Как именно углекислый газ вызывает глобальное потепление?
Молекулы CO2 составляют лишь небольшой процент атмосферы, но их влияние на наш климат огромно. Причина сводится к физике и химии.
Сара Фехт
25 февраля 2021 г.
«Вы спрашивали» — это серия, в которой эксперты Института Земли отвечают на вопросы читателей о науке и устойчивом развитии. За последние несколько лет мы получили много вопросов об углекислом газе — как он удерживает тепло, как он может иметь такой большой эффект, если он составляет лишь крошечный процент атмосферы, и многое другое. С помощью Джейсона Смердона, климатолога из Земной обсерватории Ламонта-Доэрти Колумбийского университета, мы отвечаем здесь на некоторые из этих вопросов.
Как углекислый газ задерживает тепло?
Вы, наверное, уже читали, что углекислый газ и другие парниковые газы действуют как одеяло или колпак, улавливая часть тепла, которое Земля могла бы излучать в космос. Это простой ответ. Но как именно определенные молекулы удерживают тепло? Ответ там требует погружения в физику и химию.
Упрощенная диаграмма, показывающая, как Земля преобразует солнечный свет в инфракрасную энергию.Парниковые газы, такие как углекислый газ и метан, поглощают инфракрасную энергию, переизлучая часть ее обратно на Землю, а часть — в космос. Предоставлено: свободный галстук на Викискладе.
Когда солнечный свет достигает Земли, поверхность поглощает часть энергии света и переизлучает ее в виде инфракрасных волн, которые мы воспринимаем как тепло. (Проведите рукой по темному камню в теплый солнечный день, и вы сами сможете ощутить это явление.) Эти инфракрасные волны поднимаются в атмосферу и уходят обратно в космос, если им не препятствовать.
Кислород и азот не мешают инфракрасным волнам в атмосфере. Это потому, что молекулы разборчивы в диапазоне длин волн, с которыми они взаимодействуют, объяснил Смердон. Например, кислород и азот поглощают энергию с плотно упакованными длинами волн около 200 нанометров или меньше, тогда как инфракрасная энергия распространяется с более широкими и ленивыми длинами волн от 700 до 1 000 000 нанометров. Эти диапазоны не перекрываются, поэтому для кислорода и азота инфракрасные волны как будто вообще не существуют; они позволяют волнам (и теплу) свободно проходить через атмосферу.
Диаграмма, показывающая длины волн различных видов энергии. Энергия Солнца достигает Земли в основном в виде видимого света. Земля переизлучает эту энергию в виде инфракрасной энергии, которая имеет более длинную и медленную длину волны. В то время как кислород и азот не реагируют на инфракрасные волны, парниковые газы реагируют. Кредит: НАСА
С CO2 и другими парниковыми газами дело обстоит иначе. Углекислый газ, например, поглощает энергию на различных длинах волн от 2 000 до 15 000 нанометров — диапазон, который совпадает с диапазоном инфракрасной энергии. Когда CO2 поглощает эту инфракрасную энергию, он вибрирует и повторно излучает инфракрасную энергию обратно во всех направлениях. Около половины этой энергии уходит в космос, а около половины возвращается на Землю в виде тепла, что способствует «парниковому эффекту».
Измеряя длины волн инфракрасного излучения, достигающего поверхности, ученые знают, что углекислый газ, озон и метан вносят значительный вклад в повышение глобальной температуры. Авторы и права: Эванс, 2006 г., Skeptical Science.
Смердон говорит, что причина, по которой некоторые молекулы поглощают инфракрасные волны, а некоторые нет, «зависит от их геометрии и состава». Он объяснил, что молекулы кислорода и азота просты — каждая из них состоит только из двух атомов одного и того же элемента — что сужает их движения и разнообразие длин волн, с которыми они могут взаимодействовать. Но парниковые газы, такие как CO2 и метан, состоят из трех или более атомов, что дает им больше возможностей растягиваться, изгибаться и скручиваться. Это означает, что они могут поглощать более широкий диапазон длин волн, включая инфракрасные волны.
Как я могу лично убедиться, что CO2 поглощает тепло?
