اثر گلخانهای و دمای زمین
میآموزیم دمای تعادل زمین از توازن انرژی ورودی و خروجی میآید و گازهای گلخانهای این توازن را چگونه جابهجا میکنند.
در پایان این درس میتوانید
- توازن تابشی زمین را توضیح دهی و بگویی دمای تعادل از کجا میآید.
- نقش بازتاب سطح و پوشش ابر را در مقدار انرژی جذبشده بشناسی.
- بگویی گازهای گلخانهای برای نور مرئی شفافاند اما جلوی تابش فروسرخ را میگیرند.
- واداشت تابشی را از رابطهٔ لگاریتمی حساب کنی و آن را به افزایش دما تبدیل کنی.
- در شبیهساز غلظت کربندیاکسید و بازتاب سطح را عوض کنی و دمای تعادل را بخوانی.
شبی صاف و بیابر در بیابان میگذرانی و تا سحر از سرما میلرزی. شب بعد آسمان پوشیده از ابر است و هوا بهمراتب ملایمتر میماند، هرچند خورشید در هر دو روز یکسان تابیده بود. جو زمین مثل پتویی نازک عمل میکند و ضخامت این پتو را چند گاز کمیاب تعیین میکنند.
توازن انرژی، ترازوی دمای زمین
زمین از خورشید انرژی میگیرد و به شکل تابش فروسرخ انرژی پس میدهد. دما وقتی ثابت میماند که این دو با هم برابر شوند؛ به این نقطه دمای تعادل میگوییم. شدت تابش خورشید بالای جو نزدیک ۱۳۶۱ وات بر متر مربع است، اما همهٔ آن جذب نمیشود: بخشی از ابرها، برف، یخ و سطح روشن بازمیتابد. به سهم بازتابیده سپیدایی میگویند که برای زمین نزدیک ۳۰ درصد است.
عددی که با تجربه نمیخواند
اگر تنها همین توازن را حساب کنیم، دمای سطح زمین باید حدود منفی ۱۸ درجهٔ سلسیوس باشد؛ یعنی کرهای یخبسته. اما میانگین واقعی نزدیک ۱۵ درجه است. این ۳۳ درجه اختلاف کار جوّ است و نامش اثر گلخانهای است. بدون آن، اقیانوسها یخ میزدند و زندگی به این شکل ممکن نبود.
گازها چه میکنند؟
بخار آب، کربندیاکسید و متان برای نور مرئی خورشید تقریباً شفافاند، پس اجازه میدهند انرژی به سطح برسد. اما سطح گرمشده انرژی را با موج بلندتر و فروسرخ پس میفرستد و همین مولکولها آن موج را جذب میکنند و بخشی را دوباره به پایین میتابانند. نتیجه این است که گرما دیرتر بیرون میرود و سطح گرمتر میماند. اثر این گازها لگاریتمی است: هر بار دو برابر شدن غلظت، سهم تازهای به بستهٔ انرژی میافزاید.
یک مثال عددی کاملاً حلشده
واداشت تابشی از رابطهٔ ۵٫۳۵ ضربدر لگاریتم طبیعیِ نسبت غلظت کنونی به غلظت پیشاصنعتی (۲۸۰ پیپیام) به دست میآید. اگر غلظت به ۵۶۰ برسد چه اتفاقی میافتد؟
- نسبت غلظتها: ۵۶۰ تقسیم بر ۲۸۰ برابر ۲ میشود.
- لگاریتم طبیعی ۲ برابر ۰٫۶۹۳ است.
- واداشت تابشی: ۵٫۳۵ ضربدر ۰٫۶۹۳ برابر ۳٫۷۱ وات بر متر مربع.
- با حساسیت اقلیمیِ ۰٫۸ درجه به ازای هر وات بر متر مربع: ۳٫۷۱ ضربدر ۰٫۸ برابر ۲٫۹۷ درجه، یعنی نزدیک ۳ درجه گرمتر.
- برای غلظت امروزی ۴۲۰: نسبت ۱٫۵، لگاریتم طبیعی ۰٫۴۰۵، واداشت ۲٫۱۷ و افزایش دما حدود ۱٫۷ درجه.
۳ درجه عدد کوچکی به نظر میرسد، اما میانگین جهانی است. تفاوت میانگین دمای امروز با اوج آخرین عصر یخبندان تنها حدود ۵ درجه بود — و آن زمان نیمی از اروپا زیر یخ ماند.
سه اهرم دیگر
غلظت گازها تنها اهرم نیست. اگر پوشش ابر بیشتر شود، بازتاب بالا میرود و انرژی کمتری جذب میشود. اگر یخهای قطبی آب شوند، سطح روشن جای خود را به دریای تیره میدهد، بازتاب پایین میآید و گرمایش تندتر میشود؛ به این حلقهٔ خودتقویتشونده «بازخورد یخ» میگویند. تغییر کوچک در شدت تابش خورشید هم دما را جابهجا میکند، اما اندازهگیریها نشان میدهد سهم آن در گرمایش صد سال اخیر ناچیز بوده است.
کاربرد در دنیای واقعی
همین رابطهها ستون مدلهای اقلیمیاند که بالا آمدن سطح دریا، تغییر الگوی بارش و جابهجایی مرز کشت را پیشبینی میکنند. مقایسه با همسایهها هم آموزنده است: زهره جوّی انبوه از کربندیاکسید دارد و سطحش نزدیک ۴۶۰ درجه است، در حالی که مریخ با جوّ رقیق شبها به منفی ۸۰ درجه میرسد. زمین میان این دو ایستاده است.
رابطههای کلیدی
مأموریت شبیهسازی
پتوی جو را نازک و ضخیم کن و ببین دمای تعادل زمین چگونه جابهجا میشود.
- غلظت کربندیاکسید را روی ۴۲۰ پیپیام، پوشش ابر را روی ۶۰ درصد، بازتاب سطح را روی ۳۰ درصد و شدت تابش خورشید را روی ۱۰۰ درصد بگذار؛ دمای تعادل نزدیک ۱۵ درجه و وضعیت «نزدیک به امروز» میشود.
- تنها غلظت کربندیاکسید را به ۲۸۰ پیپیام کم کن تا به دورهٔ پیشاصنعتی برگردی؛ اختلاف با دورهٔ پیشاصنعتی صفر و دما نزدیک ۱۳٫۴ درجه میشود.
- غلظت را به ۵۶۰ پیپیام ببر و ببین اختلاف با دورهٔ پیشاصنعتی نزدیک ۳ درجه میشود — همان عددی که روی کاغذ حساب کردی.
- غلظت را تا ۹۰۰ پیپیام بالا ببر؛ اختلاف به نزدیک ۵ درجه و وضعیت به «گرمتر از امروز» میرسد.
- غلظت را به ۴۲۰ برگردان و بازتاب سطح را از ۳۰ به ۶۰ درصد ببر؛ دمای تعادل تا نزدیک صفر درجه سقوط میکند و وضعیت «سرد — دورهٔ یخبندان» میشود.
آزمون این درس
۵ پرسش چهارگزینهای. پس از ثبت، پاسخ درست و توضیح هر پرسش را میبینید. میتوانید هر چند بار که خواستید تلاش کنید؛ بهترین نمره در کارنامه ثبت میشود.