Các khí nhà kính chính gồm hơi nước, CO₂, mê-tan (CH₄), nitơ oxit (N₂O), ozone và các khí flo hoá. Chúng khác nhau ở ba điểm: mỗi phân tử hấp thụ tia hồng ngoại mạnh đến đâu, tồn tại trong khí quyển bao lâu, và lượng của chúng do cái gì điều khiển. CO₂ ở lại hàng trăm đến hàng nghìn năm; mê-tan mạnh hơn nhiều trên mỗi phân tử nhưng chỉ tồn tại khoảng 12 năm; còn hơi nước nhiều nhất nhưng lại do nhiệt độ quyết định chứ không do phát thải trực tiếp.
Vì sao chỉ một số khí "giữ nhiệt"
Nitơ và oxy chiếm khoảng 99% không khí khô nhưng gần như không hấp thụ tia hồng ngoại. Lý do nằm ở cấu tạo phân tử. Phân tử hai nguyên tử giống nhau như N₂, O₂ dao động mà không làm thay đổi sự phân bố điện tích, nên không "bắt" được bức xạ hồng ngoại. Các phân tử có ba nguyên tử trở lên, hoặc hai nguyên tử khác loại, khi uốn hay co giãn sẽ tạo ra lưỡng cực điện thay đổi, và nhờ đó hấp thụ, phát lại tia hồng ngoại ở những bước sóng nhất định.
Mặt đất được Mặt Trời sưởi bằng ánh sáng nhìn thấy, rồi toả nhiệt ngược lên dưới dạng hồng ngoại. Khí nhà kính hấp thụ một phần tia hồng ngoại đó và phát lại theo mọi hướng, kể cả hướng xuống. Cơ chế cơ bản này đã được trình bày ở bài về hiệu ứng nhà kính; bài này tập trung vào chuyện các khí khác nhau ra sao.
Một điểm cần nhớ: khí nhà kính hấp thụ hồng ngoại, không chặn tia cực tím. Việc chặn tia cực tím là của ozone ở tầng bình lưu.
Bảng so sánh các khí nhà kính chính
| Khí | Nồng độ tiền công nghiệp | Nồng độ gần đây | Thời gian tồn tại | GWP-100 (IPCC AR6) |
|---|---|---|---|---|
| CO₂ | ~280 ppm | ~420–425 ppm (tính tới 2024) | Không có một con số; một phần còn lại hàng nghìn năm | 1 (chuẩn so sánh) |
| Mê-tan (CH₄) | ~0,7 ppm (khoảng 720–730 ppb) | ~1,9 ppm (hơn 1.900 ppb, tính tới 2023–2024) | ~12 năm | ~27–30 |
| Nitơ oxit (N₂O) | ~270 ppb | ~336–338 ppb (tính tới 2023–2024) | ~110 năm | ~273 |
| Hơi nước | thay đổi 0–4% | thay đổi theo nhiệt độ | khoảng 9–10 ngày | không tính GWP (là phản hồi) |
GWP-100 (tiềm năng làm nóng toàn cầu trong 100 năm) so sánh tác dụng làm nóng của 1 kg khí với 1 kg CO₂ trong một thế kỷ. Mê-tan có GWP-100 khoảng 27–30, nhưng nếu tính trong 20 năm thì lên khoảng 80, vì mê-tan làm nóng rất mạnh nhưng mất đi nhanh. Chọn khung thời gian nào là lựa chọn quy ước, không có đáp án "đúng duy nhất".
CO₂: không mạnh nhất, nhưng ở lâu và nhiều nhất
Tính trên mỗi phân tử, CO₂ là khí nhà kính khá "yếu" so với mê-tan hay N₂O. Nhưng nó có hai lợi thế: lượng lớn và tồn tại rất lâu. CO₂ hấp thụ mạnh quanh bước sóng 15 micromet, đúng vùng mặt đất toả nhiệt nhiều.
