تاثیر دی اکسید کربن و متان بر تغییرات آب و هوایی
تاثیر دی اکسید کربن و متان بر تغییرات آب و هوایی
دو مورد از مهم ترین گازهای گلخانه ای دی اکسید کربن (CO2) و متان (CH4) نام دارند. این دو گاز بر روی تغییرات آب و هوایی تاثیر می گذارند. در این مقاله به ارتباط کربن دی اکسید و متان با تغییرات آب و هوایی می پردازیم.
از بین گازهای گلخانه ای، دی اکسید کربن (CO2) مهم ترین آنها است. منابع طبیعی CO2 در اتمسفر شامل دفع گازهای آتشفشان، احتراق و پوسیدگی طبیعی مواد آلی و تنفس توسط ارگانیسم های هوازی (با استفاده از اکسیژن) می باشد. این منابع به طور متوسط با مجموعه ای از فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی یا بیولوژیکی متعادل می شوند که “چاهک” نامیده می شوند و تمایل به حذف CO2 از جو را دارند. چاهک های طبیعی شامل پوشش گیاهی زمینی است که در طی فرآیند فتوسنتز CO2 را جذب می کنند.
متان (CH4) دومین گاز گلخانه ای مهم است. CH4 از CO2 قوی تر است زیرا نیروی تابشی تولید شده در هر مولکول بیشتر است. علاوه بر این، پنجره مادون قرمز در محدوده طول موج تابش جذب شده توسط CH4 کمتر اشباع شده است، بنابراین ممکن است مولکول های بیشتری در منطقه پر شود. با این حال، CH4 در غلظت های بسیار کمتری نسبت به CO2 در اتمسفر وجود دارد و غلظت های حجمی آن در جو عموماً در قطعات در میلیارد (ppb) اندازه گیری می شود تا ppm. CH4 همچنین مدت زمان ماندن در جو نسبتاً کمتری نسبت به CO2 دارد (زمان اقامت CH4 تقریباً ۱۰ سال است، در حالی که برای CO2 صدها سال است).
تولید دی اکسید کربن و متان در جو
کربن به اشکال مختلف از طریق جو، هیدروسفر و سازندهای زمین شناسی منتقل می شود. یکی از مسیرهای اصلی برای تبادل گاز دی اکسید کربن (CO2) بین جو و اقیانوس ها اتفاق می افتد. در آنجا کسری از CO2 با آب ترکیب شده و اسید کربنیک (H2CO3) را تشکیل می دهد که متعاقباً یون های هیدروژن (H +) را از دست می دهد و یون های بی کربنات (HCO3-) و کربنات (CO32-) را تشکیل می دهد. پوسته های نرم تنان یا رسوبات معدنی که در اثر واکنش یون های کلسیم یا فلزات دیگر با کربنات ایجاد می شوند، ممکن است در لایه های زمین شناسی دفن شده و در نهایت از طریق خارج شدن آتشفشان CO2 آزاد کنند. دی اکسید کربن همچنین از طریق فتوسنتز در گیاهان و از طریق تنفس در حیوانات مبادله می شود. مواد آلی مرده و در حال پوسیدگی ممکن است CO2 یا متان (CH4) را تخمیر و آزاد کنند یا ممکن است در سنگ های رسوبی قرار بگیرند، جایی که به سوخت های فسیلی تبدیل می شوند. سوزاندن سوخت های هیدروکربن، CO2 و آب (H2O) را به جو برمی گرداند. مسیرهای بیولوژیکی و انسانی بسیار سریعتر از مسیرهای ژئوشیمیایی هستند و در نتیجه، تأثیر بیشتری بر ترکیب و دمای جو دارند.
تعدادی از فرآیندهای اقیانوسی نیز به عنوان چاهک کربن عمل می کنند. یکی از این فرآیندها، “پمپ حلالیت” نامیده می شود، شامل نزول آب دریا سطح حاوی CO2 محلول است. فرآیند دیگر، “پمپ بیولوژیکی”، شامل جذب CO2 محلول توسط گیاهان دریایی و فیتوپلانکتون ها (موجودات فتوسنتزی کوچک شناور آزاد) است که در اقیانوس فوقانی زندگی می کنند یا توسط ارگانیسم های دریایی دیگری که از CO2 برای ساخت اسکلت و سایر ساختارهای ساخته شده از کلسیم استفاده می کنند کربنات (CaCO3) وقتی این موجودات منقضی می شوند و به کف اقیانوس می افتند، کربن موجود در آنها به پایین منتقل می شود و در نهایت در عمق دفن می شود. تعادل طولانی مدت بین این منابع طبیعی و چاهک ها منجر به پس زمینه یا سطح طبیعی CO2 در جو می شود.
