Växthusgas

Växthuseffekten av solstrålning på jordens yta orsakad av utsläpp av växthusgaser

Strålningspåverkan (uppvärmningspåverkan) av olika bidragsgivare till klimatförändringar fram till 2019, som rapporterats i den sjätte IPCC:s utvärderingsrapport .

En växthusgas ( GHG eller GhG ) är en gas som absorberar och avger strålningsenergi inom det termiska infraröda området, vilket orsakar växthuseffekten . De primära växthusgaserna i jordens atmosfär är vattenånga ( H ₂ O ), koldioxid ( CO ₂ ), metan ( CH ₄ ), dikväveoxid ( N ₂ O ) och ozon ( O ₃ ). Utan växthusgaser skulle medeltemperaturen på jordens yta vara cirka −18 °C (0 °F), snarare än det nuvarande genomsnittet på 15 °C (59 °F). Atmosfärerna på Venus , Mars och Titan innehåller också växthusgaser.

Mänskliga aktiviteter sedan början av den industriella revolutionen (cirka 1750) har ökat den atmosfäriska koncentrationen av koldioxid med över 50 %, från 280 ppm 1750 till 421 ppm 2022. Senast den atmosfäriska koncentrationen av koldioxid var så hög var för över 3 miljoner år sedan. Denna ökning har skett trots att mer än hälften av utsläppen har absorberats av olika naturliga kolsänkor i kolets kretslopp .

Med nuvarande utsläppshastigheter för växthusgaser kan temperaturen öka med 2 °C (3,6 °F ), vilket FN: s klimatpanel (IPCC) säger är den övre gränsen för att undvika "farliga" nivåer, till 2050. majoriteten av antropogena koldioxidutsläpp kommer från förbränning av fossila bränslen , främst kol , petroleum (inklusive olja ) och naturgas , med ytterligare bidrag från cementtillverkning , konstgödselproduktion , avskogning och andra förändringar i markanvändning.

beståndsdelar

Atmosfärisk absorption och spridning vid olika våglängder av elektromagnetiska vågor . Det största absorptionsbandet för koldioxid är inte långt från det maximala i termiska utsläpp från marken, och det stänger delvis fönstret för genomskinlighet av vatten; därav dess stora effekt.

De viktigaste beståndsdelarna i jordens atmosfär, kväve ( N
₂ ) (78 %), syre ( O
₂ ) (21 %) och argon (Ar) (0,9 %), är inte växthusgaser eftersom molekyler innehåller två atomer av samma grundämne såsom N
₂ och O
₂ har ingen nettoförändring i fördelningen av sina elektriska laddningar när de vibrerar, och monoatomiska gaser som Ar har inte vibrationslägen. Därför är de nästan helt opåverkade av infraröd (IR) strålning . Deras IR-interaktion i form av kollisionsinducerad absorption är också liten jämfört med påverkan av jordens stora växthusgaser.

Växthusgaser är de som absorberar och avger infraröd strålning i det våglängdsområde som sänds ut av jorden . Koldioxid (0,04%), dikväveoxid, metan och ozon är spårgaser som står för nästan 0,1% av jordens atmosfär och har en avsevärd växthuseffekt.

De vanligaste växthusgaserna i jordens atmosfär, listade i fallande ordning efter genomsnittlig global molfraktion , är:

Vattenånga ( H
₂ O )
Koldioxid ( CO
₂ )
Metan ( CH
₄ )
Lustgas ( N
₂ O )
Ozon ( O
₃ )
Klorfluorkolväten (CFC och HCFC )
Fluorkolväten (HFC)
Perfluorkolväten ( CF
₄ , C
₂ F
₆ , etc.), SF
₆ och NF
₃

Atmosfäriska koncentrationer bestäms av balansen mellan källor (utsläpp av gasen från mänskliga aktiviteter och naturliga system) och sänkor (avlägsnande av gasen från atmosfären genom omvandling till en annan kemisk förening eller absorption av vattendrag). Andelen av ett utsläpp som återstår i atmosfären efter en angiven tid är den " luftburna fraktionen " (AF). Den årliga luftburna fraktionen är förhållandet mellan den atmosfäriska ökningen under ett givet år och det årets totala utsläpp. Från och med 2006 var den årliga luftburna andelen för CO _{2 cirka 0,45.} Den årliga luftburna fraktionen ökade med en hastighet av 0,25 ± 0,21 % per år under perioden 1959–2006.

