Hogy is van ez? Az éghajlatváltozás kémiája.

Miközben egyre több milliárd vagy akár billió dollárról beszélnek, amely szükséges a „Net Zero” céljainak eléréséhez, és így a Föld éghajlatának megmentéséhez, elengedhetetlen, hogy az ezekben a tevékenységekben rejlő vagy azokat vezérlő kémiai folyamatoknak helyes tudományos alapjuk legyen. A kihívás a Föld légkörének és óceánjainak szén- és oxigénkörforgásaival kapcsolatos tömeg- és energiamérlegek felállítása. Az éghajlattudomány számos olyan területét azonosították, amelyet a kémikusok olyan módszerekkel vizsgálhatnak, amelyek vizsgálatához nincs szükség szuperszámítógépre vagy éghajlati modellre.
Ezek a területek:
(1) A szénciklus, amelyet még mindig egyensúlyba kell hozni, mivel számos ismert kiáramlást, például a hulladéklerakókba kerülő szenet, az ember által felerősített szennyvíz- és földi lefolyású áramlásokban lévő szenet, valamint a házakban és más anyagokban tárolt szenet, úgy tűnik, nem vették figyelembe az IPCC által használt szénmérlegekben.
(2) Az óceánok kémiája és mérlegei szükségesek a regionális és helyi szintű sótartalom, pH és oxigénmentes állapotok okainak magyarázatához a globális változásokkal összevetve. Például ismert, hogy a helyi oxigénmentes állapotokat befolyásolják az óceánokba történő tápanyag-kibocsátás változásai, míg az édesvíz áramok nagyarányú elterelése öntözésre, energiaellátásra és ipari hűtésre, regionális hatással lehet az óceáni sótartalomra és pH-ra.
(3) A szén-dioxid leválasztási és tárolási (CCS) rendszerek, amennyiben a javasolt nagy léptékben (100-1000 Gt nettó betáplálás 2100-ig) kerülnek elfogadásra, hatással lehetnek a légkör összetételére a szabad oxigén csökkentésével, az égetésből származó többlet víz atmoszférába juttatásával, és a felszín alatti víztartó rétegekből származó sós víz kiszorításával. Az adatok azt mutatják, hogy a légköri oxigén jelenleg körülbelül kétszer olyan gyorsan csökken, mint amekkora a CO2-koncentráció növekedése, ami összhangban van az égés kémiájával, ahol az égés során 1,5-2 molekula oxigén 1 molekula CO2-vé és 1-2 molekula H2O-vá alakul át. A megnövekedett fotoszintézis eredményeként fordított reakciók játszódnak le.

1, Bevezetés

A globális felmelegedés kérdésének alapjául szolgáló alapvető és vitathatatlan tény, hogy az üvegházhatású gázok mindkét fő összetevője, a CO2 és a víz, nélkülözhetetlen a földi élet számára, és csak a földfelszíni hőmérséklet potenciálisan gyors változására gyakorolt hatásuk lehet nemkívánatos. Korábban áttekintettük a víz körforgását a Föld éghajlatával összefüggésben, és kimutattuk, hogy egy egzisztenciális veszély feltételezése sérti a termodinamika jól ismert fizikai törvényeit, valamint a tömeg- és energiamérlegek készítésének elveit [1], [2]. Jelen írásunkban az üvegházhatású gázok másik fő komponensére, a CO2-ra összpontosítunk.

A szén-dioxid (CO2) globális kérdéssé tételéhez „globális” klímaváltozásra van szükség, ugyanakkor a klímaváltozásra vonatkozó bizonyítékok többsége elsősorban regionális és helyi, nem pedig globális léptékű [1]. Az éghajlati aktivitás változásai csak a troposzférában [3] figyelhetők meg, amely a légkör tömegének mintegy 75%-át tartalmazza, és csak ~12 km magas a felszín felett, ami a Föld kb. 6400 km-es sugarának mindössze 0,2%-a. Az óceánok átlagos mélysége kb. 3,7 km [4], ami a Föld sugarának kb. 0,06%-a (a Mariana-árok maximális mélysége kb. 10,9 km). A levegőben az élet korlátozott, míg a szárazföldön semmilyen élet nem képes életben maradni 80 °C körüli hőmérsékleten, ami általában a felszín alatt 3-5 km mélységben található (25-30 °C/km mélységű átlagos geotermikus gradienst feltételezve a felső kéregben). Így bolygóméretben a bioszféra egy vékony rétegre korlátozódik, amely a Föld sugarának kevesebb mint 0,25%-át teszi ki.

