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Gás de efeito estufa

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Efeito estufa esquema que mostra a energia flui entre espaço, a atmosfera , e da Terra superfície. Trocas de energia são expressos em watts por metro quadrado (W / m 2).

Um gás com efeito de estufa (GEE por vezes abreviado) é um gás em uma atmosfera que e absorve emite radiação no interior da faixa do infravermelho termal. Este processo é a causa fundamental do efeito de estufa . Os gases com efeito de estufa na primária atmosfera da Terra são vapor de água , dióxido de carbono , metano , óxido nitroso, e ozono . No Sistema Solar , as atmosferas de Venus, Marte, e Titan também contêm gases que causam o efeito estufa. Gases de efeito estufa afetar significativamente a temperatura da Terra ; sem eles, a superfície da Terra seriam em média de cerca de 33 ° C mais frio do que a actual média de 14 ° C (57 ° F).

Desde o início da Revolução Industrial , a queima de combustíveis fósseis contribuiu para um aumento de 40% na concentração de dióxido de carbono na atmosfera de 280 ppm a 397 ppm, apesar de a absorção de uma grande parte das emissões de vários "sumidouros" naturais envolvidos no ciclo do carbono. Dióxido de carbono antropogênico (CO 2) as emissões (ou seja, as emissões produzidas pelas atividades humanas) vêm de de combustão combustíveis à base de carbono, principalmente madeira , carvão , petróleo e gás natural .

Gases na atmosfera da Terra

Gases de efeito estufa

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Absorção e espalhamento atmosféricos em diferentes comprimentos de onda de ondas eletromagnéticas . A maior banda de absorção do dióxido de carbono está na infravermelho.

Gases de efeito estufa são aqueles que podem absorver e emitir radiação infravermelha, mas não a radiação em ou perto do espectro visível. No fim, os gases de efeito estufa mais abundante na atmosfera da Terra são:

As concentrações atmosféricas de gases de efeito estufa são determinadas pelo equilíbrio entre as fontes (emissões de gás de atividades humanas e sistemas naturais) e pias (a remoção do gás da atmosfera através da conversão de um composto químico diferente). A proporção de uma emissão remanescente na atmosfera após um tempo determinado é o " Fração Airborne "(AF). Mais precisamente, a AF anual é a relação entre o aumento da atmosfera em um determinado ano para as emissões totais daquele ano. Para CO 2 da AF ao longo dos últimos 50 anos (1956-2006) tem vindo a aumentar em 0.25 ± 0,21% / ano.

Não gases de efeito estufa

Embora contribuindo para muitas outras reações físicas e químicas, os principais constituintes atmosféricos, nitrogênio (N2), oxigênio (O 2), e argônio (Ar), não são gases de efeito estufa. Isso é porque moléculas que contêm dois átomos do mesmo elemento, tal como N 2 e O 2 e monoatômicos moléculas tais como argônio (Ar) não têm variação líquida em sua momento de dipolo quando eles vibram e, portanto, são quase totalmente imune às radiação infravermelha. Apesar de moléculas que contêm dois átomos de diferentes elementos, tais como monóxido de carbono (CO) ou ácido clorídrico (HCl) absorvem IR, estas moléculas são de curta duração na atmosfera devido à sua reatividade e solubilidade. Porque eles não contribuem significativamente para o efeito estufa, eles são geralmente omitida quando se fala de gases de efeito estufa.

Efeitos radiativos indiretos

mapa de concentrações de monóxido de carbono na atmosfera mais baixa
Os falsos cores nesta imagem representam os níveis de monóxido de carbono na atmosfera mais baixa, variando de cerca de 390 partes por bilhão (pixels marrom escuro), para 220 partes por bilhão (pixels vermelhos), de 50 partes por bilhão (pixels azuis).