В качестве эксперимента, который можно провести дома или в классе, Смердон рекомендует наполнить одну бутылку с газировкой CO2 (возможно, из автомата по продаже газированных напитков), а вторую бутылку наполнить воздухом из окружающей среды. «Если вы поместите их обоих на нагревательную лампу, баллон с CO2 нагреется намного сильнее, чем баллон с обычным воздухом», — говорит он. Он рекомендует проверять температуру бутылок бесконтактным инфракрасным термометром. Вы также должны убедиться, что вы используете один и тот же стиль бутылок для каждой, и что обе бутылки получают одинаковое количество света от лампы. Вот видео похожего эксперимента:
Более сложный с точки зрения логистики эксперимент, который рекомендует Смердон, включает размещение инфракрасной камеры и свечи на противоположных концах закрытой трубы. Когда трубка заполнена окружающим воздухом, камера четко улавливает инфракрасное тепло от свечи. Но как только трубка заполняется углекислым газом, инфракрасное изображение пламени исчезает, потому что СО2 в трубке поглощает и рассеивает тепло от свечи во всех направлениях и, следовательно, размывает изображение свечи.В сети есть несколько видео эксперимента, в том числе и это:
Почему углекислый газ пропускает тепло, но не отдает?
Энергия входит в нашу атмосферу в виде видимого света, тогда как она пытается уйти в виде инфракрасной энергии. Другими словами, «энергия, поступающая на нашу планету от Солнца, поступает в одной валюте, а уходит в другой», — сказал Смердон.
Молекулы CO2 на самом деле не взаимодействуют с длинами волн солнечного света. Только после того, как Земля поглотит солнечный свет и излучит энергию в виде инфракрасных волн, CO2 и другие парниковые газы смогут поглотить энергию.
Как CO2 может улавливать столько тепла, если он составляет всего 0,04% атмосферы? Не расположены ли молекулы слишком далеко друг от друга?
До того, как люди начали сжигать ископаемое топливо, естественные парниковые газы помогли сделать климат Земли пригодным для жизни. Без них средняя температура планеты была бы ниже нуля. Итак, мы знаем, что даже очень низкие естественные уровни углекислого газа и других парниковых газов могут иметь огромное значение для климата Земли.
Сегодня уровни CO2 выше, чем они были по крайней мере за 3 миллиона лет. И хотя они по-прежнему составляют лишь 0,04% атмосферы, это все равно составляет миллиарды и миллиарды тонн удерживающего тепло газа. Например, только в 2019 году люди выбросили в атмосферу 36,44 миллиарда тонн CO2, где он будет задерживаться на сотни лет. Таким образом, молекул CO2 достаточно, чтобы обеспечить теплоулавливающую оболочку по всей атмосфере.
Кроме того, «следовые количества вещества могут оказать большое влияние на систему», — объясняет Смердон. Заимствуя аналогию у профессора метеорологии штата Пенсильвания Дэвида Титли, Смердон сказал: «Если кто-то моего размера выпьет две бутылки пива, содержание алкоголя в моей крови составит около 0,04 процента. Это правильно, когда человеческий организм начинает ощущать воздействие алкоголя». Коммерческие водители с содержанием алкоголя в крови 0,04% могут быть осуждены за вождение в нетрезвом виде.
«Точно так же не требуется столько цианида, чтобы отравить человека», — добавляет Смердон. «Это связано с тем, как это конкретное вещество взаимодействует с более крупной системой и как оно влияет на эту систему».
В случае с парниковыми газами температура планеты представляет собой баланс между тем, сколько энергии поступает и сколько энергии уходит. В конечном счете, любое увеличение количества удерживаемого тепла означает, что поверхность Земли становится более горячей. (Для более подробного обсуждения термодинамики посетите эту страницу НАСА.)
Если в атмосфере больше воды, чем CO2, откуда мы знаем, что вода не виновата в изменении климата?
Вода действительно является парниковым газом. Он поглощает и переизлучает инфракрасное излучение, тем самым делая планету теплее. Однако Смердон говорит, что количество водяного пара в атмосфере является следствием потепления, а не движущей силой, потому что более теплый воздух содержит больше воды.
