Въглеродът е необходим елемент за живота на нашата планета. Той притежава уникалното свойство да създава много сложни съединения. Въглеродът е основен елемент във всички органични съединения, които изграждат живите същества. Неговите съединения са най-важните ресурси за химическата и енергийна промишленост. Не бихме могли да си представим съвременната цивилизация без фосилните въглеродни вещества – горивата. Материали на основата на естествени и изкуствено произведени въглероди имат важна роля във всички сфери на човешката дейност.


В естествената въглеродна изотопна смес се намират два стабилни изотопа на въглерода – ¹²С и ¹³С. Съдържанието на ¹³С в околната среда е около 1,12%. Във въглерода в природата обикновено участва и радиоактивен ¹⁴С (радиовъглерод). Този радионуклеид, който има време на полуразпад 5730 г., по произход може да бъде и изкуствен (антропогенен).
Значително количество радиовъглерод се съдържа или е натрупано в сухоземната и океанската биота на Земята, а също и в атмосферата като ¹⁴СО₂, преминаващ във водата в карбонатни форми. Много малка част от атмосферния радиовъглерод се намира във формите ¹⁴СО, ¹⁴СН4 и в парите на различни органични съединения.
В природата радиовъглеродът възниква в атмосферата като резултат от ядрени реакции, генерирани от космически частици. Активността на радиовъглерода1 в атмосферата и в биотите в резултат на опити с ядрени оръжия надхвърля около 2 пъти нивото на естествено възникващия и има максимум през 1963 г. (фиг. 1).


Както се вижда от фиг. 1, след 1963 г. активността на радиовъглерода започва да се понижава приблизително експоненциално. През 80-те години на миналия век понижаването се забавя и около началото на 90-те години вече е стабилно, с приблизително линейната зависимост (вж. фиг. 2).


В планетарен мащаб общото количество радиовъглерод има предимно естествен произход. Относителният дял на антропогенно произведения е малък, което се вижда от приложената табл. 1. Количеството радиовъглерод, което попада в околната среда от ядрената промишленост, е около 0,022 % от общото количество радиовъглерод (по данни за 1997 г.). Най-голямата част (около 88 %) от антропогенния радиовъглерод е продукт на заводите за преработка на ядреното гориво (UNSCEAR, 2000).


В атмосферата и биосферата се съдържа само малка част от общото количество радиовъглерод в околната среда. Както се вижда от фиг. 1, екстремално високите количества радиовъглерод в атмосферата (и в биотата) относително бързо преминават в другите компоненти на околната среда, в резултат на което протича натрупване (депониране), напр. в океаните.

Активността на радиовъглерода в атмосферата и биотата е свързана с човешката дейност. Най-важен съвременен източник на радиовъглерод, който постъпва в околната среда, е ядрената промишленост. Въглеродната изотопна смес във фосилните горива почти не съдържа радиовъглерод. Въглеродният диоксид (СО₂), който постъпва в атмосферата при тяхното горене, разрежда съдържанието на радиовъглерода във въглеродната изотопна смес и като следствие активността на радиовъглерода се понижава. Това е т.нар. Суес-ефект (Suess, 1955). От фиг. 3. се вижда, че количеството на антропогенните емисии на фосилен въглерод в атмосферата ежегодно се увеличава и същевременно се увеличава концентрацията на СО₂ в атмосферата. Този „зелен газ“ вероятно има важна роля в глобалното затопляне (IPCC, 2007).


В атмосферата въглеродът преминава предимно в химичната форма СО₂. Кривата на концентрацията на СО₂ до края на 70-те години на миналия век (тънката червена линия) е съставена по данни от проби от антарктически сондажни ядки (Law Dome, сонд. № DE08). От началото на 50-те години на миналия век се извършва мониторинг на концентрацията на СО₂ в атмосферата в обсерваторията Mauna Loa на Хавайските острови, САЩ (плътната зелена линия).

Върху хода на активността на атмосферния ¹⁴СО₂ оказва влияние Суес-ефектът и това се вижда от фиг. 4. Този ефект може да се прояви на локално, регионално и глобално ниво и е свързан преди всичко с големи източници на фосилен СО₂ – големи градове, натоварени участъци от магистрали, промишлени комплекси.


Най-голямо понижаване активността на ¹⁴СО₂ се наблюдава през зимата. В студеното полугодие суес-ефектът се засилва допълнително от инверсията в атмосферата. През този период съдържанието на СО₂ в приземния атмосферен слой се увеличава и вследствие отопляването на сградите.