CO2 در نتیجه بین سال های ۱۹۵۹ تا ۲۰۰۶ با متوسط نرخ ۱.۴ ppm در سال و بین سال های ۲۰۰۶ تا ۲۰۱۸ تقریباً ۲.۰ ppm در سال انباشته می شود. به طور کلی، این میزان تجمع خطی بوده است (یعنی با گذشت زمان یکنواخت است). با این حال، چاهک های خاص فعلی مانند اقیانوس ها می توانند در آینده به منابع تبدیل شوند. این ممکن است به وضعیتی منجر شود که غلظت CO2 جو با سرعت نمایی ساخته شود (یعنی میزان افزایش آن نیز در حال افزایش است).
سطح پس زمینه طبیعی دی اکسید کربن در مقیاس های میلیون ها ساله متفاوت است، زیرا تغییرات کندی در خارج شدن از طریق فعالیت های آتشفشانی ایجاد می شود. به عنوان مثال، تقریباً ۱۰۰ میلیون سال پیش، در طول دوره کرتاسه (۱۴۵ میلیون تا ۶۶ میلیون سال پیش)، به نظر می رسد غلظت CO2 چندین برابر امروز باشد (شاید نزدیک به ۲۰۰۰ ppm). طی ۷۰۰۰۰۰ سال گذشته، غلظت CO2 در محدوده بسیار کوچکتر (تقریباً از ۱۸۰ تا ۳۰۰ ppm) در ارتباط با همان اثرات مداری زمین مرتبط با آمدن و رفتن عصر یخبندان پلیستوسن متفاوت بوده است (نگاه کنید به زیر تأثیرات طبیعی بر آب و هوا). در اوایل قرن بیست و یکم، سطح CO2 به ۳۸۴ ppm رسیده بود که تقریباً ۳۷ درصد بالاتر از سطح پس زمینه طبیعی تقریباً ۲۸۰ ppm است که در آغاز انقلاب صنعتی وجود داشت. سطح CO2 جو همچنان در حال افزایش است و تا سال ۲۰۱۸ به ۴۱۰ ppm رسیده است. اعتقاد بر این است که با توجه به اندازه گیری هسته یخ ، چنین سطوحی بالاترین حداقل در ۸۰۰۰۰۰ سال است و با توجه به سایر شواهد ممکن است بالاترین سطح در حداقل ۵ میلیون سال باشد.
نیروی تشعشعی ناشی از دی اکسیدکربن به طور تقریبی با غلظت آن گاز در اتمسفر به صورت لگاریتمی تغییر می کند. رابطه لگاریتمی در نتیجه یک اثر اشباع رخ می دهد که در آن با افزایش غلظت CO2، برای تأثیر بیشتر مولکول های CO2 بر “پنجره مادون قرمز” (یک باند باریک مشخص از طول موج ها در منطقه مادون قرمز که جذب جذب نمی شود، به طور فزاینده ای دشوار می شود) افزایش می یابد. (گازهای جوی). رابطه لگاریتمی پیش بینی می کند که پتانسیل گرم شدن سطح برای هر دو برابر شدن غلظت CO2 تقریباً به همان مقدار افزایش می یابد. با نرخ فعلی استفاده از سوخت های فسیلی، انتظار می رود تا اواسط قرن ۲۱ (زمانی که پیش بینی می شود غلظت CO2 به ۵۶۰ ppm برسد) دو برابر غلظت CO2 نسبت به سطح قبل از صنعت رخ دهد. افزایش دو برابری غلظت CO2 تقریباً ۴ وات در هر متر مربع مجبور تابشی است. با توجه به برآوردهای معمول “حساسیت به آب و هوا” در صورت عدم وجود عوامل جبران کننده، این افزایش انرژی منجر به گرم شدن ۲ تا ۵ درجه سانتیگراد (۳.۶ تا ۹ درجه فارنهایت) در زمان های قبل از صنعت می شود (به مکانیسم های بازخورد و حساسیت آب و هوا مراجعه کنید). کل فشار تابشی ناشی از انتشار CO2 انسانی از ابتدای عصر صنعتی تقریباً ۱.۶۶ وات بر متر مربع است.