Vékony filmként azonban nem minden területe egyforma, és a bioszféra tulajdonságai közötti különbségek egyre finomabbá válnak, ahogy a skála csökken a globálisról a regionálisra, a lokálisra, a laboratóriumi szintre és végül az atomi szintre. Ezek a nagyítási vagy kicsinyítési különbségek okozzák az éghajlati előrejelzésekhez használt modellek bizonytalanságának nagy részét, ahol egy számítás képviselhet egy egész folyómedencét vagy egy hurrikán útvonalát.

A kémia, beleértve a szükséges tömeg- és energiamérlegeket is, igen jelentős szerepet játszik a bioszférában. A periódusos rendszer elemei közül az életre általában a szén (C), az oxigén (O) és a hidrogén (H) elemek vannak nagyobb hatással, amelyek különböző kombinációkban DNS-t, szénhidrátokat, fehérjéket, szénhidrogéneket, szén-dioxidot (CO2) és vizet (H2O) alkotnak. A szerzők a CO2 és a H2O éghajlatra gyakorolt relatív potenciális hatásait tanulmányozták, hogy felmérjék, hogy a két mechanizmus,
a) az üvegházhatású gázok okozta felmelegedés és
b) az emberi vízkibocsátás
meg tudják-e magyarázni az IPCC fizikai tudományos alapjelentéseiben [5], [6], [7] közölt felmelegedési és csapadékhullási tendenciákat.

Elemzéseink főként a vízgőz feltételezett és tényleges légköri eloszlására összpontosítottak a Clausius-Clapeyron-egyenlet [2] és a víz részletes tömeg- és energiamérlegei[1] alapján. Ezekből kiderült, hogy nagyon valószínűtlen az a forgatókönyv, amelyben a CO2 által kiváltott kis mértékű felmelegedés az óceánokból származó pozitív vízgőz-visszacsatolás miatt kontrollálhatatlanul elszabaduló „globális” felmelegedéshez („egzisztenciális fenyegetés”) vezet, amit a mai éghajlati modellekben általában feltételeznek.
Jelen cikk kiterjeszti gondolatainkat a bioszféra változásaira gyakorolt egyéb emberi hatásokra, amelyeket a légkör vagy az óceánok üvegházhatású gázokkal összefüggő felmelegedésének tulajdonítanak. A felvázolt nagy kihívások a kémia területére esnek, ahol a megfigyelt hatásokat a kémikusok világszerte vizsgálhatják, hogy megállapítsák, vannak-e más lehetséges – emberi vagy természetes – hajtóerői a változásoknak, amelyek a legvalószínűbb ok-okozati hatások bemutatásával tájékoztathatják a tudományt.

2, A szénciklus

„Bár a természetben széles körben elterjedt, a szén nem különösebben bőséges – a földkéregnek csak mintegy 0,025%-át teszi ki -, mégis több vegyületet alkot, mint az összes többi elem együttvéve” [8].

A szénciklus az egyik legtöbbet tárgyalt kérdés az éghajlat-tudományban, mégsem tárgyalják egyenrangúan a vele kapcsolatos összes kérdést. Ebben a fejezetben fő célunk, hogy rávilágítsunk a légköri szénmérleg olyan aspektusaira, mint
(a) a történelmi CO2-szintek az idők folyamán és különböző időskálákon,
(b) mennyi CO2 halmozódik fel a várakozásokhoz képest, és
(c) hová kerül a „hiányzó szén” (a fosszilis tüzelőanyagforrásokból kibocsátott, de a légkörben nem maradó szén).

Az első pont esetében vita alakult ki arról, hogy milyen időskálákat kellene használni a szén-dioxid-mérlegek megvitatásához. Az 1. ábra két példát mutat be a különböző publikációkban használt grafikonokra. Az első grafikon egy többszáz millió éves geológiai időskálát mutat be, amely azt mutatja, hogy a Föld légkörének jelenlegi CO2-szintje valójában egy alacsony értéken van [9]. Érdekes módon a felszíni hőmérséklet és a légköri CO2-koncentráció a földtörténeti idő nagy részében nem korrelál [10] (még akkor sem, ha egyes rövid intervallumokra vonatkozóan látszólagos összefüggésekre lehet következtetni [11]).
A második grafikon az elmúlt 65 évet mutatja, amely a CO2 folyamatos emelkedését mutatja, szezonális ingadozással, egy nagyon szűk, 300 és 400 ppm közötti koncentrációtartományban. A két diagram összehasonlítása azt mutatja, hogy az ilyen típusú emelkedések és csökkenések a régebbi adatokban is megfigyelhetők, és hogy ezek a változások nem csak az utóbbi évtizedekre jellemzőek.

