แก๊สเรือนกระจก

ปรากฏการณ์เรือนกระจก

บทความหลัก: ปรากฏการณ์เรือนกระจก
เมื่อแสงอาทิตย์ส่องถึงผิวโลก บางส่วนจะถูกดูดกลืนไว้และทำให้ผิวพื้นโลกอุ่นขึ้น บางส่วนจะสะท้อนกลับ เนื่องจากผิวโลกเย็นกว่าผิวดวงอาทิตย์มากส่วนที่สะท้อนกลับจึงแผ่กระจายพลังงานที่มีช่วงคลื่นยาวกว่ารังสีจากดวงอาทิตย์ โดยมีช่วงยาวมากสุดที่แถบความถี่ในช่วงอินฟราเรดหรือที่ประมาณ 10µm. แก๊สเรือนกระจกในบรรยากาศจะดูดกลืนช่วงคลื่นที่ยาวกว่าได้ดีกว่าแสงช่วงคลื่นสั้นของแสงอาทิตย์ การดูดกลืนพลังงานช่วงคลื่นยาวนี้เองที่ทำให้บรรยากาศร้อนขึ้น แก๊สเรือนกระจกก็ปล่อยรังสีคลื่นยาว(อีกครั้ง)ทั้งขึ้นสู่ห้วงอวกาศและปล่อยลงสู่พื้นผิวโลก กระบวนการนี้เรียกว่า “ปรากฏการณ์เรือนกระจก” 
แก๊สเรือนกระจกส่วนใหญ่คือไอน้ำ ซึ่งมีผลต่อปรากฏการณ์เรือนกระจกบนโลกประมาณร้อยละ 36-70  (โปรดสังเกตว่าเมฆไม่ได้ประกอบด้วยไอน้ำและเมฆมีผลต่อภูมิอากาศในลักษณะอื่น) คาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งมีผลร้อยละ 9-26, มีเทนมีผลร้อยละ 4-9, และโอโซนร้อยละ 3-7 เป็นการยากหรือเกือบเป็นไปไม่ได้ที่ชี้ลงไปให้ชัดว่าแก๊สใดมีผลต่อบรรยากาศแน่นอนเท่าใดเนื่องจากอิทธิพลของแก๊สเหล่านี้เป็นพวกที่นำไปรวมกันไม่ได้ (ด้านสูงของช่วงเป็นการบ่งถึงตัวแก๊สเพียงอย่างเดียว ในขณะที่ปลายของช่วงข้างต่ำใช้บ่งถึงการเหลื่อมที่เกิดในการแจงนับ)  แก๊สเรือนกระจกอื่นๆ รวมถึงแต่ไม่จำกัดเฉพาะได้แก่ไนตรัสออกไซด์ (nitrous oxide) ซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์ (sulfur hexafluoride) ไฮโดรฟลูโอโรคาร์บอน (hydrofluorocarbon) เปอร์ฟลูโอโรคาร์บอน (perfluorocarbon) และคลอโรฟลูออโรคาร์บอน (chlorofluorocarbons) (ดู รายชื่อแก๊สเรือนกระจกของ IPCC -IPCC list of greenhouse gases) 
ส่วนประกอบหลักของบรรยากาศได้แก่ไนโตรเจน (N₂) และออกซิเจน (O₂) ซึ่งไม่ใช่แก๊สเรือนกระจก ทั้งนี้เนื่องจากมันมีลักษณะเป็นโมเลกุลอะตอมคู่ชนิดนิวเคลียสเอกพันธ์ (homonuclear diatomic molecules) ดังนั้น ไนโตรเจนและออกซิเจน จะไม่ดูดกลืนหรือปล่อยรังสีอินฟราเรดเพราะไม่มีการแลกเปลี่ยนโมเมนต์ขั้วคู่ (dipole moment) ของโมเลกุลเหล่านี้เมื่อมันสั่นตัว การสั่นของโมเลกุลเกิดขึ้นเมื่อขนาดพลังงานของมันเท่ากับขนาดของพลังงานโฟตอนของอินฟราเรด โมเลกุลอะตอมคู่ชนิดนิวเคลียสวิวิธพันธ์ เช่น  คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) หรือ ไฮโดรเจนคลอไรด์ (HCl) ดูดกลืนอินฟราเรด แต่โมเลกุลของเหล่านี้มีอายุสั้นในบรรยากาศเนื่องจากคุณสมบัติทางปฏิกิริยาและการถูกละลายได้ง่ายของมัน มันจึงมีผลต่อปรากฏการณ์เรือนกระจกน้อยมาก
ในช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 (ประมาณ พ.ศ. 2420) นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการทดลองและพบว่า ไนโตรเจน และ ออกซิเจน ไม่ดูดกลืนรังสีอินฟราเรด (กล่าวถึงกันในสมัยนั้นว่า “รังสีมืด” - dark radiation) และว่า คาร์บอนไดออกไซด์ และก๊าซอีกหลายชนิดก็ไม่ดูดกลืนอินฟราเรด เป็นที่ยอมรับกันเมื่อต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 (ประมาณ พ.ศ. 2470) ว่าแก๊สเรือนกระจกที่ทราบเกือบทั้งหมดในบรรยากาศมีผลทำให้อุณหภูมิของบรรยากาศสูงขึ้นกว่าการไม่มีแก๊สเรือนกระจก

