গ্রিনহাউস ক্রিয়া কীভাবে কাজ করে

শক্তি ঢোকা, শক্তি বেরোনো

পৃথিবীর তাপমাত্রা ওখানেই থিতু হয়, যেখানে তা সূর্য থেকে যতটা শক্তি শোষণ করে তা মহাশূন্যে যতটা বিকিরণ করে তার সমান। সূর্যের আলো বায়ুমণ্ডলের মাথায় আসে S₀ = 1,361 W/m²-এ। পৃথিবী তা একটি চাকতিতে আটকায় কিন্তু একটি গোলক হিসেবে তার ক্ষেত্রফল তার চার গুণ, তাই গোটা তল জুড়ে গড় S₀ ÷ 4 = 340 W/m²। প্রায় 30% (অ্যালবেডো, α) মেঘ, বরফ আর উজ্জ্বল মাটি সোজা ফিরিয়ে দেয়, আর 238 W/m² শোষিত হয়ে পড়ে থাকে।

একটি বস্তু প্রতি বর্গমিটারে σT⁴ বিকিরণ করে (স্টেফান–বোলৎসমানের সূত্র, σ = 5.67 × 10⁻⁸ W/(m²·K⁴))। σT⁴ = 238 বসালে পাওয়া যায়

T_e = (S₀(1 − α) ÷ 4σ)^1/4 = 255 K = −18 °C

গ্রিনহাউস ক্রিয়া না থাকলে পৃথিবীর তাপমাত্রা সেটিই হত। আসল গড় ভূতলের তাপমাত্রা প্রায় 15 °C: অর্থাৎ 33 ডিগ্রি বেশি গরম।

গ্রিনহাউস ক্রিয়া

সূর্যের আলো বেশিটাই দৃশ্য আলো, যা বাতাস পার হতে দেয়। গরম হওয়া মাটি অবলোহিততে, প্রায় 10 µm-এ বিকিরণ করে, আর জলীয় বাষ্প, কার্বন ডাইঅক্সাইড, মিথেন আর আরও কয়েকটি গ্যাস ওই অবলোহিতের বেশিটাই শোষণ করে আর তা আবার সব দিকেই বিকিরণ করে, নিচের দিকেও। তাই ভূতল শক্তি পায় সূর্য থেকে আর বায়ুমণ্ডল থেকে, আর দুটির ভারসাম্য করার মতো যথেষ্ট বিকিরণ করা পর্যন্ত গরম হয়ে ওঠে। একটি এক-স্তরের আদলে, যেখানে বায়ুমণ্ডল ভূতলের অবলোহিতের একটি ভগ্নাংশ ε শোষণ করে,

T_s = T_e × (2 ÷ (2 − ε))^1/4

আর ε = 0.77 দেখা-যাওয়া 288 K দেয়। (একটি গ্রিনহাউস গরম থাকে মূলত গরম বাতাস উঠে যাওয়া আটকে, এভাবে নয়, তবে নামটি লেগে গেছে।)

বিকিরণের চাপ

একটি গ্রিনহাউস গ্যাস জুড়লে বায়ুমণ্ডল বেরোনো অবলোহিতের আরও বেশি শোষণ করে, তাই গ্রহটি গরম হয়ে ওঠা পর্যন্ত যা পায় তার চেয়ে কম শক্তি হারায়। বদলটির ঠিক পরের অসাম্যটিই বিকিরণের চাপ, ΔF। CO₂-তে তা ঘনমাত্রার লগারিদমের সঙ্গে বাড়ে:

ΔF = 5.35 ln(C ÷ C₀) W/m², যেখানে শিল্পের আগে C₀ = 280 ppm

তাই প্রতিটি দ্বিগুণ হওয়া 5.35 × ln 2 = 3.7 W/m² জোড়ে, শুরুর মাত্রা যা-ই হোক। লগারিদম আসে কারণ সবচেয়ে জোরালো শোষণের পটিগুলো আগেই প্রায় ভরে গেছে আর বাড়তি CO₂ বেশিটাই তাদের ধারেই কাজ করে। মিথেন জোড়ে প্রায় 0.036(√M − √M₀) W/m², যেখানে M ppb-তে, আর অ্যালবেডোর একটি বদল জোড়ে −(S₀ ÷ 4) Δα।