A szén-dioxid-felhalmozódással kapcsolatos várakozásokkal kapcsolatban kezdetben azt várták, hogy az összes emberi CO2-kibocsátás a légkörben marad és idővel felhalmozódik. A vonatkozó adatok, amint az az alábbi 2. ábrán [12] látható, megmutatják, hogy a Föld alkalmazkodik a megnövekedett szén-dioxid-kínálathoz, ahogyan a földtörténeti múltban is tette. A szénciklus az életfolyamatok energiahajtóereje, így minél több szén áll rendelkezésre, annál több biomassza termelődik. [13]. A szénelnyelőkkel foglalkozó legújabb tanulmányok a lineáris szénelnyelő modellek javaslatára összpontosítanak, amelyek azt tükrözik, hogy a CO2-kibocsátás növekedésével más folyamatok is növekednek, hogy többet tudjanak elnyelni [12]. A tanulmányok rámutatnak a folyamatban lévő kihívásokra is, amelyek a szén elszállítását befolyásoló pontos folyamatok és mozgatórugók azonosításával kapcsolatosak [12].A fenti grafikonon a CO2 formájában megjelenő szénre összpontosítunk; a teljes szénciklusban azonban a CO2-többlet más helyeken és módon is elnyelődhet a bolygó „bioszférájában”, ami nem a statikus természeti állapot kezdeti feltételezésén alapul. Néhány jelölt elnyelőhely:
a) az óceánok CO2-ként elnyelik, ahol a fitoplankton szénhidráttá alakíthatja;
(b) az óceánokba kerülés más szénvegyületek formájában (szennyvízből származó szénhidrátok, a szárazföldről lefolyó üledékekben bekövetkező növekedés, vagy az iparból vagy mezőgazdaságból származó más széntartalmú anyagok), amelyek végül az üledékekben tárolódnak, és belépnek egy hosszabb szénciklusba, ahol újra szénhidráttá alakulhatnak, de nem CO2 formájában; és
(c) szénhidrátokként tárolódnak hosszú távú tároló „víztározókban”, például hulladéklerakókban, könyvtárakban és épületekben.

A szénkörforgással kapcsolatos nagy kihívások a kémikusok számára: a szénkörforgás további kémiai bizonyítékainak keresése, valamint tömegmérlegek kidolgozása annak megállapítására, hogy vannak-e más tömeg- vagy energiaszignálok, amelyek nyomon követhetik a szénfelesleg útját ezekbe a potenciális nyelőkbe.

(a) Szén-dioxid az óceánokba – A CO2-nek az óceán teljes területén el kell nyelődnie, mivel az alsó légkör viszonylag jól el van keverve a CO2 tekintetében, így a felszíni víz pH-értékének és a fitoplankton növekedésének változásai viszonylag egyenletesek kell, hogy legyenek az óceán felszínén. Vannak-e erre utaló kémiai jelek, vagy a pH vagy a biológiai aktivitás változásai csak bizonyos vizekre korlátozódnak, ahol más mechanizmusok is működhetnek? Például a folyórendszerekből beáramló édesvíz változásai a hígítási hatások következtében pH-változást okozhatnak, és úgy tűnik, hogy a tápanyagok miatt megnövekedett algásodás forrása is lehet. A meleg mérsékelt égövi régiók folyóvizeiből az óceánokba áramló víz mennyisége csökken az emberi tevékenységek, például a gátépítés és a víz öntözésre történő felhasználása miatt, míg az IPCC jelentése szerint északon, az északi szélesség 30° és 60° közötti részén a megnövekedett csapadékmennyiség miatt a legtöbb folyó vízhozama növekszik. Amint azt később az oxigénkörforgás tárgyalásakor látni fogjuk, a CO2 egyszerű beoldódása az óceánokba az oxigénatomok légkörből történő elvesztését is eredményezné, míg a szén biológiai folyamatok révén történő felvétele nem feltétlenül lenne hatással a légköri oxigénre. Mekkora ennek a két folyamatnak az aránya egymáshoz?

