Hvorfor bliver CO₂ ikke nede ved landjorden?

Peter Andersen spørger:

I min folkeskoleklasse har vi diskuteret følgende: CO₂ er tungere end både Hydrogen, Oxygen og Nitrogen, når vi laver forsøg i laboratoriet. Hvorfor bliver CO₂ så ikke nede ved landjorden når vi udleder den fra fx. kraftværker? Sagt på en anden måde, hvordan kan den ende helt oppe i atmosfæren og bidrage til drivhuseffekten?

Sune Olander Rasmussen, geofysiker og klimaforsker, svarer:

CO₂ (atommasse 44 u) er ganske rigtigt tungere end O₂ og N₂ (atommasse 32 og 28 u), der er de vigtigste komponenter af atmosfæren.

I en stillestående luftmasse vil der derfor ske en delvis opdeling af gasser med forskellig atommasse, hvor der er mest af de tunge bestanddele nær overfladen. Dette gælder alle atmosfærens bestanddele, og der vil derfor også være forskel på forholdet mellem f.eks. O₂-indholdet og N₂-indholdet med højden. Det er ikke sådan at der vil ske en fuldstændig opdeling i lag med de tungeste molekyler nederst, men der vil være en forskel i blandingsforholdet mellem de forskellige gasser med højden.

Det er den såkaldte barometerligning, der beskriver dette (se f.eks. Wikipedias engelske side - åbner i nyt vindue). Et overslag ved brug af atommassen for CO₂ og den gennemsnitlige atmosfære viser at i en helt stillestående atmosfære med konstant temperatur på 280 K (ca. 7°C), vil atmosfæretrykket i 10 kilometers højde være ca. 30% af overfladens tryk, mens det såkaldte partialtryk for CO₂ (dvs. CO₂-ens bidrag til det samlede tryk) kun vil være 15% af partialtrykket ved jordoverfladen. Blandingsforholdet for CO₂ er altså hun det halve i 10 kms højde i dette tilfælde (forholdet mellem 15% og 30%).

Fænomenet kaldes gravitationel fraktionering. "Gravitationel" fordi det er tyngdekraften, der også kaldes gravitationen, der er mekanismen bag, og "fraktionering", der betyder opdeling.

I virkeligheden er atmosfæren ikke stillestående, og luftens opblanding modvirker den gravitationelle fraktionering. Jeg skal ikke kunne sige hvor stor forskellen er i virkelighedens atmosfære. Faktisk ved jeg ikke om der findes data for dette ... min fornemmelse siger at det må variere meget fra sted til sted og med tiden ... den vertikale opblanding af atmosfæren sker nemlig slet ikke med konstant styrke. Jeg foreslår at du kontakter DMI, hvis du skal bruge et svar på dette spørgsmål.

En lille bemærkning mht. gravitationel fraktionering:
I en iskappes øverste ca. 80 meter kan luften bevæge sig mellem iskrystallerne. Det er en slags gigantisk svamp hvor luftmolekylerne næsten står stille når bare vi kommer en meter ned under overfladen. I denne situation står luftmassen så stille, at der sker en målbar gravitationel fraktionering både mellem de forskellige bestanddele af atmosfæren, og mellem forskellige isotoper (f.eks. mellem "den normale" N₂ bestående af to atomer med atommasse 14 u og de molekyler, hvor det ene atom er en N-isotop med atommase 15 u). Der sker også en termisk fraktionering (fordi der kan være temperaturforskelle hen over den 80 meter høje sne/is-søjle), som man kan måle og bruge til at undersøge fortidens klima. Det er ret kompliceret i praksis, men jeg nævner det for at vise at den opdeling af atmosfæren, du spurgte om, faktisk finder sted, kan måles og endda kan bruges til noget spændende.