Sera etkisi hava kirliliğine neden olur mu

Sera gazı birikimlerindeki bu artışlar, yerkürenin uzun dalga boylu ışınım yoluyla soğuma etkinliğini zayıflatarak, onu daha fazla ısıtma eğilimindeki bir pozitif ışınımsal zorlamanın oluşmasın sağlar. Yerküre/atmosfer ortak sisteminin enerji dengesine yapılan pozitif katkı, kuvvetlenen sera etkisi olarak adlandırılır.

Giriş

Atmosferdeki insan kaynaklı sera gazı birikimlerinde sanayi devriminden beri gözlenen artış sürmektedir. En genel anlamıyla doğal ve insan kaynaklı (antropojen) iklim değişikliğinin nedenlerini anlayabilmek için, diğer etmenlerin yanı sıra, Yerküre-atmosfer sisteminin ısınması ve yaşanacak bir sıcaklığa ulaşması için gerekli olan ışınımsal olarak etkin ve atmosferdeki birikimleri (konsantrasyon) değişken sera gazları ve sera etkisinin çalışma ilke ve düzeneklerinin bilinmesi gerekir. Bu temel bilgi, sanayi devrimi sonrasında, özellikle de 20. Yüzyılın son çeyreğinden günümüze değin küresel iklim sisteminin değişmesine yol açan insan etkisini, insan kaynaklı iklim değişikliğini ve insan kaynaklı iklim değişikliğiyle savaşım ve etkilerinin azaltılması açısından da yaşamsaldır. Bu makale, klimatoloji ve meteorolojinin geniş kapsamlı ele alındığı iki ders kitabının (Türkeş, 2010, 2017) ilgili bölümleri doğrudan kullanılarak ve konunun asıl olarak insan kaynaklı yönü dikkate alınarak hazırlanmıştır.

 1. Atmosferdeki Değişken Gazlar ve Aerosoller 

Hava, atmosferdeki birikimleri zamandan zamana ve yerden yere önemli düzeyde değişen birçok gaz ve partikülden, daha açık bir söyleyişle havada asılı durabilen (uçucu) parçacıklardan oluşur. Karbondioksit (CO2), su buharı (H2O), diazotmonoksit (N2O), metan (CH4), çeşitli asılı parçacıklar ve ozon (O3), değişken gazların ve aerosollerin önemli örneklerindendir. Bu gazların atmosferdeki birikimlerinin oranları küçük olmasına karşın, hava ve iklim üzerindeki etkileri çok önemlidir. 

Atmosferdeki birikimleri değişken ve insan etkinliklerinden etkilenen CO2, N2O ve CH4 gibi önemli sera gazlarının atmosferdeki tutarları arasında bir karşılaştırma yapabilmek için, bu sera gazlarının ayrıntılı olarak sanayi öncesinden günümüze kadarki değişimleri Şekil 1’de verilmiştir. CO2, CH4 ve N2O, hem doğal hem de antropojen kaynaklara sahiptir. Burada verilmemesine karşın, örneğin hidroflorokarbonlar (HFC’ler), perflorokarbonlar (PFC’ler), kloroflorokarbonlar (CFC’ler) ve bunların çeşitli türevleri ise 20. yüzyıldan beri sanayi süreçleriyle üretilmekte (insan kaynaklı) ve atmosfere salınmaktadır. 

Şekil 1: Atmosferdeki (a) CO2, (b) CH4 ve (c) N2O gazlarının sanayi öncesinden günümüze değin yıllık ortalama birikimlerinde gözlenen uzun dönemli değişimler ile 3. ve 5. dereceden polinom regresyon eğrilerine göre uzun süreli eğilimler (Türkeş, 2010, 2017).

Tablo 1’de yer almamalarına karşın, su buharı ve ozon da önemli sera gazlarıdır. En büyük sera etkisi CO2 ile birlikte su buharınındır. Ancak, su buharının iklim sisteminin kendi iç süreçleriyle ve küresel boyutta değerlendirilen troposferdeki birikimi antropojen kaynaklardan ve yutaklardan etkilenmez. Günümüzde, küresel ısınmanın atmosferdeki su buharı birikimini arttıracağına ve artan su buharı birikiminin de doğal sera etkisini kuvvetlendirerek görece uzun bir süre küresel ısınmayı arttıracağına inanılmaktadır. Bu yüzden su buharı ve değişimleri, önemli atmosfer girdileri olarak iklim modellerine sokulmaktadır. Ozon birikimi, çeşitli insan etkinlikleri sonucunda hem stratosferde hem de troposferde değişmektedir. Sanayi Devrimi’nden bin yıl önce, atmosferdeki sera gazı tutarları görece sabit kalmıştır. Ancak, dünya nüfusundaki hızlı artışa, hızlı sanayileşmeye, fosil yakıtlara dayalı enerji üretimindeki artışlara ve tarımsal gelişmelere koşut olarak, atmosferdeki sera gazı birikimleri belirgin olarak artmıştır (Şekil 1). Sonuç olarak, atmosferdeki sera gazı birikimlerinin buzul çağları boyunca doğal olarak değiştiği ve insan etkinlikleri sonucunda sanayi devriminden beri artış gösterdiği iyi bilinmektedir (bkz. Şekil 6). 

1.1. Su buharı 

Havadaki su buharı (H2O) tutarı, önemli ölçüde değişkendir. Yine de birikimi hacimde yaklaşık %4’ü geçmez. Öyleyse, oranı bu kadar küçük olan bir gaz, neden bu kadar önemlidir? Kesin olan gerçek, su buharının tüm yoğunlaşma ürünlerinin (sisin, bulutların, yağışın vb.) kaynağı olmasıdır. Su buharının başka görevleri de vardır. Su buharı, CO2 gibi güneş enerjisinin bir bölümünü ve yerkürenin saldığı uzun dalga boylu ışınımı (ısı enerjisini) emme yeteneğine sahiptir. O yüzden, su buharı da CO2 gibi ışınımsal olarak etkili bir sera gazıdır ve atmosferin ısınma sürecinin anlaşılmasındaki rolü çok önemlidir. Su bir durumdan ya da fazdan (evreden) öteki faza geçtiği zaman (örneğin sıvı sudan su buharına ya da buza), ısı emer ya da ısı salar. Bu enerji, gizli ısı olarak adlandırılır. Evre (durum) değişikliğinin çeşidine bağlı olarak, örneğin buharlaşma sırasında alınan ısı buharlaşma gizli ısısı, yoğunlaşma sırasında salınan ise yoğunlaşma gizli ısısı olarak adlandırılır. 

