thumb|Schematyczne ujęcie uwięzienia ciepła słonecznego przez kluczowe gazy: dwutlenek węgla, parę wodną oraz metan. Gaz cieplarniany, gaz szklarniowy (GHG, z ang. ) – gazowy składnik atmosfery biorący udział w efekcie cieplarnianym.

Gazy cieplarniane przepuszczają większość docierającego do planety elektromagnetycznego promieniowania słonecznego (zwanego krótkofalowym), a pochłaniają promieniowanie podczerwone (zwane długofalowym) z planety. Z powodu utrudnienia ucieczki energii w przestrzeń kosmiczną, średnia temperatura atmosfery i powierzchni planety są podwyższone. W atmosferze ziemskiej gazy cieplarniane obecne są zarówno w wyniku naturalnych procesów, jak i na skutek działalności człowieka.

Gazy cieplarniane Do gazów cieplarnianych na Ziemi zalicza się: parę wodną (najpowszechniejszy z gazów cieplarnianych w troposferze) dwutlenek węgla () metan () freony (CFC) podtlenek azotu () halon gazy przemysłowe (HFC, PFC, ) ozon.

Wkład gazu w efekt cieplarniany zależy od jego zdolności pochłaniania promieniowania podczerwonego i stężenia tego gazu w atmosferze. Przykładowo, metan silniej niż dwutlenek węgla pochłania promieniowanie podczerwone, ale w atmosferze jest go znacznie mniej, z czego wynika mniejszy udział tego gazu w efekcie cieplarnianym. Wielkością charakteryzującą możliwość wpływania wybranej substancji na efekt cieplarniany jest potencjał tworzenia efektu cieplarnianego.

Wkład poszczególnych gazów w efekt cieplarniany na Ziemi thumb|350px|Zawartość gazów cieplarnianych w atmosferze ziemskiej w stosunku do roku 1990

Gazy według ich bezpośredniego wpływu na efekt cieplarniany:

Związek chemiczny Wzór chemiczny Stężenie watmosferze (ppm) Udział(%) Para wodna i chmury 10–50,000(A) 36–72%   Dwutlenek węgla ~400 9–26% Metan ~1,8 4–9%   Ozon 2–8(B) 3–7%   Notatka: (A) Ilość pary wodnej znacznie zmienia się w zależności od miejsca i warunków atmosferycznychWallace, John M. and Peter V. Hobbs. Atmospheric Science; An Introductory Survey.Elsevier. Second Edition, 2006. . Chapter 1. (B) Stężenie w stratosferze. Około 90% ozonu w atmosferze znajduje się w stratosferze.

Koncentracje i emisje gazów cieplarnianych na Ziemi Para wodna ()

Głównym źródłem pary wodnej w atmosferze jest parowanie globalnego oceanu, mniejszych zbiorników wodnych (morza, jeziora) i roślinności (transpiracja). Zawartość pary wodnej w atmosferze zależy od jej średniej temperatury: w przypadku wzrostu temperatury koncentracja pary wodnej rośnie, w przypadku ochłodzenia – spada. Niektórzy uważają, że człowiek nie jest w stanie trwale wpłynąć na średnią koncentrację pary wodnej w atmosferze: ewentualne niedobory zostaną szybko uzupełnione przez parowanie z ogromnego rezerwuaru, jakim jest ocean, ewentualne lokalne nadwyżki (np. związane z użyciem chłodni kominowych) skończą się powstaniem zachmurzenia, opadów i wycofaniem nadmiaru pary z atmosfery. Bezspornym jest fakt, że podczas spalania człowiek wytwarza parę wodną podobnie jak dwutlenek węgla, a podgrzewanie ziemi i atmosfery zwiększa zawartość pary wodnej w powietrzu – wzrost prężności pary wodnej jest wyraźnie widoczny w zakresie temperatur 0 do 40 °CSienko MJ, Plane RA: Chemia – Podstawy i zastosowania. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1993.. Protokół z Kyoto 1997 (załącznik A) arbitralnie wyłączył parę wodną z grupy gazów cieplarnianychhttps://isap.sejm.gov.pl/isap.nsf/download.xsp/WDU20052031684/O/D20051684.pdf..