Alguns gases têm efeitos radiativos indiretos (se são ou não um gás com efeito de estufa em si). Isso acontece de duas maneiras principais. Uma maneira é que quando eles quebram na atmosfera produzem um outro gás com efeito de estufa. Por exemplo metano e monóxido de carbono (CO) são oxidados para se obter dióxido de carbono (e a oxidação do metano também produz vapor de água, que vai ser discutida mais adiante). A oxidação de CO em CO 2 produz diretamente um aumento inequívoco do forçamento radiativo embora a razão é sutil. O pico da emissão térmica IR de superfície da Terra é muito próximo a uma forte banda de absorção vibracional de CO 2 (667 cm-1). Por outro lado, a única banda vibracional CO só absorve IR frequências muito mais altas (2145 centímetros -1), pelo que a emissão térmica ~ 300K da superfície é pelo menos um factor de dez inferior. Por outro lado, a oxidação do metano para o CO 2, que requer reacções com o radical OH, produz uma redução instantânea, visto que o CO 2 é um gás de estufa mais fraco do que o metano; mas tem um tempo de vida mais longo. Conforme descrito a seguir esta não é toda a história, uma vez que as oxidações de CO e CH 4 estão interligados por ambos os radicais OH consumindo. Em qualquer caso, o cálculo do efeito radioativa deve incluir tanto a directa e indirecta forçando.

Um segundo tipo de efeito indireto acontece quando as reações químicas na atmosfera envolvendo esses gases alterar as concentrações de gases de efeito estufa. Por exemplo, a destruição de não metano compostos orgânicos voláteis (COV-NM resultantes) na atmosfera pode produzir ozônio. O tamanho do efeito indirecto pode depender fortemente sobre onde e quando o gás é emitido.

O metano tem um número de efeitos indirectos Além de formar CO 2. Em primeiro lugar, o principal produto químico que destrói o metano na atmosfera é o radical hidroxilo (OH). O metano reage com OH e de modo mais metano significa que a concentração de OH vai para baixo. Efetivamente, o metano aumenta a sua própria vida atmosférica e, portanto, seu efeito radiativo global. O segundo efeito é que a oxidação do metano podem produzir ozono. Em terceiro lugar, bem como fazer CO 2 a oxidação do metano produz água; esta é uma importante fonte de vapor de água no estratosfera, que é outra maneira muito seco. CO e NMVOC também produzem CO 2 quando são oxidados. Elas removem OH a partir da atmosfera, o que leva a maiores concentrações de metano. O surpreendente efeito disto é que o potencial de aquecimento global do CO é três vezes maior que a de CO 2. O mesmo processo que converte COVNM ao dióxido de carbono pode também levar à formação de ozono troposférico. Halocarbonos ter um efeito indirecto porque eles destroem o ozônio estratosférico. Finalmente hidrogênio pode levar à produção de ozônio e CH 4 aumenta, bem como a produção de vapor de água na estratosfera.

Contribuição de nuvens de efeito estufa da Terra

O maior contribuinte não-gás para o efeito estufa da Terra, nuvens, também absorvem e emitem radiação infravermelha e, assim, ter um efeito sobre propriedades radiativas dos gases de efeito estufa. As nuvens são gotículas de água ou cristais de gelo em suspensão na atmosfera.

Impactos sobre o efeito global de efeito estufa

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Schmidt et ai (2010). Analisados como componentes individuais da atmosfera contribuir para o efeito de estufa total. Eles estimaram que as contas de vapor de água para cerca de 50% do efeito de estufa da Terra, com nuvens que contribuem 25%, dióxido de carbono de 20%, e os gases de efeito estufa e menores Aerossóis representando os 5% restantes. No estudo, o modelo de referência é atmosfera de 1,980 condições. Crédito da imagem: NASA .

A contribuição de cada um dos gases de efeito de estufa é afectada pelas características de que o gás, a sua abundância, e quaisquer efeitos indirectos que podem causar. Por exemplo, numa base por kg kg, os efeitos directos radiativa de metano é cerca de 72 vezes mais forte do que o dióxido de carbono ao longo de um período de tempo 20 anos, mas está presente em concentrações muito menores, de modo que o seu efeito total directa de radiação é menor, e tem um menor tempo de vida atmosférico. Por outro lado, para além do seu impacto por radiação directa metano tem um grande efeito indirecto por radiação porque contribui para a formação de ozono. Shindell et al. (2005) argumentam que a contribuição para as alterações climáticas a partir do metano é pelo menos duplos estimativas anteriores, como resultado deste efeito.

