Gas rumah kaca adalah gas-gas yang berada di atmosfer bumi dan memiliki kemampuan untuk menyerap serta memancarkan kembali radiasi inframerah. Proses ini menciptakan efek rumah kaca, yaitu mekanisme yang menjaga suhu bumi tetap hangat dan memungkinkan kehidupan berkembang. Tanpa gas rumah kaca, suhu bumi akan jauh lebih dingin, sekitar 33°C lebih rendah daripada suhu saat ini.
Beberapa contoh gas rumah kaca utama adalah:
- Uap air (H₂O) – Menyumbang sebagian besar efek rumah kaca alami.
- Karbon dioksida (CO₂) – Berasal dari pembakaran bahan bakar fosil dan deforestasi.
- Metana (CH₄) – Dihasilkan dari aktivitas pertanian, peternakan, dan penguraian sampah organik.
- Dinitrogen oksida (N₂O) – Dihasilkan dari penggunaan pupuk nitrogen dan proses industri.
- Ozon (O₃) – Gas yang ada di lapisan ozon, tetapi di lapisan atmosfer yang lebih rendah, ia juga berperan sebagai gas rumah kaca.
- Klorofluorokarbon (CFC) – Gas buatan manusia yang pernah digunakan sebagai pendingin dan aerosol, tapi sekarang dilarang karena merusak lapisan ozon.
Gas rumah kaca yang paling banyak terdapat di udara adalah uap air (H₂O). Uap air menyumbang sekitar 60% dari efek rumah kaca alami. Selain itu, gas rumah kaca utama lainnya termasuk karbon dioksida (CO₂), metana (CH₄), dinitrogen oksida (N₂O), dan ozon (O₃).
Di antara gas-gas tersebut, karbon dioksida (CO₂) juga sangat penting karena manusia secara langsung meningkatkan konsentrasinya melalui aktivitas seperti pembakaran bahan bakar fosil. Karbon dioksida bertanggung jawab atas sebagian besar peningkatan pemanasan global yang terjadi dalam beberapa dekade terakhir.
Seperti dibahas di artikel pemanasan global sebelumnya, gas rumah kaca dapat meningkatkan suhu permukaan bumi dengan meningkatkan radiasi gelombang panjang ke bawah yang mencapai permukaan. Hubungan antara konsentrasi gas rumah kaca di atmosfer dan pemancaran radiasi positif itu berbeda untuk setiap gas.
Ada hubungan yang rumit antara sifat kimia setiap gas rumah kaca dan jumlah relatif radiasi gelombang panjang yang dapat diserap masing-masing. Pembahasan ini terkait mengenai dampak radiasi dari setiap gas rumah kaca utama.
Uap air
Uap air adalah jenis gas rumah kaca terkuat di atmosfer Bumi, tetapi dampaknyanya secara fundamental berbeda dari gas rumah kaca lainnya.
Peran utama uap air bukanlah sebagai agen langsung pemancar radiasi, melainkan sebagai umpan balik iklim yaitu, sebagai respons dalam sistem iklim yang memengaruhi aktivitas sistem yang berkelanjutan.
Perbedaan ini muncul dari fakta bahwa jumlah uap air di atmosfer secara umum tidak dapat diubah secara langsung oleh perilaku manusia, melainkan ditentukan oleh suhu udara. Semakin hangat permukaannya, semakin besar pula laju penguapan air dari permukaan tersebut.
Akibatnya, peningkatan penguapan menyebabkan konsentrasi uap air yang lebih besar di atmosfer yang lebih rendah yang mampu menyerap radiasi gelombang panjang dan memancarkannya ke bawah.
Baca juga: Kesejahteraan Pangan di Indonesia dimulai dari Pertanian
Karbondioksida
Dari gas rumah kaca, karbondioksida (CO2) adalah gas rumah kaca yang memiliki pengaruh yang paling signifikan. Sumber alami CO2 di atmosfer termasuk pelepasan gas dari gunung berapi, pembakaran dan pembusukan alami bahan organik, dan respirasi oleh organisme aerobik (pemakai oksigen).
