Hvernig er hægt að sýna fram á að koltvíoxið valdi gróðurhúsaáhrifum á jörðinni?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hvernig er hægt að sýna fram á að koltvíoxið valdi gróðurhúsaáhrifum á jörðinni?
Í heild hljóðaði spurningin um það bil svona:

Er hægt að sanna að sameindin CO₂ valdi gróðurhúsaáhrifum með því að senda innrauða geislun sem stefnir út í geim og mæla endurkast hennar af CO₂ sameindum sem berst aftur til jarðar?

Spurningin ber með sér að spyrjandi veit í hverju gróðurhúsaáhrif koltvíoxíðs (CO₂; e. carbon dioxide, einnig nefnt koltvíildi) felast, það er að CO₂ sameindir geta hindrað innrauða geislun (hitageislun) frá jörðinni, sem myndast í kjölfar sólargeislunar og sent hana að hluta til aftur til jarðar (sjá myndi 1).^[1][2][3][4]

Spurningin um það hvort unnt sé að senda innrauða geislun frá jörðu og greina endursenda geislun frá CO₂ sameindum andrúmsloftsins er því mjög eðlileg. Stutta svarið er að það er illframkvæmanlegt og ekki til þess fallið að fá marktækar niðurstöður. Þess í stað er beitt öðrum óbeinni aðferðum til að kanna gróðurhúsaáhrif CO₂ (og annarra gróðurhúsalofttegunda). Frá því verður greint nánar hér á eftir.

Gróðurhúsaáhrif lofttegunda á borð við CO₂ í andrúmsloftinu á rætur sínar að rekja til þess að viðkomandi sameindir geta gleypt hitageislun á innrauða litrófssviðinu sem stafar frá jörðinni, sem afleiðing af sólargeislun (aðallega á útfjólubláa og sýnilega litrófssviðinu), sem nær til yfirborðs jarðar (mynd 1). Í kjölfarið geisla sameindirnar frekari hitageislun í allar áttir, að hluta til aftur til jarðar, sem viðheldur hita á yfirborði jarðar. Þannig virka sameindirnar á hitun yfirborðs jarðar líkt og efnisagnir glers í gróðurhúsi sem viðhalda hita innan gróðurhúss eins og vel er þekkt. Þetta kallast þess vegna gróðurhúsaáhrif.

Ef styrkur gróðurhúsalofttegunda eykst í andrúmsloftinu þá aukast þessi áhrif og hitinn á jörðu hækkar. Ekki er unnt að mæla þessi áhrif CO₂ í andrúmsloftinu með beinum hætti með því að senda innrauða geislun frá jörðu og mæla síðan geislunina sem frá CO₂ sameindunum stafar eftir gleypnina. Til þess eru aðstæður í andrúmsloftinu of fjölbreytilegar, til dæmis hvað varðar fjölda lofttegunda, dreifingu þeirra um andrúmsloftið sem og dreifingu geislunar, þannig að gerlegt sé að einangra mæligögn fyrir gróðurhúsaáhrif CO₂ sérstaklega með þeim hætti. Þess í stað er einkum stuðst við nákvæmar mælingar á áhrifum geislunar á (gleypni) og frá (útgeislun) CO₂ í tilraunastofum, samanburðarmælingar af ýmsu tagi sem og mælingar á styrk CO₂ í andrúmsloftinu og heildarhitastigi og hitastigsaukningu á yfirborði jarðar í þeim tilgangi að kanna gróðurhúsaáhrif CO₂.^{[5][6][7][8][9]}

Áhrif innrauðrar geislunar á CO₂

Mælingar í tilraunastofum á áhrifum innrauðrar geislunar á CO₂ gefa nákvæm litróf sem sýna gleypni og útgeislun sameindanna háð bylgjulengd geislunar.^[10][11] Þær sýna jafnframt að gleypni innrauðrar geislunar, af því tagi sem frá jörðunni stafar, felst í að geislaorkan yfirfærist á sameindirnar í formi aukinnar hreyfiorku atómanna í sameindunum sem og sameindanna sjálfra.^[12][13] Sú orka losnar því næst frá sameindunum í formi innrauðrar geislunar sem stafar í allar áttir.

