Tässä artikkelissa käydään läpi tärkeimmät kasvihuonekaasut, niiden vaikutukset, alkuperä ja kiertokulku.
Vesihöyry
Vesi on ilmakehän ainesosista ainoa, jota siinä esiintyy kaikissa kolmessa olomuodossaan; kiinteänä, nesteenä ja kaasuna. Pilvet ja sumu ovat nestemäistä vettä pienenpieninä pisaroina. Korkealla olevissa pilvissä vesi on kiinteänä, pieninä jääkiteitä. Kaasuna vettä on ilmakehässä aina vaihteleva määrä, jolloin puhutaan vesihöyrystä. Ilman vesihöyrypitoisuus ilmaistaan kosteutena. Vesihöyry on näkymätöntä kaasua. Ilman kyky pitää sisällään vettä vaihtelee lämpötilan mukaan siten, että mitä lämpimämpää ilma on, sen enemmän se voi sisältää vesihöyryä. Ilman jäähtyessä vesihöyry tiivistyy pisaroiksi muodostaen pilviä jotka aikanaan satavat alas. Vesihöyry tiivistyy myös kylmille pinnoille, josta esimerkkinä kaste ruohikossa, tai auton ikkunoihin kylmällä muodostuva huurre.
Vettä haihtuu ilmaan kaikkialta missä sitä on, maasta, vesistöistä ja kasveista. Sen kiertoaika on lyhyt, päivällä haihtunut vesi voi sataa alas jo seuraavana yönä. Vesihöyry aiheuttaa kasvihuoneilmiöstä suurimman osan.
Ihmisen toiminta ei aiheuta välitöntä vesihöyrypitoisuuden lisääntymistä ilmakehässä, johtuen juuri sen lyhyestä kiertoajasta ja ominaisuudesta tiivistyä nesteeksi lämpötilan laskiessa. Veden määrää ilmassa lisääntyy epäsuorasti siten, että muiden kasvihuonekaasujen lisääntyminen nostaa lämpötilaa, jolloin ilman kyky pitää sisällään vesihöyryä lisääntyy. Tästä syntyy positiivinen takaisinkytkentä, joka voimistaa lämpenemistä.
Hiilidioksidi
Hiilioksidimolekyylissä (CO2) on yksi hiili- ja kaksi happiatomia. Se on hapen ja veden ohella elämälle välttämätöntä. Kasvit käyttävät hiilidioksidia yhteyttämiseen. Ne käyttävät hiilen rakennusaineenaan ja päästävät hapen ilmaan. Kun kasvi kuolee ja mikrobit hajottavat sen, hiili vapautuu hiilidioksidina takaisin ilmaan. Samoin käy jos kasvi poltetaan. Eläimet käyttävät hengittämästään ilmasta happea ja päästävät uloshengityksen mukana ilmaan hiilidioksidia. Tällä tavalla hiili kiertää luonnossa, vuoroin erilaisina yhdisteinä kasveissa ja eläimissä, vuoroin hiilidioksidina.
Luonnon biologinen toiminta on vuosimiljoonien aikana poistanut hiiltä kierrosta. Sitä on maankuoressa kivihiilenä, öljynä ja maakaasuna, eli metaanina. Lisäksi sitä kerrostunut merenpohjan sedimentteihin. Esimerkiksi kalkkikivi on sedimentti, jonka sisältämä hiili on peräisin merieliöistä.
Hiilidioksidia poistuu ilmakehästä liukenemalla meriveteen, mutta tämä poistuminen ei ole yhtä pysyvää, koska hiilidioksidi palautuu helposti ilmaan meriveden lämmetessä. Siinä missä ilman kyky pidättää vesihöyryä lisääntyy, veden kyky pidättää liuenneita kaasuja vähenee lämpötilan noustessa.
Ihmiskunta lisää ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta palauttamalla kierrosta poistunutta hiiltä polttamalla fossiilisia polttoaineita, kivihiiltä, öljyä ja maakaasua. Samanaikaisesti ihmiskunta tuhoaa elävää luontoa, jolloin sen kyky sitoa ilman hiilidioksidia vähenee.
Ilmakehän hiilidioksidipitoisuus ennen esiteollista aikaa oli 280 ppm (miljoonasosaa). 1800 luvun alussa sen määrä alkoi nousta ja sitä on ilmassa nyt 380 ppm. Määrä kasvaa 2 ppm vuodessa.
