Κλιματική αλλαγή: γιατί μας ενδιαφέρουν οι ωκεανοί; Understand article
Μετάφραση από: Ιωάννη Παρασκευαΐδη (Ioannis Paraskevaidis) – Φοιτητή Βιολογίας, ΑΠΘ και Παναγιώτη Κ. Στασινάκη (Panagiotis K. Stasinakis) - Εκπαιδευτικός, Βιολόγος, MEd, PhD, Πανελλήνια…
χορηγία από τον Dirk Dallas,
Πηγή εικόνας: Flickr
Οι ωκεανοί της Γης είναι πραγματικά απέραντοι, καλύπτοντας το 71% της επιφάνειάς της και περιλαμβάνοντας το 97% του νερού της. Εάν μας ενδιαφέρουν οι παράγοντες που επηρεάζουν το παγκόσμιο κλίμα, πρέπει να δούμε επιπλέον και τους ωκεανούς.
Όπως και στις περισσότερες πτυχές της κλιματικής αλλαγής (μια αλλαγή στη μέση θερμοκρασία της γήινης επιφάνειας), ο ρόλος που παίζουν οι ωκεανοί είναι περίπλοκος. Οι κυριότεροι παράγοντες είναι οι παραγόμενες από τον ωκεανό ενώσεις (συμπεριλαμβανομένων και των υδρατμών) που διαφεύγουν στην ατμόσφαιρα, το διοξείδιο του άνθρακα που διαλύεται στο θαλασσινό νερό και ο ρόλος των ωκεανών ως ψύκτρες.
Υδρατμοί: Θέρμανση ή ψύξη;
Όταν σκεφτόμαστε τα αέρια που συμμετέχουν στη κλιματική αλλαγή, συνήθως σκεφτόμαστε το διοξείδιο του άνθρακα και ίσως κάποια άλλα αέρια της ατμόσφαιρας, όπως το μεθάνιο. Αυτά τα αέρια συμβάλλουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου απορροφώντας και παγιδεύοντας υπέρυθρη ενέργεια (θερμότητα) από την επιφάνεια της Γης. Στη πραγματικότητα, το πιο ισχυρό αέριο θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα δεν είναι κανένα από αυτά, αλλά το νερό σε μορφή υδρατμών (εικόνα 1).
Οι υδρατμοί στην ατμόσφαιρα απορροφούν το 36-85% της γήινης εξερχόμενης υπέρυθρης ενέργειας, σε σύγκριση με τα πολύ χαμηλότερα ποσοστά των 9-26% που απορροφάται από το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) και των 4-9% από το μεθάνιο (CH4). Η κύρια πηγή των ατμοσφαιρικών υδρατμών είναι η εξάτμιση από τους ωκεανούς.
Αν και οι υδρατμοί έχουν μεγάλη επιρροή στο πόση θερμότητα συγκρατείται στον πλανήτη μας, η επίδραση τους στο κλίμα οφείλεται στον τρόπο που τα άλλα αέρια του θερμοκηπίου (όπως το CO2 – διοξείδιο του άνθρακα – και το CH4 –μεθάνιο-) επηρεάζουν τη θέρμανση του πλανήτη. Εάν δεν υπήρχαν αυτά τα αέρια του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα, η μέση τιμή της θερμοκρασίας στην επιφάνεια της Γης θα ήταν πολύ πιο χαμηλή – περίπου -18°C – και πολύ μικρότερη ποσότητα νερού θα εξατμιζόταν στην ατμόσφαιρα. Η παρουσία των αερίων του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα αυξάνει τη θερμοκρασία της γήινης επιφάνειας, με αποτέλεσμα την εξάτμιση του νερού. Αυτό με τη σειρά του αυξάνει τη θέρμανση, λόγω της επίδρασης των υδρατμών στο φαινόμενο του θερμοκηπίου και ούτω καθεξής. Αυτός ο «φαύλος κύκλος», όπου διάφοροι παράγοντες επιδεινώνουν ο ένας τον άλλο, ονομάζεται θετικός βρόχος ανάδρασης.
Όμως, οι υδρατμοί έχουν και μια αντίστροφη επίδραση: περισσότεροι υδρατμοί στον αέρα συνεπάγεται και περισσότερα σύννεφα. Τα σύννεφα αντανακλούν πίσω στο διάστημα το περισσότερο από το εισερχόμενο ηλιακό φως, προκαλώντας φαινόμενο ψύξης που ωθεί το παγκόσμιο κλίμα σε αντίθετη κατεύθυνση από το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Σήμερα, η επίδραση των σύννεφων δροσίζει τη γήινη επιφάνεια κατά περίπου 5 °C, αλλά δεν γνωρίζουμε ποιος από τους δύο παράγοντες – η θέρμανση ή η ψύξη των υδρατμών – θα επικρατήσει σε θερμότερο κλίμα.
