MISURAZIONI CO2
Nei circoli degli scettici climatici, c'è piuttosto molta confusione sulle misurazioni di CO2 storiche/attuali. Ciò si basa in parte sul fatto che misurazioni dirette storiche piuttosto accurate della CO2 nell'atmosfera mediante metodi chimici mostrano valori molto più elevati in determinati periodi di tempo (in particolare intorno al 1942), rispetto ai circa 280 ppmv misurati nelle carote di ghiaccio antartiche. 280+/- 10ppmv è considerata dalla comunità scientifica la quantità preindustriale di CO2 nell'atmosfera. Questo è abbastanza importante, come se nel recente passato ci fossero livelli (molto) più alti di CO2, che potrebbero indicare che i livelli attuali di CO2 non sono dovuti all'uso di combustibili fossili, ma una fluttuazione naturale e quindi la sua influenza sulla temperatura è soggetta anche a (enormi) fluttuazioni naturali e l'attuale clima più caldo non è causato dall'uso di combustibili fossili.
Per essere sicuro del mio scetticismo: mi piace vedere ed esaminare gli argomenti di entrambi i lati della recinzione e decido, basandomi su questi argomenti. Sono abbastanza sicuro che gli attuali modelli climatici sottovalutano il ruolo del sole nella variabilità climatica e sopravvalutano il ruolo dei gas serra e degli aerosol. Ma sono altrettanto sicuro che l'aumento di CO2 nell'atmosfera dall'inizio della rivoluzione industriale provenga principalmente dall'uso di combustibili fossili.
Ci sono diversi motivi per cui l'ipotesi di grandi variazioni di CO2 non umana nella storia recente è errata e che la maggior parte del recente aumento di CO2 nell'atmosfera è in effetti principalmente prodotta dall'uomo, ma che necessita di una spiegazione dettagliata. Segui i passi:
Nei circoli degli scettici climatici, c'è piuttosto molta confusione sulle misurazioni di CO2 storiche/attuali. Ciò si basa in parte sul fatto che misurazioni dirette storiche piuttosto accurate della CO2 nell'atmosfera mediante metodi chimici mostrano valori molto più elevati in determinati periodi di tempo (in particolare intorno al 1942), rispetto ai circa 280 ppmv misurati nelle carote di ghiaccio antartiche. 280+/- 10ppmv è considerata dalla comunità scientifica la quantità preindustriale di CO2 nell'atmosfera. Questo è abbastanza importante, come se nel recente passato ci fossero livelli (molto) più alti di CO2, che potrebbero indicare che i livelli attuali di CO2 non sono dovuti all'uso di combustibili fossili, ma una fluttuazione naturale e quindi la sua influenza sulla temperatura è soggetta anche a (enormi) fluttuazioni naturali e l'attuale clima più caldo non è causato dall'uso di combustibili fossili.
Per essere sicuro del mio scetticismo: mi piace vedere ed esaminare gli argomenti di entrambi i lati della recinzione e decido, basandomi su questi argomenti. Sono abbastanza sicuro che gli attuali modelli climatici sottovalutano il ruolo del sole nella variabilità climatica e sopravvalutano il ruolo dei gas serra e degli aerosol. Ma sono altrettanto sicuro che l'aumento di CO2 nell'atmosfera dall'inizio della rivoluzione industriale provenga principalmente dall'uso di combustibili fossili.
Ci sono diversi motivi per cui l'ipotesi di grandi variazioni di CO2 non umana nella storia recente è errata e che la maggior parte del recente aumento di CO2 nell'atmosfera è in effetti principalmente prodotta dall'uomo, ma che necessita di una spiegazione dettagliata. Segui i passi:
- Precisione delle moderne misurazioni di CO2.
- Variazioni dovute a circostanze locali.
- Variazioni di CO2 dovute alle stagioni.
- Dove misurare? Il concetto di livelli di "sfondo" di CO2.
- Prova dell'influenza umana sull'aumento di CO2 nell'atmosfera.
- Questa parte viene spostata nella propria pagina per la sua importanza
- Riferimenti
1. Precisione delle moderne misurazioni di CO2:
Le misurazioni storiche della CO2 nell'atmosfera erano basate su metodi chimici. L'accuratezza era abbastanza buona per molti dei metodi, inclusa la CO2 nell'aria, ma meno appropriata per le misurazioni della CO2 atmosferica per altri metodi. Questo è particolarmente vero per il metodo micro-Schollander, che era inteso per espirare misurazioni di ossigeno nell'aria e CO2 (circa il 2%).
Charles D. Keeling voleva metodi che richiedessero un minimo di manutenzione/prodotti chimici per un massimo di misurazioni quasi continue, che trovò nel metodo NDIR (infrarosso non dispersivo).
