แก๊สเรือนกระจก

แก๊สเรือนกระจก (อังกฤษ: greenhouse gas) หรือบางครั้งเรียกย่อๆว่า GHG คือแก๊สในบรรยากาศที่ดูดซับและปลดปล่อยรังสีภายในช่วงความถี่ (คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) อินฟราเรดร้อน (อังกฤษ: thermal infrared range) ทำให้เกิดการสูญเสียความร้อนบางส่วนออกสู่ห้วงอวกาศภายนอกและปลดปล่อยความร้อนกลับสู่พื้นผิวโลก ขบวนการนี้จึงเป็นสาเหตุพื้นฐานของปรากฏการณ์เรือนกระจก (อังกฤษ: Greenhouse effect) แก๊สเรือนกระจกมีความจำเป็นและมีความสำคัญต่อการรักษาระดับอุณหภูมิของโลก หากปราศจากแก๊สเรือนกระจก โลกจะหนาวเย็นจนสิ่งมีชีวิตอยู่อาศัยไม่ได้ อุณหภูมิในโลกจะต่ำกว่าปัจจุบันที่ 14 °C (57 °F) ลงอีก 33 °C (59 °F) แต่การมีแก๊สเรือนกระจกมากเกินไปก็เป็นเหตุให้อุณหภูมิสูงขึ้นถึงระดับเป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตดังที่เป็นอยู่กับบรรยากาศของดาวศุกร์ซึ่งมีบรรยากาศที่ประกอบด้วยคาร์บอนไดออกไซด์มากถึงร้อยละ 96.5 มีผลให้อุณหภูมิผิวพื้นร้อนมากถึง 467 °C (872 °F) คำว่า “แก๊สเรือนกระจก” บนโลกหมายถึงแก๊สต่าง ๆ เรียงตามลำดับความอุดมคือ ไอน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน ไนตรัสออกไซด์ และ คลอโรฟลูโอโรคาร์บอน (Chlorofluorocarbon) แก๊สเรือนกระจกเกิดเองตามธรรมชาติและจากกระบวนการอุตสาหกรรมซึ่งปัจจุบันทำให้ระดับคาร์บอนไดออกไซด์มีในบรรยากาศ 380 ppmv และที่ปรากฏในแกนน้ำแข็งตัวอย่าง (ดูแผนภูมิ) จะเห็นว่าระดับของคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศปัจจุบันสูงกว่าระดับเมื่อก่อนยุคอุตสาหกรรมประมาณ 100 ppmv บทความหลัก: ปรากฏการณ์เรือนกระจก เมื่อแสงอาทิตย์ส่องถึงผิวโลก บางส่วนจะถูกดูดกลืนไว้และทำให้ผิวพื้นโลกอุ่นขึ้น บางส่วนจะสะท้อนกลับ เนื่องจากผิวโลกเย็นกว่าผิวดวงอาทิตย์มากส่วนที่สะท้อนกลับจึงแผ่กระจายพลังงานที่มีช่วงคลื่นยาวกว่ารังสีจากดวงอาทิตย์ โดยมีช่วงยาวมากสุดที่แถบความถี่ในช่วงอินฟราเรดหรือที่ประมาณ 10 µm. 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 รวมถึงแต่ไม่จำกัดเฉพาะได้แก่ ไนตรัสออกไซด์ (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 แก๊สเรือนกระจกเกือบทั้งหมดมีที่มาจากทั้งธรรมชาติและเกิดจากกิจกรรมของมนุษย์ ในระหว่างยุคโฮโลซีน (holocene) ซึ่งเป็นยุคก่อนอุตสาหกรรม การสะสมของแก๊สต่าง ๆ ในบรรยากาศค่อนข้างอยู่ตัว นับตั้งแต่ยุคการปฏิวัติอุตสาหกรรมเป็นต้นมา การสะสมของแก๊สบางชนิดเพิ่มปริมาณขึ้น มีหลักฐานบ่งชัดว่าการเพิ่มเกิดจากกิจกรรมของมนุษย์มากกว่าการเกิดตามธรรมชาติ ตัวอย่างแกนน้ำแข็ง (Ice core) ได้ให้หลักฐานที่แสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงขึ้นลงของการสะสมของแก๊สเรือนกระจกในบรรยากาศของโลกในช่วง 800,000 ปี ที่ผ่านมาทั้ง CO2 และ CH4 ผันแปรระหว่างยุคน้ำแข็งและยุคระหว่างยุคน้ำแข็ง (interglacial phases) ซึ่งการสะสมของแก๊สเหล่านี้สัมพันธ์อย่างชัดเจนกับระดับอุณหภูมิ ก่อนหน้านี้การวัดปริมาณโดยตรงอย่างที่ได้จากตัวอย่างแกนน้ำแข็งยังไม่มี การวัดโดยใช้วิธีแบบจำลองและการใช้ตัวแทนแสดงให้เห็นการผันแปรค่อนข้างมาก เมื่อ 500 ล้านปีก่อนระดับของ CO2 มีปริมาณสูงกว่าปัจจุบันมากกว่า 10 เท่า ความจริงแล้วเชื่อกันว่าการสะสมที่สูงมากของ CO2 มีมาตลอด ยุคฟาเนอโรโซอิ (Phanerozoic