Schimbările climatice: de ce contează oceanele Understand article
Tradus de Mircea Băduţ. Rolul oceanelor în schimbările climatice este mai complicat decât am putea crede.
recunoscători lui Dirk Dallas;
sursa imaginii: Flickr
Oceanele planetei sunt cu adevărat vaste, acoperind 71% din suprafața Pământului și conținând 97% din apa planetei. Aşa încât, dacă ne preocupă factorii care afectează clima la nivel global, trebuie să luăm în calcul şi oceanul.
Aşa cum se întâmplă cu mai toate aspectele privind schimbările climatice (schimbări care, în esenţă, înseamnă o modificare a temperaturii medii la suprafața Pământului), rolul oceanelor este unul complex. Principalii factori implicați sunt substanţele pe care oceanul le degajează în atmosferă (inclusiv vapori de apă); bioxidul de carbon care se dizolvă în apa de mare; dar reţinem și rolul oceanelor ca disipator termic.
Vaporii de apă: încălzire sau răcire?
Când ne gândim la gazele implicate în schimbările climatice, ne gândim în general la bioxidul de carbon și poate la alte câteva gaze din atmosferă, precum metanul. Aceste gaze contribuie la efectul de seră prin absorbția și captarea energiei în infraroșu (căldura) de la suprafața Pământului. De fapt, gazul cu cel mai puternic efect de seră în atmosferă nu este unul dintre acestea, ci pur și simplu H2O sub formă de vapori de apă (figura 1).
Vaporii de apă din atmosferă absorb 36–85% din energia emisă în infraroşu de către Pământ, în comparaţie cu mult mai redusele valori de 9–26% absorbite de bioxidul de carbon (CO2) şi respectiv 4–9% absorbite de metan (CH4). Iar principala sursă a vaporilor de apă o constituie evaporarea oceanelor.
Deși vaporii de apă au un efect substanţial asupra cantităţii de căldură reţinută de planetă, ei au impact asupra climei doar din cauza efectului de încălzire determinat de alte gaze cu efect de seră, cum ar fi CO2 and CH4. Dacă nu ar exista în atmosferă astfel de gaze cu efect de seră, temperatura medie a suprafeței Pământului ar fi mult mai rece – în jur de -18°C – și astfel foarte puțină apă s-ar evapora în atmosferă. Prezența gazelor cu efect de seră în atmosferă crește temperatura la suprafața Pământului, ceea ce duce la evaporarea apei. La rândul său aceasta va intensifica încălzirea, datorită efectului de seră al vaporilor de apă, și așa mai departe. Un astfel de „cerc vicios”, în care diferiți factori se accentuează reciproc, se numește buclă de reacţie pozitivă.
Însă vaporii de apă au şi un efect invers: mai mulți vapori de apă în aer înseamnă mai mulţi nori. Iar norii reflectă o mare parte din lumina care vine de la Soare, producând un efect de răcire care deplasează clima globală în direcția opusă efectului de seră. În prezent, efectul net al norilor rezidă în răcirea suprafeţei planetei cu aproximativ 5°C, dar nu ştim care dintre aceşti doi factori opuşi – efectele de încălzire şi respectiv de răcire ale vaporilor de apă – vor domina în schimbarea climei.
Pentru imagine mulţumim RG Derwent, RD Scientific, Marea Britanie
Alţi compuşi proveniţi din ocean
Pe lângă vaporii de apă, oceanul eliberează în atmosferă şi alți compuși care contribuie la schimbările climatice. Unii dintre aceștia creează particule minuscule în atmosferă, care acționează ca semințe/germeni de nori, permiţând vaporilor de apă să se condenseze și să formeze norii.
Unul dintre cei mai importanți compuși cu rol de însămânţare a norilor în atmosferă este sulfura de dimetil (CH3SCH3), un compus de sulf produs în oceane de fitoplancton (un plancton asemănător vegetaţiei). Acesta se evaporă ușor în atmosferă, unde se oxidează pentru a forma dioxid de sulf (SO2) și acid metansulfonic (MSA – CH4O3S). Dioxidul de sulf se combină cu apa din atmosferă şi formează acid sulfuric, obținându-se ioni de sulfat, SO42-. Aceşti ioni, precum și MSA, sunt agenți de însămânțare foarte eficienţi, permițând vaporilor de apă să condenseze în picături fine, ceea ce duce la formarea norilor.
Un alt grup de compuși care intră în atmosfera din oceane îl constituie halogenurile organice – de exemplu, clorura de metil (CH3Cl). La fel ca omologii lor sintetici (precum clorofluorcarbonii, sau CFC), organohalogenii favorizează descompunerea ozonului din stratosferă prin participarea la reacțiile fotochimice cu ozonul (ozonul fiind o stare alotropică a oxigenului). Ozonul are un rol important în absorbția radiației solare, el protejându-ne împotriva luminii ultra-violete, dar el este şi un puternic gaz cu efect de seră – și, precum bioxidul de carbon, este generat de activitatea umană. De fapt, creșterea concentraţiei de ozon din ultimii 200 de ani, adică de la începuturile industrializării, este responsabilă pentru aproximativ 15% din întregul efect de seră antropogenic (cauzat de oameni). Compușii organohalogenici proveniţi din ocean contribuie la o diminuare a încălzirii globale prin reducerea concentrației de ozon din atmosferă.
CO2 dizolvat: efectul de seră scăpat de sub control
Oceanele au un rol vital şi în absorbția de CO2. Bioxidul de carbon eliberat prin arderea combustibililor fosili și din alte activități umane, împreună cu cel provenit din biosferă, este absorbit fie în atmosferă fie în oceane. Deși atmosfera Pământului conține aproximativ 3 bilioane (3 x 1012) tone de bioxid de carbon, de fapt aproximativ de 50 de ori mai mult CO2 rezidă astăzi în oceane.
La suprafaţa oceanului, bioxidul de carbon din atmosferă se dizolvă în apă. Prin reacţia cu apa se formează acidul carbonic (H2CO3), ionul hidrogencarbonat (HCO3–) şi ionul carbonat (CO32-):
CO2(g) + H2O(l) → H2CO3(aq)
H2CO3(aq) ⇌ HCO3– (aq) + H+ (aq)
Aceste reacţii reduc bioxidul de carbon dizolvat în apa oceanului, aşa încât alte cantităţi de CO2 pot fi absorbite mai departe din atmosferă.
Bioxidul de carbon dizolvat la suprafață este apoi dispersat spre adâncul oceanului printr-un proces numit ‘pompă de solubilitate’. Deoarece CO2 este mai solubil în apă rece decât în apă caldă (figura 2), iar apa oceanului este mai rece în adâncuri decât la suprafață, bioxidul de carbon este atras de la suprafață înspre adâncime.
Dacă are loc o creștere a temperaturii oceanelor din cauza schimbărilor climatice, atunci şi mai mult bioxid de carbon va fi eliberat datorită solubilității sale mai reduse la temperaturi ridicate. Surplusul de CO2 ar putea contribui la efectul de seră, iar creșterea temperaturii oceanului va elibera încă şi mai mult bioxid de carbon, și așa mai departe – creând o altă buclă de reacţie pozitivă și putând conduce la un efect de seră scăpat de sub control.
Pentru imagine suntem recunoscători lui Nicola Graf; sursa datelor: Handbook of Chemistry & Physics (1953), CRC
Absorbind căldura
Imensitatea absolută a oceanelor este un factor cheie explicând rolul acestora în schimbările climatice. Ea determină practic cât anume din excesul de căldură produs prin încălzirea globală poate fi preluat de oceane – cantitatea aceasta fiind de fapt mult mai mare decât cea preluată de atmosferă.
Putem face un calcul pentru a compara creșterea temperaturii oceanelor și a atmosferei atunci când se adaugă aceeași cantitate de căldură pentru ambele (vedeţi caseta). Acest calcul arată cum capacitatea calorică a oceanelor este de aproximativ 1000 de ori mai mare decât cea a atmosferei, astfel încât oceanele vor arăta o creștere mult mai mică de temperatură pentru aceeași cantitate de energie termică absorbită. Aceasta înseamnă că termenele de timp pentru schimbările climatice sunt determinate în primul rând de masa termică a oceanului, nu de cea a atmosferei. Desigur, acest lucru nu înseamnă că temperatura nu va crește – ci doar că perioada de timp va fi mai lungă decât a fost presupusă în general.
