Почему углекислый газ является парниковым газом?

Углекислый газ является инфракрасной активной молекулой, которая поглощает длинные инфракрасные излучения, испускаемые поверхностью Земли.

Было лето 1856 года, и Юнис Фут пыталась определить факторы, влияющие на тепло от солнечных лучей. Ее эксперименты привели к выводу, что замкнутая среда, богатая углекислым газом, нагревается на солнечном свете намного быстрее, чем на обычном воздухе. Кроме того, при удалении от прямых солнечных лучей она остывает намного медленнее.

В своей работе, которую ей даже не разрешили представить, потому что она была женщиной, она написала: "Атмосфера этого газа придала бы нашей Земле высокую температуру, и если предположить, что в какой-то период ее истории воздух был смешан с большей долей, чем сейчас...". В те времена это наблюдение не привлекло особого внимания, но сейчас оно каждый день смотрит на нас с новой силой. Это потому, что мы, очевидно, живем в не очень приятном будущем, которое представляла себе Юнис.

Вы наверняка знаете, что углекислый газ является парниковым газом, ответственным за глобальное потепление (хотя технически "мы" несем за это ответственность). Но что позволяет ему считаться парниковым газом, в то время как другие основные компоненты воздуха таковыми не являются? Давайте узнаем, как газ, который делает вашу газировку, заставляет ледники таять!

Краткая история парниковых газов

Каждый день наша планета получает квинтиллион джоулей энергии от нашего любимого огненного небесного светила. Живительный солнечный свет - это коктейль из ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных лучей. Затем она пропускает видимые лучи, которые освещают наш мир. И последнее, но не менее важное: инфракрасные лучи делают Землю теплым и уютным очагом жизни в огромной холодной пустоте.

Инфракрасные лучи, попадающие на поверхность Земли, поглощаются различными объектами и излучаются обратно в виде тепла. Отраженное тепло пытается уйти от нагретой поверхности к более холодным областям неба, и тогда оно сталкивается с привратниками тепла - парниковыми газами.

Некоторые газы, такие как углекислый газ, водяной пар, оксиды азота, метан и хлорфторуглерод, не дают теплу полностью уйти в космос. Если бы не они, наша планета была бы ледяным шаром со средней температурой 18 градусов ниже нуля!

Что делает углекислый газ парниковым газом?

В этом контексте, когда мы говорим об инфракрасном, мы имеем в виду инфракрасные лучи, отраженные поверхностью Земли, а не те, которые поступают с солнечным светом.

Основные компоненты воздуха, такие как азот и кислород, прозрачны для ИК-излучения, то есть они не взаимодействуют с этими лучами. Однако углекислый газ или CO2 является инфракрасно активным, то есть он претерпевает некоторое химическое взаимодействие с инфракрасным излучением, которое не дает ему покинуть планету (правда, не все). Что же происходит, когда эти молекулы преграждают путь инфракрасным лучам? Для этого нам нужно рассмотреть отдельные молекулы газа.

Молекулы газа находятся в состоянии постоянной вибрации, даже при нормальных условиях температуры и давления. Эти движения становятся более интенсивными при воздействии внешнего источника энергии. Теперь представьте себе молекулу CO2, в которой атомы углерода и кислорода представляют собой шарики для пинг-понга, а соединяющие их связи - пружины. В нормальных условиях эти связи сгибаются и растягиваются с определенной частотой и зависают в атмосфере.

Потом.... БАМ! Фотон инфракрасного излучения попадает на молекулу газа, которая впитывает фотон, возбуждается и начинает вибрировать с большей скоростью. Однако молекула газа не может долго поддерживать это ускоренное движение и должна расслабиться, вернувшись в исходное состояние. Она расслабляется, излучая энергию обратно в воздух или передавая ее соседней молекуле CO2.

Это же явление происходит снова и снова с триллионами молекул CO2. Непрерывное поглощение, возбуждение и повторное излучение энергии - вот что удерживает тепло внутри.

Почему азот и кислород не являются парниковыми газами?

В каждой молекуле есть положительные и отрицательные заряды из-за ядра и электронных облаков. Когда гетероатомные молекулы, такие как диоксид углерода, метан или диоксид азота, колеблются, происходит сдвиг в их распределении заряда. Иногда они распределяются равномерно, а иногда нет. Неравномерное распределение зарядов между связями создает электрическое поле, которое делает их чувствительными к электромагнитным излучениям, таким как инфракрасное.

Однако в случае гетероатомных газов, таких как N2 и O2, даже когда связи растягиваются, электрическое поле не изменяется. Таким образом, электромагнитные излучения проходят через них беспрепятственно. Кроме того, молекулы очень разборчивы, когда речь идет о том, с какой частотой излучения они взаимодействуют. CO2 легко поглощает длинноволновое инфракрасное излучение с низкой энергией, а N2 и O2 поглощают только излучения с высокой энергией, такие как гамма- или рентгеновские лучи.

Является ли CO2 самым опасным парниковым газом?

Одна молекула хлорфторуглерода может создать след, эквивалентный 10 000 молекул CO2, метан может поглотить в 30 раз больше тепла, а водяной пар является самым сильным среди всех парниковых газов, присутствующих в воздухе.

Несмотря на то, что эти газы гораздо более мощные парниковые газы, чем CO2, их концентрация не подвержена значительному влиянию человеческой деятельности. То же самое нельзя сказать о CO2, поскольку он является основным побочным продуктом многих видов деятельности человека. С 1970 года объем выбросов CO2 увеличился на 90%, поэтому, хотя по своей сути он не является самым опасным парниковым газом, он стал предметом беспокойства из-за его чрезмерного и практически нерегулируемого выброса в атмосферу.

Углекислый газ является очень важным фактором в поддержании нашего статуса "планеты золотого сечения". Благодаря ему наши воды остаются жидкими, а наш дом - пригодным для жизни, но лето с каждым годом становится все жарче из-за дисбаланса, который мы создали чрезмерными выбросами. К счастью для нас, природа предоставила нам колоссальные поглотители углерода в виде почвы, лесов и океанов. Самое меньшее, что мы можем сделать, это сохранить и восстановить их и позволить им выполнять свою работу!