Sera gazı ve Dünyaya etkileri

    Sera gazı , absorbe etme özelliğine sahip herhangi bir gaz Kızılötesi radyasyon (net ısı enerjisi ), Dünya yüzeyinden yayılan ve onu tekrar Dünya yüzeyine yayan, böylece sera etkisi . Karbondioksit , metan ve su buharı en önemli sera gazlarıdır. (Daha az ölçüde, yüzey seviyesindeki ozon , azot oksitler ve florlu gazlar da kızılötesi radyasyonu yakalar.)

    Sera gazları , tüm atmosferik gazların yalnızca bir kısmını oluşturmasına rağmen, Dünya sisteminin enerji bütçesi üzerinde derin bir etkiye sahiptir . Sera gazlarının konsantrasyonları, Dünya tarihi boyunca önemli ölçüde değişmiştir ve bu varyasyonlar, önemli ölçüdegeniş bir zaman ölçeğinde iklim değişiklikleri . Genel olarak, sera gazı konsantrasyonları özellikle sıcak dönemlerde yüksek ve soğuk dönemlerde düşük olmuştur.

    Bir dizi süreç sera gazı konsantrasyonlarını etkiler. Tektonik faaliyetler gibi bazıları milyonlarca yıllık zaman dilimlerinde işlerken, bitki örtüsü, toprak , sulak alan ve okyanus kaynakları ve lavabolar gibi diğerleri yüzlerce ila binlerce yıllık zaman dilimlerinde faaliyet gösterir. İnsan faaliyetleri - özellikle fosil yakıt yakmaSanayi Devrimi — özellikle karbondioksit, metan, ozon ve çeşitli sera gazlarının atmosferik konsantrasyonlarındaki istikrarlı artışlardan sorumludur.kloroflorokarbonlar (CFC'ler).

   Dünyanın çeşitli atmosferik gaz moleküllerinin temel fiziksel ve kimyasal özellikleri hakkında bilgi edinin. Bu moleküllerin bazıları, özellikleri, gün boyunca Dünya yüzeyi tarafından emilen ısı enerjisinin, geceleri uzaya geri salınmasını yavaşlatmaya yardımcı olan, sera gazları adı verilen bir atmosferik gaz kategorisine aittir.

   Her sera gazının Dünya'nın iklimi üzerindeki etkisi, kimyasal yapısına ve atmosferdekinispi konsantrasyonuna bağlıdır . Bazı gazların kızılötesi radyasyonu emme kapasitesi yüksek veya önemli miktarlarda bulunurken, diğerleri önemli ölçüde daha düşük absorpsiyon kapasitelerine sahiptir veya yalnızca eser miktarlarda oluşur.

    Hükümetlerarası İklim Değişikliği Paneli (IPCC) tarafından tanımlandığı şekliyle ışınımsal zorlama , belirli bir sera gazının veya diğer iklim faktörlerinin (güneş ışınımı veya albedo gibi ) Dünya yüzeyine çarpan ışıma enerjisi miktarı üzerindeki etkisinin bir ölçüsüdür . Her bir sera gazının göreceli etkisini anlamak için, 1750 ile günümüz arasındaki zaman periyodu için hesaplanan (metrekare başına watt olarak verilen) sözde zorlama değerleri aşağıda verilmiştir.

Başlıca sera gazları

   Su buharı, Dünya atmosferindeki en güçlü sera gazıdır , ancak davranışı diğer sera gazlarından temel olarak farklıdır. Su buharının birincil rolü, ışınımsal zorlamanın doğrudan bir aracı olarak değil, daha çok bir iklim geri bildirimi olarak, yani iklim sistemi içinde sistemin devam eden faaliyetini etkileyen bir yanıt olarak. 

    Bu ayrım, atmosferdeki su buharı miktarının genel olarak doğrudan insan davranışıyla değiştirilemeyeceği , bunun yerine hava sıcaklıkları tarafından ayarlandığı için ortaya çıkar . Yüzey ne kadar sıcak olursa, buharlaşma o kadar büyük oluryüzeyden su oranı. Sonuç olarak, artan buharlaşma, alt atmosferde kızılötesi radyasyonu emebilen ve yüzeye geri yayan daha büyük bir su buharı konsantrasyonuna yol açar .

Karbon dioksit

   Karbondioksit (CO 2 ) en önemli sera gazıdır. Atmosferik CO doğal kaynaklardan 2 den gaz çıkışının içerir volkan , yanma ve organik madde doğal çürüme ve solunum aerobik (göre oksijen kullanma olayı) organizmalar. Bu kaynaklar CO kaldırma eğilimi “lavabolar,” adı verilen, fiziksel, kimyasal veya biyolojik işlemlerle, bir dizi ile, ortalama olarak dengeli olan 2 den atmosferi . Önemli doğal lavabolar CO alır karasal bitki dahil 2 boyunca fotosentez .

