لماذا يكون لثاني أكسيد الكربون مثل هذا التأثير الضخم على مناخ الأرض

يقوم قمر مدار الكربون المداري بإجراء قياسات دقيقة لمستويات ثاني أكسيد الكربون على الأرض من الفضاء. الصورة عبر ناسا / JPL

بقلم جيسون ويست ، جامعة نورث كارولينا في تشابل هيل

كثيراً ما يُسألني كيف يمكن لثاني أكسيد الكربون أن يكون له تأثير مهم على المناخ العالمي عندما يكون تركيزه صغيراً للغاية - 0.041٪ فقط من الغلاف الجوي للأرض. والأنشطة البشرية هي المسؤولة عن 32 ٪ فقط من هذا المبلغ.

أدرس أهمية الغازات الجوية لتلوث الهواء وتغير المناخ. إن مفتاح التأثير القوي لثاني أكسيد الكربون على المناخ هو قدرته على امتصاص الحرارة المنبعثة من سطح كوكبنا ، ومنعه من الهروب إلى الفضاء.

يتتبع "منحنى كيلينغ" ، الذي يحمل اسم العالم تشارلز ديفيد كيلينغ ، تراكم ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي للأرض ، ويقاس بأجزاء من المليون. الصورة عبر معهد سكريبس لعلوم المحيطات.

علم الدفيئة المبكر

فوجئ العلماء الذين حددوا لأول مرة أهمية ثاني أكسيد الكربون للمناخ في خمسينيات القرن التاسع عشر بتأثيره. من خلال العمل بشكل منفصل ، وجد جون تيندال في إنجلترا وإونيس فوتي في الولايات المتحدة أن ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء والميثان تمتص جميعها الحرارة ، في حين أن غازات أكثر وفرة لم تمتص.

حسب العلماء بالفعل أن الأرض كانت حوالي 59 درجة فهرنهايت (33 درجة مئوية) أكثر دفئا مما ينبغي ، بالنظر إلى كمية أشعة الشمس التي تصل إلى سطحه. أفضل تفسير لهذا التناقض هو أن الغلاف الجوي احتفظ بالحرارة لتسخين الكوكب.

أظهر تيندال و فوت أن النيتروجين والأكسجين ، اللذان يمثلان معاً 99٪ من الغلاف الجوي ، ليس لهما أي تأثير على درجة حرارة الأرض لأنها لم تمتص الحرارة. بالأحرى ، وجدوا أن الغازات الموجودة بتركيزات أصغر بكثير كانت مسؤولة تمامًا عن الحفاظ على درجات الحرارة التي جعلت الأرض صالحة للسكن ، من خلال محاصرة الحرارة لإنشاء تأثير طبيعي لظاهرة الاحتباس الحراري.

بطانية في الغلاف الجوي

تتلقى الأرض الطاقة باستمرار من الشمس وتشعها في الفضاء. حتى تظل درجة حرارة الكوكب ثابتة ، يجب موازنة صافي الحرارة التي يستقبلها من الشمس بالحرارة الخارجة التي يطلقها.

نظرًا لأن الشمس حارة ، فإنها تنطلق الطاقة في شكل إشعاع موجة قصيرة بأطوال موجية فوق البنفسجية ومرئية بشكل أساسي. الأرض أكثر برودة بكثير ، لذلك تنبعث منها حرارة مثل الأشعة تحت الحمراء ، التي لها أطوال موجية أطول.

الطيف الكهرومغناطيسي هو مجموعة من جميع أنواع الطاقة الإشعاعية الكهرومغناطيسية التي تنتشر وتنتشر كما هي. الشمس أكثر سخونة من الأرض ، لذلك تنبعث منها الإشعاع عند مستوى طاقة أعلى ، والذي يكون له طول موجي أقصر. الصورة عبر ناسا.

يحتوي ثاني أكسيد الكربون والغازات الأخرى التي تسحب الحرارة على هياكل جزيئية تمكنها من امتصاص الأشعة تحت الحمراء. يمكن أن تهتز الروابط بين الذرات الموجودة في الجزيء بطرق معينة ، مثل درجة سلسلة البيانو. عندما تتوافق طاقة الفوتون مع تردد الجزيء ، يتم امتصاصه وينتقل طاقته إلى الجزيء.

يحتوي ثاني أكسيد الكربون والغازات الأخرى التي تسحب الحرارة على ثلاث ذرات أو أكثر وترددات تتوافق مع الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الأرض. الأكسجين والنيتروجين ، مع ذرتين فقط في جزيئاتهما ، لا تمتص الأشعة تحت الحمراء.

تمر معظم إشعاعات الموجات القصيرة القادمة من الشمس عبر الغلاف الجوي دون امتصاصها. لكن معظم الأشعة تحت الحمراء الصادرة تمتصها غازات تسخن الحرارة في الجو. ثم يمكنهم إطلاق تلك الحرارة أو إعادة إشعاعها. يعود البعض إلى سطح الأرض ، مما يجعله أكثر دفئًا مما هو عليه.

تستقبل الأرض الطاقة الشمسية من الشمس (الصفراء) ، وتعيد الطاقة إلى الفضاء من خلال عكس بعض الضوء الوارد والحرارة المشعة (الحمراء). غازات الدفيئة تصيد بعض تلك الحرارة وتعيدها إلى سطح الكوكب. الصورة عبر ناسا / ويكيميديا.

البحث في انتقال الحرارة

خلال الحرب الباردة ، تمت دراسة امتصاص الأشعة تحت الحمراء من قبل العديد من الغازات المختلفة على نطاق واسع. وقاد العمل من قبل سلاح الجو الأمريكي ، الذي كان يطور صواريخ تسعى للحرارة ويحتاج إلى فهم كيفية اكتشاف الحرارة التي تمر عبر الهواء.