Indirekta strålningseffekter

Koncentrationer av kolmonoxid i april och oktober 2000 i den nedre atmosfären visar ett intervall från cirka 50 delar per miljard (blå pixlar) till 220 delar per miljard (röda pixlar) och 390 delar per miljard (mörkbruna pixlar).

Oxidation av CO till CO ₂ ger direkt en otvetydig ökning av strålningskraften även om orsaken är subtil. Toppen av den termiska IR-emissionen från jordens yta är mycket nära ett starkt vibrationsabsorptionsband av CO ₂ ( våglängd 15 mikron, eller vågnummer 667 cm ⁻¹ ). Å andra sidan absorberar det enda CO-vibrationsbandet endast IR vid mycket kortare våglängder (4,7 mikron, eller 2145 cm ⁻¹ ), där emissionen av strålningsenergi från jordens yta är minst en faktor tio lägre. Oxidation av metan till CO ₂ , som kräver reaktioner med OH-radikalen, ger en omedelbar minskning av strålningsabsorption och emission eftersom CO ₂ är en svagare växthusgas än metan. Oxidationerna av CO och CH
₄ är dock sammanflätade eftersom båda förbrukar OH-radikaler. I vilket fall som helst inkluderar beräkningen av den totala strålningseffekten både direkt och indirekt kraft.

En andra typ av indirekt effekt inträffar när kemiska reaktioner i atmosfären som involverar dessa gaser ändrar koncentrationen av växthusgaser. Till exempel kan förstörelsen av icke-metanflyktiga organiska föreningar ( NMVOC) i atmosfären producera ozon. Storleken på den indirekta effekten kan starkt bero på var och när gasen släpps ut.

Metan har indirekta effekter förutom att det bildar CO ₂ . Den huvudsakliga kemikalien som reagerar med metan i atmosfären är hydroxylradikalen (OH), alltså gör mer metan att koncentrationen av OH går ner. Metan ökar effektivt sin egen atmosfäriska livslängd och därmed dess totala strålningseffekt. Oxidationen av metan kan producera både ozon och vatten; och är en viktig källa till vattenånga i den normalt torra stratosfären . CO och NMVOC producerar CO ₂ när de oxideras. De tar bort OH från atmosfären, och detta leder till högre koncentrationer av metan. Den överraskande effekten av detta är att den globala uppvärmningspotentialen för CO är tre gånger så stor som CO ₂ . Samma process som omvandlar NMVOC till koldioxid kan också leda till bildning av troposfäriskt ozon. Halokarboner har en indirekt effekt eftersom de förstör stratosfäriskt ozon. Slutligen väte leda till ozonproduktion och CH
₄ ökar samt producera stratosfärisk vattenånga.

Vattenångans roll

Ökande vattenånga i stratosfären i Boulder, Colorado

Vattenånga står för den största andelen av växthuseffekten, mellan 36 % och 66 % för klar himmel och mellan 66 % och 85 % när moln ingår. Vattenångkoncentrationerna fluktuerar regionalt, men mänsklig aktivitet påverkar inte direkt koncentrationerna av vattenånga utom på lokal skala, till exempel nära bevattnade fält. Indirekt kommer mänsklig aktivitet som ökar globala temperaturer att öka koncentrationen av vattenånga, en process som kallas vattenångsåterkoppling. Den atmosfäriska koncentrationen av ånga är mycket varierande och beror till stor del på temperaturen, från mindre än 0,01 % i extremt kalla områden upp till 3 viktprocent i mättad luft vid cirka 32 °C. (Se Relativ fuktighet#Andra viktiga fakta .)

