Супутник орбітальної обсерваторії вуглецю проводить точні вимірювання рівня вуглекислого газу Землі з космосу. НАСА / JPL

Мене часто запитують, як вуглекислий газ може мати важливий вплив на світовий клімат, коли його концентрація настільки мала - просто 0.041% земної атмосфери. І людська діяльність відповідає за це всього 32% від цієї суми.

Я вивчаю значення атмосферних газів для забруднення повітря та зміни клімату. Ключовим фактором сильного впливу вуглекислого газу на клімат є його здатність поглинати тепло, що випромінюється з поверхні нашої планети, не даючи йому вийти в космос.

«Крива Кілінга», названа вченим Чарльзом Девідом Кілінг, відстежує накопичення вуглекислого газу в атмосфері Землі, виміряне частками на мільйон. Скріппсовскій океанографічний інститут, CC BY

Рання теплична наука

Вчені, які вперше визначили важливість вуглекислого газу для клімату в 1850, також були здивовані його впливом. Працюючи окремо, Джон Тиндалл в Англії та Юніс Фут у США встановили, що вуглекислий газ, водяна пара та метан поглинають тепло, тоді як більш рясні гази цього не роблять.

Вчені вже підрахували, що Земля становить приблизно 59 градусів Фаренгейта (33 градусів Цельсія) тепліше, ніж має бути, враховуючи кількість сонячного світла, що досягає його поверхні. Найкращим поясненням цієї розбіжності було те, що атмосфера зберігала тепло для нагрівання планети.

Тіндалл і Фут показали, що азот і кисень, які разом складають 99% атмосфери, по суті не впливають на температуру Землі, оскільки не поглинають тепло. Швидше вони виявили, що гази, присутні в набагато менших концентраціях, повністю відповідальні за підтримку температури, яка зробила Землю придатною для життя, захоплюючи тепло для створення природний парниковий ефект.

Ковдра в атмосфері

Земля постійно отримує енергію від сонця і випромінює її назад у космос. Щоб температура планети залишалася постійною, чисте тепло, яке вона отримує від сонця, має бути збалансоване за рахунок виходу тепла, яке воно випромінює.

Оскільки сонце спекотне, воно виділяє енергію у вигляді короткохвильового випромінювання переважно на ультрафіолетовій та видимій довжинах хвиль. Земля набагато прохолодніша, тому вона випромінює тепло як інфрачервоне випромінювання, яке має більшу довжину хвилі.

Електромагнітний спектр - це діапазон усіх видів ЕМ-випромінювання - енергії, яка рухається і поширюється в міру її проходження. Сонце набагато спекотніше Землі, тому воно випромінює випромінювання з більш високим енергетичним рівнем, який має меншу довжину хвилі. НАСА

Вуглекислий газ та інші теплозахоплюючі гази мають молекулярні структури, які дозволяють їм поглинати інфрачервоне випромінювання. Зв'язки між атомами в молекулі можуть вібрувати особливими способами, як крок струни фортепіано. Коли енергія фотона відповідає частоті молекули, вона поглинається і її енергія передається молекулі.

Вуглекислий газ та інші теплозахоплюючі гази мають три або більше атомів і частот, які відповідають інфрачервоному випромінюванню, випромінюваному Землею. Кисень і азот, що мають лише два атоми в своїх молекулах, не поглинають інфрачервоне випромінювання.

Більшість надходить короткохвильового випромінювання від сонця проходить через атмосферу, не поглинаючись. Але більшість інфрачервоних випромінювань поглинаються тепловими газами в атмосфері. Тоді вони можуть виділяти або повторно випромінювати це тепло. Деякі повертаються на поверхню Землі, зберігаючи її тепліше, ніж це було б інакше.

