Khí gây hiệu ứng nhà kính

Khí gây hiệu ứng nhà kính (thường viết tắt là KNK; tiếng Anh: greenhouse gas (GHG hoặc GhG)) là loại khí có khả năng hấp thụ và phát ra năng lượng bức xạ ở bước sóng nhiệt hồng ngoại, tạo ra hiệu ứng nhà kính. Những khí nhà kính chủ yếu trong khí quyển Trái Đất bao gồm: hơi nước, carbon dioxide (CO₂), methane (CH₄), dinitơ monoxide (N₂O), ozon (O₃) và các khí CFC. Nếu không có khí nhà kính, nhiệt độ trung bình của Trái Đất sẽ vào khoảng −18 °C (0 °F), thay vì mức hiện tại là 15 °C (59 °F). Trong Hệ Mặt Trời, bầu khí quyển của Sao Kim, Sao Hỏa và Titan cũng chứa khí nhà kính.

Từ thời điểm bắt đầu Cách mạng công nghiệp (khoảng năm 1750), các hoạt động của con người đã làm gia tăng nồng độ carbon dioxide trong khí quyển lên 45%, từ 280 ppm vào năm 1750 lên 415 ppm vào năm 2019. Lần cuối cùng nồng độ carbon dioxide đạt mức cao như vậy là hơn 3 triệu năm trước. Sự gia tăng này xảy ra dù hơn một nửa lượng khí thải đã được hấp thụ bởi các 'bể chìm' tự nhiên liên quan đến chu trình carbon. Phần lớn khí thải carbon dioxide đến từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch như than, dầu và khí tự nhiên, cộng với việc phá rừng, thay đổi cách sử dụng đất, xói mòn và nông nghiệp (bao gồm chăn nuôi). Khí methan do con người thải ra chủ yếu từ nông nghiệp chăn nuôi, sau đó là khí thải từ khai thác khí, dầu, than đá và các ngành công nghiệp khác, cùng với chất thải rắn, nước thải và sản xuất lúa gạo. Trồng lúa truyền thống là nguồn phát thải khí KNK lớn thứ hai trong nông nghiệp sau chăn nuôi. Sản xuất lúa gạo trên toàn cầu đóng góp khoảng 1,5% lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính, tương đương với toàn bộ lượng khí thải của ngành hàng không. Nguyên nhân là do methan được tạo ra từ chất hữu cơ phân hủy dưới nước trong các cánh đồng ngập nước.

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 là mức 'nguy hiểm', vào năm 2036.

Các loại khí có mặt trong khí quyển Trái Đất

Khí không tạo hiệu ứng nhà kính

Khí quyển Trái Đất chủ yếu bao gồm nitơ (N₂) (78%), oxy (O₂) (21%), và argon (Ar) (0.9%), không phải là khí nhà kính vì các phân tử chứa hai nguyên tử cùng nguyên tố như N₂ và O₂ không thay đổi phân bố điện tích khi dao động, và các khí đơn thể như Ar không có chế độ dao động. Do đó, chúng gần như không bị ảnh hưởng bởi bức xạ hồng ngoại. Một số phân tử chỉ chứa hai nguyên tử của các nguyên tố khác nhau như carbon monoxide (CO) và hydro chloride (HCl) có khả năng hấp thụ bức xạ hồng ngoại, nhưng chúng tồn tại ngắn trong khí quyển do khả năng phản ứng hoặc độ hòa tan. Vì vậy, chúng không đóng góp nhiều vào hiệu ứng nhà kính và thường bị bỏ qua trong các thảo luận về khí nhà kính.

Khí gây hiệu ứng nhà kính

Tỉ lệ phần trăm của các khí gây hiệu ứng nhà kính:

Ngoài ra, còn có các khí sulfur hexafluoride, hydrofluorocarbon và perfluorocarbon.

Nồng độ khí trong khí quyển được xác định bởi sự cân bằng giữa các nguồn (phát thải khí từ hoạt động của con người và hệ thống tự nhiên) và các bể chìm (loại bỏ khí bằng cách chuyển đổi thành hợp chất hóa học khác hoặc hấp thụ vào các khối nước). Tỷ lệ khí còn lại trong khí quyển sau một khoảng thời gian cụ thể được gọi là 'phần trong không khí' (AF). Phần trong không khí hàng năm là tỷ lệ gia tăng khí quyển trong một năm so với tổng lượng khí thải trong năm đó. Tính đến năm 2006, phần CO₂ trong không khí hàng năm 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.