Tablo 1: Su buharı içermeyen havanın (kuru hava) kimyasal bileşimi ve gaz birikimleri (Türkeş 2017’ye göre güncellendi). 

(*) Bir arada değerlendirildiklerinde, gazların atmosferdeki birikimleri, milyon hacimde kısım (ppmv), başka bir söyleyişle milyonda birim olarak gösterilir. Burada gazın niceliksel değeri, 1 milyon üyeden oluşan bir kuru hava örneğine dayandırılarak açıklanır. Örneğin, CO2 birikiminin 413 ppmv (kısaca ppm) olması, bu sera gazının bir milyon gaz molekülü içeren kuru hava hacminde 413 molekül birikimine sahip olduğunu gösterir. 413 ppm yüzde cinsinden %0.0413 olarak gösterilebilir. 

Kitabın sonraki bölümlerinde göreceğimiz gibi, atmosferdeki su buharı, gizli ısıyı bir bölgeden bir başka bölgeye taşır. Gizli ısının taşınması ise, gök gürültülü fırtınalar, süper hücre fırtınaları ya da hortumlar ve tropikal siklonlar vb. gibi şiddetli hava olaylarının ve fırtınaların oluşmasına yardım eden ana enerji kaynağıdır. 

Tablo 2: Atmosferdeki başlıca sera gazlarının ve uçucu parçacıkların kaynakları ve yutakları (Türkeş, 2017). 

1.2. Karbondioksit 

İnsan etkinliklerinin doğrudan etkisi altında bulunan en önemli sera gazı karbondioksittir. CO2’nin bir başka özelliği yerküre sisteminin her yerinde bulunmasıdır. Öte yandan karbondioksit, yerküre sisteminin edilgen bir unsuru olarak değil, tersine biyosferi olduğu kadar okyanusları ve atmosferi de içeren karbon döngüsü evriminin tamamlayıcı bir parçası olarak kabul edilmelidir. Karbondioksit temel olarak, fosil yakıt yanması, sanayi süreçleri, biyosferde bitki solunumu ve organik madde ayrışması ile okyanuslarda fizikokimyasal süreçler yoluyla üretilmekte (kaynaklar), biyosferde fotosentez ve okyanuslarda fizikokimyasal süreçlerle tüketilmektedir (yutaklar) (Tablo 2; Şekil 3). 

Atmosferdeki birikimi çok küçük olmasına karşın, CO2 (Tablo1) yerkürenin saldığı uzun dalga boylu enerjiyi etkili bir biçimde emdiği (soğurduğu) ve bu nedenle de atmosferin ısınmasını sağladığı için, iklim ve atmosfer bilimciler açısından çok önemli ve dikkat çekici bir gazdır. Özellikle atmosferdeki birikiminin büyüklüğü, artış hızı, 50-200 yıl arasında değişen yaşam süresi ve giden uzun dalga boylu (GUDB) kızılötesi yer ışınımının büyük bölümünü emme özelliği dikkate alındığında, CO2’nin önemi daha iyi anlaşılır. Gerçekte CO2’nin atmosferdeki oranı fazla değişken olmamakla birlikte (dağılışı oldukça türdeş), bu oran Sanayi Devrimi’nden (genel olarak kabul edilen başlangıç yılı 1760, dönemi 1760-1840) beri yaklaşık 250 yıldır sürekli yükselmektedir (Şekil 1a). 

Şekil 2: Atmosferdeki CO2 birikiminin 1958-2020 yılları arasındaki aylık değişimleri ve uzun süreli eğilimi [1]. 

Büyük Hawaii adasında Mauna Loa volkanı üzerinde bulunan Mauna Loa Gözlemevi’nde 1958 yılından beri yapılmakta olan güncel aletli CO2 ölçümleri de yerküre atmosferindeki CO2 birikiminin hızlı bir biçimde arttığını göstermektedir. Mauna Loa’da ölçülen aylık ortalama CO2 zaman dizileri incelendiğinde, sanayi öncesinde yaklaşık 280 ppmv (milyon hacimde bir molekül ya da milyonda bir parçacık) ve 1958 yılında yaklaşık 315 ppmv olan atmosferdeki yıllık ortalama CO2 birikimi, 2020’de 414 ppmv’ye ulaştı (Şekil 2). Atmosferdeki CO2 birikiminin günümüzdeki düzeyi, geçmiş yaklaşık 700 bin yıllık kayıttaki doğal CO2 birikimi değişimlerinin (yaklaşık 180-300 ppmv arasında değişmiş) çok üzerindedir. CO2’deki bu artış, temel olarak fosil yakıtların (petrol, kömür, doğal gaz, vb.) sürekli artan bir oranda yakılması ve sanayi süreçleri ile büyük ölçekli arazi kullanımı değişiklikleri ve ormansızlaştırmayla açıklanır (Şekil 3). Karbondioksit tek başına küresel insan kaynaklı sera gazı salımlarının %76’sından sorumludur.

Şekil 3: Gazlara göre 2018 yılı sera gazı salımlarının payları (%) (IPCC, 2014).

Sözü edilen bu ek CO2’nin çoğu okyanus sularında emilir ya da fotosentez sırasında bitkilerce kullanılır. Yine de insan kaynaklı CO2 salımlarının yaklaşık yarısı atmosferde kalır. Sera gazı birikimlerindeki bu artışlar, yerkürenin GUDB kızılötesi ışınım yoluyla soğuma etkinliğini zayıflatarak, onu daha fazla ısıtma eğilimindeki bir pozitif ışınımsal zorlamanın oluşmasını sağlar. Bu yüzden, Yerküre/atmosfer ortak sisteminin enerji dengesine yapılan pozitif katkı, kuvvetlenen sera etkisi olarak adlandırılır (Türkeş, 2010; 2017). Bu ise, yerküre atmosferindeki doğal sera gazları (su buharı, CO2, CH4, N2O ve O3) sayesinde yüz milyonlarca yıldan beri çalışan bir küresel düzenek olan doğal sera etkisinin kuvvetlenmesi anlamını taşır. 

