miniaturadaimagem|O efeito de estufa da radiação solar na superfície da Terra causado pela emissão de gases de efeito de estufa. miniaturadaimagem|Forçamento radiativo (influência do aquecimento) de diferentes contribuintes para as alterações climáticas até 2019, conforme relatado no Sexto Relatório de Avaliação do IPCC. Os (GEE) são gases que absorvem e emitem energia radiante dentro da faixa do infravermelho térmico, causando o efeito de estufa. Os principais gases de efeito de estufa na atmosfera da Terra são o vapor de água (), dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O) e ozono (O3). Sem gases de efeito de estufa, a temperatura média da superfície da Terra seria de cerca de -18°C, em vez da média atual de 15°C. em As atmosferas de Vénus, Marte e Titã também contêm gases de efeito estufa.
As atividades humanas desde o início da Revolução Industrial (por volta de 1750) aumentaram a concentração atmosférica de dióxido de carbono em quase 50%, de 280 ppm em 1750 para 419 ppm em 2021. A última vez que a concentração atmosférica de dióxido de carbono foi tão alta foi há mais de 3 milhões de anos atrás. Este aumento ocorreu apesar da absorção de mais da metade das emissões por diversos sumidouros naturais de carbono no ciclo do carbono.
Com as taxas atuais de emissão de gases de efeito estufa, as temperaturas podem aumentar em 2°C, que o Painel Intergovernamental para as Alterações Climáticas das Nações Unidas (IPCC) diz ser o limite superior para evitar níveis "perigosos", até 2050. A grande maioria das emissões antropogénicas de dióxido de carbono provêm da queima de combustíveis fósseis, principalmente carvão, petróleo e gás natural, com contribuições adicionais do fabrico de cimento, produção de fertilizantes, desflorestação e outras mudanças no uso do solo.
Constituintes alt=refer to caption and adjacent text|direita|miniaturadaimagem|Absorção atmosférica e dispersão em diferentes comprimentos de onda de ondas eletromagnéticas. A maior banda de absorção de dióxido de carbono não está longe do máximo na emissão térmica do solo, e fecha parcialmente a janela de transparência da água; daí o seu principal efeito. Os principais constituintes da atmosfera da Terra, nitrogénio () (78%), oxigénio () (21%), e argónio (Ar) (0,9%), não são gases de efeito de estufa porque moléculas que contêm dois átomos do mesmo elemento, como e não têm mudança líquida na distribuição das suas cargas elétricas quando vibram, e gases monoatómicos como Ar não têm modos vibracionais. Portanto, eles são quase totalmente imunes à radiação infravermelha. Algumas moléculas que contêm apenas dois átomos de elementos diferentes, como monóxido de carbono (CO) e cloreto de hidrogénio (HCl), absorvem radiação infravermelha, mas estas moléculas têm vida curta na atmosfera devido à sua reatividade ou solubilidade. Portanto, eles não contribuem significativamente para o efeito de estufa e muitas vezes são omitidos quando se discute os gases de efeito de estufa.
Os gases de efeito de estufa são aqueles que absorvem e emitem radiação infravermelha na faixa de comprimento de onda emitida pela Terra. Dióxido de carbono (0,04%), óxido nitroso, metano e ozono são gases vestígio que representam quase 0,1% da atmosfera da Terra e têm um efeito estufa apreciável.
Os gases de efeito de estufa mais abundantes na atmosfera da Terra, listados em ordem decrescente da fração molar média global, são:
Vapor de água (H2O) Dióxido de carbono (CO2) Metano (CH4) Óxido nitroso (N2O) Ozono (O3) Clorofluorcarbonos (CFC e HCFC) Hidrofluorcarbonetos (HFC) Perfluorocarbonos (CF4, C2F6, etc.), e
As concentrações atmosféricas são determinadas pelo equilíbrio entre fontes (emissões do gás provenientes de atividades humanas e sistemas naturais) e sumidouros (a retirada do gás da atmosfera por conversão num composto químico diferente ou absorção por corpos de água). in A proporção de uma emissão que permanece na atmosfera após um tempo especificado é a "fração aerotransportada" (FA). A fração aerotransportada anual é a razão entre o aumento atmosférico num determinado ano e as emissões totais desse ano. Em 2006, a fração aérea anual de CO2 era de cerca de 0,45. A fração aerotransportada anual aumentou a uma taxa de 0,25±0,21% ao ano no período de 1959-2006.