Земля отримує сонячну енергію від сонця (жовта) і повертає енергію назад у космос, відбиваючи деяке надходить світло і випромінюючи тепло (червоне). Парникові гази захоплюють частину цього тепла і повертають його на поверхню планети. НАСА через Вікімедію

Дослідження щодо передачі тепла

Під час холодної війни поглиблено вивчалось поглинання інфрачервоного випромінювання багатьма різними газами. Роботою керували ВВС США, які розробляли ракети, що шукають тепло, і потрібно було зрозуміти, як виявити тепло, що проходить через повітря.

Це дослідження дозволило вченим зрозуміти клімат і атмосферний склад усіх планет Сонячної системи, спостерігаючи їх інфрачервоні сигнатури. Наприклад, у Венери близько 870 F (470 C), оскільки її густа атмосфера 96.5% вуглекислого газу.

Він також повідомив прогноз погоди та кліматичні моделі, що дозволило їм кількісно визначити, скільки інфрачервоного випромінювання утримується в атмосфері та повертається на поверхню Землі.

Люди іноді запитують мене, чому вуглекислий газ важливий для клімату, враховуючи, що водяна пара поглинає більше інфрачервоного випромінювання, а два гази поглинають на кількох однакових довжинах хвиль. Причина полягає в тому, що верхня земна атмосфера контролює випромінювання, яке потрапляє в космос. Верхня атмосфера набагато менш щільна і містить набагато менше водяної пари, ніж поблизу землі, а це означає, що додавання більше вуглекислого газу суттєво впливає скільки інфрачервоного випромінювання потрапляє в космос.

Рівень вуглекислого газу збільшується і падає по всьому світу, сезонно змінюючись ростом і занепадом рослин.

Спостереження за парниковим ефектом

Ви ніколи не помічали, що пустелі часто холодніші вночі, ніж ліси, навіть якщо їх середня температура однакова? Не маючи великої кількості водяної пари в атмосфері над пустелями, радіація, яку вони виділяють, швидко вилітає в космос. У більш вологих регіонах випромінювання з поверхні затримується водяною парою в повітрі. Так само похмурі ночі, як правило, тепліші, ніж ясні ночі, оскільки більше водяної пари.

Вплив вуглекислого газу можна побачити в минулих змінах клімату. Крижані ядра останніх мільйонів років показали, що концентрація вуглекислого газу в теплі періоди була високою - близько 0.028%. Під час крижаних віків, коли Земля була приблизно від 7 до 13 F (4-7 C) кулер, ніж у 20 столітті, вуглекислий газ лише близько 0.018% атмосфери.

Незважаючи на те, що водяна пара важливіша для природного парникового ефекту, зміни вуглекислого газу спричинили минулі зміни температури. Навпаки, рівень водяної пари в атмосфері відповідає температурі. Коли Земля стає теплішою, її атмосфера може утримувати більше водяної пари, Яка посилює початкове потепління у процесі, який називають "зворотним зв'язком з водною парою". Варіації вуглекислого газу тому були контролюючий вплив про минулі зміни клімату.

Невеликі зміни, великі ефекти

Не дивно, що невелика кількість вуглекислого газу в атмосфері може мати великий ефект. Ми приймаємо таблетки, які є невеликою часткою нашої маси тіла, і сподіваємось, що вони вплинуть на нас.

Сьогодні рівень вуглекислого газу вище, ніж будь-коли в історії людства. Вчені широко погоджуються, що середня температура поверхні Землі вже збільшився приблизно на 2 F (1 C), починаючи з 1880, і що спричинене людиною збільшення вуглекислого газу та інших теплозахоплюючих газів є вкрай вірогідно нести відповідальність.

Без дій щодо контролю викидів, вуглекислий газ може досягти 0.1% атмосфери за 2100, що більш ніж втричі перевищує рівень до промислової революції. Це було б швидша зміна, ніж переходи в минулому Землі це мало величезні наслідки. Без дій ця маленька ковзання атмосфери спричинить великі проблеми.

про автора

Джейсон Вест, професор екологічних наук та техніки, Університет Північної Кароліни на Чапел-Хілл

Ця стаття перевидана з Бесіда за ліцензією Creative Commons. Читати оригінал статті.

книги_причини