Gaz cieplarniany

Efekt cieplarniany promieniowania słonecznego na powierzchni Ziemi spowodowany emisją gazów cieplarnianych

Wymuszanie radiacyjne (wpływ ocieplenia) różnych czynników przyczyniających się do zmiany klimatu do 2019 r., zgodnie z szóstym raportem oceniającym IPCC .

Gaz cieplarniany ( GHG lub GhG ) to gaz , który pochłania i emituje energię promieniowania w zakresie termicznej podczerwieni , powodując efekt cieplarniany . Głównymi gazami cieplarnianymi w atmosferze ziemskiej są para wodna ( H ₂ O ), dwutlenek węgla (CO ₂ ), metan ( CH ₄ ), podtlenek azotu ( N ₂ O ) i ozon ( O ₃ ). Bez gazów cieplarnianych średnia temperatura powierzchni Ziemi wynosiłaby około -18 ° C (0 ° F), a nie obecną średnią 15 ° C (59 ° F). Atmosfery Wenus , Marsa i Tytana również zawierają gazy cieplarniane.

Działalność człowieka od początku rewolucji przemysłowej (około 1750 r.) zwiększyła stężenie dwutlenku węgla w atmosferze o ponad 50%, z 280 ppm w 1750 r. do 421 ppm w 2022 r. Ostatni raz tak wysokie stężenie dwutlenku węgla w atmosferze było ponad 3 miliony lat temu. Wzrost ten nastąpił pomimo absorpcji ponad połowy emisji przez różne naturalne pochłaniacze dwutlenku węgla w obiegu węgla .

Przy obecnym poziomie emisji gazów cieplarnianych temperatury mogą wzrosnąć o 2 °C (3,6 °F ), co według Międzyrządowego Zespołu Narodów Zjednoczonych ds. Zmian Klimatu (IPCC) stanowi górną granicę pozwalającą uniknąć „niebezpiecznych” poziomów do 2050 r. większość antropogenicznych emisji dwutlenku węgla pochodzi ze spalania paliw kopalnych , głównie węgla , ropy naftowej (w tym ropy naftowej ) i gazu ziemnego , z dodatkowym udziałem produkcji cementu , produkcji nawozów , wylesiania i innych zmian w użytkowaniu gruntów.

Składniki

Absorpcja i rozpraszanie atmosferyczne przy różnych długościach fal elektromagnetycznych . Największe pasmo absorpcji dwutlenku węgla znajduje się niedaleko maksimum w emisji termicznej z gruntu i częściowo zamyka okno przezroczystości wody; stąd jego główny efekt.

Główne składniki atmosfery ziemskiej, azot ( N
₂ ) (78%), tlen ( O
₂ ) (21%) i argon (Ar) (0,9%) nie są gazami cieplarnianymi, ponieważ cząsteczki zawierające dwa atomy tego samego pierwiastka takie jak N
₂ i O
₂ nie mają żadnej zmiany netto w rozkładzie swoich ładunków elektrycznych, gdy wibrują, a jednoatomowe gazy takie jak Ar nie mają modów wibracyjnych. Dlatego są prawie całkowicie odporne na promieniowanie podczerwone (IR) . Ich interakcja w podczerwieni poprzez absorpcję wywołaną kolizją jest również niewielka w porównaniu z wpływem głównych gazów cieplarnianych na Ziemi.

Gazy cieplarniane to te, które pochłaniają i emitują promieniowanie podczerwone w zakresie długości fal emitowanych przez Ziemię . Dwutlenek węgla (0,04%), podtlenek azotu, metan i ozon to gazy śladowe , które stanowią prawie 0,1% ziemskiej atmosfery i mają znaczny efekt cieplarniany.

Najbardziej rozpowszechnione gazy cieplarniane w atmosferze ziemskiej, wymienione w kolejności malejącej średniej globalnej frakcji molowej , to:

Para wodna ( H
₂ O )
Dwutlenek węgla ( CO
₂ )
Metan ( CH
₄ )
Podtlenek azotu ( N
₂ O )
ozon ( O
₃ )
Chlorofluorowęglowodory (CFC i HCFC )
Fluorowęglowodory (HFC)
Perfluorowęglowodory ( CF
₄ , C
₂ F
₆ itd.), SF
₆ i NF
₃

Stężenia atmosferyczne są określane przez równowagę między źródłami (emisje gazu z działalności człowieka i systemów naturalnych) i pochłaniaczami (usuwanie gazu z atmosfery poprzez konwersję do innego związku chemicznego lub absorpcję przez zbiorniki wodne). Część emisji pozostająca w atmosferze po określonym czasie to „ frakcja powietrzna ” (AF). Roczna frakcja unosząca się w powietrzu to stosunek wzrostu atmosferycznego w danym roku do całkowitych emisji w tym roku. Od 2006 r. roczna frakcja unosząca się w powietrzu dla CO ₂ było około 0,45. Roczna frakcja unosząca się w powietrzu rosła w tempie 0,25 ± 0,21% rocznie w latach 1959–2006.

