Вы спросили: как углекислый газ попадает так высоко в атмосферу?

21-27 сентября — Неделя климата в Нью-Йорке. Присоединяйтесь к нам для участия в серии онлайн-мероприятий и публикаций в блогах, посвященных климатическому кризису и призывающих нас к действию. На этой неделе мы посвящаем серию «Вы спрашивали» ответам на вопросы читателей, связанные с изменением климата.

Следующий вопрос был задан читателем, а ответ дал ученый-климатолог Анхель Муньос.

Как CO2 попадает высоко в атмосферу? При удельном весе около 1,5 он должен падать на землю, остывая при подъеме. Авиакомпании говорят нам, что на высоте 30 000 футов температура составляет -40 градусов. Так почему и как некоторое количество CO2 попадает в верхние слои атмосферы?

Анхель Муньос — научный сотрудник Международного научно-исследовательского института климата и общества и возглавляет латиноамериканский компонент Всемирного проекта Колумбии «Адаптация сельского хозяйства к климату сегодня и для завтрашнего дня» (ACToday). Он также является страстным знатоком вина, и на этом снимке он изображен с виноградными лозами Карменер в Чили.

Углекислый газ – это газ. Плотность газа увеличивается с понижением температуры. Итак, поскольку температура снижается по мере того, как мы достигаем больших высот, газы становятся более плотными на больших высотах. Более плотные объекты имеют тенденцию тонуть под действием силы тяжести. (На самом деле, сила гравитации, притягивающая молекулы газа к поверхности Земли, — это то, что поддерживает нашу атмосферу.) Различные газы также имеют разную молекулярную массу. CO2 тяжелее кислорода, поэтому можно ожидать, что каждая молекула CO2 опустится под слой молекул кислорода. Обобщая эту идею на другие газы в воздухе, мы могли бы прийти к выводу, что это приведет к идеально стратифицированной атмосфере с отдельными слоями каждого типа газа.

Мы можем увидеть пример стратифицированной атмосферы внутри бутылки вина. Когда бутылка запечатана, воздух между поверхностью вина и дном пробки содержит как кислород, так и CO2. Поскольку CO2 тяжелее кислорода, сила тяжести заставляет молекулы CO2 образовывать «слой» под молекулами кислорода, помогая отделить вино от кислорода. Желательные свойства вина, такие как вкус и запах, начинают меняться, когда жидкость полностью подвергается воздействию кислорода. Без стратификации внутри запечатанной бутылки у нас не было бы такой подушки из CO2, которая защищала бы вино от кислорода, что давало бы неоткрытому вину гораздо более короткий срок хранения или даже превращало бы его со временем в уксус.

Атмосфера Земли не похожа на воздух внутри запечатанной винной бутылки. Газы атмосферы хорошо перемешаны, не расслаиваются. Это происходит из-за силы диффузии. Молекулы газа хотят двигаться, и они будут расширяться, заполняя объем, в котором они содержатся. Находясь в плотно закрытом контейнере, таком как закупоренная винная бутылка, при постоянной температуре около 52-57 градусов по Фаренгейту, газам не хватает места или достаточного «возбуждения», чтобы расширяться и перемещаться. Они располагаются слоями в зависимости от их молекулярной массы. Однако атмосфера Земли гораздо более обширна, чем бутылка вина. CO2 распадается только на расстоянии около 80 километров от поверхности Земли, что дает атмосферным газам огромное пространство для занятия. Возбуждаемые тепловым излучением Солнца в атмосферу, молекулы движутся быстро. Когда они сталкиваются друг с другом (например, при температуре 63 градуса по Фаренгейту молекулы CO2 сталкиваются примерно 7 миллиардов раз в секунду), молекулы газа смешиваются, а не оседают в стратифицированные слои. В основном диффузия позволяет CO2 интегрироваться на высотах выше, чем можно было бы предположить по его молекулярной массе, хотя здесь также задействованы и другие процессы, такие как сильные восходящие и нисходящие потоки воздуха.

Рисунок ручной работы, объясняющий различные силы, действующие в винной бутылке и в атмосфере Земли. Изображение: Анхель Муньос

Точно так же, когда вы впервые откупориваете бутылку вина и переносите ее из погреба в помещение с более теплой температурой, захваченные газы становятся частью большей атмосферы. Молекулы газа смешиваются, и после того, как вакуумное уплотнение бутылки сломано, замена пробки означает, что хорошо перемешанные молекулы останутся в бутылке, как только вы замените пробку самостоятельно. Кислород теперь может достигать вина, что в конечном итоге приводит к тому, что вино становится «неприятным на вкус». Любой, кто открывал бутылку вина, чтобы «дать ему подышать», прежде чем пить, знает, что некоторое количество насыщения кислородом может улучшить вкус вина, но в конечном итоге насыщение кислородом испортит эти желательные качества. Итак, не забудьте ответственно выпить бутылку вина в течение нескольких дней для лучшего вкуса. И помните, что даже в самолете на высоте 30 000 футов молекулы газа в открытой бутылке вина будут смешиваться так же, как и в остальной атмосфере!