Curva di chiglia

La curva di Keeling con i valori misurati del contenuto atmosferico di anidride carbonica nell'atmosfera terrestre al Mauna Loa hawaiano dal 1958

La curva di Keeling è la rappresentazione grafica della media globale concentrazione profilo del gas tracciante di anidride carbonica (CO ₂ ) in atmosfera terrestre dal 1958. Prende il nome da Charles David Keeling della Scripps Institution of Oceanography . Questo è stato in grado di mostrare per la prima volta che la concentrazione di gas serra aumenta a causa dei cambiamenti nell'uso del suolo e della combustione di combustibili fossili . Gli spettacoli curva caratteristica, fluttuante corso dell'anno, che riflette il ciclo vegetazione del emisfero nord . Nella primavera e nell'estate (settentrionali) predomina l'assorbimento di CO ₂ da parte delle piante , che si riflette in una diminuzione della concentrazione ritardata a seconda della posizione della misurazione. In autunno e in inverno la vegetazione emette CO ₂ netta , che porta ad un aumento della concentrazione.

La curva di Keeling occupa una posizione speciale nella storia della ricerca sui cambiamenti climatici , poiché era considerata un'importante prova del riscaldamento globale causato dall'uomo , che allora è stata formulata solo come ipotesi . Risultati scientifici significativi potrebbero essere ottenuti dai dati di misurazione e dall'andamento della curva. Nel 2015 è stata insignita dall'American Chemical Society della designazione di National Historic Chemical Landmark .

Nel 2005, il fisico e scienziato ambientale Charles Kennel ha riconosciuto i risultati scientifici di Keeling con le parole:

preistoria

Sia Guy Stewart Callendar (1938) che Gilbert Plass (1956) utilizzano calcoli nuovi e più precisi per supportare la teoria del riscaldamento globale formulata per la prima volta da Svante Arrhenius nel 1895 a causa di un aumento della concentrazione atmosferica di CO ₂ risultante dalla combustione di combustibili fossili . Tuttavia, non vi erano prove di un aumento della concentrazione, né era nota all'epoca la percentuale di anidride carbonica rimasta nell'atmosfera. Anche il modo e la velocità con cui l'acqua dell'oceano si mescola era sconosciuta.

Sono stati fatti tentativi per determinare il contenuto di anidride carbonica atmosferica fin dal 19° secolo, ma i risultati variavano così ampiamente che la maggior parte dei ricercatori presumeva che una misurazione esatta non fosse possibile. Nel 1954, un gruppo di ricerca guidato da Stig Fonselius tentò di determinare la concentrazione atmosferica di CO ₂ con l'aiuto di 16 stazioni di misura installate in Scandinavia . Il progetto fu presto abbandonato, tuttavia, poiché i risultati della misurazione differivano così ampiamente che non fu possibile identificare alcuna sistematica. Molti scienziati quindi presumevano che le concentrazioni di CO ₂ variassero notevolmente da un luogo all'altro, che non esistesse una "concentrazione di fondo " e che tutte le quantità di gas emesse dall'uomo attraverso la combustione sarebbero state assorbite dagli oceani del mondo .

L'allora capo dello Scripps Institute, Roger Revelle , era un esperto di chimica oceanica . Inoltre, non sapeva quanto velocemente e in quale quantità la CO ₂ atmosferica aggiuntiva introdotta dall'uomo si sarebbe dissolta nel mare. Negli anni '50, Revelle venne a conoscenza dei risultati della ricerca di Hans E. Suess . Cercò di migliorare l'accuratezza della datazione al radiocarbonio e nel 1955 scoprì l' effetto Suess che porta il suo nome . L'effetto Suess potrebbe essere spiegato solo dal fatto che l'anidride carbonica, proveniente dalla combustione di combustibili fossili, si accumula nell'atmosfera. Revelle vedeva nella valutazione dell'effetto arma nucleare la possibilità di determinare la quota di anidride carbonica assorbita dagli oceani per determinare in tal modo un possibile aumento della concentrazione dei gas serra . Inoltre, voleva acquisire nuove conoscenze sulla mescolanza degli oceani; i due hanno lavorato insieme da allora in poi. Dopo aver valutato le misurazioni di ¹⁴ C, Revelle ha calcolato che solo il 20% dell'anidride carbonica rilasciata nell'atmosfera si dissolve nel mare. Un aumento della concentrazione nell'atmosfera dovrebbe quindi essere rilevabile mediante misurazione.