Den genomsnittliga uppehållstiden för en vattenmolekyl i atmosfären är bara cirka nio dagar, jämfört med år eller århundraden för andra växthusgaser som CH
₄ och CO ₂ . Vattenånga reagerar på och förstärker effekterna av de andra växthusgaserna. Clausius -Clapeyron-relationen fastställer att mer vattenånga kommer att finnas per volymenhet vid förhöjda temperaturer. Denna och andra grundläggande principer indikerar att uppvärmning i samband med ökade koncentrationer av andra växthusgaser också kommer att öka koncentrationen av vattenånga (förutsatt att den relativa luftfuktigheten förblir ungefär konstant; modellerings- och observationsstudier visar att det verkligen är så). Eftersom vattenånga är en växthusgas resulterar detta i ytterligare uppvärmning och så är en " positiv återkoppling " som förstärker den ursprungliga uppvärmningen. Så småningom andra jordprocesser ^{[ vilken? ]} kompenserade dessa positiva återkopplingar, stabiliserade den globala temperaturen vid en ny jämvikt och förhindrade förlusten av jordens vatten genom en Venus-liknande skenande växthuseffekt .

Molnens bidrag till jordens växthuseffekt

Den största icke-gas-bidragsgivaren till jordens växthuseffekt, moln , absorberar och avger också infraröd strålning och har därmed en effekt på växthusgasens strålningsegenskaper. Moln är vattendroppar eller iskristaller suspenderade i atmosfären.

Påverkan på den totala växthuseffekten

Schmidt et al. (2010) analyserade hur enskilda komponenter i atmosfären bidrar till den totala växthuseffekten. De uppskattade att vattenånga står för cirka 50 % av jordens växthuseffekt, med moln som bidrar med 25 %, koldioxid 20 % och de mindre växthusgaserna och aerosolarna står för de återstående 5 %. I studien är referensmodellatmosfären för 1980 års förhållanden. Bildkredit: NASA .

Varje gass bidrag till växthuseffekten bestäms av den gasens egenskaper, dess överflöd och eventuella indirekta effekter den kan orsaka. Till exempel är den direkta strålningseffekten av en massa av metan cirka 84 gånger starkare än samma massa koldioxid över en 20-årig tidsram, men den finns i mycket mindre koncentrationer så att dess totala direkta strålningseffekt hittills har varit mindre, delvis på grund av dess kortare atmosfäriska livslängd i frånvaro av ytterligare kolbindning . Å andra sidan har metan, förutom sin direkta strålningspåverkan, en stor indirekt strålningseffekt eftersom det bidrar till ozonbildning. Shindell et al. (2005) menar att bidraget till klimatförändringen från metan är minst dubbelt så stort som tidigare uppskattningar som ett resultat av denna effekt.

När de rankas efter deras direkta bidrag till växthuseffekten är de viktigaste: [ ^{misslyckad verifiering ]}

Förening	Formel	Koncentration i atmosfären (ppm)	Bidrag (%)
Vattenånga och moln	H2O _{_} _	10–50 000 ^(A)	36–72 %
Koldioxid	CO ₂	~400	9–26 %
Metan	CH ₄	~1,8	4–9 %
Ozon	O ₃	2–8 ^(B)	3–7 %
anteckningar: ^(A) Vattenånga varierar starkt lokalt ^(B) Koncentrationen i stratosfären. Cirka 90 % av ozonet i jordens atmosfär finns i stratosfären.

Förutom de huvudsakliga växthusgaserna som listas ovan inkluderar andra växthusgaser svavelhexafluorid , hydrofluorkolväten och perfluorkolväten (se IPCC:s lista över växthusgaser ). Vissa växthusgaser är inte ofta listade. Till exempel kvävetrifluorid en hög global uppvärmningspotential (GWP) men finns bara i mycket små mängder.

Andel direkta effekter vid ett givet ögonblick

Det går inte att säga att en viss gas orsakar en exakt procentandel av växthuseffekten. Detta beror på att vissa av gaserna absorberar och avger strålning med samma frekvenser som andra, så att den totala växthuseffekten inte bara är summan av inverkan av varje gas. De högre ändarna av de angivna intervallen är enbart för varje gas; de nedre ändarna svarar för överlappningar med de andra gaserna. Dessutom är vissa gaser, såsom metan, kända för att ha stora indirekta effekter som fortfarande håller på att kvantifieras.

