کنجکاوی در باره ی گرمایش کره ی زمین و مبانی علمی آن

اگر تنها چهار صدم درصد از جو زمین از گازکربنیک تشکیل شده چگونه این مقدار کم سبب گرم شدن کره ی زمین می شود؟

کره ی زمین انرژی خود را از نور خورشید بدست می آورد اما چندانکه سطح زمین گرم می شود مقداری از انرژی تابشی خورشید به شکل پرتوی فروسرخ (پرتویی که ما آن را به عنوان گرما می شناسیم) به داخل جو باز می گردد اما بخار آب و گازکربنیک مثل یک کلاهک عمل می کنند و نمی گذارند که کره ی زمین از شر این انرژی گرمایی راحت شود. اگر این گازها وجود نداشتند تا انرژی گرمایی را نگاه دارند متوسط دمای سطح کره ی زمین چیزی حدود صفر درجه ی فارنهایت یا منهای هفده درجه ی سانتیگراد می بود. حدود 99 درصد از جو کره ی زمین از اکسیژن و ازت ساخته شده است ولی این گازها نمی توانند پرتوی فروسرخی را که از سطح زمین منتشر می شود جذب کنند. یک درصد باقی مانده از مولوکول هایی تشکیل شده که می توانند پرتوی فروسرخ را جذب کنند. این مولکول های عبارتند از مولکول های CO2 و بخار آب. علت این قضیه آن است که اتم های این مولکول ها می توانند به شکلی مرتعش شوند که انرژی منتشره از کره ی زمین را جذب کنند. بعد از این که این گازها انرژی گرمایی را جذب کردند نیمی از آن را به زمین و نیمی از آن را به فضا باز می گردانند و در نتیجه بخشی از این گرما در داخل جو کره ی زمین به دام می افتد. این به دام افتادن گرما همان چیزیست که ما آن را پدیده ی گلخانه ای می نامیم. به علت پدیده ی گلخانه ای ناشی از همین گازهای اندک مقدار است که میانگین درجه حرارت کره ی زمین حدود 15 درجه ی سانتیگراد است و زندگی می تواند در آن جاری باشد.

گازکربنیک تنها چهار صدم درصد از جو کره ی زمین را تشکیل می دهد و میزان بخار آب آن از صفر تا چهار درصد متفاوت است. اما هرچند که گاز گلخانه ای غالب جو کره ی زمین بخار آب است اما این گاز به اصطلاح “پنجره هایی” دارد که بخشی از انرژی فروسرخ از آنها فرار می کند و از دام می رهد. به علاوه بخار آب در قسمت های تحتانی جو متمرکز است در حالیکه گازکربنیک از سطح زمین تا ارتفاع پنجاه کیلومتری تقریبا با غلظتی یکسان وجود دارد. هرچه گاز گلخانه ای در قسمت بالاتری قرار داشته باشد در به دام انداختن گرمای منتشره از سطح زمین موثرتر عمل می کند.

میزان گازکربنیک جو کره ی زمین تحت تاثیر احتراق سوخت های فسیلی ست. قبل از انقلاب صنعتی میزان گازکربنیک جو 288 قسمت در میلیون (پی پی ام) بود. اکنون ما به چهارصد و چهارده پی پی ام رسیده ایم. بنابراین ما به سوی دو برابر شدن مقدار CO2 جو تا پایان این قرن در حرکتیم. دانشمندان می گویند اگر غلظت گازکربنیک دو برابر شود، درجه حرارت متوسط کره ی زمین بین 2 تا 5 درجه ی سانتیگراد افزایش خواهد یافت. ما اکنون پیوسته میزان انرژی را که به کره ی زمین بر می گردد افزایش می دهیم. به علت وجود پدیده ی گلخانه ای این افزایش گرما ایجاد می شود و اثرات مخرب بسیاری را با خود به همراه می آورد.

هم بخار آب و هم گازکربنیک هر دو در گرمایش کره ی زمین مسئولند و هنگامی که ما گازکربنیک جو را افزایش می دهیم اقیانوس ها گرم می شوند و این امر به طور اجتناب ناپذیری سبب افزایش بخار آب می شود. ما راهی برای مهار بخار آب نداریم اما می توانیم میزان انتشار گازکربنیک را مهار کنیم و چون ما پیوسته میزان گازکربنیک موجود در جو کره ی زمین را در اثر تداوم احتراق سوخت های فسیلی افزایش می دهیم، هرچند هم که مقدار آن در مقایسه با کل حجم جو اندک باشد، ما در واقع تعادل و تراز حرارتی سیاره مان را با این کار مختل می کنیم.

مبانی فیزیکی

وقتی نور خورشید به کره ی زمین می رسد سطح کره بخشی از انرژی نورانی را جذب می کند و آن را به صورت امواج فروسرخ مجددا منتشر می کند که ما آن را به صورت گرما حس می کنیم. اگر در یک روز گرم آفتابی دستتان را روی یک صخره ی سیاه بگذارید می توانید این پدیده را خودتان حس کنید. این امواج فروسرخ به سمت جو بالا می رود و اگر جلوی آن گرفته نشود به فضای بالا باز می گردد.

اکسیژن و نیتروژن در جو کره ی زمین تداخلی با امواج فروسرخ ندارند. علت آن است که مولکول ها در مورد دامنه ی طول موجی که با آن برخورد می کنند حساس اند. مثلا اکسیژن و نیتروژن انرژی ای را جذب می کنند که طول موج های فشرده ای حدود 200 نانومتر یا کمتر داشته باشند درحالیکه انرژی فروسرخ با طول موج های عریض تر و کند تری یعنی با طول موج حدود 700 تا یک میلیون نانومتر حرکت می کنند. این دامنه ها با هم همپوشانی ندارند در نتیجه درواقع وضع به این صورت است که برای اکسیژن و نیتروژن در واقع اصلا موج فروسرخ وجود ندارد. در نتیجه آنها اجازه می دهند که این امواج و گرما آزادانه از جو کره ی زمین عبور کنند.

در مورد گازهای گلخانه ای از جمله گازکربنیک وضعیت متفاوت است. مثلا گازکربنیک انرژی را در طول موج هایی بین 2،000 تا 15،000 نانومتر جذب می کند یعنی دامنه ی جذب آن با دامنه ی انرژی فروسرخ همپوشانی دارد. چندانکه گازکربنیک از انرژی فروسرخ اشباع می شود مولکول های آن مرتعش می شوند و انرژی فروسرخ را دوباره در همه ی جهات منتشر می کنند. حدود نیمی از این انرژی به فضا می رود و حدود نیمی از آن به صورت گرما به زمین باز می گردد و موجب پدیده ی گلخانه ای می شود.

اسمردن می گوید که دلیل آن که برخی مولکول ها امواج فروسرخ را جذب می کنند و برخی دیگر نمی کنند آن است که هندسه ی این مولکول ها و ترکیب آنها با هم متفاوت است. او می گوید مولکول های اکسیژن و نیتروژن ساده هستند. هریک از آنها از دو اتم از یک عنصر ساخته شده اند در نتیجه حرکت و جنبش آنها به صورت باریک تری صورت می گیرد و با طول موج های باریک تری می توانند ارتباط متقابل داشته باشند اما گازهای گلخانه ای مانند گازکربنیک و متان هریک از سه اتم یا بیشتر تشکیل شده اند که در اثر آن راه های بزرگتر و متفاوت تری برای گسترش و خم شدن و چرخیدن دارند. این بدان معناست که آنها می توانند دامنه ی وسیع تری از طول موج ها از جمله امواج فروسرخ را جذب کنند.