Secondo le sue note [ 1 ] [ 2 ]:
L'imprecisione nella misurazione dei gas di riferimento si avvicina a 0,1 ppmv ed è raramente maggiore di 0,2 ppmv. Tuttavia,
differenze di accordo inferiori a 0,5 ppmv tra pallone e analizzatori o
tra analizzatori diversi a breve termine sono difficili da ottenere. Le medie mensili da maggio 1964 a gennaio 1969 possono essere errate fino a 1,0 ppmv; ma dal 1970, l'errore sistematico probabilmente non supera 0,2 ppmv. La precisione delle medie mensili è di circa 0,5 ppmv. In
sintesi, le medie mensili e annuali dei dati di Mauna Loa sono
statisticamente solide e servono da record preciso e a lungo termine
delle concentrazioni atmosferiche di CO2.
Certamente, c'è la questione di eliminare i valori "sospetti" quando si fa la media dei dati orari. Alcuni dati sono "sospetti", perché differiscono troppo dalla media (attesa) dei dati precedenti (e seguenti) con più di una data (3 sigma) differenza, o quando si verificano problemi meccanici / fisici o quando c'è vento dalla direzione sbagliata (lato terra nel caso delle stazioni costiere), ecc. In molti casi, è nota la fonte della deviazione. Tutti i dati sono ancora disponibili nelle medie orarie di 4 misurazioni non elaborate, ma sono "contrassegnati" e non utilizzati per le medie giornaliere, mensili e annuali. Maggiori informazioni su questo nei prossimi articoli.
2. Variazioni dovute a circostanze locali:
Esistono diverse condizioni locali che possono interferire con le misurazioni. In alcune località, questa è l'influenza della vegetazione (locale / regionale) vicina e / o della combustione di combustibili fossili. In altri casi, il degassamento vulcanico può interferire. Questo è il caso di Mauna Loa. Dalla stessa fonte [ 1 ]:
Le possibili fonti di errore ambientale a Mauna Loa includono effetti vulcanici, vegetativi e artificiali (ad es. Traffico veicolare e industria). I picchi giornalieri nelle concentrazioni misurate si verificano a causa delle complesse correnti del vento. I venti di pendenza trasportano spesso CO2 da distanti prese d'aria vulcaniche causando aumenti delle concentrazioni di CO2 misurate. I venti in salita nelle ore pomeridiane sono spesso a basso contenuto di CO2 a causa dell'esaurimento fotosintetico che si verifica nei campi e nelle foreste di canna da zucchero. I problemi di traffico veicolare (dal momento che sono stati corretti) hanno provocato elevazioni esagerate nel 1971. Nonostante queste fonti di errore e contaminazione, sono stati compiuti notevoli sforzi per alleviare e rilevare queste fonti.
La differenza nell'inclusione e nell'esclusione dei dati "contrassegnati" nel risultato finale dà alcune differenze nella variabilità attorno all'andamento stagionale, come si può vedere ad esempio nelle medie orarie del Mauna Loa, dove vengono forniti i dati grezzi (nei primi giorni, media da 4 campioni entro un'ora, oggi la media di 2x20 minuti campioni di 10 secondi Per una spiegazione dettagliata delle procedure, vedere: [ 21 ]). Le medie orarie dei campioni che presentano grandi variazioni entro un'ora, grandi variazioni di ora in ora, condizioni di bolina, ecc. Sono "contrassegnate". I dati contrassegnati non vengono utilizzati per medie giornaliere, mensili o annuali. I dati possono essere scaricati da [ 3 ] dove MLO = Mauna Loa, la spiegazione dei dati e le diverse bandiere utilizzate in [ 3 ] sono disponibili in [ 4 ]:
Medie orarie grezze di Mauna Loa 2004. |
Mauna Loa ha selezionato (senza "contrassegnato") medie orarie 2004. |
Per il 2004, avrebbero dovuto essere campionati 8784 dati orari orari, ma:
Come si può vedere nelle tendenze, nonostante l'esclusione di (nel secondo grafico sopra) tutti i valori anomali, la differenza di tendenza con o senza dati contrassegnati è minima, viene ridotto solo il numero di valori anomali attorno all'andamento stagionale e l'aumento complessivo di Il 2004 in entrambi i casi è di circa 1,5 ppmv.
Che la produzione/assorbimento locale di CO2 abbia un'influenza può essere vista nella tendenza dettagliata del Mauna Loa: con venti in forte ascesa, l'aria proviene dalle valli dove l'agricoltura e altra vegetazione riducono i livelli di CO2 (con circa 4 ppmv) in alcune parti della giornata :
- 1102 non hanno dati, a causa di errori strumentali (incluse alcune settimane a giugno).
- 1085 sono stati segnalati, a causa della pendenza dei venti diurni (che hanno valori più bassi), non utilizzati nelle medie giornaliere, mensili e annuali.
- 655 hanno avuto una grande variabilità entro un'ora, sono stati contrassegnati, ma sono ancora utilizzati nelle medie ufficiali.
- 866 avevano una grande variabilità ora per ora> 0,25 ppmv, erano contrassegnati e non utilizzati.
Come si può vedere nelle tendenze, nonostante l'esclusione di (nel secondo grafico sopra) tutti i valori anomali, la differenza di tendenza con o senza dati contrassegnati è minima, viene ridotto solo il numero di valori anomali attorno all'andamento stagionale e l'aumento complessivo di Il 2004 in entrambi i casi è di circa 1,5 ppmv.
