Sera gazı ve Dünyaya etkileri

    Bir Sera gazı, Dünya yüzeyinden yayılan kızılötesi radyasyonu ( net ısı enerjisi ) emme ve Dünya yüzeyine geri yayma yeteneğine sahip olan ve böylece sera etkisi yaratan herhangi bir gazdır. 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 sadece bir kısmını oluşturmasına rağmen, Dünya sisteminin enerji bütçesi üzerinde derin bir etkiye sahiptir. Sera gazlarının konsantrasyonları Dünya'nın tarihi boyunca önemli ölçüde değişmiştir ve bu değişimler geniş bir zaman ölçeğinde iklim değişikliklerine önemli ölçüde katkıda bulunmuştur. Genel olarak, sera gazı konsantrasyonları özellikle sıcak dönemlerde yüksek, soğuk dönemlerde ise 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 yakma, Sanayi Devrimi - başta karbondioksit, metan, ozon ve kloroflorokarbonlar ( CFC'ler ) olmak üzere çeşitli sera gazlarının atmosferik konsantrasyonlarındaki istikrarlı artışlardan sorumludur.

    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 atmosferdeki nispi 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 nispi etkisini anlamak için, 1750 ile günümüz arasındaki zaman dilimi için hesaplanan zorlama değerleri ( metrekare başına watt olarak verilmiştir ) 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 yüzeyden su oranı olur. Sonuç olarak, artan buharlaşma, alt atmosferde kızılötesi radyasyonu emebilen ve yüzeye geri yayan daha büyük bir su buharı konsantrasyonuna yol açar.

Karbondioksit ( CO₂ )

    Karbondioksit ( CO₂ ) en önemli sera gazıdır. Doğal kaynaklardan atmosferik CO₂ gaz çıkışı volkanları, yanmayı ve organik maddenin doğal çürümesini ve aerobik ( oksijen kullanan ) organizmalar tarafından solunumu içerir. Bu kaynaklar, atmosferden ortalama olarak dengelenme eğiliminde olan ve "yutak" olarak adlandırılan bir dizi fiziksel, kimyasal veya biyolojik süreç yoluyla CO₂'i atmosferden uzaklaştırma eğilimindedir. CO₂'in önemli doğal yutakları, fotosentez boyunca dahil olmak üzere karasal bitkileri alır.

    Karbon atmosfer, hidrosfer ve jeolojik oluşumlar yoluyla çeşitli şekillerde taşınır. Karbondioksit ( CO₂ ) değişiminin başlıca yollarından biri atmosfer ve okyanuslar arasında gerçekleşir; burada su ile birleşerek ortak bir fraksiyon olan 2 karbonik asit ( H₂ CO₃ ), 2 CO₃ ile birleşir, ardından hidrojen iyonlarını ( H+ formu, bikarbonat ) ( HCO₃ - ) ve karbonat ( CO₃ 2- ) iyonlarını kaybeder. Kalsiyum veya diğer metal iyonlarının karbonatla reaksiyona girmesiyle bir şekilde jeolojik katmana gömülebilir ve sonunda volkanik gaz çıkışı yoluyla yumuşakça kabuklarında veya mineral çökeltilerinde CO₂ açığa çıkabilir. Karbondioksit ayrıca bitkilerde fotosentez ve hayvanlarda solunum yoluyla da değiş tokuş edilir. Ölüp fermente olduğu ve metana ( CH₂ veya CH₄ ) veya CO₂ açığa çıkaran çürüyen organik maddeden fosil yakıtlara dönüştüğü tortul kayaya dahil edilebilir. Hidrokarbon yakıtların yanması atmosfere CO₂ ve su ( H₂O ) verir. 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 yutakları olarak işlev görür. Böyle bir işlem olan "çözünürlük pompası", çözünmüş CO₂ içeren yüzey deniz suyunun inişini içerir. Başka bir işlem olan "biyolojik pompa", çözünmüş CO₂'in üst okyanusta yaşayan deniz bitki örtüsü ve fitoplanktonlar ( küçük, serbest yüzen, fotosentetik organizmalar ) veya CO₂'i iskeletler ve kalsiyum karbonattan ( CaCO₃ ) yapılmış diğer yapılar oluşturmak için kullanan diğer deniz organizmaları tarafından alınmasını içerir. Bu organizmaların süresi dolduğunda ve okyanus tabanına düştüğünde, karbonları aşağı doğru taşınır ve sonunda derinlere gömülür. Bu doğal kaynaklar ve yutaklar arasındaki uzun vadeli bir denge, atmosferdeki arka plan veya doğal CO₂ seviyesine yol açar.

