گاز گلخانه‌ای

بالا: افزایش دی‌اکسید کربن جوی در جو و لایه (های) یخ اندازه‌گیری می‌شوند. پایین: مقدار افزایش خالص کربن در جو، با برونده‌های کربن حاصل از سوختن سوخت فسیلی مقایسه شده‌است.
گاز گلخانه‌ای به گازی در جو یک سیاره گفته می‌شود که در محدوده مادون قرمز به جذب و انتشار پرتوها می‌پردازد. این فرایند سبب اساسی اثر گلخانه‌ای است. گازهای گلخانه‌ای موجود در جو زمین که به‌طور طبیعی در آن وجود دارند شامل بخار آب، کربن دی‌اکسید، متان، دی نیتروژن مونوکسید و ازون می‌باشند اما فعالیت‌های بشری، بر میزان بسیاری از این گازها در جو افزوده‌است. در منظومه شمسی نیز جو ناهید، مریخ و تیتان شامل گازهایی می‌شود که سبب ایجاد اثر گلخانه‌ای در آن‌ها می‌شود. بدون گازهای گلخانه‌ای، میانگین دمای سطح زمین در حدود منفی ۱۸ درجه سانتیگراد میانگین حاضر خواهد بود.
اثر گلخانه‌ای
زمانی‌که نور خورشید به سطح زمین می‌رسد، مقداری از آن جذب شده و زمین را گرم می‌کند. چون زمین از خورشید سردتر است، آن انرژی را با طول موج‌های بلندتری نسبت به خورشید از خود می‌تاباند (نگاه کنید به تابش جسم سیاه و قانون جابجایی ویین) پیش از آن‌که آن‌ها در فضای بیرونی از دست بروند، مقداری از این طول موج‌های بلندتر توسط گازهای گلخانه‌ای در جو زمین جذب می‌شوند. جذب این انرژی تابشی باعث گرم شدن جو می‌شود (جو زمین همچنین در اثر انتقال گرمای محسوس و گرمای نهفته حاصل از سطح نیز گرم می‌شود). گازهای گلخانه‌ای، نور خورشید را هم به سمت سطح زمین و هم به سمت خارج از سطح زمین می‌تابانند. به فرایند بازتابش این نور به سمت سطح زمین که توسط جو انجام می‌شود، اثر گلخانه‌ای می‌گویند.
بخار آب، دی‌اکسید کربن، متان و ازن موثرترین گازهای گلخانه‌ای هستند.
با وجودی که نمی‌توان به‌طور دقیق مشخص کرد که سهم هر کدام از این گازها در اثر گلخانه‌ای زمین چقدر است اما بخار آب بین ۳۶٪ تا ۷۰٪، دی‌اکسید کربن بین ۹٪ تا ۲۶٪، متان بین ۴٪ تا ۹٪ و ازن حدود ۳٪ تا ۷٪ در فرایند اثر گلخانه‌ای زمین نقش بازی می‌کنند.
گازهای گلخانه‌ای دیگر، که البته به همین‌ها محدود نمی‌شوند، عبارتند از، نیتروژن اکسید، هگزا فلوراید گوگرد، هیدروفلوروکربنها، پرفلوروکربنها و کلروفلوروکربنها (نگاه کنید به فهرست IPCC گازهای گلخانه‌ای).
اجزای اصلی جو یعنی (نیتروژن و اکسیژن) گازهای گلخانه‌ای نیستند، زیرا ملکول‌های دوتایی با هسته‌های یکسان، تشعشع فروسرخ را نه جذب و نه منعکس می‌کنند در نتیجه هیچ تغییر شبکه‌ای در گشتاور دوقطبی در این مولکول‌ها رخ نمی‌دهد.
گازهای گلخانه ناشی از فعالیت انسانی
پراکنشهای جهانی گازهای گلخانه‌ای در۸ مقطع مختلف برای سال ۲۰۰۰ متوقف شده‌است
غلظت گازهای گلخانه‌ای متعدد در طول زمان افزایش یافته‌است. فعالیت انسانی سطوح گازهای گلخانه‌ای عمدتا در اثر آزادسازی دی‌اکسید کربن افزایش می‌دهد، اما تاثیرات بشر بر گازهای دیگر مانند متان، قابل اغماض نیست.
