Wiele różnych gazów składa się na atmosferę Ziemi. Sam azot stanowi 78 procent. Tlen, na drugim miejscu, stanowi kolejne 21 procent. Wiele innych gazów składa się na pozostały 1 procent. Niektóre z nich (takie jak hel i krypton) są chemicznie obojętne. Oznacza to, że nie wchodzą w reakcje z innymi. Inni gracze mają zdolność do działania jak koc dla planety. Są one znane jako gazy cieplarniane.
Jak okna w szklarni, gazy te zatrzymują energię słoneczną w postaci ciepła. Bez ich roli w tym efekcie cieplarnianym, Ziemia byłaby całkiem mroźna. Globalne temperatury wynosiłyby średnio około -18° Celsjusza (0° Fahrenheita), według Narodowej Administracji Oceanicznej i Atmosferycznej (NOAA). Zamiast tego, powierzchnia naszej planety wynosi średnio około 15°C (59°F), co czyni ją wygodnym miejscem do życia.
Od około 1850 roku działalność człowieka uwalnia dodatkowe gazy cieplarniane do powietrza. To powoli napędzało wzrost średnich temperatur na całym świecie. Ogólnie rzecz biorąc, średnia globalna z 2017 roku była o 0,9 stopnia C (1,6 stopnia F) wyższa niż w latach 1951-1980. Jest to oparte na obliczeniach NASA.
Stephen Montzka jest chemikiem badawczym z NOAA w Boulder, Colo. Istnieją cztery główne gazy cieplarniane, o które należy się martwić, mówi. Najbardziej znanym z nich jest dwutlenek węgla (CO2). Pozostałe to metan, podtlenek azotu i grupa, która zawiera chlorofluorowęglowodory (CFC) i ich zamienniki. (CFC to czynniki chłodnicze, które odegrały rolę w rozrzedzaniu ochronnej warstwy ozonowej na dużych wysokościach. Są one wycofywane w ramach globalnego porozumienia rozpoczętego w 1989 r.)
Educators and Parents, Sign Up for The Cheat Sheet
Cotygodniowe aktualizacje, które pomogą Ci wykorzystać Science News for Students w środowisku nauczania
Wiele związków chemicznych wpływa na klimat. Jednak, jak zauważa Montzka, te cztery gazy cieplarniane są tymi, „nad którymi mamy bezpośrednią kontrolę.”
Czynniki chemiczne ocieplające klimat
Każdy z gazów cieplarnianych, po wyemitowaniu, wznosi się w powietrze. Tam pomaga atmosferze zatrzymać ciepło. Niektóre z tych gazów zatrzymują więcej ciepła na cząsteczkę niż inne. Niektóre z nich pozostają w atmosferze dłużej niż inne. Dzieje się tak, ponieważ każdy z nich ma inne właściwości chemiczne – zauważa Montzka. Z czasem są one również usuwane z atmosfery przez różne procesy.
Nadmiar CO2 pochodzi głównie ze spalania paliw kopalnych – węgla, ropy i gazu ziemnego. Paliwa te są wykorzystywane do wszystkiego, od napędzania pojazdów i generowania energii elektrycznej do produkcji chemikaliów przemysłowych. W 2016 roku CO2 stanowił 81 procent gazów cieplarnianych emitowanych w Stanach Zjednoczonych. Inne substancje chemiczne są bardziej skuteczne w zatrzymywaniu ciepła w atmosferze. Ale CO2 jest najbardziej obfity z tych, które są uwalniane przez działalność człowieka. Trzyma się też najdłużej.
Część CO2 zostaje usunięta każdego roku przez rośliny w miarę ich wzrostu. Jednakże, dużo CO2 jest uwalniane podczas chłodniejszych miesięcy, kiedy rośliny nie rosną. CO2 może być również wyciągnięty z powietrza i wrzucony do oceanu. Organizmy żyjące w morzu mogą go przekształcić w węglan wapnia. Ostatecznie ten związek chemiczny stanie się składnikiem skał wapiennych, w których węgiel może być przechowywany przez tysiąclecia. Ten proces formowania się skał jest naprawdę powolny. Ogólnie rzecz biorąc, CO2 może zalegać w atmosferze od dziesięcioleci do tysięcy lat. Tak więc, wyjaśnia Montzka, „nawet jeśli przestalibyśmy emitować dwutlenek węgla dzisiaj, nadal obserwowalibyśmy ocieplenie z tego powodu przez bardzo długi czas.”
Metan jest głównym składnikiem gazu ziemnego. Jest on również uwalniany z wielu źródeł biologicznych. Należą do nich produkcja ryżu, odchody zwierząt, fermentacja krów i rozkład odpadów na wysypiskach. Metan odpowiada za około 10 procent emisji gazów cieplarnianych w Stanach Zjednoczonych. Każda cząsteczka tego gazu jest o wiele lepsza w zatrzymywaniu ciepła niż jedna cząsteczka CO2. Ale metan nie pozostaje w atmosferze tak długo. Ulega on rozkładowi w wyniku reakcji w atmosferze z rodnikami hydroksylowymi (neutralnie naładowanymi jonami OH utworzonymi ze związanych atomów tlenu i wodoru). „Skala czasowa usuwania metanu wynosi około dekady” – zauważa Montzka.
Tlenek azotu (N2O) stanowił 6 procent gazów cieplarnianych emitowanych przez Stany Zjednoczone w 2016 roku. Gaz ten pochodzi z rolnictwa, spalania paliw kopalnych i ludzkich ścieków. Nie pozwól jednak, aby jego niewielka ilość sprawiła, że zlekceważysz wpływ N2O. Gaz ten jest setki razy bardziej skuteczny w zatrzymywaniu ciepła niż CO2. N2O może również pozostawać w atmosferze przez prawie sto lat. Każdego roku, tylko około 1 procent unoszącego się w powietrzu N2O jest przekształcany przez rośliny zielone w amoniak lub inne związki azotu, które rośliny mogą wykorzystać. Więc to naturalne usuwanie N2O „jest naprawdę powolne”, mówi Montzka.
CFC i ich nowsze zamienniki są produkowane przez ludzi. Wiele z nich było używanych jako czynniki chłodnicze. Inne są używane jako rozpuszczalniki w reakcjach chemicznych i w aerozolach. Razem stanowiły one tylko około 3 procent emisji gazów cieplarnianych w USA w 2016 roku. Gazy te są usuwane tylko wtedy, gdy zostaną zamknięte w wysokiej warstwie atmosfery. W tej stratosferze wysokoenergetyczne światło bombarduje związki chemiczne, rozbijając je. Ale to może trwać dziesięciolecia, mówi Montzka.
Chemikalia na bazie fluoru, takie jak CFC, jak zauważa, „są silnymi gazami cieplarnianymi, w przeliczeniu na cząsteczkę”. Ale ich uwolnienia są tak niskie, że w porównaniu z CO2, ich ogólny wpływ jest dość mały. Redukcja emisji metanu, N2O i CFC pomoże spowolnić zmiany klimatyczne, zauważa Montzka. „Ale jeśli mamy zamiar rozwiązać ten problem, musimy zająć się CO2”, mówi. „Przyczynia się on najbardziej … i ma bardzo długi czas przebywania w atmosferze.”