Mij ​​wordt vaak gevraagd hoe kooldioxide een belangrijk effect kan hebben op het mondiale klimaat als de concentratie zo klein is - slechts 0,041% van de atmosfeer van de aarde. En menselijke activiteiten zijn verantwoordelijk voor slechts 32% van dat bedrag.

Ik bestudeer het belang van atmosferische gassen voor luchtvervuiling en klimaatverandering. De sleutel tot de sterke invloed van kooldioxide op het klimaat is het vermogen om de warmte te absorberen die wordt uitgestoten door het oppervlak van onze planeet, voorkomen dat het naar de ruimte ontsnapt.

Vroege kaswetenschap

De wetenschappers die in de jaren 1850 voor het eerst het belang van koolstofdioxide voor het klimaat identificeerden, waren ook verrast door de invloed ervan. apart werken, John Tyndall in Engeland en Eunice Foote in de Verenigde Staten ontdekten dat kooldioxide, waterdamp en methaan alle geabsorbeerde warmte, terwijl meer overvloedige gassen dat niet deden.

Wetenschappers hadden al berekend dat de aarde ongeveer 33 graden Celsius warmer was dan zou moeten, gezien de hoeveelheid zonlicht die het oppervlak bereikt. De beste verklaring voor die discrepantie was dat de atmosfeer warmte vasthield om de planeet op te warmen.

Tyndall en Foote toonden aan dat stikstof en zuurstof, die samen goed zijn voor 99% van de atmosfeer, hadden in wezen geen invloed op de temperatuur van de aarde omdat ze geen warmte absorbeerden. Liever, ze ontdekten dat gassen die in veel kleinere concentraties aanwezig waren, volledig verantwoordelijk waren voor het handhaven van temperaturen die de aarde bewoonbaar maakten, door warmte vast te houden om een ​​natuurlijk broeikaseffect te creëren.

Een dekentje in de atmosfeer

De aarde ontvangt voortdurend energie van de zon en straalt deze terug de ruimte in. Om de temperatuur van de planeet constant te houden, de netto warmte die het van de zon ontvangt, moet worden gecompenseerd door de uitgaande warmte die het afgeeft.

Omdat de zon heet is, het geeft energie af in de vorm van kortegolfstraling op voornamelijk ultraviolette en zichtbare golflengten. De aarde is veel koeler, dus het straalt warmte uit als infraroodstraling, die langere golflengten heeft.

Kooldioxide en andere warmtevasthoudende gassen hebben moleculaire structuren waardoor ze infraroodstraling kunnen absorberen. De bindingen tussen atomen in een molecuul kunnen op bepaalde manieren trillen, als de toonhoogte van een pianosnaar. Wanneer de energie van een foton overeenkomt met de frequentie van het molecuul, het wordt geabsorbeerd en de energie wordt overgedragen aan het molecuul.

Kooldioxide en andere warmte-vasthoudende gassen hebben drie of meer atomen en frequenties die overeenkomen met infrarode straling die door de aarde wordt uitgezonden. Zuurstof en stikstof, met slechts twee atomen in hun moleculen, absorberen geen infraroodstraling.

De meeste binnenkomende kortegolfstraling van de zon gaat door de atmosfeer zonder te worden geabsorbeerd. Maar de meeste uitgaande infraroodstraling wordt geabsorbeerd door warmtevasthoudende gassen in de atmosfeer. Dan kunnen ze los of opnieuw uitstralen, die hitte. Sommigen keren terug naar het aardoppervlak, het warmer te houden dan anders het geval zou zijn.

Onderzoek naar warmteoverdracht

Tijdens de Koude Oorlog, de absorptie van infraroodstraling door veel verschillende gassen werd uitgebreid bestudeerd. Het werk werd geleid door de Amerikaanse luchtmacht, die hittezoekende raketten ontwikkelde en moest begrijpen hoe warmte door de lucht kon worden gedetecteerd.