Atmosfärisk livslängd

Bortsett från vattenånga , som har en uppehållstid på cirka nio dagar, är stora växthusgaser väl blandade och tar många år att lämna atmosfären. Även om det inte är lätt att exakt veta hur lång tid det tar för växthusgaser att lämna atmosfären, finns det uppskattningar för de huvudsakliga växthusgaserna. Jacob (1999) definierar livstiden $\tau$ för en atmosfärisk art X i en en- box-modell som den genomsnittliga tid som en molekyl av X är kvar i rutan. Matematiskt $\tau$ definieras som förhållandet mellan massan $m$ (i kg) av X i lådan och dess borttagningshastighet, vilket är summan av flödet av X ut ur lådan ( $F_{out}$ ), kemisk förlust av X ( $L$ ) och avsättning av X ( $D$ ) (alla i kg/s):

\tau ={\frac {m}{F_{out}+L+D}}

.

skulle dess koncentration minska med cirka 63 % efter tiden ${\displaystyle \tau } .$

Atmosfärens livslängd för en art mäter därför den tid som krävs för att återställa jämvikten efter en plötslig ökning eller minskning av dess koncentration i atmosfären. Enskilda atomer eller molekyler kan gå förlorade eller deponeras i sänkor som marken, haven och andra vatten, eller vegetation och andra biologiska system, vilket reducerar överskottet till bakgrundskoncentrationer. Den genomsnittliga tiden det tar att uppnå detta är medellivslängden .

Koldioxid har en varierande atmosfärisk livslängd och kan inte specificeras exakt. Även om mer än hälften av den CO ₂ som släpps ut försvinner från atmosfären inom ett sekel, finns en del (cirka 20 %) av den utsläppta CO ₂ kvar i atmosfären under många tusen till hundratusentals år. Liknande problem gäller för andra växthusgaser, av vilka många har längre medellivslängder än CO ₂ , t.ex. har N ₂ O en medellivslängd i atmosfären på 121 år.

Radiativ forcering och årligt växthusgasindex

Strålningskraften (uppvärmningspåverkan) av långlivade atmosfäriska växthusgaser har accelererat, nästan fördubblats på 40 år.

Jorden absorberar en del av den strålningsenergi som tas emot från solen, reflekterar en del av den som ljus och reflekterar eller strålar ut resten tillbaka till rymden som värme . En planets yttemperatur beror på denna balans mellan inkommande och utgående energi. När jordens energibalans ändras blir dess yta varmare eller svalare, vilket leder till en mängd olika förändringar i det globala klimatet.

Ett antal naturliga och konstgjorda mekanismer kan påverka den globala energibalansen och framtvinga förändringar i jordens klimat. Växthusgaser är en sådan mekanism. Växthusgaser absorberar och avger en del av den utgående energin som utstrålas från jordens yta, vilket gör att värmen hålls kvar i den lägre atmosfären. Som förklarats ovan finns vissa växthusgaser kvar i atmosfären i årtionden eller till och med århundraden, såsom lustgas och fluorerade gaser, och kan därför påverka jordens energibalans under en lång period. Radiativ forcering kvantifierar (i watt per kvadratmeter) effekten av faktorer som påverkar jordens energibalans; inklusive förändringar i koncentrationerna av växthusgaser. Positiv strålningskraft leder till uppvärmning genom att öka nettoinkommande energi, medan negativ strålningskraft leder till kylning.

Det årliga växthusgasindexet (AGGI) definieras av atmosfärsforskare vid NOAA som förhållandet mellan den totala direkta strålningskraften på grund av långlivade och välblandade växthusgaser för ett år för vilket adekvata globala mätningar finns, till det som fanns år 1990 Dessa strålningskraftsnivåer är relativa till de som fanns år 1750 (dvs före starten av den industriella eran ). 1990 väljs eftersom det är basåret för Kyotoprotokollet och är publiceringsåret för den första IPCC:s vetenskapliga utvärdering av klimatförändringar . Som sådan konstaterar NOAA att AGGI "mäter det åtagande som (det globala) samhället redan har gjort för att leva i ett föränderligt klimat. Det är baserat på atmosfäriska observationer av högsta kvalitet från platser runt om i världen. Dess osäkerhet är mycket låg."

