Šiltnamio efektas

Kaip Žemėje susidaro šiltnamio efektas? Ties viršutine atmosferos riba 1 m² vidutiniškai tenka 342 W/m² Saulės energijos. Mūsų planeta sugeria apie 70 % tos energijos (sugėrimas vyksta atmosferoje ir Žemės paviršiuje), o atspindi 30 %. Žemės paviršių pasiekia vos pusė pradinio Saulės energijos kiekio, t.y., apie 170 W/m² (1 pav.).

Gavęs tokį energijos kiekį Žemės paviršius įšyla ir ima spinduliuoti energiją ilgosiomis infraraudonosiomis (IR) bangomis. 90 % jų vėl grįžta atgal į žemės paviršių, nes atmosferoje esančios ŠESD molekulės Žemės paviršiaus IR spinduliuotę sugeria ir neleidžia jai iškart patekti į kosmosą, todėl žemutinių troposferos sluoksnių temperatūra pakyla. Viršutiniai troposferos sluoksniai ir stratosfera energiją į kosmosą išspinduliuoja netrukdomai, todėl visos planetos mastu nusistovi energijos balansas: kiek Saulės energijos planetoje per metus buvo sugerta, tiek jos išspinduliuojama atgal į kosmosą (239 W/m²). Panašus efektas susidaro paprastame daržininkų šiltnamyje (taip ir atsirado terminas „šiltnamio efektas“), tik čia šiltnamio dujų vaidmenį atlieka stiklas arba polietileno plėvelė. Į šiltnamio vidų prasiskverbia trumpabangė Saulės spinduliuotė, tačiau ją sugėrusio ir įšilusio dirvožemio spinduliuojami IR spinduliai stogo trumpam sulaikomi – šiltnamio viduje oro temperatūra dieną pakyla. 

Jei atmosfera nesukurtų šiltnamio efekto, mūsų planetoje vidutinė metų oro temperatūra prie žemės paviršiaus tesiektų –18 °C, o dabar ji yra +15 °C. Taigi, šiltnamio efekto terminis rezultatas žemutinėje troposferoje – plius 33 °C. Šiltnamio efekto pirmieji požymiai atsirado jau daugiau kaip prieš 3 milijardus metų, kai susidarė pakankama atmosferos masė. Vėliau ŠESD koncentracija atmosferoje nuolat keitėsi, kartu kito ir Žemės klimatas. Akivaizdu, jog augant ŠESD koncentracijai, stiprėja šiltnamio efektas, todėl kyla žemutinių troposferos sluoksnių temperatūra. Apskaičiuota, jog nuo 1850 metų šiltnamio dujų link žemės paviršiaus spinduliuojama energija sustiprėjo 2,5 W/m² ir dabar siekia 324 W/m². Dabar jau neabejojama, kad tai pagrindinis veiksnys, lemiantis pasaulinį atšilimą: nuo XIX a. vidurio globalioji oro temperatūra žemutinėje troposferoje pakilo 0,8 °C, o Lietuvoje per tą patį laiką klimatas atšilo 1–1,5 °C. Gamtinių veiksnių (pavyzdžiui, sustiprėjusios Saulės spinduliuotės) vaidmuo vykstančiame pasauliniame atšilime nepalyginamai menkesnis ir sudaro tik apie 10 %. Šiltnamio dujų į Žemės paviršių nukreipta IR spinduliuotė ne tik pakelia priežeminę oro temperatūrą, bet ir sušvelnina temperatūros paros svyravimus: dieną oras lėčiau įkaista, o naktį lėčiau ir mažiau atvėsta. 

