Czym są gazy cieplarniane? Poznaj ich rodzaje i źródła

Gazy cieplarniane to składniki atmosfery, które przepuszczają światło Słońca, ale pochłaniają promieniowanie podczerwone wysyłane przez nagrzaną powierzchnię Ziemi. Bez nich średnia temperatura planety wynosiłaby około −18°C zamiast +15°C. Kłopotem nie jest więc sama ich obecność. Groźny jest przyrost, bo oceany i lądy przejmują nieco ponad połowę emitowanego CO₂, a reszta zostaje w powietrzu.

Czym są gazy cieplarniane?

Gazy cieplarniane to składniki atmosfery, które przepuszczają krótkofalowe promieniowanie Słońca, ale pochłaniają i ponownie emitują promieniowanie podczerwone wysyłane przez powierzchnię Ziemi. Światło wchodzi więc do atmosfery swobodnie, a część ciepła wychodzącego zostaje w niej zatrzymana.

Skoro azot i tlen stanowią prawie całe powietrze, dlaczego nie biorą udziału w tym zjawisku? Decyduje budowa cząsteczki. Promieniowania długofalowego nie pochłaniają cząsteczki zbudowane z dwóch identycznych atomów ani pojedyncze atomy. Brak im widma oscylacyjno-rotacyjnego, które pozwala absorbować i emitować fale z tego zakresu. Dwuatomowe N₂ i O₂ są dla promieniowania długofalowego przezroczyste, podobnie jak pojedyncze atomy argonu.

CO₂ jest cięższy od powietrza, a mimo to nie tworzy nad Ziemią osobnej warstwy. Turbulencje w dolnej atmosferze stale mieszają gazy.

Naturalny efekt cieplarniany utrzymuje życie, nadwyżka gazów zmienia klimat

Bez gazów cieplarnianych średnia temperatura na Ziemi wynosiłaby około −18°C, a dzięki nim utrzymuje się na poziomie około +15°C. Te mniej więcej 33°C różnicy to wkład naturalnego efektu, bez którego planeta byłaby skuta lodem.

Problemem nie jest więc sama obecność gazów, tylko ich przyrost. Wiele z nich występuje w atmosferze naturalnie, ale działalność człowieka powoduje ich akumulację i wzmacnia efekt cieplarniany ponad naturalny poziom. To wzmocnienie nazywa się antropogenicznym efektem cieplarnianym.

Jego skalę mierzy wymuszenie radiacyjne, czyli dodatkowa energia zatrzymywana w układzie klimatycznym, która napędza zmiany klimatyczne. W latach 1990–2024 wymuszenie długo żyjących gazów wzrosło o 54%. Dwutlenek węgla odpowiadał za około 81% tego przyrostu.

Główne grupy gazów cieplarnianych

Gazów cieplarnianych jest kilka i każdy działa inaczej. Protokół z Kioto wpisał do międzynarodowego „koszyka” sześć: CO₂, CH₄, N₂O, HFC, PFC i SF₆. Poprawka z Doha z 2012 roku dołączyła do nich NF₃. Para wodna i ozon również zatrzymują ciepło.

Para wodna

Para wodna ma największy udział w naturalnym efekcie cieplarnianym, a mimo to nie figuruje w statystykach emisji. Szacunki wynoszą od około 50% do około 60%, zależnie od metody liczenia, w szczególności od tego, czy uwzględnia się chmury.

Ilość pary zależy od temperatury. Zgodnie z równaniem Clausiusa-Clapeyrona każdy 1°C ocieplenia zwiększa jej koncentrację przy powierzchni o około 7%. Para nie wywołuje więc wymuszenia jak długo żyjące gazy, tylko działa jako sprzężenie zwrotne. Mniej więcej podwaja ocieplenie wynikające z podwojenia stężenia CO₂. Nadmiar pary wypada z opadem w ciągu kilku dni.