Styrkur CO₂ í andrúmslofinu

Mælingar á styrk CO₂ í andrúmslofti eru aðallega framkvæmdar á loftsýnum sem tekin eru í stjörnuathugunarstöðvum, turnum eða með flugvélum og loftbelgjum víða um heim. Styrkur CO₂ í sýnunum, í einingunni ppm (e. parts per million), er síðan ákvarðaður með litrófsmælingum sem byggja á gleypni CO₂ sameindanna á innrauða litrófssviðinu (mynd 2). Yfirgripsmestu mæligögn af þessu tagi eru frá stjörnuathugunarstöðinni Mauna Loa á Hawaii, þar sem ítarlegar mælingar hafa staðið yfir frá 1957.^[14] Í ljós kemur að styrkur CO₂ í andrúmslofti við yfirborð jarðar hefur vaxið jafnt og þétt frá upphafi iðnbyltingarinnar (um 1800) frá því að vera um 278 ppm í um það bil 420 ppm (2024).^[15] Gögnum frá mismunandi stöðum á jörðinni ber vel saman hvað þetta varðar.^[16]

Samanburður við styrk CO₂ í andrúmslofti fyrr á öldum, sem ákvarðaður hefur verið út frá greiningum á ískjörnum 800.000 ár aftur í tímann sýnir að styrkur CO₂ á því tímabili hefur verið breytilegur, háður hlý- og kuldaskeiðum^[17] en aldrei farið yfir 300 ppm (mynd 2a).^[18] Athygli vekur að aukningin í CO₂ styrknum sem greinst hefur í andrúmsloftinu á síðari árum eða frá upphafi iðnbyltingarinnar fyrir rúmum 200 árum er líkt og „samstundis“ á jarðsögulegum tímaskala eins og sést á mynd 2a. Frá lokum síðasta kuldaskeiðs, fyrir um 10.000 árum, fram að tíma iðnbyltingarinnar greinist styrkur CO₂ um það bil 265 – 278 ppm. Þá kemur í ljós að styrkur CO₂ er háður árstíðum (mynd 2c) sem og staðsetningu á jörðinni, sem á rætur sínar að rekja til breytilegrar gróðurbindingar CO₂.

Hnattræn hlýnun

Meðalhitastig jarðar er aðalega ákvarðað út frá mælingum frá veðurathugunarstöðvum, loftbelgjum, radarstöðvum, skipum, baujum og gervitunglum, frá meira en 100.000 stöðvun á jörðinni.^[19] Í ljós hefur komið að meðalhiti á yfirborði jarðar hefur farið vaxandi allt frá upphafi iðnbyltingarinnar (um 1800). Mæligögn frá árinu 1880 sýna hnattræna hlýnun um eða yfir 1,1˚C, þar sem mest aukning hefur greinst frá árinu 1975. Þá mælist greinileg fylgni milli aukningar CO₂ í andrúmsloftinu og hnattrænnar hlýnunar, þannig að hitaaukning helst í hendur við CO₂ aukningu í andrúmsloftinu,^[20] eins og sjá má á mynd 2b.

Tilvísanir:

