Sera gazları

Sera gazları, Dünya'nın yüzeyi, atmosferi ve bulutları tarafından yayılan kızılötesi radyasyon spektrumu dahilinde belirli dalga boylarındaki radyasyonu emen ve yayan, atmosferin hem doğal hem de antropojenik gaz halindeki bileşenleridir. Bu özellikleri nedeniyle, sera etkisine neden olurlar. Su buharı (H2O), karbondioksit (CO2), nitröz oksit (N2O), metan (CH4) ve ozon (O3) başlıca sera gazlarıdır. Sera gazları olmadan, Dünya yüzeyinin ortalama sıcaklığı mevcut ortalama olan 15 °C yerine yaklaşık -18 °C olurdu.

Sanayi Devrimi'nin başlangıcından bu yana (yaklaşık 1750) insan faaliyetleri sebebiyle, atmosferik karbondioksit konsantrasyonunda 1750'de 280 ppm'den,  ppm'ye %47'lik bir artış görülmüştür. Atmosferik karbondioksit konsantrasyonunun bu kadar yüksek olduğu en yakın zamanın 3 milyon yıldan fazla bir zaman öncesi olduğu gözlemlenmiştir. Bu artış, doğal karbon döngüsünde yer alan çeşitli "karbon yutakları" tarafından emisyonların yarısından fazlasının emilmesine rağmen meydana gelmiştir.

Mevcut sera gazı emisyon oranları devam ederse, Dünya yüzeyinin ortalama sıcaklığı 2036 yılına kadar 2 °C (3,6 °F) kadar artabilir. Bu artış miktarı Birleşmiş Milletler Hükümetlerarası İklim Değişikliği Paneli (IPCC) tarafından "tehlikeli" seviyelerden kaçınabilmek için üst sınır olarak belirlendi. Antropojenik karbondioksit emisyonlarının büyük çoğunluğu fosil yakıtların, özellikle kömür, petrol ve doğal gazın yakılmasından kaynaklanır ve ormansızlaşma ve arazi kullanımındaki diğer değişiklikler de buna katkıda bulunur.

Dünya atmosferinin ana bileşenleri olan nitrojen (N2) (%78), oksijen (O2) (%21) ve argon (Ar) (%0,9), sera gazı değildir çünkü aynı elementten iki atom içeren moleküller N2 ve O2, titreştiklerinde elektrik yüklerinin dağılımında net bir değişime sahip değildir ve Ar gibi tek atomlu gazların titreşim modları yoktur. Dolayısıyla kızılötesi radyasyondan neredeyse hiç etkilenmezler. Karbon monoksit (CO) ve hidrojen klorür (HCl) gibi farklı elementlerden sadece iki atom içeren bazı moleküller, kızılötesi radyasyonu emer, ancak bu moleküller, reaktiviteleri veya çözünürlükleri nedeniyle atmosferde kısa ömürlüdür. Bu nedenle, sera gazı etkisine önemli ölçüde bir katkıda bulunmazlar ve sera gazları tartışılırken çoğu zaman ihmal edilirler.

Sera gazları, Dünya tarafından yayılan dalga boyu aralığında kızılötesi radyasyonu emen ve yayan gazlardır. Karbondioksit (%0,04), azot oksit, metan ve ozon Dünya atmosferinin neredeyse %0,1'ini oluşturan ve kayda değer bir sera etkisine sahip olan eser gazlardır.

Atmosferik konsantrasyonlar, kaynaklar (insan faaliyetlerinden ve doğal sistemlerden kaynaklanan gaz emisyonları) ve yutaklar (gazın atmosferden farklı bir kimyasal bileşiğe dönüştürülerek veya su kütleleri tarafından absorbe edilerek uzaklaştırılması) arasındaki denge ile belirlenir.

Belirli bir süre sonra atmosferde kalan emisyon oranı, "havadan taşınan kısımdır" (). Yıllık havada taşınan kısım, belirli bir yıldaki atmosferik artışın o yılki toplam emisyonlara oranıdır. 2006 yılı itibarıyla CO2'nin yıllık hava kaynaklı oranı yaklaşık 0,45 idi. Yıllık havada taşınan kısım 1959-2006 döneminde yılda %0.25 ± 0.21 oranında artmıştır.

Bazı gazların dolaylı ışınım etkileri vardır (sera gazları olsun ya da olmasın). Bu iki şekilde olur. Bir yolu, atmosferde parçalandıklarında başka bir sera gazı üretmeleridir. Örneğin, metan ve karbon monoksit (CO), karbon dioksit vermek için oksitlenir (ve metan oksidasyonu ayrıca su buharı üretir). CO'nun CO2'ye oksidasyonu, nedeni belirsiz olmasına rağmen, ışınım zorlamasında doğrudan net bir artışa neden olur.