Come studente post-dottorato , Charles Keeling ha sviluppato e perfezionato dispositivi di misurazione dal 1953 con i quali ha studiato le concentrazioni di equilibrio di CO ₂ tra l'atmosfera, il calcare e le acque superficiali . Effettuò le prime misurazioni con l'ausilio di aeroplani, palloni meteorologici e navi. A Pasadena ha notato le concentrazioni di gas fortemente fluttuanti a livello regionale; In un'area forestale del Big Sur , la concentrazione atmosferica di CO _{2 ha} mostrato forti fluttuazioni nel corso della giornata . L'aria conteneva sempre più CO ₂ di notte che di giorno, ma sempre intorno a 310 ppm nel pomeriggio  .

In contrasto con il gruppo intorno a Fonselius, Keeling postulò, sulla base dei dati che aveva ottenuto, che la concentrazione atmosferica di CO ₂ doveva essere largamente costante lontano da sorgenti e pozzi di disturbo. Nel 1956 ha proposto un programma di misurazione globale di Harry Wexler della la US Weather Bureau (oggi: National Weather Service ) e Roger Revelle della Scripps Institution of Oceanography . Poiché Revelle e Suess erano interessati anche a misurazioni precise della CO ₂ , lo Scripps Institute fece finalmente domanda con successo per l' anno geofisico internazionale 1957/58 con il programma di misurazioni su larga scala e Keeling fu affidata alla gestione del progetto.

Sviluppo più recente

Oltre alla stazione alle Hawaii, che è ancora attiva oggi, lo Scripps Institute gestisce altre strutture, tra cui in Alert (Nunavut) e Barrow (Alaska) , anche al Trinidad Head Observatory in California , sull'isola di Tutuila ( Samoa Americane ) e al Polo Sud ; il NOAA preleva oltre 60 stazioni campioni due volte a settimana. Dal 2009 anche la distribuzione regionale delle concentrazioni di gas serra è stata registrata dallo spazio con il satellite GOSAT .

Il monitoraggio della serie di misurazioni alle Hawaii, iniziato da Charles Keeling, morto nel 2005, è stato rilevato da suo figlio Ralph F. Keeling, che è anche professore di oceanografia e che ha ampliato la serie di misurazioni per includere l'atmosfera contenuto di ossigeno.

Le misure

L'Osservatorio di Mauna Loa

Con il supporto finanziario aggiuntivo, Keeling fu in grado di procurarsi quattro analizzatori di gas e nel 1958 installò la prima stazione di misurazione sul vulcano Mauna Loa alle Hawaii . Lì iniziò nel marzo 1958 con misurazioni sistematiche dell'anidride carbonica, gas serra. Collocò gli altri tre analizzatori di gas in Antartide , in California e nel suo laboratorio. Con quest'ultimo dispositivo, ha valutato i campioni raccolti in luoghi diversi. B. sono stati ottenuti con l'ausilio di aeroplani. Il primo valore misurato utilizzato per la successiva curva di Keeling è stato di 313  ppm CO ₂ .

Nel 1948 da Kurt Buch (1881-1967) le misurazioni pubblicate secondo le concentrazioni tipiche del gas serra erano comprese tra 150-230 ppm (Artico) e 319-349 ppm (tropici). I valori pubblicati da Keeling per la prima volta nel 1962 erano molto più precisi. Ha dato un intervallo tra 313 e 325 ppm per l'Artico e un intervallo di 317-321 ppm per il Pacifico equatoriale. Le misurazioni precedenti si basavano su metodi chimici umidi , mentre Keeling utilizzava un sensore a infrarossi non dispersivo di misurazione più preciso ed eliminava l'influenza distruttiva del cambiamento dell'umidità. L' incertezza era la sua procedura Keeling nel 1960 con ± 0,3 ppm, che è stato in grado di ridurre ulteriormente ppm con una successiva possibile ricalibrazione a ± 0,1.

Disturbi nei risultati della misurazione

Contrariamente al progetto recentemente fallito in Scandinavia, le stazioni di misurazione Keeling sono state posizionate lontano da fonti di anidride carbonica interferenti. La stazione di misurazione sul Mauna Loa è stata installata a grande altezza sul lato sopravvento. La stazione di misura in Antartide è stato anche lontano da CO ₂ sorgenti e pozzi. Nonostante ciò, le concentrazioni di anidride carbonica determinate in tutti i punti di misurazione sono state talvolta falsificate da impurità. Al Polo Sud, ad esempio, una volta era causato da un motore a combustione interna che girava vicino alla stazione di misurazione. A Mauna Loa, questi stavano degasando dal vulcano, che in rari casi poteva raggiungere la stazione di misurazione. I disturbi erano comunque sempre chiaramente riconoscibili nelle registrazioni, perché erano solo di breve durata e di elevata ampiezza , in modo che questi valori misurati potessero essere facilmente riconosciuti e scartati.