জলবায়ুর সংবেদনশীলতা

তাপমাত্রা ততক্ষণ বাড়ে, যতক্ষণ না বাড়তি বেরোনো বিকিরণ চাপটি কাটিয়ে দেয়: ΔT = λ ΔF। কোনো ফিরতি ক্রিয়া ছাড়া, কেবল σT⁴ থেকে, λ ≈ W/m² প্রতি 0.3 K, অর্থাৎ CO₂-র প্রতিটি দ্বিগুণ হওয়ায় প্রায় 1.2 °C। কিন্তু গরম বাতাস বেশি জলীয় বাষ্প ধরে রাখে (প্রতি ডিগ্রিতে 7% বেশি), যা নিজেই একটি গ্রিনহাউস গ্যাস; কমে যাওয়া বরফ আর তুষার ভূতল গাঢ় করে দেয়; মেঘ বদলায়। সবমিলিয়ে এই ফিরতি ক্রিয়াগুলো λ-কে প্রায় 0.8-এ তুলে দেয়, আর প্রতিটি দ্বিগুণ হওয়ায় উষ্ণায়ন, অর্থাৎ সাম্যের জলবায়ু সংবেদনশীলতা, সম্ভবত 2.5 থেকে 4 °C, আর সবচেয়ে ভালো আন্দাজ 3 °C।

একটি কষে দেখানো উদাহরণ

CO₂ 280 থেকে 420 ppm-এ আর মিথেন 722 থেকে 1,920 ppb-তে ওঠে।

1. CO₂-র চাপ: 5.35 × ln(420 ÷ 280) = 5.35 × 0.405 = 2.17 W/m²।
2. মিথেনের চাপ: 0.036 × (√1920 − √722) = 0.036 × (43.8 − 26.9) = 0.61 W/m²।
3. মোট: 2.78 W/m²। W/m² প্রতি λ = 0.81 K নিয়ে সবকিছু থিতু হলে উষ্ণায়ন 0.81 × 2.78 = 2.25 °C।

এতদূর পর্যন্ত দেখা উষ্ণায়ন প্রায় 1.2 °C, এর চেয়ে কম, কারণ সমুদ্র এখনো ধরে উঠতে পারেনি আর কারণ অ্যারোসলের দূষণ (এখানে বাদ রাখা) সূর্যের আলো ফিরিয়ে দেয় আর গ্রিনহাউস চাপের মোটামুটি এক-তৃতীয়াংশ কাটিয়ে দেয়।

তাপমাত্রা কত দ্রুত সাড়া দেয়

সমুদ্রের ওপরের স্তরের তাপধারকত্ব বড়, একটি 60 m মেশানো স্তরে প্রতি m²-এ প্রতি K-তে প্রায় 8 W·বছর। তখন তাপমাত্রা চলে C dT ÷ dt = ΔF − (T − T₀) ÷ λ ধরে, আর Cλ ≈ 6.5 বছরের একটি সময় ধ্রুবকে নতুন ভারসাম্যের দিকে এগোয়। গভীর সমুদ্র, যা এই আদল বাদ রাখে, গরম হতে শতক নেয় আর চাপ বাড়া থেমে যাওয়ার অনেক পরেও আসল জলবায়ুকে ধরে উঠতেই রাখে।

সিমুলেশনটি ব্যবহার করা

গ্রিনহাউস ক্রিয়ার সিমুলেটর-এ হলুদ সূর্যের আলোর ফোটন নিচে নামে আর লাল অবলোহিত ফোটন ওপরে যায়; একটি ধূসর অণু একটি ধরে ফেললে তা ঝলসে ওঠে আর তাকে একটি এলোমেলো দিকে পাঠিয়ে দেয়। তাপমাত্রা শিল্প-পূর্ব 13.8 °C থেকে শুরু হয় আর আপনার বেছে নেওয়া সেটিংসের ভারসাম্যের দিকে চলে। দেখে নেওয়ার মতো কিছু:

• প্রতিটি ফিরতি ক্রিয়ার গুচ্ছ নিয়ে CO₂ 280 থেকে 560 ppm-এ দ্বিগুণ করুন: ভারসাম্যে উষ্ণায়ন 1.2, 2, 3 কিংবা 4.5 °C।
• তা 560 থেকে 280-তে অর্ধেক করুন: চাপ একই 3.7 W/m²-এই বদলায়, অর্থাৎ লগারিদমটি কাজে।
• অ্যালবেডো 0.30 থেকে 0.31-এ বাড়ান: 3.4 W/m²-র ঠান্ডা হওয়া আজকের CO₂-র 2.2 W/m² চাপকেও ছাপিয়ে যায়, আর তাই মেঘ আর বরফে এত এসে যায়।
• সূর্য 1 W/m² বদলে দিন (একটি চলতি সৌর চক্র): চাপ কেবল 0.17 W/m², যা CO₂-রটির চেয়ে অনেক ছোট।