Dwutlenek węgla ()

thumb|350px|Wykres zmiany stężenia w atmosferze (mierzone na Mauna Loa od 1958 roku – jedna z najstarszych stacji pomiarowych). Niebieska linia głównego wykresu to średnia roczna, a czerwone kropki to sezonowe wahania. Badania rdzeni lodowych pokazują, że w ciągu ostatnich 800 000 lat (do czasu rewolucji przemysłowej) koncentracja dwutlenku węgla w atmosferze wahała się w granicach od 170 ppm (podczas epok lodowych) do 300 ppm (podczas interglacjałów). Badania rdzeni antarktycznych pokazują jednak, że wzrost temperatury nie jest ściśle powiązany czasowo ze zmianami stężenia dwutlenku: przed ostatnim zlodowaceniem (415–416 tys. lat p.n.e.) temperatura zaczęła spadać, a stężenie dwutlenku węgla przez kilkaset lat nadal rosło (projekt EPICA), podobnie korelacja temperatura/ była zaburzona 12–18 tys. lat temuStocker T. 2022. High-resolution reconstruction of atmospheric CO2 concentrations during the last interglacial based on the EDC ice core.. Od roku 1750 człowiek doprowadził do znacznego zwiększenia stężenia dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych w atmosferze. Według danych Światowej Organizacji Meteorologicznej, w roku 2017 koncentracja dwutlenku węgla wyniosła 405,5 ± 0,1 ppm (wzrost o 46%, czyli ok. 127 ppm względem roku 1750).

Źródła naturalne Ilość dwutlenku węgla wydzielanego do atmosfery ziemskiej ze źródeł naturalnych jest 20 razy większa od emisji pochodzenia antropogenicznego (związanej z aktywnością ludzką). Występowanie innych od powyższych danych wynika z odmiennego zdefiniowania naturalnych źródeł emisji gazów cieplarnianych. Antropogeniczna emisja dwutlenku węgla jest pięciokrotnie mniejsza od naturalnej, zdefiniowanej jako działalność wulkaniczna i procesy zachodzące w glebie. Naturalne emisje dwutlenku węgla są kompensowane przez naturalne procesy jego pochłaniania, takie jak np. wietrzenie skał i fotosynteza. W efekcie przed początkiem okresu masowego spalania paliw kopalnych przez człowieka ilości dwutlenku węgla dostarczanego i odbieranego z atmosfery równoważyły się, przez co jego stężenie atmosferyczne pozostawało na poziomie 260–280 ppm w czasie 10 000 lat między maksimum ostatniego zlodowacenia a początkiem rewolucji przemysłowej.

Do naturalnych źródeł emisji dwutlenku węgla zalicza się między innymi: zbiorniki wodne (uwalnianie rozpuszczonego w niej ), aktywność biologiczną flory i fauny (oddychanie i procesy rozkładu – w tym reakcje chemiczne w glebie i torfowiskach), aktywność wulkaniczną – emisje gazów. Wielkości emisji gazów wulkanicznych różnią się znacznie w czasie.

Źródła antropogeniczne

Do źródeł emisji powodowanych działalnością człowieka zalicza się przede wszystkim: spalanie paliw kopalnych, produkcję cementu i innych substancji z węglanów, użytkowanie lądu, szczególnie wylesianie lub wysuszanie mokradeł.

Ogólnoświatowa emisja dwutlenku węgla związana ze spalaniem paliw kopalnych i produkcją cementu wyniosła w roku 2017 36,2 mld t (27% Chiny, 15% USA, 10% Unia Europejska, 7% Indie, 42% reszta świata). 40% tych emisji związane było z użyciem węgla kamiennego, 35% – ropy naftowej, 20% – gazu ziemnego, 4% – z produkcją cementu a 1% – z pochodniami gazowymi. Emisja w 2017 wzrosła o 1,6% w stosunku do 2016 roku.

Emisje związane ze zmianami użytkowania terenu (wylesianiem, wysuszaniem mokradeł itd.) wyniosły w roku 2017 ok. 5,13 mld t.