Global uppvärmningspotential

Den globala uppvärmningspotentialen (GWP) beror på både effektiviteten hos molekylen som växthusgas och dess livslängd i atmosfären. GWP mäts i förhållande till samma massa av CO ₂ och utvärderas för en specifik tidsskala. Således, om en gas har en hög (positiv) strålningskraft men också en kort livslängd, kommer den att ha en stor GWP på 20-årsskala men en liten på 100-årsskala. Omvänt, om en molekyl har en längre atmosfärisk livslängd än CO ₂ kommer dess GWP att öka när tidsskalan beaktas. Koldioxid definieras till att ha ett GWP på 1 över alla tidsperioder.

Metan har en livslängd i atmosfären på 12 ± 2 år. IPCC- rapporten 2021 listar GWP som 83 över en tidsskala på 20 år, 30 över 100 år och 10 över 500 år. En analys från 2014 konstaterar dock att även om metans initiala påverkan är ungefär 100 gånger större än CO ₂ , på grund av den kortare atmosfäriska livslängden, efter sex eller sju decennier, är effekten av de två gaserna ungefär lika stor, och från och med då metans relativa roll fortsätter att minska. Minskningen av GWP vid längre tider beror på att metan sönderfaller till vatten och CO ₂ genom kemiska reaktioner i atmosfären.

Exempel på atmosfärisk livslängd och GWP i förhållande till CO ₂ för flera växthusgaser ges i följande tabell:

Atmosfärisk livslängd och GWP i förhållande till CO ₂ vid olika tidshorisonter för olika växthusgaser
Gas namn	Kemisk formel	Livstid (år)	Strålningseffektivitet (Wm ⁻² ppb ⁻¹ , molär basis)	Global uppvärmningspotential (GWP) för given tidshorisont
Gas namn	Kemisk formel	Livstid (år)	Strålningseffektivitet (Wm ⁻² ppb ⁻¹ , molär basis)	20 år	100 år	500 år
Koldioxid	CO ₂	^(A)	1,37 × 10 ⁻⁵	1	1	1
Metan (fossil)	CH ₄	12	5,7 × 10 ⁻⁴	83	30	10
Metan (icke-fossilt)	CH ₄	12	5,7 × 10 ⁻⁴	81	27	7.3
Lustgas	N2O _{_} _	109	3 × 10 ⁻³	273	273	130
CFC-11	CCl3F _{_} _	52	0,29	8 321	6 226	2 093
CFC-12	CCl2F2 _{_} _ _{_}	100	0,32	10 800	10 200	5 200
HCFC-22	CHClF ₂	12	0,21	5 280	1 760	549
HFC-32	CH ₂ F ₂	5	0,11	2 693	771	220
HFC-134a	CH ₂ FCF ₃	14	0,17	4 144	1 526	436
Tetrafluormetan	CF ₄	50 000	0,09	5 301	7 380	10 587
Hexafluoretan	C ₂ F ₆	10 000	0,25	8 210	11 100	18 200
Svavelhexafluorid	SF ₆	3 200	0,57	17 500	23 500	32 600
Kvävetrifluorid	NF ₃	500	0,20	12 800	16 100	20 700
^(A) Ingen enskild livslängd för atmosfärisk CO ₂ kan anges.

Användningen av CFC-12 (förutom vissa väsentliga användningar) har fasats ut på grund av dess ozonnedbrytande egenskaper. Utfasningen av mindre aktiva HCFC-föreningar kommer att slutföras 2030.

Koncentrationer i atmosfären

Överst: Ökande atmosfäriska koldioxidhalter mätt i atmosfären och reflekterade i iskärnor . Nederst: Mängden nettokolökning i atmosfären, jämfört med koldioxidutsläpp från förbränning av fossilt bränsle .

