اثر گلخانهای: موتور تنظیم دمای زمین
سفر نور خورشید به زمین و نقش گازها
برای درک اثر گلخانهای، ابتدا باید بدانیم انرژی خورشید چگونه به زمین میرسد و چه بر سر آن میآید. خورشید پرتوهای گوناگونی مانند نور مرئی، فرابنفش و فروسرخ به سوی زمین میفرستد. این پرتوها عمدتاً انرژی بالا و طول موج کوتاهی دارند و به راحتی از لایههای جو زمین عبور میکنند.
زمین نیز مانند هر جسم گرمی، انرژی جذب شده را به صورت پرتوهای فروسرخ (پرتوهای گرمایی با انرژی کمتر و طول موج بلندتر) به فضا بازمیتاباند. اینجاست که گازهای گلخانهای وارد عمل میشوند. مولکولهای این گازها دارای ساختاری هستند که به آنها اجازه میدهد این پرتوهای فروسرخ را جذب کنند. پس از جذب انرژی، مولکولها ناپایدار میشوند و برای بازگشت به حالت پایدار، انرژی جذبشده را دوباره به صورت پرتوهای فروسرخ در همهٔ جهات گسیل میکنند. بخشی از این انرژی گسیلشده، دوباره به سمت سطح زمین بازمیگردد و آن را گرمتر میکند. این فرآیند مداوم، دمای زمین را در محدودهٔ مناسبی برای زندگی حفظ میکند.
گازهای اصلی گلخانهای: سربازان نامرئی جو
همهٔ گازهای موجود در جو این خاصیت را ندارند. گازهای اصلی تشکیلدهندهٔ جو یعنی نیتروژن ($N_2$) و اکسیژن ($O_2$) تقریباً در برابر پرتوهای فروسرخ شفاف هستند. گازهای گلخانهای اقلیت کوچک اما بسیار مؤثری هستند. مهمترین آنها به همراه منابع طبیعی و انسانی در جدول زیر آمده است:
| نام گاز (فرمول شیمیایی) | منابع طبیعی | منابع انسانی (بشری) | توان گرمایشی نسبی* |
|---|---|---|---|
| بخار آب ($H_2O$) | تبخیر از اقیانوسها، دریاچهها، تعرق گیاهان | مستقیم بسیار کم، اما گرمایش ناشی از سایر گازها ظرفیت هوای گرم را برای نگهداری بخار آب افزایش میدهد. | متغیر |
| دیاکسید کربن[1]($CO_2$) | تنفس جانداران، آتشفشانها، تجزیهٔ مواد آلی | سوزاندن سوختهای فسیلی (نفت، گاز، زغالسنگ)، جنگلزدایی | 1 (به عنوان مبنا) |
| متان[2]($CH_4$) | تالابها، موریانهها، گوارش نشخوارکنندگان | دفع فضولات دامداریها، کشت برنج، دفن زباله، استخراج نفت و گاز | ~25 (در بازهٔ ۲۰ ساله) |
| اُزُن[3]($O_3$) | لایهٔ استراتوسفر (ازن خوب) از تابش فرابنفش خورشید تشکیل میشود. | واکنش آلایندههای خودروها و صنایع در سطح زمین (ازن بد یا دود فتوشیمیایی) | ~2000 (ولی مقدارش کم است) |
| گازهای فلوئوردار (CFC, HFC, ...) | هیچ | سردکنندهها (کولر، یخچال)، اسپریها، کفهای عایق | هزاران تا دهها هزار |
همانطور که در ستون آخر جدول دیده میشود، هر گاز توان متفاوتی در به دام انداختن گرما دارد. به این معیار، توان گرمایشی جهانی میگویند که برای یک بازهٔ زمانی مشخص (مثلاً ۱۰۰ سال) محاسبه میشود. مثلاً یک مولکول متان در بازهٔ ۲۰ ساله حدود ۸۶ برابر یک مولکول دیاکسید کربن گرما به دام میاندازد. اما نکتهٔ مهم ماندگاری گاز در جو است. دیاکسید کربن برای قرنها در جو باقی میماند، در حالی که متان تنها حدود ۱۲ سال ماندگاری دارد.
