Proč oxid uhličitý má tak velký vliv na klima Země

Satelit pro pozorování uhlíku na oběžné dráze provádí přesné měření hladin oxidu uhličitého Země z vesmíru. Obrázek přes NASA / JPL

Jason West, University of North Carolina v Chapel Hill

Často se mě ptají, jak může oxid uhličitý mít významný vliv na globální klima, když je jeho koncentrace tak malá - jen 0, 041% zemské atmosféry. A lidské aktivity jsou zodpovědné pouze za 32% této částky.

Studuji důležitost atmosférických plynů pro znečištění ovzduší a změnu klimatu. Klíčem k silnému vlivu oxidu uhličitého na klima je jeho schopnost absorbovat teplo emitované z povrchu naší planety a zabránit tak úniku do vesmíru.

Keelingova křivka, pojmenovaná pro vědce Charlese Davida Keelinga, sleduje akumulaci oxidu uhličitého v zemské atmosféře, měřeno v částkách na milion. Obrázek přes Scripps Institution of Oceanography.

Raná skleníková věda

Vědci, kteří poprvé identifikovali význam oxidu uhličitého pro klima v 50. letech 20. století, byli také jeho překvapením překvapeni. John Tyndall v Anglii a Eunice Foote ve Spojených státech pracovali odděleně a zjistili, že oxid uhličitý, vodní pára a metan absorbují teplo, zatímco hojnější plyny ne.

Vědci již počítali, že Země byla asi o 59 stupňů Fahrenheita (33 stupňů Celsia) teplejší, než by měla být, vzhledem k množství slunečního světla, které dosahuje na svůj povrch. Nejlepší vysvětlení této nesrovnalosti bylo, že atmosféra udržovala teplo, aby zahřála planetu.

Tyndall a Foote ukázali, že dusík a kyslík, které společně tvoří 99% atmosféry, neměly v podstatě žádný vliv na teplotu Země, protože neabsorbovaly teplo. Spíše zjistili, že plyny přítomné v mnohem menších koncentracích byly zcela zodpovědné za udržování teplot, díky nimž byla Země obyvatelná tím, že zachytila ​​teplo a vytvořila přirozený skleníkový efekt.

Přikrývka v atmosféře

Země neustále přijímá energii ze slunce a vyzařuje ji zpět do vesmíru. Aby teplota planety zůstala konstantní, musí být čisté teplo, které dostává od slunce, vyváženo odcházejícím teplem, které vydává.

Protože slunce je horké, uvolňuje energii ve formě krátkovlnného záření zejména na ultrafialových a viditelných vlnových délkách. Země je mnohem chladnější, takže vydává teplo jako infračervené záření, které má delší vlnové délky.

Elektromagnetické spektrum je rozsah všech typů energie EM záření that, která putuje a šíří se, jak to jde. Slunce je mnohem teplejší než Země, takže vyzařuje záření na vyšší energetické úrovni, která má kratší vlnovou délku. Obrázek přes NASA.

Oxid uhličitý a další plyny zachycující teplo mají molekulární struktury, které jim umožňují absorbovat infračervené záření. Vazby mezi atomy v molekule mohou vibrovat zvláštním způsobem, jako je výška klavírního řetězce. Když energie fotonu odpovídá frekvenci molekuly, je absorbována a její energie se přenáší na molekulu.

Oxid uhličitý a další plyny zachycující teplo mají tři nebo více atomů a frekvencí, které odpovídají infračervenému záření emitovanému Zemí. Kyslík a dusík s pouhými dvěma atomy v jejich molekulách neabsorbují infračervené záření.

Většina přicházejícího krátkovlnného záření ze slunce prochází atmosférou, aniž by byla absorbována. Ale nejvíce odcházející infračervené záření je absorbováno plyny zachycujícími teplo v atmosféře. Pak mohou toto teplo uvolnit nebo znovu vyzařovat. Někteří se vracejí na zemský povrch a udržují jej teplejší, než by tomu bylo jinak.

Země přijímá sluneční energii ze slunce (žlutá) a vrací energii zpět do vesmíru tím, že odráží nějaké přicházející světlo a vyzařující teplo (červená). Skleníkové plyny zachycují část tohoto tepla a vracejí jej na povrch planety. Obrázek přes NASA / Wikimedia.

