Orbiting Carbon Observatory-satellitten gjør nøyaktige målinger av jordas karbondioksidnivåer fra verdensrommet. NASA / JPL

Jeg blir ofte spurt om hvordan karbondioksid kan ha en viktig effekt på det globale klimaet når konsentrasjonen er så liten - bare 0.041% av jordens atmosfære. Og menneskelige aktiviteter er ansvarlige for bare 32% av det beløpet.

Jeg studerer viktigheten av atmosfæriske gasser for luftforurensning og klimaendringer. Nøkkelen til karbondioksidets sterke innflytelse på klima er dens evne til å absorbere varme som slippes ut fra planeten vår, og hindrer den i å rømme ut i verdensrommet.

'Keeling Curve', oppkalt etter forskeren Charles David Keeling, sporer opphopningen av karbondioksid i jordas atmosfære, målt i deler per million. Scripps Institution of Oceanography, CC BY

Tidlig drivhusvitenskap

Forskerne som først identifiserte karbondioksidets betydning for klima i 1850-ene ble også overrasket over dens innflytelse. Arbeider separat, John Tyndall i England og Eunice Foote i USA fant ut at karbondioksid, vanndamp og metan alt absorberte varme, mens mer rikelige gasser ikke gjorde det.

Forskere hadde allerede beregnet at jorden var omtrent 59 grader Fahrenheit (33 grader Celsius) varmere enn det skal være, gitt mengden sollys som når overflaten. Den beste forklaringen på det avviket var at atmosfæren beholdt varmen for å varme opp planeten.

Tyndall og Foote viste at nitrogen og oksygen, som til sammen utgjør 99% av atmosfæren, i hovedsak ikke hadde noen innflytelse på jordens temperatur fordi de ikke tok opp varme. Snarere fant de ut at gasser til stede i mye mindre konsentrasjoner var helt ansvarlige for å opprettholde temperaturer som gjorde jorden beboelig, ved å fange opp varme for å skape en naturlig drivhuseffekt.

Et teppe i atmosfæren

Jorden mottar stadig energi fra solen og stråler den ut i verdensrommet. For at planetens temperatur skal forbli konstant, må nettovarmen den mottar fra solen balanseres ved utgående varme som den avgir.

Siden solen er varm, avgir den energi i form av kortbølgestråling ved hovedsakelig ultrafiolett og synlig bølgelengde. Jorden er mye kjøligere, så den avgir varme som infrarød stråling, som har lengre bølgelengder.

Det elektromagnetiske spekteret er rekkevidden for alle typer EM-stråling - energi som reiser og sprer seg når det går. Solen er mye varmere enn jorden, så den avgir stråling ved et høyere energinivå, som har en kortere bølgelengde. NASA

Karbondioksid og andre varmefangende gasser har molekylære strukturer som gjør dem i stand til å absorbere infrarød stråling. Bindingene mellom atomer i et molekyl kan vibrere på spesielle måter, som toneleiet til en pianostreng. Når energien til et foton tilsvarer frekvensen til molekylet, blir den absorbert og energien overføres til molekylet.

Karbondioksid og andre varmefangende gasser har tre eller flere atomer og frekvenser som tilsvarer infrarød stråling som sendes ut av Jorden. Oksygen og nitrogen, med bare to atomer i molekylene, absorberer ikke infrarød stråling.

Mest innkommende kortbølgestråling fra solen passerer gjennom atmosfæren uten å bli absorbert. Men mest utgående infrarød stråling blir absorbert av varmefangende gasser i atmosfæren. Da kan de frigjøre, eller utstråle den varmen. Noen vender tilbake til jordoverflaten og holder den varmere enn den ellers ville vært.

Jorden mottar solenergi fra solen (gul), og returnerer energi tilbake til verdensrommet ved å reflektere noe innkommende lys og stråle varme (rød). Klimagasser fanger noe av den varmen og fører den tilbake til planetens overflate. NASA via Wikimedia

Forskning på varmeoverføring

Under den kalde krigen ble absorpsjonen av infrarød stråling fra mange forskjellige gasser studert mye. Arbeidet ble ledet av det amerikanske flyvåpenet, som utviklet varmesøkende raketter og trengte å forstå hvordan man oppdager varme som passerte gjennom luften.