اثر گلخانهای طبیعی در برابر اثر گلخانهای تشدیدشده
درک تفاوت بین این دو مفهوم بسیار کلیدی است:
اثر گلخانهای طبیعی: این یک پدیدهٔ کاملاً طبیعی و مفید است که از میلیاردها سال پیش تاکنون زمین را قابل سکونت کرده است. گازهای گلخانهای به مقداری متعادل در جو حضور دارند و دمای کرهٔ زمین را به طور متوسط در 15°C (درجهٔ سلسیوس) نگه میدارند. اگر این گازها نبودند، زمین مانند مریخ سرد و یخزده میشد.
اثر گلخانهای تشدیدشده (تغییر اقلیم[4]): مشکل زمانی شروع شد که فعالیتهای صنعتی انسان، به ویژه از حدود ۱۵۰ سال پیش، باعث شد غلظت گازهای گلخانهای در جو به سرعت افزایش یابد. ما با سوزاندن مقادیر عظیمی از سوختهای فسیلی، جنگلزدایی و فعالیتهای کشاورزی و صنعتی، تعادل طبیعی را برهم زدهایم. نتیجه این شده که «پتو»ی طبیعی زمین بسیار ضخیمتر از حد لازم شده است و گرمای بیشتری به دام میافتد. این گرمایش اضافی منجر به تغییر اقلیم میشود که پیامدهایی مانند ذوب یخچالها، افزایش سطح دریاها، وقوع سیلها و خشکسالیهای شدیدتر و اختلال در اکوسیستمها را در پی دارد.
از نظریه تا واقعیت: مشاهده اثر گلخانهای در زندگی روزمره
شاید فکر کنید اثر گلخانهای پدیدهای دور از دسترس است، اما نشانههای آن را میتوان در زندگی روزمره مشاهده کرد:
۱. شهرها گرمتر از حومه هستند (جزیرهٔ گرمایی شهری): در شهرهای بزرگ به دلیل وجود آسفالت تیره، ساختمانهای بلند، کمبود فضای سبز و فعالیت ماشینها و کارخانهها، هوای گرم بیشتری به دام میافتد. مواد مصنوعی زیادی که در شهرها استفاده میشوند، مانند بتن و آسفالت، گرمای خورشید را جذب و مانند یک گاز گلخانهای عمل میکنند و آن را به صورت پرتوهای فروسرخ بازمیتابانند. این باعث میشود دمای مرکز شهر در شبها هم چند درجه از مناطق اطراف بالاتر بماند.
۲. گرمتر شدن زمستانها و تغییر الگوی بارش: بسیاری از مناطق دنیا زمستانهای ملایمتر و کوتاهتری را نسبت به گذشته تجربه میکنند. زمان شروع فصلها در حال جابجایی است. بارشهای سنگین و سیلآسا در برخی مناطق و خشکسالیهای طولانی در مناطق دیگر، از پیامدهای اختلال در چرخهٔ آب ناشی از گرمایش کلی زمین است.
۳. ذوب یخهای قطبی و یخچالهای طبیعی: این یکی از واضحترین شواهد است. تصاویر ماهوارهای به وضوح کاهش مساحت یخهای دریایی قطب شمال و عقبنشینی یخچالهای کوهستانی در سراسر جهان را نشان میدهند. این ذوب نه تنها زیستگاه حیواناتی مانند خرس قطبی را نابود میکند، بلکه با افزایش حجم آب اقیانوسها، باعث بالا آمدن سطح آب دریاها و تهدید سواحل و شهرهای ساحلی میشود.
پرسشهای مهم و شبهات رایج
خیر، این دو پدیدهٔ کاملاً مجزا هستند. لایهٔ اُزون لایهای در استراتوسفر است که مانند یک کرم ضدآفتاب، زمین را در برابر پرتوهای مضر فرابنفش خورشید محافظت میکند. مشکل حفرهٔ اُزون نازک شدن این لایه به دلیل گازهای CFC بود. در حالی که اثر گلخانهای مربوط به تروپوسفر (پایینترین لایهٔ جو) است و در مورد به دام افتادن پرتوهای فروسرخ (گرما) صحبت میکند. برخی گازها مانند CFC هم به لایهٔ اُزون آسیب میزنند و هم گاز گلخانهای قوی هستند.
