Gases de efecto invernadero
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Un gas de efecto invernadero (GEI a veces abreviado) es un gas en un ambiente que absorbe y emite radiación dentro de la rango del infrarrojo térmico. Este proceso es la causa fundamental de la efecto invernadero . Los gases de efecto invernadero en la atmósfera de la Tierra son el vapor de agua , dióxido de carbono , metano , óxido nitroso y ozono . En el Sistema Solar , las atmósferas de Venus, Marte, y Titan también contienen gases que provocan el efecto invernadero. Gases de efecto invernadero afectan en gran medida la temperatura de la Tierra ; sin ellos, la superficie de la Tierra sería un promedio de alrededor de 33 ° C más frío que el promedio actual de 14 ° C (57 ° F).
Desde el comienzo de la Revolución Industrial , la quema de combustibles fósiles ha contribuido a un aumento del 40% en la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera de 280 ppm a 397 ppm, a pesar de la absorción de una gran parte de las emisiones de diversos "sumideros" naturales involucrados en la ciclo del carbono. Dióxido de carbono antropogénico (CO 2) de emisiones (es decir, las emisiones producidas por la actividad humana) provienen de combustión de combustibles a base de carbono, principalmente de madera , carbón , aceite y gas natural .
Gases en la atmósfera de la Tierra
Gases de invernadero
Gases de efecto invernadero son los que pueden absorber y emitir la radiación infrarroja, pero no la radiación en o cerca del espectro visible. En fin, los gases de efecto invernadero más abundante en la atmósfera de la Tierra son:
- vapor de agua (H 2 O)
- dióxido de carbono (CO 2)
- metano (CH 4)
- el óxido nitroso (N 2 O)
- ozono (O 3)
Las concentraciones atmosféricas de gases de efecto invernadero se determinan por el equilibrio entre las fuentes (emisiones de gas de las actividades humanas y los sistemas naturales) y sumideros (la eliminación del gas de la atmósfera por la conversión a un compuesto químico diferente). La proporción de una emisión que queda en la atmósfera después de un tiempo determinado es el " Fracción Airborne "(AF). Más exactamente, el AF anual es la relación entre el aumento de la atmósfera en un año dado a las emisiones totales de ese año. Para el CO 2 de la AF en los últimos 50 años (1956-2006) se ha incrementado en un 0,25 ± 0,21% / año.
No gases de efecto invernadero
Aunque contribuye a muchas otras reacciones físicas y químicas, los principales componentes de la atmósfera, el nitrógeno (N 2), oxígeno (O 2) y argón (Ar), no son gases de efecto invernadero. Esto es porque moléculas que contienen dos átomos de un mismo elemento, tales como N 2 y O 2 y moléculas monoatómicos tales como argón (Ar) no tienen ningún cambio neto en su momento dipolar cuando vibran y por lo tanto son casi totalmente inafectado por la radiación infrarroja. Aunque las moléculas que contienen dos átomos de diferentes elementos como el monóxido de carbono (CO) o cloruro de hidrógeno (HCl) absorben IR, estas moléculas son de corta duración en la atmósfera debido a su reactividad y solubilidad. Debido a que no contribuyen de manera significativa al efecto invernadero, por lo general se omiten cuando se habla de gases de efecto invernadero.