За сравняване активността на атмосферния ¹⁴СО₂ (фиг. 4.) са използвани данни от мониторинга в няколко европейски станции и райони с мониторинг: Jungfraujoch (Швейцария, до юли 2003 г.) – високопланинска станция, представителна за район с най-ниско влияние на Суес-ефекта на локално и регионално ниво; Schauinsland (Германия, до декември 2003 г.) – станция, която също се намира в район с относително ниско влияние на Суес-ефекта; районите B-24 и A-6 край Dunafoldvar a Paks в Унгария; станция Kosetice в Ceskomoravske vrchovine (Чешко-Моравско плато), Чешка република – регион с относително слаби локални източници на фосилен СО₂; столичен район Praha-Bulovka, Чешка република – с натоварени транспортни комуникации в периферията на града (Levin & Kromer, 2004; Molnбr et al., 2007; Svмtlнk et al., 2006).


От сезонния ход на активността на атмосферния ¹⁴СО₂ се вижда ясна диференциация, която зависи от локалното изгаряне на фосилни горива. Относително слабо понижаване на активността през зимата е присъщо за високопланинските станции Jungfraujoch и Schauinsland във връзка с много ниските локални и регионални емисии на фосилен СО₂. В станция Koљetice и в унгарските райони на мониторинг се установяват по-големи отклонения през зимата. В тези райони не се намират големи локални източници на фосилен СО₂ и затова може да се предполага, че проявяващото се влияние тук е от регионално ниво. Най-голям Суес-ефект се установява за станция Praha-Bulovka, където локалното въздействие на фосилните горива е най-силно.

Поради ограничения достъп до данни от последните години за станциите с най-ниски локални и регионални емисии на фосилен въглерод (Jungfraujoch и Schauinsland) не е възможно количествено да се отчете Суес-ефектът през последните 3-4 години. Това наложи с приближение да бъде определен фонът на активност (без локално и регионално влияние) като се използва линейната зависимост, изчислена по данните за станция Jungfraujoch за периода 2000-2003 г. Количествените изражения на Суес-ефекта за чешкия район Praha-Bulovka (червените стълбчета) и станция Koљetice (зелените стълбчета) са дадени на фиг. 5, заедно с ходовата крива (синята линия) на средномесечните температури на въздуха в Прага.


Както се вижда от фиг. 4 и фиг. 5, дори в местата с относително високо локално влияние (Praha-Bulovka) през летните месеци активността на ¹⁴СО₂ се приближава до тази в станция Jungfraujoch.
От август 2001 г. в район Praha-Bulovka се измерва също и обемната активност на ¹⁴СО₂ (вж. фиг. 6).


Този параметър се изчислява на основата на известната концентрация на СО₂ и известната активност на ¹⁴СО₂. Обемната активност е силен резистентен параметър, който вероятно няма влияние върху концентрацията на фосилен въглерод (СО₂). Това ще рече, че върху броя на атомите на радиовъглерода (или на молекулите ¹⁴СО₂) в атмосферата, съдържащи се в 1 м³ въздух, не оказва влияние броят на атомите на фосилния въглерод (СО₂). На локално ниво обемната² (Bq/m³) или специфичната активност³ (Bq/kg сух въздух) на ¹⁴СО₂ може да бъде повлияна само от локални източници като емисии ¹⁴С от ядрената промишленост (тенденция на повишаване), от улавяне на ¹⁴СО₂ от растителността по време на вегетационния период (тенденция на понижаване) или от емисии от ¹⁴СО₂ от почвата в резултат на сапрофитни процеси на разлагане на органичното вещество (тенденция на повишаване).

Определянето на концентрацията на СО₂ в атмосферния въздух в Praha-Bulovka е свързано със сравнително висока грешка поради използвания волуметричен метод (титруване) при определянето на карбонатите. В таблица 2 са дадени средногодишните стойности на обемна активност за периода на мониторинг. За целия период е изчислена средна стойност на обемна активност ¹⁴С 53,6 mBq/m^-3.

