Global Atm changes

7/25/2019 Global Atm changes

1/7

E n v i r o n m e n t a l H e a l t h

P e r s p e c t i v e s

V o l .

9 6 , p p . 1 3 1 - 1 3 7 , 1 9 9 1

G l o b a l

A t m o s p h e r i c C h a n g e s

b y

W a r r e n

T .

P i v e r *

I n c r e a s i n g

c o n c e n t r a t i o n s

o f

C O 2

a n d o t h e r

g r e e n h o u s e g a s e s

i n t h e

a t m o s p h e r e

c a n

b e d i r e c t l y

r e l a t e d

t o

g l o b a l

w a r m -

i n g . I n t e r m s

o f

human h e a l t h , b e c a u s e

a

m a j o r

c a u s e o f

i n c r e a s i n g

a t m o s p h e r i c

c o n c e n t r a t i o n s o f

C O 2

i s t h e

i n c r e a s e d

c o m b u s t i o n o f

f o s s i l f u e l s ,

g l o b a l w a r m i n g

a l s o

may

r e s u l t

i n

i n c r e a s e s i n a i r

p o l l u t a n t s ,

a c i d

d e p o s i t i o n ,

a n d

e x p o s u r e

t o

u l t r v i o l e t

( U V )

r a d i a t i o n . T b

u n d e s t a n d

b e t t e r t h e

i m p a c t s

o f

g o b

w a r m i n g

p h e n o m e n a

on human

h e a l t h ,

t h i s r e v i e w

e m p h a s i z e s t h e p r o c e s s e s

t h a t a r e r e s p o n s i b l e f o r

t h e

g r e e n h o u s e

e f f e c t ,

a i r

p o f l u t i o n ,

a c i d

d e p o s i t i o n ,

a n d

i n c r e a s e d

e x -

p o s u r e

t o

UV

r a d i a t i o n .

I n t r o d u c t i o n : C l i m a t i c

Changes a n d

G l o b a l

W a r m i n g

A t m o s p h e r i c

CO2

l e v e l s

h a v e i n c r e a s e d

b y 2 5

s i n c e

1 8 5 0 .

T h i s

i s d u e l a r g e l y t o c o m b u s t i o n

o f f o s s i l f u e l s a n d

d e f o r e s t a t i o n

t h a t

r e l e a s e s CO2 a s t h e l i t t e r i s b u r n e d

o r d e c a y s

( 1 ) .

P r e s e n t

average g l o b a l


o f

CO2

ar e

a b o u t 3 5 0

ppm.

I n

1 8 5 0 ,


were

a p p r o x i m a t e l y

2 6 5 ppm.

O v e r t h e l a s t

1 3 0

y e a r s ,

average

g l o b a l

s u r f a c e

t e m p e r a t u r e s

h a v e

i n c r e a s e d

b y

0 . 5

C ( 2 - 5 ) .

S i n c e 1 9 5 8 , when


l e v e l s

o f

CO2

were

f i r s t m e a s u r e d a t t h e

Mauna L o a

O b s e r v a t o r y

i n

H a w a i i ,

average

g l o b a l a t m o s p h e r i c


h a v e

i n c r e a s e d f r o m

a b o u t

3 1 6

t o a b o u t 3 4 7 ppm

i n

1 9 8 6

( 6 ) .

A

p l o t

o f

t h e

c h a n g e

i n

a n n u a l

average a t m o s p h e r i c

CO2

c o n c e n t r a t i o n

i s

g i v e n

i n

F i g u r e

1 .

E n e r g y c o n s u m p t i o n

p a t t e r n s

f o r

t h e l a s t

3 0 years p r o j e c t

t h a t

c o n s u m p t i o n

o f

f o s s i l

f u e l s

w i l l

i n c r e a s e w o r l d w i d e

b y

0 . 5

t o

2

pe r

year

f o r

t h e n e x t 5 0

y e a r s .

W i t h t h i s

r a t e

o f

i n c r e a s e ,

CO2

con-

c e n t r a t i o n s

i n

t h e l o w e r

a t m o s p h e r e

w i l l d o u b l e

( t o

a b o u t 6 0 0

p p m )

w i t h i n t h e n e x t 5 0

t o 6 0 years

( 7 ) .

