Efekt cieplarniany, czyli jak zmieniliśmy Ziemię w szklarnię

Najnowsze raporty naukowców brzmią przerażająco. Według badania opublikowanego w magazynie "Nature Climate Change" już dziś proces globalnego ocieplenia odpowiada za jedną trzecią wszystkich zgonów powiązanych z letnimi upałami. To około 100 tys. ludzi rocznie którzy umierają tylko dlatego, że klimat staje się coraz gorętszy. A jesteśmy dopiero na początku drogi: średnie globalne temperatury podniosły się, w porównaniu z okresem przedprzemysłowym, o około 1,2 st. Celsjusza. W ciągu najbliższych lat będzie to poziom 1,5 st. Jeśli nie zrobimy nic, do końca stulecia globalna temperatura będzie wyższa o 3 st., albo jeszcze więcej. 

Ten proces napędza zjawisko, którego mechanizm jest doskonale znany naukowcom już od XIX w. To tak zwany efekt cieplarniany.

Efekt cieplarniany to zjawisko, w ramach którego część energii docierającej do Ziemi jest zatrzymywana w ziemskiej atmosferze. Około 30 procent energii Słońca jest po prostu odbijana z powrotem w kosmos. Pozostałe 70 proc. przechodzi przez atmosferę i dociera do powierzchni Ziemi, gdzie jest pochłaniane przez ląd i oceany. To ciepło jest następnie z powrotem emitowane w postaci niewidzialnego promieniowania podczerwonego. 

Część tego promieniowania ucieka w kosmos. Część jednak zatrzymywana jest w atmosferze przez gazy, nazywane przez nas cieplarnianymi. Działają dokładnie tak jak koc albo szklarnia - zapobiegają wypromieniowaniu ciepła, podnosząc temperaturę.

Nie wszystkie gazy mają takie właściwości. Cząsteczki azotu czy tlenu przepuszczają promieniowanie podczerwone i nie wchodzą z nimi w interakcje. Gazami cieplarnianymi są zazwyczaj gazy o cząsteczkach bardziej złożonych - mają więcej wiązań atomowych pozwalających na przechwytywanie energii. Wystarczy bardzo niewielka ilość takich gazów - dziesiątki tysięcy mniejsza, niż ilość tlenu czy azotu stanowiących większość atmosfery, by wywrzeć bardzo istotny efekt na klimat całej planety.

O tym, że niektóre gazy, takie jak dwutlenek węgla czy para wodna mają takie właściwości, naukowcy wiedzą już od drugiej połowy XIX w. Efekt cieplarniany sam w sobie jest niezbędny dla istnienia życia takiego, jakie znamy. Gdyby go nie było, średnia temperatura naszej planety byłaby o 15 st. Celsjusza niższa, niż dziś, a planeta zmieniłaby się w martwą, skutą lodem kulę. 

Problemem jednak jest to, że ten system został wytrącony z równowagi. Naturalne zmiany zawartości gazów cieplarnianych w atmosferze przebiegają bardzo powoli, przez dziesiątki czy setki tysięcy lat. W ciągu ostatnich 800 tys. lat, stężenie gazów cieplarnianych wynosiło od około 200 do około 280 części na milion, czyli na milion cząsteczek powietrza przypadało 200-280 cząsteczek gazów cieplarnianych. Ludzkość zdołała jednak w ciągu 150 lat drastycznie zmienić ten obraz. W tym roku po raz pierwszy stężenie CO2 w atmosferze przekroczyło 420 PPM. Najwięcej od milionów lat i o 50 proc. więcej niż przed połową XIX w. 

Najważniejsze gazy, które powodują globalne ocieplenie poprzez efekt cieplarniany, to:

Dwutlenek węgla

CO2 to około 76 proc. globalnych emisji gazów cieplarnianych ludzkości. Raz wyemitowany dwutlenek węgla utrzymuje się w atmosferze przez dłuższy czas. 40 proc. pozostaje w atmosferze 100 latach, 20 proc. tysiąc lat, a 10 proc. nawet 10 tys. lat.

Metan

Chociaż metan (CH4) utrzymuje się w atmosferze znacznie krócej niż dwutlenek węgla (około dekady), wywiera znacznie silniejszy efekt. Wpływ jednej tony wyemitowanego metanu na klimat w ciągu 100 lat jest 25 razy większy, niż wpływ jednej tony CO2. Metan odpowiada za około 16 proc. emisji gazów cieplarnianych generowanych przez człowieka.

