Główne gazy cieplarniane i ich źródła

Para wodna i to, co eksperci uważają za cztery inne „najważniejsze” gazy cieplarniane składają się na prawdziwą „paradę przebojów” gazów cieplarnianych, które zatrzymują ciepło w atmosferze Ziemi i przyczyniają się do ogólnego ocieplenia na całym świecie.

Jest cała rodzina gazów cieplarnianych (GHG). Ale ważną rzeczą do zapamiętania jest to, że nie wszystkie są „stworzone jednakowo”.”

Szczególnie ważnym rozróżnieniem między nimi jest ich różny potencjał tworzenia efektu cieplarnianego (GWP). Niektóre z nich są znacznie bardziej „wydajne” – a to zdecydowanie nie jest komplement w tym kontekście – w zatrzymywaniu energii cieplnej w atmosferze, nie pozwalając jej uciec. Niektóre z nich są krótkotrwałe, podczas gdy inne mogą z łatwością utrzymywać się w atmosferze przez dziesięciolecia lub dłużej. Niektóre gazy cieplarniane są emitowane w ogromnych ilościach, ale na szczęście nie są tak żarłoczne i „wydajne” jak te emitowane w znacznie mniejszych ilościach; inne mają dokładnie odwrotne cechy – emitowane są w ilościach śladowych, ale są niezwykle wydajne w pokrywaniu atmosfery planety i powstrzymywaniu ciepła przed ucieczką poza nią.

Aby nadać rodzinie gazów cieplarnianych jakiś zrozumiały sens, naukowcy mówią w kategoriach ekwiwalentu dwutlenku węgla – CO2e. Takie podejście w efekcie czyni dwutlenek węgla, CO2, dominującą „walutą” gazów cieplarnianych i globalnego ocieplenia.

Rozważmy główne GHG po kolei, zaczynając od pary wodnej, najbardziej obfitego gazu cieplarnianego w atmosferze według Narodowego Centrum Danych Klimatycznych NOAA (NCDC).

• Para wodna
• Dwutlenek węgla (CO2)
• Metan (CH4)
• Podtlenek azotu (N2O)
• Gazy fluorowane (HFCs, PFCs, SF6)
• Referencje i zasoby

Para wodna

NCDC wyjaśnia, że zmiany w koncentracji pary wodnej wynikają z sprzężeń zwrotnych klimatu związanych z ociepleniem atmosfery, a nie z działań związanych z uprzemysłowieniem. Pętla sprzężenia zwrotnego, w którą zaangażowana jest woda, jest krytycznie ważna dla przewidywania przyszłych zmian klimatycznych, kontynuuje NCDC, „ale jak dotąd jest jeszcze dość słabo mierzona i rozumiana.” Agencja kontynuuje:

Jak temperatura atmosfery wzrasta, więcej wody jest wyparowywane z magazynów gruntowych (rzeki, oceany, zbiorniki, gleba). Ponieważ powietrze jest cieplejsze, wilgotność bezwzględna może być wyższa (w istocie, powietrze jest w stanie „utrzymać” więcej wody, gdy jest cieplejsze), co prowadzi do większej ilości pary wodnej w atmosferze. Jako gaz cieplarniany, wyższe stężenie pary wodnej jest w stanie zaabsorbować więcej termicznej energii podczerwonej wypromieniowanej z Ziemi, co powoduje dalsze ocieplenie atmosfery. Cieplejsza atmosfera może następnie zatrzymać więcej pary wodnej i tak dalej, i tak dalej. Określa się to mianem „pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego”. Jednakże istnieje ogromna niepewność naukowa co do określenia zakresu i znaczenia tej pętli sprzężenia zwrotnego. Wraz ze wzrostem ilości pary wodnej w atmosferze, jej większa ilość w końcu skondensuje się w chmury, które są w stanie lepiej odbijać docierające promieniowanie słoneczne (dzięki czemu mniej energii dociera do powierzchni Ziemi i ją ogrzewa). Przyszłe monitorowanie procesów atmosferycznych z udziałem pary wodnej będzie miało kluczowe znaczenie dla pełnego zrozumienia sprzężeń zwrotnych w systemie klimatycznym, prowadzących do globalnych zmian klimatu. Jak dotąd, choć podstawy cyklu hydrologicznego są dość dobrze rozumiane, mamy bardzo niewielkie pojęcie o złożoności pętli sprzężeń zwrotnych. Ponadto, podczas gdy mamy dobre pomiary atmosferyczne innych kluczowych gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla i metan, mamy słabe pomiary globalnej pary wodnej, więc nie jest pewne, o ile stężenie atmosferyczne wzrosło w ostatnich dekadach lub stuleciach, chociaż pomiary satelitarne, w połączeniu z danymi z balonów i niektórymi pomiarami naziemnymi in-situ, wskazują na ogólnie pozytywne trendy w globalnej parze wodnej.