Pośrednie efekty radiacyjne

Stężenia tlenku węgla w kwietniu i październiku 2000 r. w niższych warstwach atmosfery wahały się od około 50 części na miliard (niebieskie piksele) do 220 części na miliard (czerwone piksele) i 390 części na miliard (ciemnobrązowe piksele).

Utlenianie CO do CO ₂ bezpośrednio powoduje jednoznaczny wzrost wymuszania radiacyjnego , chociaż przyczyna jest subtelna. Szczyt termicznej emisji IR z powierzchni Ziemi jest bardzo zbliżony do silnego pasma absorpcji wibracyjnej CO ₂ ( długość fali 15 mikronów lub liczba falowa 667 cm ^-1 ). Z drugiej strony pojedyncze pasmo wibracyjne CO pochłania IR tylko przy znacznie krótszych długościach fal (4,7 mikrona lub 2145 cm ^-1 ), gdzie emisja energii promieniowania z powierzchni Ziemi jest co najmniej dziesięciokrotnie niższa. Utlenianie metanu do CO ₂ , które wymaga reakcji z rodnikiem OH, powoduje natychmiastowe zmniejszenie absorpcji i emisji promieniowania, ponieważ CO ₂ jest słabszym gazem cieplarnianym niż metan. Jednak utlenianie CO i CH
₄ jest ze sobą splecione, ponieważ oba zużywają rodniki OH. W każdym razie obliczenie całkowitego efektu radiacyjnego obejmuje zarówno wymuszenie bezpośrednie, jak i pośrednie.

Drugi rodzaj efektu pośredniego ma miejsce, gdy reakcje chemiczne w atmosferze z udziałem tych gazów zmieniają stężenie gazów cieplarnianych. Na przykład niszczenie niemetanowych lotnych związków organicznych (NMLZO) w atmosferze może prowadzić do powstania ozonu. Wielkość efektu pośredniego może silnie zależeć od tego, gdzie i kiedy gaz jest emitowany.

Metan ma pośredni wpływ oprócz tworzenia CO ₂ . Główną substancją chemiczną wchodzącą w reakcję z metanem w atmosferze jest rodnik hydroksylowy (OH), więc więcej metanu oznacza spadek stężenia OH. W rzeczywistości metan zwiększa swój własny czas życia w atmosferze, a tym samym ogólny efekt radiacyjny. Utlenianie metanu może wytwarzać zarówno ozon, jak i wodę; i jest głównym źródłem pary wodnej w normalnie suchej stratosferze . CO i NMLZO wytwarzają CO ₂ gdy są utleniane. Usuwają OH z atmosfery, co prowadzi do wyższych stężeń metanu. Zaskakującym skutkiem tego jest to, że potencjał ocieplenia globalnego CO jest trzy razy większy niż CO ₂ . Ten sam proces, który przekształca NMLZO w dwutlenek węgla, może również prowadzić do tworzenia ozonu troposferycznego. Halowęglowodory mają pośredni wpływ, ponieważ niszczą ozon stratosferyczny. Wreszcie, wodór może prowadzić do produkcji ozonu i wzrostu CH4
_, a także do wytwarzania pary wodnej w stratosferze.

Rola pary wodnej

Rosnąca ilość pary wodnej w stratosferze w Boulder w Kolorado

Para wodna odpowiada za największy procent efektu cieplarnianego, od 36% do 66% przy bezchmurnym niebie i od 66% do 85% przy uwzględnieniu chmur. Stężenia pary wodnej zmieniają się regionalnie, ale działalność człowieka nie wpływa bezpośrednio na stężenia pary wodnej, z wyjątkiem skali lokalnej, na przykład w pobliżu pól nawadnianych. Pośrednio działalność człowieka, która zwiększa globalne temperatury, zwiększy stężenie pary wodnej, proces znany jako sprzężenie zwrotne pary wodnej. Stężenie pary w atmosferze jest bardzo zmienne i zależy w dużej mierze od temperatury, od mniej niż 0,01% w ekstremalnie zimnych regionach do 3% masowych w nasyconym powietrzu o temperaturze około 32 °C. (Widzieć Wilgotność względna # Inne ważne fakty .)

