Forskare från NOAA och University of Colorado har tagit fram en banbrytande metod för att uppskatta nationella utsläpp av koldioxid från fossila bränslen med hjälp av omgivande luftprover och en välkänd isotop av kol som forskare har förlitat sig på i årtionden hittills i arkeologiska platser.

I en artikel publicerad i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences , de rapporterar den första uppskattningen någonsin i nationell skala av koldioxid som härrör från fossila bränslen (CO ₂ ) utsläpp som erhålls genom att observera CO ₂ och dess naturligt förekommande radioisotop, kol-14, från luftprover som samlats in av NOAA:s Global Greenhouse Gas Reference Network.

Kol-14, eller ¹⁴ C, en mycket sällsynt isotop av kol skapad till stor del av kosmiska strålar, har en halveringstid på 5, 700 år. Kolet i fossila bränslen har begravts i miljontals år och är därför helt saknat 14 C. Noggrann laboratorieanalys kan identifiera graden av 14 C-utarmning av CO ₂ i diskreta luftprover, vilket återspeglar bidraget från förbränning av fossila bränslen och cementtillverkning (som också har nr 14 C), annars känd som "fossil CO ₂ " bidrag. Att känna till platsen, datum och tid då luftproverna togs, forskargruppen använde en modell för atmosfärisk transport för att lösa upp CO ₂ variationer på grund av förbränning av fossila bränslen från andra naturliga källor och sänkor, och spårade de konstgjorda variationerna till den fossila CO ₂ källor vid ytan.

En ny metod för att utvärdera inventarier

"Detta är en ny, självständig, och objektiv metod för att utvärdera utsläppsinventeringar som är baserad på vad vi faktiskt observerar i atmosfären, " sa huvudförfattaren Sourish Basu, som var en CIRES-forskare som arbetade vid NOAA under studien. Han är nu vetenskapsman vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Maryland.

Medan kopplingen mellan fossil CO ₂ utsläpp och atmosfärisk 14C har varit känt i många decennier, konstruktionen av en nationell utsläppsberäkning baserad på atmosfäriska ¹⁴ C krävde en samtidig utveckling av exakta mättekniker och ett ramverk för uppskattning av utsläpp, till stor del spetsen under de senaste 15 åren av NOAA-forskaren John Miller och University of Colorado-forskaren Scott Lehman.

"Carbon-14 tillåter oss att dra tillbaka slöjan och isolera CO ₂ släpps ut från förbränning av fossila bränslen, sa Lehman, en av tidningens författare. "Det ger oss ett spårämne som vi kan spåra till källor på marken. "Vi kan sedan lägga ihop dessa och jämföra med andra utsläppsuppskattningar på olika tids- och rymdskalor."

Bottom-up vs top-down

Att noggrant beräkna utsläpp av koldioxid från förbränning av fossila bränslen har utmanat forskare i flera år. De två primära metoder som används för närvarande - "bottom up" inventeringar och "top down" atmosfäriska studier som används i regionala kampanjer - har var och en sina styrkor och svagheter.

"Bottom-up" uppskattningar, såsom de som används i EPA Inventory of U.S. Greenhouse Gas Emissions and Sinks, utvecklas genom att räkna CO ₂ utsläpp från olika processer och bränsletyper, och sedan skala upp utsläppen baserat på register över användning av fossila bränslen. I kontrast, "top-down" uppskattningar är baserade på uppmätta förändringar i koncentrationerna av emitterade gaser i atmosfären och vindmönster som förbinder ytkällsområdena med mätplatserna.

Bottom-up-inventeringar kan ge mer detaljer än top-down-metoder, men deras noggrannhet beror på förmågan att spåra alla utsläppsprocesser och deras intensitet hela tiden, vilket är en i och för sig svår uppgift med osäkerheter som inte lätt kan kvantifieras. Top-down-studier begränsas av densiteten av atmosfäriska mätningar och vår kunskap om atmosfäriska cirkulationsmönster men tar implicit hänsyn till alla möjliga sektorer av ekonomin som släpper ut CO ₂

Teamet konstruerade årliga och månatliga top-down fossil CO ₂ utsläppsuppskattningar för USA för 2010, det första året med tillräckligt med atmosfäriska prover för att ge robusta resultat. Som en jämförelsepunkt, de jämförde sina siffror med uppskattningar från en nyligen publicerad U.S. Environmental Protection Agency (EPA) rapport om 2010 års utsläpp. Teamets uppskattning av USA:s årliga totala utsläpp 2010 var 5 procent högre än EPA:s centrala uppskattning. Den nya uppskattningen är också betydligt högre än de från andra lager som vanligtvis används i globala och regionala CO ₂ forskning. Å andra sidan, de atmosfäriska resultaten verkar överensstämma med en nyligen genomförd uppdatering av Vulcans amerikanska utsläppsdataprodukt utvecklad av forskare vid Northern Arizona University.

Eftersom dessa var de första uppskattningarna som konstruerades med det nya observationssystemet, forskare varnade för att de borde betraktas som provisoriska. Nu är de upptagna med att tillämpa metoden på mätningar från efterföljande år, för att avgöra om skillnaderna de ser är robusta över tid.

En av fördelarna med detta tillvägagångssätt, enligt forskarna, är det med en utökad ¹⁴ C mätnätverk, det finns potential att beräkna utsläpp från olika regioner – information som skulle öka EPA:s nationella totalsummor. Stater som Kalifornien och samlingar av stater som medlemmarna i det östra regionala växthusgasinitiativet har skapat sina egna mål för minskning av växthusgaser, och förmågan att självständigt utvärdera regionala utsläpp med hjälp av top-down-metoder skulle hjälpa till att utvärdera regionala utsläppsminskningar.

"Oberoende verifiering av årliga och regionala summor och fleråriga trender med hjälp av oberoende metoder som denna skulle främja förtroendet för riktigheten av utsläppsrapporteringen, och kan hjälpa till att vägleda framtida strategier för att minska utsläppen, " sa NOAA-forskaren John Miller.