Fagstoff

Drivhusgasser og aerosoler

Publisert: 30.09.2010, Oppdatert: 22.10.2013
  • Innbygg
  • Enkel visning
  • Lytt til tekst
  • Skriv ut

Vi skal i det følgende kort omtale de viktigste drivhusgassene og se litt nærmere på kilder og sluk for gassene. Virkningen av aerosoler (partikler) i atmosfæren vil også bli omtalt. Drivhusgassene blander seg hurtig med de andre gassene i atmosfæren. Mange av disse gassene har lang levetid slik at virkningen blir global. Situasjonen er forskjellig for aerosoler. På grunn av nedbør og tyngdekraften blir effekten av partikkelutslipp, mer lokalt.

Vanndamp

Vanndamp er den viktigste klimagassen. I atmosfæren opptrer vann i form av gass (vanndamp), som iskrystaller eller dråper i skyer. Som omtalt tidligere vil vanndampen i atmosfæren, i middel, ha en skalahøyde på ca. 2,5 cm. Dens bidrag til drivhuseffekten er meget stor. Vanndampen fører til en forandring i utgående stråling på ca. 100 W/m2 mot ca. 25 W/m2 for CO2. Vanndampens betydning har fått liten oppmerksomhet i debatten om drivhuseffekten, sannsynligvis fordi forekomsten av vanndamp er lite påvirket av menneskelig aktivitet.

Karbondioksid (CO2)

Illustrasjon av karbonets kretsløp.Karbonets kretsløp
Forfatter: Narom
 

Alle tall som angirkarbonfluksene pr. år er gitt i gigatonn (Gt) rent karbon. De fleste tall er temmelig usikre. Det er viktig å være oppmerksom på at karbonet utgjør bare 12/44 av CO2-molekylet.

 

 

 

IsprøverIsprøver

Isprøver som går mer enn 200.000 år bakover i tiden. Her er vist variasjonen i både CO2, metan og temperatur.

Debatten om drivhuseffekten har vært konsentrert om CO2-innholdet i atmosfæren. Karbondioksidet skyldes biologiske, fysiske og antropogene prosesser på jorda. Karbon inngår i mange kretsløp. Det utveksles stadig mellom atmosfæren, havene, biosfæren og noe mer langsomt i sedimenter og bergarter. Mennesker og dyr er en del av dette kretsløpet, og vi bidrar til denne utvekslingen når vi puster. Det blir produsert CO2 når vi lager bål og fyrer med ved eller når vi bruker kull, olje og gass. I naturen frigjøres CO2 når organiske materialer som løv, planter og lignende brytes ned aerobt, det vil si med oksygentilgang. Karbonkretsløpet er skissert i figuren. Fordi CO2 i atmosfæren vil kunne påvirke klima i opptil 100 år framover, er tidsskalen lang.

Fordypning: Svingninger i atmosfærens karboninnhold.


Ved fotosyntese tar plantene inn karbondioksid fra atmosfæren, og sammen med lys dannes det oksygen og organisk stoff. Oksygenet blir ført tilbake til atmosfæren, mens karbon bindes i planter og skog. Også i havet foregår fotosyntesen. CO2 -innholdet i atmosfæren er fortsatt dårlig kjent. De eneste sikre tallene er mengden av CO2 som slippes ut ved forbrenning av fossilt brensel. Utgangspunktet for klimadebatten er at vi har fått en stadig økning av CO2 i atmosfæren pga. menneskelig aktivitet. Summen av utslippene til atmosfæren er beregnet til 157 Gt rent karbon pr. år, mens opptak fra atmosfæren svarer til 154 Gt. Forskjellen på 3 Gt karbon blir tilbake i atmosfæren. Det tilsvarer da en øking i atmosfæren på 1; 5 ppm pr. år.

 

Karbondioksid har økt fra ≈ 280 ppm før den industrielle revolusjon til ≈ 360 ppm i 1998. I karbondioksidmolekylet er det 1 karbonatom og 2 oksygenatomer. Karbonatomet har atomvekten 12 mot oksygenatomets 16. Samlet atomvekt for CO2 -molekylet blir derfor 44. Det betyr at mengden rent karbon i CO2 utgjør 12/44 deler, eller 27,3 % av vekten. En annen nyttig omregningsfaktor er en CO2 mengde på 1 ppm tilsvarer 7,97 Gt CO2 eller 2,17 Gt rent karbon.

