Αέρια του θερμοκηπίου

Τα αέρια του θερμοκηπίου είναι τα αέρια που απορροφούν και εκπέμπουν ενέργεια ακτινοβολίας μέσα στο εύρος της υπέρυθρης ακτινοβολίας, προκαλώντας το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Τα κύρια αέρια θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα της γης είναι ο υδρατμός (H2O), το διοξείδιο του άνθρακα (CO2), το μεθάνιο (CH4), το οξείδιο του αζώτου (N2O), και το όζον (O3). Χωρίς τα αέρια του θερμοκηπίου, η μέση θερμοκρασία της επιφάνειας της Γης θα ήταν περίπου -18 Κελσίου, αντί του σημερινού μέσου όρου που είναι οι 15 βαθμοί Κελσίου. Οι ατμόσφαιρες της Αφροδίτη, του Άρη και του Τιτάνα περιέχουν επίσης αέρια θερμοκηπίου. Οι ανθρώπινες δραστηριότητες από την αρχή της Βιομηχανικής Επανάστασης (γύρω στο 1750) έχουν παραγάγει μια αύξηση 45% στην Ατμοσφαιρική συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα, από 280 μέρη ανά εκατομμύριο το 1750 στα 415 μέρη ανά εκατομμύριο το 2019. Αυτή είναι η υψηλότερη συγκέντρωση αερίου του άνθρακα εδώ και πάνω από 3 εκατομμύρια χρόνια. Η αύξηση αυτή σημειώθηκε παρά την πρόσληψη περισσότερων από τις μισές εκπομπές από διάφορες φυσικές "δεξαμενές" που εμπλέκονται στο κύκλο του άνθρακα.Με βάση τους τρέχοντες ρυθμούς εκπομπών αερίου του θερμοκηπίου, οι θερμοκρασίες μπορεί να αυξηθούν κατά 2 βαθμούς Κελσίου από τα προβιομηχανικά επίπεδα το 2036, που είναι το όριο που έχει θέσει η Διακυβερνητική Επιτροπή για την αλλαγή του κλίματος ως το ανώτατο όριο για την αποφυγή "επικίνδυνων" επιπέδων, μέχρι το 2036. Η συντριπτική πλειοψηφία των ανθρωπογενών εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα προέρχονται από καύση ορυκτών καυσίμων, κυρίως άνθρακα, πετρελαίου και φυσικού αερίου, με πρόσθετες συνεισφορές που προέρχονται από την αποψίλωση των δασών και άλλες αλλαγές στη χρήση της γης.

 Τα κύρια αέρια συστατικά της ατμόσφαιρας της Γης, είναι το άζωτο (N2)(78,09%), το οξυγόνο (O2) (20,95%), και το αργό (Ar) (0,93%), δεν είναι αέρια θερμοκηπίου επειδή τα μόρια τους είναι διατομικά όπως τα N2 και O2 δεν έχουν καθαρή αλλαγή στο κατανομή των ηλεκτρικών τους φορτίων όταν δονούνται, ενώ τα μονοατομικά αέρια όπως το αργό δεν έχουν δονητικές λειτουργίες. Ως εκ τούτου είναι σχεδόν εντελώς ανεπηρέαστα από την υπέρυθρη ακτινοβολία. Μερικά μόρια περιέχουν μόνο δύο άτομα διαφορετικών στοιχείων, όπως το μονοξείδιο (CO) και το υδροχλώριο (HCl), απορροφούν την υπέρυθρη ακτινοβολία, αλλά αυτά τα μόρια έχουν βραχύβια διάρκεια ζωής στην ατμόσφαιρα επειδή παρουσιάζουν υψηλά επίπεδα δραστικότητας ή διαλυτότητας. Ως εκ τούτου, δεν συμβάλλουν σημαντικά στο φαινόμενο του θερμοκηπίου και συχνά παραλείπονται όταν συζητούνται τα αέρια θερμοκηπίου. Τα αέρια θερμοκηπίου είναι αυτά που απορροφούν και εκπέμπουν υπέρυθρη ακτινοβολία στην περιοχή μήκους κύματος που εκπέμπεται από τη γη. Το διοξείδιο του άνθρακα (0.04%), το υποξείδιο του αζώτου, το μεθάνιο και το όζον είναι ιχνοστοιχεία που αντιπροσωπεύουν σχεδόν το 0,1% της ατμόσφαιρας της γης και παρουσιάζουν ένα αξιοσημείωτο φαινόμενο θερμοκηπίου. Τα αέρια θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα της Γης με την μεγαλύτερη παρουσία σε αυτή είναι τα εξής: Υδρατμοί (H2O) Διοξείδιο του άνθρακα (CO2) Μεθάνιο (CH4) Υποξείδιο του αζώτου (N2O) Όζον (O3) Χλωροφθοράνθρακες (CFC) Υδροφθοράνθρακες (περιλαμβάνει HCFC και HFCs)Οι ατμοσφαιρικές συγκεντρώσεις καθορίζονται από την ισορροπία μεταξύ των πηγών (εκπομπές αερίου από ανθρώπινες δραστηριότητες και φυσικά συστήματα) και των δεξαμενών (η απομάκρυνση του αερίου από την ατμόσφαιρα λόγω μετατροπής σε διαφορετική χημική ένωση ή λόγω της απορρόφησης της από υδατικά συστήματα). Η αναλογία μιας εκπομπής που παραμένει στην ατμόσφαιρα μετά από ένα καθορισμένο χρονικό διάστημα είναι το "κλάσμα της αερομεταφοράς". Το ετήσιο κλάσμα της αερομεταφοράς είναι ο λόγος της ατμοσφαιρικής αύξησης σε ένα δεδομένο έτος ως προς τις εκπομπές αερίων εκείνο το έτος. Από το 2006 το ετήσιο κλάσμα της αερομεταφοράς για το CO2 ήταν περίπου 0,45. Το ετήσιο αερομεταφερόμενο κλάσμα αυξήθηκε με ρυθμό 0,25 ± 0,21% ετησίως κατά την περίοδο 1959-2006. Η οξείδωση του μονοξειδίου σε διοξείδιο του άνθρακα παράγει άμεσα μια σαφή αύξηση στον παράγοντα πίεσης (radiative forcing) αν και ο λόγος είναι λεπτός. Η κορυφή της θερμικής εκπομπής από την επιφάνεια της Γης είναι πολύ κοντά σε μια ισχυρή δονητική ζώνη απορρόφησης του διοξειδίου του άνθρακα. Από την άλλη πλευρά, η ενιαία δονητική ζώνη του μονοξειδίου απορροφά μόνο την έμμεση ακτινοβολία σε πολύ μικρότερα μήκη κύματος (4, 7 μάικρον ή 2145 εκατοστά−1), όπου η εκπομπή της ενέργειας ακτινοβολίας από την επιφάνεια της Γης είναι τουλάχιστον δέκα φορές χαμηλότερη. Η οξείδωση του μεθανίου σε διοξείδιο του άνθρακα, η οποία απαιτεί αντιδράσεις με τη ρίζα του υδροξειδίου, παράγει μια στιγμιαία μείωση της ακτινοβολίας απορρόφησης και εκπομπής καθώς το διοξείδιο του άνθρακα είναι ένα ασθενέστερο αέριο θερμοκηπίου από το μεθάνιο. Ωστόσο, οι οξειδώσεις του μονοξειδίου του άνθρακα και του μεθανίου είναι συνυφασμένες αφού και οι δύο καταναλώνουν ρίζες υδροξυλίου. Σε κάθε περίπτωση, ο υπολογισμός του