šiltnamio efektą sukeliančios dujos

šitnamio efèktą sùkeliančios dùjos, atmosferoje esančios dujos, kurios sugeria Žemės paviršiaus 4–50 µm ilgio bangomis spinduliuojamus infraraudonuosius spindulius ir sukuria šiltnamio efektą. Dėl to pakyla Žemės paviršiaus bei atmosferos žemutinio sluoksnio temperatūra. T. p. svarbus netiesioginis šių dujų poveikis – jos turi įtakos ozono molekulių susidarymui ir suardymui, vandens garų koncentracijos stratosferoje pokyčiams, šiltnamio efektą sukeliančių dujų skilimo produktams, antrinių aerozolių susidarymui, fotocheminėms reakcijoms atmosferoje. Tokie procesai gali sustiprinti arba susilpninti tiesioginį energinį šiltnamio efektą sukeliančių dujų poveikį, t. y. globalaus atšilimo potencialą. Svarbiausios dujos, dalyvaujančios susidarant šiltnamio efektui, yra vandens garai (H₂O), anglies dioksidas (CO₂), metanas (CH₄), azoto suboksidas (N₂O), fluorintos dujos – hidrofluorangliavandeniliai (HFC), perfluorangliavandeniliai (PFC) chlorfluorangliavandeniliai (CFC), sieros heksafluoridas (SF₆) ir azoto trifluoridas (NF₃). Jų molekulės turi daugiau kaip du atomus, todėl gali sugerti Žemės paviršiaus infraraudonuosius spindulius. Septynios iš jų – CO₂, CH₄, N₂O, HFC, PFC, SF₆ ir NF₃ – yra įtrauktos į Jungtinių Tautų bendrosios klimato kaitos konvencijos Kioto protokolą siekiant reguliuoti emisijas, nes jos sparčiai didėja dėl žmonių ūkinės veiklos ir stiprina šiltnamio efektą, kuris savo ruožtu sukelia globalinį klimato atšilimą ir kitus klimato kaitos procesus. CFC ne tik sukelia šiltnamio efektą, bet ir ardo ozono sluoksnį, todėl šių dujų gamyba ir naudojimas reguliuojamas Monrealio protokolu. T. p. šiltnamio efektą sukeliančioms dujoms būdingomis savybėmis pasižymi anglies monoksidas (CO), ozonas (O₃), azoto oksidai (NO_x), sieros dioksidas (SO₂), anglies tetrafluoridas (C₂F₆), įvairios aerozolio dalelės ir kita. Žmonijai pradėjus intensyviai deginti iškastinį kurą žemės gelmėse esantys fosiliniai organiniai junginiai (anglis, nafta, dujos) per labai trumpą laiką yra verčiami atmosferos CO₂. Dėl šio proceso atmosferos CO₂ koncentracija nuo pramoninės revoliucijos pradžios (18 a. vidurio) jau šoktelėjo 1,49 karto (18 a. viduryje buvo apie 280 ppm; ppm – šiltnamio efektą sukeliančių dujų koncentracija atmosferoje, išreiškiama milijoninėmis dalimis, angl. parts per million – ppm). Dėl žmogaus veiklos į atmosferą išmetami dideli kiekiai ir kitų šiltnamio efektą sukeliančių dujų: nuo 18 a. vidurio CH₄ kiekis atmosferoje padidėjo 2,62 karto; N₂O – 1,23 karto, o dirbtinai sukuriamų HFC, PFC, CFC, SF₆ ir NF₃ dujų anksčiau atmosferoje apskritai nebuvo.