Quando classificados por sua contribuição directa para o efeito de estufa, os mais importantes são:

Composto
Fórmula
Contribuição
(%)
O vapor de água e nuvens H2O 36-72%
Gás carbônico CO2 9-26%
Metano CH 4 4-9%
Ozônio O 3 3 - 7%

Além dos principais gases de efeito estufa listados acima, outros gases de efeito estufa incluem hexafluoreto de enxofre, hidrofluorocarbonetos e perfluorcarbonos (veja IPCC lista de gases de efeito estufa). Alguns gases de efeito estufa não são frequentemente listado. Por exemplo, trifluoreto de nitrogênio tem um alto potencial de aquecimento global (GWP), mas só está presente em quantidades muito pequenas.

Proporção de efeitos directos num dado momento

Não é possível afirmar que um determinado gás provoca uma porcentagem exata do efeito estufa. Isto é porque alguns dos gases absorvem e emitem radiação nas mesmas frequências como os outros, de modo que o efeito total da estufa não é simplesmente a soma de a influência de cada um dos gases. Os maiores extremidades das faixas apresentados são para cada gás sozinho; as extremidades inferiores representam a sobreposição com outros gases. Além disso, alguns gases, como o metano são conhecidos por ter grandes efeitos indirectos que ainda estão a ser quantificados.

Vida atmosférica

Além do vapor de água , que tem um tempo de residência de cerca de nove dias, as principais gases de estufa são bem misturados, e levar muitos anos para deixar a atmosfera. Embora não seja fácil saber com precisão quanto tempo leva gases de efeito estufa para deixar a atmosfera, existem estimativas para os principais gases de efeito estufa. Jacob (1999) define o tempo de vida \ Tau de um atmosférica espécie X em um modelo de um quadro de como o tempo médio que uma molécula de X permanece na caixa. Matematicamente \ Tau pode ser definida como a razão entre a massa m (Em kg) de X na caixa à sua taxa de remoção, que é a soma do fluxo de X para fora da caixa ( F_ {fora} ), A perda de produto químico de X ( L ), E deposição de X ( D ) (Todos em kg / s): \ Tau = \ frac {m} {{F_ fora} + L + D} . Se parou uma qualquer derramamento de este gás para dentro da caixa, em seguida, depois de um tempo \ Tau , A sua concentração seria de cerca de metade.

O tempo de vida atmosférica de uma espécie, por conseguinte, mede o tempo necessário para restabelecer o equilíbrio depois de um aumento repentino ou redução da sua concentração na atmosfera. ?tomos ou moléculas individuais podem ser perdidos ou depositado para pias, tais como o solo, os oceanos e outras águas, ou vegetação e outros sistemas biológicos, reduzindo o excesso de concentrações de fundo. O tempo médio necessário para atingir esse é o vida significa.

O dióxido de carbono tem um tempo de vida atmosférico variável, e não pode ser especificada com precisão. O tempo de vida atmosférico de CO 2 é estimado da ordem dos 30-95 anos. Esta figura representa CO 2 moléculas a ser removido a partir da atmosfera através da mistura para o oceano, fotossíntese, e outros processos. No entanto, isso exclui os fluxos de equilíbrio de CO 2 para a atmosfera a partir dos reservatórios geológicos, que têm taxas mais lento característicos. Embora mais de metade do CO 2 emitida é removido a partir da atmosfera dentro de um século, algumas fracções (cerca de 20%) do emissor de CO 2 permanece na atmosfera por muitos milhares de anos. Problemas semelhantes se aplicam a outros gases de efeito estufa, muitos dos quais têm vidas mais do que médias de CO 2. Por exemplo, N 2 O tem uma vida atmosférica média de 114 anos.

Forçamento radiativo

A Terra absorve parte da energia radiante recebida do sol, reflete alguns dos que, como luz e reflete ou re-irradia o resto de volta para o espaço como calor. Temperatura da superfície da Terra depende desse equilíbrio entre a energia que entra e sai. Se este balanço energético é deslocado, a superfície da Terra pode se tornar mais quente ou fria, levando a uma variedade de mudanças no clima global.