    Karbon atmosfer, hidrosfer ve jeolojik oluşumlar yoluyla çeşitli şekillerde taşınır. Karbondioksit (CO 2 ) değişiminin birincil yollarından biri atmosfer ve okyanuslar arasında gerçekleşir; orada ortak bir fraksiyon 2karbonik asit (H oluşturan, su ile birleştirir, 2 CO 3 , daha sonra, hidrojen iyonları kaybeder) (H + formu, bikarbonat) (HCO 3 - ) ve karbonat (CO 3 2- ) iyonları. Kalsiyum ya da karbonat ile diğer metal iyonlarının reaksiyonu vasıtasıyla bir şekilde jeolojik katmanında gömülü ve sonunda CO serbest hale gelebileceği, yumuşakça kabukları veya mineral çökeltiler 2volkanik gaz çıkışı yoluyla. Karbondioksit ayrıca bitkilerde fotosentez ve hayvanlarda solunum yoluyla da değişir. Ölü ve fermente ve CO serbest organik madde çürüyen 2 ya da metan (CH 4 ) ya da fosil yakıt dönüştürülür tortul kaya içine dahil edilebilir. Hidrokarbon yakıtların yanması CO döner 2 ve su (H 2 O) atmosfere. Biyolojik ve antropojenik yollar, jeokimyasal yollardan çok daha hızlıdır ve sonuç olarak atmosferin bileşimi ve sıcaklığı üzerinde daha büyük bir etkiye sahiptir.

     Bir dizi okyanus süreci de karbon yutağı görevi görür . Bu tür bir işlem, “çözünürlük pompası” yüzey iniş içeren deniz suyu CO çözündürülmüş 2 . Diğer bir işlem, “biyolojik pompa,” çözülmüş CO alımını kapsar 2 deniz bitki tarafından fitoplankton üst okyanusta veya diğer deniz organizmaları tarafından canlı (serbest yüzen, fotosentetik organizmaların, küçük) kullanan CO 2 yapı iskelet ve diğer Kalsiyum karbonattan(CaCO 3 ) oluşan yapılar . Bu organizmaların süresi doldukça ve düştükçeokyanus tabanına, karbonları aşağı doğru taşınır ve sonunda derinlere gömülür. Arka plan, veya CO doğal, seviyesine, bu doğal kaynaklardan ve lavabolar hat arasında uzun süreli bir denge 2 atmosferde.

     Bunun aksine, insan aktiviteleri atmosferik CO artırmak 2 esas yakılmasıyla seviyeleri fosil yakıtların (özellikle yağ ve kömür , ve ikinci olarak , doğal gaz taşıma, ısıtma ve kullanım için, elektrik üretimi) ve üretim yoluyla çimento . Diğer antropojenikkaynaklar, ormanların yakılmasını ve arazinin temizlenmesini içerir. Antropojenik emisyonlar şu anda atmosfere yılda yaklaşık 7 gigaton (7 milyar ton) karbon salınımından sorumludur. İnsan eliyle emisyon toplam CO emisyonu yaklaşık yüzde 3 eşittir 2 ve insan faaliyetlerinden kaynaklanan bu yükseltilmiş karbon yükü, doğal yutakların dengeleme kapasitesini çok aşıyor (belki de yılda 2-3 gigaton kadar).

    CO 2 sonuç olarak 1959 ve 2006 ve 2006 ve 2018 Genel arasında yılda yaklaşık 2.0 ppm arasında yılda hacimle milyon (ppm) başına 1.4 parça arasında bir ortalama hızda bir atmosferde birikmiş, birikim bu oran (yani doğrusal olmuştur yani, zaman içinde tekdüze). Ancak, okyanuslar gibi bazı mevcut yutaklar gelecekte kaynak haline gelebilir. Bu atmosferik CO konsantrasyonu bir duruma yol açabilir 2 (aynı zamanda zamanla artmaktadır artış bir oranda olduğu) artan bir oranda oluşturur.

