Почему CO₂ — да, а N₂ — нет

Факт, который нужно объяснить

Большую часть газа атмосферы составляют азот ($\mathrm{N_2}$) и кислород ($\mathrm{O_2}$), и эти два газа не поглощают инфракрасное излучение Земли. Зато газы, которых гораздо меньше, — углекислый газ, водяной пар, метан и закись азота — его поглощают (UCAR Center for Science Education, The Greenhouse Effect).

Это требует объяснения: если дело не в количестве, то что есть у этих молекул, чего нет у молекул $\mathrm{N_2}$ и $\mathrm{O_2}$?

Что значит колебаться

Атомы в молекуле не стоят на месте: связи растягиваются и сжимаются, углы раскрываются и закрываются. Это колебание молекулы. Есть два основных вида:

В молекуле из более чем двух атомов растяжение может быть симметричным (оба конца одновременно удаляются от центра) или асимметричным (один приближается, а другой удаляется).

Критерий поглощения

Внутри молекулы есть области с чуть большим отрицательным зарядом и области с чуть большим положительным зарядом. Это её распределение заряда. Критерий такой:

Молекула поглощает инфракрасное излучение, только если при колебании меняется её распределение заряда.

Источник: LibreTexts Chemistry, Infrared: Theory («критерием инфракрасного поглощения является результирующее изменение распределения заряда молекулы при колебании»). Выражение «распределение заряда» заменяет «дипольный момент», который не входит в этот урок.

Молекула за молекулой

Случай $\mathrm{CO_2}$ показывает, что критерий — не «иметь три атома»: у той же молекулы $\mathrm{CO_2}$ есть колебание, которое не поглощает (симметричное, где изменения с двух сторон компенсируют друг друга), и другие, которые поглощают. Решает то, меняет ли колебание распределение заряда.

Почему одеяла недостаточно

Часто говорят, что парниковые газы «удерживают тепло, как одеяло». Этот образ ошибается в главном. На самом деле происходит два шага:

1. Поглощение: молекула поглощает инфракрасное излучение и колеблется.
2. Переизлучение: молекула снова испускает это излучение в любом направлении: в космос, к другой молекуле или обратно к поверхности (UCAR, The Greenhouse Effect).

Именно та часть, которая идёт вниз, объясняет, почему поверхность теплее. Одеяло не испускает на тебя излучение — поэтому эта аналогия не работает.

Озон и парниковый эффект — не одно и то же

Источники: ВОЗ, Radiation: Ultraviolet (UV); UCAR, The Greenhouse Effect.

Парниковые газы: какие они и откуда берутся

Парниковые газы (ПГ) — газовые компоненты атмосферы, которые поглощают и испускают инфракрасное излучение и поэтому вносят вклад в парниковый эффект. Главный из них — углекислый газ, но он не единственный.

Все ли парниковые газы греют одинаково? Потенциал глобального потепления

Нет. Чтобы сравнить действие газов, используют шкалу — потенциал глобального потепления (ПГП). Он сравнивает влияние газа с влиянием CO₂ за определённый период, обычно 100 лет. У CO₂ ПГП = 1 по определению. ПГП газа зависит от двух вещей: сколько тепла он поглощает и как долго остаётся в атмосфере.

Осторожно с числами: в таблице презентации у метана 21, у закиси азота 296, а на предыдущем слайде они округлены: «примерно в 25 раз» и «примерно в 300 раз». Для этого урока достаточно порядка величины: метан греет в десятки раз сильнее CO₂ на единицу массы, закись азота — в сотни, фторсодержащие газы — в тысячи. С помощью ПГП любой выброс можно выразить в CO₂-эквиваленте — единице углеродного следа (урок 23).

Калькулятор ПГП: эквивалент CO₂

В калькуляторе можно посчитать CO₂e = масса × ПГП по значениям из таблицы выше («Значения урока») или по МГЭИК AR5, а также изменить числа вручную. В разделе «Отрасли и процессы» коэффициенты выбросов — примерные значения для урока, а не официальные данные.

Открыть на весь экран (новая вкладка) ↗

1. По значениям урока: скольким тоннам CO₂e соответствуют 2 т метана?
2. Что выгоднее сократить: 10 т CO₂ или 1 т CH₄?

Simulador creado por el prof. Federico Garberi (автор симулятора — проф. Федерико Гарбери). После загрузки работает без интернета и не сохраняет ответы.

А азот, кислород и водяной пар?

Азот и кислород составляют 99 % газов атмосферы, но из-за формы и типа своих молекул они не могут удерживать энергию: как мы видели выше, при колебаниях у них не меняется распределение заряда. Поэтому они не связаны с парниковым эффектом.

Водяной пар является парниковым газом и участвует в этом явлении. Но его концентрация очень изменчива, не зависит напрямую от деятельности человека, и он очень недолго остаётся в атмосфере; поэтому его не относят к парниковым газам, ответственным за изменение климата.

Источник: презентация преподавателя Un invernadero gigante (Canva), слайды 12–17.

Анимация