    Buna karşılık, insan faaliyetleri, öncelikle fosil yakıtların yakılması ( esas olarak petrol ve kömür ve ikincil olarak doğal gaz, ulaşım, ısıtma ve elektrik üretiminde kullanılmak üzere ) ve çimento üretimi yoluyla atmosferik CO₂ seviyelerini arttırır. Diğer antropojenik kaynaklar arasında ormanların yakılması ve arazinin temizlenmesi yer alır. Antropojenik emisyonlar şu anda atmosfere yıllık yaklaşık 7 gigaton ( 7 milyar ton ) karbon salınımını açıklamaktadır. Antropojenik emisyonlar, doğal kaynaklardan kaynaklanan toplam CO₃ emisyonlarının yaklaşık yüzde 2'sine eşittir ve insan faaliyetlerinden kaynaklanan bu güçlendirilmiş karbon yükü, doğal yutakların dengeleme kapasitesini çok aşmaktadır ( belki de yılda 2 - 3 gigaton kadar ).

    Sonuç olarak CO₂, atmosferde 1 ile 4 yılları arasında hacimce yılda ortalama milyonda 1959, 2006 parça ( ppm ) ve 2 ile 0 yılları arasında yılda yaklaşık 2006, 2018 ppm oranında birikmiştir. Genel olarak, bu birikim oranı doğrusal olmuştur ( yani, zaman içinde tekdüzedir ). Bununla birlikte, okyanuslar gibi bazı mevcut lavabolar gelecekte kaynak haline gelebilir. Bu, atmosferik konsantrasyonunun CO₂ üstel bir oranda bir duruma yol açabilir ( yani, zamanla artan bir artış oranında ).

    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, CO₂ konsantrasyonları ( belki yakın 2.000 ppm ) bugünden daha yüksek olmuştur birkaç kez var görünüyor. Son 700.000 yılda, CO₂ 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, CO₂ tarafından seviyeler 384 ppm'ye ulaştı, bu da Sanayi Devrimi'nin başlangıcında var olan kabaca 280 ppm'lik doğal arka plan seviyesinin yaklaşık yüzde 37 üzerinde. Atmosferik CO₂ 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, atmosferdeki gazın konsantrasyonu ile yaklaşık olarak logaritmik bir şekilde değişir. Logaritmik ilişki, CO ₂ konsantrasyonları arttıkça, ek CO₂ moleküllerinin "kızılötesi pencereyi" ( kızılötesi bölgede atmosferik gazlar tarafından emilmeyen belirli bir dar dalga boyu bandı ) daha fazla etkilemesinin giderek zorlaştığı bir doygunluk etkisinin sonucu olarak ortaya çıkar. Logaritmik ilişki, yüzey ısınma potansiyelinin, CO₂ konsantrasyonunun her iki katına çıkması için kabaca aynı miktarda artacağını tahmin eder. Mevcut fosil yakıt kullanım oranlarında, 21. yüzyılın ortalarında ( CO₂ konsantrasyonlarının 560 ppm'ye ulaşacağı tahmin edildiğinde ) sanayi öncesi seviyelere göre CO₂ konsantrasyonlarının iki katına çıkması beklenmektedir. CO₂ konsantrasyonlarının iki katına çıkması, radyasyon zorlamasının metrekaresi başına kabaca 4 watt'lık bir artışı temsil edecektir. Herhangi bir dengeleme faktörünün yokluğunda tipik "iklim duyarlılığı" tahminleri göz önüne alındığında, bu enerji artışı, sanayi öncesi zamanlarda 2 ila 5 °C ( 3.6 ila 9 °F ) ısınmaya yol açacaktır. Sanayi çağının başlangıcından bu yana antropojenik CO₂ emisyonlarının toplam ışınımsal zorlaması metrekare başına yaklaşık 1.66 watt'tır.

Metan ( CH₄ )

    Metan ( CH₄ ) ikinci en önemli sera gazıdır. CH₄, CO₂'den daha güçlüdür çünkü molekül başına üretilen ışınımsal zorlama daha fazladır. Ek olarak, kızılötesi pencere, CH₄ tarafından emilen radyasyonun dalga boyları aralığında daha az doygundur, bu nedenle bölgeyi daha fazla molekül doldurabilir. Bununla birlikte, CH₄, atmosferdeki CO₂'den çok daha düşük konsantrasyonlarda bulunur ve atmosferdeki hacimce konsantrasyonları genellikle ppm yerine milyarda parça ( ppb ) olarak ölçülür. CH₄ ayrıca atmosferde CO₂'den çok daha kısa bir kalış süresine sahiptir ( CO₂ için yüzlerce yıl olan kalma süresi CH₄ için yaklaşık 10 yıldır ).