Che la produzione/assorbimento locale di CO2 abbia un'influenza può essere vista nella tendenza dettagliata del Mauna Loa: con venti in forte ascesa, l'aria proviene dalle valli dove l'agricoltura e altra vegetazione riducono i livelli di CO2 (con circa 4 ppmv) in alcune parti della giornata :
Medie orarie di Mauna Loa per 1,5 settimane |
Ciò dimostra che con i venti in pendenza, i dati sono influenzati dall'aria locale impoverita di CO2.
Questi dati vengono giustamente scartati dalle medie giornaliere/ mensili/annuali, poiché non riflettono i livelli di CO2 di fondo, a
cui siamo interessati.
Lo scarto di dati "contaminati" influenza la tendenza nel corso di un anno o diversi anni? Ho posto questa domanda a Pieter Tans, responsabile del trattamento dei dati del Mauna Loa. La sua risposta:
Diverse stazioni sono considerate "buone", in quanto hanno un'influenza minima dalla vegetazione locale e/o dalle emissioni umane (traffico, riscaldamento). Si tratta di stazioni nel mezzo degli oceani, a volte in punti costieri (purché il vento non soffi dal lato terra) e/o sopra lo strato di inversione. Queste stazioni, dopo aver scartato i valori anomali, differiscono l'una dall'altra entro 5 ppmv per le medie annuali, di cui la maggior parte proviene dal ritardo tra NH e SH, vedere l'elemento successivo. 10 di essi, che coprono il globo dal vicino al Polo Nord (Avviso, Canada) al Polo Sud, sono usati come riferimento per le medie giornaliere, mensili e annuali e le tendenze annuali. I grafici e i dati sono disponibili in [ 5 ].
Alcune stazioni interne, come Schauinsland, forniscono livelli affidabili di CO2 di "sfondo" solo quando la stazione (a 1200 m di altitudine) si trova sopra lo strato di inversione e con sufficiente velocità del vento. Questo accade solo circa il 10% delle volte.
E, ultimo ma non meno importante, molte stazioni interne sono praticamente inadatte per la misurazione di CO2 di fondo, a causa della miscelazione incompleta con gli strati d'aria più alti, in parte a causa di troppe fonti/pozzi locali come la vegetazione e/o l'uso umano di combustibili fossili, in parte a causa in una posizione protetta. Questo è il caso, ad esempio, di Diekirch (Lussemburgo) [ 6 ], in cui la stazione si trova in una valle con boschi, urbanizzazione e traffico nella principale direzione sopravento:
Come si può vedere, anche in luoghi scomodi con molte fonti/pozzi locali, esiste una correlazione inversa tra livelli di CO2 e velocità del vento. Con velocità del vento più elevate, i livelli di CO2 vengono miscelati meglio con strati d'aria più elevati che hanno un contenuto di CO2 "di fondo". Ciò riduce il contenuto di CO2 a livello del suolo. L'assunto dei livelli di CO2 ai venti ad alta velocità (come si è visto durante la tempesta Franz, l'11 gennaio 2007) è di circa 385 ppmv, molto vicino al livello di 382 ppmv riscontrato a Mauna Loa nello stesso periodo. Lo stesso vale per la varianza diurna: di giorno e con una velocità del vento sufficientemente elevata (>1 m/s), i livelli di CO2 sono più bassi e vicini allo sfondo, mentre di notte sotto lo strato di inversione, i livelli di CO2 sono fino a 100 ppmv più alti.
Ci sono due principali influenze naturali sui livelli di CO2 nell'atmosfera: la temperatura delle acque superficiali dell'oceano e l'assorbimento di CO2 da parte delle piante in primavera/estate e il rilascio di CO2 da parte del decadimento del materiale vegetale morto in autunno/inverno. Ciò è più evidente nell'NH (emisfero nord), dove è situata la maggior parte della vegetazione terrestre.
La CO2 viene continuamente emessa dalle acque profonde, specialmente nei tropici, dove le temperature sono elevate e la pressione parziale della CO2 (pCO2) negli oceani superiori è più alta che nell'atmosfera sopra di essa. La CO2 viene continuamente assorbita negli strati oceanici superiori a latitudini più elevate, dove le temperature più fredde riducono il pCO2 degli oceani, inferiore al pCO2 dell'atmosfera. Questo è particolarmente vero nei luoghi di assorbimento del THC (circolazione termoalina) nell'oceano nord Atlantico. L'acqua più fredda può trattenere più CO2 rispetto all'acqua più calda, ma nel caso della CO2 ci sono anche molte reazioni chimiche e biologiche che influenzano la solubilità della CO2 e quindi il pCO2 sulla superficie degli oceani. Per maggiori dettagli su questo, Wiki ha una spiegazione abbastanza buona.
