of 7
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
c o n c e n t r a t i o n s
o f
CO2
ar e
a b o u t 3 5 0
ppm.
I n
1 8 5 0 ,
c o n c e n t r a t i o n s
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
a t m o s p h e r i c
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
c o n c e n t r a t i o n s
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
t e m p e r a t u r e s
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
c o n c e n t r a t i o n s
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
a t m o s p h e r i c
C O 2
c o n c e n t r a t i o n s
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
c o n c e n t r a t i o n s
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
a t m o s p h e r i c
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 ,
a t m o s p h e r i c
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
t e m p e r a t u r 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
t e m p e r a t u r e
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
7/25/2019 Global Atm changes
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
a t m o s p h e r i c
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
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
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
t e m p e r a t u r e s
( 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
7/25/2019 Global Atm changes
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
c o n c e n t r a t i o n s
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
t h e t r o -
p o s p h e r e
( h a l f - l i v e s o f 1 0 - 5 0
y e a r s )
b e c a u s e o f
t h e a b s e n c e
o f
s h o r t w a v e
V
n e r g y .
I n
t h e
s t r a t o s p h e r e ,
h o w e v e r ,
t h e CFCs
p h o t o d e g r a d e
a t
w a v e l e n g t h s
i n
t h e UV,
l i b e r a t i n g c h l o r i n e
a t o m s
t h a t r e a c t w i t h
oz on e
( 1 8 ) .
T h i s
r e a c t i o n w i t h
3 d e p l e t e s
t h e
03
c o n c e n t r a t i o n
i n
t h e
s t r a t o s p h e r e , a l l o w i n g
more
V
nergy
o f
s h o r t e r
w a v e l e n g t h s
( U V - B ,
2 8 0 - 3 2 0
n m ;
a n d
U V - C ,