Efectos radiactivos indirectos
Algunos gases tienen efectos radiactivos indirectos (si son o no un gas de efecto invernadero a sí mismos). Esto ocurre en dos formas principales. Una forma es que cuando se descomponen en la atmósfera que producen otro gas de efecto invernadero. Por ejemplo el metano y el monóxido de carbono (CO) se oxida para dar dióxido de carbono (y la oxidación del metano también produce vapor de agua; que serán considerados más adelante). La oxidación de CO a CO2 produce directamente un aumento inequívoco del forzamiento radiativo aunque la razón es sutil. El pico de la emisión IR térmica de la superficie de la Tierra está muy cerca de una fuerte banda de absorción de vibración de CO 2 (667 cm -1). Por otro lado, la banda vibratoria única CO sólo absorbe IR a frecuencias mucho más altas (2145 cm -1), donde la emisión térmica ~ 300K de la superficie es al menos un factor de diez menor. Por otra parte, la oxidación de metano a CO 2 que requiere reacciones con el radical OH, produce una reducción instantánea, ya que el CO 2 es un gas de efecto invernadero más débil que el metano; pero tiene una vida útil más larga. Como se describe más adelante esto no es toda la historia, ya que las oxidaciones de CO y CH 4 se entrelazan por tanto consumen radicales OH. En cualquier caso, el cálculo del efecto radiativo total debe incluir tanto la directa e indirecta forzar.
Un segundo tipo de efecto indirecto ocurre cuando las reacciones químicas en la atmósfera que implican estos gases cambian las concentraciones de gases de efecto invernadero. Por ejemplo, la destrucción de compuestos no metano orgánicos volátiles (COVDM) en la atmósfera pueden producir ozono. El tamaño del efecto indirecto puede depender en gran medida de dónde y cuando el gas se emite.
El metano tiene una serie de efectos indirectos además de formar CO 2. En primer lugar, el principal producto químico que destruye metano en la atmósfera es el radical hidroxilo (OH). El metano reacciona con OH y de modo más metano significa que la concentración de OH va hacia abajo. Efectivamente, el metano aumenta su propia vida en la atmósfera y por lo tanto su efecto radiativo global. El segundo efecto es que la oxidación de metano puede producir ozono. En tercer lugar, así como la fabricación CO 2 la oxidación de metano produce agua; esto es una importante fuente de vapor de agua en el estratosfera, por lo demás muy seco. CO y COVDM también producen CO 2 cuando se oxidan. Eliminan OH de la atmósfera y esto conduce a mayores concentraciones de metano. El efecto sorprendente de esto es que el potencial de calentamiento global de CO es tres veces mayor que la de CO 2. El mismo proceso que convierte NMVOC a dióxido de carbono puede también conducir a la formación de ozono troposférico. Los halocarbonos tienen un efecto indirecto debido a que destruyen la capa de ozono estratosférico. Finalmente hidrógeno puede conducir a la producción de ozono y CH 4 aumenta, así como la producción de vapor de agua en la estratosfera.
Contribución de las nubes de efecto invernadero de la Tierra
El principal contribuyente no gas a efecto invernadero de la Tierra, nubes, también absorben y emiten radiación infrarroja y por lo tanto tener un efecto sobre las propiedades radiativas de los gases de efecto invernadero. Las nubes son gotas de agua o cristales de hielo en suspensión en la atmósfera.
Impactos sobre el efecto invernadero global
La contribución de cada gas de efecto invernadero se ve afectada por las características de ese gas, su abundancia, y los posibles efectos indirectos que puede provocar. Por ejemplo, en un kg de base kg los efectos radiactivos directas de metano es unas 72 veces más potente que el dióxido de carbono durante un período de tiempo 20 años, pero está presente en concentraciones mucho más pequeñas para que su efecto radiativo directo total es menor, y tiene una vida atmosférica más corta. Por otra parte, además de su impacto directo metano radiativo tiene un gran efecto radiativo indirecto ya que contribuye a la formación de ozono. Shindell et al. (2005) sostienen que la contribución al cambio climático a partir de metano se encuentra en las estimaciones previas dobles menos como consecuencia de este efecto.