Efeitos radiativos indiretos alt=world map of carbon monoxide concentrations in the lower atmosphere|miniaturadaimagem|Concentrações de monóxido de carbono na primavera e outono de 2000 na baixa atmosfera mostrando uma faixa de cerca de 390 partes por mil milhão (pixeis castanho escuros), a 220 partes por mil milhão (pixeis vermelhos) e 50 partes por bilhão (pixeis azuis). A oxidação de CO a CO2 produz diretamente um aumento inequívoco no forçamento radiativo, embora a razão seja subtil. O pico da emissão térmica IV da superfície da Terra está muito próximo de uma forte banda de absorção vibracional de CO2 (comprimento de onda de 15 mícrons, ou número de onda 667cm-1). Por outro lado, a única banda vibracional de CO absorve apenas IV em comprimentos de onda muito mais curtos (4,7 mícrons, ou 2145 cm−1), onde a emissão de energia radiante da superfície da Terra é pelo menos dez vezes menor. A oxidação do metano para CO2, que requer reações com o radical OH, produz uma redução instantânea na absorção e emissão radiativa, uma vez que o CO2 é um gás de efeito de estufa mais fraco que o metano. No entanto, as oxidações de CO e estão entrelaçados, pois ambos consomem radicais OH. Em qualquer caso, o cálculo do efeito radiativo total inclui forçantes diretos e indiretos.
Um segundo tipo de efeito indireto acontece quando as reações químicas na atmosfera envolvendo esses gases alteram as concentrações dos gases de efeito de estufa. Por exemplo, a destruição de compostos orgânicos voláteis não metano (NMVOC) na atmosfera pode produzir ozono. O tamanho do efeito indireto pode depender fortemente de onde e quando o gás é emitido.
O metano tem efeitos indiretos para além de formar CO2. O principal produto químico que reage com o metano na atmosfera é o radical hidroxila (OH), portanto, mais metano significa que a concentração de OH diminui. Efetivamente, o metano aumenta a sua própria vida atmosférica e, portanto, o seu efeito radiativo geral. A oxidação do metano pode produzir tanto ozono quanto água; e é uma importante fonte de vapor de água na estratosfera normalmente seca. CO e NMVOC produzem CO2 quando são oxidados. Eles removem OH da atmosfera, e isso leva a concentrações mais altas de metano. O efeito surpreendente disso é que o potencial de aquecimento global do CO é três vezes maior do que o CO2. O mesmo processo que converte NMVOC em dióxido de carbono também pode levar à formação de ozono troposférico. Os halocarbonos têm um efeito indireto porque destroem o ozono estratosférico. Finalmente, o hidrogénio pode levar à produção de ozono e aumenta, além de produzir vapor de água estratosférico.
Papel do vapor de água miniaturadaimagem|Aumento do vapor de água na estratosfera em Boulder, Colorado O vapor de água é responsável pela maior percentagem do efeito de estufa, entre 36% e 66% para condições de céu claro e entre 66% e 85% quando incluindo nuvens. As concentrações de vapor de água flutuam regionalmente, mas a atividade humana não afeta diretamente as concentrações de vapor de água, exceto em escalas locais, como perto de campos irrigados. Indiretamente, a atividade humana que aumenta as temperaturas globais aumentará as concentrações de vapor de água, um processo conhecido como retroalimentação de vapor de água. A concentração atmosférica de vapor é altamente variável e depende em grande parte da temperatura, desde menos de 0,01% em regiões extremamente frias até 3% em massa em ar saturado a cerca de 32°C.