Sumber-sumber ini rata-rata diimbangi dengan serangkaian proses fisik, kimia, atau biologis, yang disebut “penyerap”, yang cenderung menghilangkan CO2 dari atmosfer.
Penyerap alami yang signifikan termasuk vegetasi darat yang mengubah CO2 selama proses fotosintesis.
Karbon diangkut dalam berbagai bentuk melalui atmosfer, hidrosfer, dan formasi geologi. Salah satu jalur utama pertukaran karbon dioksida (CO2) terjadi antara atmosfer dan lautan; di sana sebagian kecil dari CO2 bergabung dengan air, membentuk asam karbonat (H2CO3) yang kemudian kehilangan ion hidrogen (H +) untuk membentuk ion bikarbonat (HCO3−) dan karbonat (CO32−).
Cangkang moluska atau endapan mineral yang terbentuk oleh reaksi kalsium atau ion logam lainnya dengan karbonat dapat terkubur di lapisan geologi dan akhirnya melepaskan CO2 melalui pelepasan gas vulkanik.
Karbon dioksida juga bertukar melalui fotosintesis pada tumbuhan dan melalui respirasi pada hewan. Bahan organik yang mati dan membusuk dapat memfermentasi dan melepaskan CO2 atau metana (CH4) atau mungkin tergabung ke dalam batuan sedimen, yang kemudian diubah menjadi bahan bakar fosil.
Pembakaran bahan bakar hidrokarbon mengembalikan CO2 dan air (H2O) ke atmosfer.
Jalur biologis dan antropogenik jauh lebih cepat daripada jalur geokimia dan, akibatnya, memiliki dampak yang lebih besar pada komposisi dan suhu atmosfer.
Sejumlah proses di laut juga berperan sebagai penyerap karbon. Salah satu proses tersebut ada yang disebut “pompa kelarutan”. Peran ini melibatkan penurunan air laut permukaan yang mengandung CO2 terlarut.
Proses lain juga ada, disebut “pompa biologis” yang melibatkan pengambilan CO2 terlarut oleh vegetasi laut dan fitoplankton (organisme fotosintetik kecil yang mengambang bebas) yang hidup di laut bagian atas.
Atau oleh organisme laut lain yang menggunakan CO2 untuk membangun kerangka dan struktur lain yang terbuat dari kalsium karbonat (CaCO3).
Saat organisme fitoplanton dan vegetasi laut mati dan jatuh ke dasar laut, karbon yang dikandungnya diangkut ke bawah dan akhirnya terkubur di kedalaman.
Sebaliknya, aktivitas manusia juga meningkatkan kadar CO2 di atmosfer terutama melalui pembakaran bahan bakar fosil yang mencakup minyak dan batu bara serta gas alam, untuk digunakan dalam transportasi, pemanas, dan pembangkit tenaga listrik dan produksi semen.
Sumber antropogenik lainnya termasuk pembakaran hutan dan pembukaan lahan. Emisi antropogenik saat ini merupakan pelepasan tahunan sekitar 7 gigaton (7 miliar ton) karbon ke atmosfer.
Emisi antropogenik sama dengan sekitar 3 persen dari total emisi CO2 oleh sumber-sumber alam, dan beban karbon yang diperkuat dari aktivitas manusia ini jauh melebihi kapasitas penyeimbang dari penyerap alami (mungkin sebanyak 2-3 gigaton per tahun).
Akibatnya, CO2 terakumulasi di atmosfer dengan laju rata-rata 1,4 ppm per tahun antara 1959 dan 2006 dan kira-kira 2,0 ppm per tahun antara 2006 dan 2018. Secara keseluruhan, laju akumulasi ini bersifat linier (yaitu, seragam seiring waktu).
