Hvorfor kuldioxid har så stor indflydelse på jordens klima

Jeg bliver ofte spurgt, hvordan kuldioxid kan have en vigtig effekt på det globale klima, når dets koncentration er så lille - kun 0,041 % af Jordens atmosfære. Og menneskelige aktiviteter er ansvarlige for kun 32% af dette beløb.

Jeg studerer betydningen af ​​atmosfæriske gasser for luftforurening og klimaændringer. Nøglen til kuldioxids stærke indflydelse på klimaet er dens evne til at absorbere varme, der udsendes fra vores planets overflade, forhindrer det i at flygte ud i rummet.

Tidlig drivhusvidenskab

De videnskabsmænd, der først identificerede kuldioxids betydning for klimaet i 1850'erne, blev også overrasket over dens indflydelse. Arbejder separat, John Tyndall i England og Eunice Foote i USA fandt ud af, at kuldioxid, vanddamp og metan absorberede alle varme, mens mere rigelige gasser ikke gjorde det.

Forskere havde allerede beregnet, at Jorden var omkring 59 grader Fahrenheit (33 grader Celsius) varmere, end den burde være, givet mængden af ​​sollys, der når dens overflade. Den bedste forklaring på denne uoverensstemmelse var, at atmosfæren holdt på varmen for at opvarme planeten.

Tyndall og Foote viste, at nitrogen og oxygen, som tilsammen udgør 99% af atmosfæren, havde stort set ingen indflydelse på Jordens temperatur, fordi de ikke absorberede varme. Hellere, de fandt ud af, at gasser til stede i meget mindre koncentrationer var helt ansvarlige for at opretholde temperaturer, der gjorde Jorden beboelig, ved at fange varme for at skabe en naturlig drivhuseffekt.

Et tæppe i atmosfæren

Jorden modtager konstant energi fra solen og udstråler den tilbage til rummet. For at planetens temperatur forbliver konstant, nettovarmen, den modtager fra solen, skal balanceres af udgående varme, som den afgiver.

Da solen er varm, det afgiver energi i form af kortbølget stråling ved primært ultraviolette og synlige bølgelængder. Jorden er meget køligere, så det udsender varme som infrarød stråling, som har længere bølgelængder.

Kuldioxid og andre varmefangende gasser har molekylære strukturer, der gør dem i stand til at absorbere infrarød stråling. Bindingerne mellem atomer i et molekyle kan vibrere på særlige måder, som tonehøjden på en klaverstreng. Når energien af ​​en foton svarer til molekylets frekvens, det absorberes og dets energi overføres til molekylet.

Kuldioxid og andre varmefangende gasser har tre eller flere atomer og frekvenser, der svarer til infrarød stråling udsendt af Jorden. Ilt og nitrogen, med kun to atomer i deres molekyler, absorberer ikke infrarød stråling.

Det meste af indkommende kortbølget stråling fra solen passerer gennem atmosfæren uden at blive absorberet. Men det meste af udgående infrarød stråling absorberes af varmefangende gasser i atmosfæren. Så kan de frigive, eller genudstråle, den varme. Nogle vender tilbage til jordens overflade, holde det varmere, end det ellers ville være.

Forskning i varmetransmission

Under den kolde krig, absorptionen af ​​infrarød stråling af mange forskellige gasser blev undersøgt grundigt. Arbejdet blev ledet af det amerikanske luftvåben, som udviklede varmesøgende missiler og havde brug for at forstå, hvordan man detekterer varme, der passerer gennem luften.

Denne forskning gjorde det muligt for forskere at forstå klimaet og den atmosfæriske sammensætning af alle planeter i solsystemet ved at observere deres infrarøde signaturer. For eksempel, Venus er omkring 870 F (470 C), fordi dens tykke atmosfære er 96,5% kuldioxid.

Det informerede også vejrudsigt og klimamodeller, giver dem mulighed for at kvantificere, hvor meget infrarød stråling, der tilbageholdes i atmosfæren og returneres til Jordens overflade.

Folk spørger mig nogle gange, hvorfor kuldioxid er vigtigt for klimaet, givet, at vanddamp absorberer mere infrarød stråling, og de to gasser absorberer ved flere af de samme bølgelængder. Årsagen er, at Jordens øvre atmosfære styrer den stråling, der slipper ud i rummet. Den øvre atmosfære er meget mindre tæt og indeholder meget mindre vanddamp end nær jorden, hvilket betyder, at tilsætning af mere kuldioxid har væsentlig indflydelse på, hvor meget infrarød stråling, der slipper ud i rummet.

At observere drivhuseffekten

Har du nogensinde bemærket, at ørkener ofte er koldere om natten end skove, selvom deres gennemsnitstemperaturer er de samme? Uden meget vanddamp i atmosfæren over ørkener, den stråling, de afgiver, slipper let ud i rummet. I mere fugtige områder fanges stråling fra overfladen af ​​vanddamp i luften. Tilsvarende overskyede nætter har en tendens til at være varmere end klare nætter, fordi der er mere vanddamp til stede.

Påvirkningen af ​​kuldioxid kan ses i tidligere ændringer i klimaet. Iskerner fra de seneste millioner år har vist, at kuldioxidkoncentrationerne var høje i varme perioder - omkring 0,028 %. Under istider, da Jorden var omkring 7 til 13 F (4-7 C) køligere end i det 20. århundrede, kuldioxid udgjorde kun omkring 0,018% af atmosfæren.

Selvom vanddamp er vigtigere for den naturlige drivhuseffekt, ændringer i kuldioxid har drevet forbi temperaturændringer. I modsætning, vanddampniveauer i atmosfæren reagerer på temperaturen. Når Jorden bliver varmere, dens atmosfære kan indeholde mere vanddamp, som forstærker den indledende opvarmning i en proces kaldet "vanddampfeedback". Variationer i kuldioxid har derfor været den kontrollerende indflydelse på tidligere klimaændringer.

Lille forandring, store effekter

Det burde ikke være overraskende, at en lille mængde kuldioxid i atmosfæren kan have en stor effekt. Vi tager piller, der er en lille brøkdel af vores kropsmasse og forventer, at de påvirker os.

I dag er niveauet af kuldioxid højere end på noget tidspunkt i menneskehedens historie. Forskere er bredt enige om, at Jordens gennemsnitlige overfladetemperatur allerede er steget med omkring 2 F (1 C) siden 1880'erne, og at menneskeskabte stigninger i kuldioxid og andre varmefangende gasser med stor sandsynlighed er ansvarlige.

Uden handling til at kontrollere emissioner, kuldioxid kan nå op på 0,1 % af atmosfæren i 2100, mere end tredoblet niveauet før den industrielle revolution. Dette ville være en hurtigere ændring end overgange i Jordens fortid, der havde enorme konsekvenser. Uden handling, denne lille flig af atmosfæren vil give store problemer.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.