บทบาทของไอน้ำ

ไอน้ำ (Water vapor) นับเป็นแก๊สเรือนกระจกที่เกิดจากธรรมชาติที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์เรือนกระจกมากที่สุด คือระหว่างร้อยละ 36-66  การสะสมตัวของไอน้ำมากน้อยต่างกันไปตามภูมิภาค กิจกรรมของมนุษย์ไม่มีผลโดยตรงต่อไอน้ำยกเว้นพื้นที่ระดับจุลภาค (เช่น บริเวณใกล้พื้นที่เกษตรที่มีระบบชลประทาน)
ความสัมพันธ์คลอเซียส-คลาเพรอน (Clausius-Clapeyron relation) กำหนดไว้ว่า อากาศอุ่นเก็บกักไอน้ำเป็นหน่วยบริมาตรได้มากกว่า แบบจำลองภูมิอากาศ (climate model) ที่ทันสมัยที่สุดทำนายว่าการสะสมของไอน้ำในอากาศร้อนจะขยายขนาดของปรากฏการณ์เรือนกระจกที่เป็นผลจากแก๊สเรือนกระจกที่เกิดจากกิจกรรมของมนุษย์โดยยังคงรักษาความชื้นสัมพัทธ์ไว้ได้คงที่ ดังนั้นไอน้ำจึงทำหน้าที่ป้อนกลับทางบวกต่อแรงที่เกิดจากแก๊สเรือนกระจกเช่น CO₂.

อัตราการเปลี่ยนและการปล่อยเมื่อเร็วๆ นี้

อัตราเร่งอย่างรวดเร็วในการปลดปล่อย CO₂ นับตั้งแต่ พ.ศ. 2543 ในจำนวน >3% y⁻¹ (>2 ppm y⁻¹) จาก 1.1% y⁻¹ ระหว่างช่วง พ.ศ. 2534 –  พ.ศ. 2542 นับได้ว่าเป็นการต่อเนื่องของแนวโน้มของการลด ความเข้มของคาร์บอน (carbon intensity) ทั้งในประเทศพัฒนาแล้วและประเทศกำลังพัฒนา ถึงแม้มากกว่า 3/4 ของการสะสม CO₂ จากกิจกรรมมนุษย์จะมาจากประเทศกำลังพัฒนาก็ตาม การลดปริมาณการปล่อยลงเป็นเฉพาะท้องถิ่นมีความสัมพันธ์กับการล่มสลายของ สหภาพโซเวียต ที่ตามมาด้วยการปล่อยที่น้อยลงของภูมิภาคเนื่องจากการใช้พลังงานที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น จากการเปรียบเทียบ พบว่ามีเทนเพิ่มไม่มาก และ N₂O เพิ่ม 0.25% y⁻¹.

เอเชีย

ระดับของแก๊สเรือนกระจกจากกิจกรรมมนุษย์ได้เพิ่มถึงจุดสูงสุดอีกครั้งด้วยสัญญาณของการเพิ่มเศรษฐกิจการอุตสาหกรรมของเอเชียนำโดยจีน  ในช่วงระหว่างปี พ.ศ. 2543 – พ.ศ. 2553 คาดว่าจีนจะปล่อยคาร์บอนออกมาอีก 600 ล้านตัน ส่วนใหญ่เกิดจากการก่อสร้างโรงไฟฟ้าแบบเก่าอย่างรวดเร็วในจังหวัดต่างๆ ที่ยังจนอยู่