Dünya yüzeyinden termal IR emisyonunun zirvesi, CO2'nin güçlü titreşim absorpsiyon bandına çok yakındır (dalga boyu 15 mikron veya dalga sayısı 667 cm − 1). Öte yandan, tek CO2 titreşim bandı IR'yi yalnızca çok daha kısa dalga boylarında (4,7 mikron veya 2145 cm-1) emer; burada, Dünya yüzeyinden yayılan enerji emisyonu en az on kat daha düşüktür.

Metanın CO2'ye oksidasyonu, OH radikaliyle reaksiyona girmeyi gerektirir, CO2 metandan daha zayıf bir sera gazı olduğundan, radyatif emilim ve emisyonda anlık bir azalma sağlar. Bununla birlikte, her ikisi de OH radikallerini tükettiği için CO ve CH4 oksidasyonları birbirine bağlıdır. Her durumda, toplam ışıma etkisinin hesaplanması hem doğrudan hem de dolaylı zorlamayı içerir.

İkinci bir tür dolaylı etki, atmosferdeki bu gazları içeren kimyasal reaksiyonlar sera gazlarının konsantrasyonlarını değiştirdiğinde meydana gelir. Örneğin, atmosferdeki metan olmayan uçucu organik bileşiklerin (NMVOC'ler) yok edilmesi ozon üretebilir. Dolaylı etkinin boyutu, büyük ölçüde gazın nereye ve ne zaman yayıldığına bağlı olabilir.

Metanın CO2 oluşturmanın yanı sıra dolaylı etkileri de vardır. Atmosferde metanla tepkimeye giren ana kimyasal hidroksil radikalidir (OH), bu nedenle daha fazla metan, OH konsantrasyonunun azalması anlamına gelir. Etkili bir şekilde, metan kendi atmosferik ömrünü ve dolayısıyla genel ışıma etkisini arttırır. Metanın oksidasyonu hem ozon hem de su üretebilir; ve normalde kuru stratosferde önemli bir su buharı kaynağıdır. CO ve NMVOC'ler okside olduklarında CO2 üretirler. OH'yi atmosferden uzaklaştırırlar ve bu da daha yüksek metan konsantrasyonlarına yol açar. Bunun şaşırtıcı etkisi, CO2'nin küresel ısınma potansiyelinin CO2'ninkinin üç katı olmasıdır. NMVOC'leri karbondioksite dönüştüren süreç aynı zamanda troposferik ozon oluşumuna da yol açabilir. Halokarbonlar, stratosferik ozonu tahrip ettikleri için dolaylı bir etkiye sahiptir. Son olarak, hidrojen stratosferik su buharı üretmesinin yanı sıra ozon üretimine ve CH4 artışına yol açabilir.

Dünyanın sera etkisine en büyük gaz olmayan katkı maddesi olan bulutlar da kızılötesi radyasyonu emer ve yayar ve dolayısıyla sera gazı ışınım özellikleri üzerinde bir etkiye sahiptir. Bulutlar, atmosferde asılı kalan su damlacıkları veya buz kristalleridir.

Her bir gazın sera etkisine katkısı, o gazın özelliklerine, bolluğuna ve neden olabileceği dolaylı etkilere göre belirlenir. Örneğin, bir metan kütlesinin doğrudan ışınım etkisi, 20 yıllık bir zaman çerçevesinde aynı karbondioksit kütlesinden yaklaşık 84 kat daha güçlüdür, ancak çok daha küçük konsantrasyonlarda mevcuttur, böylece toplam doğrudan ışıma etkisi şimdiye kadar daha küçük olmuştur. Bu durum kısmen de, ek karbon sekestrasyonunun yokluğunda daha kısa atmosferik ömrü olması nedeniyledir.

Öte yandan metan, doğrudan ışınım etkisine ek olarak, ozon oluşumuna katkıda bulunduğu için büyük, dolaylı bir ışıma etkisine sahiptir. Shindell vd. (2005), metanın iklim değişikliğine katkısının, bu etkinin bir sonucu olarak önceki tahminlerin en az iki katı olduğunu savunmaktadır.

Yukarıda listelenen ana sera gazlarına ek olarak, diğer sera gazları arasında sülfür hekzaflorür, hidroflorokarbonlar ve perflorokarbonlar bulunur (bkz. IPCC sera gazları listesi). Bazı sera gazları genellikle listelenmez. Örneğin, nitrojen triflorür yüksek bir küresel ısınma potansiyeline (GWP) sahiptir ancak yalnızca çok küçük miktarlarda mevcuttur.