Dwutlenek węgla

Dwutlenek węgla jest punktem odniesienia dla pozostałych gazów. Wkład gazu zależy bowiem jednocześnie od siły pochłaniania i od stężenia. CO₂ wygrywa ilością: człowiek emituje go najwięcej, a raz wyemitowany pozostaje w atmosferze bardzo długo.

Z tego połączenia wynika, że CO₂ daje około 66% wymuszenia radiacyjnego długo żyjących gazów (stan z 2017 roku) i w największym stopniu odpowiada za globalne ocieplenie. W Polsce spalanie paliw dało w 2023 roku 92,9% emisji tego gazu.

Metan

Metan zatrzymuje ciepło silniej niż CO₂, ale krócej – w atmosferze żyje średnio około 11,8 roku. Po stu latach większość jego cząsteczek utlenia się do CO₂ i pary wodnej. Mimo niewielkiego stężenia daje około 16% wymuszenia długo żyjących gazów, co stawia go na drugim miejscu po CO₂.

Naturalnie metan wytwarzają mikroorganizmy na terenach podmokłych. Duże jego ilości tkwią przy tym w osadach jako hydrat metanu. Wśród źródeł ludzkich w Polsce w 2016 roku przeważały emisja lotna z paliw (41,5%), rolnictwo (29,6%) i odpady (20,6%).

Podtlenek azotu

Podtlenek azotu to przede wszystkim gaz rolnictwa. W tym sektorze N₂O pochodzi głównie z gleb rolnych. Mniejszą część dają odchody zwierzęce. Nawozy azotowe, których rośliny nie pobrały, mikroorganizmy przekształcają częściowo w N₂O.

Drugą cechą jest trwałość. Gaz nie zdąży się rozpaść nawet przez stulecie. W efekcie potencjał globalnego ocieplenia (GWP) podtlenku azotu wynosi 273 w horyzoncie 20 i 100 lat. Tak wysoki GWP sprawia, że w Polsce N₂O stanowił w 2023 roku aż 5,9% całkowitej emisji. Jak podaje biuletyn Światowej Organizacji Meteorologicznej, jego stężenie osiągnęło w 2024 roku 338,0 ppb (części na miliard). To 125% poziomu przedprzemysłowego.

Gazy fluorowane

Gazy fluorowane to jedyna grupa w całości wytwarzana przez człowieka. Należą do niej HFC, PFC, SF₆ i NF₃. Według objaśnienia Parlamentu Europejskiego ich potencjał jest często tysiące razy wyższy niż w przypadku CO₂. W horyzoncie 100 lat GWP wynosi dla SF₆ 25 200, dla NF₃ 17 400, a dla HFC-134a 1530.

Do koszyka klimatycznego nie należą freony (CFC) i halony, które niszczą warstwę ozonową i podlegają Protokołowi montrealskiemu z 1987 roku. HFC weszły na ich miejsce, bo nie niszczą ozonu, ale okazały się silnymi gazami cieplarnianymi. Ich stopniowe ograniczanie wprowadziła poprawka z Kigali z 2016 roku.

W polskiej inwentaryzacji emisje HFC pochodzą głównie z urządzeń chłodzących i klimatyzacyjnych. Czynnik chłodniczy jest więc jedną ze składowych wpływu klimatyzacji na klimat. Udziały HFC, PFC i SF₆ w całkowitej emisji wyniosły w 2018 roku 1,01%, 0,003% i 0,026%.

Potencjał GWP i ekwiwalent CO2 – ile razy metan jest silniejszy od dwutlenku węgla?

Różne liczby podawane dla metanu w raportach IPCC mogą być jednocześnie poprawne, bo zależą od wydania raportu, pochodzenia gazu i przyjętego horyzontu czasowego. Potencjał globalnego ocieplenia (GWP) to stosunek energii zatrzymanej przez tonę gazu w wybranym okresie do energii zatrzymanej w tym samym okresie przez tonę CO₂. Nawet w jednym raporcie metan ma kilka wartości: analiza wartości GWP metanu wymienia dla AR6 trzy.