През периода на монигоринг в Praha-Bulovka няма значителни разлики в обемната активност на атмосферния ¹⁴СО₂, т.е. въз основа на получените данни за този период (2002-2006 г.) не е установено значително изменение на броя на молекулите на ¹⁴СО₂ в единица обем въздух. Ако се предположи, че броят на атомите на ¹⁴С или на молекулите на ¹⁴СО₂ в атмосферата не се понижава, то възможното обяснение на систематичното понижаване на активността на ¹⁴СО₂ (вж. фиг. 2) е свързано с влиянието на глобалния Суес-ефект.

Понижаване на активността на ¹⁴СО₂ през годините е около 5,9 %0. Тази стойност е получена чрез екстраполация на данни от швейцарската станция Jungfraujoch. Като се използва линейната зависимост, може да се изчисли понижаването на активността на ¹⁴С и за изследвания период 2002-2006, което е около 24 %0. Въпреки относително голямата неточност, която беше отбелязана за нашите измервания, се констатира, че възможното максимално понижаване на обемната активност на ¹⁴С е статистически значимо по-ниско от тези изчислени 24 %0. Въз основа на нашите измервания може да се твърди, че понижаващата се активност на ¹⁴СО₂ не се обяснява с намаляващото съдържание на ¹⁴С в атмосферата, който е продукт на опитите с ядрено оръжие. Това заключение отговаря и на резултатите от мониторинга на ¹⁴С в стратосферата (Hesshaimer & Levin, 2000).

За изчисляване на нарастващата концентрация на СО₂ в атмосферата за периода 2002-2006 г. беше използвана линейна екстраполация на данните от мониторинга на станция Mauna Loa (1970-2004 г.), (вж. фиг. 3). На основата на тази зависимост нарастването на концентрацията на СО₂ за периода 2002-2006 г. би трябвало да бъде около 1,6 %. Предполага се, че повишаването на концентрацията на СО₂ съответства на вероятната скорост на понижаване на активността на атмосферния ¹⁴СО₂ през същия този период.

За уточняване и валидизация на нашите резултати са използвани достъпните данни от станция Schauinsland в Германия (CDIAC; WDCGG; Levin & Kromer, 2004). От тази станция могат да се използват два показателя: обемната активност на ¹⁴СО₂ (от януари 1977 до декември 2003 г.) и концентрацията на СО₂ (до декември 2005 г.). Кривата на преизчислената активността, показана на фиг. 7, не може да бъде достатъчно прецизна, защото липсва допълнителна информация за температурата и влажността на въздуха и за атмосферното налягане за периода на мониторинга в станцията.


Ходът на кривата със стойностите на обемната активност (фиг. 7) е с явни сезонни пулсации. Както се вижда от сравнението с кривата на концентрацията на СО₂, основният параметър, който управлява сезонните изменения на обемната активност, е преди всичко концентрацията на СО₂. Максималните сезонни концентрации и на СО₂ и на обемната активност на ¹⁴СО₂ съвпадат с времето преди началото на вегетационния период. Същевременно минимумът и на двата параметъра е в края на лятото, когато вероятно в биотата се натрупва най-голямо количество въглерод, а следователно и ¹⁴С.

В хода на изчислената обемна активност на ¹⁴СО₂ за станция Schauinsland се вижда систематично средногодишно понижаване, което продължава приблизително до началото на 90-те години на миналия век. Около 1994 г. средногодишната обемна активност на ¹⁴СО₂ вече е относително стабилна, което е видно на диаграмата на фиг. 8. Това означава, че броят на атомите ¹⁴С (или на молекулите ¹⁴СО₂) в обемна единица въздух вече не показва значимо систематично намаляване през следващите години.


Средногодишната обемна активност на ¹⁴СО₂ във въздуха, изчислена за станция Schauinsland в Германия и за района на Praha-Bulovka в Чешката република, не показва систематично понижение след 1994 г. Тъй като се приема, че обемът на атмосферата остава стабилен, то резултатите от изчисленията доказват, че съдържанието на ¹⁴С в атмосферата (броят на атомите ¹⁴С или на молекулите ¹⁴СО₂) приблизително от 1994 г. не показва значимо систематично изменение през годините.

Средногодишната обемна активност, изчислена по публикуваните данни за станция Schauinsland за периода 1994-2003 г., е 51,2 +/- 0,7 mBq.m^-3. Този показател, изчислен за района на Praha-Bulovka за периода 2002-2006 г., има стойност 53,6 +/- 1,7 mBq.m^-3 (вж. табл. 2).