Svarbiausios šiltnamio dujos. Didžiausią indėlį į bendrą 33 °C sumą kuriant šiltnamio efektą įneša vandens garai (21 °C), toliau seka anglies dioksidas (7 °C), troposferos ir stratosferos ozonas (2 °C), azoto suboksidas (1,4 °C), metanas (0,8 °C) ir visoms likusioms šiltnamio dujoms (SF₆, HFC’s, PFC’s, CFC ir kt.) tenka taip pat 0,8 °C. Žmonių ūkinė veikla tiesioginio poveikio nedaro tik vandens garų kiekiui, tačiau reikia nepamiršti, kad šylant troposferai vandens garų taip pat daugėja – pasireiškia vadinamasis teigiamas grįžtamasis efektas. Pakilus oro ir vandenynų temperatūrai į atmosferą išgaruoja ir gali išsilaikyti vis daugiau vandens garų, kurie savo ruožtu dar labiau spartina klimato atšilimą.
2012 metų pradžioje anglies dvideginio (CO₂) koncentracija atmosferoje pasiekė net 391,8 ppm (2 pav.). Šiuos duomenis pateikia Mauna Loa observatorija Havajuose priklausanti JAV Nacionalinei vandenynų ir atmosferos administracijai (National Oceanic and Atmospheric Administration – NOAA). Toli nuo pasaulio pramonės centrų, centrinėje Ramiojo vandenyno dalyje įkurtoje Mauna Loa observatorijoje nuolat stebimi ir renkami duomenys apie globalius atmosferos sudėties pokyčius ir įvairių šiltnamio efektą sukeliančių dujų koncentraciją. Ji atmosferoje išreiškiama milijoninėmis dalimis (angl., parts per million (10⁶) – ppm), milijardinėmis dalimis (parts per billion (10⁹) – ppb) arba trilijonosiomis dalimis (part per trillion (10¹²) – ppt). Pavyzdžiui, 1 ppm reiškia vieną tam tikrų dujų molekulę 1 000 000 visų esamų dujų molekulių.

2 pav. CO₂ koncentracijos (ppm) kaita atmosferoje pagal matavimus Mauna Loa observatorijoje Havajuose. Raudona kreivė rodo sezoninius CO₂ koncentracijos svyravimus, kuriuos lemia Šiaurės pusrutulio augalijos sezoniškumas.