برخی از منابع اصلی گازهای گلخانه‌ای ناشی از فعالیت انسانی عبارتند از:
سوزاندن سوخت (های) فسیلی و تخریب جنگلها که موجب افزایش غلظت مقادیر دی‌اکسید کربن می‌شود؛
چارپایان و کشت شالیزاری برنج، استفاده از زمین و تغییرات در ناحیه تالابی، خسارات مربوط به خط لوله(ها)، و پراکنشهای ناشی از تهویه مناطق تحت پوشش دفن زباله سبب تمرکزهای بیشتر متان در جو می‌گردد. بسیاری از سیستم‌های سرپوشیده دفع زباله با تهویه کامل و به سبکهای جدیدتر هستند که فرایند تخمیر را افزایش و بهبود می‌دهد که منابع اصلی تولید متان هستند؛
استفاده از CFCها در سیستم‌های تبرید، و کاربرد CFCها و هالون‌ها در سیستم‌های اطفاء حریق| خاموش‌سازی آتش و فرآیندهای سازندگی.
گازهای گلخانه‌ای ناشی از صنعت و کشاورزی نقش عمده‌ای را در نمونه مشاهده اخیر از گرم شدن جهان ایفا می‌کند. دی‌اکسید کربن، متان، اکسید نیتروژن و سه گروه دیگر از گازهای فلوئوردار، موضوع (مورد بحث) پروتکل کیوتو قرار دارند که در سال ۲۰۰۵ وارد مرحله اجرائی خود شد. به غیر از خود گاز ازن، متان، اکسید نیتروژن و گازهای مستهلک‌کننده ازن نیز در این توافق‌نامه‌ها مورد توجه قرار گرفته‌اند. توجه نمایید که استهلاک ازن تنها یک نقش فرعی در گرم شدن گلخانه‌ای دارد، اگرچه این دو فرایند اغلب در رسانه‌های عمومی با یکدیگر اشتباه می‌شوند.
نقش بخار آب
افزایش بخار آب در شهر بولدر کلرادو
بخار آب یک «گاز طبیعی گلخانه‌ای» است و بالاترین نقش را در اثر گلخانه‌ای ایفا می‌کند. میزان غلظت بخار آب از لحاظ منطقه‌ای در نوسان است، اما فعالیت انسان بطور مستقیم بر مقادیر غلظت آب به جز در مقیاسهای کوچک محلی اثر نمی‌گذارد.
در الگوهای اقلیمی، افزایش در دمای جو توسط اثر گلخانه‌ای به وسیله گازهایی با منشا انسانی موجب افزایش بخار آب در لایه تروپوسفر (نزدیک‌ترین لایه به زمین) جو، با رطوبت نسبی تقریبا ثابت شده‌است. در عوض بخار آب افزوده شده سبب افزایش در اثر گلخانه‌ای می‌شود و در این صورت باعث افزایش بیشتر دما می‌گردد؛ و افزایش دما نیز بخار آب جو را افزایش می‌دهد؛ و این چرخه تا جایی ادامه می‌یابد که به حد تعادل برسد؛ بنابراین بخار آب به عنوان یک بازخورد مثبت بر گازهای گلخانه‌ای آزاد شده در اثر فعالیت بشری همچون منو اکسید کربن اعمال می‌کند (اما تاکنون هرگز بر زمین به عنوان بخشی از یک بازخورد مهارنشدنی عمل نکرده‌است).
تغییرات در میزان بخار آب نیز می‌تواند به صورت غیرمستقیمی در تشکیل ابر نقش داشته باشد.
«بیشتر دانشمندان پذیرفته‌اند که تاثیر کلی بازخوردهای مستقیم و غیر مستقیم سبب افزایش میزان بخار آب جو شده که بطور عمده گرم شدن اولیه‌ای را که موجب این افزایش شده، ارتقاء می‌دهد- که آن یک بازخورد قوی مثبت است.»
( , B۷ نگاه کنید به).
بخار آب بخار آب بخش معینی از معدله «گاز گلخانه‌ای» است اگرچه تحت کنترل مستقیم بشر قرار ندارد: هیئت داخلی دولتی پیرامون تغییر اقلیمی (IPCC) گزارش سوم ارزیابی
IPCC | TAR، نویسنده محترم این فصل مایکل مان (دانشمند)|مایکل من با بیان این که «نقش بخار آب به عنوان یک» گاز گلخانه‌ای «شدیدا انحرافی است» معتقد است که بشر نمی‌تواند میزان بخار آب را کنترل نماید.
همچنین رجوع کنید به
IPCC بطور مفصلتری درباره بازخورد بخار آب بحث می‌کند.