«Мы знаем это на сезонном уровне, — объясняет он. «Зимой, как правило, суше, когда наша местная атмосфера холоднее, и более влажно летом, когда теплее».
По мере того как углекислый газ и другие парниковые газы нагревают планету, в атмосферу испаряется больше воды, что, в свою очередь, еще больше повышает температуру. Однако гипотетический злодей не сможет усугубить изменение климата, пытаясь накачать больше водяного пара в атмосферу, говорит Смердон. «Все будет идти дождь, потому что температура определяет, сколько влаги на самом деле может удерживать атмосфера».
Точно так же нет смысла пытаться удалить водяной пар из атмосферы, потому что естественное, обусловленное температурой испарение от растений и водоемов немедленно заменит его. Чтобы уменьшить количество водяного пара в атмосфере, мы должны снизить глобальные температуры за счет сокращения выбросов других парниковых газов.
Если у Венеры есть атмосфера, которая на 95% состоит из CO2, разве она не должна быть намного горячее, чем Земля?
Густые облака серной кислоты окружают Венеру и не позволяют 75% солнечного света достигать поверхности планеты. Без этих облаков Венера была бы еще жарче, чем сейчас. Кредит: НАСА
Концентрация CO2 в атмосфере Венеры примерно в 2400 раз выше, чем на Земле. Тем не менее, средняя температура Венеры лишь примерно в 15 раз выше. Что дает?
Интересно, что часть ответа связана с водяным паром. По словам Смердона, ученые считают, что давным-давно Венера испытала безудержный парниковый эффект, в результате которого выкипела почти вся вода на планете, а водяной пар, как вы помните, также является теплоулавливающим газом.
«В его атмосфере нет водяного пара, что является важным фактором», — говорит Смердон. «И еще один важный фактор — на Венере есть все эти сумасшедшие облака серной кислоты».
Он объяснил, что высоко в атмосфере Венеры облака серной кислоты блокируют около 75% падающего солнечного света. Это означает, что у подавляющего большинства солнечного света никогда не будет шанса достичь поверхности планеты, вернуться в атмосферу в виде инфракрасной энергии и попасть в ловушку всего этого CO2 в атмосфере.
Разве растения, океан и почва не поглотят весь избыток CO2?
В конце концов… через несколько тысяч лет или около того.
Растения, океаны и почва являются естественными поглотителями углерода — они удаляют некоторое количество углекислого газа из атмосферы и сохраняют его под землей, под водой или в корнях и стволах деревьев. Без деятельности человека огромные количества углерода в месторождениях угля, нефти и природного газа остались бы под землей и в основном отделены от остальной части углеродного цикла. Но, сжигая эти ископаемые виды топлива, люди добавляют гораздо больше углерода в атмосферу и океан, а поглотители углерода не работают достаточно быстро, чтобы очистить наш беспорядок.
Упрощенная схема, показывающая круговорот углерода. Предоставлено: Джек Кук/Океанографический институт Вудс-Хоул.
Это как поливать сад из пожарного шланга.Несмотря на то, что растения поглощают воду, они могут делать это только с определенной скоростью, и если вы продолжите использовать пожарный шланг, ваш двор затопит. В настоящее время наша атмосфера и океан заполнены СО2, и мы видим, что поглотители углерода не успевают за ним, потому что концентрация СО2 в атмосфере и океанах быстро растет.
Количество углекислого газа в атмосфере (малиновая линия) увеличилось вместе с выбросами человека (синяя линия) с начала промышленной революции в 1750 году. Фото: NOAA Climate.gov
К сожалению, у нас нет тысяч лет, чтобы ждать, пока природа поглотит приток CO2. К тому времени миллиарды людей пострадали бы и умерли от последствий изменения климата; произошли бы массовые вымирания, и наша прекрасная планета стала бы неузнаваемой. Мы можем избежать большей части этого ущерба и страданий, сочетая обезуглероживание нашего энергоснабжения, удаление CO2 из атмосферы и разработку более устойчивых способов процветания.
Примечание редактора (17 марта 2021 г.): этот пост был дополнен дополнительными ссылками на видеоролики Youtube с экспериментами, демонстрирующими воздействие углекислого газа. Наслаждаться!