(b) Távozás a folyamokkal
Ha növekedne a folyóvízzel távozó szénhidrátok és szénhidrogének mennyisége az ember által erősen befolyásolt területeken, ez a szénüledékek összetételében és lerakódási sebességében okozna lokális változásokat. A 2000-es évek elejétől kezdve a Föld lakosságának legalább 40%-a él egy 100 km-es tengerpart menti sávban [14]. Még nagyobb százalékuk él nagy víztestek (pl. Nagy-tavak) vagy az óceánokba ömlő nagy folyórendszerek (pl. Mississippi, Nílus, Sárga-tenger, Rajna) közelében. Erőforrás-használatuk, földhasználatuk változása, valamint ipari vagy mezőgazdasági tevékenységüknek az óceánokba, tavakba és folyókba jutó szén-dioxid mennyiségének helyi növekedését kellene eredményeznie, ugyanakkor a hulladékáramok és a „vízszennyezés”, valamint ezek hatásai kevéssé ismertek [15]. E hulladékok kémiájának általános tanulmányozása kihívást jelent a kémikusok számára, különösen, ha figyelembe vesszük, hogy egyre nagyobb mennyiségű műanyag, műszálak és gyógyszerek (a szén egyéb formái) követik ezeket az útvonalakat az óceánokba.(c) A szén tárolása mezőgazdasági területeken
A szén-dioxid-elnyelőkkel kapcsolatos kezdeti munkák nem tárgyalták a hulladéklerakókat mint potenciális szén-dioxid-elnyelőket, mivel akkoriban a hulladékgazdálkodási módozatok nem hagytak sok szenet a talajban. Az 1950-es és 1960-as évek előtt (amikor a 2. ábrán látható, hogy a szén-dioxid-kibocsátás kezd növekedni) a legtöbb hulladéklerakót időről időre leégették, hogy a fa és más terjedelmes anyagok mennyiségének csökkentésével minimalizálják a hulladéklerakók térfogatát. Mivel az elektronikai és egyéb termékek új kompozit anyagai toxinokat kezdtek bevinni a hulladékba, felhagytak a leégetéssel. Később a hulladéklerakók kialakítása is megváltozott, hogy a hulladéklerakókat a bioaktivitás és a metánképződés minimalizálása érdekében lefedjék és szárazon tartsák. Annak ellenére, hogy a legtöbb országban ma már alternatív hulladékgazdálkodási gyakorlatokat alkalmaznak, mint például az újrahasznosítás, a komposztálás és egyes hulladékanyagok energetikai célú elégetése [16], a hulladéklerakók térfogata világszerte tovább növekszik. Az Egyesült Államokban például a települési szilárd hulladék mintegy 50%-a a hulladéklerakókba kerül, amelyeknek szabályozottan szigeteltnek kell lenniük, hogy kizárják a vizet és megakadályozzák a szerves anyagok anaerob bomlását, így a szén hatékonyan megkötve marad.Az alábbi 3. ábra a NASA egyszerűsített szénciklusának szabványos ábrázolását mutatja. Ahhoz, hogy teljes mértékben megértsük az antropogén CO2-kibocsátásnak a bolygó bioszférájára gyakorolt hatását – jó vagy rossz irányban – jobban meg kell értenünk a járulékos szén-dioxid-kibocsátás sorsát. Az egyensúlynak meg kell magyaráznia vagy hipotéziseket kell felállítania és tesztelnie a lehetőségeket arra vonatkozóan, hogy hová kerül a légkörből eltávolított ~5 Gt/évnyi többletszén, és hogy ez tartós megkötést jelent-e. Az a feltételezés, hogy a CO2 elnyelődik és savasodást okoz, az óceánokban oldott CO2 felhalmozódását feltételezné, míg a referenciában bemutatott mérleg szerint nincs felhalmozódás, és az óceánokba kerülő CO2-többletet az óceáni üledékképződés pontosan kiegyenlíti.

3, Az oxigénciklus

„Az oxigén a földkéreg 46%-át alkotja, nagyrészt szilikátok, oxigén és szilícium vegyületek formájában. Az oxigén molekuláris oxigén és ózon formájában a légkör mintegy 21%-át is alkotja”[17].

Az oxigénciklus szorosan kapcsolódik a szénciklushoz. A Föld eredeti légköre csak nyomokban tartalmazott szabad oxigént (4. ábra). A légkörben lévő összes oxigén a növények oxigénes fotoszintéziséből származik az évmilliárdok során. Az ősi földi légkörben található oxigén és szén nagy része már nem áll rendelkezésre, mivel a kezdeti légköri szabad oxigén nagy tömegeit a Föld felszínén lévő ásványok oxidációja során felhasználták. Következésképpen a kezdeti légköri szabad oxigén nagy része szervetlen ásványi oxidok és szervetlen karbonátos kőzetek formájában kötődött meg, amelyeket a korallok és más élőlények termeltek a Föld korai történelme során.