Şekil 4: Yıllık küresel karbon döngüsü ve insan kaynaklı sera gazı salımlarının 1990’lı yıllarda küresel karbon dengesinde yaptığı değişiklikler (Ochsner 1998 ve Türkeş 2010’e göre yeniden düzenlendi ve çizildi). Birimler milyar ton karbon (MtC) olarak verilmiştir. 1 birim C ~ 3.7 birim CO2’ye eşit olduğuna göre, bu katsayıdan yararlanarak, C birimleri CO2’ye dönüştürülebilir.

Küresel hesaplamalara göre, atmosfere salınan insan kaynaklı sera gazları nedeniyle, küresel karbon dengesi artık denk kapanmamaktadır (Şekil 4). Küresel karbon döngüsünün normal akılarına ek olarak, çoğunlukla arazi kullanımı değişiklikleri ve ormansızlaştırma yoluyla net vejetasyon bozulmasından yaklaşık 1.5 Mt ve fosil yakıt yanmasından yaklaşık 6.0 Mt olmak üzere, her yıl toplam 7.5 Mt dolayındaki karbon (C) atmosfere salınmaktadır. Küresel karbon döngüsünün iki büyük ana bileşenini oluşturan karasal ekosistemler (ormanları da içeren tüm kara bitkileri ve topraklar) ve okyanuslar, toplam tutarın yaklaşık 4.5 MtC’lik bölümünü tutar (Şekil 4). Karasal ekosistemlerin (biyotop ya da biyomlar) fotosentez ve okyanusların fitoplanktonlar yoluyla atmosferden uzaklaştırdığı karbon tutarı atmosfere salınan antropojen (insan) kökenli toplam 7.5 MtC tutarından çıkarıldığında, her yıl insan kaynaklı net 3.0 MtC’nin atmosferde kaldığı bulunur. Bu yüzden, insan kaynaklı iklim değişikliğini önleyebilmenin odak noktasını, atmosfere salınan sera gazı salımlarını sınırlandırma ve/ya da azaltmanın yanı sıra, her yıl atmosferde kalan yaklaşık 3.0 MtC’lik fazla karbonun çeşitli yutaklar aracılığıyla atmosferden uzaklaştırılması ve haznelerde biriktirilmesi çabaları oluşturur. 

Bu kapsamda, dolotaşı (dolomit) ve kireçtaşı (kalker) gibi kimyasal ve biyokimyasal kökenli çeşitli çökelti kayaçlarının ve suların içindeki karbonat döngüsünün de karbon döngüsü üzerinde düzenleyici bir rol oynadığı bilinmektedir. Gerçekte, okyanuslar ve kayaç döngüsü, yerkürenin jeolojik geçmişi boyunca CO2 için önemli bir yutak görevi üstlenmiştir. Karbondioksitin, ormansızlaşma ve orman arazilerinin tarım arazilerine dönüştürülmesi şeklindeki biyolojik kaynakları ile iklim değişikliği üzerindeki etkileri konularındaki belirsizlikler, endüstriyel CO2 yutakları içinde geçerlidir. 

Çeşitli sera gazı salım senaryolarına dayanan CO2 projeksiyonları (kestirimleri), 20. yüzyılın hemen başlarındaki CO2 düzeylerinin 21. yüzyılın ikinci yarısında yaklaşık ikiye katlanacağını gösterir. Atmosferde giderek artan CO2 birikiminin ise, öteki sera gazlarındaki artış eğilimleriyle birlikte, alt atmosferde (troposferde) bir ısınmaya neden olarak, küresel iklim değişikliğini tetikleyeceği ve hızlandıracağı konusunda atmosfer ve iklim bilimcilerin çoğu uzlaşmış durumdadır. Bu olgu, doğal sera etkisinin kuvvetlenmesi ve insan kaynaklı iklim değişikliği olarak adlandırılır. 

Tablo 3: Atmosferdeki önemli sera gazı birikimlerinin stabilizasyonu (IPCC, 1990). 

Bu yüzden, atmosferdeki insan kaynaklı sera gazlarının (GHG) tutarlarının, bu gazları günümüz birikim düzeylerinde tutmak (stabilizasyon) amacıyla azaltılması gerekir (Tablo 3). Atmosferik stabilizasyon terimi, çoğu kez sera gazı birikimlerini belirli bir düzeyde durdurma ya da sınırlama anlamında kullanılır. Bu gazların her birinde sağlanabilecek olan durdurma ise, iklim sistemi üzerinde farklı etkilere sahiptir ve bu durum yüksek olasılıkla gelecekte de böyle olacaktır. Tablo 3’ten görüleceği gibi, örneğin CO2 birikimlerini 1990 düzeyinde durdurabilmek için ya CO2 salımları 1990’lı yıllarda %60’dan fazla azaltılmalıydı ya da 1990 yılından sonraki her yıl %2 oranında bir azaltmanın yapılması gerekiyordu. 

Gerçekte, bugüne değin söz konusu öngörü ve beklentilerin hiçbirisi, ne Birleşmiş Milletler İklim Değişikliği Çerçeve Sözleşmesi (BMİDÇS) ve Kyoto Protokolü kapsamında gerçekleştirilebilmiştir, ne de bunu Hükümetlerarası İklim Değişikliği Paneli (IPCC) 1.5 ºC Küresel Isınma Özel Raporu’na (IPCC ÖR1.5°C, 2018) göre Paris Antlaşması gerçekleştirebilecektir. IPCC ÖR1.5°C, Paris Antlaşması’nın hedeflerinden birisi olan küresel ısınma düzeyini 1.5 °C’de sınırlandırmanın ya da 2 °C’nin altında tutmanın hala olanaklı olduğunu vurgulamaktadır. Ancak örneğin küresel ısınma düzeyini 1.5 °C’de sınırlandırmak için, 2030 yılına kadar 2010 yılına göre insan kaynaklı CO2 salımlarının mutlaka %45 oranında azaltılması ve 2050 yılına değin net sıfır salıma düşülmesi gerekmektedir. Bu ise, ancak enerji, sanayi, tarım, konut, ulaştırmadan kaynaklanan CO2 salımlarının 2050 yılına gelindiğinde 2010 yılına göre %75-90 oranında azaltılmış olması anlamına gelmektedir. 