συνολικού ακτινοβολικού αποτελέσματος περιλαμβάνει τόσο τον άμεσο όσο και τον έμμεσο εξαναγκασμό. Ένας δεύτερος τύπος έμμεσης επίδρασης συμβαίνει όταν οι χημικές αντιδράσεις στην ατμόσφαιρα που περιλαμβάνουν αυτά τα αέρια αλλάζουν τις συγκεντρώσεις αερίων θερμοκηπίου. Για παράδειγμα, η καταστροφή των πτητικών οργανικών ενώσεων πλην μεθανίου στην ατμόσφαιρα μπορεί να παράγει όζον. Το μέγεθος της έμμεσης επίδρασης μπορεί να εξαρτάται έντονα από το πού και πότε εκπέμπεται το αέριο.Το μεθάνιο έχει έμμεσες επιδράσεις εκτός από το σχηματισμό του διοξειδίου του άνθρακα. Η κύρια χημική ουσία που αντιδρά με το μεθάνιο στην ατμόσφαιρα είναι η ρίζα υδροξυλίου (ΟΗ), έτσι με περισσότερη συγκέντρωση μεθάνιου βλέπουμε μείωση της συγκέντρωσης υδροξυλίου. Αποτελεσματικά, το μεθάνιο αυξάνει τη δική του ατμοσφαιρική διάρκεια ζωής και επομένως τη συνολική ακτινοβολία του. Η οξείδωση του μεθανίου μπορεί να παράγει όζον και το νερό. Είναι μια σημαντική πηγή υδρατμών στην συνήθως ξηρή στρατόσφαιρα. Το μονοξείδιο μαζί με πτητικές οργανικές ενώσεις πλην μεθανίου παράγουν διοξείδιο του άνθρακα όταν οξειδώνονται. Αφαιρούν το υδροξύλιο από την ατμόσφαιρα και αυτό οδηγεί σε υψηλότερες συγκεντρώσεις μεθανίου. Το εκπληκτικό αποτέλεσμα αυτού είναι ότι το δυναμικό υπερθέρμανσης του πλανήτη από το μονοξείδιο του άνθρακα είναι τριπλάσιο από αυτό του διοξειδίου. Η ίδια διαδικασία που μετατρέπει τις πτητικές οργανικές ενώσεις πλην μεθανίου σε διοξείδιο του άνθρακα μπορεί επίσης να οδηγήσει στον σχηματισμό τροποσφαιρικού όζοντος. Οι αλογονάνθρακες έχουν έμμεση επίδραση επειδή καταστρέφουν το στρατοσφαιρικό όζον. Τέλος, το υδρογόνο μπορέστε να οδηγήσει στην παραγωγή όζοντος και μεθανίου να αυξηθεί, ενώ μπορεί να παράξει και στρατοσφαιρικούς υδρατμούς. Ο σημαντικότερος συνεισφέρων που δεν ανήκει στα αέρια, αλλά συνεισφέρει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου της Γης, είναι τα σύννεφα, επίσης απορροφούν και εκπέμπουν την υπέρυθρη ακτινοβολία και έτσι έχουν επίδραση στις ιδιότητες ακτινοβολίας αερίων θερμοκηπίου. Τα σύννεφα είναι σταγονίδια νερού ή κρύσταλλοι πάγου που βρίσκονται στην ατμόσφαιρα. Ο υδρατμός αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο ποσοστό του φαινομένου του θερμοκηπίου, φτάνοντας σε ποσοστό συνεισφοράς 36% με 66% σε συνθήκες καθαρού ουρανού και μεταξύ 66% και 85% όταν συμπεριλαμβάνονται τα σύννεφα. Οι συγκεντρώσεις υδρατμών κυμαίνονται σε τοπικό επίπεδο, αλλά η ανθρώπινη δραστηριότητα δεν επηρεάζει άμεσα τις συγκεντρώσεις υδρατμών εκτός από τις τοπικές κλίμακες, όπως κοντά σε