Namun, penyerap arus tertentu, seperti lautan, dapat menjadi sumber siklus karbon di masa depan. Hal ini dapat mengarah pada situasi di mana konsentrasi CO2 di atmosfer terbentuk pada laju eksponensial yaitu, laju peningkatannya juga meningkatkan pemanasan global.
Tingkat latar belakang alami karbondioksida bervariasi pada skala waktu jutaan tahun karena perubahan yang lambat dalam pelepasan gas melalui aktivitas vulkanik.
Misalnya, kira-kira 100 juta tahun yang lalu, selama Zaman Kapur (145 juta hingga 66 juta tahun yang lalu), konsentrasi CO2 tampaknya telah beberapa kali lebih tinggi daripada saat ini (mungkin mendekati 2.000 ppm).
Selama 700.000 tahun terakhir, konsentrasi CO2 telah bervariasi dalam kisaran yang jauh lebih kecil (antara sekitar 180 dan 300 ppm) sehubungan dengan efek orbit Bumi yang sama terkait dengan datang dan pergi dari zaman es Pleistosen (lihat di bawah Pengaruh alamiah pada iklim).
Pada awal abad ke-21, tingkat CO2 telah mencapai 384 ppm, yang kira-kira 37 persen di atas tingkat latar belakang alami kira-kira 280 ppm yang ada pada awal Revolusi Industri. Tingkat CO2 di atmosfer terus meningkat, dan pada tahun 2018 telah mencapai 410 ppm.
Tingkat seperti itu diyakini menjadi yang tertinggi dalam setidaknya 800.000 tahun menurut pengukuran inti es dan mungkin yang tertinggi dalam setidaknya 5 juta tahun menurut bukti lain.
Gaya radiasi yang memengaruhi pemanasan global dan perubahan iklim disebabkan oleh karbondioksida bervariasi dengan cara logaritmik dengan konsentrasi gas tersebut di atmosfer.
Hubungan logaritmik terjadi sebagai hasil dari efek saturasi di mana hal itu menjadi semakin sulit, dengan meningkatnya konsentrasi CO2, untuk molekul CO2 tambahan untuk lebih mempengaruhi “jendela infra merah” (pita sempit panjang gelombang tertentu di daerah inframerah yang tidak diserap oleh gas atmosfer).
Hubungan logaritmik memprediksi bahwa potensi pemanasan global akan meningkat kira-kira dengan jumlah yang sama untuk setiap penggandaan konsentrasi CO2.
Pada tingkat penggunaan bahan bakar fosil saat ini, penggandaan konsentrasi CO2 di atas tingkat pra-industri diharapkan terjadi pada pertengahan abad ke-21 (ketika konsentrasi CO2 diproyeksikan mencapai 560 ppm). Penggandaan konsentrasi CO2 akan menunjukkan peningkatan gaya radiasi terhadap pemanasan global sekitar 4 watt per meter persegi.
Dengan perkiraan tipikal dari “sensitivitas iklim” dengan tidak adanya faktor penyeimbang iklim, peningkatan energi ini akan menyebabkan pemanasan global 2 sampai 5 ° C (3,6 sampai 9 ° F) selama masa pra-industri.
Total radiasi yang oleh emisi CO2 karena aktivitas manusia (antropogenik) sejak awal era industri adalah sekitar 1,66 watt per meter persegi.
Baca juga: Apa Itu Pemanasan Global? Definisi dan Penyebabnya
Metana
Metana (CH4) adalah gas rumah kaca terpenting kedua yang memengaruhi terjadinya pemanasan global. CH4 lebih kuat daripada CO2 karena gaya radiasi yang dihasilkan per molekul lebih besar.
Selain itu, jendela infra merah kurang jenuh terhadap rentang panjang gelombang radiasi yang diserap oleh CH4, sehingga lebih banyak molekul dapat mengisi atmosfert.
Namun, CH4 ada dalam konsentrasi yang jauh lebih rendah daripada CO2 di atmosfer, dan konsentrasi volume di atmosfer biasanya diukur dalam bagian per miliar (ppb) daripada ppm.