I f

a t m o s p h e r i c c o n c e n t r a t i o n s

o f

CO2 a n d o t h e r

g r e e n h o u s e

gases

s u c h a s

c h l o r o f l u o r o c a r b o n s

( C F C s ) , C H 4 ,

o x i d e s

o f

n i t r o g e n , a n d C O c o n t i n u e

t o i n c r e a s e

i n t h e a t m o s p h e r e ,

g l o b a l

c l i m a t i c

m o d e l s

( G C M s )

h a v e

c a l c u l a t e d

t h a t

g l o b a l

a v e r a g e

s u r -

f a c e


w i l l i n c r e a s e 1 . 5

t o

4 . 5

C ,

a n d sea l e v e l s

w i l l

r i s e

0 . 1

t o

0 . 3 m

b y

t h e

year

2 0 4 0

( 8 - 1 0 ) . H o w e v e r ,

t h e r e ar e

l i m i t a t i o n s

t o t h e s e m o d e l p r o j e c t i o n s

t h a t are d u e

t o a l a c k o f

u n d e r s t a n d i n g

o f

i m p o r t a n t

e n v i r o n m e n t a l

p h e n o m e n a .

T h e y

i n -

c l u d e

t h e c r u d e t r e a t m e n t s

o f

b i o l o g i c a l

a n d

h y d r o l o g i c c y c l e s ;

t h e

n e g l e c t

o f

t h e

h i g h

h e a t

c a p a c i t y

o f

t h e

oceans;

a n d

t h e e x c l u -

s i o n o f

r e g i o n a l

e f f e c t s o f c l o u d s . T h i c k e r c l o u ds

c a u s e d

b y

S O 2

a n d a c i d a e r o s o l s

r e f l e c t

i n c i d e n t

s o l a r r a d i a t i o n

b e f o r e i t s t r i k e s

t h e e a r t h s s u r f a c e .

F i n a l l y ,

c u r r e n t

m o d e l s

l a c k t h e d a t a

a n d

p r e c i s i o n

t o

compute t e m p e r a t u r e a n d

r a i n f a l l c h a n g e s f o r

s m a l l

r e g i o n s

s u c h

as

i n d i v i d u a l

s t a t e s a n d

groups

o f

s t a t e s .

E v e n

w i t h t h e l i m i t a i t o n s

o f

G CMs,

t h e s e

p r o j e c t i o n s

o f

t e m p e r a t u r e

a n d

s ea l e v e l

i n c r e a s e s

are

t r u l y e x t r a o r d i n a r y ,

e s s e n t i a l l y

b e c a u s e

t h e y

w i l l

o c c u r

o v e r s u c h a

very

s h o r t

* O f f i c e

o f t h e S c i e n t i f i c A d v i s o r

t o

t h e

D i r e c t o r ,

N a t i o n a l

I n s t i t u t e

o f

E n -

v i r o n m e n t a l H e a l t h S c i e n c e s ,

P . O .

B o x 1 2 2 3 3 , R e s e a r c h T r i a n g l e P a r k ,

NC 2 7 7 0 9 .

g e o l o g i c a l

t i m e

p e r i o d .

F r o m

i c e

c o r e

d a t a

t a k e n

f r o m A n t a r c -

t i c a ,

d u r i n g

t h e

i c e

a g e e x t r e m e

o f

1 8 , 0 0 0

y e a r s

a g o ,

t h e

a v e r a g e

a n n u a l

s u r f a c e t e m p e r a t u r e

h a s b e e n

e s t i m a t e d t o

b e o n l y

a b o u t

5

C

c o l d e r

t h a n

i t i s

t o d a y ,

a n d

a t m o p h e r i c


o f

C O 2

w e r e a b o u t 1 9 4 ppm ( 1 1 ) . T h e s e i c e c o r e d a t a

p r o v i d e a

c o n -

t i n u o u s r e c o r d

o f


C O 2


o v e r

t h e

l a s t

1 6 0 , 0 0 0 y e a r s .

Exaning

t h e s e d a t a ,

t h e r e i s

a n

a p p a r e n t c y c l i c a l

c h a r a c t e r t o C O 2


i n

t h e a t m o s p h e r e . T h e

l e n g t h

o f t h i s

c y c l e

i s

a p p r o x i m a t e l y

1 0 0 , 0 0 0 y e a r s ,

a n d i t

h a s

b e e n

a t -

t r i b u t e d t o e c c e n t r i c i t i e s a n d w o b b l in g

i n

t h e e a r t h s

o r b i t a r o u n d

t h e s u n

( 1 2 ) .

T h e s e

r e s u l t s ,

a l o n g

w i t h

p r e s e n t


l e v e l s

o f

C 0 2 ,

a r e

p l o t t e d

i n

F i g u r e

2 . I f

t h e

p r o j e c t e d

c h a n g e s

i n

CO2

a r e

t r u e ,


l e v e l s

o f

C O 2

i n 5 0

y e a r s

w i l l

b e a l m o s t

t w i c e a s

h i g h

a s

t h e y

h a v e

e v e r

b e e n

i n

t h e l a s t

1 6 0 , 0 0 0 y e a r s .