Dwutlenek węgla (CO2)

Zastanówmy się teraz nad tym, co agencje federalne i naukowcy akademiccy uważają za „najważniejsze gazy cieplarniane.”

Dwutlenek węgla (nie mylić z tlenkiem węgla, CO, związanym z emisją z rur wydechowych pojazdów lub z domowymi alarmami CO) występuje zarówno naturalnie, jak i w wyniku działalności człowieka. Jest on nieuniknionym produktem ubocznym spalania paliw kopalnych, takich jak węgiel, benzyna i gaz ziemny. W 2013 roku CO2 stanowił około 82 procent wszystkich amerykańskich emisji gazów cieplarnianych pochodzących z działalności człowieka. Badań Naukowych (National Research Council) z 2011 r. Advancing the Science of Climate Change, strona internetowa Agencji Ochrony Środowiska USA (EPA) informuje, że „działalność człowieka zmienia cykl węglowy – zarówno poprzez dodawanie większej ilości CO2 do atmosfery, jak i poprzez wpływ na zdolność naturalnych pochłaniaczy, takich jak lasy, do usuwania CO2 z atmosfery. Podczas gdy emisje CO2 pochodzą z różnych źródeł naturalnych, emisje związane z działalnością człowieka są odpowiedzialne za wzrost, który nastąpił w atmosferze od czasów rewolucji przemysłowej.” Stężenie CO2 w atmosferze wzrosło o ponad jedną trzecią od początku epoki przemysłowej. Prognozy na najbliższe lata przewidują kontynuację tego trendu.

Długo stabilne w zakresie około 280 części na milion (PPM) w atmosferze, stężenia CO2 obecnie są bardziej w zakresie 400 PPM. Utrzymująca się trajektoria wzrostowa stężenia CO2 w ramach tego, co nazywa się scenariuszem „business as usual”, jest jedną z kwestii szczególnie niepokojących naukowców zajmujących się klimatem.

Nie tyle GWP dwutlenku węgla jest niepokojące, ale raczej obecny i przewidywany stały wzrost emisji i stężenia atmosferycznego, a także fakt, że CO2 jest bardzo długo żywy – ponad sto lat – w atmosferze. To, co emitujemy dzisiaj, pozostanie w atmosferze przez bardzo, bardzo długi czas.

Dwutlenek węgla jest oczywiście krytyczny dla wzrostu roślin i produkcji żywności, i jest emitowany za każdym razem, gdy ludzie wydychają powietrze. W atmosferze jest to jednak przypadek zbyt dużej ilości tego, co dobre: społeczność naukowa wie od czasu odkryć szwedzkiego naukowca i laureata Nagrody Nobla Svante Arrheniusa ponad sto lat temu, że spalanie paliw kopalnych przez ludzi prowadzi do efektu cieplarnianego spowodowanego uwalnianiem CO2. Dla społeczności naukowej jest to „stary kapelusz” i powszechnie akceptowany.

Po więcej informacji zobacz Understanding the Emphasis on CO2 as a Greenhouse Gas.