Średni czas przebywania cząsteczki wody w atmosferze wynosi tylko około dziewięciu dni, w porównaniu z latami lub stuleciami innych gazów cieplarnianych, takich jak CH
₄ i CO ₂ . Para wodna reaguje na działanie innych gazów cieplarnianych i wzmacnia je. Relacja Clausiusa-Clapeyrona określa, że w podwyższonych temperaturach będzie obecnych więcej pary wodnej na jednostkę objętości. Ta i inne podstawowe zasady wskazują, że ocieplenie związane ze zwiększonym stężeniem innych gazów cieplarnianych spowoduje również wzrost stężenia pary wodnej (przy założeniu, że wilgotność względna pozostaje w przybliżeniu stała; modelowanie i badania obserwacyjne pokazują, że tak jest rzeczywiście). Ponieważ para wodna jest gazem cieplarnianym, powoduje to dalsze ocieplenie, podobnie jak „ dodatnie sprzężenie zwrotne ”, które wzmacnia pierwotne ocieplenie. Ostatecznie inne procesy ziemskie ^{[ które? ]} zrównoważyć te pozytywne sprzężenia zwrotne, stabilizując globalną temperaturę w nowej równowadze i zapobiegając utracie wody na Ziemi w wyniku efektu cieplarnianego podobnego do Wenus .

Udział chmur w efekcie cieplarnianym Ziemi

Chmury , główny niegazowy czynnik przyczyniający się do efektu cieplarnianego Ziemi , również pochłaniają i emitują promieniowanie podczerwone, a tym samym mają wpływ na właściwości promieniowania gazów cieplarnianych. Chmury to kropelki wody lub kryształki lodu zawieszone w atmosferze.

Wpływ na ogólny efekt cieplarniany

Schmidta i in. (2010) przeanalizowali, w jaki sposób poszczególne składniki atmosfery przyczyniają się do całkowitego efektu cieplarnianego. Oszacowali, że para wodna odpowiada za około 50% efektu cieplarnianego Ziemi, z chmurami za 25%, dwutlenkiem węgla za 20%, a mniejsze gazy cieplarniane i aerozole za pozostałe 5%. W badaniu wzorcowa atmosfera wzorcowa dotyczy warunków z 1980 roku. Źródło obrazu: NASA .

Udział każdego gazu w efekcie cieplarnianym zależy od charakterystyki tego gazu, jego obfitości i wszelkich skutków pośrednich, jakie może powodować. Na przykład bezpośredni efekt promieniowania masy metanu jest około 84 razy silniejszy niż ta sama masa dwutlenku węgla w ciągu 20 lat, ale występuje w znacznie mniejszych stężeniach, więc jego całkowity bezpośredni efekt promieniowania został jak dotąd mniejszy, częściowo ze względu na krótszy czas życia w atmosferze przy braku dodatkowej sekwestracji węgla . Z drugiej strony, oprócz bezpośredniego wpływu promieniowania, metan ma duży, pośredni efekt promieniowania, ponieważ przyczynia się do tworzenia ozonu. Shindell i in. (2005) argumentuje, że wpływ metanu na zmiany klimatyczne jest co najmniej dwukrotnie większy niż poprzednie szacunki w wyniku tego efektu.

Uszeregowane według ich bezpośredniego wkładu w efekt cieplarniany, najważniejsze to: ^{[ nieudana weryfikacja ]}

Mieszanina	Formuła	Stężenie w atmosferze (ppm)	Wkład (%)
Para wodna i chmury	H2O _{_} _	10–50 000 ^(A)	36–72%
Dwutlenek węgla	CO2 _{_}	~400	9–26%
Metan	CH ₄	~1,8	4–9%
Ozon	O ₃	2–8 ^(B)	3–7%
uwagi: ^(A) Para wodna silnie zmienia się lokalnie ^(B) Stężenie w stratosferze. Około 90% ozonu w ziemskiej atmosferze znajduje się w stratosferze.

Oprócz głównych gazów cieplarnianych wymienionych powyżej, inne gazy cieplarniane obejmują sześciofluorek siarki , wodorofluorowęglowodory i perfluorowęglowodory (patrz lista gazów cieplarnianych IPCC ). Niektóre gazy cieplarniane nie są często wymieniane. Na przykład trójfluorek azotu ma wysoki współczynnik ocieplenia globalnego (GWP), ale występuje tylko w bardzo małych ilościach.

Proporcja efektów bezpośrednich w danym momencie

Nie jest możliwe stwierdzenie, że dany gaz powoduje konkretny procent efektu cieplarnianego. Dzieje się tak dlatego, że niektóre gazy pochłaniają i emitują promieniowanie o tej samej częstotliwości co inne, więc całkowity efekt cieplarniany nie jest po prostu sumą wpływu każdego gazu. Wyższe krańce podanych zakresów dotyczą każdego gazu osobno; dolne końce odpowiadają za nakładanie się innych gazów. Ponadto wiadomo, że niektóre gazy, takie jak metan, mają duże skutki pośrednie, które wciąż są określane ilościowo.