Η εικόνα είναι ευγενική χορηγία του RG Derwent, RD Scientific, UK
Άλλα συστατικά των ωκεανών
Εκτός από τους υδρατμούς, οι ωκεανοί ελευθερώνουν άλλα συστατικά στην ατμόσφαιρα που συντελούν στη κλιματική αλλαγή. Κάποια από αυτά ξεφεύγουν από τους ωκεανούς σχηματίζοντας μικροσκοπικά σωματίδια στην ατμόσφαιρα, τα οποία δρουν ως σπόροι νέφους, επιτρέποντας στους υδρατμούς να συμπυκνώνονται και να σχηματίζουν σύννεφα.
Ένα από τα σημαντικότερα συστατικά στην ατμοσφαιρικό σχηματισμό των νεφών είναι το διμέθυλο σουλφίδιο (CH3SCH3), μια ένωση θείου που παράγεται από το φυτοπλαγκτόν (φυτοειδές πλαγκτόν) στους ωκεανούς. Εξατμίζεται εύκολα στην ατμόσφαιρα, όπου οξειδώνεται προκειμένου να σχηματιστεί διοξείδιο του θείου (SO2) και μεθανοσουλφονικό οξύ (MSA). Το διοξείδιο του θείου αντιδρά με το ατμοσφαιρικό νερό σχηματίζοντας θειικό οξύ, αποδίδοντας θειικά ιόντα, SO42-. Αυτά και το MSA είναι πολύ αποτελεσματικοί παράγοντες σχηματισμού νεφών, επιτρέποντας τους υδρατμούς να συμπυκνώνονται σε σταγονίδια, οδηγώντας έτσι στο σχηματισμό σύννεφων.
Μια άλλη ομάδα ενώσεων που εισέρχονται στην ατμόσφαιρα από τους ωκεανούς είναι οι οργανοαλογονούχες ενώσεις – όπως για παράδειγμα το μεθυλοχλωρίδιο (CH3Cl). Όπως και τα αντίστοιχα συνθετικά τους (για παράδειγμα χλωροφθοράνθρακες, ή CFCs), οι οργανοαλογονούχες ενώσεις επάγουν τη διάσπαση του όζοντος στην στρατόσφαιρα, λαμβάνοντας μέρος σε φωτοχημικές αντιδράσεις μαζί με το όζον. Το όζον έχει σημαντικό ρόλο στην απορρόφηση της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας και βοηθά στην προστασία μας από την υπέρυθρη ακτινοβολία, αλλά αποτελεί επίσης ισχυρό αέριο του θερμοκηπίου – και, όπως το διοξείδιο του άνθρακα, παράγεται από την ανθρώπινη δραστηριότητα. Στην πραγματικότητα, η αύξηση των επιπέδων του όζοντος από την έναρξη της βιομηχανοποίησης τα τελευταία 200 χρόνια είναι υπεύθυνη για περίπου το 15% ολόκληρου του ανθρωπογενούς (προκαλούμενη από τον άνθρωπο) φαινομένου του θερμοκηπίου. Οι οργανοαλογονικές ενώσεις που παράγονται από τον ωκεανό συμβάλλουν με τον τρόπο αυτό στη μείωση της θέρμανσης του πλανήτη μειώνοντας τη συγκέντρωση όζοντος στην ατμόσφαιρα.
Διαλυμένο CO2: ο εκτροχιασμός του φαινομένου του θερμοκηπίου
Οι ωκεανοί έχουν επίσης ζωτικής σημασίας ρόλο στην απορρόφηση του CO2. Το διοξείδιο του άνθρακα που απελευθερώνεται από την καύση των ορυκτών καυσίμων και από άλλες ανθρώπινες δραστηριότητες καθώς επίσης και από την βιόσφαιρα, απορροφάται είτε στην ατμόσφαιρα είτε στους ωκεανούς. Αν και η ατμόσφαιρα της Γης περιλαμβάνει 3 τρις (3 × 1012) τόνους διοξειδίου του άνθρακα, περίπου 50 φορές περισσότερο CO2 εντοπίζεται στους ωκεανούς.
Στην επιφάνεια των ωκεανών, το διοξείδιο του άνθρακα της ατμόσφαιρας διαλύεται στο νερό. Αντιδρά με το νερό για να σχηματιστεί το ανθρακικό οξύ (H2CO3), τα όξινο ανθρακικό (διττανθρακικό, HCO3–) και ανθρακικό (CO32-) ιόντα:
CO2(g) + H2O(l) → H2CO3(aq)
H2CO3(aq) ⇌ HCO3– (aq) + H+ (aq)
Οι αντιδράσεις αυτές μειώνουν την συγκέντρωση του διαλυμένου CO2, με αποτέλεσμα περισσότερο CO2 να απορροφάται από την ατμόσφαιρα.
