پتانسیل گرمایش جهانی

مقدمه

فعالیت های انسان منجر به افزایش غلظت تعدادی از گازهای گلخانه ای شده است که در جذب و انتشار مجدد تابش در بخش مادون قرمز طیف الکترومغناطیسی موثر هستند و منجر به تقویت اثر گلخانه ای می شوند. از جمله این گازها می توان به کربن دی اکسید، متان، اوزون، کلوفلوروکربن، نیتروژن اکسید و ... اشاره داشت. برای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای یافتن یک استراتژی و مشخص کردن میزان اثرگذاری هر یک از گازها حائز اهمیت است. از این رو است که مشخص کردن یک پارامتر و مولفه مرجع برای مقایسه اثر گازهای گلخانه ای متفاوت، مورد توجه قرار می گیرد.

پتانسیل گرمایش جهانی (به انگلیسی Global warming potential) که از آن به دی‌اکسید کربن معادل (CO2 equivalent) نیز یاد می شود، مولفه ای برای محاسبه میزان حرارت تابشی مادون قرمزی است که یک گاز گلخانه ای اضافه شده به جو زمین، در یک زمان مشخص می تواند جذب کند.

مولفه پتانسیل گرمایش جهانی، امکان مقایسه گازهای گلخانه ای مختلف را با توجه به "اثربخشی آنها در ایجاد اجبار تابشی" مشخص می کند. این مولفه به عنوان مضربی از تشعشعات بیان می شود که توسط مقدار یکسانی از جرم دی اکسید کربن جذب می شود. بنابراین در بیان و مقایسه این مولفه، کربن دی اکسید به عنوان گاز مرجع در نظر گرفته می شود و مقدار آن برابر با یک است. برای بدست آوردن مقدار این مولفه برای سایر گازها باید به میزان جذب تشعشعات مادون قرمز و سرعت ترک گاز از اتمسفر در محدوده زمانی خاص باید رجوع کرد. به عنوان مثال، طی حدود 20 سال میزان پتانسیل گرمایش جهانی برای متان مقدار 81.2 است . این عدد بدین معناست که نشت یک تن از متان معادل با انتشار 81.2 تن دی اکسید کربن طی 20 سال است. از آنجایی که متنا عمر جی کوتاه تری نسبت به کربن دی اکسید دارد، مقدار پتانسیل گرمایش جهانی آن در دوره های زمانی طولانی تر، بسیار کمتر است به طوری که این مقدار طی 100 سال برابر با 27.9 و طی 500 سال معادل با 7.95 خواهد بود. کربن دی اکسید معادل (CO2e یا CO2eq یا CO2-e) را میتوان با استفاده از این مولفه محاسبه کرد. برای هر گاز، جرم CO2 است که زمین را به اندازه جرم آن گاز گرم می کند. بنابراین، مقیاس مشترکی برای اندازه گیری اثرات آب و هوایی گازهای مختلف فراهم می کند. این مقار به عنوان پتانسیل گرمایش جهانی ضربدر جرم سایر گاز محاسبه می شود.

پیشینه

مفهوم عددی برای مقایسه میزان اثربخشی گازهای گلخانه ای در گرمایش کره زمین اولین بار توسط روجرز و استفان (1998) و فیشر و همکارانش (1990) برای ارزیابی اثرات گرم شدن نسبی هالوکربن های مختلف ارائه شده بود. پتانسیل گرمایش جهانی توسط رهود (1990) و لاشوف و آخوجا (1990) ارائه و توسط IPCC تایید شد .

این مولفه بر اساس تغییرات اجباری تابشی یکپارچه ناشی از تغییر انتشار پالس است. به طور دقیق تر، پتانسیل گرمایش جهانی برای یک گاز نسبت نیروی تابشی تجمعی و متوسط جهانی در یک بازه زمانی مشخص تولید شده توسط یک پالس انتشار جرم واحد از آن گاز نسبت به یک پالس با جرم واحد کربن دی اکسید است. این مولفه به عنوان استانداردی برای برآورد اثربخشی نسبی کاهش انتشار گازهای گلخانه ای مختلف شناخته می شود. از مولفه پتانسیل گرمایش جهانی در مطالعات و پژوهش¬های مرتبط با تغییرات آب و هوایی استفاده می شود و نقش محوری ای در این زمینه ها دارد. بدیهی است که این مولفه نیز با محدودیت هایی از جمله عدم قطعیت، مقیاس زمانی نامشخ و مشکلات پایه ای برای مقایسه انواع گازها رو به رو است و بسته به گزارش های اعلامی توسط IPCC می بایست به روز ترین جدول را معیار کار خود قرار داد.