Aktuella koncentrationer

Förkortningar som används i de två tabellerna nedan: ppm = delar per miljon ; ppb = delar per miljard; ppt = delar per biljon; W/m ² = watt per kvadratmeter

Aktuella växthusgaskoncentrationer
Gas	Troposfärskoncentration före 1750	Senaste troposfärisk koncentration	Absolut ökning sedan 1750	Procentuell ökning sedan 1750	Ökad strålningskraft (W/m ² )
Koldioxid (CO ₂ )	280 ppm	411 ppm	131 ppm	47 %	2.05
Metan ( CH ₄ )	700 ppb	1893 ppb / 1762 ppb	1193 ppb / 1062 ppb	170,4 % / 151,7 %	0,49
Lustgas ( N ₂ O )	270 ppb	326 ppb / 324 ppb	56 ppb / 54 ppb	20,7 % / 20,0 %	0,17
Troposfäriskt ozon ( O ₃ )	237 ppb	337 ppb	100 ppb	42 %	0,4

Relevant för strålningspåverkan och/eller ozonnedbrytning ; alla följande har inga naturliga källor och därför noll mängder förindustriellt
Gas	Senaste troposfärisk koncentration	Ökad strålningskraft (W/m ² )
CFC-11 ( triklorfluormetan) ( CCl3F ₎	236 ppt / 234 ppt	0,061
CFC - CCl2F2 ) _{_} ₁₂ (	527 ppt / 527 ppt	0,169
CFC-113 ( Cl ₂ FC-CClF ₂ )	74 ppt / 74 ppt	0,022
HCFC- CHClF2 ₂₂ ( )	231 ppt / 210 ppt	0,046
HCFC - CH3CCl2F ) _{_} _ _141b (	24 ppt / 21 ppt	0,0036
HCFC-142b ( CH ₃ CClF ₂ )	23 ppt / 21 ppt	0,0042
Halon CBrClF2 ₁₂₁₁ ( )	4,1 ppt / 4,0 ppt	0,0012
Halon CBrClF3 ₁₃₀₁ ( )	3,3 ppt / 3,3 ppt	0,001
HFC-134a ( CH ₂ FCF ₃ )	75 ppt / 64 ppt	0,0108
Koltetraklorid ( CCl ₄ )	85 ppt / 83 ppt	0,0143
Svavelhexafluorid ( SF ₆ )	7,79 ppt / 7,39 ppt	0,0043
Andra halokarboner	Varierar beroende på ämne	tillsammans 0,02
Halokarboner totalt		0,3574

400 000 år av iskärndata

Mätningar från iskärnor under de senaste 800 000 åren

Iskärnor ger bevis för variationer i koncentrationen av växthusgaser under de senaste 800 000 åren (se följande avsnitt ) . Både CO ₂ och CH
₄ varierar mellan glaciala och interglaciala faser, och koncentrationerna av dessa gaser korrelerar starkt med temperaturen. Direkta data finns inte för perioder tidigare än de som representeras i iskärnregistret, ett register som indikerar att CO ₂ -molfraktioner hållit sig inom ett intervall på 180 ppm till 280 ppm under de senaste 800 000 åren, fram till ökningen av de senaste 250 åren. Emellertid antyder olika proxies och modellering större variationer i tidigare epoker; var CO _{2 -nivåerna troligen 10 gånger högre än nu.} I själva verket tros högre CO ₂ -koncentrationer ha rådit under större delen av Phanerozoic Eon , med koncentrationer fyra till sex gånger nuvarande koncentrationer under mesozoiska eran, och tio till femton gånger nuvarande koncentrationer under den tidiga paleozoiska eran fram till mitten av devonperioden , cirka 400 Ma . Spridningen av landväxter tros ha minskat CO ₂ -koncentrationerna under det sena devontiden, och växtaktiviteter som både källor och sänkor av CO ₂ har sedan dess varit viktiga för att ge stabiliserande återkopplingar. Ännu tidigare tycks en period på 200 miljoner år av intermittent, utbredd glaciation som sträcker sig nära ekvatorn ( Snöbollsjorden ) plötsligt ha avslutats, cirka 550 Ma, av en kolossal vulkanisk utgasning som höjde atmosfärens CO _{2 -koncentration abrupt till} 12 %, cirka 350 gånger moderna nivåer, vilket orsakar extrema växthusförhållanden och karbonatavsättning som kalksten med en hastighet av cirka 1 mm per dag. Denna episod markerade slutet av den prekambriska eonen och efterträddes av de allmänt varmare förhållandena i fanerozoikum, under vilka flercelliga djur- och växtliv utvecklades. Inget vulkaniskt koldioxidutsläpp av jämförbar skala har förekommit sedan dess. I modern tid är utsläppen till atmosfären från vulkaner cirka 0,645 miljarder ton CO ₂ per år, medan människor bidrar med 29 miljarder ton CO ₂ varje år.