Belirli bir gazın sera etkisinin belirli bir yüzdesine neden olduğunu söylemek mümkün değildir. Bunun nedeni, bazı gazların diğerleriyle aynı frekanslarda radyasyonu emmesi ve yaymasıdır, bu sebeple toplam sera etkisi basitçe her bir gazın etkisinin toplamına eşit değildir. Ek olarak, metan gibi bazı gazların, halen ölçülmeye çalışılan önemli dolaylı etkilerinin olduğu bilinmektedir.

Yaklaşık dokuz günlük bir atmosferde kalma süresine sahip olan su buharının yanı sıra, ana sera gazlarının atmosferi terk etmesi uzun yıllar alır. Sera gazlarının atmosferi terk etmesinin ne kadar sürdüğünü kesin olarak bilmek kolay olmasa da, başlıca sera gazları için tahminler vardır.

Bir türün atmosferik ömrü, atmosferdeki konsantrasyonundaki ani bir artış veya düşüşün ardından dengeyi yeniden sağlamak için gereken süreyi ölçer. Tek tek atomlar veya moleküller kaybolabilir veya toprak, okyanuslar ve diğer sular veya bitki örtüsü ve diğer biyolojik sistemler gibi bataklıklarda birikerek fazlalıkları arka plan konsantrasyonlarına indirgeyebilir. Bunu başarmak için geçen ortalama süre, ortalama yaşam süresidir.

Karbondioksitin değişken bir atmosferik ömrü vardır ve kesin olarak belirtilemez. Yayılan CO2'nin yarısından fazlası bir yüzyıl içinde atmosferden uzaklaştırılsa da, salınan CO2'nin bir kısmı (yaklaşık %20) binlerce yıl boyunca atmosferde kalır. Benzer sorunlar, çoğu CO2'den daha uzun ortalama ömre sahip diğer sera gazları için de geçerlidir, örn. N2O'nun ortalama atmosferik ömrü 121 yıldır.

Dünya, güneşten aldığı ışıyan enerjinin bir kısmını emer, bir kısmını ışık olarak yansıtır ve geri kalanını ısı olarak uzaya geri yansıtır veya yayar. Dünyanın yüzey sıcaklığı, gelen ve giden enerji arasındaki bu dengeye bağlıdır. Bu enerji dengesi değişirse, Dünya'nın yüzeyi ısınır veya soğur ve küresel iklimde çeşitli değişikliklere yol açar.

Bir dizi doğal ve insan yapımı mekanizma, küresel enerji dengesini etkileyebilir ve Dünya'nın iklimindeki değişiklikleri zorlayabilir. Sera gazları böyle bir mekanizma. Sera gazları, Dünya yüzeyinden yayılan enerjinin bir kısmını emer ve yayarak bu ısının atmosferin alt kısmında tutulmasına neden olur. Yukarıda açıklandığı gibi, bazı sera gazları atmosferde onlarca yıl hatta yüzyıllarca kalır ve bu nedenle Dünya'nın enerji dengesini uzun bir süre etkileyebilir. Işınım zorlaması, Dünya'nın enerji dengesini etkileyen faktörlerin etkisini (metre kare başına Watt cinsinden) ölçer; sera gazı konsantrasyonlarındaki değişiklikler dahil. Pozitif ışıma zorlaması net gelen enerjiyi artırarak ısınmaya yol açarken, negatif ışıma zorlaması soğumaya yol açar.

Yıllık Sera Gazı Endeksi (AGGI), NOAA'daki atmosferik bilim adamları tarafından, yeterli küresel ölçümlerin mevcut olduğu herhangi bir yıl için uzun ömürlü ve iyi karışmış sera gazlarından kaynaklanan toplam doğrudan ışınım zorlamasının 1990 yılında mevcut olana oranı olarak tanımlanmaktadır. Bu ışınımsal zorlama seviyeleri, 1750 yılında mevcut olanlarla (yani endüstriyel çağın başlamasından öncekilere) görelidir. 1990’ın seçilme sebebi, Kyoto Protokolü’nün temel alındığı yıl ve IPCC İklim Değişikliği Bilimsel Değerlendirmesinin ilk yayın yılı olmasıdır.