Cuando calificados por su contribución directa al efecto invernadero, los más importantes son:
| Compuesto | Fórmula | Contribución (%) |
|---|---|---|
| El vapor de agua y las nubes | H 2 O | 36 a 72% |
| Dióxido de carbono | CO 2 | 9-26% |
| Metano | CH 4 | 4 - 9% |
| Ozono | O 3 | 3 - 7 de% |
Además de los principales gases de efecto invernadero enumerados anteriormente, otros gases de efecto invernadero incluyen hexafluoruro de azufre, hidrofluorocarbonos y perfluorocarbonos (ver Lista IPCC de gases de efecto invernadero). Algunos gases de efecto invernadero no se enumeran a menudo. Por ejemplo, el trifluoruro de nitrógeno tiene un alto potencial de calentamiento global (GWP), pero sólo está presente en muy pequeñas cantidades.
Proporción de los efectos directos en un momento dado
No es posible afirmar que un determinado gas provoca un porcentaje exacto del efecto invernadero. Esto es debido a que algunos de los gases absorben y emiten radiación en las mismas frecuencias que otros, por lo que el efecto total de efecto invernadero no es simplemente la suma de la influencia de cada gas. Los extremos superiores de los rangos indicados son para cada gas solo; los extremos inferiores representan solapamientos con los otros gases. Además, se sabe que algunos gases como el metano a tener grandes efectos indirectos que aún están siendo cuantificados.
Permanencia en la atmósfera
Aparte de vapor de agua , que tiene un tiempo de residencia de alrededor de nueve días principales gases de efecto invernadero son bien mezclada, y toman muchos años para salir de la atmósfera. Aunque no es fácil saber con precisión cuánto tiempo se tarda gases de efecto invernadero a salir de la atmósfera, hay estimaciones de los principales gases de efecto invernadero. Jacob (1999) define el tiempo de vida 
de un atmosférica especie X en un modelo de un cuadro como el tiempo promedio que una molécula de X permanece en el cuadro. Matemáticamente se puede definir como la relación de la masa 
(En kg) de X en la caja a su velocidad de eliminación, que es la suma del flujo de X fuera de la caja ( 
), Pérdida química de X ( 
), Y deposición de X ( 
) (Todos en kg / s): 
. Si uno se detuvo vertiendo cualquiera de este gas en la caja, a continuación, después de un tiempo , Su concentración se acerca a la mitad.
El tiempo de vida atmosférica de una especie, por tanto, mide el tiempo necesario para restaurar el equilibrio después de un aumento o disminución repentina en su concentración en la atmósfera. Átomos o moléculas individuales pueden perderse o depositados en los sumideros, como la tierra, los océanos y otras aguas, o la vegetación y otros sistemas biológicos, lo que reduce el exceso de las concentraciones de fondo. El tiempo medio necesario para lograr esto es la significa vida.
El dióxido de carbono tiene una vida atmosférica variable y no se puede especificar con precisión. La vida atmosférica de CO 2 se estima del orden de 30 a 95 años. Esta cifra representa moléculas de CO 2 que se eliminan de la atmósfera mediante la mezcla en el océano, la fotosíntesis y otros procesos. Sin embargo, esto excluye los flujos de equilibrio de CO 2 a la atmósfera desde los depósitos geológicos, que tienen las tasas más lentas característicos. Mientras que más de la mitad del CO 2 emitida se elimina de la atmósfera dentro de un siglo, una fracción (aproximadamente 20%) de CO 2 emitida permanece en la atmósfera durante muchos miles de años. Problemas similares se aplican a otros gases de efecto invernadero, muchos de los cuales tienen mayor vida media que el CO 2. Por ejemplo, N 2 O tiene una vida media atmosférica de 114 años.
El forzamiento radiativo
La Tierra absorbe parte de la energía radiante recibida del sol, refleja algo de él como la luz y la refleja o re-irradia el resto de vuelta al espacio como de calor. Temperatura de la superficie de la Tierra depende de este equilibrio entre la energía entrante y saliente. Si este balance de energía se desplaza, la superficie de la Tierra podría llegar a ser más cálido o más frío, lo que lleva a una variedad de cambios en el clima global.