افزایش گازهای گلخانه‌ای
بر اساس نوسان غلظت گاز دی‌اکسید کربن در گذشته و اندازه‌گیری‌های لایه‌های یخی قطب شمال، این مسئله بطور گسترده‌ای پذیرفته می‌شود که درست پیش ازآن که پراکنش‌های صنعتی شروع شود، سطوح جوی منو اکسید کربن در حدود ۲۸۰ میکرو L/L بوده‌است (توجه نمایید که واحد میکرو L/L واحدی است برابر با بر میلیون حجم). از همان لایه‌های یخی معلوم گردید که طی ۱۰۰۰۰سال گذشته، مقادیر غلظت منو اکسید کربن در اندازه‌هایی بین ۲۶۰و ۲۸۰ میکروL/L باقی‌مانده‌اند. در برخی مطالعات، با استفاده از شواهد مربوط به منافذ برگ‌های فسیل شده طی دوران ۱۰–۷ هزار سال گذشته نوسانات بیشتری در سطوح منو اکسید کربن بالاتر از میزان ۳۰۰ میکرو L/L یافته شده‌است، اما دیگران در این مورد استدلال کرده‌اند که بیشتر احتمال می‌رود این یافته‌ها بر مشکلات آلودگی تاثیر بگذارد تا نوسان مقدار واقعی منواکسید کربن.
از زمان شروع انقلاب صنعتی، مقادیر تمرکز بسیاری از گازهای گلخانه‌ای افزایش یافته‌است. بیشتر افزایش در میزان دی‌اکسید کربن پس از سال ۱۹۴۵ میلادی اتفاق افتاده‌است. آن‌هایی که بزرگ‌ترین عوامل برهم زدن تعادل تابشی بوده‌اند به این شرحند:
+ مربوط به بی‌توازنی تابشی
گاز
مقدار کنونی (۱۹۹۸) بر اساس حجم
افزایش در دوران ماقبل صنعتی (۱۷۵۰)
افزایش درصد
بی‌توازنی تابشی (W/m2)
دی‌اکسید کربن
۳۶۵ ppm {383 ppm(2007.01)
۸۷ ppm {105 ppm(2007.01)
۳۱٪ {۳۷٫۷۷٪(۲۰۰۷٫۰۱)
۱٫۴۶ {~۱٫۵۳۲ (۲۰۰۷٫۰۱)
متان
۱،۷۴۵ ppb
۱،۰۴۵ ppb
۱۵۰٪
۰٫۴۸
دی نیتروژن مونوکسید
۳۱۴ ppb
۴۴ ppb
۱۶٪
۰٫۱۵
انتشار کربن در سطح جهانی۱۸۰۰–۲۰۰۴.
+ مربوط به هردو مورد بی‌توازنی تابشی و استهلاک ازن؛ تمام موارد زیر هیچ منابع طبیعی ندارد و از این جهت مقادیر از دوره ماقبل صنعتی صفر است
گاز
مقدار کنونی(۱۹۹۸)بر اسا حجم
بی‌توازنی تابشی(W/m2)
CFC-۱۱
۲۶۸ ppt
۰٫۰۷
CFC-۱۲
۵۳۳ ppt
۰٫۱۷
CFC-۱۱۳
۸۴ ppt
۰٫۰۳
کربن تتراکلرید
۱۰۲ ppt
۰٫۰۱
HCFC-۲۲
۶۹ ppt
۰٫۰۳
(منبع: IPCC radiative forcing report 1994 updated (to 1998) by IPCC TAR table 6.1 ).
زدودن (آن) از جو و توان گرم شدن جهانی
روندهای اصلی در پیدایش گاز گلخانه‌ای
گذشته از بخار آب در نزدیک سطح (زمین) که زمان اقامت (معینی) دارد، بیشتر گازهای گلخانه‌ای مدتی طولانی می‌گذرد که جو زمین را ترک کنند. کار آسانی نیست که به‌طور دقیق پی ببریم که چه مدتی طول می‌کشد، زیرا جو یک سیستم بسیار پیچیده‌است. اما، برآوردهایی از مدت ماندن آن‌ها وجود دارد، یعنی زمانی که لازم است تا گاز از جو برای موارد عمده خارج شود. گازهای گلخانه‌ای را طی فرآیندهای مختلفی می‌توان از جو زمین زدود:
به عنوان یک تغییر فیزیکی (تقطیر و بارش که بخار آب را از جو می‌زداید).