CH4 juga memiliki waktu tinggal di atmosfer yang jauh lebih pendek daripada CO2 (waktu tinggal untuk CH4 kira-kira 10 tahun, dibandingkan dengan ratusan tahun untuk CO2).
Sumber alami metana termasuk lahan basah di utara dan wilayah tropis. Selain itu, sumber metala lain, mencakup bakteri pengoksidasi metana yang memakan bahan organik oleh rayap, gunung berapi, rembesan dasar laut di daerah yang kaya dengan sedimen organik, dan hidrat metana yang terperangkap di sepanjang rak benua lautan dan di permafrost kutub.
Penyerap alami utama untuk metana adalah atmosfer itu sendiri, karena metana mudah bereaksi dengan radikal hidroksil (∙OH) di dalam troposfer untuk membentuk CO2 dan uap air (H2O). Saat CH4 mencapai stratosfer, ia akan hancur. Penyerap alami lainnya adalah tanah, di mana metana dioksidasi oleh bakteri Azotobacter.
Seperti halnya CO2, aktivitas manusia juga meningkatkan konsentrasi CH4 lebih cepat daripada yang dapat diimbangi dengan penyerapan alami.
Akitivitas manusia saat ini menyumbang sekitar 70 persen dari total emisi tahunan, yang menyebabkan peningkatan konsentrasi yang substansial dari waktu ke waktu.
Sumber antropogenik utama CH4 di atmosfer adalah penanaman padi, peternakan, pembakaran batu bara dan gas alam, pembakaran biomassa, dan dekomposisi bahan organik di tempat pembuangan sampah.
Perkiraan masa depan sangat sulit untuk diantisipasi. Hal ini karena pemahaman yang kurang lengkap tentang umpan balik iklim yang terkait dengan emisi CH4.
Selain itu, sulit untuk memprediksi bagaimana pertumbuhan populasi manusia, kemungkinan perubahan dalam pemeliharaan ternak, penanaman padi, dan penggunaan energi yang akan memengaruhi emisi CH4.
Akibatnya, sejumlah besar gas CH4 masuk ke atmosfer. Sulit untuk mengetahui dengan tepat seberapa tinggi konsentrasi ini atau berapa lama gas metana bertahan.
Pada konsentrasi yang sangat tinggi, waktu tinggal CH4 di atmosfer dapat menjadi jauh lebih besar daripada waktu tinggal nominal 10 tahun yang berlaku saat ini. Namun, kemungkinan konsentrasi ini mencapai beberapa ppm selama PETM.
Konsentrasi metana juga bervariasi pada kisaran yang lebih kecil (antara sekitar 350 dan 800 ppb) sehubungan dengan siklus zaman es Pleistosen.
Tingkat pra-industri CH4 di atmosfer kira-kira 700 ppb, sedangkan tingkatnya melebihi 1.867 ppb pada akhir 2018. (Konsentrasi ini jauh di atas tingkat alami yang diamati setidaknya selama 650.000 tahun terakhir).
Baca juga: Apa Itu Food Loss and Waste? Ini Penjelasan Lengkapnya!
Ozon dan senyawa lainnya
Gas rumah kaca terpenting berikutnya adalah ozon (O3) tingkat rendah. Permukaan O3 adalah hasil pencemaran udara dan harus dibedakan dari O3 stratosfer yang terjadi secara alami, yang memiliki peran yang sangat berbeda dalam keseimbangan radiasi planet. Sumber alami utama O3 permukaan adalah penurunan O3 stratosfer dari atmosfer atas.
Sebaliknya, sumber antropogenik utama O3 permukaan adalah reaksi fotokimia yang melibatkan polutan karbon monoksida (CO) di atmosfer.
Perkiraan terbaik dari konsentrasi alami O3 permukaan adalah 10 ppb, dan pancaran radiasi bersih akibat emisi antropogenik O3 permukaan kira-kira 0,35 watt per meter persegi.