Una serie de mecanismos naturales y artificiales puede afectar el balance de energía y la fuerza de los cambios globales en el clima de la Tierra. Los gases invernadero son uno de esos mecanismos. Gases de efecto invernadero en la atmósfera absorben y reemiten parte de la energía de salida irradiada por la superficie de la Tierra, causando que el calor se mantiene en la atmósfera inferior. Como se explicó anteriormente , algunos gases de efecto invernadero permanecen en la atmósfera durante décadas o incluso siglos, y por lo tanto pueden afectar el equilibrio energético de la Tierra durante un período de tiempo largo. Los factores que influyen en el balance energético de la Tierra se pueden cuantificar en términos de " climático forzamiento radiativo. "forzamiento radiativo positivo indica el calentamiento (por ejemplo, mediante el aumento de la energía entrante o disminuyendo la cantidad de energía que escapa al espacio), mientras forzamiento negativo se asocia con enfriamiento.
Potencial de calentamiento global
La potencial de calentamiento global (GWP) depende tanto de la eficiencia de la molécula como un gas de efecto invernadero y su duración en la atmósfera. GWP se mide en relación a la misma masa de CO 2 y evaluado por un período de tiempo específico. Así, si un gas tiene un alto (positivo) forzamiento radiativo sino también un tiempo de vida corto, tendrá un gran GWP en una escala 20 años, pero una pequeña en una escala de 100 años. A la inversa, si una molécula tiene una vida atmosférica más de CO 2 su GWP aumentará con la escala de tiempo considerado. El dióxido de carbono se define para tener un GWP de 1 para todos los periodos de tiempo.
El metano tiene una vida atmosférica de 12 ± 3 años y un GWP de 72 más de 20 años, 25 más de 100 años y 7,6 más de 500 años. La disminución de la GWP a veces más es porque metano se degrada al agua y CO 2 a través de reacciones químicas en la atmósfera.
Ejemplos de la vida atmosférica y GWP relativo al CO 2 durante varios gases de efecto invernadero se dan en la siguiente tabla:
| Nombre del Gas | Químico fórmula | Vida (años) | Potencial de calentamiento global (GWP) para determinado horizonte temporal | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 20-yr | 100 años | 500 años | |||
| Dióxido de carbono | CO 2 | Véase más arriba | 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 | CHClF2 | 12 | 5 160 | 1 810 | 549 |
| Tetrafluorometano | CF 4 | 50 000 | 5 210 | 7 390 | 11 200 |
| Hexafluoroetano | C 2 F 6 | 10 000 | 8 630 | 12 200 | 18 200 |
| El hexafluoruro de azufre | SF 6 | 3 200 | 16 300 | 22 800 | 32 600 |
| El trifluoruro de nitrógeno | NF 3 | 740 | 12 300 | 17 200 | 20 700 |
El uso de CFC-12 (excepto algunos usos esenciales) se ha eliminado debido a sus agotan el ozono propiedades. La eliminación gradual de los menos activos HCFC-compuestos se completará en 2030.
Los gases de efecto invernadero antropogénicos
Desde el año 1750 la actividad humana ha aumentado la concentración de dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero. Las concentraciones atmosféricas de medición de dióxido de carbono son actualmente 100 ppm superiores a los niveles pre-industriales. Las fuentes naturales de dióxido de carbono son más de 20 veces mayor que las fuentes debido a la actividad humana, pero en períodos más largos de unos pocos años de fuentes naturales están estrechamente equilibrados por los sumideros naturales, principalmente la fotosíntesis de los compuestos de carbono por las plantas y el plancton marino. Como resultado de este equilibrio, la fracción molar atmosférica de dióxido de carbono se mantuvo entre 260 y 280 partes por millón para los 10.000 años entre el final del último máximo glacial y el inicio de la era industrial.
Es probable que antropogénicas (es decir, por actividad humana) el calentamiento, como el que debido a los niveles elevados de gases de efecto invernadero, ha tenido una influencia perceptible en muchos sistemas físicos y biológicos. Calentamiento futuro se proyecta tener una gama de impactos , incluyendo el aumento del nivel del mar , el aumento de frecuencias y niveles de gravedad de algunos los fenómenos meteorológicos extremos, pérdida de biodiversidad y regionales cambios en la productividad agrícola.