Güncel küresel GHG salımlarına ve Paris Antlaşması kapsamında ülkelerin BM’ye sunduğu Ulusal Olarak Belirlenmiş Katkıları (NDCler) ya da “Niyet Beyanları”na baktığımızda, bu küresel ısınma düzeyinin başarılamayacağı açıkça görülüyor. 1.5 °C küresel ısınma yolunu izlemek (ya da 1.5 °C’lik bir sıcaklık artışı) için, 2016 yılında yaklaşık 52 Milyar Ton CO2 eşdeğer / yıl (MtCO2e / yıl) düzeyinde olduğu kestirilen küresel GHG salımlarını 2030 yılında 25-30 GtCO2e ile sınırlandırmış olmak gerekir. NDClere göre kestirilen koşulsuz 52-58 (ya da koşullu 50-54) GtCO2e hedefleri ise, ‘25-30 GtCO2e sınırlandırma’ya göre çok daha yüksektir. Başka bir deyişle Paris Antlaşması kapsamında ülkelerin sunmuş oldukları bugünkü NDClerle küresel ısınmayı ne 2030 yılına ne de yüzyılın sonuna kadar 1.5 °C’de sınırlandırmak olanaklıdır. 

1.3. Metan 

Metanın (CH4) çok sayıda doğal ve antropojen kaynağı vardır. Metan, oksijensiz (anaerobik) koşullar altında ayrışma ya da çürüme (dekompozisyon) yoluyla açığa çıkar. Başlıca CH4 kaynakları, çeltik tarımı, sulak alanlar, yabani ve evcil hayvanlar (özellikle antilop, manda ve sığırların mide fermantasyonu), beyaz karıncalar, doğal gaz ve kömür işletmeciliği, biyokütle yanması ve kentsel çöplerin biriktirildiği arazi dolgularıdır. 

Günümüzde (2011) atmosferdeki metan birikimi, sanayi öncesi değerinin 2.5 katını aşarak 1803 ± 4 ppbv’ye ulaşmıştır (Şekil 1b) ve her yıl yaklaşık olarak %1 oranında artmaktadır. Bu artışın bir bölümü, çiftlik hayvancılığının, özellikle sığır yetiştiriciliğinin yaygınlaşması ve çeltik tarımındaki artışlarla, doğal gaz kaçakları ve çöp biriktirme alanları gibi antropojen kaynaklardaki artışlara bağlanmaktadır. 

Metan atmosferden kimyasal süreçlerle uzaklaştırılır. Ana yutak, hidroksil radikal (OH) ile olan reaksiyondur. Atmosferdeki OH birikimi, CH4, karbonmonoksit (CO), metan dışı öteki hidrokarbonlar, azot oksitleri (NOx) ve troposferik ozonu (O3) içeren karmaşık bir fotokimyasal tepkime dizisiyle denetlenir. Bu yüzden, bazı çalışmalarda genel olarak sera gazlarının atmosferdeki artışı karşısında OH birikiminde beklenen azalmaya bağlı olarak, söz konusu yutak etkisinin 20. yüzyıl boyunca azalmış olabileceği belirtilmiştir. Metanın atmosferdeki yaşam ömrü 11 yıl olarak öngörülmüştür. Bu süre, öteki sera gazlarının yaşam ömürleriyle karşılaştırıldığında görece kısadır. Örneğin, metan salımlarını 1990 düzeyinde tutmak ya da durdurmak için insan kaynaklı küresel salımlarda ivedilikle %15-20 oranında bir azaltmanın gerekli olduğu önerilmiştir. 

Doğal kaynaklardan çıkan metan salımlarındaki değişimler de iklimin değişmesinde etkili olabilir. Tropikal sulak alanlardaki ve çeltik tarlalarındaki CH4 üretimi, toprak nemine ve bu nedenle de buharlaşmadaki ve yağıştaki değişikliklere bağlıdır. Ancak, sözü edilen bu değişikliklerin boyutu ve belirtileri henüz iyi bilinmemektedir. Bunun dışında, yüksek kuzey enlemlerdeki sürekli donmuş ve yarı donmuş toprakların çözülmesi, bu arazilerde tutulmuş olan metan gazının salınmasına yol açabilir. Küresel ısınmanın gerçekleşmesi durumunda, bu yolla önemli ölçüde ek metan salımı da üretilebilir. Bu kaynağın büyüklüğünü kestirmek de zordur. 

1.4. Diazotmonoksit 

Diazotmonoksit (N2O) çeşitli biyolojik kaynaklar tarafından üretilmektedir. Toprak ana kaynaktır; öteki önemli kaynak ise okyanuslardır. Salımların, özellikle topraktan kaynaklanan salımların nicel bir değerlendirmesini yapmak, sürecin karmaşıklığı (örn. N2O hem toprakta üretilmekte hem de toprakta bozulabilmektedir) ve gözlemsel verilerin azlığı gibi koşullar yüzünden zordur. Yine de küresel N2O salımlarının yaklaşık %90’ının topraktan kaynaklandığı öngörülür. 

Günümüzde (2011) atmosferdeki diazotmonoksit (N2O) birikimi, küresel ortalama 324 ± 1 ppbv değeri ile sanayi öncesi dönemden yaklaşık olarak %17 oranında daha yüksektir (Şekil 1c). Atmosferdeki N2O artışından sorumlu olduğu düşünülen temel süreçler, azot ve amonyum gübrelerinin uygulanması sonucunda toprakta N2O üretimi ve daha az önemli olmakla birlikte, fosil yakıt tüketimi ve biyokütle yakılmasıdır.