    Karbondioksitin doğal arka plan seviyesi, volkanik aktivite yoluyla gaz çıkışındaki yavaş değişimler nedeniyle milyonlarca yıllık zaman dilimlerinde değişir . Örneğin, yaklaşık 100 milyon yıl önce, sırasında Kretase Dönemi , CO 2 konsantrasyonları (belki yakın 2.000 ppm) bugünden daha yüksek olmuştur birkaç kez var görünüyor. Son 700.000 yılda, CO 2 konsantrasyonları geliyor ve gidiş bağlantılı aynı toprak yörünge etkileri ile bağlantılı olarak (yaklaşık 180 ve 300 ppm arasında) çok daha az bir aralık içinde değiştirilebilir olan buz yaş arasında pleistosen döneminin . 21. yüzyılın başlarında, CO tarafından 2seviyeler 384 ppm'ye ulaştı, bu da Sanayi Devrimi'ninbaşlangıcında var olan kabaca 280 ppm'lik doğal arka plan seviyesinin yaklaşık yüzde 37 üzerinde . Atmosferik CO 2 seviyeleri artmaya devam etti ve 2018 itibariyle 410 ppm'e ulaştı. Göre buz çekirdeği ölçümleri, bu seviyeleri, en azından 5,000,000 yıl içinde en yüksek olabilir, diğer kanıt hatlarına göre, en az 800.000 yıl içinde en yüksek olduğu düşünülmektedir ve edilmektedir.

   Karbondioksitin neden olduğu ışınımsal zorlama , bu gazın atmosferdeki konsantrasyonu ile yaklaşık olarak logaritmik bir şekilde değişir . Logaritmik bir ilişki bir sonucu olarak ortaya çıkar doyma CO gibi, giderek daha zor hale gelir, burada etki 2konsantrasyonları artar ek CO, 2 molekülü daha etkisi “kızılötesi penceresi” (belirli bir dar bant dalga boyu olmayan enfraruj bölgesinde atmosferik gazlar tarafından emilir). Logaritmik bir ilişki yüzey ısınma potansiyeli CO her iki katına için aşağı yukarı aynı miktar artacağını öngörüyor 2 konsantrasyonu. Mevcut fosil yakıt oranlarındaKullanım, bir CO çiftleme 2 preindustrial seviyeleri üzerinde konsantrasyonları (CO 21. yüzyılda orta ile gerçekleşebilir beklenen 2 konsantrasyonu 560 ppm ulaşması beklenen). CO iki katına çıkarılması 2 konsantrasyonları ışınımsal zorlama metre karesi başına yaklaşık 4 watt bir artış temsil etmektedir. Dengeleyici faktörlerin yokluğunda tipik "iklim duyarlılığı" tahminleri göz önüne alındığında, bu enerji artışı, sanayi öncesi zamanlara göre 2 ila 5 °C (3,6 ila 9 °F) ısınmaya yol açacaktır. Antropojenik CO tarafından zorlama toplam ışınım 2 emisyonları sanayi çağının başlangıcından beri metrekare başına yaklaşık 1,66 Watt.

Metan

   Metan (CH 4 ) ikinci en önemli sera gazıdır. CH 4 CO daha güçlü olan 2 için ışınımsal molekül başına üretilen daha büyüktür. Buna ek olarak, kızıl ötesi pencere daha az aralığında da doymuş dalga boyları arasında radyasyon CH tarafından absorbe 4 , bu nedenle daha fazla molekülleri bölgede doldurabilir. Bununla birlikte, CH 4 CO çok daha düşük konsantrasyonlarda var 2 içinde atmosfer yerine ppm'den daha ve atmosfer hacmi ile onun konsantrasyonu, genel olarak milyar (ppb) başına parça cinsinden ölçülür. CH 4Ayrıca CO daha atmosferde önemli ölçüde daha kısa bir ikamet süresine sahiptir 2 (CH kalma süresi 4 CO yüzlerce yıldır ile karşılaştırıldığında, yaklaşık 10 yıldır 2 ).

    Doğal metan kaynakları arasında tropikal ve kuzey sulak alanları , termitler tarafından tüketilen organik maddelerle beslenen metan oksitleyici bakteriler , volkanlar , organik tortu bakımından zengin bölgelerde deniz tabanının sızan menfezleri ve okyanusların kıta sahanlıkları boyunca hapsolmuş metan hidratlar bulunur . kutupsal permafrost . Metan kökü, hidroksil (OH kolaylıkla reaksiyona girer olarak metan birincil doğal lavabo, atmosfer kendisi - ) içinde troposfer CO oluşturmak üzere 2 ve su buharı (H 2O). CH 4 ulaştığında stratosfer , yok edilir. Başka bir doğal lavabo, metanın bakteriler tarafından oksitlendiği topraktır .