A zöld növények az O2-n kívül szénhidrátokat is termeltek CO2-ból és H2O-ból, amelyek idővel tengeri vagy tavi üledékekben rakódtak le. Ezek egy része aztán termogén vagy biogén folyamatok révén szénhidrogénekké (fosszilis tüzelőanyagokká) alakult át. A természetes folyamatok egyensúlyt teremtenek a szén, az oxigén és a szénhidrogének között; ez az egyensúly azonban a földtörténeti idők során folyamatosan változik, ahogy a napenergia rendelkezésre állása, a biológiai növekedéshez alkalmas feltételek az óceánokban és a szárazföldön, vagy más tényezők, például az oxigén oxidokban való megkötése és a tápanyagok elérhetősége változik. Az éghajlatváltozásnak az oxigénáramlásra gyakorolt hatásairól szóló viták kémiai alapja az emberi tevékenységeknek az oxigénáramra gyakorolt hatásának megértése. Bár a földkéregben lévő oxigén tömege nagy, több ismeretre van szükség minden olyan helyen, ahol az oxigénkoncentráció változni látszik az oxigénben szegény környezetben, hogy megértsük, milyen konkrét emberi vagy természetes folyamatok befolyásolják az oxigénszintet, hogy megfelelő intézkedéseket lehessen hozni a változások környezetre gyakorolt hatásainak mérséklésére vagy kezelésére.

4, Égési folyamatok

A gyors oxigén- és szénciklusokat két egyenlet irányítja. Az oxigénes fotoszintézis reakciója, amely a nap energiabevitelével szénhidrogéneket hoz létre CO2-ból és vízből:

xCO2 + (y/2)H2O + energia → CxHy + (x + y/4)O2 (1)

A szénhidrogének égési reakciója (beleértve a légzést is) a következő:

CxHy + (x + y/4)O2 → xCO2 + (y/2)H2O + Energia (2)

A fosszilis tüzelőanyagok emberek általi elégetése és kisebb mértékben az állatok általi belégzése növeli a légkörben rendelkezésre álló szén mennyiségét, ami az (1) egyenleten keresztül a fotoszintézissel megragadható napenergia mennyiségének növekedését eredményezi. Ugyanakkor az égetés a (2) egyenleten keresztül CO2 és H2O képződéséhez a légkörben rendelkezésre álló oxigén egy részét kimeríti. A légkörben megfigyelt nettó eredmény az, hogy a fosszilis tüzelőanyagok elégetése miatt a légkörben minden egyes 1 ppm CO2-koncentráció-növekedés után az oxigénkoncentráció ~2,15 ppm-rel csökken [20], ami a sztöchiometrikus égési egyenlet alapján várható.

A kémikusok számára az égési folyamatok és a légköri oxigénmérleg kölcsönhatásával kapcsolatban a következő kihívások merülnek fel:

(a) Az óceánok CO2-felvétele
Ha a légköri O2-koncentráció csökkenése közvetlen összefüggésben van a légkörben maradó CO2 növekedésével, akkor hogyan lehetséges, hogy az óceánok CO2-abszorpciója elegendő az óceánok elsavasodásához, jóllehet óceánok erősen pufferhatást mutatnak? *** Az 5. ábra azt mutatja, hogy az [O2] ~130 ppm-mel csökken, miközben a [CO2] 20 év alatt körülbelül 50 ppm-mal nő [21]. Ha a légköri O2-koncentráció megfigyelt csökkenését a légköri CO2-koncentráció megfigyelt növekedése magyarázza, amint az az égés eredményeként várható, akkor honnan származik az a plusz CO2, amely az óceánok savasodását okozhatja? A Föld őstörténeti korszakaiban melegebb időszakokban a CO2 eltávozott az óceánokból. Okozta az ilyen felmelegedés (és gázmentesítés) az óceánok pH-értékének növekedését a geológiai múltban? Van-e mód arra, hogy megmérjük vagy megbecsüljük az óceán pH-értékét, amikor a légköri CO2-koncentráció 7000 ppm volt?

(b) A változó fosszilis tüzelőanyag-összetétel hatása
– Történelmileg az emberek tüzelőanyag-fogyasztása következetesen eltolódott a szénben gazdag forrásokról a fokozatosan hidrogénben gazdag források irányába, a faégetéstől a faszénen és a szénen át a kőolajig és a földgázig (6. ábra). Az O2-koncentráció és a CO2-koncentráció múltbeli relatív változásainak ezt az eltolódást kell tükrözniük, mivel ezzel az eltolódással adott mennyiségű O2-fogyasztás mellett fokozatosan több vízgőz és kevesebb CO2 került kibocsátásra. Kimutatható-e ez a jel a [CO2] és az [O2] relatív változásában a légkörben az idők folyamán?

(c) Az óceáni oxigénegyensúly

Bár vannak jelentések helyi anaerob eseményekről, amelyeket egyesek az oxigén kiáramlásával járó melegebb óceánoknak tulajdonítanak, vannak más lehetséges okok is, beleértve a többlet tápanyagot és a több oxigént elnyelő mikrobiális tevékenységet. Ha az óceánok felmelegedése okozta oxigén-kibocsátás lenne az ok, akkor a légkör [O2] szintjének növekednie kellene, és az óceánok oxigénkoncentrációjának változásai inkább globális és kevésbé regionális jellegűek lennének. Kérdés, hozzájárulhatnak-e a biokémiai vizsgálatok az anaerob események jobb megértéséhez, illetve lehet-e velük különböző feltevéseket igazolni.