Diazotmonoksit için ana atmosferik yutak ise, atmosferdeki fotokimyasal bozulmadır. Bu gazın atmosferdeki yaşam ömrü, yaklaşık 150 yıl olarak öngörülmüştür. Uzun dalga boylu yer ışınımının bazı dalga boyu aralıkları için etkili bir emici olduğu ve atmosferde çok uzun süre kalabildiği için, N2O’nun küresel ısınma üzerindeki potansiyel katkısı büyüktür. Atmosferdeki N2O birikimlerini 1990 yılı düzeyinde tutabilmek için, 1990 sonrası N2O salımlarında ivedilikle %70-80 dolayında bir azaltma yapılmasının gerekli olduğu belirlenmiştir. 

1.5. Kloroflorokarbonlar 

Stratosferdeki ozonun bozulmasına yol açarak ozon tabakasını incelten klorofluorokarbonlar (CFC’ler), aynı zamanda önemli sera gazlarının arasında yer alır. Tümü insan kaynaklı olan CFC’lerin en önemlileri, CFC-11, CFC-12, CFC-113 ve HCFC-22 maddeleridir. Başlıca kullanım alanları, aerosol püskürtücü, köpük sıkıcı, soğutucu ve solvent gibi alet ve maddelerdir. CFC’ler, başka nedenlerin yanı sıra kimyasal olarak etkin olmadıkları ve kararlı oldukları için insanoğlu tarafından yaygın olarak kullanılmıştır. Kloroflorokarbonların bu özellikleri onlara, bir kere atmosfere salındıklarında bozulmaya karşı direnç kazandırır. CFC’leri atmosferden uzaklaştıracak tek önemli işlem, stratosferdeki fotokimyasal bozulmadır; ancak bu süreç yavaş işlemektedir. CFC-11 ve CFC- 12’nin yaşam süreleri, sırasıyla 65 ve 130 yıldır. Öteki CFC’ler de bunlara yakın ya da daha uzun yaşam sürelerine sahiptir. 

Atmosferdeki CFC’lerin ve hidro-klorofluorokarbonların birikimi, bu maddelerin kullanımının artmaya başladığı 1960’lu yıllarla birlikte hızlı bir artış göstermiştir. CFC’lerdeki yıllık artış oranı, 1990’lara kadar öteki sera gazlarının artış oranlarından daha fazla olmakla birlikte, kullanımlarının küresel ölçekte gerçekleştirilen sınırlandırmaları sonucunda, atmosferdeki birikimleri 1995 yılından sonra görece azalmaya başlamıştır. Bu gazların atmosferdeki birikimleri, çoğunlukla 2000’li yıllarla birlikte önemli bir değişim göstermeden ya da çok az azalarak varlıklarını sürdürmektedir. 

Kloroflorokarbonların ozon katmanı üzerindeki zararlı ya da bozucu etkisinin yaygın bir kabul görmesi sonucunda, önce 1985 yılında “Ozon Tabakasının Korunmasına İlişkin Viyana Sözleşmesi”, ardından 1987 yılında “Ozon Tabakasını İncelten Maddelere İlişkin Montreal Protokolü çok sayıda hükümet tarafından imzalanmış ve taraf olunmuştur. Montreal Protokolü ile çok sayıda CFC’nin üretimini azaltmaya ve dondurmaya yönelik önlemler ve yükümlülükler konusunda anlaşmaya varılmıştır. Montreal Protokolü’ne taraf olan ülkelerin sürdürmekte oldukları görüşmelerde, CFC ve halonların salımlarını gelecekte önemli ölçüde azaltacak ya da tümüyle durduracak daha etkili önlemlerin üzerinde durulmuştur; bunda başarılı olunmaya da başlanmıştır. Bunun yanında, başlangıçtaki listeye yeni maddeler eklenmektedir. Ancak, Montreal Protokolü’nde üzerinde anlaşmaya varılan tüm yükümlülükler gerçekleştirilse bile, bu maddelerin atmosferdeki yaşam süreleri oldukça uzun olduğu için, CFC’lerin atmosferdeki birikimleri en azından 21. yüzyılda da yüksek olabilecektir. 

1.6. Aerosoller 

Atmosfer hareketleri, büyük tutarlarda katı ve sıvı parçacığı havada asılı tutmaya yetecek düzeydedir. Havadaki görünür tozlar (örn. özellikle sıcak çöllerden kaynaklanan toz bulutları), bazen gökyüzünü kapatmasına ya da bulutlandırmasına karşın, bu parçalar havada uzun süre kalabilmeleri açısından oldukça ağırdır. Yine de bu parçacıkların çoğu mikroskobik özelliktedir ve önemli bir hava olayı dönemi boyunca havada asılı kalabilir. Havada asılı küçük parçacıklar (aerosoller), doğal ve insan kökenli birçok kaynaktan gelmektedirler. Bunlar, orman yangınlarından ve fosil yakıtların yakılmasından kaynaklanan is ve dumanı (karbon), termik santrallerin ve çimento fabrikalarının bacalarından salınan partikülleri, dalga kırılmasından kaynaklanan tuzları, havaya uçan ince toprağı, rüzgârın havaya kaldırdığı polen ve mikro organizmaları, volkanik püskürmelerden kaynaklanan volkanik kül ve tozu içerir. 

Aerosoller, birincil kaynaklarına yakın alt atmosferde daha fazla bulunur. Ancak, yüksek atmosferde de aerosoller bulunur. Bunun nedeni, bazı tozların, yükselen hava akımları sonucunda atmosferin yukarılarına kadar taşınmasıdır. Meteoritlerin (göktaşlarının) atmosfere girerek parçalanmasıyla oluşan öteki parçacıklarsa, atmosferdeki aerosol tutarına katkı sağlar. Bu ince ve çoğunlukla görünmez parçacıklar klimatolojik ve meteorolojik açıdan önemlidir. Öncelikle, havada asılı durabilen ve atmosfer hareketleri ile taşınabilen bu parçacıkların çoğu, üzerinde su buharının yoğunlaşabildiği yüzeyler yani yoğunlaşma çekirdekleri olarak görev yaparlar. Bu özellik, bulut ve sislerin oluşumu açısından önemli bir işlevdir. Toz ve benzeri parçacıkların bu özelliğine, yoğunlaşma çekirdeği adı verilir. İkincisi, aerosoller, gelen güneş radyasyonunu emebilirler ya da yansıtırlar. Bu nedenle, hava kirliliğinin oluştuğu dönemlerde ya da volkanik püskürmeler sonrasında küllerin gökyüzünü kapladığı zamanlarda, yeryüzüne ulaşan güneş ışığı belirgin olarak azalabilir. Son olarak, gün doğumu ve gün batımında gözlenen, kırmızı ve turuncunun çeşitli tonlarıyla görünen bir optik olayın oluşumuna da katkı sağlar. 