Il flusso di CO2 tra i tropici e i luoghi più freddi negli oceani è relativamente costante (ne parleremo più avanti) e non influenza molto la variazione stagionale. Ulteriori variazioni sono nella temperatura (e quindi nel pCO2) delle medie latitudini, dove c'è assorbimento di CO2 in inverno e rilascio di CO2 in estate. Il flusso di CO2 della vegetazione (comprese le alghe negli oceani superiori) è nella direzione opposta: più rilascio in inverno e più assorbimento in estate. L'effetto netto nel NH è una variazione di +/- 4 ppmv nel Mauna Loa (metà oceano Pacifico, media troposfera) tra estate e inverno, fino a +/- 20 ppmv per Barrow (Alaska, USA, livello del mare, vicino alla tundra ) o addirittura 35 ppmv a Schauinsland (Germania, 1200 m di altezza). I dati di Schauinsland sono fortemente contaminati dalla vicina valle del Reno completamente abitata e industrializzata. E influenzato dalla vegetazione, in questo caso la Foresta Nera della Germania meridionale. Solo di notte, quando separati dalle valli da uno strato di inversione, e con una sufficiente velocità del vento, i livelli di CO2 vengono meglio miscelati con il resto della troposfera e mantenuti. Questo è il caso solo del 10% dei dati.
Le serie di dati provenienti dall'SH (emisfero meridionale) mostrano variazioni molto meno stagionali, a causa dell'area molto più piccola di terra/vegetazione. La più piccola influenza delle stagioni si trova al Polo Sud.
Di seguito un confronto tra le medie mensili di Mauna Loa (selezionate) e quelle di altre stazioni:
Il concept è stato lanciato da CD Keeling a metà degli anni Cinquanta, quando ha effettuato diverse serie di misurazioni negli Stati Uniti. Ha riscontrato livelli di CO2 molto variabili, a volte in campioni prelevati a una distanza di 15 minuti l'uno dall'altro. Ha anche notato che i valori in luoghi molto diversi, molto distanti tra loro, ma presi nel pomeriggio, erano molto più bassi e molto più simili tra loro. Pensava che ciò fosse dovuto al fatto che nel pomeriggio vi erano più turbolenze e la produzione di CO2 dovuta alla decomposizione della vegetazione e/o alle emissioni veniva miscelata più facilmente con l'aria sovrastante. Fortunatamente, dalla prima serie del [ 2 ], ha anche misurato i rapporti 13C/12C degli stessi campioni, il che ha dimostrato che la variazione diurna era dovuta al decadimento della vegetazione durante la notte, mentre durante il giorno la fotosintesi da un lato e la turbolenza dall'altro il lato ha aumentato il rapporto 13C/12C ai valori massimi.
La prima serie di campioni di Keeling, presa al Big Sur State Park, che mostra il ciclo diurno di CO2 e d13C è stata pubblicata in [ 7 ], i dati originali (anche di altre serie) sono disponibili in [ 8 ]:
Diversi altri hanno misurato i livelli di CO2/rapporti d13C anche dei propri campioni. Ciò è accaduto in diversi luoghi della Germania (Heidelberg, Schauinsland, Nord Reno Westfalia). Ciò ha confermato che la produzione locale era l'origine degli alti livelli di CO2. Le più piccole variazioni di CO2/d13C sono state riscontrate nelle catene montuose, nei deserti e vicino agli oceani. Il più grande in foreste, quartieri urbani e quartieri non urbani, ma fortemente industrializzati. Quando il reciproco dei livelli di CO2 è stato tracciato rispetto ai rapporti d13C, questo ha mostrato una chiara relazione tra i due. Ancora da [ 7 ]:
Keeling ha quindi cercato luoghi sulla terra non (o non molto) influenzati dalla produzione/assorbimento locale, così lontani da foreste, agricoltura e/o urbanizzazione. Ha avuto l'opportunità di lanciare due misurazioni continue: a Mauna Loa e al Polo Sud. Più tardi, furono aggiunte altre stazioni di base, tutte 10 insieme dal vicino al Polo Nord (Alert, NWT, Canada) al Polo Sud, la maggior parte delle quali funzionava in continuo, alcune funzionavano con campionamento di matracci regolari.
Siamo interessati ai livelli di CO2 in un determinato anno in tutto il mondo e alle tendenze dei livelli di CO2 nel corso degli anni. Quindi, eccoci alla definizione del livello di "sfondo":
Poiché gli oceani rappresentano circa il 70% della superficie terrestre
e tutte le stazioni oceaniche mostrano quasi le stesse medie e tendenze
annuali, già il 70% dell'atmosfera mostra un comportamento di fondo
(entro 5 ppmv). Questo può essere esteso vicino alla terra totale per la parte sopra lo strato di inversione.
Sopra la terra, le variazioni diurne sono visibili solo fino a 150 m (secondo [ 7 ]).
I cambiamenti stagionali si riducono con l'altitudine. Questo si basa su anni di voli (1963-1979) in Scandinavia [ 7 ] e tra Scandinavia e California [ 9 ]. Confermato ulteriormente da vecchi e moderni voli [ 10 ] negli Stati Uniti e in Australia (Tasmania). Nella SH, la variazione stagionale è molto più piccola e c'è un'alta quota per abbassare il gradiente di altitudine, dove l'alta quota è 1 ppmv più ricca di CO2 rispetto all'altitudine inferiore. Ciò può essere causato dalla fornitura di ulteriore CO2 dall'NH attraverso il ramo meridionale della cellula Hadley alla troposfera superiore nell'SH.
