Kasvuhooneefekt

Kasvuhooneefekt ehk kasvuhoonenähtus on kiirgusenergia ringkäigust tingitud elektromagnetilist kiirgust selektiivselt läbilaskva kihi all oleva keskkonna tasakaalulise temperatuuri tõus.
Kasvuhooneefekt on protsess, kus planeedi atmosfääri kiirgus soojendab planeedi pinda kõrgema temperatuurini kui ilma atmosfäärita planeedi puhul. Kui planeedi atmosfäär sisaldab kiirguslikult aktiivseid gaase (kasvuhoonegaasid), siis atmosfäär kiirgab energiat kõikidesse suundadesse. Osa sellest kiirgusest suundub maapinnale, soojendades seda.
Planeedil Maa liigub nähtava valguse lainepikkuste vahemikus olev päikesekiirgus suures osas läbi atmosfääri ning soojendab planeedi pinda. Maapind ise kiirgab energiat pikematel infrapuna-lainepikkustel. See infrapunakiirgus neeldub atmosfääris kasvuhoonegaasides ning ka need gaasid kiirgavad energiat, millest osa suundub maapinnale ning atmosfääri alumistesse kihtidesse, andes soojust tagasi. See mehhanism on saanud nime selle järgi, kuidas päikesekiirgus läbi klaasi liikudes soojendab kasvuhoonet. See, kuidas kasvuhoone soojust hoiab, on aga teise põhimõttega, isoleerides sooja õhu kasvuhoone sees nii, et kuumus ei kaoks konvektsiooni teel.
Kui ideaalne termaalselt konduktiivne absoluutselt must keha oleks sama kaugel Päikesest nagu Maa, oleks selle temperatuur umbes 5,3 °C. Aga kuna Maa peegeldab umbes 30% sissetulevast päikesekiirgusest, siis oleks selle idealiseeritud planeedi efektiivne temperatuur umbes −18 °C. Selle oletusliku planeedi pinnatemperatuur on 33 °C madalam Maa tegelikust pinnatemperatuurist, mis on umbes 14 °C. See temperatuuride vahe tuleneb atmosfääri olemasolust ning on tuntud kasvuhooneefektina.
Maa loomulik kasvuhooneefekt on vajalik elu jaoks. Inimtegevus, peamiselt fossiilkütuste põletamine ja metsade raiumine on suurendanud looduslikult esinevat kasvuhooneefekti, põhjustades globaalset soojenemist. 
Ajalugu.
1824. aastal esitas Joseph Fourier kasvuhooneefekti olemasolu kohta pooltväiteid. Claude Pouillet arendas pooltväiteid ja tõendeid aastatel 1827 ja 1838 ning aastal 1859 tõestas John Tyndall kasvuhooneefekti olemasolu eksperimentaalsete vaatlustega. Kasvuhooneefekti defineeris põhjalikumalt Svante Arrhenius aastal 1896. Need teadlased aga ei kasutanud terminit "kasvuhoone," seda kasutas esmakordselt Nils Gustaf Ekholm 1901. aastal.
Alexander Graham Bell kirjutas 1917. aastal: "Fossiilkütuste kontrollimata põletamine põhjustab kasvuhooneefekti." Bell propageeris ka alternatiivsete energiaallikate kasutamist, nagu päikeseenergia.
Mehhanism.
Maale saabub energia Päikeselt UV-, nähtava valguse ja lähiinfrapunakiirguse kujul, millest enamik liigub läbi atmosfääri ilma neeldumise ja peegeldumiseta. Kogu energiast, mis esineb atmosfääri ülapiiril, peegeldub atmosfäärist ja pilvedest kosmosesse tagasi umbes 26% ja 19% neeldub atmosfääris ja pilvedes. Enamik järgijäävast energiast neeldub Maa pinnal. Kuna maapind on soe, siis ta kiirgab kauginfrapunakiirgust. See koosneb lainepikkustest, mis on palju pikemad maapinnal neeldunud lainepikkustest. Atmosfäär kiirgab energiat nii ülespoole kui ka allapoole. Allapoole kiirguv osa neeldub Maa pinnal. See viib kõrgema temperatuurini võrreldes sellega, kui atmosfääri ei oleks.
Maapinnalähedane atmosfäär on soojuskiirgusele suuresti läbipaistmatu (tähtsa erandina "aknaribad") ja enamik soojust maapinnalt kaob tajutava soojuse ja peitsoojuse transpordiga. Kiirguslikud energiakaod on järjest suuremad kõrgemale atmosfääri minnes. See on suures osas sellepärast, et tähtsa kasvuhoonegaasi veeauru kontsentratsioon väheneb. Päike soojendab ainult päevasel ajal. Öösel atmosfäär mõnevõrra jahtub, aga mitte väga, sest soojusülekanne on väike. Ööpäevased temperatuurimuutused vähenevad kõrgusega atmosfääris.