منابع طبیعی شامل تالاب های گرمسیری و شمالی، باکتری های اکسید کننده متان است که از مواد آلی مصرف شده توسط موریانه ها، آتشفشان ها، دریچه های تراوش کف در مناطق غنی از رسوبات آلی و هیدرات های متان حبس شده در قفسه های قاره اقیانوس ها و یخ زدگی قطبی چاهک اصلی طبیعی برای متان در جو است، زیرا گاز متان به راحتی با رادیکال هیدروکسیل (∙ OH) درون تروپوسفر واکنش می دهد و CO2 و بخار آب (H2O) را تشکیل می دهد. وقتی CH4 به استراتوسفر رسید، از بین می رود. یک چاهک طبیعی دیگر خاک است، جایی که متان توسط باکتری ها اکسید می شود.
همانند CO2، فعالیت انسانی در حال افزایش غلظت CH4 است که با چاهک های طبیعی جبران شود. منابع انسانی در حال حاضر تقریباً ۷۰ درصد از کل انتشارات سالانه را تشکیل می دهند که منجر به افزایش قابل توجه غلظت در طول زمان شده است. عمده ترین منابع انسانی CH4 در جو عبارتند از: کشت برنج، دامداری، سوزاندن ذغال سنگ و گاز طبیعی، احتراق زیست توده و تجزیه مواد آلی در محل های دفن زباله. پیش بینی روندهای آینده به ویژه دشوار است. این امر تا حدی به دلیل درک ناقصی از بازخورد اقلیمی مرتبط با انتشار CH4 است. علاوه بر این پیش بینی می شود که چگونه، با افزایش جمعیت انسانی، تغییرات احتمالی در پرورش دام، کشت برنج و استفاده از انرژی بر انتشار CH4 تأثیر می گذارد.
اعتقاد بر این است که افزایش ناگهانی غلظت متان در جو مسبب یک رویداد گرم کننده است که در طی چند هزار سال در طول به اصطلاح پالئوسن دمای جهانی را ۴تا۸ درجه سانتی گراد افزایش داده است. -Eocene Thermal Maximum یا PETM. این قسمت تقریباً ۵۵ میلیون سال پیش اتفاق افتاده است و به نظر می رسد افزایش CH4 مربوط به فوران گسترده آتشفشان باشد که با کانسارهای حاوی متان در تعامل است. در نتیجه مقدار زیادی CH4 گازی به جو تزریق شد. دقیقاً می دانیم که این غلظت ها چقدر بالا بوده یا چه مدت دوام آورده اند دشوار است. در غلظت های بسیار بالا، زمان اقامت CH4 در جو می تواند بسیار بیشتر از زمان اسمی ۱۰ سال اقامت باشد که امروز اعمال می شود. با این وجود، به احتمال زیاد این غلظت ها در طی PETM به چندین ppm رسیده اند.
غلظت متان نیز در ارتباط با چرخه های عصر یخبندان پلیستوسن در محدوده کوچکتر (تقریباً از ۳۵۰ تا ۸۰۰ ppb) متفاوت بوده است. مقادیر پیش تولید صنعتی CH4 در اتمسفر تقریبا ۷۰۰ ppb بود، در حالی که سطح آن در اواخر ۲۰۱۸ از ۱،۸۶۷ ppb فراتر رفت. (این غلظت ها کاملاً بالاتر از سطح طبیعی است که حداقل در ۶۵۰،۰۰۰ سال گذشته مشاهده شده است.) ۰.۵ وات بر متر مربع – یا تقریباً یک سوم نیرو تابشی CO2.
دی اکسید و متان با تغییرات آب و هوایی تاثیر مستقیم دارند. فعالیت های انسانی موجب افزایش این گازهای گلخانه ای در جو شده است. همین امر سبب گرم شدن کره ی زمین شده است.