Šaltiniai, naudojimas ir globalaus atšilimo potencialas

Vandens garų koncentracija atmosferoje labai kinta ir priklausomai nuo temperatūros bei svyruoja diapazone nuo 10–50 000 ppm. Jų koncentracija nėra tiesiogiai susijusi su žmogaus ūkine veikla, tačiau didėjant globaliajai oro temperatūrai vandens garų kiekis t. p. didėja. Kitų šiltnamio efektą sukeliančių dujų koncentraciją atmosferoje daugiausia lemia žmogaus veikla. Daugiausia jų į aplinką patenka gaminant elektros energiją ir šilumą – apie 25 %, pramonė jų išskiria 21 %, transportas – 14 %. Dar 24 % šių dujų emisijos siejama su žemės ūkiu, miškininkyste ir žemėnaudos pokyčiais, 16 % – su atliekų tvarkymo ir statybų sektoriais. CO₂ koncentracija atmosferoje didėja deginant fosilinį (iškastinį) kurą (87 %), gaminant cementą (4 %) bei dėl miškų kirtimo ir kitų žemėnaudos pokyčių (9 %), mažinančių absorbcines planetos galias. 2021 CO₂ koncentracija pasiekė 416 ppm – pastarąjį kartą panaši koncentracija buvo prieš 3–5 mln. metų. Apie 40 % CO₂, kurį žmonija nuo 1750 išleido į atmosferą, liko joje, o kita dalis buvo sugerta ir sukaupta miškų medienoje bei vandenynuose. Per pastaruosius 250 m. ugnikalniai išmeta į atmosferą vidutiniškai apie 0,645 mlrd. t CO₂ per metus, o dėl žmonių veiklos metinė emisija jau pasiekė 43 mlrd. tonų.

Antropogeninės kilmės metanas į atmosferą patenka išgaunant, transportuojant, perdirbant ir deginant fosilinį kurą (33 %), t. p. plėtojant gyvulininkystę (galvijams atrajojant, be to, jo yra mėšle; 27 %) auginant ryžius (ryžių laukuose metanas gaminasi pūvant organinėms medžiagoms; 9 %), sąvartynuose pūvant organinėms atliekoms (16 %) ir deginant biomasę (11 %). Nemažai metano į aplinką patenka sausinant pelkes ar tirpstant nuolatiniam įšalui. Nors metano koncentracija ore daug mažesnė (1,88 ppm), tačiau jo globalaus atšilimo potencialas per 100 m. yra apie 25 kartus didesnis nei anglies dioksido. Šiltnamio efektą sukeliančios dujos vienos nuo kitų skiriasi savo gebėjimu sugerti Žemės spinduliuotę bei išsilaikymo atmosferoje trukme. Globalaus atšilimo potencialas skaičiuojamas atsižvelgiant į abi šias savybes. Išsilaikymo trukmė yra laikas, per kurį į atmosferą dėl antropogeninio poveikio patekę teršalai iš jos pašalinami cheminių virsmų metu arba sugeriami.

Azoto suboksidas pasižymi dar didesniu globalaus atšilimo potencialu. Per šimto metų laikotarpį jis beveik 300 kartų didesnis nei anglies dioksido. Pagrindiniai antropogeniniai azoto suboksido šaltiniai yra žemės ūkis (gyvulininkystė ir trąšos; 67 %), fosilinio kuro deginimas ir pramoninė gamyba (10 %), t. p. biomasės deginimas (10 %). Šių dujų koncentracija atmosferoje – apie 0,33 ppm.

Fluorintų šiltnamio efektą sukeliančių dujų koncentracija yra itin maža, tačiau jų globalaus atšilimo potencialas dar didesnis ir tūkstančius ar net dešimt tūkstančių kartų viršija CO₂ potencialą. Beveik visos fluorintos dujos yra vien tik antropogeninės kilmės ir į aplinką patenka pramoninių procesų metu. Hidrofluorangliavandeniliai (sudaro 91 % visų fluorintų dujų) naudojami šaldikliuose, oro kondicionieriuose, gesintuvuose ir aerozoliniuose balionėliuose, t. y. daugiausia šaldymo ir slėgio sukūrimo tikslams. Perfluorangliavandeniliai (6 %) į aplinką patenka aliuminio ir puslaidininkių gamybos metu. Sieros heksafluoridas daugiausiai naudojamas elektros prietaisų gamyboje.