Idealiseeritud kasvuhoonemudel muutub realistlikuks alas, kus kiirguslikud efektid on tähtsad: maapind soojendatuna 255 kelvinini kiirgab pikalainelist infrapunasoojust vahemikus 4–100 μm. Kasvuhoonegaasid neelavad kiirgust nendel lainepikkustel, kuid on suuresti läbipaistvad sissetulevale päikesekiirgusele. Iga kasvuhoonegaasidega atmosfäärikiht neelab osa soojusest, mis kiirgub ülespoole alumistest kihtidest. Need kihid kiirgavad uuesti igas suunas, nii üles kui ka alla, võrdeliselt samas koguses, mida nad olid neelanud. Selle tulemusena on rohkem soojust allpool. Suurendades nende kasvuhoonegaaside kontsentratsiooni, suurenevad neeldumine ja uuestikiirgumine, kihid soojenevad enam ja lõpptulemusena ka maapind.
Kasvuhoonegaasid, kaasa arvatud enamik kahe eri aatomiga gaase (nagu näiteks süsinikmonoksiid, CO) ja kõik kolme või enama aatomiga gaasid, on võimelised neelama ja kiirgama infrapunakiirgust. Kuigi rohkem kui 99% kuivast atmosfäärist on infrapunale läbipaistev (sest põhimoodustajad N2, O2 ja Ar ei ole võimelised otseselt neelama või kiirgama infrapunakiirgust), siis molekulidevahelised kokkupõrked tekitavad kasvuhoonegaase, mis on võimelised neelama ja kiirgama infrapunakiirgust, jagama energiat teiste infrapunaalas mitteaktiivsete gaasidega.
Kasvuhoonegaasid.
Nelja põhilise kasvuhoonegaasi panus kasvuhooneefekti protsentuaalselt on järgmine:
Täpse protsendi määramine igale gaasile ei ole füüsikaliselt realistlik, sest nende neeldumis- ja kiirgumisribad kattuvad (sellepärast protsentide vahemik). Suure panuse kasvuhooneefektile annavad pilved, mis ka neelavad ja kiirgavad infrapunakiirgust ja seeläbi mõjutavad atmosfääri kiirguslikke omadusi.
Veeauru hulka atmosfääris saab inimtegevus mõjutada ainult kaudselt – maakasutuse muutused ja metsaraie muudavad aurumist, atmosfääri saastamisega lisandub kondensatsioonituumi, mis soodustavad sademete teket. Fossiilkütuste põletamine suurendab süsihappegaasi hulka atmosfääris. Kariloomade arvu kasvades satub atmosfääri suurem kogus metaani. Nii tugevdab inimtegevus Maa atmosfääri kasvuhooneefekti.
Roll kliimamuutuses.
Kasvuhooneefekti tugevnemist inimtegevuse tõttu nimetatakse suurenenud (või antropogeenseks) kasvuhooneefektiks. Kasvuhooneefekti tugevnemine on põhiliselt põhjustatud atmosfääri CO2-taseme tõusust, mida on hoogustanud inimtegevus. 2014. aasta Valitsustevaheline Kliimamuutuste Nõukogu hindamisaruande järgi on alates 20. sajandi keskpaigast Maa keskmine temperatuur tõusnud peamiselt antropogeensete kasvuhoonegaaside tõttu.
CO2 tekib fossiilkütuste põletamisel, aga ka näiteks tsemendi tootmisel ja troopiliste metsade raiumisel. CO2 mõõtmised Mauna Loa observatooriumis näitavad, et kontsentratsioon on suurenenud 1960.–2010. aastatel 313 ppm-lt 389 ppm-ni. 400 ppm piir ületati 2013. aasta 9. mail. Praegune vaadeldav CO2 kogus ületab jääsüdamike andmetel põhineva geoloogilise rekordi (~300 ppm).
Jääsüdamike uuringud näitavad, et viimase 800 000 aasta jooksul on CO2 kontsentratsioon varieerunud 180 ppm-st industriaalaja eelse tasemeni 270 ppm. Paleoklimatoloogid arvavad, et selles ajaskaalas on CO2 kontsentratsiooni muutused kliimamuutuse põhitegur.
Ehtsad kasvuhooned.