Încălzirea lumii: un calcul
Putem compara modul în care ar creşte temperatura atmosferei și respectiv a oceanelor dacă la ambele s-ar transmite aceeași cantitate de energie termică. Pentru a păstra lucrurile simple, vom folosi cifre aproximative. (Capacitatea de încălzire specifică a unei substanțe este cantitatea de energie necesară pentru a ridica temperatura fiecărui kilogram de substanţă cu un grad Kelvin (K) – care este același ca un grad Celsius.)
Masa oceanelor planetei
Capacitatea de încălzire specifică apei de mare
Capacitea de încălzire a oceanelor
= 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
Deci, pentru a ridica temperatura oceanelor cu un grad (Kelvin sau Celsius) este necesară o energie de 5.2 x 1024 J.
Comparăm această valoare cu capacitatea calorică a atmosferei:
Masa atmosferei terestre
Capacitatea de încălzire specifică aerului
Capacitatea de încălzire a atmosferei
= 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
Deci, pentru a ridica temperatura întregii atmosfere cu un grad (Kelvin sau Celsiu) este necesară o energie de 5 x 1021 J.
Putem face raportul celor două valori:
Capacitatea de încălzire a oceanelor / Capacitatea de încălzire a atmosferei = 5.2 x 1024 / 5.1 x 1021 = ~ 1000 J K-1
Aceasta înseamnă că, la o rată de încălzire de 1 W (1 J s-1) pe metru pătrat la suprafaţa Pământului (a cărui suprafaţă totalizează aproximativ 5,1 x 108 km2), pentru a ridica temperatura atmosferei cu un grad (K sau °C) va fi nevoie de doar 116 zile, pe când aceeaşi creştere ar necesita 324 de ani în cazul apei din oceane.
Oceanele şi viitorul
Deci, ce rol au oceanele în schimbările climatice? Răspunsul nu este simplu. Compușii eliberați din oceane pot contribui atât la încălzirea climei, acționând ca gaze cu efect de seră, cât și la răcirea climei, prin creșterea cantităţilor de nori. Oceanele însele pot absorbi energia termică și pot acționa ca absorbant pentru bioxidul de carbon – dar pe măsură ce temperatura apei crește, se poate produce o buclă de reacţie pozitivă. Impactul net al oceanelor asupra schimbărilor climatice încă nu este clarificat, dar oamenii de ştiinţă continuă să studieze toate aceste sisteme, astfel încât, pe măsură ce se vor obţine modele mai complexe, vom avea o idee mai bună despre viitorul planetei noastre.
References
- IPCC (2013) Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Cambridge, UK and New York, USA: Cambridge University Press. doi: 10.1017/CBO9781107415324
Resources
- Vizitaţi website-ul NASA pentru a afla mai multe despre efectul vaporilor de apă asupra schimbărilor climatice.
- Pentru calcule mai detaliate privind schimbările climatice, pentru elevi avansaţi la fizică, vedeţi:
- Harrison T, Shallcross D (2008) Climate change modelling in the classroom. Science in School 9: 28–33.
- Pentru experimente în sala de clasă referitoare la schimbările climatice, vedeţi:
- 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.
- Pentru a afla mai multe despre ozonul din atmosferă, vedeţi:
- Shallcross D, Harrison T (2010) A hole in the sky. Science in School 17: 46-53.
- Pentru a afla mai multe despre însămânţarea norilor, vedeţi:
- Ranero Celius K (2010) Norii:piese din puzzle-ul climei. Science in School 17.
Review
Articolul de faţă oferă o viziune clară a importanței pe care oceanele o deţin în schimbările climatice. În particular, articolul discută efectele unor componente cheie, precum vaporii de apă, evidenţiază potenţialul efectului de seră incontrolabil al CO2 dizolvat în apă, dar prezintă şi capacităţile termice ale oceanului şi atmosferei.
Articolul poate fi folosit pentru a relaţiona chimia, biologia, geografia şi ecologia, şi acoperă subiecte precum efectul de seră şi circuitul apei în natură.
Enrico Capaccio, Liceul S Bellarmino, Italia