اغلب مردم این سوال را می‌پرسند که چگونه دی اکسید کربن می‌تواند تأثیر مهمی بر آب و هوای جهانی داشته باشد در حالی که غلظت آن بسیار کم است (کربن دی اکسید فقط چیزی حدود ۰.۰۴۱ مول از اتمسفر زمین را تشکیل می‌دهد.) کلید تأثیر قوی دی اکسید کربن بر آب و هوا، توانایی آن در جذب گرمای ساطع شده از سطح سیاره ما و جلوگیری از فرار آن به فضا است.

مکانیزم اثر گلخانه‌ای

دانشمندانی که برای اولین بار اهمیت دی اکسید کربن را برای آب و هوا در دهه ۱۸۵۰ تشخیص دادند نیز از تأثیر آن شگفت زده شده‌اند. جان تیندال در انگلستان و یونیس فوت در ایالات متحده که به طور جداگانه بر روی این موضوع کار می‌کردند، دریافتند که دی اکسید کربن، بخار آب و متان همگی گرما را جذب می‌کنند، در حالی که دیگر گازها این کار را نمی‌کنند. دانشمندان قبلاً محاسبه کرده بودند که زمین با توجه به میزان تابش نور خورشید به سطح آن، حدود ۵۹ درجه فارنهایت (۳۳ درجه سانتیگراد) گرم‌تر از آنچه باید باشد، است. بهترین توضیح برای این اختلاف این بود که جو گرما را به دام انداخته است.

تیندال و فوت نشان دادند که نیتروژن و اکسیژن که مجموعاً ۹۹ درصد اتمسفر را تشکیل می‌دهند، اساساً هیچ تاثیری بر دمای زمین ندارند زیرا گرما را جذب نمی‌کنند. در عوض، آن‌ها دریافتند که گازهای موجود در غلظت‌های بسیار کمتر کاملاً درجه حرارت‌هایی که زمین را قابل سکونت می‌کنند را کنترل می‌کنند. مکانیزم این گازها با به دام انداختن گرما برای ایجاد یک اثر گلخانه ای طبیعی است.

پوششی بر اتمسفر

زمین به طور مداوم انرژی را از خورشید دریافت می‌کند و آن را به فضا باز می‌گرداند. برای ثابت ماندن دمای سیاره، گرمای خالص دریافتی از خورشید باید با گرمای خروجی که از خود تولید می کند متناسب باشد. از آن جایی که دمای خورشید بسیار بالا است، بیشتر انرژی خود را به شکل تابش امواج کوتاه در طول موج‌های فرابنفش و مرئی نشان می‌دهد. زمین بسیار سردتر از خورشید است، بنابراین گرما را به عنوان تابش مادون قرمز که طول موج طولانی تری دارد، منتشر می‌کند.

کربن دی اکسید و دیگر گازهای گیرنده گرما دارای ساختار مولکولی هستند که آن‌ها را قادر به جذب اشعه مادون قرمز می‌کند. پیوندهای بین اتم‌ها در یک مولکول می‌تواند به روش‌های خاصی مرتعش شود. وقتی انرژی فوتون با فرکانس مولکول مطابقت داشته باشد، جذب می‌شود و انرژی آن به مولکول منتقل می‌شود. دی اکسید کربن و دیگر گازهای گیرنده گرما دارای سه اتم یا بیشتر هستند که با تابش مادون قرمز ساطع شده از زمین مطابقت دارد. اکسیژن و نیتروژن، تنها با دو اتم در مولکول‌های خود، تابش مادون قرمز را جذب نمی‌کنند.

بیشتر تابش‌های امواج کوتاه ورودی از خورشید، بدون جذب از جو عبور می‌کند. اما بیشتر تابش‌های مادون قرمز خروجی توسط گازهای گیرنده گرما در جو جذب می‌شوند. سپس آن‌ها می‌توانند آن گرما را آزاد کرده یا دوباره به صورت تابش آزاد کنند. برخی از این تابش‌ها به سطح زمین بازمی‌گردند و آن را گرم‌تر از حالت دیگر می‌کنند.

تحقیق در مورد انتقال حرارت

در طول جنگ سرد، جذب اشعه مادون قرمز توسط بسیاری از گازهای مختلف به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفت. این کار توسط نیروی هوایی ایالات متحده کنترل می‌شد و موشک‌های حرارتی را توسعه می‌داد؛ پس نیاز داشت که پرسنل نحوه تشخیص گرمای عبوری از جو را درک کنند.