Metan (CH4)

Metan, gaz węglowodorowy powstający zarówno z przyczyn naturalnych, jak i w wyniku działalności człowieka, takiej jak rolnictwo i hodowla, jest szczególnie silnym (czytaj „wydajnym”, ale nie jako komplement) gazem cieplarnianym i absorberem promieniowania. Metan jest znacznie mniej obfity niż CO2 w atmosferze i ma znacznie krótszy czas życia, wynoszący 12 lat. Badań Naukowych (National Research Council) twierdzi, że stężenie metanu w atmosferze, choć gwałtownie wzrosło w latach 80-tych, od tego czasu nieco się wyrównało i obecnie wynosi około dwuipółkrotność poziomu sprzed epoki przemysłowej.

Ceniony do produkcji energii, metan, podobnie jak CO2, jest bezwonny i bezbarwny – i ma zarówno korzystne, jak i szkodliwe właściwości.

DaneEPA wskazują, że działalność człowieka odpowiada za ponad 60% całkowitej emisji metanu, głównie z przemysłu, rolnictwa i gospodarki odpadami. Ten wykres pokazuje udział metanu z różnych źródeł:

Według strony internetowej EPA, tereny podmokłe są największym naturalnym źródłem metanu, emitując go z bakterii rozkładających materiały organiczne przy braku tlenu. Mniejsze źródła obejmują termity, oceany, osady, wulkany i pożary.

EPA informuje, że emisja metanu w Stanach Zjednoczonych spadła o prawie 11 procent w latach 1990-2012, w tym czasie emisja „wzrosła ze źródeł związanych z działalnością rolniczą, podczas gdy emisja spadła ze źródeł związanych z poszukiwaniem i produkcją gazu ziemnego i produktów naftowych.”

W ostatnich latach, niektóre doniesienia medialne skupiły zwiększoną uwagę na możliwości nagłego i masowego uwolnienia długo przechowywanego metanu i hydratów metanu, obecnie sekwestrowanych przez zamarzniętą tundrę. Istnieje obawa, że topnienie arktycznej tundry może doprowadzić do potencjalnie katastrofalnych i gwałtownych uwolnień metanu. Doskonałym źródłem do dalszego zrozumienia tej głośnej kwestii jest artykuł w powszechnie szanowanym czasopiśmie Nature autorstwa Carolyn Ruppel, naukowca z U.S. Geological Survey w Woods Hole. Cytując ją z tego raportu:

… niektórzy naukowcy podnieśli alarm, że duże ilości metanu (CH4) mogą zostać uwolnione w wyniku powszechnej destabilizacji wrażliwych na klimat złóż hydratów gazowych uwięzionych w osadach morskich i związanych z wieczną zmarzliną (Bohannon 2008, Krey et al. 2009, Mascarelli 2009). Nawet jeśli tylko ułamek uwolnionego CH4 miałby dotrzeć do atmosfery, siła CH4 jako gazu cieplarnianego (GHG) i utrzymywanie się jego produktu utleniania (CO2) zwiększyły obawy, że dysocjacja hydratów gazowych może stanowić powolny punkt krytyczny (Archer et al. 2009) dla współczesnego okresu zmian klimatycznych na Ziemi.

Zauważając, że metan jest około 20% silniejszym gazem cieplarnianym niż CO2, ale utlenia się do CO2 po około dekadzie w atmosferze, Ruppel pisze, że „Podatność hydratów gazowych na ocieplenie klimatu zależy od czasu trwania ocieplenia, ich głębokości pod dnem morskim lub powierzchnią tundry oraz ilości ocieplenia wymaganego do ogrzania osadów do punktu dysocjacji hydratów gazowych.”

Dla tych, którzy chcą lepiej zrozumieć znaczenie metanu w całej dyskusji na temat globalnego ocieplenia/zmiany klimatu, artykuł w Nature autorstwa Ruppela, szefa Projektu Hydratów Gazowych USGS, dostarcza użytecznych i praktycznych informacji.