1. ^ Jón Már Halldórsson. (2004, 29. desember). Hvað veldur gróðurhúsaáhrifum? Vísindavefurinn. Sótt af https://visindavefur.is/?id=4686
2. ^ Ágúst Kvaran. (2020, 6. febrúar). Geta mismunandi lofttegundir og vatnsgufa valdið gróðurhúsaáhrifum? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/?id=78350
3. ^ Þorsteinn Vilhjálmsson. (2020, 13. maí). Hvað gerir tiltekið gas að gróðurhúsalofttegund? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/?id=75245
4. ^ Ágúst Kvaran. (2022, 24. mars). Af hverju er metan hættulegri gróðurhúsalofttegund en koldíoxíð? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/?id=83263
5. ^ Climate.gov. Carbon dioxide over 800,000 years. Sótt af https://www.climate.gov/media/14605
6. ^ Climate Central. Peak CO2 & Heat-trapping Emissions. Sótt af https://www.climatecentral.org/climate-matters/peak-co2-heat-trapping-emissions
7. ^ NASA Jet Propulsion Laboratory. Photojournal. Sótt af https://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA14435
8. ^ Wikipedia. Mauna Loa Observatory. Sótt af https://en.wikipedia.org/wiki/Mauna_Loa_Observatory
9. ^ National Institute of Standards and Technology (NIST). Carbon dioxide. NIST Chemistry WebBook. Sótt af https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C124389&Type=IR-SPEC&Index=1
10. ^ Ágúst Kvaran. (2020, 6. febrúar). Geta mismunandi lofttegundir og vatnsgufa valdið gróðurhúsaáhrifum? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/?id=78350
11. ^ National Institute of Standards and Technology (NIST). Carbon dioxide. NIST Chemistry WebBook. Sótt af https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C124389&Type=IR-SPEC&Index=1
12. ^ Ágúst Kvaran. (2020, 6. febrúar). Geta mismunandi lofttegundir og vatnsgufa valdið gróðurhúsaáhrifum? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/?id=78350
13. ^ Ágúst Kvaran. (2022, 24. mars). Af hverju er metan hættulegri gróðurhúsalofttegund en koldíoxíð? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/?id=83263
14. ^ Kirk, K. (2023, 10. maí). How Do We Know Mauna Loa Carbon Dioxide Measurements Don't Include Volcanic Gases? NASA Global Climate Change. Sótt af https://climate.nasa.gov/explore/ask-nasa-climate/3264/how-do-we-know-mauna-loa-carbon-dioxide-measurements-dont-include-volcanic-gases/
15. ^ Kirk, K. (2023, 10. maí). How Do We Know Mauna Loa Carbon Dioxide Measurements Don't Include Volcanic Gases? NASA Global Climate Change. Sótt af https://climate.nasa.gov/explore/ask-nasa-climate/3264/how-do-we-know-mauna-loa-carbon-dioxide-measurements-dont-include-volcanic-gases/
16. ^ Kirk, K. (2023, 10. maí). How Do We Know Mauna Loa Carbon Dioxide Measurements Don't Include Volcanic Gases? NASA Global Climate Change. Sótt af https://climate.nasa.gov/explore/ask-nasa-climate/3264/how-do-we-know-mauna-loa-carbon-dioxide-measurements-dont-include-volcanic-gases/
17. ^ SHB. (2005, 11. maí). Hvernig hófst og endaði ísöldin? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=4994
18. ^ Climate.gov. Carbon dioxide over 800,000 years. Sótt af https://www.climate.gov/media/14605
19. ^ NASA Earth Observatory. World of Change: Global Temperatures. Sótt af https://earthobservatory.nasa.gov/world-of-change/global-temperatures
20. ^ Facts on Climate.org. How are CO₂ concentrations related to warming? Sótt af https://factsonclimate.org/infographics/concentration-warming-relationship

Myndir:

• Wikimedia Commons. Greenhouse-effect-t2.svg. Birt undir CC BY-SA 4.0 DEED leyfi. Sótt af https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Greenhouse-effect-t2.svg.
• Climate.gov. Carbon dioxide over 800,000 years. Sótt af https://www.climate.gov/media/14605
• Climate Central. Peak CO2 & Heat-trapping Emissions. Sótt af https://www.climatecentral.org/climate-matters/peak-co2-heat-trapping-emissions
• Wikimedia Commons. Mauna Loa CO₂ monthly mean concentration.svg. Birt undir CC BY-SA 4.0 DEED leyfi. Sótt af https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mauna_Loa_CO2_monthly_mean_concentration.svg

...