تعریف پتانسیل گرمایش جهانی

پتانسیل گرمایش جهانی به عنوان "شاخص اندازه گیری نیروی تابشی پس از انتشار یک واحد جرم یک ماده داده شده ، جمع آوری شده در یک افق زمانی انتخاب شده ، نسبت به ماده مرجع ، دی اکسید کربن تعریف شده است. بنابراین این مقدار، اثر ترکیبی زمان های مختلف باقی ماندن این مواد در جو و اثربخشی آنها در ایجاد نیروی تابشی را نشان می دهد." نیروی تابشی یک مفهو علمی است که برای اندازه گیری و مقایسه عوامل خارجی تغییر با تعادل انرژی زمین استفاده می شود. فشار تابشی تغییر جریان انرژی در جو است که توسط عوامل طبیعی تغییرات آب و هوایی با واحد وات در هر متر مریع است.

مقادیر

پتانسیل گرمایش زمین به دو عامل کارایی مولکول به عنوان یک گاز گلخانه ای و طول عمر جوی وابسته است. این مولفه نسبت به جرم کربن دی اکسید اندازه گیری و در مقیاس زمانی خاص ارزیابی می شود. بنابراین، اگر یک گاز دارای نیروی تابشی بالا (مقدار مثبت) باشد اما عمر کواهی داشته باشه مقدار پتانسیل گرمایش جهانی بزرگ در مقیاس بیست سال داره اما مقیاس آن در بازه زمانی 100 سال مقداری کوچکتری خواهد بود. به طور عکس، اگر یک مولکول طولعمر جوی بیشتری نسبت به کربن دی اکسید داشته باشد، مقدار پتانسیل گرمایش جهانی آن در مقیاس های زمانی متفاوت، اقزایش خواهد داشت. لازم به یاداوری است که مقدار پتاسیل گرمایش جهانی کربن دی اکسید به عنوان مرجع و برابر با 1 در نظر گرفته می شود.

به مثال متان باز گردیم، طول عمر اتمسفری متان 12±2 سال است. مطابق با گزارش اعلام شده از IPCC در سال 2021، در بازه زمانی 20، 100 و 500 سال به ترتیب مقادیر پتانسیل گرمایش جهانی متان برابر با 83، 30 و 10 محاسبه شده است. با این حال یکی از تجزیه و تحلی های انجام شده در سال 2014 بیان می کند که تاثیر اولی همتان حدود صد برابر بیشتر از کربن دی اکسید است اما به دلیل عمر جوی کوتاه، پس از گذشت شش یا هفت دهه میزان تاثیر دو گاز تقریبا برابر خواهد بود. این در حالی است که پس از این مدت مقدار پتانسیل گرمایش جهانی متان همچنان در حال کاهش است. کاهش مقدار پتانسیل گرمایش جهانی در بازه زمانی طولانی تر، به این دلیل است که متان از طریق واکنش های شیمیایی به آب و کربن دی اکسید تجزیه می شود.

نمونه هایی از طول عمر اتمسفر و پتانسیل گرمایش جهانی نسبت به کربن دی اکسید برای چندین گاز گلخانه ای در جدول زیر نشان داده شده است:

نمونه هایی از طول عمر جوی و پتانسیل گرمایش جهانی نسبت به کربن دی اکسید برای چندین گاز گلخانه ای

نکته حائز اهمیت در خصوص ارقام اعلام شده آن است که این مقادیر پتانسیل گرمایش زمین به صورت دوره ای و در گزارش های هیات دولتی تغییرات آب و هوایی گردآوری و تجدید نظر می شود. آخرین گزارش گزارش ارزیابی ششم IPCC (گروه کاری I) از سال 2023 است. بدیهی است که بسیاری از اعداد و اقام در این مطالعه ارائه نشده است اما به طور کلی برخی از گازها مقدار پتانسیل گرمایش جهانی بالایی دارند اما غلظت بسیار کمی در جو دارند.