به عنوان واکنش‌های شیمیایی در داخل جو. این روش در مورد متان است. آن در اثر واکنشی طبیعی که در هنگام ایجاد رادیکال آزاد هیدروکسیل، OH و نقطه میانی رخ می‌دهد اکسید شده و به دی‌اکسید کربن و بخار آب در انتهای زنجیره واکنش تبدیل می‌شود (توزیع دی‌اکسید کربن از اکسیداسیون متان شامل متان GWP نمی‌شود). این فرایند همچنین شامل ترکیبات شیمیایی فاز محلولی و جامدی می‌شود که در آئروسل‌های جو قرار دارد.
به عنوان تبادل فیزیکی در تعامل میان جو و دیگر اجزای سیاره زمین. یک نمونه آن ترکیب گازهای جوی در داخل اقیانوس‌ها در یک لایه مرزی می‌باشد.
به عنوان تغییر شیمیایی در تعامل میان جو و دیگر اجزای سیاره زمین. این نمونه موردی است برای دی‌اکسید کربن که در اثر فتوسنتز گیاهان احیاء می‌شود، و پس حل شدن در اقیانوسها، با تشکیل یونهای اسید کربنیک و بیکربنات و کربنات واکنش انجام می‌دهد (نگاه به اسیدی شدن اقیانوس).
به عنوان فتوشیمی| تغییر فتوشیمیایی. هالوکربن‌ها (ترکیبات هالوژنی کربن) در اثر پرتو فرابنفش ازهم گسیخته شده و کربن ۱ c نقطه وسطی و فلوئور نقطه میانی به عنوان رادیکال‌های آزاد در لایه استراتوسفر جو با اثرات مضر آن در ازن آزاد می‌شوند (هالو کربن‌ها کلا بسیار باثبات هستند تا آن که در اثر واکنش شیمیایی در جو از بین بروند).
به عنوان یونیزاسیون پراکنش گر در اثر پرتوهای کیهانی با انرژی بالا یا تخلیه‌های (الکتریکی) رعد و برق، که پیوندهای ملکولی را درهم می‌شکند. مثلا، رعد و برق
N اتم از ۲N را تشکیل می‌دهد که سپس با اتم ۲O,
2ON را تشکیل می‌دهند. از این مقیاسها می‌توان برای تشریح اثر گازهای مختلف در جو استفاده نمود. اولین مورد، طول عمر جوی است که شرح می‌دهد چه مدت می‌گذرد تا در پی افزایشی کوچک در تمرکز گاز موجود در جو، سیستم تعادل خود را بازمی‌یابد. هر یک از ملکول‌ها ممکنست با منابعی همچون خاک، اقیانوسها، و سیستم‌های بیولوژیک مبادله شوند، اما طول عمر میانگین به تخریب گسترده آن‌ها اشاره می‌کند. هرکسی ممکنست بر این باور باشد که طول عمر جوی دی‌اکسید کربن تنها چند سال است به این دلیل این دوره، زمان متوسط برای هر مولکول از دی‌اکسید کربن است، پیش ازآن که درون اقیانوس ترکیب شود، یا در اثر عمل فتوسنتز و غیره به اکسیژن تغییر شکل یابد. این موضوع، جریانهای تعادلی
دی‌اکسید کربن را در داخل جو از دیگر منابع نادیده می‌گیرد. این تغییرات مقداری خالص در گازهای مختلف گلخانه‌ای از کلیه منابع و عوامل می‌باشد که طول عمر جوی را تعیین می‌کند، نه فقط فرآیندهای زدودن این مواد.
مقیاس دوم پتانسیل گرمایشی جهانی (GWP) است. میزان (GWP) به هردو موضوع کارایی مولکول به عنوان یک گاز گلخانه‌ای و طول عمر جوی آن بستگی دارد. (GWP)
نسبت به همان جرم از دی‌اکسید کربن و نیز برای یک مقیاس زمانی خاص سنجیده می‌شود. از این رو، اگر ملکولی دارای (GWP) بالایی در یک مقیاس کوتاه مدت باشد (مثلا۲۰سال) اما صرفا طول عمر کوتاهی داشته باشد، آن دارای میزان
(GWP) بالا در یک مقیاس ۲۰ساله می‌باشد اما همین مقدار برای مقیاس۱۰۰ساله پایین است. برعکس، در صورتی که ملکولی دارای طول عمر جوی بیشتری نسبت به
دی‌اکسید کربن باشد میزان (GWP) آن با زمان افزایش خواهد یافت.