Podtlenek azotu

Podtlenek azotu (N2O) jest potężnym gazem cieplarnianym: w skali 100 lat wywołuje ma 300 razy większy wpływ na efekt cieplarniany, niż taka sama ilość CO2 i pozostaje w atmosferze średnio nieco ponad sto lat. Odpowiada za około 6 proc. emisji gazów cieplarnianych spowodowanych przez człowieka na całym świecie.

Gazy fluorowane

Są emitowane w ramach różnych procesów przemysłowych. Wyróżnić można cztery główne kategorie: wodorofluorowęglowodory (HFC), perfluorowęglowodory (PFC), sześciofluorek siarki (SF6) i trifluorek azotu (NF3).

Chociaż gazy fluorowane są emitowane w mniejszych ilościach niż inne gazy cieplarniane (stanowią zaledwie 2 proc. globalnej emisji gazów cieplarnianych spowodowanych przez człowieka), zatrzymują znacznie więcej ciepła. Nawet tysiące razy więcej, niż CO2. Mogą też utrzymywać się w atmosferze nawet przez tysiące lat. 

Para wodna

To najczęściej występujący gaz cieplarniany. Różni się od innych gazów cieplarnianych tym, że zmiany jej stężenia w atmosferze są związane nie bezpośrednio z działalnością człowieka, ale raczej z ociepleniem spowodowanym przez inne emitowane przez nas gazy cieplarniane.  Ciepłe powietrze zatrzymuje bowiem więcej wody. A ponieważ para wodna jest gazem cieplarnianym, im więcej jej jest w atmosferze, tym więcej ciepła jest pochłanianego. I tym szybciej wzrasta temperatura. Z drugiej strony para wodna w atmosferze tworzy chmury odbijające część promieniowania słonecznego, ostateczny wpływ tego sprzężenia zwrotnego na tempo globalnego ocieplenia jest więc jeszcze niepewny.

Według Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu (IPCC), na emisje gazów cieplarnianych przez ludzkość wpływ mają wielkość populacji, działalność gospodarcza, styl życia, zużycie energii, modele użytkowania gruntów, technologia i polityka klimatyczna

Produkcja energii elektrycznej i ciepła: Spalanie węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego do produkcji energii elektrycznej i ciepła odpowiada za jedną czwartą światowych emisji powodowanych przez człowieka, co czyni je największym pojedynczym źródłem gazów cieplarnianych. 

Zmiany w rolnictwie i użytkowaniu gruntów: Około 24 proc. emisji gazów cieplarnianych pochodzi z rolnictwa i innych działań związanych z użytkowaniem gruntów (takich jak wylesianie). Spośród nich zdecydowaną większość stanowi metan (który jest wytwarzany podczas rozkładu obornika oraz przez układ trawienny krów) oraz podtlenek azotu (uwalniany często przy użyciu nawozów azotowych).

Przemysł: Jedna piąta globalnych emisji powodowanych przez człowieka pochodzi z sektora przemysłowego, który obejmuje produkcję towarów i surowców (takich jak cement i stal), przetwórstwo spożywcze i budownictwo. W 2017 r. przemysł odpowiadał za 22,4 proc. emisji antropogenicznych w USA, z czego większość stanowił dwutlenek węgla, chociaż uwolniono również metan, podtlenek azotu i gazy fluorowane.

Transport: Spalanie paliw ropopochodnych, czyli przede wszystkim benzyny i oleju napędowego, do zasilania silników samochodów, samolotów czy statków odpowiada za 14 proc. globalnej emisji gazów cieplarnianych. Emisje z transportu to głównie CO2, chociaż spalanie paliwa uwalnia również niewielkie ilości metanu i podtlenku azotu, a klimatyzacja pojazdów i transport chłodniczy uwalniają gazy fluorowane.

Budynki: Budynki generują 6,4 proc. globalnych emisji gazów cieplarnianych. Emisje te, składające się głównie z dwutlenku węgla i metanu, wynikają głównie ze spalania gazu ziemnego i ropy do ogrzewania i gotowania, chociaż za część powodowanych przez budynki emisji odpowiadają też systemy zarządzanie odpadami i ściekami oraz wycieki czynników chłodniczych z systemów klimatyzacji i chłodzenia.

Inne źródła: Ta kategoria obejmuje emisje z działań związanych z energią innych niż spalanie paliw kopalnych, takich jak wydobycie, rafinacja, przetwarzanie i transport ropy naftowej, gazu i węgla. Globalnie ten sektor odpowiada za 9,6 procent emisji.