Uma série de mecanismos naturais ou provocadas pelo homem podem afetar o equilíbrio de energia e força global mudanças no clima da Terra. Gases de efeito estufa são um tal mecanismo. Gases de efeito de estufa na atmosfera absorver e re-emitir alguma da energia de saída irradiada a partir da superfície da terra, provocando que o calor seja mantido na atmosfera mais baixa. Como explicado acima , alguns gases de efeito estufa permanecem na atmosfera por décadas ou mesmo séculos, e, portanto, pode afetar o balanço energético da Terra ao longo de um período de tempo longo. Fatores que influenciam o balanço energético da Terra podem ser quantificados em termos de " clima forçamento radiativo. "forçante radiativa positiva indica aquecimento (por exemplo, através do aumento da energia recebida ou diminuindo a quantidade de energia que escapa para o espaço), enquanto a força negativa está associada com arrefecimento.

Potencial de aquecimento global

O potencial de aquecimento global (GWP) depende tanto da eficiência da molécula como um gás de estufa e o seu tempo de vida atmosférico. PAG é medido em relação à mesma massa de CO 2 e avaliada para uma escala de tempo específico. Assim, se um gás tem um elevado (positivo) forçamento radiativo, mas também um tempo de vida curto, ele terá um grande PAG numa escala de 20 anos, mas um pequeno numa escala de 100 anos. Por outro lado, se uma molécula tem um tempo de vida atmosférico mais do que o CO 2 a PAG irá aumentar com a escala de tempo considerado. O dióxido de carbono é definido para ter um GWP de 1 em todos os períodos de tempo.

O metano tem uma vida atmosférica de 12 ± 3 anos e um GWP de 72 mais de 20 anos, 25 mais de 100 anos e 7,6 mais de 500 anos. A diminuição no PAG em tempos mais longos é porque metano é degradada à água e CO 2 por meio de reações químicas na atmosfera.

Exemplos do tempo de vida atmosférico e PAG em relação ao CO 2 durante vários gases com efeito de estufa são apresentados na tabela seguinte:

Vida atmosférica e GWP relativo ao CO 2 no horizonte de tempo diferente para vários gases de efeito estufa.
Nome de gás Químico
fórmula
Vida
(anos)
Potencial de aquecimento global (GWP) para determinado horizonte de tempo
20-yr 100-yr 500-yr
Gás carbônico CO2 Veja acima 1 1 1
Metano CH 4 12 72 25 7.6
Óxido nitroso N 2 O 114 289 298 153
CFC-12 CCl 2 F 2 100 11 000 10 900 5 200
HCFC-22 CHClF 2 12 5 160 1 810 549
Tetrafluoromethane 4 CF 50 000 5 210 7 390 11 200
Hexafluoretano C 2 F 6 10 000 8 630 12 200 18 200
Hexafluoreto de enxofre SF6 3 200 16 300 22 800 32 600
Trifluoreto de azoto NF3 740 12 300 17 200 20 700

O uso de CFC-12 (exceto alguns usos essenciais) foi descontinuada devido a suas destruidoras do ozono propriedades. A eliminação progressiva dos menos ativos HCFC-compostos será concluída em 2030.

Gases de efeito estufa antropogênicos

Este gráfico mostra mudanças no índice anual de gases de efeito estufa (AGGI) entre 1979 e 2008. O AGGI mede os níveis de gases de efeito estufa na atmosfera com base na sua capacidade de provocar mudanças no clima da Terra.
Este gráfico de barras mostra as emissões de gases de efeito estufa globais por sector 1990-2005, medido em equivalentes de dióxido de carbono.
Modernos antropogénicas globais de carbono emissões.

