Kasvihuonekaasu
Kasvihuonekaasu on kaasu, joka ilmakehässä ollessaan päästää lähes kaiken auringonsäteilyn lävitseen, mutta absorboi suuren osan Maan pinnalta lähtevästä lämpösäteilystä aiheuttaen kasvihuoneilmiön. Kasvihuonekaasujen vaikutuksesta Maan pinnan lämpötila on huomattavasti korkeampi kuin se olisi ilman niitä. Maassa merkittävimmät kasvihuonekaasut ovat vesihöyry, joka aiheuttaa noin 36–70 % kasvihuoneilmiöstä (pilvet eivät sisälly lukuun); hiilidioksidi (CO), joka aiheuttaa 9–26 %; metaani (CH), joka aiheuttaa 4–9 %, sekä troposfäärin otsoni (O), joka aiheuttaa 3–7 %. Typpioksiduuli (NO) on ilmastovaikutukseltaan ihmiskunnan neljänneksi merkittävin kasvihuonekaasu, joka aiheuttaa 6 % ihmisperäisten kasvihuonekaasujen ilmastoa lämmittävästä vaikutuksesta. Kasvihuonekaasujen viipymisaika ilmakehässä vaihtelee muutamasta päivästä (vesihöyry) satoihin vuosiin (hiilidioksidi).
Kasvihuonekaasuille on yhteistä, että niiden molekyyleissä on vähintään kolme atomia. Tällaisilla molekyyleillä on useampia mahdollisia värähtelytapoja, minkä vuoksi ne voivat absorboida useita eri infrapunasäteilyn taajuuksia. Tämän vuoksi esimerkiksi kaksiatomiset typpi (N) ja happi (O) eivät toimi kasvihuonekaasuina. Mitä enemmän kaasumolekyylissä on atomeja, sitä enemmän sillä on mahdollisia värähtelytapoja ja sitä voimakkaampi on yleensä myös kaasun kasvihuonevaikutus. Niinpä esimerkiksi metaani (CH) on selvästi voimakkaampi kasvihuonekaasu kuin hiilidioksidi (CO).
Ilmakehän pitkäikäisten kasvihuonekaasujen pitoisuus oli vuonna 2005 460 ppmCOe (= 460 miljoonasosaa hiilidioksidiekvivalenttia). Ilmakehän kasvihuonekaasujen pitoisuus nousee ihmisen toimien vuoksi jatkuvasti kiihtyvällä vauhdilla. Vuotuinen kasvuvauhti on tällä hetkellä kaksi miljoonasosaa vuodessa. Nykyisellä menolla ilmakehän kasvihuonekaasujen pitoisuus tulee lähes kolminkertaistumaan verrattuna nykytasoon tasolle 1 250 ppm.
Hiilidioksidipitoisuudet ilmakehässä ovat lisääntyneet 31 % ja metaanipitoisuudet 149 % esiteollisiin tasoihin nähden vuoden 1750 jälkeen. Nämä lukemat ovat merkittävästi korkeampia kuin kertaakaan aiemmin 650 000 vuoteen, mikä on pääteltävissä luotettavasti jäätiköiltä syväkairatuista näytteistä. Noin kolme neljäsosaa ihmisen aiheuttamista hiilidioksidipäästöistä viimeisten 20 vuoden aikana johtuu fossiilisten polttoaineiden käytöstä. Muut ihmisperäiset päästöt ovat pääasiassa seurausta maankäytöstä, erityisesti metsän hävityksestä.
Japanin avaruusjärjestö JAXA laukaisi 23. tammikuuta 2009 ensimmäisen erityisesti kasvihuonekaasuja mittaavan satelliitin, "Ibukin" (tunnettu myös nimellä "GOSAT").
Vesihöyryn arvioidaan aiheuttavan kasvihuoneilmiöstä noin 36–70 %. Vesihöyryn elinikä ilmakehässä on kuitenkin todella lyhyt, noin 7–10 päivää. Ihminen ei toiminnallaan suoraan lisää ilmakehän vesihöyrypitoisuutta, vaikka pitoisuudet voivat muuttua ilmaston lämpenemisen seurauksena. Lentoliikenteen yläilmakehään päästämällä vesihöyryllä on kuitenkin huomattava ilmastoa lämmittävä vaikutus.
Tärkein ihmisen tuottama kasvihuonekaasu on hiilidioksidi CO. Suomen kasvihuonekaasupäästöistä 86 % muodostuu hiilidioksidista. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on noussut tarkkojen mittausten aloittamisesta lähtien kiihtyvästi ollen nyt noin 2,2 miljoonasosaa (ppm) vuodessa saavuttaen pitoisuuden 400 ppm vuonna 2016. Tämä on noin 43 % lisäys esiteolliseen aikaan nähden, jolloin hiilidioksidipitoisuus oli noin 280 ppm. Epäsuorien geologisten todisteiden perusteella uskotaan, että hiilidioksidipitoisuudet ovat olleet nykytasolla viimeksi Plioseenikaudella 5-3 miljoonaa vuotta sitten.
Erityisesti fossiilisten polttoaineiden polttaminen lisää ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta. Myös maataloudella ja trooppisten metsien tuhoamisella sekä sementti- ja lannoiteteollisuudella on osuutensa asiaan. Vuotuiset hiilidioksidipäästöt ovat kasvaneet vuoden 1990 noin 23,5 gigatonnista vuosien 2000–2005 noin 26,4 gigatonniin, minkä seurauksena ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on noussut keskimäärin 1,4 ppm vuodessa.