(d) Óceáni fotoszintézis

Mivel az óceán az oxigén 50-80%-át termeli [22] [23], a biokémiai kutatások egyik fő célja az óceáni fotoszintézis megértése kellene, hogy legyen. A kérdés összetett, mivel mindez az energia, a tápanyagok, a CO2 és a hőmérséklet rendelkezésre állásának függvénye. Míg a szárazföldi fotoszintézissel kapcsolatban úgy tűnik, hogy jelentős munkát végeztek, az óceáni területek esetében ugyanezek a folyamatok kevésbé biztosnak tűnnek, így jelentős lehetőségek maradnak a jövőbeli kutatásokra.

5, A szén-dioxid megkötése és tárolása (CCS)

A globális felmelegedés kihívására adott „nettó zéró célkitűzés” válasz egyik eszköze a CO2 megkötése és föld alatti elhelyezése. De mi történik az oxigénkörforgással, amikor a CO2-t a föld alá juttatják a „szén-dioxid-leválasztó és -tároló” rendszerekbe (Carbon Capture and Storage, CCS)? A rövid válasz az, hogy az oxigén szintje csökkenni fog, mivel az oxigénatomok örökre vagy legalábbis hosszú időre meg lesznek kötve a CO2 és a H2O részeként.

Ha a CCS célja a CO2 légköri koncentrációjának csökkentése, fontos meggyőződni arról, hogy ésszerűen elvárható-e, hogy a CCS csökkentse a CO2 légköri koncentrációját. Egyáltalán nem egyértelmű azonban, hogy ez valóban így van-e. A kérdés lényege az, hogy a növények fotoszintézisétől eltérően a CO2 tökéletes megkötése nem fogja varázsütésre felszabadítani az O2-t, amelyet az égetés során keletkező CO2- és H2O-molekulákba „zártak”. Egy egyszerűsített „gondolatkísérlet” segíthet ebben.

Tegyük fel, hogy van egy erőmű vagy egy gyár, amely O2-t fogyaszt a légkörből, és CO2-t és vízgőzt bocsát ki a légkörbe. Tegyük fel, hogy egy CCS-rendszert telepítünk, és az erőműből kilépő CO2 100%-át felfogjuk, és a CO2 tökéletesen és tartósan megköthető.

Ha az energiahordozó tiszta szén volna, akkor a légkör összetételében a nettó eredmény az O2-koncentráció enyhe csökkenése lenne (alapvetően 1:1 az O2 és az injektált CO2 aránya), a CO2-koncentráció enyhe, egyidejű növekedése mellett a nevezőben szereplő érték enyhe csökkenése miatt. Ha az üzemanyag nem tiszta szén, hanem szénhidrogének elegye, akkor a folyamat még mindig a légkör O2-koncentrációjának kismértékű csökkenését eredményezi, és a CO2 megkötésével és megkötésével a légkörben az oxigént helyettesítő vízgőz relatív koncentrációjának növekedését. Tekintettel arra, hogy a CCS-rendszerek építése/telepítése/üzembe helyezése további anyagokat, energiát, vizet és O2-t fogyaszt a légkörben, a CCS egyáltalán nem fogja csökkenteni a légköri CO2-koncentrációt.

Egy nemrégiben készült tanulmány szerint a 2100-ra kitűzött párizsi célok eléréséhez a CCS-re van szükség, hogy a legtöbb forgatókönyv szerint (a modellek „együttesén” alapuló) 1,5-2 fokos felmelegedésre lehessen korlátozni a hatást. A következő 80 év során a CO2-kibocsátás kumulatív mennyiségének legalább 1000 Gt-nak kellene lennie (ezzel szemben az összes eddig megkezdett és működő projektben csak körülbelül 0,1 Gt-ot sikerült megkötni) [24]. A végső igény azonban 2100-ig akár 2700 Gt is lehet [24], ami 2100-ig a légköri oxigén mintegy 0,35%-át kötné le. Röviden, a CCS csökkenti az oxigén légköri koncentrációját, nem csökkenti a CO2 légköri koncentrációját, és növeli a vízgőz légköri koncentrációját, amely egy erős üvegházhatású gáz. [a]

Ami még rosszabb, hogy a szénhidrogének elégetése során keletkező vizet CO2 nélkül nem lehet szénhidrogénekké alakítani (a növények fotoszintézise). Ezután a tengerszint fokozatosan emelkedne, mivel a korábbinál több víz állna rendelkezésre, valamint a felszín alatti víztartó rétegekből a befecskendezett CO2 által kiszorított sós víz miatt. Tekintettel arra, hogy az üvegházhatású gázok két fő összetevője, a CO2 és a víz egyaránt nélkülözhetetlen a földi élethez, és csak a földfelszíni éghajlat esetleges gyors változásaira gyakorolt hatásuk lehet nemkívánatos, felmerül a kérdés, hogy egyáltalán érdemes-e a CCS-t megvalósítani.