Żywotność atmosferyczna

Oprócz pary wodnej , której czas przebywania wynosi około dziewięciu dni, główne gazy cieplarniane są dobrze wymieszane i potrzebują wielu lat, aby opuścić atmosferę. Chociaż nie jest łatwo dokładnie określić, jak długo gazy cieplarniane opuszczają atmosferę, istnieją szacunki dotyczące głównych gazów cieplarnianych. Jacob (1999) definiuje czas życia $.$ gatunku X w modelu jednopudełkowym jako średni czas, w którym cząsteczka X pozostaje w pudełku Matematycznie ${\ Displaystyle \ tau}$ można zdefiniować jako stosunek masy $w$ kg) X w pudełku do szybkości jego usuwania, która jest sumą przepływu X z pudełka ( ${out}}$ ${\ displaystyle$ ${\ displaystyle D}$ ), chemiczna utrata X ( ) i osadzanie się X ( $)$ (wszystko w kg / s):

{\ Displaystyle \ tau = {\ Frac {m} {F_ {out} + L + D}}}

.

Gdyby dopływ tego gazu do skrzynki ustał, to po pewnym czasie $stężenie$ zmniejszyłoby się o około 63%.

Czas życia gatunku w atmosferze mierzy zatem czas potrzebny do przywrócenia równowagi po nagłym wzroście lub spadku jego stężenia w atmosferze. Pojedyncze atomy lub cząsteczki mogą zostać utracone lub osadzone w pochłaniaczach, takich jak gleba, oceany i inne wody lub roślinność i inne systemy biologiczne, zmniejszając nadmiar do stężeń tła. Średni czas potrzebny do osiągnięcia tego celu to średni czas życia .

Dwutlenek węgla ma zmienny czas życia w atmosferze i nie można go dokładnie określić. Chociaż ponad połowa emitowanego CO ₂ jest usuwana z atmosfery w ciągu stulecia, pewna część (około 20%) emitowanego CO ₂ pozostaje w atmosferze przez wiele tysięcy do setek tysięcy lat. Podobne problemy dotyczą innych gazów cieplarnianych, z których wiele ma dłuższy średni czas życia niż CO ₂ , np. N ₂ O ma średni czas życia w atmosferze wynoszący 121 lat.

Wymuszanie radiacyjne i roczny wskaźnik gazów cieplarnianych

Wymuszanie promieniowania (wpływ ocieplenia) długo żyjących atmosferycznych gazów cieplarnianych przyspieszyło, prawie podwajając się w ciągu 40 lat.

Ziemia pochłania część promieniowania słonecznego, część odbija w postaci światła, a resztę odbija lub wypromieniowuje z powrotem w przestrzeń kosmiczną w postaci ciepła . Temperatura powierzchni planety zależy od tej równowagi między energią przychodzącą i wychodzącą. Kiedy bilans energetyczny Ziemi ulega zmianie, jej powierzchnia staje się cieplejsza lub chłodniejsza, co prowadzi do różnych zmian w globalnym klimacie.

Szereg mechanizmów naturalnych i stworzonych przez człowieka może wpływać na globalny bilans energetyczny i wymuszać zmiany klimatu na Ziemi. Gazy cieplarniane są jednym z takich mechanizmów. Gazy cieplarniane pochłaniają i emitują część energii wychodzącej z powierzchni Ziemi, powodując zatrzymanie tego ciepła w niższych warstwach atmosfery. Jak wyjaśniono powyżej , niektóre gazy cieplarniane pozostają w atmosferze przez dziesięciolecia, a nawet stulecia, takie jak podtlenek azotu i gazy fluorowane, przez co mogą wpływać na bilans energetyczny Ziemi w długim okresie. Wymuszanie radiacyjne określa ilościowo (w watach na metr kwadratowy) wpływ czynników wpływających na bilans energetyczny Ziemi; w tym zmiany stężeń gazów cieplarnianych. Dodatnie wymuszanie radiacyjne prowadzi do ocieplenia poprzez zwiększenie dopływającej energii netto, podczas gdy ujemne wymuszanie radiacyjne prowadzi do ochłodzenia.

Roczny wskaźnik gazów cieplarnianych (AGGI) jest definiowany przez naukowców zajmujących się atmosferą w NOAA jako stosunek całkowitego bezpośredniego wymuszenia radiacyjnego spowodowanego długożyciowymi i dobrze wymieszanymi gazami cieplarnianymi w dowolnym roku, dla którego istnieją odpowiednie globalne pomiary, do obecnego w roku 1990 Te poziomy wymuszania radiacyjnego są względne do tych obecnych w roku 1750 (tj. przed początkiem ery przemysłowej ). Wybrano rok 1990, ponieważ jest to rok bazowy dla Protokołu z Kioto i rok publikacji pierwszej naukowej oceny zmian klimatu IPCC . W związku z tym NOAA stwierdza, że AGGI „mierzy zobowiązanie, jakie (globalne) społeczeństwo już podjęło, aby żyć w zmieniającym się klimacie. Opiera się na najwyższej jakości obserwacjach atmosferycznych z miejsc na całym świecie. Jego niepewność jest bardzo niska”.

