Taarifa
Ikiwa mimea na bahari hufyonza CO₂, kwa nini inajilimbikiza hewani? Kabla ya Mapinduzi ya Viwanda, kile ambacho maumbile yalichukua kutoka hewani kilirudishwa kwa kiasi kilekile. Uzalishaji wa binadamu ni mtiririko wa ziada, usio na kinyume chake. Mimea na bahari huitikia ziada hiyo na kuanza kufyonza zaidi, lakini sehemu tu. Katika kiigaji, kati ya takriban 750 GtC zilizozalishwa kuanzia 1850 hadi 2025, takriban 42% zilibaki hewani, 26% zilienda baharini na zilizobaki, takriban theluthi moja, zilienda kwenye mimea na udongo (karibu kiasi sawa na kile ukataji misitu ulichoviondolea). Ona kwenye grafu ya “Uendako”.
Ikiwa bahari ni kubwa hivyo, kwa nini haifyonzi CO₂ yote ya ziada? Kwa sababu tatu. Ni tabaka la juu pekee (takriban mita 100) linalobadilishana CO₂ na hewa, na maji huchukua miongo kufika tabaka la kati na takriban miaka elfu moja kufika sakafu ya bahari. Kisha, CO₂ inayoyeyuka humenyuka na maji na kabonati iliyoyeyuka ndani yake; kadiri bahari inavyokuwa imeshafyonza kaboni nyingi, ndivyo kabonati inavyobaki kidogo kwa mmenyuko huu, na kila GtC ya ziada inakuwa ngumu zaidi kufyonzwa (kipengele cha Revelle, kutoka 9.5 hadi takriban 11 leo; ni kemia ileile ya kuongezeka kwa asidi baharini). Mwisho, maji yenye joto zaidi huyeyusha gesi kidogo. Katika hali ya “Uzalishaji usiobadilika”, mwaka 2100 bahari hufyonza kaboni zaidi kwa mwaka kuliko leo (4.2 dhidi ya 3.5 GtC/mwaka), lakini kwa kila ppm ya ziada ya CO₂ hewani, hufyonza nusu tu ya kile inachofyonza leo.
Grafu ya ΔT × GtC inaonyesha nini? Ongezeko la joto hukua karibu kwa uwiano wa moja kwa moja na jumla ya kaboni iliyokwisha zalishwa, wala si kwa kasi ya uzalishaji. Katika kiigaji, ni takriban 1.6 °C kwa kila 1000 GtC (IPCC inakadiria 1.65 °C, kwa kiwango kinachowezekana cha 1.0 hadi 2.3 °C). Hapa ndipo linapotoka wazo la bajeti ya kaboni: ili kubaki chini ya kiwango fulani cha ongezeko la joto, kiasi cha jumla kinachoweza kuzalishwa ni kidogo, na joto huacha kupanda tu pale uzalishaji unapokaribia sifuri.
Nini hutokea uzalishaji unapofikia sifuri? Katika hali ya “Sifuri ndani ya miaka 25”, ongezeko la joto hufikia takriban 1.4 °C karibu na mwaka 2050 kisha hushuka polepole (1.3 °C mwaka 2100). Athari mbili karibu zinafutana: CO₂ hewani hupungua kwa sababu mimea na bahari zinaendelea kufyonza, lakini kina cha bahari, ambacho bado ni baridi kuliko uso, hufyonza joto kidogo zaidi na zaidi. CO₂ hairudi kwenye 280 ppm: katika hali ya “Mpigo”, takriban 43% ya kaboni iliyotolewa bado iko hewani baada ya miaka 100, na 21% baada ya miaka 1000.
Kwa nini kiigaji kinazingatia CO₂ pekee? CO₂ ndiyo gesi inayochangia zaidi ongezeko la joto na inayokaa muda mrefu zaidi hewani, na ndiyo gesi pekee inayozunguka kati ya hifadhi zinazoonyeshwa hapa. Gesi nyingine, kama methani na oksidi ya nitrasi, pia hupasha joto sayari, na erosoli za uchafuzi huipoza. Kwa hiyo, ΔT ya kiigaji ni ongezeko la joto linalosababishwa na CO₂, na halipaswi kulinganishwa moja kwa moja na jumla ya ongezeko la joto lililoonekana. Mistari ya 1.5 °C na 2 °C kwenye grafu za “Halijoto” na “ΔT × GtC” inaonyesha malengo ya Mkataba wa Paris, ambayo yanahusu jumla ya ongezeko la joto (pamoja na athari hizi zote): ni ya marejeo, si ya ulinganisho kamili.