Το διαλυμένο CO2 στην επιφάνεια, στην συνέχεια, διασκορπίζεται μέσα στα βάθη των ωκεανών μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται αντλία διαλυτότητας. Επειδή το CO2 είναι πιο διαλυτό σε κρύο από ότι σε ζεστό νερό (εικόνα 2), και τα βάθη των ωκεανών είναι πιο κρύα από την επιφάνεια, το CO2 μετακινείται από την επιφάνεια στα βαθύτερα στρώματα των ωκεάνιων νερών.
Εάν υπάρξει αύξηση της θερμοκρασίας του ωκεανού λόγω της κλιματικής αλλαγής, τότε περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα θα απελευθερωθεί λόγω της χαμηλότερης διαλυτότητας σε υψηλές θερμοκρασίες. Το επιπλέον CO2 μπορεί να συμβάλει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, αυξάνοντας την ωκεάνια θερμοκρασία ακόμη περισσότερο και απελευθερώνοντας ακόμα περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα, και ούτω καθεξής – δημιουργώντας ακόμη έναν θετικό βρόχο ανάδρασης και οδηγώντας πιθανώς σε υπέρβαση του φαινομένου του θερμοκηπίου.
Εικόνα είναι ευγενική χορηγία από την Nicola Graf; Πηγή δεδομένων: Εγχειρίδιο Χημείας & Φυσικής (1953), CRC
Απορροφώντας θερμότητα
Η απεραντοσύνη των ωκεανών αποτελεί βασικό παράγοντα για το ρόλο τους στην κλιματική αλλαγή. Καθορίζει πόση από την περίσσεια θερμότητα που παράγεται από την υπερθέρμανση του πλανήτη μπορεί να απορροφηθεί από τους ωκεανούς – πραγματικά πολύ περισσότερη από ότι η ατμόσφαιρα.
Μπορούμε να κάνουμε υπολογισμούς για να συγκρίνουμε την αύξηση της θερμοκρασίας των ωκεανών και της ατμόσφαιρας, όταν η ίδια ποσότητα θερμότητας προστίθεται και στα δύο (δείτε το πλαίσιο). Αυτός ο υπολογισμός αποκαλύπτει ότι η θερμοχωρητικότητα στους ωκεανούς είναι περίπου 1000 φορές μεγαλύτερη από αυτή της ατμόσφαιρας και επομένως οι ωκεανοί θα υποστούν χαμηλότερη αύξηση της θερμοκρασίας για την ίδια ποσότητα της θερμότητας που απορροφάται. Αυτό σημαίνει πως τα χρονοδιαγράμματα για την κλιματική αλλαγή οφείλονται κυρίως στη θερμική μάζα των ωκεανών και όχι στης ατμόσφαιρας. Φυσικά, αυτό δε σημαίνει πως η θερμοκρασία δεν θα αυξηθεί – αλλά σημαίνει πως το χρονοδιάγραμμα θα είναι πολύ πιο μακροπρόθεσμο από ότι είχε γενικά υποτεθεί.
Θερμαίνοντας τον κόσμο: ένας υπολογισμός
Αν η ίδια ποσότητα θερμότητας προστεθεί σε ωκεανούς και ατμόσφαιρα, μπορούμε να συγκρίνουμε πώς θα αυξηθεί η θερμοκρασία; Η απάντηση είναι, ναι. Για λόγους απλοποίησης θα χρησιμοποιήσουμε προσεγγιστικά στοιχεία σε ολόκληρο το κείμενο. (Η θερμοχωρητικότητα μιας ουσίας είναι η ποσότητα της ενέργειας που χρειάζεται για να αυξήσει τη θερμοκρασία κάθε χιλιογραμμαρίου της κατά ένα βαθμό κέλβιν (Κ) – το οποίο είναι το ίδιο με ένα βαθμό Κελσίου.)
Μάζα των γήινων ωκεανών
Θερμοχωρητικότητα θαλασσινού νερού
Θερμοχωρητικότητα ωκεανών
= 1.3 x 1021 kg
~ 4.0 x 103 J kg-1 K-1
~ 1.3 x 4.0 x 1024
= 5.2 x 1024 J K-1
Επομένως, 5,2 x 1024 J ενέργειας θα χρειαστούν για να αυξηθεί η θερμοκρασία των ωκεανών κατά 1 Κ.