Potencjał tworzenia efektu cieplarnianego

Współczynnik ocieplenia globalnego (GWP) zależy zarówno od wydajności cząsteczki jako gazu cieplarnianego, jak i jej czasu życia w atmosferze. GWP mierzy się w odniesieniu do tej samej masy CO ₂ i ocenia w określonej skali czasowej. Tak więc, jeśli gaz ma wysokie (dodatnie) wymuszenie radiacyjne , ale także krótki czas życia, będzie miał duży GWP w skali 20-letniej, ale mały w skali 100-letniej. I odwrotnie, jeśli cząsteczka ma dłuższy czas życia w atmosferze niż _CO2 jego GWP wzrośnie, gdy weźmie się pod uwagę skalę czasową. Definiuje się, że dwutlenek węgla ma GWP równy 1 we wszystkich okresach.

Metan ma czas życia w atmosferze 12 ± 2 lata. Raport IPCC z 2021 r. wymienia GWP jako 83 w skali czasowej 20 lat, 30 w ciągu 100 lat i 10 w ciągu 500 lat. Jednak analiza z 2014 r. stwierdza, że chociaż początkowy wpływ metanu jest około 100 razy większy niż CO ₂ , ze względu na krótszy czas życia atmosfery, po sześciu lub siedmiu dekadach wpływ obu gazów jest mniej więcej równy i od tego momentu względna rola metanu nadal spada. Spadek GWP w dłuższym czasie wynika z metanu na wodę i _CO2 poprzez reakcje chemiczne w atmosferze.

Przykłady czasu życia w atmosferze i GWP w odniesieniu do CO ₂ dla kilku gazów cieplarnianych podano w poniższej tabeli:

Czas życia w atmosferze i GWP w odniesieniu do CO ₂ w różnym horyzoncie czasowym dla różnych gazów cieplarnianych
Nazwa gazu	Wzór chemiczny	Żywotność (lata)	Wydajność promieniowania (Wm ⁻² ppb ⁻¹ , podstawa molowa)	Współczynnik ocieplenia globalnego (GWP) dla danego horyzontu czasowego
Nazwa gazu	Wzór chemiczny	Żywotność (lata)	Wydajność promieniowania (Wm ⁻² ppb ⁻¹ , podstawa molowa)	20 lat	100 lat	500-letni
Dwutlenek węgla	CO2 _{_}	^(A)	1,37 × 10-5 ^_	1	1	1
Metan (skamieniałość)	CH ₄	12	5,7 × 10-4 ^_	83	30	10
Metan (niekopalny)	CH ₄	12	5,7 × 10-4 ^_	81	27	7.3
Podtlenek azotu	N ₂ O	109	3 × 10-3 ^_	273	273	130
CFC-11	CCl ₃ F	52	0,29	8 321	6 226	2 093
CFC-12	CCl ₂ F ₂	100	0,32	10 800	10 200	5 200
HCFC-22	CHCIF ₂	12	0,21	5 280	1760	549
HFC-32	CH ₂ F ₂	5	0,11	2 693	771	220
HFC-134a	CH ₂ FCF ₃	14	0,17	4 144	1526	436
tetrafluorometan	CF ₄	50 000	0,09	5 301	7 380	10 587
heksafluoroetan	C ₂ F ₆	10000	0,25	8 210	11 100	18 200
Sześciofluorek siarki	SF ₆	3 200	0,57	17 500	23 500	32 600
Trifluorek azotu	NF ₃	500	0,20	12 800	16 100	20 700
^{(A) Nie} można podać jednego czasu życia dla atmosferycznego CO _{2 .}

Stosowanie CFC-12 (z wyjątkiem niektórych niezbędnych zastosowań) zostało wycofane ze względu na jego właściwości niszczenia warstwy ozonowej . Wycofywanie mniej aktywnych związków HCFC zakończy się w 2030 r.

Stężenia w atmosferze

U góry: Rosnące poziomy dwutlenku węgla w atmosferze , mierzone w atmosferze i odzwierciedlone w rdzeniach lodowych . U dołu: wzrost ilości węgla netto w atmosferze w porównaniu z emisjami węgla ze spalania paliw kopalnych .