Risultati e impatto

Le misurazioni di Keeling hanno gettato le basi per ulteriori serie di misurazioni di altri gas atmosferici. Gli scienziati sono stati stimolati dai successi di Keeling nel determinare le curve di concentrazione dei gas serra metano e protossido di azoto e sono state avviate le misurazioni della concentrazione di ozono . Tuttavia, il programma di misurazione è stato ripetutamente messo in pericolo e le misurazioni continue dovrebbero essere interrotte più volte, poiché si sosteneva che le misurazioni casuali avrebbero mostrato gli stessi risultati delle misurazioni continue.

Primi risultati

Aumento della CO ₂ e spettri delle variazioni di concentrazione; l' analisi di Fourier rivela un ciclo annuale pronunciato (prima e seconda curva dall'alto); se si smussa questo ciclo annuale, si nota un aumento continuo (terza e quarta curva dall'alto); Curva 5: i dati di misura

Nei primi mesi delle sue misurazioni, Keeling dubitò che la sua teoria della concentrazione di fondo potesse essere corretta, poiché i valori aumentarono per alcuni mesi e poi diminuirono. Tuttavia, dal momento che non si è arreso e lasciare che le misurazioni eseguite nell'arco di diversi anni, fu in grado di dimostrare che le fluttuazioni avevano un periodo annuale, che ha attribuito al stagionalmente cambiando periodo di crescita della della vegetazione . Nel emisfero settentrionale , con la sua grande superficie, ci sono molti più impianti che nel Sud del mondo . Durante la primavera settentrionale, quindi, dall'atmosfera _viene assorbita più CO ₂ che durante l'autunno settentrionale, quando la crescita più forte si verifica a sud dell'equatore .

Dopo alcuni anni era evidente che anche i valori misurati aumentavano di anno in anno. Con questo, Keeling è stato in grado di dimostrare con la tecnologia di misurazione che la concentrazione atmosferica di anidride carbonica aumenta di anno in anno e quindi supportare la teoria di Svante Arrhenius sul possibile riscaldamento globale causato dall'uomo. L'aumento misurato della concentrazione corrispondeva quasi esattamente al valore atteso dalla combustione di combustibili fossili.

Keeling serie di misurazioni inclusa la determinazione dei rapporti isotopici di ¹³ C / ¹² C . Attraverso studi sugli isotopi , è stato in grado di dimostrare l'influenza delle piante terrestri sul corso della concentrazione di anidride carbonica, perché le piante terrestri preferiscono assorbire i ¹² C più leggeri . Il rapporto era più basso di notte che durante il giorno e ha mostrato un andamento simile nel corso dell'anno. Ha pubblicato questi risultati già nel 1960 sulla rivista Tellus.

Risultati dell'analisi a lungo termine della serie di misurazioni

Flusso di CO ₂ nella biosfera il 23 dicembre 2006; le variazioni di concentrazione a seconda dell'ora del giorno sono codificate a colori (fonte: NOAA Carbon tracker).

Poiché Keeling è riuscito a mantenere la continuità delle misurazioni, è stato possibile analizzare le curve per diversi anni e decenni.

A metà degli anni '70, l'accuratezza della serie di misurazioni era sufficientemente elevata da determinare la percentuale di emissioni di CO ₂ antropogeniche che rimangono nell'atmosfera e non vengono assorbite dagli oceani del mondo: il valore è del 57%. Questa relazione è descritta dal fattore Revelle .

A metà degli anni '90, determinando con precisione i punti di salita e discesa delle curve, era chiaro che la primavera - a causa del riscaldamento globale - è iniziata nell'emisfero settentrionale circa una settimana prima rispetto all'inizio della serie di misurazioni.

Attraverso l'osservazione a lungo termine dell'andamento della concentrazione del ¹³ CO ₂ atmosferico e dell'ossigeno molecolare , la combustione di combustibili fossili potrebbe essere senza dubbio identificata come la principale fonte del forte aumento osservato della concentrazione di anidride carbonica, gas serra.