Kasvihuonekaasun lämmittävää vaikutusta ilmaistaan suureella säteilypakote, jonka yksikkö on wattia neliömetrille (W/m2). Se ilmaisee suoraan, kuinka suuren epätasapainon kaasun nykyinen pitoisuus aiheuttaa kasvihuoneilmiöön. Esimerkiksi 1 W/m2 säteilypakote tarkoittaa, että Maahan neliömetrille saapuvan säteilyn teho on yhden watin suurempi kuin neliömetriltä poistuvan säteilyn teho. Tämä yksi watti jää Maahan ja aiheuttaa lämpenemistä. Yksi watti on varsin pieni teho, mutta hehtaaria kohti pakote on jo 10 kilowattia, mikä vastaa reilun kokoista saunan kiuasta. Säteilypakote voi olla myös negatiivinen, jolloin se viilentää Maata.
Hiilidioksidin säteilypakote on 1,66 W/m2.
Metaani
Metaani on hiilivety. Sen kemiallinen merkki on CH4, eli metaanimolekyylissä on yksi hiiliatomi ja neljä vetyatomia. Sitä syntyy luonnossa anaerobisessa bakteeritoiminnassa, mätänemisessä. Huomattava metaanin lähde ovat märehtijät. Niiden suoliston bakteeritoiminta muodostaa metaania, jonka ne sitten piereskelevät ja röyhtäilevät ilmakehään. Kansanomainen nimi metaanille on suokaasu, koska sitä muodostuu humuspohjaisissa suolammissa, joista se kuplii pintaan.
Maakaasu on fossiilinen polttoaine, joka on suurimmaksi osaksi metaania. Maakaasun tuotannossa, siirrossa ja käytössä, osa siitä karkaa sellaisenaan ilmakehään.
Kaatopaikoilla oleva orgaaninen jäte, puu, paperi, ruoantähteet yms. tuottavat mädäntyessään suuret määrät metaania. Vaikka metaania kerätään kaatopaikoilta talteen, osa siitä pääsee aina karkuun. Kaatopaikka voi tuottaa metaania kymmeniä vuosia sen jälkeen, kuin jätteen tuonti sinne on lopetettu.
Merten pohjassa on suuret määrät metaania metaaniklatraattina. Se on vesijäätä, joissa metaani on sitoutuneena jään kiderakenteeseen. Metaaniklatraatit ovat muodostuneet anaerobisen bakteeritoiminnan tuloksena.
Metaani poistuu ilmakehästä yhtymällä vapaisiin hydroksyyliradikaaleihin (OH), jolloin siitä lopulta muodostuu hiilidioksidia ja vettä. Metaanin puoliintumisaika ilmakehässä on noin seitsemän vuotta.
Metaani on kasvihuonekaasuna yli sata kertaa voimakkaampi kuin hiilidioksidi, mutta koska se poistuu ilmakehästä suhteellisen nopeasti, pidetään sen vertailukertoimena yleisesti 25. Ilmakehään päässyt metaani on siis sadan vuoden aikajänteellä 25 kertaa hiilidioksidia voimakkaampi kasvihuonekaasu.
Ihmisen toiminta on lisännyt ilmakehän metaanipitoisuutta. Ennen esiteollista aikaa ilmassa oli metaania 0,7 ppm, nyt sitä on 1,7 ppm. Sen määrä on siis lisääntynyt lähes 2½ kertaiseksi.
Metaanin säteilypakote on 0,5 W/m2.
Otsoni
Otsoni on kolmiatominen happi. Otsonikerros on luonnollinen osa Maan ilmakehää. Se sijaitsee 15..50 kilometrin korkeudella stratosfäärissä, jossa otsonia syntyy valokemiallisissa ilmiöissä. Otsonikerros suodattaa Auringon valosta haitallista ultraviolettisäteilyä. Otsonin määrä stratosfäärissä on vähentynyt ihmisen tuottamien, otsonia hajottavien CFC-yhdisteiden (Freonit) takia. Tällä on pieni negatiivinen säteilypakote.
Alailmakehän otsoni on puolestaan lisääntynyt. Suoria otsonilähteitä ei juurikaan ole, vaan otsonia muodostuu ilmansaasteiden, typen oksidien (NOx) ja hiilimonoksidin (CO) sekä Auringon valon ja ilmakehän hapen vaikutuksesta. Kasvihuonevaikutuksen lisäksi alailmakehän otsonilla on myös muita haittavaikutuksia. Se on haitallista sekä ihmisen että kasvien terveydelle.
Alailmakehän otsonin elinikä on vain muutamia päiviä, mutta ilmansaasteiden takia sitä syntyy jatkuvasti lisää, jolloin sen pitoisuus säilyy. Lyhyen eliniän takia paikalliset pitoisuudet vaihtelevat hyvin paljon.
