آشنایی با چگونگی تاثیر افزایش کربن دی اکسید بر دمای کره زمین

ستاره | سرویس محتوای کمک درسی – بیشتر پدربزرگ‌ها می‌گویند” زمان قدیم تابستون هم از ترس سرما پتو داشتیم”. هر چه به سمت آینده پیش برویم، هوا گرم‌تر خواهد شد. اما علت اصلی گرمای زمین چیست؟ اتمسفر اطراف ما هوا نام دارد. گازهایی که اتمسفر زمین را تشکیل می‌دهند، نیتروژن، اکسیژن، کربن دی اکسید گازی و … هستند. کربن دی اکسید یکی از گاز‌های گلخانه‌ای معروف است که باعث گرم نگه داشتن اتمسفر و ثبات دمای زمین می‌شود. چگونگی تاثیر کربن دی اکسید بر افزایش دمای کره زمین به صورت علمی ثابت شده است.

اگرچه نمی‌توان هوا را دید و یا بو و مزه کرد. اتمسفر از هزاران مولکول متفاوت تشکیل شده که این ذرات بسیار ریز حتی با میکروسکوپ هم قابل رویت نیستند. اما می‌توان مولکول‌های هوا را احساس کرد. مثلا اگر دست خود را جلوی صورتتان تکان دهید، هوایی که تنفس می‌کنید شامل یک دسته از مولکول‌هایی است که به صورت برخورد کرده است. همانطور که گفتیم گازهای گلخانه‌ای بخش عظیمی از اتمسفر را تشکیل می‌دهند. گاز‌های گلخانه‌ای شامل کربن دی اکسید، متان، دی نیتروژن مونواکسید و اُزون می‌شود. کربن دی اکسید نقش تاثیرگذاری بر افزایش دمای زمین دارد.

چگونگی تاثیر افزایش کربن دی اکسید بر دمای کره زمین

کربن دی اکسید با تولید گرما باعث گرم شدن اتمسفر نمی‌شود بلکه با گیر انداختن نور خورشید باعث حفظ گرما می‌شود. خورشید با پرتو‌های خود گرما را به زمین منتقل می‌کند. بیشتر پرتو‌های خورشیدی در قالب امواج فرابنفش (تابشی که کرم ضد آفتاب از شما در برابر آن حفاظت می‌کند) و نور مرئی (تابشی که در دیدن اجسام به شما کمک می‌کند) قرار دارند. امواج فرابنفش و مرئی می‌توانند مستقیماً از اتمسفر عبور کنند (البته خوشبختانه نیمی از این امواج توسط ابر‌ها و دیگر چیز‌های موجود در اتمسفر جذب و مسدود می‌شود) وقتی پرتو‌های خورشید به زمین می‌رسند سطح زمین گرما را جذب می‌کند.

همچنان که زمین گرم می‌شود این گرما در نهایت شروع به بالا رفتن در هوا می‌کند (مثلا وقتی که یک شاهین یا کرکس بدون بال و پر زدن در مدار دایر‌های شکل در حال چرخش است می‌تواند با به جریان انداختن هوای گرم شده ناشی از گرمای برگشت داده شده از سطح زمین این کار را انجام دهد). این گرمای آزاد شده ناشی از پرتو‌های فرابنفش نیست (چرا که با گرمای برخواسته از سطح زمین آفتاب سوخته نمی‌شوید) همچنین این گرما ناشی از پرتو‌های مرئی نیز نیست (زیرا برای دیدن سطح زمین نیازی به عینک آفتابی ندارید) و چون مقداری از انرژی این امواج در اثر جذب کاهش یافته در نتیجه این گرمای آزاد شده تابش فروسرخ نام دارد.