Küresel ısınma potansiyeli () hem molekülün bir sera gazı olarak etkinliğine hem de atmosferik ömrüne bağlıdır. GWP, aynı CO2 kütlesine göre ölçülür ve belirli bir zaman ölçeği için değerlendirilir. Bu nedenle, bir gazın yüksek (pozitif) bir ışınım zorlaması var ama aynı zamanda kısa bir ömrü varsa, 20 yıllık bir ölçekte büyük bir GWP'ye, ancak 100 yıllık bir ölçekte küçük bir GWP'ye sahip olacaktır. Tersine, bir molekülün atmosferik ömrü CO2'den daha uzunsa, zaman ölçeği düşünüldüğünde GWP'si artacaktır. Karbondioksit, tüm zaman dilimlerinde 1 GWP'ye sahip olacak şekilde tanımlanır.

Metanın atmosferik ömrü 12 ± 3 yıldır. 2007 IPCC raporu, GWP'sini 20 yıllık bir zaman ölçeğinde 72, 100 yılda 25 ve 500 yılda 7.6 olarak listeliyor. Bununla birlikte, 2014'te yapılan bir analiz, metanın ilk etkisinin CO2'ninkinden yaklaşık 100 kat daha fazla olmasına rağmen, daha kısa atmosferik ömür nedeniyle, altmış ya da yetmiş yıl sonra, iki gazın etkisinin yaklaşık olarak eşit olacağını ve bu noktadan sonra metanın göreceli etkisinin düşmeye devam edeceğini belirtiyor. Daha uzun sürelerde GWP'deki bu düşüşün sebebi, metanın atmosferdeki kimyasal reaksiyonlar yoluyla suya ve CO2'ye indirgenmesidir.

CFC-12'nin kullanımı (bazı temel kullanımlar hariç), ozon tabakasını incelten özelliklerinden dolayı aşamalı olarak kaldırılmıştır. Daha az aktif HCFC bileşiklerinin aşamalı olarak kaldırılması 2030'da tamamlanacaktır.

Tamamen insan tarafından üretilen sentetik halokarbonların yanı sıra, çoğu sera gazının hem doğal hem de insan kaynaklı kaynakları vardır. Sanayi öncesi Holosen döneminde, büyük doğal kaynaklar ve yutaklar kabaca dengelendiği için mevcut gazların konsantrasyonları yaklaşık olarak sabitti. Endüstriyel çağda, temel olarak fosil yakıtların yakılması ve ormanların kesilmesi gibi insan faaliyetleri sebebiyle atmosfere fazladan sera gazları eklemiştir.

IPCC (AR4) tarafından derlenen 2007 Dördüncü Değerlendirme Raporu, "atmosferik sera gazları ve aerosol konsantrasyonlarındaki değişiklikler, arazi örtüsü ve güneş radyasyonu iklim sisteminin enerji dengesini değiştirir" ve "antropojenik sera gazı konsantrasyonlarındaki artışların, 20. yüzyılın ortalarından bu yana küresel ortalama sıcaklıklardaki artışların çoğuna neden olması çok muhtemeldir" sonuçlarını yayınladı.

Buz çekirdekleri, son 800.000 yıldaki sera gazı konsantrasyon değişimlerine dair kanıt sağlar. Hem CO2 hem de CH4 buzul ve buzullararası fazlar arasında farklılık gösterir ve bu gazların konsantrasyonları sıcaklıkla güçlü bir şekilde ilişkilidir. Buz çekirdeği kaydında gösterilenlerden daha önceki dönemler için doğrudan veriler mevcut değildir. Bu kayıtlar, CO2 mol fraksiyonlarının son 800.000 yıl boyunca 180 ppm ila 280 ppm aralığında kaldığını ve sadece son 250 yılda artış gösterdiğini söylemektedir. Bununla birlikte, çeşitli modellemeler, geçmiş çağlarda daha büyük varyasyonlar önermektedir; 500 milyon yıl önce CO2 seviyeleri muhtemelen şimdi olduğundan 10 kat daha yüksekti. Aslında, daha yüksek CO2 konsantrasyonlarının Phanerozoyik çağın çoğunda hüküm sürdüğü düşünülmektedir; Mesozoyik çağda konsantrasyonların şu ankinin dört ila altı katı ve erken Paleozoik çağda Devoniyen döneminin ortasına kadar on ila on beş katı olduğu düşünülmektedir. Kara bitkilerinin yayılmasının Devoniyenin sonlarında CO2 konsantrasyonlarını azalttığı düşünülmektedir ve bitki aktiviteleri hem CO2 kaynakları hem de yutakları olarak stabilize edici geri bildirimler sağlamada o zamandan beri önemli olmuştur. Daha önce, ekvatora yakın uzanan 200 milyon yıllık aralıklı, yaygın buzullaşma dönemi (Kartopu Dünyası), devasa bir volkanik patlama sonucu atmosferdeki CO2 konsantrasyonunu aniden 12'ye yükselten gaz çıkışı ile yaklaşık 550 milyon yıl önce, aniden sona erdi. Bu konsantrasyon modern seviyelerin yaklaşık 350 katıdır. Bu dönem Prekambriyen çağının kapanışını işaret etti ve çok hücreli hayvan ve bitki yaşamının evrimleştiği Phanerozoik çağın genel olarak daha sıcak koşulları tarafından takip edildi. O zamandan beri benzer ölçekte volkanik karbondioksit emisyonu meydana gelmemiştir. Modern çağda, yanardağlardan atmosfere salınan emisyonlar yılda yaklaşık 0,645 milyar ton CO2 iken, insanlar her yıl 29 milyar tonluk CO2 emisyonu oluşturmaktadır.