     CO olduğu gibi 2 , insan aktivitesi CH artmaktadır 4 doğal lavabolar telafi daha hızlı bir şekilde konsantrasyon. Antropojenik kaynaklar şu anda toplam yıllık emisyonların yaklaşık yüzde 70'ini oluşturuyor ve zaman içinde konsantrasyonda önemli artışlara yol açıyor. Atmosferik CH ana insan kökenli kaynaklar 4 olan pirinç ekimi, hayvancılık , yanma kömür ve doğal gaz , yanma bölgesinin biyokütleve çöplüklerdeki organik maddenin ayrışması. Gelecekteki eğilimleri tahmin etmek özellikle zordur. Bu kısmen CH 4 emisyonlarıyla ilişkili iklim geri bildirimlerinin eksik anlaşılmasından kaynaklanmaktadır . İnsan Buna ek olarak, popülasyonlar büyür, canlı hayvan yetiştirme, pirinç ekimi ve ne kadar olası değişiklikler tahmin etmek zordur enerji için CH etkileyecektir 4 emisyon.

    Atmosferdeki metan konsantrasyonundaki ani bir artışın, Paleosen olarak adlandırılan dönemde birkaç bin yılda ortalama küresel sıcaklıkları 4-8 °C (7,2-14,4 °F) artıran bir ısınma olayından sorumlu olduğuna inanılmaktadır. -Eosen Termal Maksimum (PETM). Bu olay yaklaşık 55 milyon yıl önce gerçekleşti ve CH 4'teki artış, metan içeren taşkın birikintileriyle etkileşime giren devasa bir volkanik patlamayla ilgili gibi görünüyor. Bunun bir sonucu olarak, gaz halindeki CH büyük miktarlarda 4 atmosfer içine enjekte edilmiştir. Bu konsantrasyonların ne kadar yüksek olduğunu veya ne kadar sürdüğünü tam olarak bilmek zordur. Çok yüksek konsantrasyonlarda, CH bekleme süreleri 4atmosferde çok daha büyük olabilirbugün geçerli olan nominal 10 yıllık ikamet süresi. Bununla birlikte, bu konsantrasyonların PETM sırasında birkaç ppm'ye ulaşması muhtemeldir.

    Metan konsantrasyonları ayrıca Pleistosen buzul çağı döngüleriyle bağlantılı olarak daha küçük bir aralıkta (yaklaşık 350 ila 800 ppb arasında) değişiklik göstermiştir . Atmosferdeki endüstri öncesi CH 4 seviyeleri yaklaşık 700 ppb iken, seviyeler 2018'in sonlarında 1.867 ppb'yi aştı. (Bu konsantrasyonlar, en azından son 650.000 yılda gözlemlenen doğal seviyelerin oldukça üzerindedir.) Antropojenik CH 4 emisyonlarının net radyasyon zorlaması yaklaşık 0.5 vat metrekare ya da CO zorlama kabaca üçte bir ışınımsal başına 2 .

Daha az sera gazı

Yüzey seviyesi ozon

    Bir sonraki en önemli sera gazı, yüzey veya düşük seviyeli ozondur (O 3 ). Yüzey O 3bir sonucudur hava kirliliği ; doğal olarak oluşan, stratosferik O ayırt edilmelidir 3planet ışınım dengesi çok farklı bir rolü vardır. Yüzey O birincil bir doğal kaynak 3stratosferik O çökme olduğunu 3 üst gelen atmosfer . Bunun aksine, yüzey O birincil insan kaynaklı kaynağı 3 atmosfer kirletici içeren fotokimyasal reaksiyonlar olan karbon monoksit (CO). Yüzey O'nun doğal konsantrasyonunun en iyi tahminleri3 10 ppb ve yüzey O insan kaynaklı emisyonlarına bağlı zorlamadan net ışınımlı 3 , yaklaşık metre kare başına 0.35 watt. Fotokimyasal dumana eğilimli şehirlerde ozon konsantrasyonları sağlıksız seviyelere yükselebilir (yani, konsantrasyonların sekiz saat veya daha uzun süre 70 ppb'yi bulduğu veya aştığı koşullar).

Azot oksitler ve florlu gazlar

    Ek iz gazlar sera özelliklerine sahip endüstriyel aktivitesi ile üretilen içerir azot oksit(N 2 O) ve fluorinatlı gazların ( halokarbonlar ), dahil olmak üzere ikinci CFC, kükürt heksafluorür, hidroflorokarbonlar (HFCler), ve perflorokarbonlar (PFC). Nitröz oksit, metrekare başına 0,16 watt'lık radyasyon zorlamasından sorumluyken, florlu gazlar toplu olarak metrekare başına 0,34 watt'tan sorumludur. Nitröz oksitler, toprak ve sudaki doğal biyolojik reaksiyonlardan dolayı küçük arka plan konsantrasyonlarına sahipken, florlu gazlar varlıklarını neredeyse tamamen endüstriyel kaynaklara borçludur.