2. Sera Gazlarının Küresel Isınma Potansiyeli 

İnsan kaynaklı iklim değişikliği ve küresel ısınma kapsamında bilinmesi gereken bir başka önemli kavram küresel ısınma potansiyelidir (GWP). Bir sera gazının küresel ısınma potansiyeli, karbondioksite oranla ya da karbondioksitle karşılaştırıldığında, o gazın belirli bir sürede atmosferde görece daha fazla (ekstra) ısı enerjisi emme yeteneğidir. GWP çoğunlukla 100 yıllık bir dönem için hesaplanır ve bu nedenle de 100 yıllık GWP olarak adlandırılır (Tablo 4). 

GWP iki etmene yakından bağlıdır. Bunlardan birincisi, söz konusu sera gazı atmosferdeyken ısı emmede ne kadar etkilidir? Diğeriyse, bir sera gazı molekülü atmosferde bozuluncaya ve/ ya da çeşitli düzenekler yoluyla uzaklaştırılıp yutaklarda tutuluncaya ya da biriktirilinceye kadar atmosferde ne kadar süre kalır? Örneğin metan molekülü ortalama olarak yaklaşık 12 yıllık bir sürede oldukça hızlı bir biçimde atmosferde bozulur, yok olur. Öte yandan, metan, CO2’den daha etkili bir biçimde ısı enerjisi emer ve ortalama koşullarda metanın daha uzun bir yaşam ömrü vardır. 

GWP ayrıca şu sorunun yanıtını vermemizi kolaylaştırır ve/ya da sağlar. Eğer bir sera gazı (ör. CO2, CH4, N2O, vb.) belirli bir ısı tutarını emerse, aynı tutarda enerjiyi ne kadarlık bir CO2 tutarı emer? Örneğin, metan molekülünün 100 yıllık GWP 25’dir (Tablo 4). Bu yüzden, eğer atmosfere 1 ton tutarında metan gazı salınırsa, bu tutardaki metan 25 ton tutarındaki CO2’nin yarattığı ile aynı düzeydeki bir ısınmaya yol açar. Bu durum, örneğin metan açısından 25 ton CO2 eşdeğer (CO2e) olarak da açıklanır. 

GWP gibi tüm sera gazları için geliştirilmiş olan bir ortak ölçek, farklı insan etkinlikleri ve sektörlerden kaynaklanan sera gazı salımları arasında nesnel bir karşılaştırma olanağı vermektedir. Bu olanak çeşitli sera gazlarının salım düzeylerini azaltmaya yönelik ne kadar çaba gösterilmesi gerektiğine olabildiğince nesnel olarak karar vermeyi de kolaylaştırır. Ayrıca, salım azaltma stratejilerine ilişkin olarak, ekonomik etkileri en aza indirirken farklı sera gazlarına ilişkin hedeflerin belirlenmesini de sağlar.

Tablo 4: IPCC 4. Değerlendirme Raporu’na (IPCC, 2007) göre bazı sera gazlarının 100 yıllık küresel ısınma potansiyeli değerleri. 

3. Doğal Sera Etkisi 

İklim sistemi için önemli olan doğal etmenlerin başında sera etkisi gelir (Şekil 5). Bitki seraları GKDB güneş ışınımını geçirmekte, buna karşılık salınan GUDB yer ışınımının büyük bölümünün kaçmasına engel olmaktadır. Sera içinde tutulan kızılötesi ışınım, seranın ısınmasını sağlayarak, hassas ya da ticari değeri bulunan bitkiler için uygun bir yetişme ortamı oluşturur. Atmosfer de benzer bir davranış sergiler. Sera etkisi sadeleştirilerek açıklanabilir: Bulutsuz ve açık bir havada, kısa dalga boylu güneş ışınımının önemli bir bölümü atmosferi geçerek yeryüzüne ulaşır ve orada emilir. Ancak, yeryüzünden salınan kızılötesi ışınımının bir bölümü, uzaya kaçmadan, çoğunlukla troposferde bulunan çok sayıdaki ışınımsal olarak etkin eser gazlar (sera gazları) tarafından emilir ve sonra tekrar salınır. Doğal sera gazlarının en önemlileri, başta en büyük katkıyı sağlayan H2O olmak üzere, CO2, CH4, N2O ve O3 gazlarıdır. 

Yerkürenin sıcaklık dengesinin kuruluşundaki en önemli süreç olan doğal sera etkisinin oluşumu atmosferin GKDB güneş ışınımını geçirme, buna karşılık GUDB yer ışınımını tutma eğiliminde olmasına bağlıdır (Şekil 5). Enerji akılarının nicelikleri dikkate alındığında, gelen güneş ışınımının (342 W m-2) yaklaşık %31’i (107 W m-2) yüzeyden, atmosferdeki aerosollerden ve bulut tepelerinden yansıyarak uzaya geri döndüğü görülür (Şekil 5). Bu yüzden, yerkürenin ortalama albedosu yaklaşık %31 ve sisteme giren güneş ışınımı net olarak %69’dur (235 W m-2). Gelen net güneş ışınımının, yaklaşık üçte ikisi (168 W m-2) yüzey ve üçte biri (67 W m-2) atmosferce emilir. Güneş enerjisinin yerküre-atmosfer birleşik sisteminde tutulan bu %69’luk bölümü, küresel iklim sistemini oluşturan ana bileşenlerce (atmosfer, hidrosfer, litosfer ve biyosfer) emilir ve onların ısınmasını sağlar. 

Şekil 5: Sera etkisinin şematik gösterimi (Türkeş, 2010). Yerkürenin sıcaklık dengesinin kuruluşundaki en önemli süreç olan doğal sera etkisi, temel olarak, atmosferin yüksek enerjili kısa dalga boylu Güneş ışınımını geçirme, buna karşılık düşük enerjili uzun dalga boylu yer ışınımını tutma eğiliminde olması nedeniyle oluşur.