Konsentrasi ozon dapat meningkat di atas tingkat yang tidak sehat yaitu, kondisi di mana konsentrasi memenuhi atau melebihi 70 ppb selama delapan jam atau lebih di kota-kota yang rentan terhadap kabut fotokimia.
Nitrous oksida dan gas berfluorinasi
Gas-gas lain yang dihasilkan oleh aktivitas industri yang memiliki sifat rumah kaca termasuk gas nitrous oxide (N2O) dan gas berfluorinasi (halokarbon), serta sulfur heksafluorida, hidrofluorokarbon (HFC), dan perfluorokarbon (PFC).
Nitrous oksida bertanggung jawab atas pemancaran radiasi 0,16 watt per meter persegi, sedangkan gas berfluorinasi secara kolektif bertanggung jawab atas 0,34 watt per meter persegi.
Nitrous oksida memiliki konsentrasi yang kecil karena reaksi biologis alami dalam tanah dan air, sedangkan gas berfluorinasi hampir seluruhnya bergantung pada sumber industri.
Aerosol
Produksi aerosol merupakan penyebab radiasi dari aktivitas manusia yang sangat memengaruhi pemanasan global. Secara kolektif, aerosol memblokir sebagian dari radiasi matahari yang masuk, dan menciptakan gaya radiasi negatif.
Aerosol adalah pengaruh kedua setelah gas rumah kaca yang paling berpengaruh terhadap perubahan suhu pemanasan global.
Tidak seperti waktu tinggal selama satu dekade dari gas rumah kaca yang “tercampur dengan baik”, seperti CO2 dan CH4, aerosol dengan mudah dikeluarkan dari atmosfer dalam beberapa hari, baik oleh hujan atau salju atau dengan mengendap di udara (pengendapan kering).
Oleh karena itu, penyerap alami harus terus menerus dihasilkan untuk menghasilkan efek yang stabil pada pemancaran radiasi.
Aerosol memiliki kemampuan untuk memengaruhi iklim dan pemanasan global secara langsung dengan menyerap atau memantulkan radiasi matahari yang masuk, tetapi juga dapat menghasilkan efek tidak langsung pada iklim dengan memodifikasi pembentukan awan atau sifat awan.
Kebanyakan aerosol berfungsi sebagai inti kondensasi (permukaan di mana uap air dapat mengembun membentuk awan). Namun, aerosol yang berwarna lebih gelap dapat menghalangi pembentukan awan dengan menyerap radiasi matahari sehingga timbul pemanasan global.
Mungkin jenis aerosol antropogenik yang paling signifikan pengaruhnya dalam pemancaran radiasi adalah aerosol sulfat. Aerosol ini dihasilkan dari emisi sulfur dioksida (SO2) yang terkait dengan pembakaran batu bara dan minyak.
Sejak akhir 1980-an, emisi global SO2 telah menurun dari sekitar 151,5 juta ton (167,0 juta ton) menjadi kurang dari 100 juta ton (110,2 juta ton) sulfur per tahun.
Aerosol nitrat tidak seberpengaruh aerosol sulfat, tetapi berpotensi menjadi sumber gaya negatif yang signifikan. Salah satu sumber utama aerosol nitrat adalah kabut asap (kombinasi ozon dengan oksida nitrogen di atmosfer bagian bawah) yang dilepaskan dari pembakaran bahan bakar yang tidak tuntas di mesin pembakaran internal.
Sumber lain adalah amonia (NH3), yang sering digunakan dalam pemupukan atau dilepaskan melalui pembakaran tanaman dan bahan organik lainnya.
Jika jumlah nitrogen atmosfer yang lebih besar diubah menjadi amonia dan emisi amonia pertanian terus meningkat seperti yang diproyeksikan, pengaruh aerosol nitrat pada pemancaran radiasi diperkirakan akan meningkat.
Baik aerosol sulfat dan nitrat bekerja terutama dengan memantulkan radiasi matahari yang masuk, sehingga mengurangi jumlah sinar matahari yang mencapai permukaan. Kebanyakan aerosol, tidak seperti gas rumah kaca, karena memberikan pengaruh pendinginan daripada pemanasan di permukaan bumi.