Da [ 7 ], basato su [ 9 ]:
Da [ 10 ]:
Come si può vedere, ancora una volta i valori sopra il livello di
inversione sono quasi diritti e concordano in pochi ppmv con i dati di
Mauna Loa.
Sotto lo strato di inversione, i valori del mattino sono più alti di
15-35 ppmv, nel pomeriggio, questi possono affondare di nuovo sullo
sfondo.
Se prendiamo i 1000 m come livello superiore medio per l'influenza dei disturbi locali, ciò rappresenta circa il 10% della massa atmosferica. Quindi il livello di "sfondo" si trova al 70% della massa d'aria terrestre (oceani) + 90% della superficie terrestre rimanente (27%). Cioè nel 97% della massa d'aria globale. Solo il 3% della massa d'aria globale contiene quantità non ben miscelate di CO2, che è solo sulla terra.
Conclusione generale:
I livelli di CO2 di fondo possono essere trovati su tutti gli oceani e sulla terra a 1000mt e altitudini più elevate (in alta montagna).
[1] Concentrazioni di biossido di carbonio presso l'Osservatorio di Mauna Loa, Hawaii, 1958-1986, CDIAC NDP-001: http://cdiac.ornl.gov/ftp/ndp001/ndp001.pdf
[2] Premi e sanzioni per il monitoraggio della terra, Charles D. Keeling, Ann. Rev. Energia. Envir. 1998.23.25-82:
http://scilib.ucsd.edu/sio/biogr/Keeling_Rewards.pdf
Affascinante storia autobiografica di CDKeling sulla storia delle misurazioni di CO2 e la lotta contro le amministrazioni per ottenere e continuare a finanziare misure continue. Di particolare interesse:
Lo scarto di dati "contaminati" influenza la tendenza nel corso di un anno o diversi anni? Ho posto questa domanda a Pieter Tans, responsabile del trattamento dei dati del Mauna Loa. La sua risposta:
Il metodo di selezione dei dati è stato descritto in Thoning et al., J. Geophys. Research, (1989) vol. 94, 8549-8565. Diversi metodi di selezione dei dati sono confrontati in quel documento, inclusa nessuna selezione. I metodi forniscono medie annuali che differiscono di alcuni decimi di 1 ppm . Presumo che tu abbia letto il file README [ 4 ] durante il download dei dati. Le medie orarie NON sono pre-elaborate, ma sono contrassegnate quando st.dev. delle medie dei minuti è grande.
Le stazioni buone, cattive e brutte.
Diverse stazioni sono considerate "buone", in quanto hanno un'influenza minima dalla vegetazione locale e/o dalle emissioni umane (traffico, riscaldamento). Si tratta di stazioni nel mezzo degli oceani, a volte in punti costieri (purché il vento non soffi dal lato terra) e/o sopra lo strato di inversione. Queste stazioni, dopo aver scartato i valori anomali, differiscono l'una dall'altra entro 5 ppmv per le medie annuali, di cui la maggior parte proviene dal ritardo tra NH e SH, vedere l'elemento successivo. 10 di essi, che coprono il globo dal vicino al Polo Nord (Avviso, Canada) al Polo Sud, sono usati come riferimento per le medie giornaliere, mensili e annuali e le tendenze annuali. I grafici e i dati sono disponibili in [ 5 ].
Alcune stazioni interne, come Schauinsland, forniscono livelli affidabili di CO2 di "sfondo" solo quando la stazione (a 1200 m di altitudine) si trova sopra lo strato di inversione e con sufficiente velocità del vento. Questo accade solo circa il 10% delle volte.
E, ultimo ma non meno importante, molte stazioni interne sono praticamente inadatte per la misurazione di CO2 di fondo, a causa della miscelazione incompleta con gli strati d'aria più alti, in parte a causa di troppe fonti/pozzi locali come la vegetazione e/o l'uso umano di combustibili fossili, in parte a causa in una posizione protetta. Questo è il caso, ad esempio, di Diekirch (Lussemburgo) [ 6 ], in cui la stazione si trova in una valle con boschi, urbanizzazione e traffico nella principale direzione sopravento:
Diekirch (Lussemburgo) misurazioni di CO2 rispetto alla velocità del vento Grafico da [ 6 ]. |
Come si può vedere, anche in luoghi scomodi con molte fonti/pozzi locali, esiste una correlazione inversa tra livelli di CO2 e velocità del vento. Con velocità del vento più elevate, i livelli di CO2 vengono miscelati meglio con strati d'aria più elevati che hanno un contenuto di CO2 "di fondo". Ciò riduce il contenuto di CO2 a livello del suolo. L'assunto dei livelli di CO2 ai venti ad alta velocità (come si è visto durante la tempesta Franz, l'11 gennaio 2007) è di circa 385 ppmv, molto vicino al livello di 382 ppmv riscontrato a Mauna Loa nello stesso periodo. Lo stesso vale per la varianza diurna: di giorno e con una velocità del vento sufficientemente elevata (>1 m/s), i livelli di CO2 sono più bassi e vicini allo sfondo, mentre di notte sotto lo strato di inversione, i livelli di CO2 sono fino a 100 ppmv più alti.
