Nie tylko dwutlenek węgla. Jakie są inne emisje gazów cieplarnianych?

Uwaga: Cząsteczka konkretnego gazu cieplarnianego może pochłonąć tylko promieniowanie o określonych długościach fal. Każdy gaz ma inny zestaw pochłanianych fal, chociaż niektóre częściowo się pokrywają (na przykład tlenku azotu(I) i metanu).Gazy cieplarniane, które mają duże koncentracje w atmosferze (CO2, H2O), pochłaniają już dużą część „dostępnego" dla siebie promieniowania. Dodawanie ich do atmosfery wciąż nasila efekt cieplarniany, jednak w mniejszym stopniu niż dodanie takiej samej liczby cząsteczek gazu pochłaniającego inne długości fali i mającego mniejsze stężenie w powietrzu – na przykład metanu lub freonów.

Metan

To gaz, którego cząsteczki składają się z jednego atomu węgla i czterech atomów wodoru (ma wzór chemiczny CH4 i masę cząsteczki 16u). Jego „czas życia" w powietrzu jest dużo krótszy niż CO2: w ciągu ok. 10 lat wypuszczone do atmosfery cząsteczki metanu utleniają się, w wyniku czego powstaje dwutlenek węgla, który następnie uczestniczy w procesach cyklu węglowego znanych Ci z lekcji trzeciej. Średnia koncentracja metanu wyniosła w roku 2018 1869 ± 2 ppb, czyli o 159% więcej niż przed rewolucją przemysłową (World Meteorological Organization, 2019). Jak widzisz, stężenie metanu w powietrzu jest ponad 200 razy mniejsze niż stężenie dwutlenku węgla, a tona CH4 to 2,75 razy więcej cząsteczek niż tona CO2. Uwolnienie tony metanu będzie więc miało większy wpływ na bilans energetyczny Ziemi niż tony dwutlenku węgla (nawet biorąc pod uwagę krótszy czas życia).

Najogólniej rzecz biorąc, metan wprowadzany do atmosfery w wyniku działalności człowieka może pochodzić:

• ze źródeł geologicznych (gaz uwalnia się podczas wydobycia wszystkich paliw kopalnych, może także wyciekać z instalacji służących do przetwarzania i transportu gazu ziemnego),
• ze spalania biomasy (metan powstaje w wyniku niecałkowitego spalania materii organicznej, zarówno roślinności w czasie pożarów, jak i używanych przez człowieka biopaliw, np. drewna),
• ze źródeł mikrobiologicznych, czyli takich, w których dochodzi do beztlenowego rozkładu materii organicznej przez mikroorganizmy (mogą to być składowiska odpadów, sztuczne czy regulowane zbiorniki wodne, zbiorniki nieczystości, pola ryżowe, przewody pokarmowe zwierząt hodowlanych).

W latach dziewięćdziesiątych XX wieku wzrost stężenia tego gazu w atmosferze spowolnił, a na początku XXI wieku praktycznie się zatrzymał. Od roku 2007 mamy jednak ponownie do czynienia ze wzrostem jego koncentracji, co jest prawdopodobnie skutkiem zarówno emisji antropogenicznych, jak i zwiększonych emisji z tropikalnych mokradeł (podlegających bezpośredniej presji ze strony człowieka oraz zmiany klimatu) (World Meteorological Organization, 2019). Stężenie metanu podlega sezonowym wahaniom, podobnie jak ma to miejsce w przypadku dwutlenku węgla. W półroczu chłodnym, gdy duża część roślinności obumiera, wzmaga się intensywność procesów rozkładu, które są naturalnym źródłem emisji metanu.

Tlenek azotu (I)

Tak jak dwutlenek węgla i metan, tlenek azotu(I) jest gazem naturalnie występującym w ziemskiej atmosferze. Jego cząsteczki składają się z dwóch atomów azotu i jednego atomu tlenu (wzór N2O, masa cząsteczki 44u). Powstaje w wyniku aktywności występujących powszechnie w glebie i oceanie bakterii przetwarzających związki azotu. To element obiegu azotu w przyrodzie – zestawu procesów, które w warunkach niezaburzonych równoważą się i pozwala ją na utrzymanie stałego składu atmosfery.