S u r -

f a c e


c h a n g e s

o f

t h i s

m a g n i t u d e

w i l l

c a u s e

m a j o r

c h a n g e s

i n

w a t e r r e s o u r c e s ,

s e a

l e v e l , a g r i c u l t u r e ,

f o r e s t s ,

b i o l o g i c a l

d i v e r s i t y ,

a i r

q u a l i t y ,

h u m a n

h e a l t h ,

u r b a n i n f r a s t r u c -

t u r e ,

a n d

e l e c t r i c i t y

d e m a n d ( 1 3 - 1 6 ) .

The G r e e n h o u s e E f f e c t

T h e

g r e e n h o u s e

e f f e c t

i s t h e s e t

o f

e n e r g y

t r a n s p o r t

p h e n o m e n a

t h a t o c c u r s d u e

t o

t h e

i n t e r a c t i o n s

o f t h e s u n

w i t h t h e e a r t h s

s u r -

f a c e a n d

i t s

a t m o s p h e r e .

I t s h o u l d b e

r e c o g n i z e d

t h a t b e c a u s e o f

t h e s e

i n t e r a c t i o n s ,

t h e a v e r a ge t e m p e r a t u r e

o f

t h e

e a r t h i s

m a i n -

t a i n e d

w i t h i n

a

f a i r l y

n a r r o w

s e a s o n a l a n d d i u r n a l r a n g e ( a b o u t

2 0 - 4 0 0 C a t

a l l

l a t i t u d e s a n d

l o n g i t u d e s ) .

T h e s e

c h a n g e s

i n

a v e r a g e s u r f a c e t e m p e r a t u r e

c a n

b e

c o m p a r e d

w i t h o u r m o o n ,

w h i c h

h a s

v e r y

l i t t l e a t m o s p h e r e a n d

h a s


c h a n g e s

f r o m

d a y

t o

n i g h t

t h a t

c a n

r a n g e

f r o m

1 5 0 t o

2 0 0 C .

E n e r g y

t h a t i s

t r a n s m i t t e d

f r o m t h e s u n t o t h e

e a r t h s s u r f a c e s

h a s

w a v e l e n g t h s p r i m a r i l y

i n

t h e u l t r a v i o l e t

( U V )

( w a v e l e n g t h s

b e t w e e n 2 0 0 a n d 4 0 0

n m ) ,

v i s i b l e

( 4 0 0 - 8 0 0

n m ) ,

a n d i n f r a r e d

( I R )

( 1 2 0 0 - 2 0 , 0 0 0 n m ) p o r t i o n s

o f

t h e

e l e c t r o m a g n e t i c e n e r g y

s p e c t r u m ( E M S ) .

O z o n e t h a t e x i s t s i n

t h e

u p p e r

a t m o s p h e r e

( s t r a t o s p h e r e )

a b s o r b s m o s t o f

t h e

UV

e n e r g y , k e e p i n g

i t

f r o m

s t r i k i n g

t h e e a r t h s

s u r f a c e s

b e l o w .

T h i s i s

t h e

p r o t e c t i v e

s h i e l d

o r

p r o t e c t i v e

o z o n e l a y e r

i n

t h e

s t r a t o s p h e r e .

O n c e e n e r g y

f r o m

t h e

s u n i s a b s o r b e d

b y t h e

e a r t h s

s u r f a c e s

a n d

i t s

a t m o s p h e r e ,

t o

c o m p l e t e

t h e

e n e r g y

b a l a n c e ,

i t

i s

r e - r a d i a t e d b a c k

i n t o

s p a c e .

T h e

a m o u n t o f

h e a t

g a i n

m u s t

e q u a l

t h e

a m o u n t o f

h e a t l o s s a t


2/7

W . T

P I V E R

1960

1 9 6 2

1964

1 9 6 6 1 9 6 8 1 9 7 0

1972

197 4 197 6

1 9 7 8

1980 1982 1984 1986

19 8

Y e a r

F I G U R E 1 . A v e r a ge a n nu a l


C O

c o n c e n t r a t i o n s a t

t h e Mauna

L o a

O b s e r v a t o r y ( 6 ) .

E

Ja

CF

0

C

2 7 5

0)

O

250

_

c ]

-O-225-

Present

10 20

30 4 0 5 0 6 0

7 0

80

90

100

110

120

130 140

15 0

1

Mean

A g e , K yr f ro m t h e

P r e s e n t

F I G U R E

2 . I c e core d a t a o n

CO2



1 1

e q u i l i b r i u m .