Otsonia käytetään teollisesti valkaisu- ja desinfiointiaineena, jossa se on korvannut kloorin mm. vedenpuhdistuksessa vesilaitoksissa ja uimahalleissa.
Alailmakehän otsonin säteilypakote on 0,35 W/m2.
Typpioksiduuli
Typpioksiduuli, kansanomaisemmin ilokaasu. Kemiallinen merkki N2O, eli typpioksiduulimolekyylissä on kaksi typpi- ja yksi happiatomi.
Typpioksiduulia vapautuu ilmakehään mikrobitoiminnan takia, maataloudessa typpilannoitteiden valmistuksessa ja käytössä, sekä pieniä määriä fossiilisten- ja biopolttoaineiden käytössä. Kaasulla on lääketieteellistä käyttöä kivunlievittäjänä mm. synnytyksissä. Teollisesti sitä käytetään ponneaineena esim. kermavaahtopulloissa, suojakaasuna perunalastupakkauksissa ja vastaavissa, raketeissa hapettimena sekä polttomoottoreissa tehonlisääjänä moottoriurheilukilpailuissa.
Typpioksiduulin pitoisuus ilmassa on lisääntynyt esiteollisen ajan 0,27 ppm:stä 0,314 ppm:n. Sen säteilypakote on 0,16 W/m2 ja elinikä ilmakehässä 114 vuotta.
CFC-yhdisteet ja muut keinotekoiset kaasut
Ihminen on teollisesti tuottanut lukuisia erilaisia kaasuja, joita ei luonnollisesti esiinny Maapallolla lainkaan. Näitä ovat mm. Freonit, joita on käytetty kylmäaineita esim. jääkaapeissa ja vaahtomuovien valmistuksessa, sammutusaineina käytetyt halonit sekä sähkövoimatekniikassa nykyisinkin eristeenä käytettävä rikkiheksafluoridi. Yhteistä näille on, että ne ovat erittäin voimakkaita kasvihuonekaasuja, ja useimmat lisäksi stratosfäärin otsonikerrosta tuhoavia. Haitallisimpien kaasujen valmistus ja käyttö on kielletty, mutta niitä on edelleen käytössä monissa vanhoissa kylmälaitteissa. Ilmailu- ja sotilastekniikassa halonien käyttö sammutusaineina on edelleen sallittua.
Kaasujen eliniät ilmakehässä vaihtelevat muutamasta vuodesta aina kymmeneen tuhanteen vuoteen. Ne ovat tuhansia, jopa 22 000 kertaa (FS6) hiilidioksidia voimakkaampia kasvihuonekaasuja. Ennen esiteollista aikaa näitä kaasuja ei ollut ilmakehässä lainkaan, nyt niiden yhteenlaskettu säteilypakote on 0,34 W/m2.
Yhteenveto
Tärkeimmät kasvihuonekaasut ovat vesihöyry, hiilidioksidi, metaani, typpioksiduuli. Ne ovat kaikki ilmakehän normaaleja ja luonnollisia ainesosia. Ihmisen harjoittama teollinen toiminta, maa-, karja- sekä metsätalous on lisännyt luonnollisten kasvihuonekaasujen pitoisuuksia ilmakehässä.
Lisäksi tunnetaan suuri joukko ihmisen keinotekoisesti valmistamia kaasuja, joita on teollistumisen aikana kertynyt ilmakehään.
Kaikkien tässä esitettyjen kasvihuonekaasujen, poislukien vesihöyryn, yhteenlaskettu säteilypakote on 3 W/m2. Se on hyvin pieni lisä Auringon säteilyn lämmittävään vaikutukseen, mutta se on näennäisestä vähäisyydestään huolimatta nostanut Maan keskilämpötilaa jo nyt 0,7 astetta ja tulee nostamaan vielä saman verran, vaikka kaikki kasvihuonekaasupäästöt lopetettaisiin heti kokonaan. Lämpenemiseen vaikuttaa myös paljon muita sekä positiivisia että negatiivisia pakotteita.
Lähteitä:
http://en.wikipedia.org/wiki/Limestone
http://en.wikipedia.org/wiki/Methane
http://en.wikipedia.org/wiki/Methane_clathrate
http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_dioxide
http://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_gas
http://en.wikipedia.org/wiki/Ozone
http://en.wikipedia.org/wiki/Tropospheric_ozone
http://en.wikipedia.org/wiki/Nitrous_oxide
Gaia 