Stężenie atmosferyczne
Chociaż para wodna ma prawie 10-krotnie większe stężenie atmosferyczne (4000 ppm – parts per million – tu: 4000 cząsteczek pary wodnej na milion cząsteczek powietrza atmosferycznego) niż dwutlenek węgla (407,8 ppm w 2018 r.), to bez żadnych wątpliwości to właśnie ten drugi gaz odpowiada za to, że jest coraz cieplej na Ziemi. Wprawdzie gdyby nie było pary wodnej to czułość klimatu (od początku rewolucji przemysłowej, od 280 do 560 ppm w niedalekiej przyszłości dla CO2) nie wynosiłaby 3 st.C według danych z V Raportu IPCC z 2013 r., ale tylko zaledwie 1 st.C, a więc trzy razy mniej. Z kolei gdyby nie było dwutlenku węgla oraz metanu (1869 ppb w 2018 r. – parts per billion – 1869 cząsteczek metanu na miliard cząsteczek powietrza atmosferycznego) i podtlenku azotu (331,1 ppb w 2018 r.) w atmosferze, to para wodna nie tylko nie podniosłaby swojej koncentracji, ale po prostu by gwałtownie ona spadała do poziomu Ziemi-Śnieżki ok. 800 mln lat temu, gdy glob ziemski był ochłodzony do -18 st.C.
Równowagowa czułość klimatu a obecność gazów cieplarnianych w atmosferze
Dzięki temu, że w atmosferze jest para wodna, równowagowa czułość klimatu nie wynosi 1 st.C (co już zostało w pewnym sensie przekroczone), ale wspomniane wcześniej 3 st.C. W sumie, stężenia wymienionych czterech gazów cieplarnianych dopiero razem odgrywają zasadniczą rolę w systemie klimatycznym Ziemi. A antropogeniczne emisje stanowią istne wymuszenia radiacyjne, wśród których nie ma jednak pary wodnej, ze względu na krótki czas życia molekuły oraz na zmienność stanu fizycznego. Im wyżej para wodna znajdzie się w atmosferze, tym jest coraz chłodniej, a więc przekracza ona tzw. punkt rosy, po którym skrapla się do kropel deszczu w chmurach lub resublimuje do kryształków lodu tworzących płatki śniegu. Dlatego też w najwyższych warstwach chmur jest już prawie 40 razy mniej tego gazu niż blisko powierzchni Ziemi.
Przyrost koncentracji dwutlenku węgla, metanu i podtlenku azotu w latach 1750-2018
Tak więc, obie grupy gazów: dwutlenek węgla, metan i podtlenek azotu oraz para wodna muszą razem występować by utrzymywać na poziomie stabilnym lub za pomocą emisji antropogenicznych (a nawet ostatnio naturalnych) podnosić poziom średniej temperatury powierzchni Ziemi. Ale w sumie przyrost procentowy koncentracji gazów cieplarnianych antropogenicznego pochodzenia odpowiadają pierwsze trzy długożyjące gazy cieplarniane. Właśnie dwutlenek węgla, metan i podtlenek azotu, odpowiedzialne też za wymuszenia radiacyjne. Od 1750 r. do 2018 r. przyrost stężenia dwutlenku węgla wynosił 147 %. Metanu – 259 %. A metanu – 123 %.
Potencjał globalnego ocieplenia
Ciekawa sprawa jest z dwutlenkiem węgla, metanem, podtlenkiem azotu czy też z gazami przemysłowymi, jak np. z najliczniejszymi w tej grupie freonami, których molekuły mają przeważnie bardzo duży potencjał globalnego ocieplenia (GWP – Global Warming Potential) w stosunku do dwutlenku węgla, który zawsze ma 1. W horyzoncie czasowym 100 lat cząsteczka metanu jest 28-36 razy silniejsza od cząsteczki dwutlenku węgla. Cząsteczka podtlenku azotu 265-298 razy. A wśród przemysłowych gazów, np. freon HCFC-12 1760 razy, a np. już sześciofluorek siarki (SF6) aż 23 500 razy. Inne freony mają następujący GWP: freon CFC-12 – 10 200 razy; tetrafluorometan (CF4) – 6630 razy; heksafluoroetan (C2F2) – 11 100 razy; trifluorek azotu (NF3) – 16 100 razy. Wyjątkowo duży GWP ma molekuła ozonu pomimo bardzo krótkiego czasu życia. Aż 918-1022 razy jest silniejsza od cząsteczki dwutlenku węgla.
Czas życia molekuły w atmosferze
Czas życia molekuły pary wodnej czy ozonu jest bardzo krótki. W pierwszym przypadku jest to średnio 4-10 dni (dłużej w tropikalnych rejonach oraz w porze letniej), a w drugim tylko 25 godzin. Cząsteczka metanu średnio żyje 12-15 lat. Podtlenku azotu 120 lat. Dwutlenku węgla 50-200 lat. Ale już gazy przemysłowe żyją od 12 do 50 000 lat. Najkrócej żyje freon HCFC-12, a najdłużej cząsteczka tetrafluoroetanu.