Výzkum přenosu tepla

Během studené války byla intenzivně studována absorpce infračerveného záření mnoha různými plyny. Práce byla vedena americkým letectvem, které vyvíjelo rakety pro vyhledávání tepla a muselo pochopit, jak detekovat teplo procházející vzduchem.

Tento výzkum umožnil vědcům pochopit klimatické a atmosférické složení všech planet ve sluneční soustavě pozorováním jejich infračervených podpisů. Například Venuše má teplotu přibližně 470 ° C, protože její hustá atmosféra je 96, 5% oxidu uhličitého.

Informovala také o předpovědi počasí a klimatických modelech, což jim umožnilo kvantifikovat, kolik infračerveného záření zůstává v atmosféře a vrátilo se na zemský povrch.

Lidé se mě někdy ptají, proč je oxid uhličitý pro klima důležitý, protože vodní pára absorbuje více infračerveného záření a oba plyny absorbují na několika stejných vlnových délkách. Důvod je ten, že horní atmosféra Země řídí záření, které uniká do vesmíru. Horní atmosféra je mnohem méně hustá a obsahuje mnohem méně vodní páry než v blízkosti země, což znamená, že přidání více oxidu uhličitého významně ovlivňuje, kolik infračerveného záření uniká do vesmíru.

Pozorování skleníkového efektu

Všimli jste si někdy, že pouště jsou v noci často chladnější než lesy, i když jejich průměrné teploty jsou stejné? Bez velkého množství vodní páry v atmosféře přes pouště, záření, které vydávají, uniká snadno do vesmíru. Ve více vlhkých regionech je záření z povrchu zachyceno vodní párou ve vzduchu. Obdobně jsou zatažené noci teplejší než jasné noci, protože je přítomno více vodní páry.

Vliv oxidu uhličitého lze vidět v minulých změnách klimatu. Ledová jádra z posledních milionů let ukázala, že koncentrace oxidu uhličitého byla v teplých obdobích vysoká - asi 0, 028%. Během ledových dob, kdy byla Země o 4 až 7 ° C chladnější než ve 20. století, tvořil oxid uhličitý pouze asi 0, 018% atmosféry.

I když vodní pára je pro přírodní skleníkový efekt důležitější, změny oxidu uhličitého způsobily změny teploty v minulosti. Naproti tomu hladiny vodní páry v atmosféře reagují na teplotu. S tím, jak se Země otepluje, může její atmosféra zadržovat více vodní páry, což zesiluje počáteční oteplování v procesu zvaném „zpětná vazba vodní páry“. Změny v oxidu uhličitém byly proto rozhodujícím vlivem na změny klimatu v minulosti.

Malá změna, velké efekty

Nemělo by být překvapivé, že malé množství oxidu uhličitého v atmosféře může mít velký účinek. Bereme pilulky, které jsou nepatrným zlomkem naší tělesné hmoty, a očekáváme, že nás ovlivní.

Dnes je hladina oxidu uhličitého vyšší než kdykoli v lidské historii. Vědci obecně souhlasí s tím, že průměrná povrchová teplota Země se již od osmdesátých let minulého století zvýšila přibližně o 2 ° F (1 F), a že extrémně pravděpodobně bude odpovědný nárůst oxidu uhličitého a dalších plynů zachycujících teplo.

Bez opatření k regulaci emisí by mohl oxid uhličitý do roku 2100 dosáhnout 0, 1% atmosféry, což je více než trojnásobek úrovně před průmyslovou revolucí. To by byla rychlejší změna než přechody v minulosti Země, což mělo obrovské důsledky. Bez akce způsobí tento malý kousek atmosféry velké problémy.

Jason West, profesor environmentálních věd a inženýrství, University of North Carolina v Chapel Hill

Tento článek je znovu publikován z konverzace na základě licence Creative Commons. Přečtěte si původní článek.

Sečteno a podtrženo: Environmentální vědec vysvětluje, proč oxid uhličitý - CO2 - má tak velký vliv na zemskou atmosféru a skleníkový efekt.