3. Variazioni di CO2 dovute alle stagioni:
Ci sono due principali influenze naturali sui livelli di CO2 nell'atmosfera: la temperatura delle acque superficiali dell'oceano e l'assorbimento di CO2 da parte delle piante in primavera/estate e il rilascio di CO2 da parte del decadimento del materiale vegetale morto in autunno/inverno. Ciò è più evidente nell'NH (emisfero nord), dove è situata la maggior parte della vegetazione terrestre.
La CO2 viene continuamente emessa dalle acque profonde, specialmente nei tropici, dove le temperature sono elevate e la pressione parziale della CO2 (pCO2) negli oceani superiori è più alta che nell'atmosfera sopra di essa. La CO2 viene continuamente assorbita negli strati oceanici superiori a latitudini più elevate, dove le temperature più fredde riducono il pCO2 degli oceani, inferiore al pCO2 dell'atmosfera. Questo è particolarmente vero nei luoghi di assorbimento del THC (circolazione termoalina) nell'oceano nord Atlantico. L'acqua più fredda può trattenere più CO2 rispetto all'acqua più calda, ma nel caso della CO2 ci sono anche molte reazioni chimiche e biologiche che influenzano la solubilità della CO2 e quindi il pCO2 sulla superficie degli oceani. Per maggiori dettagli su questo, Wiki ha una spiegazione abbastanza buona.
Il flusso di CO2 tra i tropici e i luoghi più freddi negli oceani è relativamente costante (ne parleremo più avanti) e non influenza molto la variazione stagionale. Ulteriori variazioni sono nella temperatura (e quindi nel pCO2) delle medie latitudini, dove c'è assorbimento di CO2 in inverno e rilascio di CO2 in estate. Il flusso di CO2 della vegetazione (comprese le alghe negli oceani superiori) è nella direzione opposta: più rilascio in inverno e più assorbimento in estate. L'effetto netto nel NH è una variazione di +/- 4 ppmv nel Mauna Loa (metà oceano Pacifico, media troposfera) tra estate e inverno, fino a +/- 20 ppmv per Barrow (Alaska, USA, livello del mare, vicino alla tundra ) o addirittura 35 ppmv a Schauinsland (Germania, 1200 m di altezza). I dati di Schauinsland sono fortemente contaminati dalla vicina valle del Reno completamente abitata e industrializzata. E influenzato dalla vegetazione, in questo caso la Foresta Nera della Germania meridionale. Solo di notte, quando separati dalle valli da uno strato di inversione, e con una sufficiente velocità del vento, i livelli di CO2 vengono meglio miscelati con il resto della troposfera e mantenuti. Questo è il caso solo del 10% dei dati.
Le serie di dati provenienti dall'SH (emisfero meridionale) mostrano variazioni molto meno stagionali, a causa dell'area molto più piccola di terra/vegetazione. La più piccola influenza delle stagioni si trova al Polo Sud.
Di seguito un confronto tra le medie mensili di Mauna Loa (selezionate) e quelle di altre stazioni:
Andamento mensile 2002-2004 di 2 stazioni NH (Barrow e Mauna Loa) e 2 stazioni SH (Samoa e Polo Sud) |
Come si può notare, la variazione a Mauna Loa è inferiore a quella di
Barrow e le stazioni SH hanno un'influenza stagionale molto inferiore
rispetto alle stazioni NH. Inoltre, sebbene la tendenza delle stazioni SH sia pressoché la stessa, c'è un certo ritardo tra le stazioni NH e SH.
Questa è la prima indicazione che la fonte dell'aumento è situata
nell'NH, poiché l'ITCZ (zona di convergenza intertropicale) costituisce
una barriera per lo scambio di CO2 (e aerosol) tra l'NH e la SZ. Ciò è ancora più chiaro nelle tendenze annuali a lungo termine:
La tendenza delle stazioni SH ha un ritardo crescente di 6-12 mesi dietro la tendenza NH. Ma tutti i dati medi annuali delle stazioni "migliori" (e la media dei dati meno contaminati provenienti da stazioni meno adatte come Schauinsland) sono entro 5 ppmv per una crescita simile.
Tendenze nelle medie annuali dei livelli di CO2 in diverse stazioni. |
La tendenza delle stazioni SH ha un ritardo crescente di 6-12 mesi dietro la tendenza NH. Ma tutti i dati medi annuali delle stazioni "migliori" (e la media dei dati meno contaminati provenienti da stazioni meno adatte come Schauinsland) sono entro 5 ppmv per una crescita simile.