O tempo médio de residência de uma molécula de água na atmosfera é de apenas nove dias, comparado a anos ou séculos para outros gases de efeito de estufa, como o e o CO2. O vapor de água responde e amplifica os efeitos dos outros gases de efeito de estufa. A relação Clausius-Clapeyron estabelece que mais vapor de água estará presente por unidade de volume em temperaturas elevadas. Este e outros princípios básicos indicam que o aquecimento associado ao aumento das concentrações de outros gases de efeito estufa também aumentará a concentração de vapor de água (assumindo que a humidade relativa permanece aproximadamente constante; estudos de modelagem e observacionais constatam que isso é verdade). Como o vapor de água é um gás de efeito de estufa, isso resulta em mais aquecimento e, portanto, é um "retroalimentação positiva" que amplifica o aquecimento original. Eventualmente outros processos terrestres compensam essas retroalimentações positivas, estabilizando a temperatura global num novo equilíbrio e evitando a perda de água da Terra por meio de um efeito de estufa descontrolado semelhante a Vénus.
Contribuição das nuvens para o efeito de estufa da Terra
O principal contribuinte não gasoso para o efeito de estufa da Terra, as nuvens, também absorvem e emitem radiação infravermelha e, portanto, afetam as propriedades radioativas dos gases de efeito de estufa. Nuvens são gotículas de água ou cristais de gelo suspensos na atmosfera. Impactos no efeito de estufa geral alt=refer to caption and adjacent text|direita|miniaturadaimagem|Schmidt et ai. (2010) , D20106. Web page analisaram como os componentes individuais da atmosfera contribuem para o efeito de estufa total. Eles estimaram que o vapor de água é responsável por cerca de 50% do efeito de estufa da Terra, com nuvens contribuindo com 25%, dióxido de carbono com 20% e os gases de efeito de estufa e aerossóis menores representando os 5% restantes. No estudo, a atmosfera modelo de referência é para as condições de 1980. Crédito da imagem: NASA. A contribuição de cada gás para o efeito de estufa é determinada pelas características desse gás, pela sua abundância e quaisquer efeitos indiretos que possa causar. Por exemplo, o efeito radiativo direto de uma massa de metano é cerca de 84 vezes mais forte do que a mesma massa de dióxido de carbono num período de 20 anos, mas está presente em concentrações muito menores, de modo que o seu efeito radiativo direto total tem até agora sido menor, em parte devido ao seu menor tempo de vida na atmosfera na ausência de sequestro de carbono adicional. Por outro lado, além do seu impacto radiativo direto, o metano tem um grande efeito radiativo indireto porque contribui para a formação de ozono. Shindel et ai. (2005) argumenta que a contribuição do metano para as alterações climáticas é pelo menos o dobro das estimativas anteriores como resultado desse efeito.
Quando classificados pela sua contribuição direta para o efeito de estufa, os mais importantes são: CompostoFórmulaConcentração na atmosfera(ppm)Contribuição (%)Vapor de água e nuvens10-50 000(A)36–72%Dióxido de carbonoCO2~4009–26%Metano~1,84-9%Ozono2-8 (B)3–7%Notas: (A) O vapor de água varia fortemente localmenteWallace, John M. and Peter V. Hobbs. Atmospheric Science; An Introductory Survey. Elsevier. Second Edition, 2006. . Chapter 1 (B) A concentração na estratosfera. Cerca de 90% do ozono na atmosfera da Terra está contido na estratosfera. Para além dos principais gases de efeito de estufa listados acima, outros gases de efeito de estufa incluem hexafluoreto de enxofre, hidrofluorcarbonos e perfluorcarbonos (ver lista de gases de efeito estufa do IPCC). Alguns gases de efeito de estufa não são frequentemente listados. Por exemplo, o trifluoreto de nitrogénio tem um alto potencial de aquecimento global (PAG), mas está presente apenas em quantidades muito pequenas.
Proporção de efeitos diretos num determinado momento