Bài viết: Hiệu ứng nhà kính và Khi quyển Trái Đất

Khí không gây Hiệu ứng nhà kính

Thành phần chính của khí quyển Trái đất là nitơ (N2) (78%), oxy (O2) (21%), và argon (Ar) (0.9%), không phải là khí nhà kính vì các phân tử có chứa hai nguyên tử của cùng một nguyên tố như N2 và O2 không có sự thay đổi về sự phân bố các điện tích của chúng khi chúng dao động, và các chất khí đơn thể như Ar không có chế độ dao động. Do đó chúng hầu như hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi bức xạ hồng ngoại. Một số phân tử chỉ chứa hai nguyên tử của các nguyên tố khác nhau, chẳng hạn như carbon monoxide (CO) và hydro clorua (HCl), hấp thụ bức xạ hồng ngoại, nhưng những phân tử này tồn tại rất ngắn trong khí quyển do khả năng phản ứng hoặc độ hòa tan của chúng. Do đó, chúng không đóng góp đáng kể vào hiệu ứng nhà kính và thường bị bỏ qua khi thảo luận về khí nhà kính.

Khí nhà kính

Khí nhà kính là những khí hấp thụ và phát ra bức xạ hồng ngoại trong dải bước sóng do Trái đất phát ra.[1] Cacbon điôxít (0,04%), nitơ ôxít, mêtan và ôzôn là những khí vi lượng chiếm gần 1/10 của 1% bầu khí quyển của Trái đất và có hiệu ứng nhà kính đáng kể.

Xem thêm: Nóng lên toàn cầu và Cacbon điôxít trong khí quyển Trái Đất

Tỷ lệ phần trăm các khí gây hiệu ứng nhà kính:[14]

Ngoài ra còn có các khí sulfur hexaflorua, hydrofluorocarbons và perfluorocarbons.

Nồng độ trong khí quyển được xác định bởi sự cân bằng giữa các nguồn (phát thải khí từ các hoạt động của con người và các hệ thống tự nhiên) và chìm (loại bỏ khí khỏi khí quyển bằng cách chuyển đổi thành một hợp chất hóa học khác hoặc sự hấp thụ của các khối nước). [15] Tỷ lệ phát xạ còn lại trong khí quyển sau một thời gian xác định là "phần trong không khí" (AF). Phần trong không khí hàng năm là tỷ lệ giữa sự gia tăng khí quyển trong một năm nhất định với tổng lượng khí thải của năm đó. Tính đến năm 2006, phần CO2 trong không khí hàng năm là khoảng 0,45. Tỷ lệ phần trăm trong không khí hàng năm tăng với tốc độ 0,25 ± 0,21% mỗi năm trong giai đoạn 1959–2006.[16]

Tỷ lệ phần trăm các hoạt động của loài người đối với sự làm tăng nhiệt độ Trái Đất:

• Sử dụng năng lượng:50%
• Công nghiệp: 24%
• Nông nghiệp:13%
• Phá rừng: 14%

Hiệu ứng bức xạ gián tiếp

Một số khí có hiệu ứng bức xạ gián tiếp (cho dù bản thân chúng có phải là khí nhà kính hay không). Điều này xảy ra theo hai cách chính. Một là khi chúng phân hủy trong khí quyển, tạo ra một khí nhà kính khác. Ví dụ, metan và carbon monoxide (CO) bị oxy hóa để tạo ra carbon dioxide (và quá trình oxy hóa metan cũng tạo ra hơi nước). Quá trình oxy hóa CO thành CO2 trực tiếp tạo ra sự gia tăng lực bức xạ rõ ràng mặc dù lý do là rất nhỏ. Đỉnh của bức xạ nhiệt IR từ bề mặt Trái đất rất gần với dải hấp thụ dao động mạnh của CO2 (bước sóng 15 micron, hoặc số sóng 667 cm-1) Mặt khác, dải dao động CO đơn lẻ chỉ hấp thụ IR ở các bước sóng ngắn hơn nhiều (4,7 micrômét, hay 2145 cm-1), nơi phát ra năng lượng bức xạ từ bề mặt Trái đất thấp hơn ít nhất một hệ số. Quá trình oxy hóa metan thành CO2 , yêu cầu phản ứng với gốc OH, tạo ra sự giảm ngay lập tức sự hấp thụ và phát xạ bức xạ vì CO2 là khí nhà kính yếu hơn metan. Tuy nhiên, sự oxi hóa CO và CH4 được quấn vào nhau vì cả hai đều tiêu thụ các gốc OH. Trong mọi trường hợp, việc tính toán tổng hiệu ứng bức xạ bao gồm cả trực tiếp và gián tiếp một cách ép buộc .