خیر. همانطور که گفته شد، اثر گلخانهای طبیعی برای حیات لازم است. مشکل از افزایش بیش از حد و خارج شدن از تعادل این گازها ناشی میشود. بخار آب مهمترین گاز گلخانهای طبیعی است و بدون آن زندگی ممکن نبود. دیاکسید کربن نیز برای فتوسنتز گیاهان ضروری است. پس این گازها به خودی خود "مضر" نیستند، بلکه غلظت اضافی ناشی از فعالیت انسان است که مشکلآفرین شده است.
بله، اقلیم زمین در تاریخ خود تغییرات طبیعی زیادی را تجربه کرده (مثلاً عصرهای یخبندان). اما سرعت و مقیاس گرمایش کنونی بیسابقه است. دانشمندان با بررسی حبابهای هوای محبوس در یخهای قطبی و دیگر شواهد، به این نتیجه رسیدهاند که افزایش همزمان دما و غلظت گازهای گلخانهای از زمان انقلاب صنعتی، بسیار فراتر از نوسانات طبیعی است. اجماع قریب به اتفاق دانشمندان اقلیمی بر این است که فعالیتهای انسان عامل اصلی گرمایش مشاهدهشده در ۵۰ سال گذشته است.
اثر گلخانهای یک فرآیند فیزیکی حیاتی است که در آن گازهای موجود در جو زمین، پرتوهای کمانرژی فروسرخ گسیلشده از سطح زمین را جذب و بخشی از آن را به سوی زمین بازمیتابانند و مانند یک پتو طبیعی، گرما را حفظ میکنند. گازهایی مانند دیاکسید کربن، متان و بخار آب اصلیترین عامل این پدیده هستند. این اثر در حالت طبیعی خود، سیارهٔ ما را قابل سکونت کرده است. با این حال، انتشار بیرویهٔ گازهای گلخانهای ناشی از فعالیتهای انسانی (به ویژه سوزاندن سوختهای فسیلی) باعث تشدید این اثر و برهم خوردن تعادل انرژی زمین شده است. نتیجه، گرمایش جهانی و تغییرات گستردهٔ اقلیمی است که تهدیدی جدی برای اکوسیستمها، منابع آب و غذا، و جوامع انسانی به شمار میرود. درک این مکانیسم، نخستین گام ضروری برای یافتن راهحلهایی مانند بهرهوری انرژی، توسعهٔ انرژیهای پاک و حفاظت از جنگلها است.
پاورقی و واژهنامه
[1] دیاکسید کربن (Carbon Dioxide - $CO_2$): گازی بیرنگ و بیبو که از سوختن مواد کربندار (مانند سوختهای فسیلی) و تنفس جانداران تولید میشود. مهمترین گاز گلخانهای با منشأ انسانی.
[2] متان (Methane - $CH_4$): گازی بیرنگ و بیبو که از تجزیهٔ مواد آلی در شرایط بیهوازی (مانند گوارش در شکمبهٔ نشخوارکنندگان، تالابها و دفنگاه زباله) تولید میشود. گاز گلخانهای بسیار قویتری نسبت به $CO_2$ است.
[3] اُزُن (Ozone - $O_3$): مولکولی متشکل از سه اتم اکسیژن. در استراتوسفر (لایهٔ اُزون) مفید و محافظ است، اما در سطح زمین یک آلاینده و گاز گلخانهای مضر محسوب میشود.
[4] تغییر اقلیم (Climate Change): تغییرات بلندمدت در الگوهای آب و هوایی یک منطقه یا کرهٔ زمین. امروزه عمدتاً به تغییرات ناشی از فعالیتهای انسانی اطلاق میشود.
[5] قسمت در میلیون (Parts Per Million - ppm): یکای اندازهگیری غلظت. به معنای تعداد مولکولهای مورد نظر در یک میلیون مولکول هوا.
* اثر گلخانهای (Greenhouse Effect)
* گازهای گلخانهای (Greenhouse Gases - GHGs)
* پرتوهای فروسرخ (Infrared Radiation)
* تغییر اقلیم (Climate Change)
* توان گرمایشی جهانی (Global Warming Potential - GWP): معیاری برای مقایسهٔ مقدار گرمایی که یک گاز گلخانهای در یک بازهٔ زمانی مشخص (معمولاً ۱۰۰ سال) نسبت به همان جرم از دیاکسید کربن به دام میاندازد.