4. Dove misurare? Il concetto di livelli di "sfondo" di CO2.
Il concept è stato lanciato da CD Keeling a metà degli anni Cinquanta, quando ha effettuato diverse serie di misurazioni negli Stati Uniti. Ha riscontrato livelli di CO2 molto variabili, a volte in campioni prelevati a una distanza di 15 minuti l'uno dall'altro. Ha anche notato che i valori in luoghi molto diversi, molto distanti tra loro, ma presi nel pomeriggio, erano molto più bassi e molto più simili tra loro. Pensava che ciò fosse dovuto al fatto che nel pomeriggio vi erano più turbolenze e la produzione di CO2 dovuta alla decomposizione della vegetazione e/o alle emissioni veniva miscelata più facilmente con l'aria sovrastante. Fortunatamente, dalla prima serie del [ 2 ], ha anche misurato i rapporti 13C/12C degli stessi campioni, il che ha dimostrato che la variazione diurna era dovuta al decadimento della vegetazione durante la notte, mentre durante il giorno la fotosintesi da un lato e la turbolenza dall'altro il lato ha aumentato il rapporto 13C/12C ai valori massimi.
La prima serie di campioni di Keeling, presa al Big Sur State Park, che mostra il ciclo diurno di CO2 e d13C è stata pubblicata in [ 7 ], i dati originali (anche di altre serie) sono disponibili in [ 8 ]:
Figura 3.1 Variazione diurna della concentrazione e del rapporto isotopico del carbonio della CO2 atmosferica in una foresta di sequoie costiere della California, 18-19 maggio 1955, Big Sur St. Pk. (Keeling, 1958. Riprodotto per concessione della Pergamon Press.) |
Diversi altri hanno misurato i livelli di CO2/rapporti d13C anche dei propri campioni. Ciò è accaduto in diversi luoghi della Germania (Heidelberg, Schauinsland, Nord Reno Westfalia). Ciò ha confermato che la produzione locale era l'origine degli alti livelli di CO2. Le più piccole variazioni di CO2/d13C sono state riscontrate nelle catene montuose, nei deserti e vicino agli oceani. Il più grande in foreste, quartieri urbani e quartieri non urbani, ma fortemente industrializzati. Quando il reciproco dei livelli di CO2 è stato tracciato rispetto ai rapporti d13C, questo ha mostrato una chiara relazione tra i due. Ancora da [ 7 ]:
Figura 3.5 Relazione tra il rapporto isotopico del carbonio e la concentrazione di CO2 atmosferica in diversi tipi di aria rispetto alle misurazioni riassunte nella Tabella 3.4 (Keeling, 1958, 1961: quadrati completi; Esser, 1975: cerchi aperti; Freyer e Wiesberg, 1975, Freyer, 1978c: quadrati aperti). Tutti 13 misurazioni C non sono state corrette per contaminazione da N2O (Craig e Keeling, 1963), che è al massimo nell'area di +0,6‰ |
La ricerca di luoghi in background.
Keeling ha quindi cercato luoghi sulla terra non (o non molto) influenzati dalla produzione/assorbimento locale, così lontani da foreste, agricoltura e/o urbanizzazione. Ha avuto l'opportunità di lanciare due misurazioni continue: a Mauna Loa e al Polo Sud. Più tardi, furono aggiunte altre stazioni di base, tutte 10 insieme dal vicino al Polo Nord (Alert, NWT, Canada) al Polo Sud, la maggior parte delle quali funzionava in continuo, alcune funzionavano con campionamento di matracci regolari.
Siamo interessati ai livelli di CO2 in un determinato anno in tutto il mondo e alle tendenze dei livelli di CO2 nel corso degli anni. Quindi, eccoci alla definizione del livello di "sfondo":
I dati medi annuali presi da luoghi minimamente influenzati dalla vegetazione e dalle fonti umane sono considerati "sfondo".Per comodità, vengono utilizzati come riferimento i dati medi annuali di Mauna Loa. Si potrebbe usare qualsiasi stazione base come riferimento o la media delle stazioni, ma poiché tutte le stazioni base (e molte altre stazioni, anche Schauinsland) si trovano a 5 ppmv di Mauna Loa, con tendenze quasi identiche, e quella stazione ha la più lunga serie di record di CO2 quasi continui, Mauna Loa è il riferimento.
Misure sopra il livello di inversione.
Sopra la terra, le variazioni diurne sono visibili solo fino a 150 m (secondo [ 7 ]).
I cambiamenti stagionali si riducono con l'altitudine. Questo si basa su anni di voli (1963-1979) in Scandinavia [ 7 ] e tra Scandinavia e California [ 9 ]. Confermato ulteriormente da vecchi e moderni voli [ 10 ] negli Stati Uniti e in Australia (Tasmania). Nella SH, la variazione stagionale è molto più piccola e c'è un'alta quota per abbassare il gradiente di altitudine, dove l'alta quota è 1 ppmv più ricca di CO2 rispetto all'altitudine inferiore. Ciò può essere causato dalla fornitura di ulteriore CO2 dall'NH attraverso il ramo meridionale della cellula Hadley alla troposfera superiore nell'SH.