    Doğal metan kaynakları arasında tropikal ve kuzey sulak alanlar, termitler tarafından tüketilen organik maddelerle beslenen metan oksitleyici bakteriler, volkanlar, organik tortu bakımından zengin bölgelerde deniz tabanının sızıntı delikleri ve okyanusların kıta sahanlıkları boyunca ve kutupsal permafrostta sıkışmış metan hidratlar bulunur. Metan, troposfer içindeki hidroksil radikali ( OH^- ) ile kolayca reaksiyona girerek CO₂ ve su buharı ( H₂O ) oluşturduğundan, metan için birincil doğal lavabo atmosferin kendisidir. CH₄ stratosfere ulaştığında yok edilir. Diğer bir doğal lavabo, metanın bakteriler tarafından oksitlendiği topraktır.

    CO₂'de olduğu gibi, insan aktivitesi CH₄ konsantrasyonunu doğal lavabolar tarafından dengelenebileceğinden daha hızlı arttırmaktadır. Antropojenik kaynaklar şu anda toplam yıllık emisyonların yaklaşık yüzde 70'ini oluşturuyor ve bu da zaman içinde konsantrasyonda önemli artışlara yol açıyor. Atmosferik CH₄'nın başlıca antropojenik kaynakları pirinç ekimi, hayvancılık, kömür ve doğal gazın yakılması, biyokütlenin yanması ve çöplüklerde organik maddenin ayrışmasıdır. Gelecekteki eğilimleri tahmin etmek özellikle zordur. Bu kısmen, CH₄ emisyonlarıyla ilişkili iklim geri bildirimlerinin eksik anlaşılmasından kaynaklanmaktadır. Ek olarak, insan popülasyonları büyüdükçe, hayvancılık, pirinç ekimi ve enerji kullanımındaki olası değişikliklerin CH₄ emisyonlarını nasıl etkileyeceğini tahmin etmek zordur.

    Atmosferdeki metan konsantrasyonundaki ani bir artışın, Paleosen - Eosen Termal Maksimum ( PETM ) olarak adlandırılan dönemde birkaç bin yılda ortalama küresel sıcaklıkları 4 - 8 °C ( 7,2 - 14,4 °F ) artıran bir ısınma olayından sorumlu olduğuna inanılmaktadır. Bu olay yaklaşık 55 milyon yıl önce gerçekleşti ve CH₄'teki artış, metan içeren taşkın birikintileriyle etkileşime giren devasa bir volkanik patlamayla ilgili gibi görünüyor. Bunun bir sonucu olarak, gaz halindeki CH₄ büyük miktarlarda atmosfer içine enjekte edilmiştir. Bu konsantrasyonların ne kadar yüksek olduğunu veya ne kadar sürdüğünü tam olarak bilmek zordur. Çok yüksek konsantrasyonlarda, CH₄ atmosferde bekleme süreleri, bugün geçerli olan nominal 10 yıllık ikamet süresi çok daha büyük olabilir. 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 CH₄ 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 CH₄ emisyonlarının net radyasyon zorlaması yaklaşık 0.5 watt'tır - veya CO₂'nin ışınımsal kuvvetinin kabaca üçte biridir.

Daha az sera gazı

Yüzey seviyesi ozon

    Bir sonraki en önemli sera gazı, yüzey veya düşük seviyeli ozondur ( O₃ ). Yüzey O₃ hava kirliliğinin bir sonucudur; gezegensel radyasyon dengesinde çok farklı bir role sahip olan doğal olarak oluşan stratosferik O₃'ten ayırt edilmelidir. Yüzey O₃'ün birincil doğal kaynağı, stratosferik O₃'ün üst atmosferden çökmesidir. Buna karşılık, yüzey O₃'ün birincil antropojenik kaynağı, atmosferik kirletici karbon monoksiti ( CO ) içeren fotokimyasal reaksiyonlardır. O₃ yüzeyinin doğal konsantrasyonunun en iyi tahminleri 10 ppb'dir ve O₃ yüzeyinin antropojenik emisyonlarına bağlı net ışınımsal zorlama metrekare başına yaklaşık 0.35 watt'tır. Ozon konsantrasyonları, fotokimyasal dumana eğilimli şehirlerde sağlıksız seviyelere ( yani, konsantrasyonların sekiz saat veya daha uzun süre 70 ppb'yi karşıladığı veya aştığı koşullar ) yükselebilir.

Azot oksitler ve florlu gazlar

    Sera özelliklerine sahip endüstriyel faaliyetler tarafından üretilen ek eser gazlar arasında azot oksit ( N₂O ) ve florlu gazlar ( halokarbonlar ), ikincisi CFC'ler, kükürt heksaflorür, hidroflorokarbonlar ( HFC'ler ) ve perflorokarbonlar ( PFC'ler ) içerir. Azot oksit, metrekare başına 0.16 watt radyasyon zorlamasından sorumluyken, florlu gazlar toplu olarak metrekare başına 0.34 watt'tan sorumludur. Azot oksitler, toprak ve sudaki doğal biyolojik reaksiyonlar nedeniyle küçük arka plan konsantrasyonlarına sahipken, florlu gazlar varlıklarını neredeyse tamamen endüstriyel kaynaklara borçludur.