اگرچه کربن دی اکسید نمی‌تواند مانع ورود تابش‌های فرابنفش و مرئی شوند، اما می‌تواند تابش‌های فروسرخ را برای مدت کوتاهی متوقف کنند؛ بنابراین کربن دی اکسید و سایر گازهای گلخانه‌ای مانند پتو عمل می‌کنند. اگر تا به حال در زمستان به خانه مادربزرگتان رفته اید و مجبور شده اید که در اتاقی که وسایل گرمایشی ندارد بخوابید بنابراین می‌دانید که پتو‌ها به طور طبیعی گرمایی از خود ندارند و در نهایت با گرمای بدن گرم می‌شوند. دمای بدن ۹۸ درجه فارنهایت است که این گرما آرام از بدن خارج می‌شود و هوای زیر پتو را گرم می‌کند و در نهایت باعث می‌شود زیر پتو سازی احساس گرمی و راحتی داشته باشید به جز قسمت سر، که خارج از پتو قرار دارد. گاز‌های گلخانه‌ای مانند پتویی به دور کره زمین هستند آن‌ها گرما را گیر می‌اندازند تا ما را گرم نگه دارند.

خلاصه چگونگی تاثیر افزایش کربن دی اکسید بر دمای کره زمین

• امواج مختلف خورشید از جو عبور می‌کند و به سطح زمین می‌رسد. بیشتر امواج خورشید توسط سطح زمین
  جذب می‌شوند و آن را گرم می‌کنند.
• سطح زمین گرما را جذب می‌کند. آب سطح دریاها و دریاچه‌ها تبخیر می‌شود. امواج دریافت شده به صورت تابش فروسرخ
  از طرف زمین به طرف بالا آسمان روانه می‌شود.
• گرمای جذب شده شروع به بالا رفتن می‌کند. نام این گرما تابش فروسرخ است.
• ساختار کربن دی اکسید مانع خروج گرما از اتمسفر می‌شود. بیشتر امواج فروسرخ توسط کربن دی اکسید و سایر گاز‌های گلخانه‌ای جذب و دوباره در جهت‌های مختلف آزاد می‌شود. تاثیر نهایی این عمل گرم شدن کره زمین است. بنابراین دمای کره زمین افزایش پیدا می‌کند.

اثبات علمی تاثیر کربن دی اکسید بر افزایش دمای زمین

در یک گلخانه وجود شیشه یا پلاستیک مانع بیرون رفتن گرما می‌شود. اگر کربن دی اکسید را نوعی شیشه بین سطح زمین و محیط بالای اتمسفر بدانیم، زمین مانند یک گلخانه خواهد شد.

بیش از ۱۵۰ سال است که در مورد قدرت‌های گاز‌های گلخانه‌ای اطلاع داریم. در اواسط قرن نوزدهم دانشمندانی همچون “یونیس فوته” آزمایشاتی در مورد چگونگی تاثیر گاز‌های مختلف بر دما انجام داده است. برای مثال در شناخته شده‌ترین آزمایش، او چند دماسنج را درون شیشه‌های مختلف قرار داد. هوای یکی از شیشه‌ها را توسط پمپ هوا خالی کرد، شیشه دیگر را فقط با گاز کربن دی اکسید و دیگری را فقط با اکسیژن و چهارمین شیشه را از هوای معمولی (هوایی که تنفس می‌کنیم) پُر کرد و درب شیشه‌ها را محکم بست و آن‌ها را در طول روز جلوی نور خورشید قرار داد.

دمای هر کدام را بررسی و بار‌ها مشاهده کرد. نتیجه این بود که دمای شیشه‌ای که از کربن دی اکسید پر شده به مراتب بیشتر از اکسیژن و هوای معمولی و شیشه خالی است و کربن دی اکسید نسبت به بقیه گاز‌ها می‌تواند بیشتر گرم‌ها را حفظ کنند.

زمانی که یونیس یافته‌های خود را منتشر کرد بسیاری از دانشمندان دیگر نیز آزمایشاتی انجام دادند که دلالت بر آن داشت کربن دی اکسید در مقایسه با گاز‌های دیگر بیشتر می‌تواند گرم بماند. این آزمایشات به دانشمندان کمک کردند تا دریابیم کربن دی اکسید گاز گلخانه‌ایست و یکی از اصلی‌ترین دلایلی که امروزه اتمسفر روز به روز گرم‌تر می‌شود همین است.