6, Összefoglaló

Összefoglalva, e cikk célja az volt, hogy rávilágítson az éghajlat-tudomány néhány olyan konkrét területére, amelyek a szerzők szerint több kutatást érdemelnének a vegyészek részéről az ember által befolyásolt éghajlat és földi folyamatok jobb megértése érdekében. Ez a kutatás nem igényli bonyolult szuperszámítógépek használatát, de a kémiai tudományok és a tudományos módszer fegyelmezett alkalmazását igényli, hogy a jelenlegi vagy jövőbeli intézkedések a helyes okokkal foglalkozzanak, és a kívánatos eredményeket érjék el. A tudományban ritkán fordul elő, hogy egyetlen változás olyan széleskörű hatást gyakorol a megfigyelt környezeti eredményekre, mint amilyet jelenleg a nem-víz üvegházhatású gázok kibocsátásának tulajdonítanak, ami arra utal, hogy más emberi és természeti változások is szerepet játszanak. Ráadásul minden eredmény esetében egyes hatások pozitívak, mások pedig negatívak lesznek, attól függően, hogy milyen nézőpontból és milyen relatív értéket tulajdonítunk az ökoszisztémák és élőlények széles körének, ahol a változások az egyik fajra pozitív hatással lehetnek, míg mások életképessége csökkenhet. Kimutattuk, hogy a globális földi rendszerek évtizedektől évezredekig, sőt geológiai korszakokig terjedő időtávlatokban óriási változásokon mentek keresztül, ami valószínűtlenné teszi, hogy az ember valaha is pontosan meg tudja jósolni cselekedeteink teljes hatását. Úgy érezzük azonban, hogy a kémiai tudományok kulcsfontosságúak lesznek az emberi hatások jobb megértésében, és abban is segítenek a társadalomnak, hogy olyan ésszerű alternatívákat válasszon, amelyek jótékony hatással lesznek a bolygóra, miközben lehetővé teszik az embereknek, hogy hasznot húzzanak a rendelkezésünkre álló erőforrásokból.

Finanszírozás

Ez a kutatás nem részesült külső finanszírozásban.

Adatelérhetőségi nyilatkozat

E munka során nem keletkeztek új adatok.

Összeférhetetlenségek

A szerző Bruce Peachey a New Paradigm Engineering Ltd. alkalmazásában áll. A többi szerző kijelenti, hogy a kutatást olyan kereskedelmi vagy pénzügyi kapcsolatok hiányában végezték, amelyek potenciális összeférhetetlenségként értelmezhetők.

Hivatkozások

[1] Peachey, B.; Maeda, N. Az ember szerepe a globális vízkörforgásban és az éghajlatváltozás hatásai. Online elérhető: https://judithcurry.com/2024/08/04/role-of-humans-in-the-global-water-cycle-and-impacts-on-climate-change/ (hozzáférés: 2024. szeptember 30.).

[2] Li, X.; Peachey, B.; Maeda, N. Global Warming and Anthropogenic Emissions of Water Vapor. Langmuir 2024, 40, 7701-7709. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

[3] Space.com. Earth’s Atmosphere: Tények bolygónk védő takarójáról. Elérhető online: https://www.space.com/17683-earth-atmosphere.html (hozzáférés: 2024. szeptember 30.).

[4] Milyen mély az óceán? Online elérhető: https://oceanservice.noaa.gov/facts/oceandepth.html#:~:text=The%20average%20depth%20of%20the,U.S.%20territorial%20island%20of%20Guam (hozzáférés: 2024. szeptember 30.).

[5] IPCC. Negyedik értékelő jelentés (AR4), A fizikai tudományos alap; IPCC: Genf, Svájc, 2007. [Google Scholar].

[6] IPCC. Ötödik értékelő jelentés (AR5), The Physical Science Basis; IPCC: Genf, Svájc, 2014. [Google Scholar]

[7] IPCC. Hatodik értékelő jelentés (AR6), The Physical Science Basis; IPCC: Genf, Svájc, 2021. [Google Scholar]

[8] Vegyületek. Elérhető online: https://www.britannica.com/science/carbon-chemical-element/Compounds (hozzáférés: 2024. szeptember 30.).