Las principales fuentes de gases de efecto invernadero debido a la actividad humana son:
- quema de combustibles fósiles y deforestación conduce a concentraciones de dióxido de carbono más altos en el aire. Cambio de uso de la tierra (principalmente la deforestación en los trópicos) representan hasta un tercio del total de las emisiones antropogénicas de CO2.
- ganado la fermentación entérica y el aprovechamiento del estiércol, con cáscara de arroz agricultura, uso de la tierra y de humedales cambios, pérdidas en las tuberías, y las emisiones de rellenos sanitarios ventilados cubiertos que conducen a las concentraciones atmosféricas de metano superiores. Muchos de los nuevos del estilo totalmente ventilados sistemas sépticos que mejoran y dirigen el proceso de fermentación también son fuentes de metano atmosférico.
- uso de clorofluorocarbonos (CFC) en sistemas de refrigeración, y el uso de los CFC y halones en sistemas de extinción de incendios y procesos de fabricación.
- actividades agrícolas, incluyendo el uso de fertilizantes, que conducen a una mayor concentración de óxido nitroso (N 2 O).
Las siete fuentes de CO 2 procedentes de la combustión de combustibles fósiles son (con aportes porcentuales de 2000 a 2004):
| Siete principal combustible fósil fuentes de combustión | Contribución (%) |
|---|---|
| Los combustibles líquidos (por ejemplo, gasolina, gasolina) | 36% |
| Los combustibles sólidos (por ejemplo, carbón ) | 35% |
| Los combustibles gaseosos (por ejemplo, gas natural ) | 20% |
| La producción de cemento | 3% |
| La quema de gas industrial y en los pozos | <1% |
| Los hidrocarburos no combustibles | <1% |
| "Internacional combustibles del transporte "de transporte no incluidos en los inventarios nacionales | 4% |
El dióxido de carbono , metano , el óxido nitroso (N 2 O) y tres grupos de los gases fluorados ( hexafluoruro de azufre (SF 6), hidrofluorocarbonos (HFC), y perfluorocarbonos (PFC)) son los principales gases de efecto invernadero antropogénicos, y son regulados bajo el Protocolo de Kyoto internacional tratado, que entró en vigor en 2005. Las emisiones limitaciones especificadas en el Protocolo de Kyoto expira en 2012. El Acuerdo de Cancún, acordado en 2010, incluye promesas voluntarias hechas por 76 países para controlar las emisiones. En el momento del acuerdo, estos 76 países eran colectivamente responsables del 85% de las emisiones globales anuales.
Aunque CFC son gases de efecto invernadero, que están regulados por la Protocolo de Montreal, que fue motivado por la contribución CFC 'a la destrucción del ozono en lugar de por su contribución al calentamiento global. Tenga en cuenta que el agotamiento del ozono tiene un papel menor en el efecto invernadero, aunque los dos procesos a menudo se confunden en los medios.
Papel de vapor de agua
El vapor de agua representa el mayor porcentaje de efecto invernadero, entre el 36% y el 66% para condiciones de cielo despejado y entre el 66% y el 85% si se incluyen las nubes. Las concentraciones de vapor de agua fluctúan regional, pero la actividad humana no afecta significativamente las concentraciones de vapor de agua, excepto a escalas locales, como cerca de los campos de regadío. La concentración atmosférica de vapor es muy variable y depende en gran medida de la temperatura, de menos de 0,01% en las regiones extremadamente frías de hasta 20% en las regiones cálidas y húmedas.