Desde cerca de 1750 atividade humana aumentou a concentração de dióxido de carbono e outros gases de efeito estufa. As concentrações atmosféricas de dióxido de carbono medidos Atualmente 100 ppm acima dos níveis pré-industriais. Fontes naturais de dióxido de carbono são mais de 20 vezes maior do que fontes devido à atividade humana, mas por períodos mais longos do que alguns anos fontes naturais estão estreitamente equilibrados por sumidouros naturais, principalmente a fotossíntese de compostos de carbono pelas plantas e plâncton marinho. Como resultado desse equilíbrio, a fracção de moles de dióxido de carbono atmosférico permaneceu entre 260 e 280 partes por milhão para 10.000 anos entre o fim do último máximo glacial e o início da era industrial.

É provável que antropogênica (isto é, induzida pelo homem) de aquecimento, como que, devido aos níveis elevados de gases de efeito estufa, teve uma influência visível em muitos sistemas físicos e biológicos. Aquecimento futuro é projetada para ter uma gama de impactos , incluindo a subida do nível do mar , aumento da frequência e gravidade de alguns eventos climáticos extremos, perda de biodiversidade, mudanças e regionais em produtividade agrícola.

As principais fontes de gases de efeito estufa devido à atividade humana são os seguintes:

  • queima de combustíveis fósseis e desmatamento, levando a concentrações de dióxido de carbono mais elevados no ar. Mudança no uso da terra (principalmente o desmatamento nos trópicos) são responsáveis por até um terço do total das emissões antropogénicas de CO 2.
  • pecuária fermentação entérica e de manejo de dejetos, paddy arroz agricultura, uso da terra e das zonas húmidas mudanças, as perdas nas condutas, e cobertos emissões de aterros ventilados levando a concentrações atmosféricas de metano mais elevadas. Muitos dos mais recentes sistemas sépticos estilo totalmente ventilados que melhoram e têm como alvo o processo de fermentação também são fontes de metano atmosférico.
  • uso de clorofluorcarbonos (CFCs) em sistemas de refrigeração e uso de CFCs e halons em sistemas de extinção de incêndio e processos de fabricação.
  • actividades agrícolas, incluindo o uso de fertilizantes, que levam ao óxido nitroso superior (N 2 O) concentrações.

As sete fontes de CO 2 provenientes da queima de combustíveis fósseis são (com contribuições percentuais para 2000-2004):

Sete principal combustível fóssil
fontes de combustão
Contribuição
(%)
Combustíveis líquidos (por exemplo, gasolina, óleo combustível) 36%
Os combustíveis sólidos (por exemplo, de carvão ) 35%
Combustíveis gasosos (por exemplo, gás natural ) 20%
A produção de cimento 3%
Queima de gás industrial e em poços <1%
Os hidrocarbonetos não-combustíveis <1%
"International combustíveis de bancas "de transporte
não incluídos nos inventários nacionais
4%

O dióxido de carbono , metano , óxido nitroso (N2O) e de três grupos os gases fluorados ( hexafluoreto de enxofre (SF 6), hidrofluorocarbonetos (HFC), e perfluorcarbonos (PFCs)) são os principais gases de efeito estufa antropogênicas, e são regulados sob o Protocolo de Kyoto internacional tratado, que entrou em vigor em 2005. Emissões limites especificados no Protocolo de Kyoto expirar em 2012. O Acordo de Cancún, acordado em 2010, inclui promessas voluntárias feitas por 76 países para controlar as emissões. Na época do acordo, estes 76 países foram coletivamente responsáveis por 85% das emissões globais anuais.

Embora Os CFCs são gases de efeito estufa, eles são regulados pela Protocolo de Montreal, que foi motivado pela contribuição dos CFCs de destruição do ozono e não pela sua contribuição para o aquecimento global. Note-se que a destruição do ozônio tem apenas um papel menor no aquecimento do efeito estufa que os dois processos são muitas vezes confuso na mídia.

Papel do vapor de água

O aumento do vapor de água na estratosfera, em Boulder, Colorado.

O vapor de água representa a maior percentagem do efeito estufa, entre 36% e 66% para condições de céu claro e entre 66% e 85% quando se incluem nuvens. Concentração de vapores de água flutuam regionalmente, mas a atividade humana não afeta significativamente as concentrações de vapor d'água, exceto em escalas locais, como perto de campos irrigados. A concentração atmosférica de vapor é altamente variável e depende em grande parte da temperatura, de menos do que 0,01% em regiões extremamente frias até 20% em regiões quentes e húmidos.