Modeli ya visanduku yenye hifadhi tano za kaboni (akiba kwa GtC; 1 ppm ya CO₂ ≈ 2.124 GtC) na matabaka mawili ya halijoto, inayounganishwa kwa mbinu ya Runge-Kutta ya daraja la 4 (hatua ya mwaka 0.25).
Kaboni. Angahewa $C_A$, mimea $C_V$, udongo $C_S$, bahari ya juu $C_M$ (hadi mita 100) na kina cha bahari, kilichogawanywa katika tabaka la kati $C_I$ (mita 100 hadi 1000) na sakafu $C_P$ (kiigaji kinaonyesha jumla $C_I + C_P$):
$$\begin{aligned} \dot C_A &= R_V + R_S + F_{\text{out}} - P\\ &\quad - F_{\text{in}} + E_{\text{fos}} + E_{\text{def}}\\ \dot C_V &= P - R_V - L - E_{\text{def}}\\ \dot C_S &= L - R_S\\ \dot C_M &= F_{\text{in}} - F_{\text{out}} + F_{\text{up}} - F_{\text{down}}\\ \dot C_I &= F_{\text{down}} - F_{\text{up}} + G_{\text{up}} - G_{\text{down}}\\ \dot C_P &= G_{\text{down}} - G_{\text{up}} \end{aligned}$$Ukijumlisha milinganyo sita, inabaki $E_{\text{fos}}$ pekee: jumla ya kaboni huongezeka tu kwa kuchoma nishati ya visukuku; ukataji misitu ($E_{\text{def}}$) huhamisha kaboni kutoka kwenye mimea kwenda angahewa.
Mitiririko ya nchi kavu. Usanisinuru $P$, upumuaji wa mimea $R_V$, kuanguka kwa majani na matawi $L$ na upumuaji wa udongo $R_S$:
$$\begin{aligned} P &= P_0\,[1 + \beta \ln(C_A/C_{A0})]\\ R_V &= P/2\\ L &= \tfrac{P_0}{2}\,C_V/C_{V0}\\ R_S &= \tfrac{P_0}{2}\,(C_S/C_{S0})\,Q_{10}^{\,T/10} \end{aligned}$$ambapo $P_0 = 120$ GtC/mwaka; kipengele $Q_{10}^{\,T/10}$ huingia tu mrejesho wa udongo ukiwa umewashwa.
Mitiririko ya bahari. Ubadilishanaji na hewa ($F_{\text{in}}$, $F_{\text{out}}$), mchanganyiko wa uso na tabaka la kati ($F_{\text{down}}$, $F_{\text{up}}$) na wa tabaka la kati na sakafu ($G_{\text{down}}$, $G_{\text{up}}$):
$$\begin{aligned} F_{\text{in}} &= k\,p_{\text{atm}}\\ F_{\text{out}} &= k\,p_{\text{oc}}\\ p_{\text{oc}} &= p_q(D)\,e^{0{,}0423\,T}\\ F_{\text{down}} &= \frac{C_{I0}}{\tau_{\text{mix}}}\,\frac{C_M}{C_{M0}}\\ F_{\text{up}} &= \frac{C_I}{\tau_{\text{mix}}}\\ G_{\text{down}} &= \frac{C_{P0}}{\tau_{\text{deep}}}\,\frac{C_I}{C_{I0}}\\ G_{\text{up}} &= \frac{C_P}{\tau_{\text{deep}}} \end{aligned}$$ambapo $k = 80/280$ GtC/mwaka kwa kila ppm, $p_{\text{atm}} = C_A/2.124$ na $p_{\text{oc}}$ kwa ppm, na $\tau_{\text{deep}} = 1000$ miaka (umri wa maji ya kina kwa kaboni-14). Kipengele $e^{0.0423\,T}$ (4.2% kwa kila °C) huingia tu mrejesho wa bahari ukiwa umewashwa.