نمونه‌هایی از طول عمر جوی و (GWP) برای تعدادی از گازهای گلخانه‌ای عبارتند از:
دی‌اکسید کربن | دی‌اکسید کربن دارای طول عمر جوی متغیری (تقریبا ۴۵۰–۲۰۰ سال برای دگرگونیهای اندک) می‌باشد. کار اخیر نشان می‌دهد که بازیابی مقدار فراوانی از دی‌اکسید کربن وارد شده به جو ناشی از سوزاندن سوختهای فسیلی باعث ایجاد طول عمر موثری حدود ده‌ها هزار سال برای آن خواهد شد.
دی‌اکسید کربن همواره دارای توان گرمایشی جهانی معادل ۱ است.
متان دارای طول عمر جوی ۳ ±۱۲ سال و GWP ۶۲ در طول۲۰سال، یا ۲۳ در طول۱۰۰سال و ۷ در طول۵۰۰ سال می‌باشد. کاهش GWP در کنار زمان‌های طولانی‌تر با این حقیقت همراه است که متان در اثر واکنشهای شیمیایی در جو به آب و دی‌اکسید کربن ۲ تجزیه می‌شود.
اکسید نیتروژن دارای طول عمر جوی ۱۲۰ سال و GWP ۲۹۶ در طول ۱۰۰سال است.
۱۲- CFC دارای طول عمر جوی ۱۰۰سال و نیز میزان GWP (۱۰۰) در هر ۱۰۶۰۰سال است.
۲۲- HCFC دارای طول عمر جوی ۱/۱۲سال و GWP (۱۰۰) در هر ۱۷۰۰سال می‌باشد.
تترا فلورومتان دارای طول عمر ۵۰۰۰۰ سال و GWP (۱۰۰) در هر ۵۷۰۰ سال است.
هگزافلورید سولفور دارای طول عمر جوی ۳۲۰۰ سال و GWP (۱۰۰) در هر ۲۲۰۰۰ سال می‌باشد.
آثار مرتبط
سنجش آلودگی در تروپوسفر ۲۰۰۰ میزان جهانیمونوکسید کربن
منوکسید کربن دارای یک اثر غیر مستقیم تابشی می‌باشد و از طریق واکنشهای شیمیایی با دیگر اجزای جوی (مانند رادیکال هیدروکسیل)، مقادیر متان و ازن در لایه جوی تروپوسفر| تروپوسفریک زمین را تخریب می‌کند. منوکسید کربن زمانی ایجاد می‌شود که سوختهای کربن دار بطور ناقص بسوزند. در اثر فرآیندهای طبیعی در جو، آن نهایتا به دی‌اکسید کربن اکسید می‌شود. مقادیر منوکسید کربن هم در جو دارای عمر کوتاه بوده و هم از لحاظ مکانی متغیر می‌باشند.
اثر غیر مستقیم بالقوه و مهم دیگر آن از متان ناشی می‌شود که علاوه بر فشار تابشی مستقیم آن به تشکیل ازن نیز کمک می‌کند. شیندل و دیگران (۲۰۰۵)
استدلال نموده‌اند که تاثیر متان در تغییرات اقلیمی دست کم دو برابر میزان شناخته شده در برآوردهای قبلی است.
یکی از اثرات گرم شدن جهانی این است که هم‌زمان با افزایش سطح دی‌اکسید کربن در جو، مقدار اسیدیته اقیانوسها هم زیاد می‌شود.
یکی از هشدار دهنده‌ترین همبستگیهای بالقوه بین گازهای گلخانه‌ای و گرم شدن جهان، موضوع تاریک شدن جهان است که به نظر می‌رسد اثر گرم شدن جهان را به دلیل سردتر شدن زمین از طریق تاریک شدن جهان، تحت الشعاع قرار دهد. (بپوشاند)
سوخت زیستی
کربن فعال
کربن خنثی
عملیات پاکسازی هوا
صرفه اقتصادی سوخت تعادلی یکپارچه (CAFE)
تاثیرات گرم‌شدن زمین
توافق‌نامه‌های محیط (زیست)
برنامه تغییر اقلیمی اروپا
بررسی تغییرات جوی جهان
پدیده گرم شدن جهانی
مجمع بین‌المللی تغییرات آب‌وهوایی سازمان ملل متحد
تحلیل هزینه چرخه حیات
ماساچوست در برابر سازمان محیط زیست
تعدیل (فرایند) گرم شدن جهان
برنامه کربن آمریکای شمالی
اسیدی شدن اقیانوسها
اعمال فشار تابشی
ابتکار (درباره) گاز گلخانه‌ای منطقه‌ای
انرژی تجدید پذیر
گرم شدن جهانی