আদলটি যা ধরে নেয়

• একটি শূন্য-মাত্রার গ্রহ: একটিই বিশ্বগড় তাপমাত্রা, আর কোনো দিন-রাত, ঋতু, অক্ষাংশ, মাটি ও সমুদ্র নেই।
• একটি মেশানো সমুদ্রের স্তর, যার তাপধারকত্ব বাঁধা, আর কোনো গভীর সমুদ্র নেই।
• CO₂ আর মিথেনের জন্য সরল করা চাপের সূত্র, আর তাতে মিথেন ও নাইট্রাস অক্সাইডের পটির একটির ওপরে আরেকটি পড়া নেই, আর অন্য কোনো গ্যাস, অ্যারোসল, ওজোন কিংবা জমির ব্যবহার নেই।
• একটি ধ্রুব জলবায়ু সংবেদনশীলতা λ, যা প্রতিটি তাপমাত্রাতেই একই, আর তা তালিকা থেকে বেছে নেওয়া।
• যে ফোটন ভাবনাটি দেখায়, সংখ্যা নয়। একটি অবলোহিত ফোটন ধরা পড়ার সুযোগ দেখানোর জন্য CO₂-র সঙ্গে বাড়ে; তাপমাত্রা আসে শক্তি-ভারসাম্যের সমীকরণ থেকে, ফোটন গোনা থেকে নয়।

কিনারার বেলা

• CO₂ 280 ppm-এ, মিথেন 722 ppb-তে, অ্যালবেডো 0.30: কোনো চাপ নেই, আর তাপমাত্রা 13.8 °C-তেই থাকে।
• খুব কম CO₂ ঋণাত্মক চাপ আর ঠান্ডা হওয়া দেয়; প্রায় 150 ppm-র নিচে গাছ সালোকসংশ্লেষে হিমশিম খায়, আর তাই স্লাইডারের নিচের সীমাটি ওখানেই।
• কোনো ফিরতি ক্রিয়া না থাকা মানে কেবল প্ল্যাঙ্কের সাড়া: উষ্ণায়ন সবচেয়ে কম আর ভারসাম্যে পৌঁছানো সবচেয়ে দ্রুত, কারণ সময় ধ্রুবকটি λ-র সমানুপাতী।
• অ্যালবেডোর বড় বদল (বরফযুগ, তুষারগোলক পৃথিবী) বাকি সবই ভাসিয়ে দেয়: 0.30 থেকে 0.60-তে গেলে প্রায় 100 W/m² সরে যায়।

আদলটি কোথায় আর ঠিক থাকে না

• ফিরতি ক্রিয়া ধ্রুব নয়। বরফ-অ্যালবেডো আর মেঘের ফিরতি ক্রিয়া জলবায়ুর সঙ্গেই বদলায়; কিছু সীমায় (বরফের চাদর, চিরহিম, সমুদ্রের চলাচল) সাড়াটি হঠাৎ হতে পারে আর ফিরতে ধীর।
• অঞ্চলভেদে জলবায়ু। উষ্ণায়ন অসমান: আর্কটিক গড়ের চেয়ে তিন-চার গুণ দ্রুত গরম হয়, মাটি সমুদ্রের চেয়ে দ্রুত। এক-সংখ্যার একটি আদল বৃষ্টি, ঝড় কিংবা স্থানীয় তাপমাত্রা নিয়ে কিছুই বলতে পারে না।
• পারাপারের উষ্ণায়ন। গভীর সমুদ্র না থাকায় আদলটি দশকেই ভারসাম্যে পৌঁছে যায়; ঘনমাত্রা থিতু হওয়ার পরেও আসল জলবায়ু শতক ধরে গরম হতেই থাকে, আর সমুদ্রের মাত্রা তার চেয়ে অনেক বেশি সময় ধরে ওঠে।
• কার্বনের চক্র। এখানে CO₂ হাতে বসানো; সত্যিই সমুদ্র আর বন যা ছাড়া হয় তার প্রায় অর্ধেক শুষে নেয়, আর উষ্ণায়ন ওই শোষকগুলো দুর্বল করে দিতে পারে।
• শুক্রের মতো কিনারা। খুব উঁচু CO₂-তে লগারিদমের সূত্র আর সরল স্তরের আদল ব্যর্থ হয়; ওখানে খুঁটিনাটি বিকিরণ পারাপারই দরকার।

পাশের সরঞ্জাম

কৃষ্ণবস্তুর বিকিরণের সিমুলেটর দেখায় সূর্য দৃশ্য আলোয় আর পৃথিবী অবলোহিততে জ্বলে কেন, আর ঋতু আর দিনের দৈর্ঘ্যের সিমুলেটর দেখায় সূর্যের আলো অক্ষাংশ আর বছর জুড়ে কীভাবে ছড়িয়ে পড়ে। তাপমাত্রা বদলে নিন তাপমাত্রার রূপান্তরকারী দিয়ে।