Khí nhà kính (đôi khi viết tắt là KNK) là những khí có khả năng hấp thụ các bức xạ sóng dài (hồng ngoại) được phản xạ từ bề mặt Trái Đất khi được chiếu sáng bằng ánh sáng mặt trời, sau đó phân tán nhiệt lại cho Trái Đất, gây nên hiệu ứng nhà kính.[1] Các khí nhà kính chủ yếu bao gồm: hơi nước, CO2, CH4, N2O, O3, các khí CFC. Trong hệ mặt trời, bầu khí quyển của Sao Kim, Sao HỏaTitan cũng chứa các khí gây hiệu ứng nhà kính. Khí nhà kính ảnh hưởng mạnh mẽ đến nhiệt độ của Trái Đất, nếu không có chúng nhiệt độ bề mặt Trái Đất trung bình sẽ lạnh hơn hiện tại khoảng 33 °C (59 °F).[2][3][4]

Các hoạt động của con người kể từ khi bắt đầu Cách mạng Công nghiệp (khoảng năm 1750) đã làm tăng 45% nồng độ carbon dioxide trong khí quyển, từ 280 ppm vào năm 1750 lên 415 ppm vào năm 2019.[5] Lần cuối cùng nồng độ carbon dioxide trong khí quyển cao như vậy là hơn 3 triệu năm trước. [6] Sự gia tăng này vẫn đã xảy ra mặc dù đã hấp thụ hơn một nửa lượng khí thải bởi các "bể chìm" tự nhiên khác nhau liên quan đến chu trình carbon.[7][8] Phần lớn lượng khí thải carbon dioxide do con người thải ra từ quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch, chủ yếu là than, dầukhí tự nhiên, cộng với việc phá rừng, thay đổi sử dụng đất, xói mòn đấtnông nghiệp (bao gồm cả chăn nuôi). [9][10] Nguồn thải khí mêtan do con người gây ra hàng đầu là nông nghiệp chăn nuôi, tiếp theo là phát thải từ khí đốt, dầu mỏ, than đá và các ngành công nghiệp khác, chất thải rắn, nước thải và sản xuất lúa gạo.[11] Trồng lúa truyền thống là nguồn thải KNK lớn thứ hai trong nông nghiệp sau chăn nuôi. Sản xuất lúa gạo truyền thống trên toàn cầu chiếm khoảng 1,5% lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính, tương đương với tất cả lượng khí thải của ngành hàng không. Nguồn của nó là mêtan, được tạo ra bởi chất hữu cơ phân hủy dưới nước trong các cánh đồng ngập nước.[12]

Với tốc độ phát thải hiện tại, nhiệt độ có thể tăng thêm 2°C (3,6°F), mức mà Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) của Liên hợp quốc đã chỉ định để tránh mức "nguy hiểm", vào năm 2036. [13]

Các loại khí trong bầu khí quyển của Trái đấtSửa đổi

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

Khí không gây Hiệu ứng nhà kínhSửa đổi

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 kínhSửa đổi

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, mêtanôzôn 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 cầuCacbon điôxít trong khí quyển Trái Đất

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

Khí
 
Công thức
 
Tỷ lệ đóng góp
(%)
Hơi nước H2O 49 – 71%  
Cacbon điôxít CO2 22 – 29%
mêtannitơ ôxít, CH4 + N2O 4 – 8%  
Ôzôn O3 7 – 10%  
Chlorofluorocarbons CFCs
Hydrofluorocarbon bao gồm HCFC và HFC

Ngoài ra còn có các khí sulfur hexaflorua, hydrofluorocarbonsperfluorocarbons.

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 tiếpSửa đổi

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 đấtSửa đổi

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]

Hợp chất Công thức Nồng độ trong khí quyển (ppm) Tỉ lệ (%)
Hơi nướcmây H2O 10–50,000(A) 36–72%  
Cacbon dioxit CO2 ~400 9–26%
Metan CH4 ~1.8 4–9%
Ozon O3 2–8(B) 3–7%  

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, hydrofluorocarbonperfluorocarbon (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 địnhSửa đổi

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 quyểnSửa đổi

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

Tác động đến tổng thể hiệu ứng nhà kínhSửa đổi

Sự đóng góp của mỗi loại khí vào hiệu ứng nhà kính được xác định bởi các đặc tính của khí, sự phong phú và bất kỳ tác động gián tiếp nào mà nó có thể gây ra