T h i s h e a t

b a l a n c e

e q u a t i o n

i s

e s s e n t i a l l y

a

s t a t e m e n t

o f t h e f i r s t l a w o f

t h e r m o d y n a m i c s ,

w h i c h d e s c r i b e s

a

s t a t e

o f

e q u i l i b r i u m

b u t

t e l l s us

n o t h i n g

a b o u t

t h e r a t e a t w h i c h

h e a t i s

g a i n e d

o r

l o s t

f r o m t h e

e a r t h

a n d

i t s

a t m o s p h e r e .

T h e e a r t h ' s s u r f a c e s

e m i t

o r

r e - r a d i a t e a b s o r b e d

r a d i a n t

energy

f r o m t h e s un a t


( 2 8 5 a - 3 0 0 K )

i n

t h e

i n f r a r e d

( I R )

1 3 2

3 5 0

-

3 4 6

E

0 .

c L

c

0 .

0

C

0.

' D

0

a )

. 0

0

0

o

0

E

a m

0 )

0

3 4 2

-

3 3 8

-

3 3 4

-

3 3 0

-

3 2 6

-

3 2 2

3 1 8

-

3 1 4

1 -

1 9 5 8


3/7

CLMA4TIC

CHANGES

A ND

GLOBAL

W AR M I NG

w i n d o w o f t h e E M S ( w a v e l e n g t h s b e t w e e n

7 0 0 0 a n d 1 3 , 0 0 0

n m ) . G a s e s

i n

t h e

a t m o s p h e r e

t h a t

s t r o n g l y

a b s o r b

e n e r g y

i n t h i s

I R

w i n d o w

ar e

C 0 2 ,

m e t h an e ,

N 20 , a n d 0 3

p r e s e n t

i n

t h e t r o -

p o s p h e r e f r o m p h o t o c h e m i c a l s m o g ,

C O ,

a n d

t h e

C F C s .

I f t h e

e a r t h s a t m o s p h e r e

can b e c o n s i d e r e d

as a b l a n k e t

o f

i n s u l a t i o n ,

i n c r e a s i n g

t h e


o f g r e e n h o u s e

gases

i n

t h e

a t -

m o s p h e r e h a s t h e

s a m e e f f e c t as r a i s i n g

i t s R - v a l u e ( r e s i s t a n c e

t o

h e a t g a i n

or h e a t l o s s ) . T h e

n e t e f f e c t i s

t o s l o w d o w n

t h e r a t e

o f

h e a t

l o s s f r o m t h e e a r t h s s u r f a c e

b a c k i n t o space a n d i n c r e a s e t h e

s u r f a c e t e m p e r a t u r e .

Human

a c t i v i t i e s

t h a t c o n t r i b u t e

g r e e n h o u s e gases

t o

t h e a t -

m o s p h e r e are c o m b u s t i o n o f f o s s i l f u e l s

t h a t

p r o d u c e

C O a n d

C 0 2 , overuse

o f n i t r a t e f e r t i l i z e r s

( a e r o b i c

d e g r a d a t i o n

o f n i t r a t e

p r o d u c e s

N 2 0 ) ,

l i b e r a t i o n

o f

m e t h a n e as a r e s u l t

o f

d e c a y o f

o r g a n i c

m a t t e r ,

a n d

a c c u m u l a t i o n

o f CFCs ( f r o m uses

as

d e -

g r e a s i n g

s o l v e n t s , i n

m ak i n g

p l a s t i c s o r f r o m l e a k y

a i r

c o n d i t i o n -

i n g e q u i p m e n t ) .

F i g u r e

3

i s

a

p i e

c h a r t s h o w i n g t h e r e l a t i v e

c on-

t r i b u t i o n s o f t h e s e g r e e n h o u s e g a s e s

t o

g l o b a l

w a r m i n g

i n

1 9 8 5 .

T h e

d a t a are

f r o m L a s h o f a n d

A h u j a

( 1 7 ) a n d

c l e a r l y

s h o w t h a t

t h e

c o m b u s t i o n

o f

f o s s i l

f u e l s ,

w h i c h p r o d u c e s

b o t h

C O

a n d

C O 2 ,

i s t h e

m a i n source

o f g l o b a l w a r m i n g

p o t e n t i a l

f r o m

g r e e n -

h o u s e

g a s e s .

R e p l a c e m e n t

C h e m i c a l s f o r CFCs

B e s i d e s e x i s t i n g as

g r e e n h o u s e

gases

i n

t h e

t r o p o s p h e r e ,

t h e

CFCs a l s o c o n t r i b u t e t o

t h e

d e p l e t i o n

o f

t h e oz o n e

l a y e r

i n

t h e

s t r a t o s p h e r e .

C F C

c h e m i c a l s

d e g r a d e

very s l o w l y

i n

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