Denne forskningen gjorde det mulig for forskere å forstå klimaet og atmosfærens sammensetning av alle planeter i solsystemet ved å observere deres infrarøde signaturer. For eksempel handler Venus om 870 F (470 C) fordi dens tykke atmosfære er 96.5% karbondioksid.

Den informerte også om værmelding og klimamodeller, slik at de kunne kvantifisere hvor mye infrarød stråling som er igjen i atmosfæren og returneres til jordas overflate.

Folk spør meg noen ganger hvorfor karbondioksid er viktig for klima, gitt at vanndamp absorberer mer infrarød stråling og de to gassene absorberer på flere av de samme bølgelengdene. Årsaken er at jordens øvre atmosfære styrer strålingen som slipper ut i verdensrommet. Den øvre atmosfæren er mye mindre tett og inneholder mye mindre vanndamp enn nær bakken, noe som betyr at tilfører mer karbondioksid betydelig påvirkning hvor mye infrarød stråling rømmer til verdensrommet.

Karbondioksidnivåene stiger og faller rundt om i verden, og endres sesongmessig med plantevekst og forfall.

Å observere drivhuseffekten

Har du noen gang lagt merke til at ørkener ofte er kaldere om natten enn skoger, selv om gjennomsnittstemperaturen er den samme? Uten mye vanndamp i atmosfæren over ørkener, slipper strålingen de avgir lett til verdensrommet. I fuktigere områder blir stråling fra overflaten fanget av vanndamp i luften. Tilsvarende har overskyede netter varmere enn klare netter fordi mer vanndamp er til stede.

Påvirkningen av karbondioksid kan sees i tidligere endringer i klima. Iskjerner fra de siste million årene har vist at karbondioksidkonsentrasjonen var høy i varme perioder - omtrent 0.028%. I istid, når jorden var omtrent 7 til 13 F (4-7 C) kjøligere enn på 20th århundre, utgjorde karbondioksid bare om lag 0.018% av atmosfæren.

Selv om vanndamp er viktigere for den naturlige drivhuseffekten, har endringer i karbondioksid drevet temperaturendringer. I kontrast reagerer vanndampnivået i atmosfæren på temperaturen. Når jorden blir varmere, blir dens atmosfære kan inneholde mer vanndamp, Som forsterker den opprinnelige oppvarmingen i en prosess som kalles "vanndamptilbakemelding." Variasjoner i karbondioksid har derfor vært kontrollerende innflytelse på tidligere klimaendringer.

Liten endring, store effekter

Det skal ikke være overraskende at en liten mengde karbondioksid i atmosfæren kan ha stor effekt. Vi tar piller som er en liten brøkdel av kroppsmassen vår og forventer at de påvirker oss.

I dag er nivået av karbondioksid høyere enn på noe tidspunkt i menneskets historie. Forskere er enige om at jordens gjennomsnittlige overflatetemperatur har allerede økt med omtrent 2 F (1 C) siden 1880s, og at økninger av karbondioksid og andre varmefangende gasser er menneskeskapte av mennesker ekstremt sannsynlig å være ansvarlig.

Uten tiltak for å kontrollere utslipp, karbondioksid kan nå 0.1% av atmosfæren med 2100, mer enn tredoblet nivået før den industrielle revolusjonen. Dette ville være en raskere endring enn overganger i jordas fortid det hadde enorme konsekvenser. Uten handling vil denne lille skiveren i atmosfæren forårsake store problemer.

Om forfatteren

Jason West, professor i miljøvitenskap og ingeniørvitenskap, University of North Carolina på Chapel Hill

Denne artikkelen er publisert fra Den Conversation under en Creative Commons-lisens. Les opprinnelige artikkelen.

books_causes