Miksi CO2 on kasvihuonekaasu

hiilidioksidi
kasvihuonekaasut
(Not Hing) #1

Kuitenkin jos pistetään sitä vaikka ikkunoiden väliin johtaa se huomattavasti paremmin lämpöä kuin tavallinen ilma.

CO2:lla ei myöskään ole mitään käyttöä lämpöeristyksessä yleensä ja teollisuudessa vain kuivajäänä viilentäjänä?

(Sanna-Liisa Sihto-Nissilä) #2

Hei,

kiitos hyvästä kysymyksestä, joka on aivan ilmastonmuutoksen ytimessä!

Hiilidioksidi on kasvihuonekaasu, koska se molekyylirakenteensa vuoksi imee (eli absorboi) tehokkaasti lämpösäteilyä. Maapallolle tulee auringosta säteilyä, josta suurin osa on näkyvää valoa. Tästä säteilystä noin 30 % heijastuu pois ja loput 70 % imeytyy maapallolle. Maapallo edelleen lähettää ulospäin lämpö- eli infrapunasäteilyä, joka on paljon pitkäaaltoisempaa kuin auringosta tuleva säteily. Tästä säteilystä osa imeytyy ilmakehän kasvihuonekaasuihin, jolloin säteilyn karkaaminen avaruuteen hidastuu. Tämä aiheuttaa luonnollisen kasvihuoneilmiön, jonka ansiosta maapallon keskilämpötila (noin 14 Celciusastetta) on noin 30 astetta korkeampi kuin ilman kasvihuoneilmiötä. Luonnollinen kasvihuoneilmiö siis mahdollistaa nykyisen kaltaisen elämän maapallolla, koska ilman sitä vesi olisi jäätyneenä suuressa osassa maapalloa.

Se, onko onko molekyyli kasvihuonekaasu, riippuu molekyylin rakenteesta. Hiilidioksidin lisäksi merkittäviä kasvihuonekaasuja ovat vesi (H2O), metaani (CH4), ilokaasu (N2O) ja otsoni (O3). Yleissääntönä voidaan sanoa, että kolmiatomiset (jollainen CO2 juuri on; yksi hiiliatomi ja kaksi happiatomia) ja sitä suuremmat molekyylit voivat olla kasvihuonekaasuja. Tämä johtuu siitä, että useasta atomista rakentuvassa molekyylissä on molekyylin sisällä epätasainen varausjakauma, mikä mahdollistaa sen vuorovaikutuksen sähkömagneettisen säteilyn kanssa. Lämpösäteilyn absorptio tarkoittaa sitä, että lämpösäteily saa molekyylin värähtelemään ja pyörimään tietyllä tavalla. Näihin molekyylin värähtely- ja pyörimistiloihin perustuu se, että jokin molekyyli on kasvihuonekaasu.

Yleissääntönä voidaan sanoa myös, että mitä suurempi molekyyli tai mitä epäsymmetrisempi sen rakenne on, sitä tehokkaampi kasvihuonekaasu se on. Hiilidioksidi on rakenteeltaan sauvamainen ja se on melko tehokas kasvihuonekaasu. Vesimolekyylin muoto on kuin Mikki-Hiiren pää korvineen, ja tämän epäsymmetrisen rakenteen vuoksi sillä on enemmän lämpösäteilyn kanssa vuorovaikuttavia värähtely- ja pyörimistiloja kuin hiilidioksidilla. Vesi onkin hiilidioksidia tehokkaampi kasvihuonekaasu. Metaanissa (CH4; yksi hiili- ja neljä vetyatomia) on jo viisi atomia, ja siksi se on vielä vesihöyryäkin tehokkaampi kasvihuonekaasu. Vielä useammasta atomista rakentuvat fluoratut hiilivedyt (CFC-yhdisteet, joita käytettiin jääkaappien kylmäaineina, esimerkkinä freoni CFC-12 CCl2F2) ovat hyvin tehokkaita kasvihuonekaasuja: niiden lämmitysvaikutus on jopa 10 000-kertainen hiilidioksidiin verrattuna. Onneksi CFC-kaasujen pitoisuus ilmakehässä on vielä hyvin pieni niille kansainvälisissä sopimuksissa asetettujen rajoitusten takia.

Ilmakehän yleisimmät kaasut typpi ja happi, jotka esiintyvät ilmakehässä kaksiatomisina molekyyleinä N2 ja O2, eivät ole kasvihuonekaasuja, koska niissä on vain kaksi samanlaista atomia.