Tham khảoSửa đổi

  1. ^ a ă “IPCC AR4 SYR Appendix Glossary” (PDF). Truy cập ngày 14 tháng 12 năm 2008. 
  2. ^ Karl TR, Trenberth KE (2003). “Modern Global Climate Change”. Science 302 (5651): 1719–1723. doi:10.1126/science.1090228. 
  3. ^ Le Treut H, Somerville R, Cubasch U, Ding Y, Mauritzen C, Mokssit A, Peterson T and Prather M (2007). Historical Overview of Climate Change Science In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (Solomon S, Qin D, Manning M, Chen Z, Marquis M, Averyt KB, Tignor M and Miller HL, editors) (PDF). Cambridge University Press. Truy cập ngày 14 tháng 12 năm 2008. 
  4. ^ NASA Science Mission Directorate article on the water cycle
  5. ^ "CO2 in the atmosphere just exceeded 415 parts per million for the first time in human history". Retrieved 31 August 2019.
  6. ^ "Climate Change: Atmospheric Carbon Dioxide | NOAA Climate.gov". www.climate.gov. Retrieved 2 March 2020.
  7. ^ "Frequently asked global change questions". Carbon Dioxide Information Analysis Center.
  8. ^ ESRL Web Team (14 January 2008). "Trends in carbon dioxide". Esrl.noaa.gov. Retrieved 11 September 2011.
  9. ^ "Global Greenhouse Gas Emissions Data". U.S. Environmental Protection Agency. Retrieved 30 December 2019. The burning of coal, natural gas, and oil for electricity and heat is the largest single source of global greenhouse gas emissions.
  10. ^ "AR4 SYR Synthesis Report Summary for Policymakers – 2 Causes of change". ipcc.ch. Archived from the original on 28 February 2018. Retrieved 9 October2015.
  11. ^ https://www.globalmethane.org/documents/gmi-mitigation-factsheet.pdf
  12. ^ Reed, John (25 June 2020). "Thai rice farmers step up to tackle carbon footprint". Financial Times. Retrieved 25 June 2020
  13. ^ Mann, Michael E. (1 April 2014). "Earth Will Cross the Climate Danger Threshold by 2036". Scientific American. Retrieved 30 August 2016
  14. ^ a ă â Kiehl, J.T.; Kevin E. Trenberth (1997). “Earth's annual global mean energy budget” (PDF). Bulletin of the American Meteorological Society 78 (2): 197–208. Bibcode:1997BAMS...78..197K. ISSN 1520-0477. doi:10.1175/1520-0477(1997)078<0197:EAGMEB>2.0.CO;2. Bản gốc (PDF) lưu trữ ngày 30 tháng 3 năm 2006. Truy cập ngày 1 tháng 5 năm 2006. 
  15. ^ "FAQ 7.1". p. 14 in IPCC AR4 WG1 (2007)
  16. ^ Canadell, J.G.; Le Quere, C.; Raupach, M.R.; Field, C.B.; Buitenhuis, E.T.; Ciais, P.; Conway, T.J.; Gillett, N.P.; Houghton, R.A.; Marland, G. (2007). "Contributions to accelerating atmospheric CO2 growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks". Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 104 (47): 18866–70. Bibcode:2007PNAS..10418866C. doi:10.1073/pnas.0702737104. PMC 2141868. PMID 17962418.
  17. ^ a ă Forster, P.; et al. (2007). "2.10.3 Indirect GWPs". Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press. Retrieved 2 December 2012.
  18. ^ MacCarty, N. "Laboratory Comparison of the Global-Warming Potential of Six Categories of Biomass Cooking Stoves" (PDF). Approvecho Research Center. Archived from the original (PDF) on 11 November 2013.
  19. ^ Kiehl, J.T.; Kevin E. Trenberth (1997). "Earth's annual global mean energy budget". Bulletin of the American Meteorological Society. 78 (2): 197–208. Bibcode:1997BAMS...78..197K. doi:10.1175/1520-0477(1997)078<0197:EAGMEB>2.0.CO;2
  20. ^ a ă "Water vapour: feedback or forcing?". RealClimate. 6 April 2005. Retrieved 1 May 2006.
  21. ^ "Appendix 8.A" (PDF). Intergovernmental Panel on Climate Change Fifth Assessment Report. p. 731.
  22. ^ Shindell, Drew T. (2005). "An emissions-based view of climate forcing by methane and tropospheric ozone". Geophysical Research Letters. 32 (4): L04803. Bibcode:2005GeoRL..32.4803S. doi:10.1029/2004GL021900
  23. ^ "Methane's Impacts on Climate Change May Be Twice Previous Estimates". Nasa.gov. 30 November 2007. Retrieved 16 October 2010.
  24. ^ Wallace, John M. and Peter V. Hobbs. Atmospheric Science; An Introductory Survey. Elsevier. Second Edition, 2006. ISBN 978-0127329512. Chapter 1
  25. ^ Prather, Michael J.; J Hsu (2008). "NF3, the greenhouse gas missing from Kyoto". Geophysical Research Letters. 35 (12): L12810. Bibcode:2008GeoRL..3512810P. doi:10.1029/2008GL034542
  26. ^ Isaksen, Ivar S.A.; Michael Gauss; Gunnar Myhre; Katey M. Walter Anthony; Carolyn Ruppel (20 April 2011). "Strong atmospheric chemistry feedback to climate warming from Arctic methane emissions" (PDF). Global Biogeochemical Cycles. 25 (2): n/a. Bibcode:2011GBioC..25.2002I. doi:10.1029/2010GB003845. hdl:1912/4553. Archived from the original (PDF) on 4 March 2016. Retrieved 29 July 2011.
  27. ^ "AGU Water Vapor in the Climate System". Eso.org. 27 April 1995. Retrieved 11 September 2011.
  28. ^ Betts (2001). "6.3 Well-mixed Greenhouse Gases". Chapter 6 Radiative Forcing of Climate Change. Working Group I: The Scientific Basis IPCC Third Assessment Report – Climate Change 2001. UNEP/GRID-Arendal – Publications. Archived from the original on 29 June 2011. Retrieved 16 October 2010
  29. ^ Jacob, Daniel (1999). Introduction to atmospheric chemistry. Princeton University Press. pp. 25–26. ISBN 978-0691001852. Archived from the original on 2 September 2011.