مكّن هذا البحث العلماء من فهم المناخ وتكوين الغلاف الجوي لجميع الكواكب في النظام الشمسي من خلال مراقبة توقيعات الأشعة تحت الحمراء الخاصة بهم. على سبيل المثال ، تبلغ مساحة كوكب الزهرة حوالي 870 فهرنهايت (470 درجة مئوية) لأن الغلاف الجوي السميك له يبلغ 96.5٪ من ثاني أكسيد الكربون.

كما أبلغت توقعات الطقس ونماذج المناخ ، والسماح لهم بتحديد مقدار الإشعاع تحت الأحمر الذي يتم الاحتفاظ به في الغلاف الجوي ويعاد إلى سطح الأرض.

يسألني الناس في بعض الأحيان عن سبب أهمية غاز ثاني أكسيد الكربون في المناخ ، بالنظر إلى أن بخار الماء يمتص المزيد من الأشعة تحت الحمراء ويمتص الغازان في عدة أطوال موجية واحدة. السبب هو أن الغلاف الجوي العلوي للأرض يتحكم في الإشعاع الذي يهرب إلى الفضاء. يكون الغلاف الجوي العلوي أقل كثافة ويحتوي على بخار ماء أقل بكثير من قرب الأرض ، مما يعني أن إضافة المزيد من ثاني أكسيد الكربون يؤثر بشكل كبير على مقدار الأشعة تحت الحمراء التي تهرب إلى الفضاء.

مراقبة تأثير الدفيئة

هل سبق لك أن لاحظت أن الصحارى تكون في الغالب أكثر برودة في الليل من الغابات ، حتى لو كان متوسط ​​درجات الحرارة لها هو نفسه؟ دون وجود الكثير من بخار الماء في الغلاف الجوي فوق الصحاري ، فإن الإشعاع الذي يطلقونه ينطلق بسهولة إلى الفضاء. في المناطق الأكثر رطوبة ، يتم حبس الإشعاع من السطح بواسطة بخار الماء في الهواء. وبالمثل ، تميل الليالي الملبدة بالغيوم إلى أن تكون أكثر دفئًا من الليالي الصافية نظرًا لوجود المزيد من بخار الماء.

يمكن ملاحظة تأثير ثاني أكسيد الكربون في التغيرات السابقة في المناخ. لقد أظهرت النوى الجليدية من أكثر من مليون سنة الماضية أن تركيزات ثاني أكسيد الكربون كانت عالية خلال الفترات الدافئة - حوالي 0.028 ٪. خلال العصور الجليدية ، عندما كانت الأرض حوالي 7 إلى 13 درجة فهرنهايت (4-7 درجة مئوية) عما كانت عليه في القرن العشرين ، كان ثاني أكسيد الكربون يتكون فقط من حوالي 0.018 ٪ من الغلاف الجوي.

على الرغم من أن بخار الماء أكثر أهمية بالنسبة لتأثير الدفيئة الطبيعي ، فإن التغيرات في ثاني أكسيد الكربون أدت إلى تغيرات في درجات الحرارة في الماضي. في المقابل ، تستجيب مستويات بخار الماء في الجو لدرجة الحرارة. عندما تصبح الأرض أكثر دفئًا ، يمكن للغلاف الجوي أن يحتفظ بمزيد من بخار الماء ، مما يضاعف من الاحترار الأولي في عملية تسمى "التغذية بخار الماء". وبالتالي ، فإن الاختلافات في ثاني أكسيد الكربون كانت هي التأثير المسيطر على التغيرات المناخية السابقة.

تغيير صغير ، آثار كبيرة

لا ينبغي أن يكون مفاجئًا أن كمية صغيرة من ثاني أكسيد الكربون في الجو يمكن أن يكون لها تأثير كبير. نحن نأخذ حبوب منع الحمل التي تشكل جزءًا صغيرًا من كتلة الجسم ونتوقع أن تؤثر علينا.

اليوم مستوى ثاني أكسيد الكربون أعلى من أي وقت مضى في تاريخ البشرية. يتفق العلماء على نطاق واسع على أن متوسط ​​درجة حرارة سطح الأرض قد ارتفع بالفعل بنحو 2 فهرنهايت (1 درجة مئوية) منذ الثمانينيات من القرن التاسع عشر ، وأن الزيادات التي يسببها الإنسان في ثاني أكسيد الكربون وغيره من غازات حبس الحرارة من المحتمل أن تكون مسؤولة.

من دون اتخاذ إجراء للتحكم في الانبعاثات ، قد يصل ثاني أكسيد الكربون إلى 0.1٪ من الغلاف الجوي بحلول عام 2100 ، أي أكثر من ثلاثة أضعاف المستوى قبل الثورة الصناعية. سيكون هذا التغيير أسرع من التحولات في ماضي الأرض والتي كانت لها عواقب وخيمة. بدون عمل ، فإن هذا الجزء الصغير من الغلاف الجوي سوف يسبب مشاكل كبيرة.

جيسون ويست ، أستاذ العلوم والهندسة البيئية ، جامعة نورث كارولينا في تشابل هيل

تم إعادة نشر هذه المقالة من The Conversation بموجب ترخيص المشاع الإبداعي. قراءة المقال الأصلي.

خلاصة القول: يشرح عالم بيئي لماذا يكون لثاني أكسيد الكربون - ثاني أكسيد الكربون - تأثير كبير على الغلاف الجوي للأرض وتأثير الدفيئة.