Aktualne stężenia

Skróty użyte w dwóch poniższych tabelach: ppm = części na milion ; ppb = części na miliard; ppt = części na bilion; W/m ² = waty na metr kwadratowy

Bieżące stężenia gazów cieplarnianych
Gaz	Stężenie troposferyczne sprzed 1750 r	Niedawna koncentracja troposferyczna	Bezwzględny wzrost od 1750 r	Wzrost procentowy od 1750 r	Zwiększone wymuszanie radiacyjne (W/m ² )
Dwutlenek węgla (CO ₂ )	280 str./min	411 str./min	131 str./min	47%	2.05
Metan ( CH ₄ )	700 ppb	1893 ppb / 1762 ppb	1193 ppb / 1062 ppb	170,4% / 151,7%	0,49
Podtlenek azotu ( N ₂ O )	270 ppb	326 ppb / 324 ppb	56 ppb / 54 ppb	20,7% / 20,0%	0,17
Ozon troposferyczny ( O ₃ )	237 ppb	337 ppb	100 ppb	42%	0,4

Istotne dla wymuszania radiacyjnego i/lub zubożenia warstwy ozonowej ; wszystkie poniższe nie mają naturalnych źródeł, a zatem zerowe ilości przedindustrialne
Gaz	Niedawna koncentracja troposferyczna	Zwiększone wymuszanie radiacyjne (W/m ² )
CFC-11 (trichlorofluorometan) ( CCl ₃ F )	236 ppt / 234 ppt	0,061
CFC-12 ( CCl ₂ F ₂ )	527 ppt / 527 ppt	0,169
CFC-113 ( Cl ₂ FC-CClF ₂ )	74 ppt / 74 ppt	0,022
HCFC-22 ( CHClF ₂ )	231 ppt / 210 ppt	0,046
HCFC-141b ( CH ₃ CCl ₂ F )	24 ppt / 21 ppt	0,0036
HCFC-142b ( CH ₃ CClF ₂ )	23 ppt / 21 ppt	0,0042
Halon 1211 ( CBrClF ₂ )	4,1 ppt / 4,0 ppt	0,0012
Halon 1301 ( CBrClF ₃ )	3,3 ppt / 3,3 ppt	0,001
HFC-134a ( CH ₂ FCF ₃ )	75 ppt / 64 ppt	0,0108
Czterochlorek węgla ( CCl ₄ )	85 ppt / 83 ppt	0,0143
Sześciofluorek siarki ( SF ₆ )	7,79 p.p. / 7,39 p.p	0,0043
Inne halowęglowodory	Różni się w zależności od substancji	łącznie 0,02
Halowęglowodory łącznie		0,3574

400 000 lat danych rdzeni lodowych

Pomiary z rdzeni lodowych w ciągu ostatnich 800 000 lat

Rdzenie lodowe dostarczają dowodów na zmiany stężenia gazów cieplarnianych w ciągu ostatnich 800 000 lat (patrz następna sekcja ). Zarówno CO _2, jak i CH
₄ różnią się między fazami lodowcowymi i interglacjalnymi, a stężenia tych gazów silnie korelują z temperaturą. Nie istnieją bezpośrednie dane dla okresów wcześniejszych niż te przedstawione w zapisie rdzenia lodowego, zapisie wskazującym ułamki molowe CO ₂ utrzymywał się w zakresie od 180 ppm do 280 ppm przez ostatnie 800 000 lat, aż do wzrostu w ciągu ostatnich 250 lat. Jednak różne proxy i modelowanie sugerują większe różnice w poprzednich epokach; 500 milionów lat temu poziomy CO ₂ były prawdopodobnie 10 razy wyższe niż obecnie. Rzeczywiście, uważa się, że wyższe stężenia CO ₂ panowały przez większą część eonu fanerozoicznego , przy stężeniu od czterech do sześciu razy większym niż obecne stężenie w epoce mezozoicznej i od dziesięciu do piętnastu razy większym niż obecne stężenie we wczesnej erze paleozoicznej aż do połowy dewonu okres, około 400 Ma . Uważa się, że rozprzestrzenianie się roślin lądowych zmniejszyło stężenie CO ₂ w późnym dewonie, a działalność roślin jako zarówno źródła, jak i pochłaniacze CO ₂ była od tego czasu ważna w zapewnianiu stabilizujących sprzężeń zwrotnych. Jeszcze wcześniej, trwający 200 milionów lat okres okresowego, rozległego zlodowacenia rozciągającego się w pobliżu równika ( Snowball Earth ) został nagle zakończony, około 550 mA, przez kolosalne odgazowanie wulkaniczne, które podniosło poziom CO ₂ koncentracja atmosfery nagle do 12%, około 350 razy więcej niż obecnie, powodując ekstremalne warunki cieplarniane i osadzanie się węglanów w postaci wapienia w tempie około 1 mm dziennie. Epizod ten oznaczał koniec prekambryjskiego , po którym nastąpiły ogólnie cieplejsze warunki fanerozoiku, podczas którego wyewoluowało wielokomórkowe życie zwierząt i roślin. Od tego czasu nie nastąpiła żadna wulkaniczna emisja dwutlenku węgla o porównywalnej skali. W epoce nowożytnej emisje do atmosfery z wulkanów wynoszą około 0,645 miliarda ton CO2 _rocznie , podczas gdy ludzie emitują 29 miliardów ton CO2 ₂ każdego roku.