Satu pengecualian yang menonjol adalah aerosol mengandung karbon seperti karbon hitam atau jelaga, yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar fosil dan biomassa memiliki potensi berbeda.
Karbon hitam cenderung menyerap daripada memantulkan radiasi matahari, dan karenanya memiliki dampak pemanasan global pada atmosfer yang lebih rendah.
Karena sifat penyerapnya, karbon hitam juga mampu memberikan efek tambahan tidak langsung pada iklim. Melalui pengendapannya dalam hujan salju, ia dapat mengurangi albedo penutup salju. Penurunan jumlah radiasi matahari yang dipantulkan kembali ke luar angkasa oleh permukaan salju menciptakan pancaran radiasi positif kecil.
Bentuk alami aerosol termasuk debu mineral yang tertiup angin yang dihasilkan di daerah kering dan semi kering dan garam laut yang dihasilkan oleh gelombang pecah di laut. Perubahan pola angin sebagai akibat dari modifikasi iklim dapat mengubah emisi aerosol ini.
Pengaruh perubahan iklim pada pola kekeringan regional dapat menggeser sumber dan tujuan awan debu.
Selain itu, karena konsentrasi aerosol garam laut, atau aerosol laut, juga meningkat seiring dengan kekuatan angin di dekat permukaan laut, maka perubahan kecepatan angin akibat pemanasan global dan perubahan iklim dapat mempengaruhi konsentrasi aerosol garam laut.
Misalnya, beberapa penelitian menunjukkan bahwa perubahan iklim dapat menyebabkan angin kencang di bagian Samudra Atlantik Utara. Daerah dengan angin yang lebih kuat dapat mengalami peningkatan konsentrasi aerosol garam laut.
Sumber aerosol alami lainnya termasuk letusan gunung berapi, yang menghasilkan aerosol sulfat, dan sumber biogenik (misalnya fitoplankton), yang menghasilkan dimetil sulfida (DMS).
Aerosol biogenik penting lainnya, seperti terpene, diproduksi secara alami oleh jenis pohon tertentu atau tumbuhan lain. Misalnya, hutan lebat di Pegunungan Blue Ridge di Virginia di Amerika Serikat mengeluarkan terpene selama bulan-bulan musim panas, yang kemudian berinteraksi dengan kelembapan tinggi dan suhu hangat untuk menghasilkan kabut fotokimia alami.
Polutan antropogenik seperti nitrat dan ozon, yang keduanya berfungsi sebagai molekul prekursor untuk pembentukan aerosol biogenik, tampaknya telah meningkatkan laju produksi aerosol ini beberapa kali lipat. Proses ini tampaknya bertanggung jawab atas beberapa peningkatan polusi aerosol di daerah yang mengalami urbanisasi yang cepat.
Aktivitas manusia telah meningkatkan jumlah aerosol di atmosfer sangat cepat dibandingkan dengan jumlah aerosol di zaman praindustri. Berbeda dengan efek global gas rumah kaca, dampak aerosol antropogenik terbatas terutama di Belahan Bumi Utara, tempat sebagian besar aktivitas industri dunia terjadi.
Pola peningkatan aerosol antropogenik dari waktu ke waktu juga agak berbeda dengan pola gas rumah kaca. Selama pertengahan abad ke-20, terjadi peningkatan substansial dalam emisi aerosol. Hal ini tampaknya sebagian bertanggung jawab atas penghentian pemanasan global yang terjadi di Belahan Bumi Utara dari tahun 1940-an hingga 1970-an.
Sejak saat itu, emisi aerosol telah sedikit berkurang akibat tindakan antipolusi yang dilakukan di negara-negara industri sejak 1960-an. Emisi aerosol mungkin meningkat di masa depan, bagaimanapun, sebagai akibat dari munculnya pembangkit listrik tenaga batu bara dengan cepat di Cina dan India.