El tiempo medio de permanencia de una molécula de agua en la atmósfera es de sólo alrededor de nueve días, en comparación a otros años o siglos para otros gases de efecto invernadero como el CH 4 y CO 2. Por lo tanto, el vapor de agua responde a y amplifica los efectos de otros gases de efecto invernadero. La Relación de Clausius-Clapeyron establece que el aire puede contener más vapor de agua por unidad de volumen cuando se calienta. Este y otros principios básicos indican que el calentamiento asociado con mayores concentraciones de los otros gases de efecto invernadero también aumentará la concentración de vapor de agua (suponiendo que el humedad relativa se mantiene aproximadamente constante; modelado y estudios observacionales encuentran que esto es así). Debido a que el vapor de agua es un gas de efecto invernadero, esto resulta en un mayor calentamiento y por lo tanto es un " retroalimentación positiva "que amplifica el calentamiento inicial. Eventualmente otros procesos de la tierra compensan estas retroalimentaciones positivas, la estabilización de la temperatura global a un nuevo equilibrio y evitar la pérdida de agua de la Tierra a través de una Venus similar efecto invernadero desbocado.
Una vez más asumiendo humedad relativa constante, la Ecuación de Clausius-Clapeyron muestra que los aumentos de vapor de agua más o menos exponencialmente con la temperatura, aproximadamente a 7% para temperaturas típicas.
La eliminación de la atmósfera ("sumideros")
Los procesos naturales
Los gases de invernadero pueden ser removidos de la atmósfera por diversos procesos, como consecuencia de:
- un cambio físico (condensación y precipitación eliminar el vapor de agua de la atmósfera).
- una reacción química dentro de la atmósfera. Por ejemplo, el metano es oxidado por reacción con origen natural hidroxilo radical, OH · y degradado a CO2 y vapor de agua (CO 2 de la oxidación del metano no está incluido en el metano Potencial de calentamiento global). Otras reacciones químicas incluyen solución y la química en fase sólida se produce en los aerosoles atmosféricos.
- un intercambio físico entre la atmósfera y los otros compartimentos del planeta. Un ejemplo es la mezcla de gases atmosféricos en los océanos.
- un cambio químico en la interfaz entre la atmósfera y los otros compartimentos del planeta. Este es el caso de CO 2, que se reduce por la fotosíntesis de las plantas, y que, después de disolver en los océanos, reacciona para formar ácido carbónico y de bicarbonato y carbonato de iones (véase acidificación de los océanos).
- un cambio fotoquímico. Los halocarbonos se disocian por UV luz liberadora Cl y F · · como los radicales libres en el estratosfera con efectos nocivos para la capa de ozono (halocarbonos son generalmente demasiado estable a desaparecer por la reacción química en la atmósfera).
Emisiones negativas
Una serie de tecnologías de eliminar las emisiones de gases de efecto invernadero de la atmósfera. Más ampliamente analizado son los que eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera, ya sea a las formaciones geológicas como bioenergía con captura y almacenamiento de carbono y captura de dióxido de carbono del aire, o al suelo como en el caso de biochar. El IPCC ha señalado que muchos modelos de escenarios climáticos a largo plazo requieren gran escala artificiales emisiones negativas para evitar un cambio climático grave.
Historia de la investigación científica
Científicos finales del siglo 19 experimentalmente descubrieron que el N 2 y O 2 no absorben la radiación infrarroja (llamada, en ese momento, "la radiación oscura"), mientras que, por el contrario, el agua, tanto en lo cierto vapor y condensado en forma de gotas microscópicas suspendidas en las nubes, así como CO 2 y otras moléculas gaseosas poli-atómica, hacer absorber la radiación infrarroja. Se reconoció a principios del siglo 20 que los gases de invernadero en la atmósfera hacen temperatura global más elevado de lo que sería sin ellos de la Tierra. Durante el siglo 20, una consenso científico evolucionó que el aumento de las concentraciones de gases de efecto invernadero en la atmósfera están provocando un aumento considerable de las temperaturas globales y los cambios en otras partes del sistema climático, con consecuencias para el medio ambiente y para la salud humana.
