Miks on süsinikdioksiidil nii suur mõju kliimale

Orbiidil oleva süsiniku vaatluskeskuse satelliit teeb Maa süsinikdioksiidi taseme täpsed mõõtmised kosmosest. Pilt NASA / JPL kaudu

Jason West, Chapel Hilli Põhja-Carolina ülikool

Minult küsitakse sageli, kuidas võib süsinikdioksiidil olla oluline mõju globaalsele kliimale, kui selle kontsentratsioon on nii väike - vaid 0, 041% Maa atmosfäärist. Ja inimtegevus moodustab sellest summast vaid 32%.

Uurin atmosfääri gaaside olulisust õhusaastes ja kliimamuutustes. Süsinikdioksiidi tugeva kliimamõju võtmeks on võime absorbeerida meie planeedi pinnalt eralduvat soojust, hoides sellel kosmosest välja päästa.

Teadlase Charles David Keelingi nimeline 'Keelingu kõver' jälgib süsinikdioksiidi kogunemist Maa atmosfääri, mõõdetuna osades miljoni kohta. Pilt Scrippsi okeanograafiainstituudi kaudu.

Varajane kasvuhooneteadus

Teadlased, kes tuvastasid süsinikdioksiidi tähtsuse kliimale 1850. aastatel, olid samuti üllatunud selle mõjust. Eraldi töötades leidsid John Tyndall Inglismaal ja Eunice Foote USA-s, et süsihappegaas, veeaur ja metaan neelasid kõik soojust, rikkalikumad gaasid aga mitte.

Teadlased olid juba välja arvutanud, et Maa oli umbes 59 kraadi Fahrenheiti (33 kraadi Celsiuse järgi) soojem, kui peaks olema, arvestades selle pinnale jõudva päikesevalguse hulka. Parim selgitus sellele lahknevusele oli see, et atmosfäär säilitas planeedi soojendamiseks soojust.

Tyndall ja Foote näitasid, et lämmastik ja hapnik, mis moodustavad kokku 99% atmosfäärist, ei mõjutanud Maa temperatuuri praktiliselt, kuna nad ei ima soojust. Pigem leidsid nad, et palju väiksemates kontsentratsioonides olevad gaasid vastutavad täielikult temperatuuri säilitamise eest, mis muutis Maa elamiskõlblikuks, püüdes soojust loodusliku kasvuhooneefekti loomiseks.

Tekk atmosfääri

Maa võtab pidevalt energiat päikeselt ja kiirgab seda tagasi kosmosesse. Selleks, et planeedi temperatuur püsiks, tuleb päikeselt saadavat netosoojust tasakaalustada väljuva soojusega, mida see eraldab.

Kuna päike on kuum, eraldab see energiat lühilainekiirguse kujul peamiselt ultraviolettkiirguse ja nähtava lainepikkuse korral. Maa on palju jahedam, nii et see eraldab soojust infrapunakiirgusena, millel on pikemad lainepikkused.

Elektromagnetiline spekter on igat tüüpi EM-kiirguse vahemik - energia, mis liigub ja hajub edasi. Päike on palju kuumem kui Maa, seetõttu kiirgab see kõrgemal energiatasemel kiirgust, mille lainepikkus on lühem. Pilt NASA kaudu.

Süsinikdioksiidil ja muudel soojust püüdvatel gaasidel on molekulaarstruktuur, mis võimaldab neil neelata infrapunakiirgust. Sidemed molekuli aatomite vahel võivad vibreerida teatud viisidel, nagu näiteks klaverikeele samm. Kui footoni energia vastab molekuli sagedusele, neeldub see ja selle energia kandub molekuli.

Süsinikdioksiidil ja muudel soojust püüdvatel gaasidel on kolm või enam aatomit ja sagedust, mis vastavad Maa kiirgavale infrapunakiirgusele. Hapnik ja lämmastik, mille molekulides on vaid kaks aatomit, ei ima infrapunakiirgust.

Enamik päikesest saabuvat lühilainekiirgust läbib atmosfääri ilma neeldumiseta. Kuid enamik väljuvat infrapunakiirgust neelab atmosfääris soojust püüdvad gaasid. Siis võivad nad selle kuumuse vabastada või uuesti kiirgata. Mõni naaseb Maa pinnale, hoides seda soojemaks, kui see muidu oleks.

Maa võtab päikeseenergiat päikeselt (kollane) ja tagastab energia tagasi kosmosesse, peegeldades sissetulevat valgust ja kiirgades soojust (punane). Kasvuhoonegaasid püüavad osa sellest soojusest lõksu ja suunavad selle tagasi planeedi pinnale. Pilt NASA / Wikimedia kaudu.