Nuo spartaus pramonės augimo pradžios XIX amžiuje ŠESD koncentracija atmosferoje nuolat auga. Šiuo metu CO₂ koncentracija atmosferoje lyginant su ikipramoniniu laikotarpiu padidėjo 39,6 procento, nes gamtoje egzistuojantis CO₂ apytakos ciklas tarp atmosferos, vandenyno, fitoplanktono ir augalijos dėl žmogaus ūkinės veiklos sutriko. Ypač sparčiai CO₂ koncentracija augo per pastarąjį dešimtmetį (2002–2011 m.) – po 2,07 ppm per metus. Anglies dvideginio koncentracija atmosferoje daugiausia didėja dėl iškastinio kuro (akmens anglies, dujų, naftos) deginimo energetikos ir transporto sektoriuose, įvairių pramonės technologinių procesų, miškų, ypač atogrąžų, naikinimo (jie yra svarbūs šiltnamio dujų absorbentai), žemėnaudos pakeitimų. Dėl žmogaus veiklos per metus (2010 m. duomenimis) į atmosferą patenka iš viso 36,8 Gt (gigatonų) CO₂. Čia reikia pažymėti, kad per pastaruosius 800 000 metų CO₂ koncentracija Žemės atmosferoje svyravo tik tarp 180 ir 300 ppm (tai nustatyta tiriant Antarktidos ir Grenlandijos ledynų storymes). Taigi, dabartinė CO₂ koncentracija gerokai viršija ne tik holoceno, bet ir vėlyvojo pleistoceno lygį.
Sparčiai atmosferoje daugėja ir kitų ŠESD. Nuo XVIII a. vidurio metano padaugėjo daugiau kaip 2,5 karto (nuo 700 iki 1800 ppb) ir taip pat, kaip ir anglies dioksido, jau viršijamas pastarųjų 800 000 tūkst. metų lygis. Metanas išsiskiria išgaunant, transportuojant ir naudojant gamtines dujas ir anglį, gyvulininkystėje, iš ryžių laukų, sąvartynų.
Azoto suboksido koncentracija per tą patį laikotarpį išaugo 18 % (nuo 270 iki 320 ppb). Šiai dujinei komponentei būdinga dar viena svarbi savybė: nors jos yra kur kas mažiau nei anglies dioksido, tačiau 289 karto efektyviau sugeria IR spinduliuotę nei CO₂. Tai reiškia, jog vienos N₂O molekulės indėlis kuriant šiltnamio efektą prilygsta 289 CO₂ molekulių indėliui. Azoto suboksido daugiausiai išsiskiria gaminant sintetinį pluoštą bei žemės ūkyje naudojant azotines trąšas.
Kitų ŠESD komponenčių (SF₆, HFC’s, PFC’s ir kt.) koncentracija atmosferoje taip pat sparčiai auga, nes jos yra naudojamos kaip alternatyvos ozono sluoksnį ardantiems chlorofluorangliavandeniliams (CFC), kurių pagal Monrealio protokolą yra palaipsniui atsisakoma. Be to, HFC’s, PFC’s ir CFC komponenčių iki XX a. amžiaus vidurio atmosferoje apskritai nebuvo, nes tai išimtinai žmogaus veiklos produktas. Jų išlakų į atmosferą atsirado ėmus plėtoti chemijos ir elektronikos pramonę. Sparčiausias augimas per pastaruosius 15 metų nustatytas hidrofluorangliavandenilių HFC-134a, HFC-125 ir HFC-152a, jų koncentracija atmosferoje atitinkamai siekia 35, 3,7 ir 3,9 ppt. Atmosferoje daugėja ir troposferinio ozono, jo koncentracija pramoniniuose rajonuose jau siekia 100 ppb ir daugiau.
Šiltnamio dujos labai skiriasi dar ir pagal savo išsilaikymo atmosferoje trukmę. Pavyzdžiui, CO₂ atmosferoje gali išbūti 5–200 metų, metanas – 12, azoto suboksidas – 114, o kai kurių fluoruotų šiltnamio dujų (SF₆, CF₄) gyvavimo trukmė gali siekti net kelias dešimtis tūkstančių metų. Todėl viena tona į atmosferą išmestų šiltnamio dujų daro nevienodą poveikį šiltnamio efektui, t.y., turi skirtingą šiltnamio efekto kūrimo potencialą. Jeigu minėtąjį CO₂ potencialą prilyginsim 1, tai per 100 metų (įvertinus išsilaikymo atmosferoje trukmę ir IR spinduliuotės sugėrimo gebą) globalinis metano potencialas bus 23 kartus didesnis už CO₂, azoto suboksido – 296 kartus, SF₆ – 22 200 kartų, įvairių HFC – nuo 12 iki 12 000 kartų, PFC – 5700–11900 kartų. Taigi, net jei visame pasaulyje staiga būtų stipriai sumažintos šiltnamio dujų išlakos, prireiktų kelių šimtmečių, kol šių dujų koncentracija ore pasiektų ikipramoninį lygį.

Svarbiausi teršėjai

Skaičiuojant visas pasaulio ŠESD išlakas pagal ūkio sektorius (tai nustatoma remiantis kiekvienos šalies atliekama ŠESD inventorizacija pagal specialią metodiką), paaiškėja, jog daugiausiai jų į atmosferą patenka gaminant energiją, iš pramonės įmonių, kertant ir deginant miškus, iš žemės ūkio ir transporto sektorių (3 pav.).

3 pav. Pasaulio ŠESD išlakos pagal ūkio sektorius.