αρδευόμενα πεδία. Έμμεσα, η ανθρώπινη δραστηριότητα που αυξάνει τις παγκόσμιες θερμοκρασίες θα αυξήσει τις συγκεντρώσεις υδρατμών, μια διαδικασία γνωστή ως ανατροφοδότηση υδρατμών. Η ατμοσφαιρική συγκέντρωση του ατμού είναι ιδιαίτερα μεταβλητή και εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία. Η συγκέντρωση φτάνει από ποσοστό που δεν ξεπερνά το 0.01% στις εξαιρετικά κρύες περιοχές και φτάνει μέχρι και το 3% κατά μάζα στον κορεσμένο αέρα σε περίπου 32 °C. (Δείτε Σχετική υγρασία # άλλα σημαντικά γεγονότα.) Ο μέσος χρόνος παραμονής ενός μορίου νερού στην ατμόσφαιρα είναι μόνο περίπου εννέα ημέρες, σε σύγκριση με χρόνια ή αιώνες για άλλα αέρια θερμοκηπίου όπως το μεθάνιο και το διοξείδιο του άνθρακα. Ο υδρατμός ανταποκρίνεται και ενισχύει τις επιπτώσεις των άλλων αερίων του θερμοκηπίου. Η σχέση Κλάουσιους-Κλαπερόν διαπιστώνει ότι θα υπάρχουν περισσότεροι υδρατμοί ανά μονάδα όγκου σε αυξημένες θερμοκρασίες. Αυτή και άλλες βασικές αρχές δείχνουν ότι η θέρμανση που σχετίζεται με αυξημένες συγκεντρώσεις άλλων αερίων θερμοκηπίου θα αυξήσει επίσης τη συγκέντρωση υδρατμών (υποθέτοντας ότι η σχετική υγρασία παραμένει περίπου σταθερή. Οι μελέτες μοντελοποίησης και παρατήρησης διαπιστώνουν ότι αυτό συμβαίνει πράγματι). Επειδή ο υδρατμός είναι ένα αέριο θερμοκηπίου, αυτό έχει ως αποτέλεσμα την περαιτέρω θέρμανση και λειτουργεί ως "θετική ανατροφοδότηση" η οποία ενισχύει την αρχική θέρμανση. Τελικά άλλες διαδικασίες γης αντισταθμίζουν αυτές τις θετικές ανατροφοδοτήσεις, σταθεροποιώντας την παγκόσμια θερμοκρασία σε μια νέα ισορροπία και αποτρέποντας την απώλεια νερού της Γης ένα φαινόμενο του θερμοκηπίου κατά τον τρόπο που συμβαίνει στην Αφροδίτη. Η συμβολή κάθε αερίου στο φαινόμενο του θερμοκηπίου καθορίζεται από τα χαρακτηριστικά αυτού του αερίου, την αφθονία του και τυχόν έμμεσες επιπτώσεις που μπορεί να προκαλέσει. Για παράδειγμα, η άμεση ακτινοβολία μιας μάζας μεθανίου είναι περίπου 84 φορές ισχυρότερη από την ίδια μάζα διοξειδίου του άνθρακα σε χρονικό διάστημα 20 ετών, αλλά υπάρχει σε πολύ μικρότερες συγκεντρώσεις, έτσι ώστε η συνολική άμεση ακτινοβολία της να είναι μέχρι στιγμής μικρότερη, εν μέρει λόγω της μικρότερης ατμοσφαιρικής ζωής του, απουσία πρόσθετης δέσμευσης άνθρακα. Από την άλλη πλευρά, εκτός από την άμεση ακτινοβολία του, το μεθάνιο έχει μεγάλη, έμμεση ακτινοβολία επειδή συμβάλλει στο σχηματισμό όζοντος. Έρευνα του 2005 υποστηρίζει ότι η συμβολή στην κλιματική αλλαγή από το μεθάνιο είναι τουλάχιστον διπλάσια από προηγούμενες εκτιμήσεις ως αποτέλεσμα αυτής της επίδρασης.