Pomiary z rdzeni lodowych Antarktydy pokazują, że przed rozpoczęciem emisji przemysłowych frakcja molowa atmosferycznego CO _{2 wynosiła około 280} części na milion (ppm) i utrzymywała się na poziomie między 260 a 280 w ciągu poprzednich dziesięciu tysięcy lat. Frakcje molowe dwutlenku węgla w atmosferze wzrosły o około 35 procent od 1900 roku, z 280 części na milion objętościowo do 387 części na milion w 2009 roku. Jedno badanie wykorzystujące dowody z aparatów szparkowych skamieniałych liści sugeruje większą zmienność, z dwutlenkiem węgla ułamki molowe powyżej 300 ppm w okresie od siedmiu do dziesięciu tysięcy lat temu, chociaż inni argumentowali, że odkrycia te bardziej odzwierciedlają problemy z kalibracją lub zanieczyszczeniem niż rzeczywisty CO ₂ zmienność. Ze względu na sposób, w jaki powietrze jest uwięzione w lodzie (pory w lodzie zamykają się powoli, tworząc bąbelki głęboko w firnie ) oraz okres reprezentowany w każdej analizowanej próbce lodu, liczby te przedstawiają raczej średnie stężenia w atmosferze z kilku stuleci niż poziomy roczne lub dziesięcioletnie.

Zmiany od rewolucji przemysłowej

Główne trendy gazów cieplarnianych.

Od początku rewolucji przemysłowej stężenie wielu gazów cieplarnianych wzrosło. Na przykład ułamek molowy dwutlenku węgla wzrósł z 280 ppm do 421 ppm, czyli 140 ppm w stosunku do współczesnych poziomów przedindustrialnych. Pierwszy wzrost o 30 ppm miał miejsce w ciągu około 200 lat, od początku rewolucji przemysłowej do 1958 roku; jednak kolejny wzrost o 90 ppm miał miejsce w ciągu 56 lat, od 1958 do 2014 roku.

Ostatnie dane pokazują również, że stężenie rośnie w szybszym tempie. W latach 60. średni roczny wzrost wynosił zaledwie 37% tego, co było w latach 2000-2007.

Wiele obserwacji jest dostępnych online w różnych Obserwacyjnych Bazach Danych Chemii Atmosfery .

Źródła

Naturalne źródła

Większość gazów cieplarnianych ma źródła zarówno naturalne, jak i spowodowane działalnością człowieka. Wyjątkiem są syntetyczne halowęglowodory wytwarzane wyłącznie przez człowieka, które nie mają naturalnych źródeł. holocenie przedindustrialnym stężenia istniejących gazów były mniej więcej stałe, ponieważ duże naturalne źródła i pochłaniacze były mniej więcej zrównoważone. W epoce przemysłowej działalność człowieka spowodowała dodanie gazów cieplarnianych do atmosfery, głównie poprzez spalanie paliw kopalnych i wycinanie lasów.

Emisje gazów cieplarnianych spowodowane działalnością człowieka

Sektor rolnictwa, użytkowania gruntów i innego użytkowania gruntów odpowiadał średnio za 13–21% całkowitej globalnej antropogenicznej emisji gazów cieplarnianych (GHG) w latach 2010–2019.

Całkowite skumulowane emisje od 1870 do 2017 r. wyniosły 425 ± 20 GtC (1539 GtCO ₂ ) z paliw kopalnych i przemysłu oraz 180 ± 60 GtC (660 GtCO ₂ ) ze zmiany użytkowania gruntów . Zmiana użytkowania gruntów, taka jak wylesianie , spowodowała około 31% skumulowanych emisji w latach 1870–2017, węgiel 32%, ropa naftowa 25% i gaz 10%.

Dzisiaj, ^{[ kiedy? ]} zasoby węgla w atmosferze zwiększają się o ponad 3 miliony ton rocznie (0,04%) w porównaniu z istniejącymi zasobami. ^{[ potrzebne wyjaśnienie ]} Wzrost ten jest wynikiem działalności człowieka polegającej na spalaniu paliw kopalnych, wylesianiu i degradacji lasów w regionach tropikalnych i borealnych.