 

Det er store sesongvariasjoner i CO2 konsentrasjonen. Det skyldes at fotosyntesen tapper atmosfæren for karbon i vekstsesongen. Deler av den føres tilbake når plantene brytes ned høst og vinter. I atmosfæren over barskogbeltet er svingningene omtrent 15 ppm pr. år. Mange forskere hevder at halvparten av økningen i atmosfæren av CO2 skyldes de antropogene utslippene.

 

Havene inneholder 50 ganger så mye karbon som atmosfæren. For å kartlegge utvekslingen mellom havet og atmosfære må man benytte modeller. Havets opptak av CO2 fra atmosfæren
skjer ved

 

  1. transport av CO2 gass gjennom havoverflaten
  2. kjemisk vekselvirkning med oppløst uorganiske karbon
  3. transport fra overflatevannet (blandingslaget) ned til dyphavet.

 

Fluksen av CO2 fra havet til atmosfæren er stor. Selv om havområdene spiller en vesentlig rolle er deres bidrag ikke kartlagt i detalj. Hvis vi kun ser på de CO2 utslipp menneskene er ansvarlig for, kan vi sette opp et slags regnskap for både kilder og sluk.

 

Målinger av CO2 i atmosfæren begynte omkring 1870. For å få informasjon om CO2 mengden langt tilbake i tid, må vi derfor benytte indirekte metoder. Ved å analysere luften i isbreer får vi informasjon om CO2-innholdet på den tid isen ble dannet.

 

I Antarktis og Grønland er det boret ned til over 2000 meter. Det nederste laget ble dannet for omkring 200 000 år siden. Figuren til viser at CO2-konsentrasjonen ved slutten av siste istid var omlag 180-190 ppm, eller omlag 60 % av den preindustrielle verdien. Figuren viser også at konsentrasjonen økte raskt med temperaturen ved overgangen fra istid til mellomistid.

Metan (CH4)

Etter vanndamp og CO2 er metan den viktigste drivhusgassen i atmosfæren. Metan bidrar med ca. 15 % til dagens oppvarming. CH4 er en svært reaktiv gass. Gjennom kjemiske reaksjoner vil den også påvirke andre drivhusgasser i atmosfæren, spesielt ozon. Metan dannes i hovedsak ved ufullstendig forbrenning, dvs. anerobt nedbrytning av organisk materiale. Den totale produksjonen er på ca. 1500 Mt pr. år. De antropogene kildene er større enn de naturlige. Naturlige kilder er i første rekke våtområder, termitter og havet.

Antropogene kilder er naturgass, kullgruver og petroleumsindustri. Videre har vi gjæring i tarmer, rismarker, brenning av biomasse, jordfyllinger, dyreavfall og søppel. Kjemiske reaksjoner mellom CH4 og OH i troposfæren representerer det største tapet. Informasjon om atmosfærens innhold av metan i tidligere tider kan en også få ved å studere borekjerner fra isbreer.

Lystgass (N2O)

Lystgass er en viktig drivhusgass. Den produseres i hovedsak ved biologiske prosesser i jord og vann. Gassen fjernes ved fotodissosiasjon og kjemiske reaksjoner med atomært oksygen. Jordsmonnet i tropiske skoger antas å være den viktigste kilden til lystgass. For disse områdene er det vanskelig å skille mellom naturlige og antropogene kilder.
De største naturlige kildene er havet, skog og beiteområder. De viktigste antropogene kildene er brenning av biomasse, industri og husdyr. En antar at de naturlige kildene slipper ut omlag 50 % mer pr. år enn de antropogene kildene. Et sluk for lystgass er fotodissosiasjon med en bølgelengde på 180–230 nm. Den kan derfor bare skje høyt i stratosfæren. Konsentrasjonen av N2O har steget de siste årene og var i år 2000 omkring 315 ppb.