کربن دی اکسید چرا و چگونه بر دمای زمین تاثیرگذار است؟

همه گازها، گلخانه‌ای نیستند. اگرچه نیتروژن و اکسیژن در اتمسفر از کربن دی اکسید فراوان ترند، اما در گیر انداختن گرما ضعیف‌تر عمل می‌کنند. کربن دی اکسید و دیگر گاز‌های گلخانه‌ای در نگه داشتن گرما بهتر از اکسیژن و نیتروژن عمل می‌کنند، زیرا مولکول‌های گازی کربن دی اکسید ساختار پیچیده تری نسبت به مولکول‌های نیتروژن و اکسیژن دارند. مولکول کربن دی اکسید در این تصویر دارای بازو‌های چسبیده است، اما مولکول‌های اکسیژن و نیتروژن بازو‌های چسبیده ندارند (در واقع در تصاویر بالا لبه دارند) هرچه یک مولکول بازوی چسبیده بیشتری داشته باشد بهتر می‌تواند گرما را حفظ کند.

گرما نوعی انرژی است. هرچه جسم گرم‌تر باشد نیروی آن بیشتر است. وقتی که گرما با مولکول‌های گاز برخورد می‌کند باعث جنبش آن‌ها می‌شود (مانند اینکه مولکول‌ها در حال رقصیدن هستند) تا زمانی که مولکول‌ها جنبش دارند انرژی را حفظ می‌کنند. اکسیژن و نیتروژن مولکول‌هایی با ساختار ساده و بدون بازو هستند و زمانی که انرژی به آن‌ها وارد می‌شود بهترین عملکرد این است که خیلی آرام نوسان کنند مانند عروسک‌های فنری.

مولکول‌های گاز کربن دی اکسید به علت داشتن بازو‌ها پیچیده هستند و زمانی که انرژی به آن‌ها نیرو وارد می‌کند جنبش زیادی پیدا می‌کنند. این بازو‌ها به آن‌ها این اجازه را می‌دهد که برخلاف مولکول‌های اکسیژن و نیتروژن جنبش زیادی داشته باشند. کربن دی اکسید و دیگر گاز‌های گلخانه‌ای در مقایسه با گاز‌های غیر گلخانه‌ای انرژی گرمایی را در اتمسفر بیشتر حفظ و ذخیره می‌کنند. زمانی که گرما از کربن دی اکسید خارج می‌شود معمولاً توسط یک مولکول گاز گلخانه‌ای دیگر گیر می‌افتد مولکول بعدی جنبش می‌کند و سپس آن را رها می‌کند تا توسط مولکول گاز گلخانه‌ای دیگری به چنگ بیفتد.

همانطور که مولکول‌های گاز‌های گلخانه‌ای به طور مداوم با انرژی گرمایی سیب زمینی داغ جنبش می‌کنند در این حالت مقداری گرما از فضا خارج می‌شود و این باعث یخ‌زدگی ما نمی‌شود، چون گرمای از دست رفته روز به روز توسط خورشید جایگزین می‌شود.

بدون کربن دی اکسید زندگی بر روی زمین امکان‌پذیر نیست

کربن دی اکسید و سایر گاز‌های گلخانه‌ای دائماً گرمای خورشید را در اتمسفر انتقال می‌دهند بنابراین موجودات و انسان‌ها گرم و دمای جوی زمین ثابت باقی می‌ماند. گاز‌های گلخانه‌ای گرما را به مناطقی که حتی نور مستقیم نمیرسد منتقل می‌کند؛ بنابراین زمانی که زیر سایه راه می‌روید و زمانی که آفتاب غروب می‌کنند و شب می‌شود ما خیلی کم تغییر می‌کند.

در هیچ کجای زمین نمی‌توان با ایستادن نصف در آفتاب و نصف در سایه همزمان احساس گرما و سرما کرد. این اتفاق در کره ماه رخ می‌دهد، زیرا در آنجا هیچ گاز گلخانه‌ای وجود ندارد؛ بنابراین ما باید قدردان کربن دی اکسید و دیگر گاز‌های گلخانه‌ای باشیم، زیرا اگر وجود نداشتند باید روی کره زمین هم از لباس‌های فضانوردی ضخیم برای مقابله با شدت دمای کم و زیاد استفاده می‌کردیم.