اهمیت مقیاس زمانی

معیارهای سنجش گازهای گلخانه ای متفاوت به طوری طراحی شده اند که امکان مقایسه چارچوب های زمانی مختلف را ایجاد می کنند. برای مثال بسیاری، اثرات نسبی این گازها را در بازه های 20، 40، 50 و 100 ساله مورد بررسی قرار داده اند. بررسی این چارچوب‌های زمانی گوناگون به سیاست گذاران فرصت ارزیابی نسبی استراتژی‌های کنترلی را داده و به پی بردن به اثرات  کوتاه مدت و بلند مدت کاهش گازهای مختلف بر اتمسفر کمک میکند. با نگاه به بررسی های کوتاه مدت، برای مثال 20 ساله، دیده میشود مقادیر پتانسیل گرمایش جهانی برای گازهای با طول عمر پایین، بالاتر است. این امر به این دلیل است که اثرات این گازها در بازه زمانی کوتاه تری بررسی شده است. تغییر چارچوب زمانی اگرچه باعث کاهش مقادیر گازهای ساطع شده نمیگردد اما در ارزیابی اثرات اقلیمی اثرگذار است. برخی سیاست گذاران و تحلیلگران از این موضوع برای انتشار گزارشات بر اساس ذهنیت مثبت و منفی خود استفاده میکنند. به همین خاطر لازم است مسئولین از بازه های زمانی مقادیر پتانسیل گرمایش جهانی آگاه بوده و این تفاوت ها را در ارزیابی خود لحاظ نمایند .

کربن دی اکسید یکی از گازهای آلاینده اصلی است. علی رغم جذب اکثر مقادیر این گاز توسط اقیانوس ها در طی قرن ها، مقادیر اندک به جا مانده میتوانند تا هزاران سال در اتمسفر بمانند. EPA امریکا میگوید: "کربن دی اکسید اتمسفر عضوی از چرخه کربنی بوده و در فرآیندهای ژئولوژیکی و بیولوژیکی شرکت میکند. بخشی از کربن دی اکسید اضافی توسط اقیانوس ها به آرامی جذب میشود و بخشی از آن به دلیل کند بودن فرایند جذب کربن دی اکسید در رسوبات اقیانوس، تا هزاران سال در اتمسفر باقی میماند."

در مقابل، متان یک آلاینده با طول عمر کوتاه است. این گاز پتانسیل بالاتری در جذب گرما دارد اما طول عمر این گاز در اتمسفر بسیار کوتاه تر است. یکی از چالش های سیاست گذاران تصمیم به تمرکز بر کنترل گاز قوی تر متان با طول عمری در حدود چند سال یا کنترل کربن دی اکسید با طول عمر هزاران سال است .

انجمن منابع هوایی کالیفرنیا در کنار بسیاری از نهادهای دیگر از چهارمین گزارش ارزیابی GWP100 IPCC برای گازهای گلخانه ای استفاده میکنند. این در حالی است که EPA امریکا CH GPW100 را به مقدار 34 تغییر داده است. این امر سبب قرارگیری در بازه پنجم ارزیابی IPCC صرفا برای پخش GHG و بازده استاندارد سوخت برای ماشین ها و موتور های سنگین شده است.

مقدار پتانسیل گرمایش جهانی وابسته به مقیاس زمانی در نظر گرفته شده است که توسط یک زیروند نمایان می شود. اثر گازی که به سرعت از اتمسفر خارج می شود ممکن است در ابتدا زیاد باشد اما برای مدت زمان طولانی تر مقدارن آن کاهش می­یابد. بنابراین  اما این مقدار برای . در نقطه مقابل، مقدار این مولفه برای هگزافلوراید گوگرد برابر با  اما در بازه کوتاه تر مقدار آن  است. مقدار مولفه پتانسیل گرمایش جهانی هرگاز وابسته به فرآیند تجزیه گاز در طول زمان در جو است. این مقدار قابل اعلام به صورت دقیق و قاطع نیست. لذا هنگام استفاده از این ارقام می بایست به جدول به روز شده آن مراجعه کنید.

بخار آب

مطابق با تعاریف اعلامی، مقدار پتانسیل گرمایش زمین  برای آب، مقداری ناچیز است. به طوری که یکی از برآوردهای صد سال مقدار آن را بین -0.001 و 0.0005 اعلام کرده است.

بخار آب می تواند مانند گاز گلخانه ای عمل کند چرا که دارای طیف جذب مادون قرمز بیشتر از کربن دی اکسید است. غلظت آن در جو توسط دمای هوا محدود می شود.  به طوری که فشار تابشی توسط بخار آب با گرم شدن کره زمین افزایش می یابد. اما تعریف پتانسیل گرمایش جهانی، اثرات غیرمستقیم را حذف می کند. همچنین بر اساس انتشار گازهای گلخانه ای است و انتشار انسان زایی بخار آب (برج های خنک کننده ، آبیاری) از طریق بارندگی در عرض چند هفته حذف می شود ، بنابراین مقدار این مولفه برای آب مقداری ناچیز است.