Kasvuhooneefekt on nimetatud kasvuhoonete järgi, mis samuti soojenevad päikesekiirguse toimel. Enamik allikaid seletab soojemat temperatuuri päriskasvuhoones järgmiselt: langev päikesekiirgus nähtavas, pikalainelises ultraviolett- ja lühilainelises infrapunaalas liigub läbi klaaskatuse ja -seinte ning neeldub põrandas ja mullas, mis soojenevad ning kiirgavad ise pikemalainelist infrapunakiirgust. Klaas ja teised kasvuhoone seinamaterjalid ei lase infrapunakiirgust endast läbi, seega ei pääse energia välja. Kuna hoone ei ole atmosfäärile avatud, siis ei saa soojus lekkida konvektsiooni teel ning kasvuhoones temperatuur tõuseb. Infrapunasele läbipaistmatute kasvuhoonegaaside tõttu mõjutab kasvuhooneefekt kogu Maad. Konvektiivset jahtumist ei toimu, kuna õhk jääb Maale. Ometi oluline eksperiment näitab, et kasvuhoone ei soojene ainult kasvuhooneefekti tõttu. Kasvuhoones soojendab Päike pindu hoone sees ja neeldunud soojus ei lahku konvektsiooni tõttu. Kasvuhooneefekt soojendab Maad, kuna kasvuhoonegaasid neelavad väljaminevat kiirgusenergiat, soojendades atmosfääri, mis kiirgab osa energiat tagasi Maale.
Kasvuhooneid ehitatakse igast materjalist, mida päikesekiirgus läbib, tavaliselt klaasist või plastmassist. Päike soojendab neid materjale ja maad, mis omakorda soojendavad õhku. Õhk soojeneb edasi, kuna see on suletud kasvuhoonesse, erinevalt keskkonnast väljaspool kasvuhoonet, kus soe õhk pinna lähedal tõuseb ja seguneb jahedama õhuga. Seda võib demonstreerida, avades kasvuhoones väikese akna: temperatuur langeb märgatavalt. Robert W. Wood tõestas 1909. aasta eksperimendis, et kasvuhoone, mille katteks on haliit (mis on infrapunasele läbipaistev), soojeneb sarnaselt klaaskattega kasvuhoonega. Nõnda toimivad kasvuhooned, hoides ära konvektiivset jahtumist.
Seevastu kasvuhooneefekti puhul ei soojenda Maad mitte õhu liikumise füüsiline takistamine, vaid asjaolu, et kasvuhoonegaasid kiirgavad osa energiast maapinnale tagasi. Kasvuhooneefekti võib kasvuhoones küll esineda, kuid ei ole seal keskse tähtsusega.
Teised taevakehad.
Päikesesüsteemis esineb kasvuhooneefekti Marsil, Veenusel ja Titanil. See on eriti suur Veenusel tänu atmosfäärile, mis koosneb põhiliselt tihedast süsinikdioksiidist. Titanil on vastupidine kasvuhooneefekt: tema atmosfäär neelab päikesekiirgust, aga on läbipaistev infrapunakiirgusele. Pluuto on külmem kui varem arvati, kuna seda jahutab lämmastiku aurumine.
Kasvuhoonegaasid Eestis.
Kogu maailma lõikes toodab Eesti kasvuhoonegaase väga vähe ning Euroopa Liidus moodustavad Eesti heitkogused liikmesriikidest 0,4%.
Arvestades maakasutuse ja metsanduse sektori (ingliskeelse terminiga "LULUCF"; "land use, land-use change, and forestry") mõju oli 2012. aastal Eestis netoemissioon umbes 21,4 miljonit tonni süsinikdioksiidi ekvivalenti. "LULUCF"i mõju arvestamata oli Eestis 2013. aastal kasvuhoonegaaside heitkogus 45,7% võrra väiksem kui 1990. aastal.
Eesti kasvuhoonegaaside emissioonist tuli 2013. aastal 86,7% energiasektorist, mis on Eesti suurim kasvuhoonegaaside allikas. Nendest heitkogustest enamik pärineb fossiilkütuste kasutamisest elektri ja soojuse tootmisel. Teisel kohal on põllumajandus, mille heitkogused moodustasid 5,8% kasvuhoonegaaside emissioonist. Põllumajanduse koguemissioonist tekib enamik kariloomade soolesisesel käärimisel ja otsesel lendumisel põllumajandusmaalt. Kolmandal kohal on tööstusprotsessid ja tööstustoodete kasutamine (tsemendi ja lubja tootmine on peamine CO2 allikas), mis moodustavad 5% kasvuhoonegaaside heitkogustest. Järgneb jäätmekäitluse valdkond, kust tuleb 1,7%. Kõige suurem osa emissioone jäätmekäitluses tekib tahkete jäätmete ladestamisel.
Kasvuhoonegaaside osakaal summaarsest kasvuhoonegaaside heitkogusest 2013. aastal:
1) CO2 – 90,3% (19,6 miljonit tonni CO2)
2) metaan (CH4) – 5,1% (1,1 miljonit tonni CO2 ekv)
3) dilämmastikoksiid (N2O) – 3,6% (0,8 miljonit tonni CO2 ekv)
4) fluoreeritud kasvuhoonegaasid ehk nn F-gaasid (HCF, PFC, SF6) – 1% (0,2 miljonit tonni CO2 ekv)