Yeryüzünde ve atmosferde tutulan enerji, atmosfer ve okyanus dolaşımıyla yeryüzüne dağıtılır ve UDB yer ışınımı olarak atmosfere geri verilir. GUDB kızıl ötesi ışınımın önemli bir bölümü, sera gazlarınca ve bulutlarca emilir ve yeniden salınır. Sonuç olarak, güneş ışınımının net girdisi (235 W/ m2), kızılötesi yer ışınımının net çıktısı (235 W/m2) ile dengelenir (Şekil 5). Yeryüzü, sera etkisi sayesinde, bu sürecin bulunmadığı ortam koşullarına göre yaklaşık 33 °C daha sıcaktır. Bu noktada şu soruları sorabiliriz. Bu olgu önemli midir ve ne anlama gelmektedir? Fizik yasalarına göre sera etkisi olmasaydı yerkürenin salım sıcaklığı –18 °C olurdu. Gerçekte yeryüzünün ortalama sıcaklığı yaklaşık 15 °C’dir. Başka bir deyişle, sera etkisi sayesinde yerkürenin ortalama yüzey hava sıcaklığı sera etkisinin bulunmadığı koşullara oranla yaklaşık 33 °C daha yüksektir. Bu açıklamalar çerçevesinde, sera etkisi, atmosferdeki gazların gelen güneş ışınımına karşı geçirgen, buna karşılık geri salınan uzun dalga boylu yer ışınımına karşı çok daha az geçirgen olması nedeniyle, yerkürenin beklenenden daha fazla ısınmasını sağlayan ve ısı dengesini düzenleyen doğal süreç olarak tanımlanabilir. 

Yerkürede, bilimsel ilkeler ışığında, doğal sera etkisinin işleyişine ilişkin birçok kanıt bulunmaktadır: 

Bunların birincisi; eğer atmosferde doğal sera gazları bulunmasaydı, yerkürenin GKDB güneş ışınımını yansıtma özelliğinin değişmediği kabul edildiğinde, yeryüzünün sıcaklığı (salım sıcaklığı) bugünküne göre yaklaşık 33 °C daha soğuk yani -18 °C olurdu. Sera gazlarının bu etkisi, yeryüzünden ve atmosferden salınan GUDB kızılötesi ışınıma ilişkin olarak son yıllarda yapılan uydu gözlemleriyle de kanıtlanmıştır.

Şekil 6: Antarktika’dan alınan 650 bin yıllık ardışık buz karotu verilerine göre, döteryum (δD) değişimlerinin dolaylı olarak temsil ettiği geçmiş hava sıcaklıklarında atmosferdeki metan, karbondioksit ve diazotmonoksit birikimlerindeki değişimlerle yakından bağlantılı olarak gerçekleşen uzun süreli değişiklikler (Türkeş 2010; Jansen ve ark. 2007’na göre yeniden düzenlendi).

İkincisi; Yerküre, Venüs ve Mars’ın atmosfer bileşimlerinin çok farklı olduğu bilinmektedir ve bu gezegenlerin yüzey sıcaklıkları genel olarak sera etkisi kuramıyla açıklanmaktadır. 

Üçüncüsü; yaşlandırmaları günümüzden 650 bin yıl öncesine uzanan buz örneklerinden elde edilen dolaylı iklim kayıtlarına göre, yerkürenin sıcaklığının atmosferdeki diazotmonoksit, metan ve karbondioksit birikimleri ile yakından bağlantılı olarak değişmiş ve değişmekte olduğudur (Şekil 6). Örneğin, Antarktika buzulundan alınan buz örnekleri içinde hapsolmuş havanın çözümlemeleri, atmosferdeki CH4, CO2 ve N2O birikimlerinin Kuvaterner’in son 650 bin yıllık dönemi boyunca yerel sıcaklık koşulları için iyi bir dolaylı kayıt ve gösterge olan döteryum değişimleriyle ve buna bağlı olarak da buzul ve buzularası çağlarla uyum içinde olabildiğini göstermiştir (Şekil 6). Şekildeki gri gölgeli kuşaklar, 650 bin yıllık dönemde oluşan önceki ve en sonuncu (Holosen) buzularası sıcak dönemleri gösterir. Daha pozitif döteryum değerlerine karşılık gelen bu sıcak dönemlerin arasında ise, daha negatif döteryum değerlerinin egemen olduğu uzun ve belirgin buzul çağları yer alır. Nedenler ve etkiler konusundaki ayrıntılar bilinmemesine karşın, hesaplamalar sera gazlarındaki değişikliklerin dönemsel olduğunu, bunun da buzul ve buzularası çağları arasında gerçekleşen önemli sıcaklık salınımlarını olasılıkla denetlemiş olduğunu göstermektedir. 

4. Kuvvetlenen Sera Etkisi ve Küresel IsInma 

Atmosferdeki insan kaynaklı sera gazı birikimlerinde Sanayi Devrimi’nden beri gözlenen artış sürmektedir. Özellikle atmosferdeki birikiminin büyüklüğü, artış hızı ve yaşam süresi ile uzun dalga boylu yer ışınımını kuvvetli emme özelliği dikkate alındığında, öteki sera gazlarına göre CO2’nin önemi daha iyi anlaşılır. 1958 yılından beri yapılmakta olan Mauna Loa ölçümlerine göre, yerküre atmosferindeki CO2 birikimi çok hızlı bir biçimde artmaktadır (bkz. Şekil 1 ve 2). Küresel ölçümler, öteki önemli sera gazlarının atmosferik birikimlerinin de arttığını göstermektedir. 

“Normal koşullarda”, yer/atmosfer sistemine giren GKDB güneş enerjisi ile geri salınan GUDB yer ışınımı ortalama koşullarda dengededir. Güneş ışınımı ile yer ışınımı arasındaki bu dengeyi ya da enerjinin atmosferdeki ve atmosfer ile kara ve okyanus arasındaki dağılışını değiştiren herhangi bir etmen, iklimi de etkileyebilir. Yer/atmosfer sisteminin enerji dengesindeki herhangi bir değişiklik ise ışınımsal zorlama olarak adlandırılır. 