Il confronto tra le concentrazioni equatoriali di CO ₂ con i dati ottenuti alle latitudini artiche ha mostrato l'influenza stagionale del periodo di crescita: mentre l' andamento annuale delle curve vicino all'equatore è solo di circa 3 ppm, alle latitudini artiche è di 20 ppm. Anche l'ampiezza annua di questa oscillazione è aumentata del 20% (Hawaii) e del 40% (regione artica) a metà degli anni '90 rispetto alle curve ottenute negli anni '60. Keeling sospettava che ciò fosse dovuto a una maggiore assimilazione delle piante terrestri, che reagiscono all'aumento dell'apporto di CO ₂ e all'aumento delle temperature con un aumento della crescita.

La capacità di assorbimento di CO ₂ dell'acqua di mare varia a seconda della temperatura della superficie del mare ; la costante di Henry è fortemente dipendente dalla temperatura e dall'anidride carbonica; L'acqua fredda può sciogliere bene il gas tracciante, ma è solo moderatamente solubile in acqua calda. El Niño e La Niña influenzano la temperatura superficiale del Pacifico su una vasta area. Anni di basso assorbimento di CO ₂ da parte degli oceani potrebbero quindi essere correlati agli eventi di El Niño.

Classificazione dei risultati

Andamento della concentrazione atmosferica di anidride carbonica negli ultimi 420.000 anni, ricostruito dall'archivio climatico della carota di ghiaccio di Vostok

Ad eccezione di un'interruzione nel 1964, i dati dal Mauna Loa ai giorni nostri sono in una serie ininterrotta. A quel tempo, la misurazione doveva essere sospesa a causa di un difetto del dispositivo che non poteva essere riparato in breve tempo.

Negli ultimi 800.000 anni, la concentrazione di anidride carbonica nell'atmosfera terrestre non ha mai superato i 300 ppm. Nei 750 anni tra il 1000 e il 1750 dC, il contenuto di CO ₂ nell'atmosfera terrestre era compreso tra 275 e 285 ppm. Mentre il contenuto di CO ₂ nell'atmosfera terrestre era di circa 310 ppm all'inizio degli anni '50, è salito per la prima volta a 400 ppm nella primavera del 2013 presso la stazione di misurazione di Mauna Loa. L'11 maggio 2019 è stato raggiunto un nuovo massimo di 415,26 ppm.

Tra il 1770 e il 1970, in 200 anni, è stato osservato un aumento di 50 ppm, vale a dire. cioè, il tasso annuo di aumento era di 0,25 ppm. In soli 30 anni si è registrato un ulteriore aumento di 50 ppm: negli anni '60 l'incremento annuo era di circa 0,8 ppm, negli anni '80 il valore era già il doppio di 1,6 ppm all'anno. Negli anni '90 era abbastanza costante intorno a 1,5 ppm all'anno, è salito a circa 2 ppm all'anno negli anni 2000 ed era di circa 2,4 ppm all'anno negli anni 2010.

Nel 2018, l'aumento della concentrazione di CO ₂ di 2,87 ppm è stato il quarto più alto mai misurato in un anno da quando esistono registrazioni accurate. A maggio 2020, la concentrazione di anidride carbonica era di 417,2 ppm e quindi di 2,4 ppm superiore al valore dell'anno precedente. L'aumento è stato leggermente inferiore rispetto allo stesso periodo dell'anno precedente, probabilmente correlato alle emissioni di anidride carbonica leggermente inferiori a causa della pandemia di COVID-19 .

link internet

• Scripps CO ₂ del programma. Sito web della Scripp Institution dove lavorava Charles Keeling
• Laboratorio di ricerca del sistema terrestre NOAA : tendenze nell'anidride carbonica atmosferica, Mauna Loa, Hawaii (dati di misurazione attuali e corso)
• Horst Rademacher: L'aria deve essere il più pura possibile. FAZ.net , 24 febbraio 2007 (relazione sulla misurazione del contenuto di CO ₂ su Mauna Loa)
• Christopher Schrader: Una curva cambia il mondo . Süddeutsche.de , 17 maggio 2010.
• Justin Gillis: uno scienziato, il suo lavoro e una stima del clima. In: The New York Times , 21 dicembre 2010.
• Animazione delle serie temporali CIRES/NOAA dell'anidride carbonica atmosferica da 800.000 anni fa a gennaio 2014

Evidenze individuali