Alla olevan linkin videosta voit katsoa miten hiilidioksidi värähtelee absorboidessaan lämpösäteilyä. Värähtelytiloja on kolme: epäsymmetrinen venytys, symmetrinen venytys ja taipuminen. Näistä viimeisin eli taipuminen (englanniksi bending vibration) on kasvihuoneilmiön kannalta merkittävin.

Hiilidioksidi CO2: https://www.youtube.com/watch?v=Ld71GIGZN9E

Vesi H2O: https://www.youtube.com/watch?v=1uE2lvVkKW0

Metaani CH4: https://www.youtube.com/watch?v=zeep0q97WHo

Maapallon luonnollisessa kasvihuoneilmiössä eri kaasujen osuudet ovat seuraavat: vesihöyry 60 %, hiilidioksidi 26 % ja otsoni 8 %, ilokaasu 3 % ja metaani 3 %. Ihmistoiminta on lisännyt näiden määrää ja näin voimistanut kasvihuoneilmiötä, mikä on johtanut ilmaston lämpenemiseen.

Mainitsemasi hiilidioksidin lämmönjohtokyky eli lämmönjohtavuus ei liity kasvihuoneilmiöön mitenkään. Kuten yllä on selitetty, kasvihuoneilmiö liittyy molekyylien kykyyn absorboida lämpösäteilyä, ei kaasun lämmönjohtavuuteen. Ilmakehässä on myös niin vähän hiilidioksidia (noin 400 ppm eli 0,04 %), että se ei vaikuta ilmakehän lämmönjohtavuuteen. Korjattakoon vielä, että hiilidioksidi johtaa lämpöä huonommin kuin ilma, ja siitä syystä sitä käytetään ikkunalasien välissä eristeenä. Typpikaasun (N2) lämmönjohtavuus on 0,026 W/mK, hiilidioksidin 0,017 W/mK (wattia per metri*Kelvin).

Lisätietoa:

Kasvihuonekaasuista Ilmasto.nyt-materiaalissa (klikkaa sivun alareunasta ‚Äėkirjaudu vierailijana‚Äô):
https://mooc.helsinki.fi/mod/book/view.php?id=2994
https://mooc.helsinki.fi/mod/book/view.php?id=2998&chapterid=89

Kiehl, J. T., and K. E. Trenberth, Earth’s annual global mean energy budget, Bull. Amer. Meteor. Soc., 78, 197-208, 1997. https://journals.ametsoc.org/doi/pdf/10.1175/1520-0477(1997)078<0197%3AEAGMEB>2.0.CO%3B2
[Tähän artikkeliin päivitys v. 2009: Trenberth, K. E., Fasullo, J. T. and Kiehl, J., Earth’s Global Energy Budget, Bull. Amer. Meteor. Soc., 90, 311-323, 2009. https://journals.ametsoc.org/doi/pdf/10.1175/2008BAMS2634.1]

Hemmilä, K., ja Heimonen, I., VTT:n tiedotteita: Eristyslasin täytekaasun ja lasien toimivuus ja toteaminen, 1999. https://www.vtt.fi/inf/pdf/tiedotteet/1999/T1963.pdf

#3

N√§in suuri ero ei varmaankaan johdu absoluuttisista kaasujen eroista vaan siit√§, ett√§ ‚Äúhivenkaasut‚ÄĚ absorboivat sellaisilla aallonpituuksilla, joilla vesi ja hiilidioksidi ovat l√§pin√§kyvi√§.

Aivan olennainen seikka, joka j√§i yll√§ mainitsematta, on ett√§ hiilidioksidin pitoisuus on niin suuri, ett√§ absorptio on suurelta osin eritt√§in vahvasti saturoitunutta. Sopivilla aallonpituuksilla s√§teilyn vapaa matka voi olla metrin osia. ‚ÄúHivenkaasujen‚ÄĚ n√§enn√§inen suuri tehokkuus kertoneekin siit√§, kuinka heikko kasvihuonekaasu CO2 nykyisell√§√§n on eik√§ siit√§, ett√§ ne olisivat absoluuttisesti erityisen tehokkaita?

Entäpä sitten emissio? Absorptio ja emissio kulkevat aina käsi kädessä. Kovin usein kuitenkin puhutaan vain absorptiosta, mikä on mielestäni väärin. Miten kasvihuonekaasujen infrapunaemissio vaikuttaa säteilytaseeseen?