สหรัฐอเมริกา

บทความหลัก (ภาษาอังกฤษ) : Greenhouse gas emissions by the United States และ  United States federal register of greenhouse gas emissions
สหรัฐฯ ปล่อยแก๊สเรือนกระจกในปี พ.ศ. 2548 เพิ่มขึ้นร้อยละ 16.3 จาก พ.ศ. 2533  จากการคาดคะเนเบื้องต้นของหน่วยประเมินด้านสิ่งแวดล้อมของเนเธอร์แลนด์พบว่าประเทศที่ปล่อย CO₂ นับตั้งแต่ พ.ศ. 2549 คือจีนซึ่งปล่อยออกมาประมาณ 6,200 เมกะตัน ตามด้วยสหรัฐฯ ประมาณ 5,800 เมกกะตัน เทียบกับปี พ.ศ. 2548 จีนปล่อย CO₂ จากซากดึกดำบรรพ์เพิ่มใน พ.ศ. 2549 ร้อยละ 8.7 ในขณะที่ปีเดียวกัน ของสหรัฐฯ ลดลงร้อยละ 1.4 หน่วยประเมินฯ ดังกล่าวให้ข้อสังเกตว่า การคาดคะเนของตนไม่รวมแหล่ง CO₂ ที่ไม่แน่นอน ถึงแม้ว่าน้ำหนักจะไม่มากเมื่อเทียบกับนำหนักของคาร์บอนไดออกไซด์ที่มีอยู่ในบรรยากาศ แต่ก็นับว่าเป็นระดับที่มากกว่าระดับในยุคก่อนอุตสาหกรรม

Airborne fraction

Airborne fraction (AF) หมายถึงสัดส่วนของการปล่อยแก๊สเรือนกระจก (ปกติได้แก่ CO₂
) ที่เหลือตกค้างในบรรยากาศหลังระยะเวลาหนึ่ง แคนาเดลล์ (Canadell 2007) ได้ให้คำนิยามของ AF รายปีว่าเป็นอัตราส่วนของ CO₂
ในบรรยากาศที่เพิ่มในปีที่กำหนดต่อจำนวนปีที่ปล่อยออกมาทั้งหมด และคำนวณว่าเฉลี่ยได้เท่ากับ 9.1 PgC y⁻¹ ของการปล่อยโดยกิจกรรมของมนุษย์ทั้งหมดตั้งแต่ พ.ศ. 2543 – พ.ศ. 2549 ซึ่งมี  AF เท่ากับ 0.45.  สำหรับ CO₂
AF ในช่วง 50 ปีที่ผ่านมา (พ.ศ. 2499 – พ.ศ. 2549) ได้เพิ่มในอัตรา 0.25±0.21 %/ปี.

ศักยภาพโลกร้อน

ศักยภาพโลกร้อน ( global warming potential) หรือ GWP ขึ้นอยู่กับทั้งประสิทธิภาพของโมเลกุลในฐานะการเป็นแก๊สเรือนกระจกกับเวลาชั่วชีวิตในบรรยากาศของมัน GWP วัดได้โดยการเปรียบเทียบกับ CO₂
ในขนาดของมวลที่เท่ากันแล้วจึงประเมินหาค่าเฉพาะของเวลา ดังนั้น ถ้าโมเลกุล (ของแก๊สเรือนกระจก) มี GWP สูงในช่วงเวลาที่สั้น (เช่น 20 ปี)  แต่กลับมีช่วงชั่วชีวิตสั้น ย่อมหมายความว่ามันมี GWP มากในช่วงเวลา 20 ปี แต่จะมีน้อยในช่วงเวลา 100 ปี และในทางกลับกันถ้าโมเลกุลของ CO₂ที่มีเวลาชั่วชีวิตบรรยกาศที่ยาวกว่า GWP จะเพิ่มขึ้นตามเวลาที่ผ่านไป

ผลกระทบที่เกี่ยวข้อง

คาร์บอนมอนอกไซด์ มีผลในการแผ่รังสีทางอ้อมโดยทำให้ระดับความเข้มของมีเทนและโทรโปสเฟียริกโอโซนสูงขึ้นผ่านการ “เก็บตกแก๊สอื่น” ในบรรยากาศ (เช่นอนุมูลอิสระไฮดรอกซีล (hydroxyl radical, OH) คาร์บอนมอนอกไซด์เกิดขึ้นเมื่อเชื้อเพลิงที่มีส่วนประกอบของคาร์บอนถูกเผาไม่สมบูรณ์ มันจะได้รับการเติมออกซิเจนในบรรยากาศตามกระบวนการธรรมชาติกลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ คาร์บอนมอนอกไซด์มีเวลาชั่วชีวิตในบรรยากาศเพียงไม่กี่เดือน  ดังนั้นมันจึงมีความผันแปรเชิงเนื้อที่มากกว่าแก๊สอายุยืนอื่นๆ
แนวโน้มสำคัญในการมีผลทางอ้อมอีกประการหนึ่งมาจากมีเทนซึ่งนอกเหนือไปจากผลกระทบด้านการแผ่รังสีโดยตรงของมันแล้ว มันยังเป็นตัวช่วยสร้างโอโซนอีกด้วย ชินเดลล์และคณะ (Shindell et al 2005)  ให้ข้อถกเถียงว่า การมีส่วนในการทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศ ของมีเทนอย่างน้อยก็มีส่วนมากเป็น 2 เท่าจากที่เคยประมาณกันมาด้วยผลกระทบดังที่กล่าวนี้