Įvertinus globalaus atšilimo potencialą per 100 m. laikotarpį paaiškėjo, kad CO₂ sudaro 76 % šiltnamio efektą sukeliančių dujų, metanas – 16 %, azoto suboksidas – 6 % ir fluorintos dujos – 2 %.

1

*CO₂ pašalinimas iš atmosferos yra ilgas ir sudėtingas. Jis susijęs su daugybe fizinių, biocheminių ir geocheminių procesų vandenyne ir sausumoje. Visi jie veikia skirtingais laiko intervalais. Maždaug pusė CO₂ iš atmosferos pašalinama per kelis dešimtmečius, tačiau likusi dalis atmosferoje išlieka daug ilgiau. Nuo 15 iki 40 % CO₂ vis dar išlieka atmosferoje po 1000 metų.

Šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijos ir anglies dioksido ekvivalentas

Atsižvelgiant į šiltnamio efektą sukeliančių dujų skirtingą globalaus atšilimo potencialą, įvairių šiltnamio efektą sukeliančių dujų kiekis dažnai apskaičiuojamas ir pateikiamas anglies dioksido ekvivalentu (CO₂e). Jis naudojamas palyginti išmetamų šiltnamio efektą sukeliančių dujų kiekį atsižvelgiant į jų globalaus atšilimo potencialą, konvertuojant kitų dujų kiekį į ekvivalentinį CO₂ kiekį, turintį tokį patį globalaus atšilimo potencialą. Pvz., viena metano tona atitinka 25 anglies dioksido tonas.

Pasaulinės šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijos 2020 sudarė 55 mlrd. t CO₂e (įskaitant žemėnaudos pasikeitimų ir miškininkystės indėlį), iš jų CO₂ emisija sudarė apie 40 mlrd. tonų. Nuo 2000 jos išaugo 11,4 %. Dėl COVID-19 pandemijos sukelto ekonominio nuosmukio pasaulinės emisijos 2020, palyginti su 2019, sumažėjo 5–6 %, tačiau 2021 vėl ėmė sparčiai didėti. Jungtinių Tautų aplinkos apsaugos programos vertinimu, pasaulis per artimiausius 10 m. turėtų sumažinti CO₂ emisiją kasmet bent po 7,6 %, kad šiame amžiuje būtų išvengta globalinio klimato atšilimo daugiau nei 1,5 °C, palyginti su ikiindustriniu lygiu (1750) – toks tikslas nustatytas 2015 Paryžiaus susitarime dėl klimato kaitos. Iki 21 a. 3 dešimtmečio globali temperatūra jau yra pakilusi apie 1,2 °C. Daugiausia šiltnamio efektą sukeliančių dujų į atmosferą išmetama Kinijoje (27 % pasaulinių CO₂ emisijų), toliau rikiuojasi JAV (11 %), Indija (6,6 %), Europos sąjungos 27 narės (6,4 %), Indonezija (3,4 %), Rusija (3,1 %), Brazilija (2,8 %), Japonija (2,2 %). Lietuvos indėlis – apie 0,035 %. Skaičiuojant, kiek tonų šiltnamio efektą sukeliančių dujų tenka vienam gyventojui, pirmoje vietoje yra Brunėjus (apie 40 t CO₂e.), toliau Kataras (35 t), Jungtiniai Arabų Emyratai ir Kuveitas (po 28 t), Australija (21 t), Saudo Arabija (20 t), Trinidadas ir Tobagas (19 t), JAV (18 t), Liuksemburgas ir Rusija (po 16 t), Estija (15 t) ir t. t. Vienam Kinijos gyventojui tenka apie 8 t, vienam Lietuvos gyventojui – 6 t CO₂e.