Разликата между стойностите в двата района с мониторинг са близки до границата на статистическата значимост. Това може би частично се дължи на систематичната грешка при калибрацията и волуметричното (титриметрично) измерване на концентрацията на СО₂ в Praha-Bulovka. От друга страна, причина за разликата може да бъде и отсъствието на допълнителни данни (температура и влажност на въздуха и атмосферно налягане) при изчисляването на обемната активност за станция Schauinsland.

Съдържанието на ¹⁴С във въздуха зависи от скоростта на неговото постъпване в атмосферата и на преноса му до другите компоненти на околната среда. От това следва, че съдържанието на ¹⁴С във въздуха се явява стабилно в резултат на възникнало динамично равновесие. Тази е причината съдържанието на ¹⁴С в атмосферата да не се повишава под влияние на постъпващ ¹⁴С от другите компоненти на околната среда (напр. почвата, биотата, повърхностния слой на океаните, както и стратосферата) или от съвременни антропогенни източници. Голямото количество ¹⁴С, възникнало в резултат на опити с ядрено оръжие в близкото минало, вероятно вече е в равновесно разпределение в компонентите на околната среда и неговият транспорт от атмосферата до другите големи въглеродни резeрвоари*** (компоненти на околната среда) не влияе значимо на съвременното понижаване на активността на ¹⁴СО₂ във въздуха.

Както беше вече отбелязано, след 1994 г. не се проявява значимо средногодишно изменение на обемната активност на атмосферния ¹⁴СО₂. Не се наблюдава понижение на обемната активност, което би могло да бъде причинено от транспорт на останки от ¹⁴С от опитите с ядрени оръжия до други въглеродни резервоари в околната среда. Не се наблюдава и повишаване на обемната активност, което би било свързано с натрупване на ¹⁴СО₂ и СО₂ в тропосферата. Следователно скоростта на внасяне на ¹⁴С в тропосферата се явява компенсирана от скоростта на акумулация на ¹⁴С. Отношението между антропогенните емисии въглерод в атмосферата и концентрацията на СО₂ (за периода след 1977 г.) има представителен линеен, а не параболичен ход през годините. Тези резултати показват, че скоростта на пренос на тропосферен СО₂ към другите компоненти на околната среда вероятно расте пропорционално с нарастването на концентрацията на СО₂ в атмосферата (и с нарастването на антропогенните емисии на въглерод) и по всяка вероятност не се извършва акумулация, която би била свързана с удължаване на времето на задържане на СО₂ в тропосферата (ако това време се удължи, би се удължило и времето на задържане на ¹⁴СО₂, който се съдържа в тропосферния СО₂.

Мониторингът на обемната активност на ¹⁴СО₂ във въздуха вероятно ще даде през следващите години надеждни инструменти за индикация на евентуално задържане (натрупване) на СО₂ (¹⁴СО₂) в атмосферата. Когато се констатира повишаване на обемната активност на ¹⁴СО₂, това ще е индикатор за натрупване на СО₂ в атмосферата, съпроводено през следващите години с вече параболично нарастване на концентрацията на СО₂ във въздуха. Поради това мониторингът на обемната активност на ¹⁴СО₂ има пряко отношение и към проблемите за глобалните промени на планетата и глобалното затопляне**.

Данните, използвани в тази статия, са изчислени на основата на приблизителни релации. Възможно е и е необходимо някои от тези релации да се проверят и уточнят. С оглед на трудностите при изчисленията и недостатъчно високата точност на наличната информация, свързана с глобалния транспорт на въглерода, би било добре да се уточнят преди всичко параметрите, които са свързани с транспорта на въглерода в атмосферата до другите въглеродни резервоари в околната среда. В тези изследвания радиовъглеродът може да играе определяща роля.

Въпреки че нарастващата скорост на емисиите на СО₂ в атмосферата вероятно се компенсира от нарастващата скорост на преноса на атмосферния СО₂ до други въглеродни резервоари, процесите на този обмен на въглерод между атмосферата и други не дотам добре познати резервоари могат да бъдат много по-уязвими, вкл. на антропогенни въздействия, отколкото ние предполагаме от съвременното ниво на знания.