Klorfluorkarboner og haloner

De beryktede KFK-gassene inneholder klor (Cl), fluor (F) og karbon (C). De blir også kalt freoner. Nær beslektet med disse er forbindelser som inneholder brom. Disse kalles haloner. Freoner og haloner er betydelige drivhusgasser. Flere av disse har lang levetid (mer enn 50 år) i atmosfæren. Noen av komponentene som inneholder klor og brom er under streng regulering for å beskytte ozonlaget.

KFK-gassene er i sin helhet antropogene. De er svært stabile, de brenner ikke, eksploderer ikke, og er ikke giftige. De ble derfor regnet som svært miljøvennlige. Derfor ble de benyttet i produksjonen av isolasjonsmateriale (skumplast), i kjøleindustrien, ved renseanlegg, til brannslukking osv. “Baksiden av medaljen” er at de bryter ned ozon. Fra 1. januar 1996 har det vært forbudt å slippe ut KFK-gasser i Norge.

Ozon (O3)

Ozon er også en drivhusgass. Omlag 90 % av ozonet er i stratosfæren og 10 % i troposfæren (jfr avsnitt 6.8). Ozon absorberer både UV-stråling og IR-stråling fra jorda.

Ozonlaget viser en markert årstidsvariasjon. Mengden i vinter- og vårmånedene er redusert. For resten av året og over ekvatorområdene er endringene små. De antropogene ozonbidragene skyldes reaksjoner med karbonmonoksid (CO), nitrogenoksider (NOx) og hydrokarboner (NMCH). Disse gassene er i stor grad antropogene.

Høydefordelingen av ozon viser et maksimum ved ca. 20 km. Mengdene er små. Dersom all ozon i atmosfæren komprimeres til et lag med atmosfærisk trykk, vil tykkelsen av dette laget være ca. 4 mm. Vi skal her kort beskrive hvordan ozon dannes og destrueres. Den primære kilden til ozon er dissosiasjon av O2 ved ultrafiolett stråling i bølgelengdeområdet 200 – 300 nm:

$$\mathrm{O}_2 + h \nu \rightarrow \mathrm{O} + \mathrm{O}$$

 

Atomært oksygen rekombinerer hurtig med molekylært oksygen. Ozon dannes i en trelegeme-kollisjon der det tredje molekyl M er nødvendig for å tilfredsstille bevarelse av bevegelsesmengde og energi i prosessen:

$$\mathrm{O}_2 + \mathrm{O}+ \mathrm{M} \rightarrow \mathrm{O}_3 + \mathrm{M}$$

 

Nedbryting av ozon kan skje ved en rekke prosesser. Den viktigste naturlige prosessen er dissosiasjon ved ultrafiolett lys:

$$\mathrm{O}_3 + h \nu \rightarrow \mathrm{O} + \mathrm{O}_2$$

 

Videre kan sporstoffer som OH, NO og ClO inngå i katalytiske reaksjoner av typen

$$\mathrm{OH} + \mathrm{O}_3 \rightarrow \mathrm{HO}_2 + \mathrm{O}_2$$ $$\mathrm{HO}_2 + \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{OH} + \mathrm{O}_2$$ $$\mathrm{Netto:} \mathrm{O} + \mathrm{O}_3 \rightarrow 2 \mathrm{O}_2$$

 

Vi ser at den nedbrytende bestanddel gjendannes og kan ta del i nye reaksjoner. Nitrogenoksid (NO) dannes bl. a. ved kraftig protonnedbør i atmosfæren i forbindelse med visse typer utbrudd på sola. ClO kan dannes ved fotolyse av freongasser og er sannsynligvis en viktig kilde til antropogen forandring i ozonlaget i stratosfæren. Dynamiske prosesser er svært viktig for transport av ozon, og hele ozonbalansen er svært komplisert.

Fordypning: Svovelheksafluorid

 

Svovelheksafluorid (SF6) er også en drivhusgass. Den har en levetid i atmosfæren på omkring 3000 år. SF6 er en menneskeprodusert gass. Den brukes i elektrisk utstyr med høye spenninger, som f.eks. til strømbryter eller til å isolere strømledere. Trass i omfattende forskning har man ikke funnet frem til egnede erstatningsstoffer. I 1995 utgjorde utslippene anslagsvis 4600 tonn.