[9] Davis, W.J. The Relationship between Atmospheric Carbon Dioxide Concentration and Global Temperature for the Last 425 Million Years. Climate 2017, 5, 76. [Google Scholar] [CrossRef]

[10] Moore, P. Az emberi CO2-kibocsátás pozitív hatása a földi élet fennmaradására. Elérhető online: https://fcpp.org/wp-content/uploads/2016/06/Moore-Positive-Impact-of-Human-CO2-Emissions.pdf (hozzáférés: 2024. szeptember 30.).

[11] Koutsoyiannis, D. Az éghajlat, az éghajlatváltozás és a vízzel való kapcsolatuk újragondolása. Water 2021, 13, 849. [Google Scholar] [CrossRef]

[12] Dengler, J. A lineáris szénnyelő modell javítása és kiterjesztése. Atmosphere 2024, 15, 743. [Google Scholar] [CrossRef]

[13] Donohue, R.J.; Roderick, M.L.; McVicar, T.R.; Farquhar, G.D. A CO2-trágyázás hatása a maximális lombborításra a Föld meleg, száraz környezetében. Geophys. Res. Lett. 2013, 40, 3031-3035. [Google Scholar] [CrossRef]

[14] A teljes népesség százalékos aránya a tengerparti területeken. Elérhető online: https://www.un.org/esa/sustdev/natlinfo/indicators/methodology_sheets/oceans_seas_coasts/pop_coastal_areas.pdf (hozzáférés: 2024. szeptember 30.).

[15] Szennyvízszennyezési alapismeretek. Elérhető online: https://oursharedseas.com/sewage-pollution-primer/ (hozzáférés: 2024. szeptember 30.).

[16] Hulladéklerakás. Elérhető online: https://www.epa.gov/facts-and-figures-about-materials-waste-and-recycling/national-overview-facts-and-figures-materials#Landfilling (hozzáférés: 2024. szeptember 30.).

[17] Oxigén. Elérhető online: https://energyeducation.ca/encyclopedia/Oxygen#:~:text=Oxygen%20makes%20up%2046%25%20of,as%20molecular%20oxygen%20and%20ozone (hozzáférés: 2024. szeptember 30.).

[18] Catling, D.C.; Zahnle, K.J. Az archeai légkör. Sci. Adv. 2020, 6, eaax1420. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed].

[19] D’Erminio, R. A Föld geológiai időskálája. Elérhető online: https://www.labxchange.org/library/items/lb:HarvardX:27d0b606:html:1 (hozzáférés: 2024. szeptember 30.).

[20] Sampaio, R.S.; Assis, A.N.; de Oliveira, T.A. Atmospheric Profit & Loss-Oxygen Depletion as the Remaining Piece for a Proper CO2 Emissions Assessment. Carbon Capture Sci. Technol. 2022, 2. [Google Scholar] [CrossRef].

[21] Annamalai, K. A Föld bolygó lélegzése: A Keeling-féle CO2-adatok elemzése. Energies 2024, 17, 299. [Google Scholar] [CrossRef]

[22] Mennyi oxigén származik az óceánból? Online elérhető: https://oceanservice.noaa.gov/facts/ocean-oxygen.html#:~:text=Though%20they’re%20invisible%20to,some%20bacteria%20that%20can%20photosynthesize (hozzáférés: 2024. szeptember 30.).

[23] Witman, S. A világ legnagyobb oxigéntermelői az örvénylő óceáni vizekben élnek. Elérhető online: https://eos.org/research-spotlights/worlds-biggest-oxygen-producers-living-in-swirling-ocean-waters (hozzáférés: 2024. szeptember 30.).

[24] Zahasky, C.; Krevor, S. Az éghajlatváltozás mérséklésére vonatkozó forgatókönyvek globális geológiai szén-dioxid-tárolási igényei. Energy Environ. Sci. 2020 , 13 , 1561-1567. [Google Scholar] [CrossRef]

[a] Közzétevő megjegyzései ehhez a ponthoz:

A CCS-nek eleve nem lehet CO2-koncentráció csökkentő hatása a Henry-törvény miatt. Részletek itt: Karbonciklus modellezés – a természetes és antropogén CO2 tartózkodási ideje a légkörben – Klímarealista

A légkört vízgőz, vízpára szempontjából telítettnek kell tekintenünk. Ehhez képest többlet H2O bevitele automatikusan ugyanolyan mértékű csapadékkiválás eredményez.

2024. december
Közzéteszi:
Király József
okl. vegyészmérnök

Tetszett a cikk? Amennyiben igen, fejezze ki tetszését a részünkre nyújtott támogatással 300 Ft értékben. Bankszámlaszámom: – Király József – 10205000-12199224-00000000 (K&H) A közleményben kérjük megadni: klímarealista.