Około 40% światowych emisji N2O jest związanych z działalnością człowieka (Ciais i in., 2013), przede wszystkim:

• z wykorzystaniem nawozów azotowych (modyfikujących procesy zachodzące w glebach),
• ze spalaniem paliw kopalnych, biopaliw i biomasy (oprócz samego utleniania węgla dochodzi wtedy do wielu innych reakcji chemicznych ze składnikami paliwa i powietrza),
• z reakcjami chemicznymi podczas produkcji nawozów oraz niektórych tworzyw sztucznych,
• z procesami oczyszczania ścieków komunalnych.

Koncentracja tego gazu w atmosferze stale rośnie. W 2018 wyniosła średnio 331,1 ± 0,1ppb, co oznacza wzrost o 23% względem stanu sprzed roku 1750 (World Meteorological Organization, 2019).

Freony i ich następcy

„Freony" to stosowana w Polsce potoczna nazwa chloro- i fluoropochodnych węglowodorów, czyli związków powstających przez zamienienie atomów wodoru (H) w metanie (CH4), etanie (C2H6) czy propanie (C3H8) na atomy chloru (Cl) lub fluoru (F). Są nieszkodliwe dla człowieka, trwałe i niepalne, a jednocześnie łatwo jest je skraplać i odparowywać. Dzięki tym cechom doskonale sprawdzały się w wielu dziedzinach, na przykład w chłodnictwie czy jako gazy nośne dla produktów sprzedawanych w puszkach aerozolowych (np. dezodoranty). Okazało się jednak, że związki te mają bardzo negatywny wpływ na środowisko:

• przyczyniają się do niszczenia występującej w wyższych partiach atmosfery warstwy ozonowej chroniącej powierzchnię Ziemi przed szkodliwym dla organizmów żywych promieniowaniem ultrafioletowym,
• są silnymi gazami cieplarnianymi, mogącymi poważnie wpłynąć na bilans energetyczny planety i przyczynić się do szybko postępującego ocieplenia klimatu (zwłaszcza, że są to substancje, których wcześniej w atmosferze ziemskiej nie było w ogóle – uwolnienie nawet niewielkiej ilości takich związków powoduje istotne zaburzenie bilansu).

Z tych powodów na mocy tzw. Protokołu montrealskiego, podpisanego przez kraje świata w roku 1987, zostały objęte surową kontrolą i stopniowo wprowadzanym zakazem produkcji. Wycofywane z użycia związki CFC ( pochodne węglowodorów, w których wszystkie atomy wodoru zamieniono na atomy chloru lub fluoru, w różnych proporcjach) i ich następcy, HCFC ( pochodne węglowodorów, w których tylko niektóre atomy wodoru zamieniono na atomy chloru lub fluoru), zostały na jakiś czas zastąpione gazami HFC (pochodne węglowodorów, w których tylko niektóre atomy wodoru zamieniono na atomy fluoru), które nie stanowią zagrożenia dla warstwy ozonowej, ale są gazami cieplarnianymi. Obecnie również ich produkcja podlega ograniczaniu, zgodnie z kolejną poprawką do Protokołu montrealskiego. 

W przypadku większości związków typu CFC i HFC mamy obecnie do czynienia ze spadkiem lub przynajmniej stabilizacją ich emisji i koncentracji w atmosferze. Spadek koncentracji następuje z istotnym opóźnieniem względem spadku emisji, ponieważ gazy te są bardzo trwałe i długo pozostają w atmosferze.

Materiały pochodzą z książki "Klimatyczne ABC" Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego. Redakcja naukowa: Magdalena Budziszewska, Aleksandra Kardaś, Zbigniew Bohdanowicz. Więcej materiałów na stronie: https://klimatyczneabc.uw.edu.pl/