Συγκρίνοντας αυτό με τη θερμοχωρητικότητα της ατμόσφαιρας:
Μάζα της γήινης ατμόσφαιρας
Θερμοχωρητικότητα αέρα
Θερμοχωρητικότητα ατμόσφαιρας
= 5.1 x 1018 kg
~ 1.0 x 103 J kg-1 K-1
~ 5.1 x 1.0 x 1021
= 5.1 x 1021 J K-1
Επομένως, περίπου 5 x 1021 J ενέργειας θα χρειαστούν για να αυξηθεί η θερμοκρασία της ατμόσφαιρας κατά 1 Κ.
Επομένως προκύπτει η αναλογία:
Θερμοχωρητικότητα ωκεανών / Θερμοχωρητικότητα ατμόσφαιρας = 5.2 x 1024 / 5.1 x 1021 = ~ 1000 J K-1
Αυτό σημαίνει ότι, σε τιμή θέρμανσης 1 W (1 J s-1) ανά τετραγωνικό μέτρο σε ολόκληρη τη γήινη επιφάνεια (περίπου 5,1 x 108 km2), θα χρειαστούν περίπου 116 μέρες για να προκληθεί αύξηση της ατμοσφαιρικής θερμοκρασίας κατά 1 Κ (ή 1 °C), αλλά 324 χρόνια για να προκληθεί η ίδια αύξηση στη θερμοκρασία των ωκεανών.
Ωκεανοί και μέλλον
Επομένως ποιο ρόλο παίζουν οι ωκεανοί στην κλιματική αλλαγή; Η απάντηση είναι περίπλοκη. Οι ενώσεις που απελευθερώνονται από τους ωκεανούς μπορούν να συμβάλλουν τόσο στην κλιματική θέρμανση, ενεργώντας ως αέρια θερμοκηπίου, όσο και στη κλιματική ψύξη, αυξάνοντας τα σύννεφα. Οι ίδιοι οι ωκεανοί μπορούν να απορροφήσουν θερμότητα και να δράσουν ως αντλίες για το διοξείδιο του άνθρακα – αλλά όσο η θερμοκρασία του νερού αυξάνεται, μπορεί να συμβεί ένας θετικός βρόχος ανάδρασης. Μέχρι στιγμής, η καθαρή επίπτωση των ωκεανών στη κλιματική αλλαγή είναι ασαφής, αλλά οι επιστήμονες συνεχίζουν να μελετούν όλα αυτά τα συστήματα, καθώς όσο αναπτύσσονται περισσότερα σύνθετα μοντέλα, αποκτούμε μια καλύτερη ιδέα για το μέλλον του πλανήτη.
References
- IPCC (2013) Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Cambridge, UK and New York, USA: Cambridge University Press. doi: 10.1017/CBO9781107415324
Resources
- Επισκεφθείτε την ιστοσελίδα της NASA για να βρείτε περισσότερα σχετικά με την επίδραση των υδρατμών στην κλιματική αλλαγή.
- Για περισσότερους υπολογισμούς σχετικά με τη κλιματική αλλαγή για προχωρημένου επιπέδου μαθητών φυσικής, δείτε:
- Harrison T, Shallcross D (2008) Climate change modelling in the classroom. Science in School 9: 28–33.
- Για πειράματα στις τάξεις που σχετίζονται με την κλιματική αλλαγή, δείτε:
- Shallcross D, Harrison T (2008) Practical demonstrations to augment climate change lessons. Science in School 10: 46–50.
- Shallcross D, Harrison T, Henshaw S, Sellou L (2009) Fuelling interest: climate change experiments. Science in School 11: 38–43.
- Για να μάθετε περισσότερα για το όζον στην ατμόσφαιρα, δείτε:
- Shallcross D, Harrison T (2010) Μία τρύπα στον ουρανό. Science in School 17.
- Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τη σπορά νέφους, δείτε:
- Ranero Celius K (2010) Clouds: puzzling pieces of climate. Science in School 17: 54-59.
Review
Το άρθρο προσφέρει μια καθαρή επισκόπηση του ρόλου που διαδραματίζουν οι ωκεανοί στη κλιματική αλλαγή. Συγκεκριμένα, το άρθρο συζητά την επίδραση συστατικών όπως οι υδρατμοί, τον ενδεχόμενο εκτροχιασμό του φαινομένου του θερμοκηπίου λόγω του διαλυμένου CO2, και τη διαφορική θερμοχωρητικότητα των ωκεανών και της ατμόσφαιρας.
Το άρθρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να συνδέσει τη χημεία, βιολογία και τις γεωπιστήμες, και καλύπτει θέματα όπως το φαινόμενο του θερμοκηπίου και ο κύκλος του νερού.
Enrico Capaccio, Liceo S Bellarmino, Ιταλία