BMİDÇS Kyoto Protokolü (KP) ile denetim altında tutulan sera gazları [CO2, CH4, N2O, hidroflorokarbonlar (HFCler), perflorokarbonlar (PFCler) ve sülfür heksafluorid (SF6)], en önemli ışınımsal zorlama etmenleridir. BMİDÇS ve Kyoto Protokolü’nün içerdiği (insan etkinliklerinden etkilenen ve insan kaynaklı) bu sera gazlarının dışında, stratosferdeki ozon tabakasının incelmesine neden oldukları için, Montreal Protokolü’nce denetlenen CFCler, aerosoller, güneş ışınımı ve albedo değişiklikleri gibi başka ışınımsal zorlama etmenleri de vardır. 

Öte yandan, yerkürenin güneşin çevresinde izlediği yörüngedeki ve kendi eksen eğimindeki yavaş değişimler güneş ışınımının mevsimsel ve enlemsel dağılışını etkilemektedir. Bu yüzden, bazı iklimbilimciler, eskiden beri iklim değişikliklerinin (ör. buzul ve buzularası çağların) oluşmasından, öteki etmenlerin yanı sıra, yerkürenin eksen eğimindeki ve yörüngesinin şeklindeki değişmeleri ya da sapmaları da sorumlu tutmuştur. Tüm bunların yanı sıra, iklimin çok farklı alan ve zaman ölçekleri için geçerli olan kendine özgü bir doğal değişkenliğinin bulunduğu unutulmamalıdır. Yeryüzünün jeolojik geçmişi bunun zengin örnekleriyle doludur. 

Sera gazı birikimlerindeki bu artışlar, yerkürenin uzun dalga boylu ışınım yoluyla soğuma etkinliğini zayıflatarak, onu daha fazla ısıtma eğilimindeki bir pozitif ışınımsal zorlamanın oluşmasını sağlar. Yerküre/ atmosfer ortak sisteminin enerji dengesine yapılan pozitif katkı, kuvvetlenen sera etkisi olarak adlandırılır (Türkeş, 2010). Bu ise, yerküre atmosferindeki doğal sera gazları (su buharı, CO2, CH4, N2O ve O3) yardımıyla yüz milyonlarca yıldan beri çalışmakta olan doğal sera etkisinin kuvvetlenmesi anlamını taşır. 

Bu kapsamda, küresel ısınma, Sanayi Devrimi’nden beri, özellikle fosil yakıtların yakılması, ormansızlaşma, tarımsal etkinlikler ve sanayi süreçleri gibi çeşitli insan etkinlikleri sonucunda atmosfere salınan sera gazlarının atmosferdeki birikimlerindeki hızlı artışa bağlı olarak, şehirleşmenin de katkısıyla doğal sera etkisinin kuvvetlenmesi sonucunda, yeryüzünde ve atmosferin alt katmanlarında saptanan sıcaklık artışı şeklinde tanımlanabilir (Türkeş, 2017). Tanımdan da anlaşılabileceği gibi, insan kaynaklı iklim değişikliğine ve küresel ısınmaya yol açan sera gazları; çoğunlukla fosil yakıtların yakılması (enerji ve çevrim), sanayi (enerji ilişkili; kimyasal süreçler ve çimento üretimi, vb. enerji dışı), ulaştırma, arazi kullanımı değişikliği, atık yönetimi ve tarımsal (enerji ilişkili; anız yakma, çeltik üretimi, hayvancılık ve gübreleme vb. enerji dışı) etkinliklerden kaynaklanır. Kuvvetlenen sera etkisinden kaynaklanan küresel ısınmanın büyüklüğü ise, her sera gazının birikimindeki artışın boyutuna, bu gazların ışınımsal özelliklerine (küresel ısınma potansiyellerine), atmosferik yaşam sürelerine ve atmosferdeki varlıkları sürmekte olan öteki sera gazlarının birikimlerine bağlıdır. 

Kaynakça 

IPCC, 2013a: Annex II: Climate System Scenario Tables [Prather, M., G. Flato, P. Friedlingstein, C. Jones, J.-F. Lamarque, H. Liao and P. Rasch (eds.)]. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. pp. 1395-1445.] 

IPCC, 2013b: Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, 2007 Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor and H.L. Miller (eds.) Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. 

IPCC, 2014: Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Edenhofer, O., R. Pichs-Madruga, Y. Sokona, E. Farahani, S. Kadner, K. Seyboth, A. Adler, I. Baum, S. Brunner, P. Eickemeier, B. Kriemann, J. Savolainen, S. Schlömer, C. von Stechow, T. Zwickel and J.C. Minx (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. 

Jansen, E. et al. 2007. Palaeoclimate. In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the IPCC. Solomon, et al. (eds.): Cambridge University Press, Cambridge and New York. 

Türkeş, M. 2010. Klimatoloji ve Meteoroloji. Birinci Baskı, Kriter Yayınevi – Yayın No. 63, Fiziki Coğrafya Serisi No. 1, ISBN: 978- 605-4613-26-7, 650 + XXII sayfa: İstanbul. 

Türkeş, M. 2017. Genel Klimatoloji: Atmosfer, Hava ve İklimin Temelleri. Gözden Geçirilmiş İkinci Baskı, Kriter Yayınevi Fiziki Coğrafya Serisi No: 4, ISBN: 978-605-9336-28-4, xxiv + 520 sayfa. Kriter Yayınevi, Berdan Matbaası: İstanbul. 

İnternet Kaynakları 

[1] https://scrippsco2.ucsd.edu/ graphics_gallery/mauna_loa_ record/mauna_loa_record.html 

Son Notlar 

* Boğaziçi Üniversitesi, İklim Değişikliği ve Politikaları Uygulama ve Araştırma Merkezi Yönetim Kurulu Üyesi 

Sayı: İktisat ve Toplum Dergisi 129
Sayfa Aralığı: 4-17

Sera etkisine sebep olan faktörler nelerdir?

Sera gazları nelere sebep olur?

Sera etkisinin olumsuz etkileri nelerdir?

Su buharı sera etkisine sebep olur mu?