eon) โดยมีปริมาณการสะสม 5-6 เท่าของปริมาณในบรรยากาศปัจจุบันในยุคเมโสโซอิก และ 10-15 เท่าในยุคพาเลโอโซอิก (Palaeozoic era) ตอนต้นและต่อเนื่องมาถึงยุคเดโวเนียน (Devonian period) ประมาณ 400 ล้านปีก่อน   การกระจายขยายตัวของพืชบนบกได้ลดปริมาณการสะสม CO2 ในช่วงปลายยุคเดโนเวียน การทำหน้าที่ของพืชทั้งด้านการเป็นแหล่งเกิดและแหล่งเก็บกักของ CO2การเป็นปัจจัยสำคัญในการสร้างสเถียรภาพการป้อนกลับ ในช่วง 200 ล้านปีก่อนหน้านั้นได้เกิดยุคน้ำแข็งกลับไปกลับมาจนมีน้ำแข็งปกคลุมเกือบถึงเส้นศูนย์สูตร (เรียกกันว่าโลกก้อนหิมะ Snowball Earth) และได้เกิดการหยุดอย่างกะทันหันเมื่อประมาณ 500 ล้านปีก่อนจากการระเบิดอย่างมหาศาลของภูเขาไฟที่ได้ปลดปล่อย CO2ออกมาทำให้ปริมาณของมันพุ่งขึ้นถึงร้อยละ 12 อย่างกะทันหัน หรือเท่ากับประมาณ 120 เท่าของปัจจุบัน ส่งผลให้เกิดปรากฏการณ์เรือนกระจกและการเกิดคาร์บอเนต เช่น หินปูน ในอัตราสูงถึงประมาณ 1 มิลลิเมตรต่อวัน เหตุการณ์ใหญ่ในครั้งนี้ได้ปิดบรมยุคพรีแคมเบรียนลงและทดแทนโดยยุคฟาเนโรโซอิก (Phanerozoic) ที่ร้อนกว่า ที่ซึ่งเป็นยุคที่สัตว์และพืชหลายเซลล์เริ่มวิวัฒนาการขึ้น หลังยุคนี้ก็ไม่มีการปลดปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ในจำนวนมหาศาลอย่างนี้ออกมาอีก และ ณ ปัจจุบัน การปลดปล่อยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จากภูเขาไฟสู่บรรยากาศยังมีปริมาณการปลดปล่อยน้อยกว่ากิจกรรมของมนุษย์ นับตั้งแต่ประมาณ พ.ศ. 2300 เป็นต้นมากิจกรรมของมนุษย์ได้เพิ่มปริมาณการสะสมคาร์บอนไดออกไซด์และแก๊สเรือนกระจกที่สำคัญชนิดอื่นๆ มากขึ้น  แหล่งเกิดตามธรรมชาติของคาร์บอนไดออกไซด์ในตอนแรกมีปริมาณสูงกว่าจากกิจกรรมมนุษย์ประมาณ 20 เท่า  แต่ปริมาณจากธรรมชาติดังกล่าวอยู่ในภาวะสมดุลด้วยการกักเก็บตามธรรมชาติ เช่นจากการกร่อนสลายของหินบนแผ่นดินและจากการสังเคราะห์แสงของพืชและแพลงค์ตอนในทะเลที่ดึงคาร์บอนไดออกไซด์ไปเก็บกักไว้ และจากผลของการสมดุลนี้ ทำให้ปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์คงที่อยู่ระหว่าง 260 และ 280 ส่วนในล้านส่วนเป็นเวลาต่อเนื่องประมาณ 10,000 ปีระหว่างการหมดยุคน้ำแข็งและเมื่อเริ่มยุคอุตสาหกรรม แหล่งเกิดแก๊สเรือนกระจกจากกิจกรรมของมนุษย์รวมถึง: แหล่งทั้งเจ็ดของ CO2 จากการเผาใหม้เชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์ได้แก่ (เป็นร้อยละของปริมาณที่ปล่อยใน พ.ศ. 2543 – 2547): หน่วยงาน อีพีเอ ของสหรัฐ จัดอันดับผู้ปล่อยแก๊สเรือนกระจกของ ภาคส่วนผู้ใช้ขั้นสุดท้าย (end-user sectors) ไว้เป็นลำดับดังนี้คือ: อุตสาหกรรม, การขนส่ง, การพักอาศัย, พาณิชยกรรมและเกษตรกรรม แหล่งปลดปล่อยแก๊สเรือนกระจกรายบุคคลเกิดจากการให้ความอบอุ่นและการทำความเย็นในอาคาร การใช้ไฟฟ้าและการขนส่ง มาตรการการอนุรักษ์เพื่อแก้ไขได้แก่การใช้ฉนวนกันความร้อนสำหรับอาคาร การใช้หลอดฟลูออเรสเซนแบบประหยัดและการเลือกซื้อรถยนต์ที่กินน้ำมันน้อย คาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน ไนตรัสออกไซด์และกลุ่มทั้ง 3 ของแก๊สฟลูโอริเนต (fluorinated gas) ได้แก่ ซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์ (sulfur hexafluoride, ไฮโดรฟลูโอโรคาร์บอน (HFC) และเพอฟลูโอโรคาร์บอน PFCs) นับเป็นแก๊สเรือนกระจกที่กำหนดไว้ในพิธีสารเกียวโต ซึ่งได้ถึงกำหนดการบังคับใช้ใน พ.ศ