W Unii Europejskiej w 2005 roku z ogólnej emisji 4543 mln t na sektor energetyczny przypadło 1569,4 mln t; transport 1246,6 mln t; przemysł 942,9 mln t; gospodarstwa domowe 482,0 mln t; usługi 276,5 mln t; inne 26,0 mln t. Ogółem emisja od roku bazowego protokołu z Kioto (1990) wzrosła ok. 49%.

Polska Nie uwzględniając użytkowania lasów i gruntów emisja w 1988 roku była najwyższa i osiągnęła 565 mln t ekwiwalentu . W latach 1988–1990 emisja ta spadła do 454 mln t ekwiwalentu rocznie. Od 1999 roku poziom ten nie przekracza 400 mln t ekwiwalentu rocznie. W roku 2017 polskie emisje związane ze spalaniem paliw kopalnych i produkcją cementu wyniosły w sumie ok. 322 mln t (za 62% odpowiadało spalanie węgla, 24% – ropy, 12% – gazu, 2% – produkcja cementu).

Metan () thumb|350px| mierzone przez program Advanced Global Atmospheric Gases Experiment (AGAGE) w dolnej części atmosfery (troposferze) na stacjach rozmieszczonych na całym świecie. Wartości podano jako miesięczne średnie ułamki molowe, wolne od zanieczyszczeń, wyrażone w częściach na bilion (ppt). Wraz z nastaniem rewolucji przemysłowej rozpoczął się szybki wzrost koncentracji metanu w atmosferze. W połowie lat osiemdziesiątych XX wieku, gdy stężenie gazu osiągnęło 1650 ppb, wzrost spowolnił, a między 2000 i 2006 rokiem całkowicie ustał. Od roku 2006 ponownie obserwuje się jednak wzrost koncentracji metanu w atmosferze: według danych Światowej Organizacji Meteorologicznej, w roku 2017 stężenie wyniosło (1859 ± 2) ppb (wzrost o 157%, czyli ok. 1138 ppb względem roku 1750). Przyczyny ostatniego przyrostu ilości metanu w atmosferze są tematem badań. Analizy składu izotopowego wskazują, że jest on efektem aktywności bakterii (np. w bagnach, zbiornikach słodkiej wody, na wysypiskach i w związku z rolnictwem).

Źródła naturalne Do naturalnych źródeł metanu zalicza się przede wszystkim: mokradła, źródła geologiczne (naturalne uwalnianie metanu z głębi Ziemi), wody słodkie (gnicie szczątków organicznych), termity, pożary roślinności, wieloletnią zmarzlinę i klatraty metanu.

W latach 2003–2012 średnie roczne emisje metanu z mokradeł wyniosły prawdopodobnie 167 (między 127 a 202) mln ton , a z pozostałych źródeł naturalnych w sumie 64 (między 21 a 132) mln ton .

Źródła antropogeniczne Do źródeł metanu związanych z działalnością człowieka zalicza się przede wszystkim: wydobycie i użycie paliw kopalnych, hodowlę przeżuwaczy, wysypiska i odpady, pola ryżowe, spalanie biomasy.

W latach 2003–2012 średnie roczne emisje metanu związane z wydobyciem i użyciem paliw kopalnych wyniosły prawdopodobnie 105 (między 77 a 133) mln ton , a związane z rolnictwem – 188 (między 115 a 243) mln ton.

Podtlenek azotu () Według danych Światowej Organizacji Meteorologicznej w roku 2017 średnia koncentracja podtlenku azotu wyniosła 329,9±0,1ppb, czyli o 22% więcej niż w czasach przed rewolucją przemysłową. Najistotniejszym źródłem tego związku jest rolnictwo – nawozy azotowe niepobrane przez rośliny są przekształcane przez mikroorganizmy w tlenek azotu.

Przypisy

Linki zewnętrzne

Global Carbon Project – aktualne dane o emisjach dwutlenku węgla i metanu (w tym atlas emisji ) WMO Greenhouse Gas Bulletin (published annually) – Biuletyn Światowej Organizacji Meteorologicznej o Gazach Cieplarnianych Gazy cieplarniane i ich cechy – artykuł popularnonaukowy w serwisie „Nauka o klimacie” Skąd się biorą antropogeniczne emisje gazów cieplarnianych? – rozdział z podręcznika „Klimatyczne ABC”