Газовые примеси — это газы, которые присутствуют в небольших количествах в среде, такой как атмосфера планеты . Газовые примеси в атмосфере Земли — это газы, отличные от азота (78,1%), кислорода (20,9%) и аргона (0,934%), которые в совокупности составляют 99,934% ее атмосферы (не включая водяной пар).
Содержание следового газа может варьироваться от нескольких частей на триллион ( ppt ) по объему до нескольких сотен частей на миллион по объему ( ppmv ). [1] Когда следовой газ добавляется в атмосферу, этот процесс называется источником . Существует два возможных типа источников — естественные и антропогенные. Естественные источники вызваны процессами, которые происходят в природе. Напротив, антропогенные источники вызваны деятельностью человека.
Некоторые источники следовых газов — это биогенные процессы, выделение газа из твердой Земли, выбросы океана, промышленные выбросы и образование in situ . [1] Несколько примеров биогенных источников включают фотосинтез , экскременты животных , термитов , рисовые поля и водно-болотные угодья . Вулканы являются основным источником следовых газов из твердой Земли. Мировой океан также является источником нескольких следовых газов, в частности, серосодержащих газов. Образование следовых газов in situ происходит в результате химических реакций в газовой фазе. [1] Антропогенные источники вызваны деятельностью человека, такой как сжигание ископаемого топлива (например, при транспортировке ), добыча ископаемого топлива, сжигание биомассы и промышленная деятельность.
Напротив, сток — это когда следовой газ удаляется из атмосферы. Некоторые стоки следовых газов — это химические реакции в атмосфере, в основном с радикалом ОН , преобразование газа в частицы, образующее аэрозоли , влажное осаждение и сухое осаждение . [1] Другие стоки включают микробиологическую активность в почвах.
Ниже приведена диаграмма нескольких газовых примесей, включая их распространенность, время жизни в атмосфере, источники и поглотители.
Следовые газы – взяты при давлении 1 атм [1]
A Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) заявляет, что «невозможно указать единое время жизни в атмосфере» для CO 2 . [4] : 731 Это в основном связано с высокой скоростью роста и большой совокупной величиной нарушений углеродного цикла Земли из-за геологической добычи и сжигания ископаемого углерода. [5] По состоянию на 2014 год ископаемый CO 2, выброшенный в виде теоретического импульса от 10 до 100 ГтС сверх существующей концентрации в атмосфере, как ожидалось, будет на 50% удален наземной растительностью и океаническими стоками менее чем за столетие. [6] Существенная часть (20-35%) также, как прогнозировалось, останется в атмосфере на протяжении столетий или тысячелетий, где дробная устойчивость увеличивается с размером импульса. [7] [8] Таким образом, время жизни CO 2 фактически увеличивается по мере того, как люди извлекают больше ископаемого углерода.
Общее содержание искусственных газовых примесей в атмосфере Земли растет. Большинство из них происходит из-за промышленной деятельности в более населенном северном полушарии. Данные временных рядов с измерительных станций по всему миру показывают, что обычно требуется 1–2 года, чтобы их концентрации хорошо перемешались по всей тропосфере. [9] [10]
Время пребывания следового газа зависит от распространенности и скорости удаления. Эмпирическое соотношение Юнге описывает связь между колебаниями концентрации и временем пребывания газа в атмосфере. Оно может быть выражено как fc = b /τ r , где fc — коэффициент вариации , τ r — время пребывания в годах, а b — эмпирическая константа, которую Юнге первоначально дал как 0,14 года. [11] По мере увеличения времени пребывания изменчивость концентрации уменьшается. Это означает, что наиболее реактивные газы имеют наибольшую изменчивость концентрации из-за их более короткого времени жизни. Напротив, более инертные газы не изменчивы и имеют более длительное время жизни. При измерении вдали от их источников и стоков это соотношение можно использовать для оценки времени пребывания газов в тропосфере. [11]
Несколько примеров основных парниковых газов : вода , углекислый газ , метан , закись азота , озон и ХФУ . Эти газы могут поглощать инфракрасное излучение с поверхности Земли, когда оно проходит через атмосферу.
Наиболее влиятельным парниковым газом является водяной пар . Он часто встречается в высоких концентрациях, может переходить в аэрозоль (облака) и из него, и поэтому обычно не классифицируется как следовой газ. Регионально водяной пар может улавливать до 80 процентов исходящего ИК-излучения. [12] В глобальном масштабе водяной пар отвечает примерно за половину общего парникового эффекта Земли . [13]
Вторым по важности парниковым газом и самым важным следовым газом, на который влияют антропогенные источники, является углекислый газ. [12] Он вносит около 20% в общий парниковый эффект Земли. [13] Причина, по которой парниковые газы могут поглощать инфракрасное излучение, заключается в их молекулярной структуре. Например, углекислый газ имеет два основных режима вибрации, которые создают сильный дипольный момент , что вызывает сильное поглощение им инфракрасного излучения. [12]
Напротив, наиболее распространенные газы ( N
2, О
2, и Ar ) в атмосфере не являются парниковыми газами. Это связано с тем, что они не могут поглощать инфракрасное излучение, поскольку не имеют колебаний с дипольным моментом. [12] Например, тройные связи атмосферного диазота создают симметричную молекулу с колебательными энергетическими состояниями , которые почти полностью не изменяются на инфракрасных частотах.
Ниже приведена таблица некоторых основных следовых парниковых газов, их антропогенных источников и оценка относительного вклада этих источников в усиление парникового эффекта , влияющего на глобальное потепление .
Основные парниковые газы и их источники [12]