Podtlenek azotu (N2O)

Podtlenek azotu występuje naturalnie w atmosferze ziemskiej jako część cyklu azotowego. Chociaż jest on produktem wielu różnych źródeł naturalnych, działalność człowieka – rolnictwo, spalanie paliw kopalnych, gospodarka ściekowa i procesy przemysłowe – zwiększa jego stężenie w atmosferze, jak twierdzi EPA. Ponadto, cząsteczki podtlenku azotu w atmosferze mają długi czas życia – około 120 lat, zanim zostaną usunięte w „pochłaniaczu” lub zniszczone w wyniku reakcji chemicznych. Funt gazu N2O ma równoważny efekt ocieplenia 300 razy większy niż jeden funt dwutlenku węgla.

W oparciu o dane z 2012 r., podtlenek azotu stanowi około 6 procent wszystkich emisji w USA wynikających z działalności człowieka. W skali globalnej, około dwie piąte, 40 procent, emisji podtlenku azotu można przypisać działalności człowieka.

Rolnictwo, transport i działalność przemysłowa są głównymi źródłami emisji podtlenku azotu, jak wskazano na tym wykresie:

Gazy fluorowane (HFCs, PFCs, SF6)

Gazy fluorowane są emitowane w mniejszych ilościach niż inne gazy cieplarniane, ale to, czego im brakuje pod względem objętości, nadrabiają siłą działania i długim czasem życia w atmosferze, wynoszącym od 1-270 lat dla HFC do 800-50 000 lat dla PFC i około 3200 lat dla SF6. Po wyemitowaniu do atmosfery, rozpraszają się one szeroko po całym świecie; usuwane są z atmosfery jedynie przez światło słoneczne w najwyższych warstwach atmosfery. Będąc najsilniejszymi spośród gazów cieplarnianych i mając najdłuższe okresy życia, gazy te są często określane jako „gazy o wysokim potencjale globalnego ocieplenia (GWP).”

Procesy produkcji aluminium i półprzewodników są jednymi z głównych emiterów gazów fluorowanych, co ilustruje poniższy wykres:

References and Resources

• The Discovery of Global Warming, Spencer R. Weart, 2008, Harvard University Press.
• The Rough Guide to Climate Change: The Symptoms, The Science, The Solutions, 2011, Robert Henson, Roughguides.com.
• The Thinking Person’s Guide to Climate Change, 2014, Robert Henson, AMS Books.
• Climate Change 2007: The Physical Science Basis: Summary for Policymakers, Working Group I Contribution to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, 2007, World Meteorological Organization and United Nations Environment Programme.
• Climate Change 2013: The Physical Science Basis: Summary for Policymakers, Working Group I Contribution to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, 2013, World Meteorological Organization and United Nations Environment Programme.
• Earth: The Operators' Manual, Richard B. Alley, 2011, W.W. Norton and Company.
• Understanding and Responding to Climate Change: Highlights of National Academies Reports, 2008, The National Academies.
• Climate Change 101: Understanding and Responding to Global Climate Change, Pew Center on Global Climate Change, undated, Pew Center on Global Climate Change.
• Climate Stabilization Targets: Emissions, Concentrations, and Impacts over Decades to Millennia: Report in Brief, 2010, National Academy of Sciences.
• Skeptical Science.com

O autorze

Morris A. (Bud) Ward, redaktor Yale Climate Connections, jest sprawdzonym i szeroko doświadczonym komunikatorem i edukatorem w zakresie ochrony środowiska, energii i zmian klimatu. Ma bogatą historię publikacyjną, obejmującą setki artykułów informacyjnych i analitycznych oraz autorstwo lub współautorstwo pięciu profesjonalnych książek. Prowadził liczne warsztaty z pierwszej ręki dla reporterów, redaktorów i decydentów na tematy związane z dziennikarstwem/komunikacją, zmianami klimatycznymi i ryzykiem środowiskowym. Regularnie pisze, przemawia i naucza na tematy związane ze zmianami klimatycznymi oraz zmieniającym się charakterem dziennikarstwa i komunikacji masowej we współczesnym społeczeństwie.