Mätningar från Antarktiska iskärnor visar att innan industriella utsläpp startade var atmosfäriska CO ₂ -molfraktioner cirka 280 miljondelar (ppm) och stannade mellan 260 och 280 under de föregående tiotusen åren. Molfraktioner av koldioxid i atmosfären har ökat med cirka 35 procent sedan 1900-talet, och ökat från 280 delar per miljon i volym till 387 delar per miljon 2009. En studie som använder bevis från stomata av fossiliserade löv tyder på större variation, med koldioxid molfraktioner över 300 ppm under perioden för sju till tio tusen år sedan, även om andra har hävdat att dessa fynd mer sannolikt återspeglar kalibrerings- eller kontamineringsproblem snarare än faktiska CO 2 _-variationer . På grund av hur luft fångas i is (porer i isen stängs långsamt för att bilda bubblor djupt inne i firnen) och den tidsperiod som representeras i varje isprov som analyseras, representerar dessa siffror medelvärden av atmosfäriska koncentrationer på upp till några århundraden snarare än årliga eller decenniella nivåer.

Förändringar sedan den industriella revolutionen

Stora växthusgastrender.

Sedan början av den industriella revolutionen har koncentrationerna av många av växthusgaserna ökat. Till exempel har molfraktionen av koldioxid ökat från 280 ppm till 421 ppm, eller 140 ppm över moderna förindustriella nivåer. Den första ökningen med 30 ppm skedde på cirka 200 år, från starten av den industriella revolutionen till 1958; Men nästa ökning med 90 ppm skedde inom 56 år, från 1958 till 2014.

Färska data visar också att koncentrationen ökar i högre takt. På 1960-talet var den genomsnittliga årliga ökningen bara 37 % av vad den var 2000 till 2007.

Många observationer finns tillgängliga online i en mängd olika Atmospheric Chemistry Observational Databases .

Källor

Naturliga källor

De flesta växthusgaser har både naturliga och mänskliga källor. Ett undantag är rent mänskligt producerade syntetiska halokarboner som inte har några naturliga källor. Under den förindustriella holocenen var koncentrationerna av befintliga gaser ungefär konstanta, eftersom de stora naturliga källorna och sänkorna var ungefär balanserade. I den industriella eran har mänsklig verksamhet tillfört växthusgaser till atmosfären, främst genom förbränning av fossila bränslen och röjning av skog.

Växthusgasutsläpp från mänsklig verksamhet

Sektorn för jordbruk, markanvändning och annan markanvändning stod i genomsnitt för 13–21 % av de globala utsläppen av antropogena växthusgaser (GHG) under perioden 2010–2019.

Totala kumulativa utsläpp från 1870 till 2017 var 425±20 GtC (1539 GtCO ₂ ) från fossila bränslen och industri, och 180±60 GtC (660 GtCO ₂ ) från förändrad markanvändning . Förändringar i markanvändningen, såsom avskogning , orsakade cirka 31 % av de kumulativa utsläppen under 1870–2017, kol 32 %, olja 25 % och gas 10 %.

Idag, ^{[ när? ]} lagret av kol i atmosfären ökar med mer än 3 miljoner ton per år (0,04 %) jämfört med det befintliga lagret. ^{[ förtydligande behövs ]} Denna ökning är resultatet av mänskliga aktiviteter genom förbränning av fossila bränslen, avskogning och skogsförstöring i tropiska och boreala regioner.

De andra växthusgaserna som produceras av mänsklig aktivitet visar liknande ökningar i både mängd och ökningstakt.