Tỷ lệ phần trăm đóng góp của các hoạt động của con người vào sự gia tăng nhiệt độ Trái Đất:

• Sử dụng năng lượng: 50%
• Công nghiệp: 24%
• Nông nghiệp: 13%
• Phá rừng: 14%

Ảnh hưởng gián tiếp của bức xạ

Một số khí có tác động bức xạ gián tiếp, bất kể chúng có phải khí nhà kính hay không. Điều này xảy ra theo hai cách chính. Đầu tiên, khi chúng phân hủy trong khí quyển, chúng tạo ra khí nhà kính khác. Ví dụ, metan và carbon monoxide (CO) bị oxy hóa thành carbon dioxide (và quá trình oxy hóa metan cũng sinh ra hơi nước). Oxy hóa CO thành CO₂ dẫn đến sự gia tăng bức xạ, mặc dù mức tăng là rất nhỏ. Đỉnh của bức xạ hồng ngoại từ bề mặt Trái Đất gần với dải hấp thụ mạnh của CO₂ (bước sóng 15 micron). Trong khi đó, dải dao động của CO chỉ hấp thụ IR ở bước sóng ngắn hơn nhiều (4,7 micrômét), nơi bức xạ từ bề mặt Trái Đất thấp hơn đáng kể. Oxy hóa metan thành CO₂ làm giảm ngay lập tức sự hấp thụ và phát xạ bức xạ vì CO₂ ít gây hiệu ứng nhà kính hơn metan. Tuy nhiên, sự oxy hóa CO và CH₄ diễn ra đồng thời vì cả hai đều tiêu thụ các gốc OH. Tính toán tổng hiệu ứng bức xạ cần bao gồm cả tác động trực tiếp và gián tiếp.

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. Chẳng hạn, sự phân hủy của các hợp chất hữu cơ bay hơi không phải metan (NMVOC) trong khí quyển có thể tạo ra ozone. Mức độ hiệu ứng gián tiếp có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào vị trí và thời điểm phát thải khí.

Metan không chỉ tạo ra CO₂ mà còn có tác động gián tiếp khác. 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. Điều này làm tăng thời gian tồn tại của metan trong khí quyển và do đó tăng tác động bức xạ của nó. Quá trình oxy hóa metan có thể sinh ra ozone và nước; nó cũng là nguồn chính của hơi nước trong tầng bình lưu khô. CO và NMVOC tạo ra CO₂ khi bị oxy hóa và loại bỏ OH khỏi khí quyển, dẫn đến nồng độ metan cao hơn. Đáng ngạc nhiên là khả năng nóng lên toàn cầu của CO gấp ba lần CO₂. Chuyển đổi NMVOCs thành carbon dioxide cũng có thể dẫn đến sự hình thành ozone ở tầng đối lưu. Halocarbon có tác động gián tiếp vì chúng phá hủy ozone ở tầng bình lưu. Cuối cùng, hydro có thể dẫn đến sản xuất ozone và tăng lượng CH₄, đồng thời sinh ra hơi nước ở tầng bình lưu.

Đóng góp của mây vào hiệu ứng nhà kính của Trái Đất

Các đám mây không phải là khí gây hiệu ứng nhà kính trên Trái Đất, nhưng chúng cũng hấp thụ và phát xạ bức xạ hồng ngoại, ảnh hưởng đến đặc tính bức xạ của khí nhà kính. Mây là các giọt nước hoặc tinh thể băng lơ lửng trong khí quyển. Ví dụ, hiệu ứng bức xạ trực tiếp của một khối lượng metan mạnh hơn khoảng 84 lần so với cùng khối lượng khí carbon dioxide trong khoảng thời gian 20 năm, nhưng nồng độ nhỏ hơn nhiều nên tổng hiệu ứng bức xạ trực tiếp của nó vẫn nhỏ hơn, một phần do thời gian tồn tại ngắn hơn trong khí quyển và không hấp thụ thêm carbon. Ngoài tác động bức xạ trực tiếp, metan còn có tác động bức xạ gián tiếp lớn do góp phần hình thành ozone. Do đó, đóng góp của metan vào biến đổi khí hậu có thể gấp đôi các ước tính trước đây về tác động này.

Khi đánh giá mức độ đóng góp trực tiếp vào hiệu ứng nhà kính, yếu tố quan trọng nhất là:

Ghi chú:

(A) Hơi nước có sự thay đổi cục bộ mạnh mẽ.

(B) Nồng độ trong tầng bình lưu. Khoảng 90% ozone của Trái Đất nằm trong tầng bình lưu.

Ngoài các khí nhà kính chính đã được nêu, còn có các khí nhà kính khác như hexafluorua lưu huỳnh, hydrofluorocarbon và perfluorocarbon. Một số khí nhà kính thường bị bỏ qua. Ví dụ, nitơ trifluorua có khả năng làm nóng toàn cầu cao (GWP), nhưng chỉ có mặt với số lượng rất nhỏ.

Ảnh hưởng trực tiếp tại một thời điểm cụ thể

Không thể xác định chính xác tỷ lệ của mỗi khí đối với hiệu ứng nhà kính. Một số khí hấp thụ và phát xạ bức xạ ở tần số tương tự nhau, vì vậy tổng hiệu ứng nhà kính không phải là tổng đơn giản của các khí riêng lẻ. Các dải bức xạ cao hơn được chỉ định cho từng khí, còn các dải thấp hơn có thể bị chồng lấp bởi các khí khác. Thêm vào đó, một số khí như metan có tác động gián tiếp đáng kể và vẫn đang được nghiên cứu.

Thời gian ảnh hưởng

Ngoài hơi nước (có thời gian tồn tại khoảng chín ngày), các khí nhà kính chính thường tồn tại trong khí quyển nhiều năm. Mặc dù không dễ xác định thời gian chính xác mà các khí nhà kính rời khỏi khí quyển, nhưng đã có những ước tính cho thời gian tồn tại của các khí này.

• Khí nhà kính (khoa học khí quyển) tại Encyclopædia Britannica (tiếng Anh)