Литература

1. Meijer, H.A.J.; van der Plicht, J.; Gislefoss, J.S.; Nydal, R.: Comparing long-term atmospheric 14C and 3H records near Groningen, the Netherlands with Fruholmen, Norway and Izaсa, Canary Islands 14C stations, Radiocarbon, 1995, 37(1): 39-50.
2. Stuiver, M., Polach, H.A.: Reporting of 14C data. Radiocarbon, 1977, 19(3): 355-363.
3. Levin, I., Kromer, B.: The tropospheric 14CO2 level in mid-latitudes of the northern hemisphere (1959–2003). Radiocarbon, 2004, 46(3): 1261–1272.
4. UNSCEAR: Report of the United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation to the General Assembly (UNSCEAR): Exposures from natural and man-made sources of radiation, Report 1, 2000.
5. Suess, H.E.: Radiocarbon concentration in modern wood. Science, 1955, 122: 415-417.
6. IPCC: Climate Change 2007 - The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment. Report of the IPCC, 2007. Available on: http://www.ipcc.ch.
7. CDIAC: Available on: http://cdiac.esd.ornl.gov.
8. Molnбr, M., Bujtбs, T., Svingor, Й., Futу, I., Svмtlнk, I. (2007b).: Monitoring of atmospheric excess 14C around Paks Nuclear Power Plant, Hungary. Radiocarbon, 2007, 49(2), in print.
9. Svмtlнk, I., Molnбr, M., Svingor, E., Futу, I., Pintйr, T., Rulнk, P., Michбlek, V.: Monitoring of atmospheric 14CO2 in central European countries. Czechoslovak Journal of Physics, 2006, 56D: 291-297.
10. ИHMЪ: Koљetice Observatory – 20 years. Czech Hydrometeorological Institute, 2007, chapter 7.6 (in print).
11. Hesshaimer, V., Levin, I.: Revision of the stratospheric bomb (CO2)-C-14 inventory. Journal of Geophysical Research-Atmospheres, 2000, 105(D9): 11641-11658.
12. WDCGG: World Data Centre for Greenhouse Gases (WDCGG). Dostupnй na internetovй adrese: http://gaw.kishou.jp/wdcgg/PlotData.php.

---

The research reported in this paper aimed at showing the anthropogenic influence upon the 14C (14CO2) activity in both the atmosphere and terrestrial biota. Using data from the Prague-Bulovka locality, as well as data from other monitoring areas (in the Czech Republic, Germany, Hungary, and Switzerland), some new results, connected with fossil CO2 emissions into the atmosphere, have been obtained about. Although the annual decrease of atmospheric 14CO2 activity has been relatively uniform during the last decade, the mean amount of 14C (14CO2) in the atmosphere seems to be stable since 1994. This effect can be explained with the prevailing influence of the global Suess effect from fossil carbon emissions. The stable amount of 14C (14CO2) in the atmosphere, as a tracer of atmospheric CO2, indicates stable delay time of CO2 in the atmosphere (without accumulating effect), which seem to be independent from the actual CO2 concentration.

---

* Бел. ред. Статията е написана специално за сп. „География `21“. Някои от основните изводи в нея са с оригинален характер и се публикуват за първи път.

** В България също се подготвя мониторинг на ¹⁴С (¹⁴СО₂), който ще се проведе в БЕО „Мусала“ (район без значими локални и регионални влияния на фосилен въглерод, представителен за целия Балкански полуостров) и в София. Допълнителни оригинални изследвания на радиовъглерода са планирани и са в процес на експериментиране в карстови пещери и в почвата в моделни райони от страната. Мониторингът ще се осъществи в сътрудничество между Географския институт и ИЯИЯЕ – БАН и в партньорство с инж. Иво Светлик (бел. ред.).

Забележка 1: Активността на атмосферния ¹⁴С (¹⁴СО₂) изразява съдържанието (в Bq) на ¹⁴С в единица маса въглеродна изотопна смес на атмосферния СО₂.
Забележка 2: Обемната активност е съдържанието на ¹⁴С в 1 m³ въздух в нормално състояние (Bq/m³).
Забележка 3: Специфичната активност е съдържанието на ¹⁴С в 1 kg сух въздух (Bq/kg).

*** Използвания термин "въглероден резервоар" е превод на английския "carbon sink"

Активността на атмосферния ¹⁴С (¹⁴СО₂) изразява съдържанието (в Bq) на ¹⁴С в единица маса въглеродна изотопна смес на атмосферния СО₂. Обемната активност е съдържанието на ¹⁴С в 1 m³ въздух в нормално състояние (Bq/m³).Специфичната активност е съдържанието на ¹⁴С в 1 kg сух въздух (Bq/kg).