این تحقیقات دانشمندان را قادر ساخت تا با مشاهده شاخص مادون قرمز خود، آب و هوا و ترکیب جوی همه سیارات منظومه شمسی را درک کنند؛ به عنوان مثال، زهره حدود ۸۷۰ فارنهایت (۴۷۰ درجه سانتی گراد) است زیرا جو ضخیم آن حاوی ۹۶.۵ درصد کربن دی اکسید است. همچنین از مدل‌های پیش بینی آب و هوا و اقلیم مطلع شدند و به آن‌ها اجازه می‌داد تا میزان تابش مادون قرمز را در جو حفظ کرده و به سطح زمین بازگردانند.

گاهی اوقات مردم از من می‌پرسند که چرا دی اکسید کربن برای آب و هوا تا این اندازه مهم است، با توجه به اینکه بخار آب اشعه مادون قرمز بیشتری را جذب می‌کند؛ دلیل آن این است که جو فوقانی زمین تابش خروجی به فضا را کنترل می‌کند. اتمسفر فوقانی بسیار متراکم‌تر است و بخار آب بسیار کمتری نسبت به زمین دارد، این موضوع به این معنی است که افزایش میزان کربن دی اکسید بر میزان تابش مادون قرمز به فضا تأثیر می‌گذارد.

مشاهده اثر گلخانه‌ای

آیا تا به حال توجه کرده‌اید که بیابان‌ها اغلب در شب‌ها از جنگل‌ها هم سردتر هستند، حتی اگر دمای متوسط ​​آن‌ها یکسان باشد؟ در مناطق مرطوب‌تر، تابش از سطح توسط بخار آب در هوا به دام می‌افتد؛ اما به دلیل خشکی بیابان‌ها تابش از سطح کنترل نخواهد شد. دقیقا به همین دلیل است که شب‌های ابری گرم تر از شب‌های روشن هستند زیرا بخار آب بیشتری در هوا وجود دارد.

تأثیر کربن دی اکسید را می‌توان در تغییرات آب و هوایی گذشته مشاهده کرد. هسته‌های یخ با قدمت بیش از میلیون ‌سال نشان داده‌اند که غلظت دی اکسید کربن در دوره‌های گرم زیاد است. (حدود ۰.۰۲۸. در دوران یخبندان، زمانی که زمین تقریباً ۷ تا ۱۳ درجه فارنهایت (۴-۷ درجه سانتیگراد) سردتر از قرن بیستم بود، کربن دی اکسید تنها ۰.۰۱۸ درصد از اتمسفر را تشکیل می‌داد.)

با گرم شدن زمین، اتمسفر آن می‌تواند بخار آب بیشتری را در خود نگه دارد که گرم شدن اولیه را در فرآیندی به نام «بازخورد بخار آب» تشدید کند. بنابراین تغییرات کربن دی اکسید، تغییرات آب و هوایی گذشته را کنترل می‌کرد.

تغییرات کوچک، تأثیرات بزرگ

نباید تعجب کرد که وجود مقدار کمی کربن دی اکسید در جو می‌تواند تأثیرات زیادی داشته باشد. ما قرص‌هایی را که بخش کوچکی از توده بدن ما هستند مصرف می‌کنیم و انتظار داریم آن‌ها بر ما تأثیر بگذارند؛ پس اثرگذاری هرچیزی می‌تواند مستقل از مقدار آن باشد.

امروزه میزان کربن دی اکسید بیشتر از هر زمان دیگری در تاریخ بشر است. دانشمندان به طور گسترده توافق کردند که متوسط ​​دمای سطح زمین از سال ۱۸۸۰ تا کنون حدود ۲ درجه فارنهایت (۱ درجه سانتیگراد) افزایش یافته است و احتمالاً افزایش دی اکسید کربن و سایر گازهای گیرنده گرما ناشی از فعالیت‌های انسانی است.

بدون کنترل گازهای گلخانه‌ای ، مقدار دی اکسید کربن ممکن است تا سال ۲۱۰۰ به ۰.۱ درصد از جو برسد که بیش از سه برابر مقدار این گاز قبل از انقلاب صنعتی است. این یک تغییر سریع و مهلک در اقلیم زمین است که پیامدهای عظیمی به همراه خواهد داشت. بدون تلاشی در راستای برطرف کردن این مشکل کوچک، اثرات بزرگی زمین و ساکنان آن را تهدید خواهد کرد.