Antarktika buz çekirdeklerinden yapılan ölçümler, endüstriyel emisyonlar başlamadan önce atmosferik CO2 mol fraksiyonlarının milyonda yaklaşık 280 parça (ppm) olduğunu ve önceki on bin yıl boyunca 260 ile 280 arasında kaldığını göstermektedir. Atmosferdeki karbondioksit mol fraksiyonları, 1900'lerden bu yana yaklaşık yüzde 35 artarak, hacimce milyonda 280 parçadan 2009'da milyonda 387 parçaya yükseldi. Fosilleşmiş yaprakların stomalarından elde edilen kanıtları kullanan bir çalışma, yedi ila on bin yıl önceki dönemde 300 ppm'nin üzerindeki karbondioksit mol fraksiyonları ile daha fazla değişkenlik olduğunu öne sürse de, diğerleri bu bulguların gerçek CO2 değişkenliği yerine büyük olasılıkla kalibrasyon veya kontaminasyon sorunlarını yansıttığını iddia etti. Havanın buza hapsolma şekli (buzdaki gözenekler, fırının derinliklerinde kabarcıklar oluşturmak için yavaşça kapanır) ve analiz edilen her buz örneğinde temsil edilen zaman periyodu nedeniyle, bu rakamlar, yıllık veya on yıllık seviyeler yerine birkaç yüzyıllık ortalamaları almaktadır.

Sanayi Devrimi'nin başlangıcından bu yana, birçok sera gazının konsantrasyonları artmıştır. Örneğin, karbondioksitin mol fraksiyonu, modern sanayi öncesi seviyelere göre 280 ppm'den 415 ppm'ye yani 120 ppm kadar yükselmiştir. İlk 30 ppm’lik artış, Sanayi Devrimi'nin başlangıcından 1958'e kadar yaklaşık 200 yılda gerçekleşti; ancak sonraki 90 ppm’lik artış, 1958'den 2014'e 56 yıl içinde gerçekleşti.

1870'ten 2017'ye kadar toplam kümülatif emisyonlar, fosil yakıtlar ve endüstriden 425 ± 20 GtC (1539 GtCO2) ve arazi kullanım değişikliğinden kaynaklanan 180 ± 60 GtC (660 GtCO2) idi.1870-2017 döneminde kümülatif emisyonların yaklaşık %31'ine ormansızlaşma gibi arazi kullanımı değişikliği, %32'sine kömür, %25'ine petrol ve %10'una gaz neden oldu.

İnsan aktivitesinden üretilen diğer sera gazları hem miktar hem de artış oranında benzer artışlar göstermektedir. Birçok gözlem, çeşitli şekillerde Atmosferik Kimya Gözlem Veritabanlarında çevrimiçi olarak mevcuttur.

İklim değişikliği açısından atmosferdeki sera gazı miktarı hesaplanırken karbon dioksit eşdeğeri olarak ppm (milyonda bir parçacık birimi) esas alınır. 2015 itibarıyla güncel sera gazı yoğunluğu yaklaşık 400 CO2 eşdeğeri ppm düzeyindedir. Bu sadece karbon dioksit gazının değil hesaplamaya giren diğerlerinin de uygun çarpanlarla denkleştirilerek bulunan bir sayıdır. Bu hesaplamada gazların Küresel Isınma Potansiyeli gözönünde bulundurulur. Örneğin yukarıdaki listede GWP değeri yukarıdan aşağı inildikçe artmaktadır. GWP değeri büyük olan gazlar, aynı miktardaki karbon dioksite göre küresel ısınma'yı çok daha büyük ölçüde etkileyebilmektedirler. Ancak salınan karbon dioksit miktarı çok yüksek olduğu kürsel ısınmanın birinci derece sorumlusu olan gaz olarak gösterilmektedir.