Kemia ya kabonati. CO₂ iliyoyeyuka humenyuka na maji ($\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HCO}_3^- \rightleftharpoons 2\text{H}^+ + \text{CO}_3^{2-}$), na ni sehemu ndogo tu inayobaki kama CO₂ ndiyo inayorudi hewani. Kaboni isiyo ya kioganiki iliyoyeyuka juu ya uso ni $D = D_0\,C_M/C_{M0}$ ($D_0 \approx 1986$ µmol/kg). Kwa ualkali thabiti ($A_T = 2300$ µmol/kg), $[\text{H}^+]$ hupatikana kutoka
$$\begin{aligned} A_T &= D\,\frac{K_1[\text{H}^+] + 2K_1K_2}{[\text{H}^+]^2 + K_1[\text{H}^+] + K_1K_2}\\ &\quad + \frac{B_T K_B}{K_B + [\text{H}^+]} + \frac{K_w}{[\text{H}^+]} - [\text{H}^+] \end{aligned}$$kisha $p_q = D\,[\text{H}^+]^2 / \{K_0\,([\text{H}^+]^2 + K_1[\text{H}^+] + K_1K_2)\}$, kwa vipeo vya msawazo vya maji ya bahari katika 18 °C na chumvi 35. Kipengele cha Revelle, $\xi = (\Delta p_q/p_q)/(\Delta D/D)$, hutokana na hesabu: ≈ 9.5 katika enzi ya kabla ya viwanda, na huongezeka kadiri bahari inavyofyonza kaboni (≈ 11 leo); kila GtC ya ziada inakuwa ngumu zaidi kufyonzwa. Kipengele cha Revelle kikizimwa, $p_q = 280\,C_M/C_{M0}$ (CO₂ ingeyeyuka kama gesi nyingine yoyote, $\xi = 1$).
Uzalishaji. $E_{\text{fos}}$ na $E_{\text{def}}$ hufuata data za kihistoria hadi mwaka wa mwisho wenye data; baada ya hapo, thamani za paneli ya “Uzalishaji wa binadamu”, zilizopunguzwa katika hali za kupunguza. Katika hali ya “Mpigo”, kaboni yote huingia mwaka wa kwanza.
Tabianchi. Mizania ya nishati ya matabaka mawili: uso (angahewa + tabaka la mchanganyiko la bahari, mkengeuko $T$) na kina cha bahari ($T_p$):
$$\begin{aligned} C_s\,\dot T &= \Delta F - \lambda T - \gamma\,(T - T_p)\\ C_p\,\dot T_p &= \gamma\,(T - T_p) \end{aligned}$$ambapo nguvu $\Delta F = 5.35\,\ln(C_A/C_{A0})$ W/m², $\lambda = F_{2\times}/S$ ($F_{2\times} = 5.35 \ln 2 \approx 3.7$ W/m² na $S$ usikivu wa tabianchi), $C_s = 0.094\,h$ ($h$ kwa mita), $C_p = 106$ W·mwaka/(m²·°C) na $\gamma = 0.73$ W/(m²·°C).
Msawazo wa kabla ya viwanda. $C_{A0} = 594.7$ (280 ppm), $C_{V0} = 450$, $C_{S0} = 1700$, $C_{M0} = 900$, $C_{I0} = 9000$ na $C_{P0} = 28\,000$ GtC, pamoja na $T = T_p = 0$: viingiliano vyote ni sifuri (kwa mfano, angahewa hupokea 60 + 60 + 80 na kupoteza 120 + 80 GtC/mwaka).
Kaboni ya asili ya visukuku hufuatiliwa kama kifuatiliaji katika hifadhi zote (kila mtiririko hubeba sehemu ya visukuku ya hifadhi unakotoka). Akiba za visukuku zinaanzia 5000 GtC, ukubwa wa kadirio la rasilimali. Modeli ni ya kufundishia: inazingatia CO₂ pekee (bila gesi joto nyingine na bila erosoli). Uzalishaji wa kihistoria wa kila mwaka (nishati ya visukuku na saruji, ukiondoa ukabonishaji; mabadiliko ya matumizi ya ardhi) ni wa Global Carbon Budget 2025, kuanzia 1850 hadi 2024, pamoja na makadirio ya 2025.
Je, kweli unataka kufuta uigaji huu?