CO₂ không có một "tuổi thọ" duy nhất vì nó không bị phá huỷ hoá học trong khí quyển mà chuyển qua lại giữa không khí, đại dương, sinh quyển và đá. Sau khi phát thải một lượng lớn, phần nhiều được đại dương và cây cối hút trong vài thập kỷ đến vài thế kỷ, nhưng khoảng 15–40% (tuỳ mô hình và quy mô phát thải) vẫn còn trong khí quyển sau một nghìn năm. Phần cuối cùng chỉ được loại bỏ qua quá trình phong hoá đá, kéo dài hàng chục nghìn năm.
Theo IPCC AR6, CO₂ đóng góp phần lớn nhất vào cưỡng bức bức xạ do con người gây ra, khoảng 2,2 W/m² tính tới năm 2019 so với năm 1750.
Mê-tan: mạnh, ngắn hạn và nhiều nguồn
Mê-tan là thành phần chính của khí thiên nhiên. Khoảng 60% lượng mê-tan phát thải hiện nay được cho là liên quan tới hoạt động con người: chăn nuôi gia súc nhai lại (bò, trâu, dê, cừu ợ ra mê-tan từ quá trình lên men trong dạ cỏ), ruộng lúa ngập nước, bãi rác, khai thác than, dầu khí. Nguồn tự nhiên lớn nhất là đầm lầy.
Mê-tan bị phá chủ yếu bởi gốc hydroxyl (OH) trong tầng đối lưu, nên chỉ tồn tại khoảng 12 năm. Điều này có hai mặt: nếu giảm phát thải mê-tan, nồng độ sẽ giảm khá nhanh và tác dụng làm nóng giảm theo trong vài thập kỷ. Nhưng nếu phát thải tăng, như giai đoạn từ khoảng 2007 tới nay, tác động cũng đến nhanh. Nguyên nhân tăng mê-tan gần đây vẫn đang được nghiên cứu, các phân tích đồng vị gợi ý phần lớn đến từ nguồn sinh học (đầm lầy, chăn nuôi, nông nghiệp).
Với Việt Nam, ruộng lúa ngập nước là nguồn mê-tan đáng kể. Các kỹ thuật như tưới ướt khô xen kẽ được nghiên cứu để giảm lượng mê-tan sinh ra từ đất ngập.
N₂O: khí ít được nhắc nhưng bền và đa năng
Nitơ oxit, còn gọi là "khí cười" trong y khoa, có GWP-100 khoảng 273 và tồn tại khoảng 110 năm. Nguồn lớn nhất do con người là nông nghiệp: phân đạm bón cho đất, một phần bị vi khuẩn biến đổi và thoát ra dưới dạng N₂O. Phân chuồng, một số quy trình công nghiệp (sản xuất axit nitric, axit adipic) và đốt nhiên liệu cũng góp phần.
N₂O có thêm một vai trò ít người biết: khi lên tới tầng bình lưu, nó bị phân huỷ thành nitơ oxit hoạt tính có thể phá ozone. Vì CFC đã bị loại bỏ, N₂O hiện là chất phá ozone được phát thải nhiều nhất.
Hơi nước: khí nhà kính lớn nhất nhưng không "điều khiển"
Tính về lượng hấp thụ hồng ngoại, hơi nước đóng góp nhiều nhất vào hiệu ứng nhà kính tự nhiên, cùng với mây. Vậy tại sao các báo cáo khí hậu ít nói về hơi nước?
Lý do là hơi nước chỉ ở trong khí quyển trung bình khoảng 9–10 ngày rồi mưa xuống. Lượng hơi nước không khí giữ được bị giới hạn bởi nhiệt độ: cứ ấm thêm 1 °C, không khí giữ được thêm khoảng 7% hơi nước (theo quan hệ Clausius–Clapeyron). Nếu ta phun thêm hơi nước vào không khí, nó sẽ mưa xuống trong vài ngày; nếu bớt đi, đại dương bốc hơi bù lại. Vì thế hơi nước đóng vai trò phản hồi: CO₂ làm ấm lên một chút, không khí ấm giữ thêm hơi nước, hơi nước làm ấm thêm. Phản hồi hơi nước được ước tính gần như nhân đôi tác dụng làm ấm ban đầu.