Da [ 7 ], basato su [ 9 ]:
Figura 3: 2 Ampiezza e sfasamento delle variazioni stagionali della CO2 atmosferica a diverse altitudini, calcolato dalle osservazioni dirette mediante analisi armonica. (Bolin e Bischof, 1970. Riprodotto per concessione della Società geofisica svedese.) |
Da [ 10 ]:
Misurazioni di volo moderne in Colorado, livelli di CO2 al di sotto dello strato di inversione nelle valli boscose e sopra lo strato di inversione a diverse altitudini |
Se prendiamo i 1000 m come livello superiore medio per l'influenza dei disturbi locali, ciò rappresenta circa il 10% della massa atmosferica. Quindi il livello di "sfondo" si trova al 70% della massa d'aria terrestre (oceani) + 90% della superficie terrestre rimanente (27%). Cioè nel 97% della massa d'aria globale. Solo il 3% della massa d'aria globale contiene quantità non ben miscelate di CO2, che è solo sulla terra.
Conclusione generale:
I livelli di CO2 di fondo possono essere trovati su tutti gli oceani e sulla terra a 1000mt e altitudini più elevate (in alta montagna).
5. Evidenza dell'influenza umana sull'aumento di CO2 nell'atmosfera.
Questo capitolo viene spostato nella propria pagina all'indirizzo co2_origin.html6. Riferimenti
[1] Concentrazioni di biossido di carbonio presso l'Osservatorio di Mauna Loa, Hawaii, 1958-1986, CDIAC NDP-001: http://cdiac.ornl.gov/ftp/ndp001/ndp001.pdf
[2] Premi e sanzioni per il monitoraggio della terra, Charles D. Keeling, Ann. Rev. Energia. Envir. 1998.23.25-82:
http://scilib.ucsd.edu/sio/biogr/Keeling_Rewards.pdf
Affascinante storia autobiografica di CDKeling sulla storia delle misurazioni di CO2 e la lotta contro le amministrazioni per ottenere e continuare a finanziare misure continue. Di particolare interesse:
- Le prime misurazioni su palloni da 5 litri sono state eseguite con apparecchiature barometriche migliorate, con una precisione migliore di 0,1 ppmv.
- La stessa attrezzatura barometrica è stata utilizzata per testare i gas di calibrazione e le apparecchiature NIR. Una modifica dei gas di calibrazione (aria/CO2 rispetto a N2/CO2) ha causato un balzo in risposta all'attrezzatura NIR. Tutti i dati raccolti in precedenza sono stati corretti per questa modifica.
[3] Dati medi orari delle istantanee continue (2 x 20 minuti 10 secondi + 3 calibrazioni all'ora) misurazioni di CO2 in diverse stazioni: ftp://ftp.cmdl.noaa.gov/ccg/co2/in-situ/
[4] Spiegazione dei diversi dati e flag utilizzati nei record di [3]: ftp://ftp.cmdl.noaa.gov/ccg/co2/in-situ/README_insitu_co2.html
[5] Dati medi mensili selezionati e grafici delle misurazioni di CO2 delle 10 stazioni base: http://cdiac.ornl.gov/trends/co2/sio-keel.html
[6] Modelli di CO2 stagionali e diurni a Diekirch, Lussemburgo: http://meteo.lcd.lu/papers/co2_patterns/co2_patterns.html
[7] Scope 13 - The global CO2 cycle, H.-D. Freyer, SCOPE Workshop sul ciclo biogeochimico del carbonio tenutosi a Ratzeburg, Repubblica Federale Tedesca, 21-26 marzo 1977
https://www.osti.gov/biblio/6540487
Sebbene le serie di dati siano obsolete (molto più estese e molto di più è noto al giorno d'oggi), i principi delineati e i risultati originali sono ancora interessanti.
[8] La concentrazione e l'abbondanza isotopica di anidride carbonica nelle aree rurali, CD Keeling, 1957. Può essere trovata sul sito web di Ernst Beck https://www.rug.nl/research/portal/files/14453908/2007EnergyEnvironMeijer.pdf.
Il suo precedente lavoro presso Big Sur è qui:
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.861.5583&rep=rep1&type=pdf
[9] Il contenuto di CO2 della troposfera polare superiore tra il 1963-1979, W. Bischof, (1980?):
http://dge.stanford.edu/SCOPE/SCOPE_16/SCOPE_16_1.4.1_Bishoff_113-116.pdf
Dati e tendenze sono entro 2 ppmv da Mauna Loa. La variabilità stagionale attorno all'andamento è di +/- 4 ppmv
[10] The Airborne Carbon in the Mountains Experiment (ACME): Initial Modeling Results, Stephan FJ De Wekker ea. Presentazione in Powerpoint (realizzata intorno al 2004).
https://wiki.ucar.edu/display/acme/ACME (file .ppt da 1,45 MB).
In rete: 16 settembre 2007.
Ultimo aggiornamento: 24 novembre 2015.
Traduzione Megachirottera: 7 gennaio 2020.
Fonte: http://www.ferdinand-engelbeen.be/klimaat/co2_measurements.html#1
Ultimo aggiornamento: 24 novembre 2015.
Traduzione Megachirottera: 7 gennaio 2020.
Fonte: http://www.ferdinand-engelbeen.be/klimaat/co2_measurements.html#1
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