O tempo médio de residência de uma molécula de água na atmosfera é apenas cerca de nove dias, em comparação a anos ou séculos de outros gases com efeito de estufa, como o CH 4 e CO 2. Assim, o vapor de água responde a e amplifica os efeitos de outros gases de efeito estufa. O Relação Clausius-Clapeyron estabelece que o ar pode conter mais vapor de água por unidade de volume quando se aquece. Este e outros princípios básicos indicam que o aquecimento associado com o aumento das concentrações de outros gases de efeito estufa, também irá aumentar a concentração de vapor de água (assumindo que o humidade relativa mantém-se aproximadamente constante; modelagem e estudos observacionais achar que isso é realmente assim). Porque o vapor de água é um gás de efeito estufa, o que resulta em um maior aquecimento e por isso é um " feedback positivo "que amplifica o aquecimento inicial. Eventualmente outros processos de terra compensar esses feedbacks positivos, estabilizando a temperatura global a um novo equilíbrio e prevenindo a perda de água da Terra através de um Venus-like efeito estufa.

Mais uma vez assumindo umidade relativa constante, a Equação de Clausius-Clapeyron mostra que os aumentos de vapor de água aproximadamente exponencialmente com a temperatura, a cerca de 7% para temperaturas típicas.

A remoção da atmosfera ("sumidouros")

Os processos naturais

Os gases de estufa pode ser removido a partir da atmosfera por vários processos, como uma consequência de:

  • uma alteração física (condensação e precipitação remover o vapor de água da atmosfera).
  • uma reacção química dentro da atmosfera. Por exemplo, o metano é oxidadas por reacção com ocorrendo naturalmente hidroxilo radical OH · e degradado em CO2 e vapor de água (CO 2 a partir da oxidação do metano não está incluído na metano Potencial de aquecimento global). Outras reacções químicas incluem solução e química de fase sólida que ocorre em aerossóis atmosféricos.
  • uma troca física entre a atmosfera e os outros compartimentos do planeta. Um exemplo é a mistura de gases atmosféricos para os oceanos.
  • uma alteração química na interface entre a atmosfera e os outros compartimentos do planeta. Este é o caso para o CO 2, o qual é reduzido por fotossíntese das plantas, e que, após dissolução em oceanos, reage para formar ácido carbônico e bicarbonato e carbonato de íons (ver a acidificação dos oceanos).
  • um mudança fotoquímica. Halocarbonos são dissociados por UV luz liberando Cl e F · · como radicais livres no estratosfera com efeitos nocivos sobre o ozono (halocarbonetos são geralmente muito estáveis a desaparecer por reacção química na atmosfera).

Emissões negativas

Uma série de tecnologias remover as emissões de gases de efeito estufa da atmosfera. Mais amplamente analisados são aqueles que remover dióxido de carbono da atmosfera, ou a formações geológicas, tais como bio-energia com captura e armazenagem de carbono e captura do dióxido de carbono do ar, ou para o solo, como no caso com biochar. O IPCC apontou que muitos modelos de cenários climáticos a longo prazo exigem emissões negativas provocadas pelo homem de grande escala para evitar a mudança climática grave.

História da investigação científica

Tardias cientistas do século 19 que descobriram experimentalmente N2 e O2 não absorvem radiação infravermelha (chamado, nessa altura, "radiação escuro"), enquanto que, pelo contrário, a água, tanto verdadeira como vapor e condensado sob a forma de gotas microscópicas suspenso nas nuvens, assim como CO 2 e outras moléculas gasosas poli-atômica, absorvem a radiação infravermelha. Foi reconhecido no início do século 20 que gases de efeito estufa na atmosfera fez a temperatura global da Terra mais elevada do que seria sem eles. Durante o final do século 20, um consenso científico evoluiu que concentrações crescentes de gases de efeito estufa na atmosfera estão provocando um aumento substancial das temperaturas globais e alterações de outras partes do sistema climático, com consequências para o ambiente e para a saúde humana.

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