Ngoại lệ là hơi nước bơm thẳng vào tầng bình lưu, nơi khô và nó tồn tại lâu hơn. Vụ phun trào núi lửa ngầm Hunga Tonga – Hunga Haʻapai tháng 1/2022 đưa một lượng hơi nước rất lớn lên bình lưu, tăng lượng hơi nước ở đó khoảng 10%, và đang được nghiên cứu về tác động.
Ozone và các khí flo hoá
Ozone tầng đối lưu cũng là khí nhà kính, sinh ra khi khí thải giao thông, công nghiệp (NOx, hợp chất hữu cơ bay hơi) gặp ánh nắng. Nó tồn tại ngắn, vài tuần, nên phân bố không đều.
Khí flo hoá (CFC, HCFC, HFC, SF₆, PFC) có nồng độ rất nhỏ, đo bằng phần nghìn tỷ, nhưng một số có GWP hàng nghìn đến hàng chục nghìn. SF₆, dùng trong thiết bị điện cao áp, có GWP-100 khoảng 24.000 theo IPCC AR6 và tồn tại hàng nghìn năm.
Góc nhìn hôm nay: đọc số liệu khí nhà kính ở đâu
Ba nguồn dữ liệu đáng tin và dễ truy cập:
- NOAA Global Monitoring Laboratory: nồng độ CO₂, mê-tan, N₂O trung bình toàn cầu, cập nhật hằng tháng, có thể tải xuống dạng bảng.
- Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO): bản tin Greenhouse Gas Bulletin hằng năm, tóm tắt nồng độ và tốc độ tăng.
- IPCC AR6 Nhóm I (2021), chương 7: bảng chuẩn về GWP, thời gian tồn tại, cưỡng bức bức xạ của từng khí.
Khi đọc tin tức, nên để ý tin đang nói về nồng độ (ppm, ppb trong không khí) hay phát thải (tấn mỗi năm), và GWP được tính theo khung 20 hay 100 năm. Nhiều tranh cãi trên mạng thực ra chỉ vì hai bên dùng hai cách tính khác nhau.
Câu hỏi thường gặp
Khí nhà kính nào mạnh nhất?
Tính trên mỗi kilogam, các khí flo hoá như SF₆ mạnh nhất, gấp hàng chục nghìn lần CO₂. Trong các khí phổ biến, N₂O mạnh khoảng 273 lần và mê-tan khoảng 27–30 lần CO₂ trong khung 100 năm. Nhưng CO₂ đóng góp nhiều nhất vào nóng lên vì lượng lớn và tồn tại lâu.
Vì sao mê-tan nguy hiểm hơn CO₂?
Mỗi phân tử mê-tan hấp thụ hồng ngoại mạnh hơn CO₂ rất nhiều, nên trong 20 năm đầu nó làm nóng gấp khoảng 80 lần CO₂ tính trên cùng khối lượng. Bù lại mê-tan chỉ tồn tại khoảng 12 năm, còn một phần CO₂ ở lại hàng nghìn năm.
Hơi nước có phải khí nhà kính không?
Có, và là khí nhà kính đóng góp nhiều nhất vào hiệu ứng nhà kính tự nhiên. Nhưng lượng hơi nước do nhiệt độ quyết định, chỉ tồn tại khoảng 9–10 ngày, nên nó đóng vai trò khuếch đại sự ấm lên do các khí khác gây ra chứ không tự điều khiển khí hậu.
Nitơ và oxy có phải khí nhà kính không?
Không đáng kể. Phân tử N₂ và O₂ gồm hai nguyên tử giống nhau, dao động không làm thay đổi phân bố điện tích nên gần như không hấp thụ tia hồng ngoại, dù chúng chiếm khoảng 99% không khí khô.
GWP là gì?
GWP (Global Warming Potential) là chỉ số so sánh mức làm nóng của 1 kg một khí với 1 kg CO₂ trong một khoảng thời gian, thường là 100 năm. Nó giúp quy đổi các khí khác nhau về cùng một đơn vị "tương đương CO₂".
