なぜ二酸化炭素が地球の気候に大きな影響を与えるのか

なぜ二酸化炭素が地球の気候に大きな影響を与えるのか 軌道上にある炭素観測衛星は、宇宙からの地球の二酸化炭素レベルを正確に測定します。 NASA / JPL

二酸化炭素の濃度が非常に小さい場合、二酸化炭素が地球の気候にどのように重要な影響を与える可能性があるのか​​とよく尋ねられます 地球の大気の0.041%。 そして人間の活動は その金額のわずか32%.

私は大気ガスの重要性を研究しています 大気汚染と気候変動。 二酸化炭素が気候に強く影響する鍵は、地球の表面から放出される熱を吸収し、宇宙に逃げないようにする能力です。

なぜ二酸化炭素が地球の気候に大きな影響を与えるのか 科学者のチャールズ・デイビッド・キーリングにちなんで名付けられた「キーリング曲線」は、百万分の1で測定される地球大気中の二酸化炭素の蓄積を追跡します。 スクリップス海洋研究所, CC BY

初期の温室科学

1850で気候に対する二酸化炭素の重要性を最初に特定した科学者も、その影響に驚きました。 別々に作業して、 ジョン・ティンドール イギリスで ユーニス・フート 米国では、二酸化炭素、水蒸気、およびメタンはすべて熱を吸収しますが、より豊富なガスは吸収しませんでした。

科学者たちはすでに、地球は華氏59度(摂氏33度)であると計算していた あるべきよりも暖かい、その表面に到達する太陽​​光の量を考えると。 その矛盾の最良の説明は、大気が地球を暖めるために熱を保持していたことでした。

TyndallとFooteは、一緒に大気の99%を占める窒素と酸素は、熱を吸収しないため、地球の温度に本質的に影響を与えないことを示しました。 むしろ、彼らは、はるかに低い濃度で存在するガスが、熱を閉じ込めて生成することにより、地球を居住可能な温度に維持することに完全に関与していることを発見した 自然な温室効果.

大気中の毛布

地球は常に太陽からエネルギーを受け取り、宇宙に放射します。 惑星の温度を一定に保つために、太陽から受け取る正味の熱は、放出する熱と釣り合う必要があります。

太陽は暑いので、主に紫外線と可視波長の短波放射の形でエネルギーを放出します。 地球はずっと冷たいので、より長い波長を持つ赤外線として熱を放出します。

電磁スペクトルは、すべてのタイプのEM放射の範囲であり、移動するにつれて広がるエネルギーです。 太陽は地球よりもはるかに高温であるため、より高いエネルギーレベルの放射線を放出します。 米航空宇宙局(NASA)

二酸化炭素およびその他の熱捕捉ガスは、赤外線を吸収できる分子構造を持っています。 分子内の原子間の結合は、ピアノの弦のピッチのように、特定の方法で振動します。 光子のエネルギーが分子の周波数に対応する場合、それは吸収され、そのエネルギーは分子に移動します。

二酸化炭素およびその他の熱捕捉ガスには、3つ以上の原子と周波数があり、 地球から放射される赤外線に対応。 分子内にたった2つの原子を含む酸素と窒素は、赤外線を吸収しません。

太陽からのほとんどの短波放射は、吸収されずに大気を通過します。 しかし、ほとんどの発信赤外線は、大気中の熱トラップガスによって吸収されます。 その後、彼らはその熱を放出または再放射することができます。 あるものは地球の表面に戻り、他の場合よりも暖かく保ちます。

なぜ二酸化炭素が地球の気候に大きな影響を与えるのか 地球は太陽から太陽エネルギーを受け取り(黄色)、入ってくる光を反射して熱を放射することでエネルギーを宇宙に戻します(赤)。 温室効果ガスはその熱の一部を閉じ込めて、惑星の表面に戻します。 ウィキメディア経由のNASA

熱伝達に関する研究

冷戦中、多くの異なるガスによる赤外線の吸収が広範囲に研究されました。 この作業は、熱探知ミサイルを開発している米国空軍が主導し、空気を通過する熱を検出する方法を理解する必要がありました。

この研究により、科学者は赤外線シグネチャを観察することにより、太陽系内のすべての惑星の気候と大気組成を理解することができました。 たとえば、金星は、その厚い大気がであるため、約870 F(470 C)です。 96.5%二酸化炭素.

また、天気予報と気候モデルに情報を提供し、大気中に保持されて地球の表面に戻った赤外線の量を定量化できるようにしました。

水蒸気はより多くの赤外線を吸収し、2つのガスは同じ波長のいくつかを吸収するため、人々は時々二酸化炭素が気候にとって重要である理由を私に尋ねます。 理由は、地球の上層大気が宇宙に逃げる放射線を制御しているからです。 上層大気は、地上近くよりもはるかに密度が低く、水蒸気がはるかに少ないため、 二酸化炭素を追加すると、大きな影響があります どれだけの赤外線が宇宙に逃げるか。

二酸化炭素のレベルは世界中で上下し、植物の成長と衰退とともに季節的に変化します。

温室効果の観察

砂漠は、平均気温が同じであっても、夜は森林よりも寒いことが多いことに気づいたことがありますか? 砂漠の大気中に多くの水蒸気がなければ、それらが放つ放射線は容易に宇宙に逃げます。 より湿度の高い地域では、表面からの放射は空気中の水蒸気に閉じ込められます。 同様に、曇りの夜は、より多くの水蒸気が存在するため、晴れた夜よりも暖かい傾向があります。

二酸化炭素の影響は、気候の過去の変化で見ることができます。 過去数百万年にわたる氷のコアは、温暖な時期に二酸化炭素濃度が高いことを示しました–約0.028%。 氷河期のとき、 地球はおよそ7から13 Fでした (4-7 C)20th世紀よりも涼しく、二酸化炭素が生成されます 0.018%についてのみ 雰囲気の。

水蒸気は自然の温室効果にとってより重要ですが、二酸化炭素の変化は過去の温度変化を引き起こしています。 対照的に、大気中の水蒸気レベルは温度に反応します。 地球が暖かくなるにつれて、その 大気はより多くの水蒸気を保持できる、その 初期温暖化を増幅する 「水蒸気フィードバック」と呼ばれるプロセスで 二酸化炭素の変動 したがって、 影響力を制御する 過去の気候変動について。

小さな変化、大きな効果

大気中の少量の二酸化炭素が大きな影響を与えることは驚くべきことではありません。 私たちは、体重のごく一部である錠剤を服用し、それらが私たちに影響を及ぼすことを期待しています。

今日、二酸化炭素のレベルは人類の歴史のどの時点よりも高くなっています。 科学者は地球の平均表面温度に広く同意します すでに約2 F増加しています (1 C)は1880であり、人為的な二酸化炭素やその他の熱捕捉ガスの増加は 責任がある可能性が非常に高い.

排出量を管理する措置がなければ、 二酸化炭素は、0.1によって大気の2100%に達する可能性があります、産業革命前のレベルの3倍以上。 これは 地球の過去の遷移よりも速い変化 それは大きな結果をもたらしました。 行動がなければ、この小さな大気のスライバーは大きな問題を引き起こします。

著者について

ジェイソンウェスト、環境科学および工学教授、 ノースカロライナ大学チャペルヒル校

この記事はから再公開されます 会話 クリエイティブコモンズライセンスの下で 読む 原著.

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