Loại hiệu ứng gián tiếp thứ hai xảy ra khi các phản ứng hóa học trong khí quyển liên quan đến các khí này làm thay đổi nồng độ của các khí nhà kính. Ví dụ, sự phá hủy các hợp chất hữu cơ bay hơi không mêtan (NMVOC) trong khí quyển có thể tạo ra ôzôn. Kích thước của hiệu ứng gián tiếp có thể phụ thuộc mạnh mẽ vào vị trí và thời điểm phát ra khí. [17]

Mêtan có tác dụng gián tiếp ngoài việc tạo thành CO2. Hóa chất chính phản ứng với metan trong khí quyển là gốc hydroxyl (OH), do đó càng nhiều metan có nghĩa là nồng độ OH giảm xuống. Một cách hiệu quả, mêtan làm tăng thời gian tồn tại trong khí quyển của chính nó và do đó tác dụng bức xạ tổng thể của nó. Quá trình oxy hóa mêtan có thể tạo ra cả ôzôn và nước; và là nguồn hơi nước chính trong tầng bình lưu thường khô. CO và NMVOC tạo ra CO2 khi chúng bị oxi hóa. Chúng loại bỏ OH khỏi khí quyển, dẫn đến nồng độ khí mêtan cao hơn. Đáng ngạc nhiên của điều này là khả năng nóng lên toàn cầu của CO gấp ba lần so với CO2[18] Quá trình chuyển đổi NMVOCs thành carbon dioxide tương tự cũng có thể dẫn đến sự hình thành ozone tầng đối lưu. Halocarbon có ảnh hưởng gián tiếp vì chúng phá hủy ôzôn ở tầng bình lưu. Cuối cùng, hydro có thể dẫn đến sản xuất ozone và CH4 tăng cũng như tạo ra hơi nước ở tầng bình lưu.[17]

Sự đóng góp của mây vào hiệu ứng nhà kính của Trái đất

Không phải khí gây ra hiệu ứng nhà kính trên Trái đất, các đám mây, cũng hấp thụ và phát ra bức xạ hồng ngoại và do đó có ảnh hưởng đến các đặc tính bức xạ khí nhà kính. Mây là những giọt nước hoặc tinh thể băng lơ lửng trong khí quyển.[19][20] Ví dụ, hiệu ứng bức xạ trực tiếp của một khối lượng mêtan mạnh hơn khoảng 84 lần so với cùng một khối lượng khí cacbonic trong khoảng thời gian 20 năm[21]nhưng nồng độ nhỏ hơn nhiều nên tổng hiệu ứng bức xạ trực tiếp của nó cho đến nay đã nhỏ hơn, một phần là do thời gian tồn tại trong khí quyển ngắn hơn trong điều kiện không hấp thụ thêm cacbon. Mặt khác, ngoài tác động bức xạ trực tiếp, mêtan còn có tác động bức xạ gián tiếp lớn vì nó góp phần hình thành ôzôn. Shindell và cộng sự. (2005)[22] lập luận rằng đóng góp vào biến đổi khí hậu từ khí mê-tan ít nhất là gấp đôi các ước tính trước đây của tác động này.[23]

Khi xếp hạng theo mức độ đóng góp trực tiếp vào hiệu ứng nhà kính, điều quan trọng nhất là:[14]

Chú thích:

(A) Hơi nước thay đổi cục bộ mạnh[24]

(B) Nồng độ trong tầng bình lưu. Khoảng 90% ozone trong bầu khí quyển của Trái đất được chứa trong tầng bình lưu.

Ngoài các khí nhà kính chính được liệt kê ở trên, các khí nhà kính khác bao gồm lưu huỳnh hexafluoride, hydrofluorocarbon và perfluorocarbon (xem danh sách IPCC về khí nhà kính). Một số khí nhà kính thường không được liệt kê. Ví dụ, nitơ triflorua có khả năng làm nóng lên toàn cầu cao (GWP) nhưng chỉ hiện diện với số lượng rất nhỏ. [25]

Tỷ lệ ảnh hưởng trực tiếp tại một thời điểm nhất định

Không thể nói rằng một loại khí nhất định gây ra một tỷ lệ chính xác của hiệu ứng nhà kính. Điều này là do một số chất khí hấp thụ và phát ra bức xạ ở cùng tần số với những chất khí khác, do đó, tổng hiệu ứng nhà kính không chỉ đơn giản là tổng ảnh hưởng của từng loại khí. Các đầu cao hơn của các dải được trích dẫn chỉ dành cho từng khí; các đầu dưới tạo ra sự xen phủ với các khí khác.[14] [20] Ngoài ra, một số khí, chẳng hạn như mêtan, được biết là có tác động gián tiếp lớn và vẫn đang được định lượng. [26]

Thời gian tồn tại của khí quyển

Ngoài hơi nước (có thời gian lưu trú khoảng chín ngày)[27], các khí nhà kính chính được trộn đều và mất nhiều năm để thoát ra khỏi khí quyển. [28]Mặc dù không dễ dàng để biết chính xác thời gian các khí nhà kính thoát khỏi bầu khí quyển là bao lâu, nhưng cũng đã có những ước tính cho các khí nhà kính chính. Jacob (1999) [29] định nghĩa thời gian tồn tại