Wymuszenie radiacyjne bez pary wodnej
Para wodna choć odpowiada za najsilniejszy efekt cieplarniany w szczególności z chmurami, to już nie odpowiada za antropogeniczne ani nawet za naturalne wymuszenie radiacyjne (RF w W/m2 – ocieplenia w watach na metr kwadratowy). Za to tu największy udział jest dwutlenku węgla, którego wymuszenie radiacyjne w 2018 r. wyniosło 2,044 W/m2. W następnej kolejności, metanu – 0,512 W/m2; podtlenku azotu – 0,199 W/m2; freonu CFC-12 – 0,162 W/m2 i freonu CFC-11 – 0,057 W/m2.
Ekwiwalent CO2 – miara antropogenicznych emisji
Liczy się sumaryczny wpływ rocznego indeksu gazów cieplarnianych (AGGI – Annual Greenhouse Gases Index) wynoszący w 2019 r. aż 500 ppm. Choć, gdyby tak dodać jeszcze emisje ze źródeł naturalnych jak wieloletnia zmarzlina lądowa, to możliwe, że wynik równoważnika CO2 jest znacznie wyższy niż 500 ppm. Jednak obecnie to emisje antropogeniczne są zdecydowanie najsilniejsze we wzmacnianiu efektu cieplarnianego na Ziemi.
Dane AGGI z NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) za 2019 r.
- AGGI w 2019 roku wyniosło 1,45 , co oznacza, że od 1990 roku zwiększyliśmy wpływ ocieplenia o 45% .
- Wzrost AGGI z 0 do 1, czyli 100%, zajęło ~ 240 lat, a wzrost o kolejne 45% – po 29 latach.
- Pod względem równoważników CO 2 atmosfera w 2019 roku zawierała 500 ppm, z czego 410 to sam CO 2 . Reszta pochodzi z innych gazów.
- CO 2 jest zdecydowanie największym źródłem AGGI zarówno pod względem ilości, jak i tempa wzrostu.
- Uwaga: IPCC sugeruje, że stałe stężenie samego CO 2 na poziomie 550 ppm doprowadziłoby do średniego wzrostu temperatury Ziemi o ~ 3 ° C (5,4 ° F).
Rys. Ekwiwalent CO2 (miks wszystkich gazów cieplarnianych w atmosferze Ziemi (1700-2019) mierzony w ppm.
Ogólny bilans efektu cieplarnianego pod względem gazów cieplarnianych
Generalnie jeśli weźmiemy pod uwagę sam naturalny efekt cieplarniany do 1750 r. czy też tenże efekt z nadwyżką gazów cieplarnianych antropogenicznego pochodzenia w latach 1750-2019, to i tak największy wpływ ma para wodna. Średnio 75 %. Dwutlenek węgla ma ok. 20 %. A pozostałe gazy cieplarniane ok. 5 %.
Czyli reasumując krótko, dopiero sumaryczny bilans gazów cieplarnianych, zarówno naturalnego, jak i antropogenicznego pochodzenia stanowi bardzo poważny problem w podnoszeniu temperatury Ziemi, na której energia cieplna w zakresie absorpcji widm promieniowania podczerwonego powierzchni Ziemi i atmosfery, jest coraz więcej zatrzymywana przez gazy cieplarniane w systemie klimatycznym niż uchodząca z niego.
———-
https://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_gas
https://en.wikipedia.org/wiki/Radiative_forcing
https://www.esrl.noaa.gov/gmd/aggi/
| GAZY CIEPLARNIANE | STĘŻENIE ATMOSFERYCZNE (1750-2018 r.) | CZAS ŻYCIA MOLEKUŁY W ATMOSFERZE | POTENCJAŁ GLOBALNEGO OCIEPLENIA (w horyzoncie czasowym 100 lat) | WYMUSZENIE RADIACYJNE [RFw W/m2] (1750-2018 r.) | WZROST POZIOMU STĘŻENIA OD POCZĄTKU EPOKI PRZEMYSŁOWEJ DO DZIŚ | ŚREDNI WPŁYW NA EFEKT CIEPLARNIANY |
| Para wodna | 4000 ppm (zmienne) | 4-10 dni | 75 % | |||
| Dwutlenek węgla | 407,8 ppm | 50-200 lat | 1 | 2,044 | 147 % | 20 % |
| Metan | 1869 ppb | 12-15 lat | 28-36 | 0,512 | 259 % | 5 % (wszystkie pozostałe gazy cieplarniane) |
| Podtlenek azotu | 331,1 ppb | 120 lat | 265-298 | 0,199 | 123 % | |
| Ozon | 25 godzin | 918-1022 | ||||
| CFC-12 (tu RF), CFC-11 (tu RF), HCFC-22, CF4, C2F2, SF6, NF3 | 12-50 000 lat | 1760-23 500 | 0,162 (dla CFC-12)
0,057 (dla CFC-11) |