Dankzij dit onderzoek konden wetenschappers het klimaat en de atmosferische samenstelling van alle planeten in het zonnestelsel begrijpen door hun infraroodsignaturen te observeren. Bijvoorbeeld, Venus is ongeveer 870 F (470 C) omdat de dikke atmosfeer 96,5% koolstofdioxide is.

Het informeerde ook weersvoorspellingen en klimaatmodellen, waardoor ze kunnen kwantificeren hoeveel infraroodstraling in de atmosfeer wordt vastgehouden en naar het aardoppervlak wordt teruggestuurd.

Mensen vragen me soms waarom koolstofdioxide belangrijk is voor het klimaat, aangezien waterdamp meer infrarode straling absorbeert en de twee gassen absorberen op verschillende van dezelfde golflengten. De reden is dat de bovenste atmosfeer van de aarde de straling regelt die naar de ruimte ontsnapt. De bovenste atmosfeer is veel minder dicht en bevat veel minder waterdamp dan bij de grond, wat betekent dat het toevoegen van meer koolstofdioxide een aanzienlijke invloed heeft op hoeveel infraroodstraling naar de ruimte ontsnapt.

Het broeikaseffect observeren

Is het je ooit opgevallen dat woestijnen 's nachts vaak kouder zijn dan bossen, zelfs als hun gemiddelde temperaturen hetzelfde zijn? Zonder veel waterdamp in de atmosfeer boven woestijnen, de straling die ze afgeven ontsnapt gemakkelijk naar de ruimte. In vochtigere gebieden wordt straling van het oppervlak opgevangen door waterdamp in de lucht. evenzo, bewolkte nachten zijn doorgaans warmer dan heldere nachten omdat er meer waterdamp aanwezig is.

De invloed van kooldioxide is te zien in eerdere klimaatveranderingen. IJskernen van de afgelopen miljoen jaar hebben aangetoond dat de kooldioxideconcentraties tijdens warme perioden hoog waren - ongeveer 0,028%. Tijdens ijstijden, toen de aarde ongeveer 7 tot 13 F (4-7 C) koeler was dan in de 20e eeuw, koolstofdioxide maakte slechts ongeveer 0,018% van de atmosfeer uit.

Hoewel waterdamp belangrijker is voor het natuurlijke broeikaseffect, veranderingen in koolstofdioxide hebben geleid tot temperatuurveranderingen in het verleden. In tegenstelling tot, waterdampniveaus in de atmosfeer reageren op temperatuur. Naarmate de aarde warmer wordt, de atmosfeer kan meer waterdamp bevatten, die de aanvankelijke opwarming versterkt in een proces dat de "waterdampfeedback" wordt genoemd. Variaties in kooldioxide zijn daarom de controlerende invloed geweest op klimaatveranderingen in het verleden.

Kleine verandering, grote effecten

Het zou geen verrassing moeten zijn dat een kleine hoeveelheid koolstofdioxide in de atmosfeer een groot effect kan hebben. We nemen pillen die een klein deel van onze lichaamsmassa uitmaken en verwachten dat ze ons beïnvloeden.

Tegenwoordig is het niveau van kooldioxide hoger dan ooit in de menselijke geschiedenis. Wetenschappers zijn het er algemeen over eens dat de gemiddelde oppervlaktetemperatuur van de aarde sinds de jaren 1880 al met ongeveer 2 F (1 C) is gestegen, en dat door de mens veroorzaakte toenames van koolstofdioxide en andere warmte-vangende gassen hoogstwaarschijnlijk verantwoordelijk zijn.

Zonder maatregelen om de uitstoot te beheersen, koolstofdioxide zou tegen 2100 0,1% van de atmosfeer kunnen bereiken, meer dan het drievoudige van vóór de industriële revolutie. Dit zou een snellere verandering zijn dan overgangen in het verleden van de aarde die enorme gevolgen hadden. Zonder actie, dit kleine splintertje van de atmosfeer zal grote problemen veroorzaken.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.