dwutlenkiem węgla, którego koncentracja w atmosferze być może podwoi się za około 200 lat, co i tak nie wywoła żadnej termicznej katastrofy na Ziemi, ponieważ jego wkład do efektu cieplarnianego będzie wówczas wynosił jedynie 5,8 proc., zamiast obecnych 4,6 proc., co wynika właśnie logarytmicznej zależności występującej w rozwiązaniu równania Schwarzschilda. Nawiasem mówiąc, za pozostałe 95% efektu cieplarnianego na naszej planecie odpowiada prawie wyłącznie para wodna.

Ponadto w monografii poświęconej zmianom klimatu autorstwa prof. Piotra Kowalczaka zaprezentowane zostały wyniki obliczeń, z których wynika, że zwiększenie koncentracji CO2 w atmosferze z obecnych 400 ppm do 800 ppm spowoduje wzrost temperatury na Ziemi o około 1,1 stopnia Celsjusza. Bynajmniej żadna katastrofa termiczna z tego powodu nam nie grozi, czego dowodem jest fakt, że w tzw. ciepłym okresie rzymskim (od 250 roku p.n.e. do 450 roku n.e.) temperatura na Ziemi była nawet o dwa stopnie Celsjusza wyższa niż obecnie, co umożliwiło wspaniały rozkwit tej cywilizacji, a winogrona były w owym czasie uprawiane aż po wał Hadriana w Brytanii. Z kolei podniesienie temperatury na Kuli Ziemskiej o kolejne 1,1 stopnia Celsjusza wymagałoby dalszego wzrostu koncentracji CO2 w powietrzu atmosferycznym do wartości sięgającej aż 1600 ppm, co jest absolutnie niemożliwe, ponieważ cała Ziemia nie dysponuje tak gigantycznymi zasobami surowców kopalnych, których spalenie byłoby w stanie podnieść w tak wielkim stopniu stężenie rozważanego gazu cieplarnianego.

Być może w ciągu kolejnych dekad rozwój techniki pozwoli na opanowanie kontrolowanej syntezy termojądrowej realizowanej na masową skalę, co automatycznie spowoduje, że wszelkie problemy energetyczne ludzkości zostaną rozwiązane definitywnie na całe kolejne tysiąclecia (zasoby wodoru na Ziemi są w praktycznie niewyczerpalne). Być może za około 100 lat nasze praprawnuki śmiać się z nas będą, jacy to byliśmy niegdyś głupi, że aż tak gigantycznym kosztem podejmowaliśmy wielce heroiczną i bohaterską walkę z CO2, iż przy okazji omal nie unicestwiliśmy naszej cywilizacji technicznej, cofając się wręcz do epoki przedprzemysłowej – któż to wie…

Wracając tymczasem do samego równania Schwarzschilda, to zapewne dociekliwy czytelnik chciałby zapewne wiedzieć, skąd właściwie bierze się rozważana tutaj logarytmiczna zależność absorpcji promieniowania termicznego od stężenia CO2 w powietrzu i dlaczego nie jest to po prostu zwykła zależność liniowa, jak ma to miejsce w przypadku wielu innych praw fizyki.

Rys. 2. Absorpcja kwantów promieniowania termicznego wywołuje różnego typu drgania atomów wchodzących w skład cząsteczki dwutlenku węgla

(źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Dwutlenek_w%C4%99gla)

Na rys. 2 przedstawiono strukturę cząsteczki CO2, która ma budowę liniową i centrosymetryczną, czyli jeden atom węgla (C) znajduje się dokładnie w środku pomiędzy dwoma atomami tlenu (O). Fakt ten sprawia, że cząsteczka CO2 wykazuje zdolność do pochłaniania kwantów termicznego promieniowania elektromagnetycznego (w zakresie podczerwieni) o ściśle określonych częstotliwościach (rezonansowych), które wzbudzają różnego typu drgania atomów wchodzących w skład rozważanej cząsteczki – są to tzw. drgania normalne, co pokazano na rys. 2.

Ponieważ cząsteczki CO2 pochłaniają nie całe widmo promieniowania podczerwonego, a jedynie jego nieliczne kwanty, posiadające pewne wyróżnione częstotliwości zgodne z częstotliwościami rezonansowymi tzw. drgań normalnych cząsteczki, to stosunkowo niewielka liczba molekuł dwutlenku węgla powoduje już prawie całkowitą absorbcję zdecydowanej większości poruszających się w ośrodku gazowym kwantów promieniowania termicznego o wspomnianych częstotliwościach rezonansowych. W takiej sytuacji dalsze zwiększanie koncentracji cząsteczek CO2 już w zasadzie niewiele tutaj zmienia, ponieważ kwanty promieniowania elektromagnetycznego o interesujących nas częstotliwościach rezonansowych i tak w zdecydowanej większości zostały już pochłonięte przez cząsteczki znajdujące się dotychczas w rozpatrywanym ośrodku gazowym, a zatem te nowe cząsteczki nie miałyby i tak już praktycznie czego absorbować. W efekcie dostajemy bardzo słabą (logarytmiczną) zależność absorpcji promieniowania termicznego od koncentracji molekuł CO2 w powietrzu atmosferycznym.

Ostateczna konkluzja jest zatem taka, że z powodu antropogenicznej emisji dwutlenku węgla z całą pewnością planeta nam nie „spłonie”, no chyba, że wcześniej spłonie ona z samego wstydu, że co po niektórzy, co to po jej powierzchni chodzą, takie brednie powszechnie na co dzień wygadują…

dr inż. Mirosław Gajer