صنعت حمل و نقل چگونه می تواند اثر کربن خود را کاهش دهد؟

گاز طبیعی عمدتا از متان تشکیل شده در اثر سوزاندن، 27 درصد کربن دی اکسید کمتری نسبت به سوخت دیزل آزاد میکند. موتورهای نزدیک به صفر گاز طبیعی Cummins Westport، نسبت به همتاهای دیزلی خود به میزان 9% دارای GHG اصلاح شده اند. این موتورها دارای سیستم تهویه داخلی میل لنگ هستند که سبب پخش شدن مقادیر کمتری از گاز متان در میل لنگ میشود. این سیستم به همراه سایر سیستم های تعبیه شده سبب کاهش آلودگی و افزایش بهره وری موتور شده اند. این تغییرات در موتورهای گاز طبیعی با استارت جرقه ای سبب کاهش بیش از 70 درصدی آلودگی نسبت به مدل های چند سال گذشته شده اند .

گاز طبیعی نجدید پذیر RNG، گازی خانگی و طبیعی برگرفته از فاضلاب منابع طبیعی است. این منابع سبب تولید سوخت هایی با شدت کربن منفی اند. به بیان دیگر، استفاده از این سوخت ها در صنعت حمل و نقل در واقع سبب کاهش GHG اتمسفر خواهد شد. به همین خاطر حدود 60 درصد گازهای طبیعی مورد استفاده در حمل و نقل کالیفرنیا در سال 2017 از این گاز ها تامین می شد .

نتیجه گیری

استانداردهای انتشار گاز اهمیت فراوانی برای کمپانی ها و افراد در جهت سنجش میزان اثر انتشار گازها دارد. گرمایش زمین، یکی از استانداردهای مرسوم در سنجش میزان انتشار گاز است. با مقایسه میزان کربن دی اکسید نسبت به گازهای گلخانه ای، میتوان مناسب ترین تکنولوژی را برگزید .

گازهای طبیعی گزینه ای به صرفه برای جایگزینی در مصارف حمل و نقل هستند. گازهای طبیعی به طور عمده از متان تشکیل شده و پس از سوختن کربن دی اکسید تولید میکنند. مقادیر کربن دی اکسید تولید شده در این گازها 27 کمتر از سوخت های دیزل است. عمده مقادیر متان آزاد شونده از وسایل نقلیه با سوخت طبیعی، ناشی از سوخت ناقص و رها شدن متان نسوخته است. موتورهای گاز طبیعی جدید مجهز به تکنولوژِی هایی شده اند که سبب کاهش سوخت ناقص و افزایش بازده موتور شده است. موتورهای نزدیک به صفر گاز طبیعی Cummins Westport بر اساس استاندارد IPCC AR4 GWP100 دچار 14 درصد کاهش کربن دی اکسید ، 9 درصد کاهش کلی گازهای گلخانه ای و 70 درصد کاهش گاز متان شده اند .

تولید بیوسوخت های پیشرفته مانند گازهای طبیعی تجدیدپذیر سبب کاهش متان و کربن دی اکسید شده و سبب ایجاد شدت کربن منفی میشود. متان استخراج شده از فاضلاب های طبیعی قابلیت پالایش  داشته و در NGV ها قابل استفاده اند. در سال 2017 حدود 60 درصد سوخت وسایل نقلیه در کالیفرنیا از گازهای طبیعی تشکیل میشد.

کربن دی اکسید تا هزاران سال در اتمسفر زمین باقی میماند این درحالی است که عمر گاز متان در حدود 12 سال تخمین زده شده است. متاسفانه گرمایش زمین معضلی است که در سال های نزدیک از بین نخواهد رفت. با توجه به تفاوت طول عمر گازهای گلخانه ای، محاسبات انتشار گاز در چارچوب های زمانی طولانی مدت قابل اعتماد تر بوده و برای سنجش میزان انتشار متان مورد استفاده قرار میگیرند.

استفاده از گازهای طبیعی در وسایل نقلیه سبب کاهش بی درنگ مقادیر کربن دی اکسید میشود. صنعت NGV توانایی خود در کاهش مقادیر متان در چرخه را اثبات کرده است. این امر سبب کاهش اثرات کوتاه مدت متان و کمک به چالش گرمایش زمین شده است.