Satelliten Orbiting Carbon Observatory gör exakta mätningar av jordens koldioxidnivåer från rymden. Kredit:NASA/JPL
Jag får ofta frågan hur koldioxid kan ha en viktig effekt på det globala klimatet när dess koncentration är så liten – bara 0,041 % av jordens atmosfär. Och mänskliga aktiviteter står för bara 32 % av det beloppet.
Jag studerar betydelsen av atmosfäriska gaser för luftföroreningar och klimatförändringar. Nyckeln till koldioxidens starka inverkan på klimatet är dess förmåga att absorbera värme som avges från vår planets yta, hindra den från att fly ut i rymden.
Tidig växthusvetenskap
De vetenskapsmän som först identifierade koldioxidens betydelse för klimatet på 1850-talet blev också överraskade av dess inflytande. Arbetar separat, John Tyndall i England och Eunice Foote i USA fann att koldioxid, vattenånga och metan absorberade alla värme, medan mer rikliga gaser inte gjorde det.
Forskare hade redan beräknat att jorden var cirka 59 grader Fahrenheit (33 grader Celsius) varmare än den borde vara, med tanke på mängden solljus som når dess yta. Den bästa förklaringen till den diskrepansen var att atmosfären behöll värmen för att värma planeten.
Tyndall och Foote visade att kväve och syre, som tillsammans står för 99% av atmosfären, hade i princip inget inflytande på jordens temperatur eftersom de inte absorberade värme. Snarare, de fann att gaser som finns i mycket mindre koncentrationer var helt ansvariga för att upprätthålla temperaturer som gjorde jorden beboelig, genom att fånga värme för att skapa en naturlig växthuseffekt.
"Keeling-kurvan, ' uppkallad efter vetenskapsmannen Charles David Keeling, spårar ackumuleringen av koldioxid i jordens atmosfär, mätt i delar per miljon. Kredit:Scripps Institution of Oceanography, CC BY
En filt i atmosfären
Jorden tar ständigt emot energi från solen och strålar tillbaka ut i rymden. För att planetens temperatur ska förbli konstant, nettovärmen den får från solen måste balanseras av utgående värme som den avger.
Eftersom solen är varm, den avger energi i form av kortvågsstrålning vid främst ultravioletta och synliga våglängder. Jorden är mycket svalare, så den avger värme som infraröd strålning, som har längre våglängder.
Koldioxid och andra värmefångande gaser har molekylära strukturer som gör att de kan absorbera infraröd strålning. Bindningarna mellan atomer i en molekyl kan vibrera på särskilda sätt, som tonhöjden på en pianosträng. När energin hos en foton motsvarar molekylens frekvens, den absorberas och dess energi överförs till molekylen.
Koldioxid och andra värmefångande gaser har tre eller fler atomer och frekvenser som motsvarar infraröd strålning som sänds ut av jorden. Syre och kväve, med bara två atomer i sina molekyler, absorbera inte infraröd strålning.
Det mesta av inkommande kortvågsstrålning från solen passerar genom atmosfären utan att absorberas. Men det mesta av utgående infraröd strålning absorberas av värmefångande gaser i atmosfären. Då kan de släppa, eller återstråla, den hettan. Vissa återvänder till jordens yta, hålla det varmare än vad det skulle vara annars.
Det elektromagnetiska spektrumet är intervallet för alla typer av EM-strålning – energi som färdas och sprids ut allt eftersom. Solen är mycket varmare än jorden, så den avger strålning på en högre energinivå, som har en kortare våglängd. Kredit:NASA
Forskning om värmeöverföring
Under det kalla kriget, absorptionen av infraröd strålning av många olika gaser studerades omfattande. Arbetet leddes av det amerikanska flygvapnet, som utvecklade värmesökande missiler och behövde förstå hur man upptäcker värme som passerar genom luften.
Denna forskning gjorde det möjligt för forskare att förstå klimatet och atmosfärens sammansättning av alla planeter i solsystemet genom att observera deras infraröda signaturer. Till exempel, Venus är cirka 870 F (470 C) eftersom dess tjocka atmosfär består av 96,5 % koldioxid.
Det informerade också väderprognos och klimatmodeller, så att de kan kvantifiera hur mycket infraröd strålning som hålls kvar i atmosfären och återförs till jordens yta.
Folk frågar mig ibland varför koldioxid är viktigt för klimatet, givet att vattenånga absorberar mer infraröd strålning och de två gaserna absorberar vid flera av samma våglängder. Anledningen är att jordens övre atmosfär styr strålningen som strömmar ut i rymden. Den övre atmosfären är mycket mindre tät och innehåller mycket mindre vattenånga än nära marken, vilket innebär att tillsats av mer koldioxid avsevärt påverkar hur mycket infraröd strålning som kommer ut i rymden.
Jorden tar emot solenergi från solen (gul), och återför energi tillbaka till rymden genom att reflektera lite inkommande ljus och strålande värme (röd). Växthusgaser fångar en del av den värmen och återför den till planetens yta. Kredit:NASA via Wikimedia
Att observera växthuseffekten
Har du någonsin märkt att öknar ofta är kallare på natten än skogarna, även om deras medeltemperaturer är desamma? Utan mycket vattenånga i atmosfären över öknar, strålningen de avger försvinner lätt ut i rymden. I mer fuktiga områden fångas strålning från ytan av vattenånga i luften. Liknande, molniga nätter tenderar att vara varmare än klara nätter eftersom det finns mer vattenånga.
Koldioxidens inverkan kan ses i tidigare klimatförändringar. Iskärnor från de senaste miljon åren har visat att koldioxidhalterna var höga under varma perioder — cirka 0,028 %. Under istider, när jorden var ungefär 7 till 13 F (4-7 C) kallare än på 1900-talet, koldioxid utgjorde endast cirka 0,018 % av atmosfären.
Även om vattenånga är viktigare för den naturliga växthuseffekten, förändringar i koldioxid har drivit förbi temperaturförändringar. I kontrast, vattenångnivåerna i atmosfären reagerar på temperaturen. När jorden blir varmare, dess atmosfär kan hålla mer vattenånga, som förstärker den initiala uppvärmningen i en process som kallas "vattenångåterkoppling". Variationer i koldioxid har därför varit det styrande inflytandet på tidigare klimatförändringar.
Liten ändring, stora effekter
Det borde inte vara förvånande att en liten mängd koldioxid i atmosfären kan ha stor effekt. Vi tar piller som är en liten bråkdel av vår kroppsmassa och förväntar oss att de ska påverka oss.
Idag är nivån av koldioxid högre än någon gång i mänsklighetens historia. Forskare är överens om att jordens genomsnittliga yttemperatur redan har ökat med cirka 2 F (1 C) sedan 1880-talet, och att mänskligt orsakade ökningar av koldioxid och andra värmefångande gaser är mycket sannolikt ansvariga.
Utan åtgärder för att kontrollera utsläpp, koldioxid kan nå 0,1 % av atmosfären år 2100, mer än tredubbla nivån före den industriella revolutionen. Detta skulle vara en snabbare förändring än övergångar i jordens förflutna som fick enorma konsekvenser. Utan handling, denna lilla bit av atmosfären kommer att orsaka stora problem.
Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln. 