Partikler i atmosfæren – aerosoler

I de senere årene er det blitt klart at små partikler (kalt aerosoler, de er større enn molekyler) i atmosfæren spiller en viktig rolle for været og klimaet. Aerosolene blir ført med vindsystemene i atmosfæren, men pga. tyngdekraften og nedbør spredes de ikke over store avstander. De påvirker strålingen fra sola ved absorpsjon og spredning. Aerosolene absorberer en del stråling som ellers ville bli absorbert av bakken. Dermed flyttes den delen av absorpsjonsenergien opp i atmosfæren. Aerosolene øker klodens albedo, men bare på dagtid. De vil dermed føre til en oppvarming.

Noen aerosoler er dannet fra utslipp fra sjøsalt, vulkanutbrudd, jordstøv og spesielt industrielt støv og sot, mens andre dannes i atmosfæren fra gasser.

Fordypning: Aerosoler

Den totale effekten av aerosoler er avhengig av forholdet mellom absorpsjon og tilbakespredning. Hvis bakkealbedoen er liten, kan aerosolene virke avkjølende (dvs. mer stråling blir spredt tilbake til verdensrommet), mens hvis den er stor, er det sannsynlig at aerosolene vil virke oppvarmende. Virkningen av aerosolene er størst om dagen. Drivhusgassene derimot, virker hele døgnet.
Størrelsen på aerosolene er viktig. Den påvirker de optiske egenskapene og bestemmer hvor lenge partiklene oppholder seg i atmosfæren. Små partikler med diameter mindre enn 1 mikrometer, vil stort sett oppholde seg permanent i atmosfæren. Det skyldes de såkalte Brownske bevegelser, dvs. stadige støt mot andre partikler. Det fører til at aerosoler holder seg så lenge i atmosfæren.
Noen aerosoler i atmosfæren er dannet fra utslipp av støv, sjøsalt og fra vulkaner. Andre aerosoler dannes i atmosfæren fra gasser. Vi har også antropogene kilder som industrielt støv, sot, brenning av biomasse og nitrater. Utslipp av sotpartikler er spesielt viktig, fordi de absorberer mye sollys. Spredningseffekten av hver partikkel er liten, men på grunn av det store antallet, er effekten på energibalansen betydelig.
Kull gir mer partikkelutslipp enn oljefyring. Montering av moderne renseutstyr har forbedret situasjonen, men i mange land er utslippene fortsatt store. Det største antropogene bidraget kommer fra industrien. Omtrent 90 % av svovelutslippene skjer på den nordlige halvkule.

 

Den relative betydning av drivhusgassene

Mengden av de forskjellige drivhusgassene varierer mye. For å unngå en forsterkning av drivhuseffekten, er det viktig å vite hvilke tiltak som er mest effektive. Effekten av en drivhusgass er bestemt av gassens absorpsjonsevne og mengden av gassen. De forskjellige gasser absorberer stråling innenfor bestemte bølgelengdeområder. Hvis en gass absorberer innenfor et område hvor det er lite stråling, enten fordi den allerede er absorbert eller fordi det i utgangspunktet er lite, så betyr utslipp av gassen mindre enn om det var mye stråling i det samme spektralområde. Det er allerede så mye CO2 i atmosfæren at nye utslipp ikke får full effekt. Hvis vi øker CO2-konsentrasjonen med 100 % (en dobling) så vil absorpsjonen bare øke med 30 %. For andre drivhusgasser, som det er lite av i atmosfæren, øker absorpsjonen lineært med konsentrasjonen.

Hvor lenge drivhusgassen oppholder seg i atmosfæren er viktig. En gass som oppholder seg i atmosfæren i 100 år er viktigere for drivhuseffekten enn en gass som bare oppholder seg der i en uke. Vi må derfor prioritere en reduksjon av utslippene til de gassene som har lengst oppholdstid i atmosfæren.