„CO₂ to tylko śladowy gaz w atmosferze – stanowi ułamek procenta, więc nie może mieć dużego wpływu na klimat”

W 2024 r. średnie stężenie CO₂ w powietrzu wynosiło około 424 ppm (ang. parts per million, czyli liczba cząsteczek na milion), co odpowiada 0,0424% atmosfery. Nawet jeśli dodamy do tego inne gazy cieplarniane, takie jak metan, podtlenek azotu czy para wodna, ich łączny udział nadal nie przekracza około 1% składu powietrza. Wiele osób dochodzi więc do wniosku, że skoro gazów cieplarnianych jest tak mało, to nie mogą one mieć istotnego wpływu na klimat.

Jak to możliwe, że CO₂, które stanowi zaledwie 0,0424% atmosfery, jest jednym z najważniejszych czynników napędzających współczesne globalne ocieplenie?

Żeby zobrazować znaczenie występowania gazów cieplarnianych, wyobraźmy sobie Ziemię bez nich. Gdyby usunąć z atmosfery wszystkie gazy cieplarniane, średnia temperatura na naszej planecie spadłaby z około +15°C do około –18°C. W takiej sytuacji woda w oceanach i jeziorach zamarzłaby, a życie w znanej nam formie nie mogłoby istnieć. Już ten przykład pokazuje, że choć gazy cieplarniane stanowią tylko niewielki ułamek składu powietrza, to odgrywają kluczową rolę w utrzymaniu temperatur odpowiednich dla życia.

Czym jest zatem efekt cieplarniany, czyli efekt działania gazów cieplarnianych? Ziemia otrzymuje energię ze Słońca głównie w postaci światła tzw. widzialnego. Ta energia ogrzewa powierzchnię planety, która następnie oddaje ją w postaci promieniowania cieplnego, czyli promieniowania podczerwonego. To promieniowanie próbuje uciec w kosmos. Gazy cieplarniane, takie jak CO₂ i para wodna, pochłaniają część promieniowania podczerwonego i ponownie je emitują, również w kierunku powierzchni Ziemi. W ten sposób część ciepła zostaje „zatrzymana” w systemie klimatycznym, zamiast swobodnie uciec w przestrzeń kosmiczną.

To, że gazy takie jak CO₂ i para wodna pochłaniają promieniowanie podczerwone, zostało wykazane już w połowie XIX wieku przez Johna Tyndalla. Dokładne pomiary tego, jak gazy cieplarniane pochłaniają ciepło, były przeprowadzane w okresie II wojny światowej m.in. żeby można było odróżniać cele wojskowe od chmur.

Wciąż pozostaje pytanie, jak to możliwe, że tak małe stężenie – 0,0424% – ma tak duży wpływ. Odpowiedzią jest to, że atmosfera zawiera ogromną liczbę cząsteczek. W jednym metrze sześciennym powietrza przy powierzchni Ziemi znajdują się biliony bilionów cząsteczek różnych gazów. Jeśli 0,0424% z nich to CO₂, to nadal oznacza to niewyobrażalnie wielką liczbę cząsteczek dwutlenku węgla w każdym metrze sześciennym powietrza. Każda z tych cząsteczek może pochłonąć porcję promieniowania cieplnego. Im więcej cząsteczek CO₂ znajduje się w atmosferze, tym większa szansa, że wypromieniowane przez Ziemię ciepło zostanie przez nie „złapane”, a tym samym – że trudniej będzie energii opuścić atmosferę.

Ilustracja poniżej pokazuje, jak skuteczne w zatrzymywaniu promieniowania cieplnego przed ucieczką w kosmos są gazy cieplarniane.

Schemat pokazujący, jak promieniowanie słoneczne i cieplne przechodzi przez atmosferę oraz jak gazy i cząstki je pochłaniają i rozpraszają.

Rysunek: Robert Rohde (licencja CC BY-SA 3.0).

Drugi panel od góry pokazuje, gdzie ciepło nie ma szans opuścić atmosfery (obszary szare), a gdzie promieniowanie cieplne może ją swobodnie przejść (obszary białe). Niebieska krzywa na pierwszym panelu przedstawia promieniowanie cieplne wychodzące z powierzchni Ziemi. Widać, że jedynie 15–30% może uciec w kosmos, ponieważ gazy cieplarniane zatrzymują resztę. Kolejne panele pokazują, które konkretne gazy odpowiadają za pochłanianie w konkretnych obszarach promieniowania podczerwonego.

Dziś naukowcy wykorzystują zarówno obliczenia komputerowe, jak i pomiary satelitarne, aby sprawdzić, jak zmienia się ilość energii uciekającej z Ziemi w kosmos w zależności od ilości gazów cieplarnianych w atmosferze. Obserwacje pokazują, że w tych obszarach, w których promieniowanie jest silnie pochłaniane przez gazy cieplarniane (w tym CO₂), ilość energii opuszczającej Ziemię maleje. Oznacza to, że coraz większa część ciepła zostaje zatrzymana w systemie klimatycznym planety.

Podsumowując, z punktu widzenia „procentów” w składzie atmosfery 0,0424% CO₂ rzeczywiście wygląda na ilość śladową. Jednak z punktu widzenia fizyki klimatu ten niewielki ułamek ma ogromne znaczenie. Wzrost stężenia CO₂ z około 260 ppm w epoce przedprzemysłowej do około 424 ppm obecnie odpowiada za znaczną część (ok. 66%) dodatniego wymuszenia radiacyjnego, czyli zaburzenia równowagi między energią docierającą do Ziemi a energią, która z niej ucieka w kosmos. To zaburzenie wzmocniło efekt cieplarniany i napędza obserwowane dziś globalne ocieplenie. Innymi słowy: choć CO₂ stanowi tylko ułamek procenta atmosfery, jego wpływ na klimat jest kluczowy.

Źródła:

Tekst: Michalina Broda – doktorantka fizyki atmosfery w Instytucie Geofizyki Uniwersytetu Warszawskiego