IPCC:s sjätte utvärderingsrapport för 2021 noterade att "Från ett fysikaliskt perspektiv kräver en begränsning av den mänskliga inducerade globala uppvärmningen till en specifik nivå en begränsning av de kumulativa CO2-utsläppen, att uppnå åtminstone noll CO2-utsläpp, tillsammans med kraftiga minskningar av andra växthusgasutsläpp. Starkt , snabba och varaktiga minskningar av CH4-utsläppen skulle också begränsa uppvärmningseffekten till följd av minskande aerosolföroreningar och skulle förbättra luftkvaliteten."

USA, Kina och Ryssland har kumulativt bidragit med de största mängderna CO ₂ sedan 1850.

Sedan omkring 1750 har mänsklig aktivitet ökat koncentrationen av koldioxid och andra växthusgaser. Från och med 2021 var uppmätta atmosfäriska koncentrationer av koldioxid nästan 50 % högre än förindustriella nivåer. Naturliga källor till koldioxid är mer än 20 gånger större än källor på grund av mänsklig aktivitet, men under längre perioder än några år balanseras naturliga källor nära av naturliga sänkor, främst fotosyntes av kolföreningar av växter och marin plankton . Absorption av markbunden infraröd strålning av långvågsabsorberande gaser gör jorden till en mindre effektiv sändare. Därför, för att jorden ska släppa ut så mycket energi som den absorberas, måste den globala temperaturen öka.

Förbränning av fossila bränslen beräknas ha släppt ut 62 % av 2015 mänskliga växthusgaser. Den största enskilda källan är koleldade kraftverk, med 20 % av växthusgaserna 2021.

Avlägsnande från atmosfären

Naturliga processer

Växthusgaser kan avlägsnas från atmosfären genom olika processer, som en konsekvens av:

en fysisk förändring (kondensering och nederbörd tar bort vattenånga från atmosfären).
en kemisk reaktion i atmosfären. Metan oxideras till exempel genom reaktion med naturligt förekommande hydroxylradikal , OH · och bryts ned till CO ₂ och vattenånga (CO ₂ från oxidation av metan ingår inte i metanets globala uppvärmningspotential ). Andra kemiska reaktioner inkluderar lösnings- och fastfaskemi som förekommer i atmosfäriska aerosoler.
ett fysiskt utbyte mellan atmosfären och planetens andra komponenter. Ett exempel är inblandning av atmosfäriska gaser i haven.
en kemisk förändring i gränsytan mellan atmosfären och planetens andra komponenter. Detta är fallet för CO ₂ , som reduceras genom fotosyntes av växter, och som efter upplösning i haven reagerar och bildar kolsyra och bikarbonat- och karbonatjoner (se havsförsurning ).
en fotokemisk förändring . Halokarboner dissocieras genom att UV- ljus frigör Cl · och F · som fria radikaler i stratosfären med skadliga effekter på ozon (halocarbons är i allmänhet för stabila för att försvinna genom kemisk reaktion i atmosfären).

Negativa utsläpp

Ett antal tekniker tar bort utsläppen av växthusgaser från atmosfären. Mest analyserade är de som tar bort koldioxid från atmosfären, antingen till geologiska formationer som bioenergi med kolavskiljning och lagring och koldioxidluftavskiljning, eller till marken som i fallet med biokol . IPCC har påpekat att många långsiktiga klimatscenariomodeller kräver storskaliga konstgjorda negativa utsläpp för att undvika allvarliga klimatförändringar.

Den vetenskapliga forskningens historia

I slutet av 1800-talet upptäckte forskare experimentellt att N
₂ och O
₂ inte absorberar infraröd strålning (kallad vid den tiden "mörk strålning"), medan vatten (både som sann ånga och kondenseras i form av mikroskopiska droppar suspenderade i moln) och CO ₂ och andra polyatomära gasformiga molekyler absorberar infraröd strålning. I början av 1900-talet insåg forskare att växthusgaser i atmosfären gjorde jordens totala temperatur högre än den skulle vara utan dem. Under slutet av 1900-talet utvecklades en vetenskaplig konsensus om att ökande koncentrationer av växthusgaser i atmosfären orsakar en avsevärd ökning av globala temperaturer och förändringar i andra delar av klimatsystemet, med konsekvenser för miljön och för människors hälsa .