vidutiniai metiniai CO₂ koncentracijos augimo rodikliai pagal Mauna Loa observatorijoje (Havajai) atliekamus matavimus. Grafike juodomis horizontaliomis linijomis pavaizduoti CO₂ koncentracijos augimo greičio vidurkiai per 10 m. 1960–69, 1970–79 ir t. t. Sparčiausiai CO₂ koncentracija atmosferoje didėja per pastaruosius 10 m. – vidutiniškai po 2,4 ppm per metus (Nacionalinės vandenynų ir atmosferos tyrimų administracijos duomenys)

Pagal Jungtinių Tautų bendrosios klimato kaitos konvencijos ir Kioto protokolo reikalavimus ir nustatytą metodiką visos valstybės nuolat atlieka šiltnamio efektą sukeliančių dujų stebėseną ir apskaitą. Kasmet pateikiamose ataskaitose fiksuojama informacija apie įvairių sektorių subjektų išmetamas šiltnamio efektą sukeliančias dujas: energetikos, pramoninių procesų, atliekų, žemės ūkio ir žemės naudojimo, žemės naudojimo keitimo ir miškininkystės.

Šiltnamio efektą sukeliančių dujų energinis poveikis ir jo prognozės

Palyginti su 1750, visų šiltnamio efektą sukeliančių dujų bendrasis energinis poveikis padidėjo apie 2,3 W/m². Norint stabilizuoti klimato kaitą, yra apskaičiuota, kad šis energinis poveikis iki 21 a. pabaigos turi išlikti mažesnis nei 3 W/m², o CO₂ koncentracija atmosferoje turėtų neviršyti 480–500 ppm. Todėl labai svarbu, kokie bus pasirašyti, ratifikuoti ir, svarbiausia, įgyvendinti tarptautiniai susitarimai dėl šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijų mažinimo. Tarpvyriausybinės klimato kaitos komisijos iniciatyva yra parengti galimi emisijų scenarijai. Šie scenarijai yra šiltnamio efektą sukeliančių dujų tipinės koncentracijos keliai (angl. representative concentration pathway, RCP), pagal kuriuos vystantis žmonijai Žemės paviršius patirtų skirtingą šiltnamio efekto energinio poveikio sustiprėjimą. Yra išskiriami 4 pagrindiniai tipinės koncentracijos keliai: RCP 2.6, RCP 4.5, RCP 6.0 ir RCP 8.5 (skaičius rodo šiltnamio efektą sukeliančių dujų energinio poveikio padidėjimą W/m² 21 a., palyginti su 1750).

Pagal optimistinį, arba mažiausius klimato sistemos pokyčius numatantį, RCP 2.6 kelią energinio poveikio pikas dar prieš 2100 turėtų būti apie 3 W/m² (CO₂ emisijos koncentracija pakiltų iki 490 ppm), o iki 2100 jis sumažės iki 2,6 W/m². Norint pasiekti tokį energinio poveikio lygį, dabartines šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijas būtina greitai sumažinti. Pagal RCP 4.5 numatomas energinis poveikis (4,5 W/m²) stabilizuosis iki 2100, o šiltnamio efektą sukeliančių dujų koncentracija CO₂ ekvivalentu sieks apie 630 ppm. Pagal RCP 6.0 energinio poveikio sustiprėjimas (6,0 W/m²) stabilizuosis po 2100. Šiltnamio efektą sukeliančių dujų koncentracija CO₂ ekvivalentu bus lygi apie 800 ppm. Pesimistinis RCP 8.5 numato didėjančias šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijas, lemsiančias didžiausią energinį poveikį (8,5 W/m²), o jų koncentracija 21 a. pabaigoje pasiektų apie 1300 ppm. Šie šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijų scenarijai kaip įvesties duomenys naudojami globalaus klimato modeliuose. Jais remiantis sudaromos oro temperatūros ir kitų svarbių rodiklių prognozės. Kadangi galimi labai įvairūs šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijos pokyčiai (juos lems socialinių, ekonominių, technologinių ir demografinių veiksnių visuma), didėja ir klimato prognozių neapibrėžtumas.

