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

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

أنا أدرس أهمية الغازات في الغلاف الجوي ل تلوث 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. معهد سكريبس لعلوم المحيطات, CC BY

علم الدفيئة المبكر

فوجئ العلماء الذين حددوا لأول مرة أهمية ثاني أكسيد الكربون بالمناخ في 1850s بتأثيره. تعمل بشكل منفصل ، جون تيندال في انكلترا و يونيس فوت في الولايات المتحدة وجدت أن ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء والميثان تمتص جميعها الحرارة ، في حين أن غازات أكثر وفرة لم تمتص.

كان العلماء قد حسبوا بالفعل أن الأرض كانت تقارب 59 درجة فهرنهايت (33 degree Celsius) أكثر دفئا مما ينبغي أن يكون، بالنظر إلى كمية ضوء 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 ، لم يكن 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 ، وذلك من خلال محاصرة الحرارة لإنشاء تأثير الدفيئة الطبيعية.

بطانية في الغلاف الجوي

تتلقى الأرض الطاقة باستمرار من الشمس وتشعها في الفضاء. لكي 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 الإشعاع الكهرومغناطيسي - الطاقة التي تنتشر وتنتشر كما هي. الشمس أكثر سخونة من الأرض ، لذلك تنبعث منها الإشعاع عند مستوى طاقة أعلى ، والذي يكون له طول موجي أقصر. وكالة 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 ثلاثة 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. ناسا عبر 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 ، فينوس هو حول 870 F (470 C) لأن الغلاف الجوي السميك هو 96.5٪ 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. الغلاف الجوي العلوي هو أقل كثافة بكثير ويحتوي على بخار ماء أقل بكثير من بالقرب من الأرض ، مما يعني ذلك مضيفا المزيد من ثاني أكسيد الكربون يؤثر بشكل كبير مقدار الأشعة تحت الحمراء يهرب إلى الفضاء.

ترتفع مستويات ثاني أكسيد الكربون وتنخفض في جميع أنحاء العالم ، وتتغير موسميًا مع نمو النباتات وتآكلها.

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. أظهرت النوى الجليدية منذ أكثر من مليون عام أن تركيزات ثاني أكسيد الكربون كانت عالية خلال الفترات الدافئة - حوالي 0.028٪. خلال العصور الجليدية ، متى كانت الأرض تقريبًا 7 إلى 13 F (4-7 C) أكثر برودة من القرن 20th ، يتكون ثاني أكسيد الكربون فقط حول 0.018٪ من الجو.

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. كما تصبح الأرض أكثر دفئا ، لها الجو يمكن أن يحمل المزيد من بخار الماء، التي تضخيم الاحترار الأولي في عملية تسمى "ردود فعل بخار الماء". الاختلافات في ثاني أكسيد الكربون وبالتالي كان السيطرة على النفوذ على التغيرات المناخية الماضية.

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 أن متوسط ​​درجة حرارة سطح الأرض زاد بالفعل بنحو 2 F (1 C) منذ 1880s ، وهذه الزيادات التي يسببها الإنسان في ثاني أكسيد الكربون والغازات الأخرى التي تسحب الحرارة من المرجح للغاية أن تكون مسؤولة.

بدون عمل للسيطرة على الانبعاثات ، قد يصل ثاني أكسيد الكربون إلى 0.1٪ من الغلاف الجوي بواسطة 2100، أكثر من ثلاثة أضعاف المستوى قبل الثورة الصناعية. هذا سيكون تغيير أسرع من التحولات في الماضي الأرض كان له عواقب وخيمة. بدون عمل ، فإن هذا الجزء الصغير من الغلاف الجوي سوف يسبب مشاكل كبيرة.

نبذة عن الكاتب

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

يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. إقرأ ال المقال الأصلي.

books_causes