Inne gazy cieplarniane wytwarzane w wyniku działalności człowieka wykazują podobny wzrost zarówno ilości, jak i tempa wzrostu.

szóstym raporcie oceniającym IPCC z 2021 r. zauważono, że „z punktu widzenia nauk fizycznych ograniczenie globalnego ocieplenia spowodowanego działalnością człowieka do określonego poziomu wymaga ograniczenia skumulowanych emisji CO2, osiągnięcia co najmniej zerowej emisji CO2 netto, wraz ze znaczną redukcją innych emisji gazów cieplarnianych. Mocne , szybkie i trwałe redukcje emisji CH4 ograniczyłyby również efekt ocieplenia wynikający ze zmniejszającego się zanieczyszczenia aerozolami i poprawiłyby jakość powietrza”.

Stany Zjednoczone, Chiny i Rosja łącznie przyczyniły się do emisji największej ilości CO ₂ od 1850 r.

Od około 1750 roku działalność człowieka zwiększyła stężenie dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych. Od 2021 roku zmierzone stężenia dwutlenku węgla w atmosferze były prawie o 50% wyższe niż poziomy sprzed epoki przemysłowej. Naturalne źródła dwutlenku węgla są ponad 20 razy większe niż źródła wynikające z działalności człowieka, ale w okresach dłuższych niż kilka lat naturalne źródła są ściśle równoważone przez naturalne pochłaniacze, głównie fotosyntezę związków węgla przez rośliny i plankton morski . Absorpcja ziemskiego promieniowania podczerwonego przez gazy pochłaniające fale długofalowe sprawia, że Ziemia jest mniej wydajnym emiterem. Dlatego, aby Ziemia emitowała tyle energii, ile jest pochłaniana, globalne temperatury muszą rosnąć.

Szacuje się, że spalanie paliw kopalnych wyemitowało 62% ludzkich gazów cieplarnianych w 2015 r. Największym pojedynczym źródłem są elektrownie węglowe, z 20% emisji gazów cieplarnianych od 2021 r.

Usunięcie z atmosfery

Naturalne procesy

Gazy cieplarniane mogą być usuwane z atmosfery różnymi procesami w wyniku:

zmiana fizyczna (kondensacja i opady usuwają parę wodną z atmosfery).
reakcja chemiczna w atmosferze. Na przykład metan jest utleniany w reakcji z naturalnie występującym rodnikiem hydroksylowym OH · i rozkładany do CO ₂ i pary wodnej (CO ₂ z utleniania metanu nie jest wliczane do potencjału tworzenia efektu cieplarnianego metanu ). Inne reakcje chemiczne obejmują chemię roztworów i fazy stałej zachodzącą w aerozolach atmosferycznych.
fizyczna wymiana między atmosferą a innymi składnikami planety. Przykładem jest mieszanie gazów atmosferycznych z oceanami.
przemiana chemiczna na styku atmosfery i innych składników planety. Tak jest w przypadku CO ₂ , który jest redukowany w procesie fotosyntezy roślin i który po rozpuszczeniu w oceanach reaguje tworząc kwas węglowy oraz jony wodorowęglanowe i węglanowe (patrz zakwaszenie oceanów ).
przemiana fotochemiczna . Halowęglowodory ulegają dysocjacji pod wpływem światła UV , uwalniając Cl · i F · jako wolne rodniki w stratosferze , które mają szkodliwy wpływ na ozon (halowęglowodory są na ogół zbyt trwałe, aby mogły zniknąć w wyniku reakcji chemicznej w atmosferze).

Emisje ujemne

Szereg technologii usuwa emisje gazów cieplarnianych z atmosfery. Najszerzej analizowane są te, które usuwają dwutlenek węgla z atmosfery, albo do formacji geologicznych, takich jak bioenergia z wychwytywaniem i składowaniem dwutlenku węgla i wychwytywaniem dwutlenku węgla z powietrza , albo do gleby, jak w przypadku biowęgla . IPCC zwrócił uwagę, że wiele długoterminowych modeli scenariuszy klimatycznych wymaga negatywnych emisji spowodowanych przez człowieka na dużą skalę, aby uniknąć poważnych zmian klimatycznych.

Historia badań naukowych

Pod koniec XIX wieku naukowcy eksperymentalnie odkryli, że N
₂ i O
₂ nie pochłaniają promieniowania podczerwonego (nazywanego wówczas „ciemnym promieniowaniem”), podczas gdy woda (zarówno w postaci pary rzeczywistej, jak i skroplonej w postaci mikroskopijnych kropel zawieszonych w chmury) oraz CO ₂ i inne wieloatomowe molekuły gazowe pochłaniają promieniowanie podczerwone. Na początku XX wieku naukowcy zdali sobie sprawę, że gazy cieplarniane w atmosferze powodują, że ogólna temperatura na Ziemi jest wyższa niż byłaby bez nich. Pod koniec XX wieku naukowy konsensus ewoluowało, że rosnące stężenie gazów cieplarnianych w atmosferze powoduje znaczny wzrost globalnych temperatur i zmiany w innych częściach systemu klimatycznego, co ma konsekwencje dla środowiska i zdrowia ludzi .