21 a. prognozuojama planetos šiltnamio efektą sukeliančių dujų koncentracijos CO₂ ekvivalentu kaita ir pažemio oro temperatūros padidėjimas nuo ikiindustrinio lygio pagal skirtingus RCP scenarijus (Tarpvyriausybinės klimato kaitos komisijos duomenys)

Kadangi šiltnamio efektą sukeliančių dujų poveikis kaupiasi, norint stabdyti klimato kaitą reikia kaip įmanoma greičiau sumažinti jų emisijas. Galimi įvairūs būdai: technologiniai ir architektūriniai sprendimai (pvz., nulinės energijos ar mažai energijos naudojantys pastatai); atsinaujinančių energijos išteklių naudojimas – saulės energijos, geoterminės energijos, vėjo energijos ir biokuro; atliekų rūšiavimas ir perdirbimas; efektyvesnis energijos vartojimas (pvz., apšiltintas būstas, taupi elektros lemputė, ekonomiška šildymo ar vandens tiekimo sistema leis sutaupyti energijos).

Šiltnamio efektą sukeliančių dujų koncentracijos atmosferoje matavimai

Atmosferos cheminės sudėties matavimai pradėti 1958 Havajuose esančioje Mauna Loa observatorijoje (195,5° šiaurės platumos ir 155,6° vakarų ilgumos) 3397 m aukštyje virš jūros lygio. Mauna Loa buvo pasirinkta kaip stebėjimo vieta, nes yra viduryje Ramiojo vandenyno, toli nuo bet kurio žemyno ir pramonės rajonų. Matavimų vieta yra aukščiau priežeminės inversijos sluoksnio, todėl vietinių antropogeninių taršos šaltinių poveikis beveik nejuntamas. Vietinių vulkaninių šaltinių epizodinė tarša iš foninių duomenų yra pašalinama.

Vėliau matavimai pradėti ir kituose žemynuose ir vandenynuose, ne tik natūraliose ekosistemose, bet ir pramonės rajonuose. Foninei šiltnamių efektą sukeliančių dujų koncentracijai nustatyti naudojami tik natūraliose ekosistemose ir toli nuo taršos šaltinių atliktų matavimų duomenys. Juos kuruoja Pasaulinės meteorologijos organizacijos Pasaulinė atmosferos stebėjimo programa. Surinkti oro mėginiai analizuojami standartizuotose laboratorijose. Laikotarpio iki 20 a. 6 dešimtmečio šiltnamio efektą sukeliančių dujų koncentracija nustatoma tiriant ledo ir nuosėdinių uolienų kernus. Jie paimami iš gręžinių Antarktidos bei Grenlandijos ledynuose, t. p. iš vandenyno dugno. Remiantis šiais netiesioginiais informacijos šaltiniais nustatyta, kad CO₂ koncentracija per pastaruosius 800 000 m. kito nuo 180 ppm iki 280 ppm, o ėmė didėti per pastaruosius 250 metų. Ankstesnėse epochose vyko didesnės variacijos. Pvz., mezozojaus epochoje CO₂ koncentracija už dabartinę buvo didesnė 4–6 kartus, o ankstyvojo paleozojaus epochoje iki devono vidurio (prieš maždaug 400 mln. m.) dabartinę koncentraciją viršijo dešimt penkiolika kartų. Dėl sausumos augalų plitimo vėlyvojo devono metu CO₂ ėmė mažėti. Staigūs anglies dioksido ir metano koncentracijos šuoliai geologinėje praeityje buvo susiję su aktyvios vulkaninės veiklos laikotarpiais, o kartais tik su pavieniais, bet ypač galingais ugnikalnių išsiveržimais.

-šiltnamio dujos

1163