خطرات احتمالی افزایش کربن دی اکسید و افزایش دمای زمین

اگر سطح کربن دی اکسید بی‌وقفه افزایش یابد، در نهایت آب اقیانوس‌ها تبخیر می‌شود و دانشمندان پیش بینی کرده اند که روزی خورشید تبدیل به کوره‌ای بزرگ و آتشین با گرما و نور شدید خواهد شد که باعث می‌شود زندگی روی این سیاره غیر ممکن شود. البته این اتفاق تا میلیون‌ها سال دیگر غیر ممکن است، اما زمانی که رخ دهد، به صورت تئوری اگر بخواهیم توضیح دهیم باعث گرمای بیش از حد و تبخیر آب اقیانوس‌ها و درنتیجه اثرات مخرب و برگشت ناپذیر گاز‌های گلخانه‌ای مرطوب را به همراه دارد.

اما آیا این روند می‌تواند به علت‌های دیگر مرتبط با نور خورشید رخ دهد، مطالعات جدید نشان می‌دهند که افزایش سطح جوی کربن دی اکسید که امروزه شاهد آن هستیم می‌تواند منجر به این اتفاق شود. کربن دی اکسید موجود در اتمسفر گرما را گیر می‌اندازد، همین امر باعث بروز گرمای جهانی شده است. اگر سطح کربن دی اکسید به حد نابودی زمین برسد باید با اقیانوس‌ها خداحافظی کنیم.

اساساً کربن دی اکسید می‌تواند در نهایت منجر به تبخیر آب‌ها شود. کارشناسان آب و هوا از موسسه هواشناسی planck max در آلمان بر این باورند که روند تبخیر آب و ناپدید شدن بخارات آب در فضا بنا به عوامل مختلف میلیون‌ها و یا میلیارد‌ها سال دیگر رخ خواهد داد. اگرچه از نظر انسان این مدت زمان طولانی به نظر می‌رسد، اما از نظر علم زمین شناسی این اتفاق خیلی سریع پیش می‌آید. مطالعات پیرامون کره آبی و طبیعت نشان می‌دهد یک روزی سطح هر میلیون کربن دی اکسید به ۱۵۲۰ ppm می‌رسد و سطح دما به یکباره به ۵۷ درجه سانتی‌گراد و یا ۱۳۴ درجه فارنهایت می‌رسد. در این حالت اقلیم از پا می‌افتد و در نتیجه آب بخار شده و از فضا خارج می‌شوند.

مطالعات نشان می‌دهد که اقلیم کره زمین با توجه به توده‌های یخی و قسمت‌های خشکی فرآیند پیچیده‌ای دارد. درحال حاضر سطح کربن دی اکسید ۴۰۰ بخش در میلیون (ppm) است و برای تبدیل شدن تمام آب‌ها به سطح خیلی بالاتری از کربن دی اکسید نیاز است؛ بنابراین به غلظت مقدار زیادی کربن دی اکسید لازم است تا زمین تبدیل به گلخانه‌ای مرطوب شود. این مقدار می‌تواند سه و یا چهار برابر ۱۵۲۰ ppm باشد یعنی حدود ۴۵۰۰ تا ۶۰۰۰ ppm (این نتایج مربوط به آینده دور زمین یعنی حدود میلیون‌ها سال دیگر است و به آب و هوای فعلی زمین مربوط نیست).

با توجه به زمان اتفاق این تبخیر بزرگ، به نظر می‌رسد که یافته‌های محققان به تغییرات آب و هوای فعلی جهان مرتبط نیست، اما یکی از اهمیت‌هایی که این تحقیقات دارند این است که به انسان انگیزه زندگی در سیارات دیگر و فرصت خوبی برای شناسایی سیارات و ستاره‌های قابل سکونت را می‌دهد. برای مناسب بودن شرایط این سیاره‌ها ابتدا باید بدانیم که کدام سیاره می‌تواند آب مایع را برای مدت زمان طولانی برروی سطح خود حفظ کند. به همین جهت ناسا در تلاش است تا با پخش پوستر‌های گردشگری فضایی انسان‌ها را برای یک سفر بین سیاره‌ای آماده کند. البته تمامی سیارات قابلیت زندگی و زنده ماندن انسان را ندارند، اما این بدان معنا نیست که نمی‌توانیم رویای درباره زندگی بر سیارات دیگر بیاندیشیم.