Soojusülekande uuringud

Külma sõja ajal uuriti põhjalikult paljude erinevate gaaside infrapunakiirguse neeldumist. Tööd juhtis USA õhuvägi, mis töötas välja kuumust otsivaid rakette ja pidi mõistma, kuidas tuvastada õhku läbivat soojust.

See uurimistöö võimaldas teadlastel mõista kõigi Päikesesüsteemi planeetide kliimat ja atmosfääri koostist, jälgides nende infrapuna allkirju. Näiteks Veenuse temperatuur on umbes 870 F (470 C), kuna tema paks atmosfäär sisaldab 96, 5% süsinikdioksiidi.

Samuti teatati ilmateadetest ja kliimamudelitest, võimaldades neil kvantifitseerida, kui palju infrapunakiirgust atmosfääris säilib ja Maa pinnale tagasi jõuab.

Mõnikord küsivad inimesed minu käest, miks on süsinikdioksiid kliima jaoks oluline, arvestades, et veeaur neelab rohkem infrapunakiirgust ja need kaks gaasi neelavad mitmel ja samal lainepikkusel. Põhjus on see, et Maa ülemine atmosfäär kontrollib kosmosesse pääsevat kiirgust. Ülemine atmosfäär on palju vähem tihe ja sisaldab palju vähem veeauru kui maapinna lähedal, mis tähendab, et rohkema süsinikdioksiidi lisamine mõjutab oluliselt seda, kui palju infrapunakiirgust kosmosesse pääseb.

Kasvuhooneefekti jälgimine

Kas olete kunagi märganud, et kõrbed on öösel sageli külmemad kui metsad, isegi kui nende keskmised temperatuurid on samad? Kui atmosfääris pole kõrbetes palju veeauru, pääseb nende eralduv kiirgus kergesti kosmosesse. Niiskemates piirkondades jääb pinnakiirgus õhku veeaurudesse. Samamoodi on pilves ööd tavaliselt soojemad kui selged ööd, kuna seal on rohkem veeauru.

Süsinikdioksiidi mõju võib näha varasemates kliimamuutustes. Viimase miljoni aasta jääsüdamikud on näidanud, et süsihappegaasi kontsentratsioon oli soojadel perioodidel kõrge - umbes 0, 028%. Jääaegadel, kui Maa oli 20. sajandist umbes 7–13 F (4–7 ° C) jahedam, moodustas süsinikdioksiid atmosfäärist vaid umbes 0, 018%.

Ehkki veeaur on loodusliku kasvuhooneefekti jaoks olulisem, on süsinikdioksiidi muutused tinginud temperatuurimuutused minevikus. Seevastu atmosfääri veeauru tase reageerib temperatuurile. Kuna Maa soojeneb, võib selle atmosfäär hoida rohkem veeauru, mis võimendab esialgset soojenemist protsessis, mida nimetatakse veeauru tagasisideks. Seetõttu on süsinikdioksiidi kõikumised kontrollinud varasemaid kliimamuutusi.

Väike muudatus, suured efektid

Ei tohiks olla üllatav, et väikesel hulgal atmosfääri süsinikdioksiidil võib olla suur mõju. Võtame tablette, mis on väike osa meie kehamassist, ja eeldame, et need mõjutavad meid.

Täna on süsinikdioksiidi tase kõrgem kui kunagi varem inimkonna ajaloos. Teadlased nõustuvad laialdaselt, et Maa keskmine pinnatemperatuur on juba alates 1880. aastatest tõusnud umbes 2 F (1 C) ja et inimese põhjustatud süsinikdioksiidi ja muude soojust püüdvate gaaside suurenemine on äärmiselt vastutav.

Ilma heitkoguste kontrollimise meetmeteta võib süsinikdioksiid jõuda aastaks 2100 atmosfääri 0, 1% -ni, mis on üle kolmekordse taseme enne tööstusrevolutsiooni. See oleks kiirem muutus kui üleminekud Maa minevikus, millel olid tohutud tagajärjed. Ilma meetmeteta tekitab see väike atmosfääri killuke suuri probleeme.

Jason West, Põhja-Carolina ülikooli keskkonnateaduste ja tehnikateaduste professor Chapel Hillis

See artikkel on avaldatud väljaandes The Conversation Creative Commonsi litsentsi all. Lugege algset artiklit.

Alumine rida: keskkonnateadlane selgitab, miks süsihappegaasil - CO2 - on nii suur mõju Maa atmosfäärile ja kasvuhooneefektile.