Remiantis Europos sąjungos Jungtinių tyrimų centro ataskaita(Joint Research Centre, 2011), ypač sparčiai CO₂ išlakos didėja per pastaruosius du dešimtmečius. Nuolatinis ekonomikos augimas Kinijoje ir Indijoje bei ekonomikos atsigavimas Europoje ir Šiaurės Amerikoje 2009–2010 m. lėmė rekordinį pasaulio CO₂ emisijų padidėjimą (5,8 proc.). Atsinaujinančių energijos šaltinių bei branduolinės energijos plėtra nespėja vytis vis augančios energijos bei transporto paklausos. Didžiausia ji yra besivystančiose šalyse. Remiantis 2010 m. duomenimis (2011 m. duomenų dar nėra) pagal CO₂ išlakas į pirmą vietą aplenkusi JAV, pasaulyje išsiveržė Kinija. Šios dvi šalys į atmosferą išmeta apie 43 % viso CO₂ kiekio, atitinkamai 8,95 ir 5,25 mlrd. tonų. Toliau rikiuojasi Indija (1,84 mlrd. tonų), Rusija (1,75 mlrd. tonų), Japonija (1,16 mlrd. tonų). Europos sąjungos 27 šalys į atmosferą išmeta 4,05 mlrd. tonų CO₂, bet šis skaičius vis dar yra mažesnės, negu buvo prieš ekonomikos krizę 2007 m. (4,2 mlrd. tonų).
Skaičiuojant kiek tenka CO₂ išlakų vienam gyventojui per metus nepralenkiamas lyderis išlieka JAV – 16,9 tonos. Tai dvigubai daugiau negu ES-27 vidurkis (jis yra 8,1 tonos) ir 2,5 karto daugiau negu Kinijoje (6,8 tonos). Tokie skaičiai nuolat įlieja žibalo į vykstančias karštas derybas siekiant rasti Kijoto protokolą pakeisiantį susitarimą (Kijoto protokolu reguliuojamos ŠESD emisijos, jo galiojimas baigiasi 2012 m.).
Lietuvoje išmetamų į atmosferą ŠESD kiekis pastaraisiais metais svyravo. 2001–2008 m. augant šalies ekonomikai ir didėjant energijos poreikiui, palaipsniui didėjo ir ŠESD išlakos į atmosferą – nuo 20,544 iki 24,390 mln. tonų (padidėjo 18 %). Tuo tarpu šalies bendras vidaus produktas (BVP) per tuos metus išaugo 128% – nuo 48,637 mln. lt iki 111,190 mln. lt (2001 m. kainomis). Atsižvelgiant į 2001–2008 m. laikotarpio vidutinius metinius augimo tempus galima teigti, kad ŠESD išlakų kiekis didėjo daug lėčiau, nei augo ekonomika ir atitiko darnaus vystymosi principus. Dėl ekonominės krizės Lietuvoje ŠESD išlakos 2009 m. sumažėjo iki 21,609 mln. tonų, t. y. 10 % (2010–2011 m. duomenų dar nėra suskaičiuota), kai šalies BVP nuo 2008 m. lygio krito beveik 22 %. Tai galima paaiškinti tuo, kad BVP rodikliai dažniausiai kiek atsilieka nuo gamybos apimčių, o tuo pačiu ir nuo šiltnamio dujų emisijos į aplinką pokyčių. Vertinant Lietuvos indėlį į bendrą visų pasaulio šalių ŠESD emisiją, jis atrodo gana kukliai – tik 0,06 %.

4 pav. Į atmosferą išmesto ŠESD ir BVP kaita 2001–2009 m.
Duomenų šaltinis: Aplinkos būklė 2010. Tik faktai. Aplinkos apsaugos agentūra, Vilnius, 2011.

Gamtinė aplinka, dauguma ūkio šakų bei pats žmogus yra labai jautrūs klimato kaitai, todėl šiandien pirmaeilis tarptautinės ir nacionalinės politikos uždavinys yra ŠESD išlakų į atmosferą mažinimas siekiant pristabdyti sparčiai progresuojantį pasaulinį klimato atšilimą. Neverskime gamtos kerštauti, nes jau dabar vis dažniau kartojasi didelio masto ilgalaikės orų anomalijos.
ŠESD išlakų mažinimo pagrindiniai būdai yra du: energijos vartojimo efektyvumo didinimas ir atsinaujinančių energijos išteklių plėtra. Lietuvoje 2010 m. iš atsinaujinančių energijos išteklių pagaminta energija sudarė apie 18 % bendros galutinės suvartotos energijos (2 % daugiau nei planuota). Iš atsinaujinančių energijos išteklių pagamintos elektros energijos kiekis irgi gerokai viršijo planuotą (7 %). Siekiama, kad atsinaujinantys energijos ištekliai 2020 m. suvartotos elektros kiekyje sudarytų 20 %, o bendrame galutiniame energijos suvartojime – ne mažiau kaip 23 %. Tokių rezultatų galima pasiekti išnaudojant turimą šalies atsinaujinančių išteklių energijos potencialą.