• Wydanie raportu – GWP-100, czyli liczony dla 100 lat, wynosił dla metanu 25 w AR4 (2007), 28 w AR5 (2013) i 27,9 w AR6 (2021). Rewizje wynikają z lepszych pomiarów pochłaniania, nowych szacunków czasu życia i pośrednich efektów chemicznych.
• Pochodzenie gazu – AR6 podaje 27,9 dla samego metanu, 27,0 dla biogenicznego i 29,8 dla kopalnego. W odróżnieniu od biogenicznego metan kopalny po utlenieniu wnosi do obiegu nowy węgiel.
• Horyzont czasowy – w perspektywie 20 lat GWP metanu wynosi około 81, w perspektywie 100 lat około 27–30; liczba bez dopisku prawie zawsze oznacza GWP-100.

Po co w ogóle taki przelicznik? Pozwala zsumować tony różnych gazów w jednej mierze: masę gazu mnoży się przez jego GWP, więc 1 t N₂O × 273 daje 273 t ekwiwalentu CO₂. Każda „tona ekwiwalentu CO₂” w statystyce emisji oznacza zatem ilość gazu zatrzymującą w przyjętym horyzoncie czasowym tyle ciepła co tona dwutlenku węgla.

Naturalne źródła i pochłaniacze – dlaczego bilans przestał się domykać?

Przez około 10 000 lat przed rewolucją przemysłową stężenie CO₂ utrzymywało się na poziomie około 280 ppm (części na milion). Oceany, mokradła i oddychanie organizmów uwalniały węgiel, a fotosynteza i woda morska przejmowały go z powrotem. Atmosfera, oceany i biosfera pozostawały w równowadze.

Skoro przyroda sama emituje tyle gazów, dlaczego winić człowieka? Odpowiedź leży w wydajności pochłaniaczy: oceany i biosfera lądowa przejmują nieco ponad połowę emisji CO₂, a reszta kumuluje się w powietrzu. Wylesianie dodatkowo uwalnia węgiel z biomasy i osłabia jego pochłanianie. W 2024 roku stężenie CO₂ wyniosło 423,9 ppm, a metanu 1942 ppb, czyli 152% i 266% poziomu przedprzemysłowego.

Aktywność wulkaniczna tego rachunku nie zmienia. Wszystkie wulkany, lądowe i podmorskie, emitują 180–440 mln t CO₂ rocznie. Działalność człowieka dała w 2022 roku 37 mld t. Ludzkość potrzebuje więc kilku dni, by wyemitować tyle, ile wulkany przez cały rok.

Emisje gazów cieplarnianych w Polsce według sektorów gospodarki

Największą część polskich emisji daje sektor Energia: w 2023 roku około 83,2% emisji w ekwiwalencie CO₂, licząc bez LULUCF, czyli użytkowania gruntów, jego zmian i leśnictwa. Dane z krajowej inwentaryzacji emisji KOBiZE dzielą emisje na pięć sektorów.

• Energia (83,2%) – spalanie paliw kopalnych w energetyce, przemyśle, domach i transporcie daje 77,3% całości, do tego dochodzi emisja lotna z paliw; dominuje CO₂.
• Rolnictwo (9,8%) – przede wszystkim N₂O z gleb i nawozów oraz metan z hodowli.
• Procesy przemysłowe (5,6%) – emisje z samych reakcji chemicznych, na przykład przy produkcji cementu, oraz F-gazy.
• Odpady (1,2%) – głównie metan z rozkładu odpadów na składowiskach.

Transport nie ma w tym podziale osobnej pozycji, bo mieści się w spalaniu paliw. Widać go dopiero w podkategoriach spalania. W emisji samego CO₂ przemysły energetyczne mają 44,8%, transport 23,8%, a przemysł wytwórczy i budownictwo 9,2%.

W Unii Europejskiej w latach 1990–2019 sektor energetyczny dawał łącznie 77% emisji, rolnictwo 11%, a przemysł 9%.