Osa vapautuneesta hiilidioksidista sitoutuu valtamerten eliöihin sekä pohjoisen havumetsävyöhykkeen ja lauhkean vyöhykkeen metsien kasvuun. Metsän hävitys muualla maailmassa vapauttaa kuitenkin puuston sitomaa määrää enemmän hiilidioksidia.
Kestävät puutuotteet, kuten rakennukset, sitovat pieniä määriä hiiltä elinkaarensa ajan. Pitkällä ajalla hiilidioksidi sitoutuu myös tiettyihin kivilajeihin muodostaen karbonaatteja (ns. laattatektoniikka). Hiilen määrä maapallolla on vakio, joten ilman hiilidioksidipitoisuuden lisääntyminen johtuu siitä, että hiiltä siirtyy maapallon kivikehästä sen ilmakehään.
Typpioksiduuli (NO) on ilmastovaikutuksella mitattuna Suomen toiseksi yleisin kasvihuonekaasu, joka muodostaa 8 % Suomen kasvihuonekaasupäästöistä. Typpioksiduulin ilmakehää lämmittävä vaikutus on noin 300 kertaa voimakkaampi kuin hiilidioksidin (CO). Maatalous on ylivoimaisesti merkittävin typpioksiduulin lähde yli 80 % osuudellaan.
Typpioksiduulia muodostuu maaperässä nitraattien hajotessa. Suurimmat hehtaarikohtaiset typpioksiduulipäästöt syntyvät maanviljelyskäytössä olevilla ja metsitetyillä turvepelloilla. Typpioksiduulipäästöjä syntyy myös typpilannoitteiden valmistuksesta ja käytöstä sekä kotieläinten lannasta. Lisäksi energian tuotannosta ja katalysaattoriajoneuvojen käytöstä syntyy jonkin verran typpioksiduulipäästöjä.
Metaani (CH) on kasvihuonevaikutukseltaan Suomen kolmanneksi yleisin kasvihuonekaasu. Metaanin osuus Suomen kasvihuonekaasupäästöistä on 6 %. Metaanin elinikä ilmakehässä on vain noin 12 vuotta.
Metaania tuottavat suurimmaksi osaksi eläimet, mutta sitä syntyy myös kaikkialla, missä bakteerit hajottavat orgaanista ainesta hapettomassa tilassa, esimerkiksi soilla ja muilla kosteikoilla. Ihmisten tuottamaa metaania tulee karjanhoidosta, kaatopaikoilta ja riisiviljelmiltä, missä eloperäiset materiaalit mädäntyessään erittävät sitä. Lisäksi metaania pääsee ilmoille runsaasti fossiilisten polttoaineiden tuotannon ja kuljetusten yhteydessä.
Metaania hajottavat maaperän pintaosassa elävät pieneliöt ja ilmakehän hydroksyyli-ionit. Hiilimonoksidi eli häkä (CO) tuhoaa tehokkaasti hydroksyyli-ioneja ja heikentää näin ilmakehän kykyä hajottaa metaania. Liikenteen tuottama häkä siis ikään kuin kiertoteitse vaikuttaa vahvistavasti kasvihuoneilmiöön.
CFC-yhdisteet eli kloorista (, Cl), fluorista (, F) ja hiilestä (, C) muodostuneet freonimolekyylit tuhoavat erityisesti yläilmakehän otsonikerrosta (O), joka rikkouduttuaan päästää maahan enemmän auringon haitallista säteilyä (katso UV-säteily) ja näin ollen lisää lämpöä maapallolla.
CFC-yhdisteet keksittiin korvaamaan jäähdytyslaitteissa siihen asti käytettyjä rikkidioksidia (SO) ja ammoniakkia (NH), koska ne olivat myrkyllisyydellään aiheuttaneet useita ihmisuhreja. Aluksi CFC-aineita pidettiin täysin turvallisina ja vasta myöhemmin niiden vaarallisuus ilmakehälle huomattiin, sillä yksi CFC-molekyyli lämmittää ilmakehää saman verran kuin 10 000 hiilidioksidimolekyyliä.
Näitä yhdisteitä on erilaisissa jääkaapeissa. Aikaisemmin niitä käytettiin laajemmin esimerkiksi sumutinpulloissa, mutta nykyään niiden käyttö on kielletty maailmanlaajuisesti.
Otsoni (O) eroaa muista kasvihuonekaasuista siten, että sitä syntyy ilmakehässä saastepilvien reagoidessa auringonvaloon. Otsonin kasvihuonevaikutus riippuu siitä, missä osassa ilmakehää otsonia on. Stratosfäärissä eli yläilmakehässä otsonin lisääntyminen viilentää maapalloa. Troposfäärissä eli alailmakehässä otsonin lisääntyminen puolestaan lämmittää maapalloa.
Ihmisen toiminnan vuoksi syntyvän otsonin aiheuttama kokonaisnettovaikutus tunnetaan nykyisin kohtalaisen hyvin ja sen arvioidaan olevan 19 prosenttia ihmisperäisten kasvihuonekaasujen aiheuttamasta globaalista lämpenemisestä. Lentokoneiden typenoksidipäästöistä muodostuvan otsonin arvioidaan muodostavan 17-38 prosenttia lentoliikenteen ilmastoa lämmittävästä vaikutuksesta.
Lentoliikenteen typenoksidipäästöillä on huomattava ilmastoa lämmittävä vaikutus.