Skleníkový efekt

Z Multimediaexpo.cz

Skleníkový efekt je proces, při kterém atmosféra způsobuje ohřívání planety tím, že snadno propouští sluneční záření, ale tepelné záření o větších vlnových délkách zpětně vyzařované z povrchu planety účinně absorbuje a brání tak jeho okamžitému úniku do prostoru. Mars, Venuše a ostatní nebeská tělesa s atmosférou (jako například Titan) také vykazují skleníkový efekt, pro zjednodušení se však zbytek tohoto článku vztahuje především k Zemi.

Skleníkový efekt se vyskytuje přirozeně na Zemi téměř od jejího vzniku. Bez výskytu skleníkových plynů by průměrná teplota při povrchu Země (určovaná jen radiační bilancí) byla −18 °C.[1] Skleníkový efekt je nezbytným předpokladem života na Zemi.[2]

Antropogenní skleníkový efekt je označení pro příspěvek lidské činnosti k skleníkovému efektu. Je způsoben spalováním fosilních paliv, kácením lesů a globálními změnami krajiny. Antropogenní skleníkový efekt přispívá ke globálnímu oteplování. Přestože většina vědců považuje vliv lidského konání na klima za prokázaný, je předmětem sporu míra tohoto vlivu.

Obsah

Princip

Soubor:Schema sklenikovy efekt.gif
Schéma skleníkového efektu

Země zachycuje přibližně půl miliardtiny slunečního záření, což přepočteno na energii činí zhruba 1,8×1017 W (tj. 180 tisíc terawattů, kde terawatt lze vyjádřit jako bilion wattů nebo milion megawattů).[3] Tato hodnota více než 10 000 krát převyšuje energetický výkon lidských aktivit.

Sluneční energie dopadající na Zemi musí být dlouhodobě vyrovnána celkovému množství energie vyzařovanému Zemí, jinak by se teplota na ní zvyšovala nade všechny meze. Záření opouštějící Zemi nabývá dvou forem: odražené sluneční záření a tepelné záření.

Odražené sluneční záření činí 30 % z celkového zemského záření: v průměru 6 % přijímaného slunečního záření je odraženo atmosférou, 20 % je odraženo oblaky a další 4 % odráží zemský povrch.

Zbývajících 70 % přicházejícího slunečního záření je pohlceno: 16 % atmosférou (včetně téměř kompletní absorpce krátkovlnného ultrafialového záření stratosférickou, ozónovou vrstvou, 3 % mraky a 51 % souší a oceány. Tato absorbovaná energie ohřívá atmosféru, oceány i souš.

Podobně jako Slunce vydává Země tepelné záření jako černé těleso. Ale protože zemský povrch je mnohem chladnější než sluneční (287 K versus 5 780 K), pak podle Wienova posunovacího zákona musí Země vyzařovat svou tepelnou energii na mnohem delších vlnových délkách než Slunce. Zatímco sluneční záření nabývá vrcholu na viditelných délkách zhruba 500 nanometrů, vrchol zemského záření je v dlouhovlnném infračerveném záření o délce kolem 10 mikrometrů.

Zemská atmosféra je převážně transparentní pro viditelné a krátké infračervené vlnové délky, nikoliv však pro záření o vlnové délce kolem 10 mikrometrů. Jen asi 6 % z celkové zemského vyzařování do vesmíru je přímé tepelné záření z povrchu. Atmosféra absorbuje 71 % povrchového tepelného záření dříve, než může uniknout do prostoru. Atmosféra sama se chová jako černé těleso v dlouhovlnné infračervené oblasti spektra a v této oblasti také tepelnou energii vyzařuje.

Zemská atmosféra a mraky jsou zdrojem 91,4 % dlouhovlnného infračerveného záření a 64 % celkových zemských emisí ve všech vlnových délkách. Atmosféra a mraky získávají tuto energii z přímo absorbované sluneční energie, z pohlceného tepelného záření z povrchu, z tepla přineseného konvekčním prouděním a z kondenzace vodních par.

Protože atmosféra tak dobře absorbuje dlouhovlnné infračervené záření, účinně vytváří jednocestnou přikrývku nad zemským povrchem. Viditelné a téměř viditelné záření ze Slunce se snadno dostává skrz, ale tepelné záření z povrchu se obtížně dostává ven. Následkem toho se zemský povrch zahřívá. Energie záření vyzařovaného povrchem se zvyšuje podle Stefan-Boltzmannova zákona, dokud nevykompenzuje pohlcování atmosférou a neustaví se nová rovnováha teploty.

Jakákoliv změna složení zemské atmosféry, která brání nebo podpoří přenos dlouhovlnného infračerveného záření naruší tuto rovnováhu a zemský povrch se bude zahřívat nebo ochlazovat, dokud se nedosáhne nové teplotní rovnováhy.

Následkem skleníkového efektu jsou průměrné teploty povrchu značně vyšší, než by byly, kdyby byla teplota zemského povrchu určena pouze zemským albedem a vlastnostmi povrchu jakožto černého tělesa. Bez výskytu přirozených skleníkových plynů by průměrná teplota při povrchu Země (určená výpočtem z radiační bilance) byla −18 °C.[1] Země skutečně nejúčinněji vyzařuje infračervené záření z atmosférických vrstev o teplotě průměrně −19 °C, což odpovídá výšce zhruba 5 km.[4]

Vysvětlení skleníkového efektu bývá často zjednodušováno prohlašováním, že jeho mechanismus je stejný jako mechanismus zahřívání skleníků, je to však nesprávné přílišné zjednodušení, jak je v tomto článku vysvětleno dále.

Omezující faktory

Úroveň skleníkového efektu závisí primárně na koncentraci skleníkových plynů v planetární atmosféře. Atmosféra Venuše bohatá na oxid uhličitý vytváří extrémně silný skleníkový efekt zvedající teplotu povrchu až za bod tání olova, zvyšování teploty povrchu atmosférou Země umožňuje její obyvatelnost, naproti tomu u planety Mars je skleníkový efekt řídké atmosféry pouze minimální.

Při vytváření modelu skleníkového efektu atmosféry planety je třeba vzít v úvahu také interakci s dalšími procesy vytvářejícími zpětnovazební cykly. Venuše je tak silně zahřívána Sluncem, že její voda zmizela a oxid uhličitý není znovu absorbován planetární kůrou. Následkem toho skleníkový efekt výrazně zintenzivněl pozitivní zpětnou vazbou. Na Zemi existuje významná hydrosféra a biosféra reagující na vyšší teploty rychlejším pohlcováním oxidu uhličitého (v geologickém měřítku — časové měřítko, ve kterém oceán a biosféra odstraňují výkyvy CO2, se pohybuje v několika stovkách let). Přítomnost tekuté vody tedy limituje zvyšování skleníkového efektu negativní zpětnou vazbou. Předpokládá se, že tyto poměry trvají už po mnoho stovek miliónů let, protože jinak pokud by vlivem zvyšování teploty stárnoucího Slunce došlo k překonání tohoto regulačního efektu, byl by život na Zemi už dávno zničen.

Skleníkové plyny

Vodní páry (H2O) způsobují asi 60 % zemského přirozeného skleníkového efektu. Ostatní plyny ovlivňující tento efekt jsou oxid uhličitý (CO2) (kolem 26 %), methan (CH4), oxid dusný (N2O) a ozón (O3) (asi 8 %). Souhrnně tyto plyny nazýváme skleníkovými plyny.

Vlnové délky světla absorbovaného plyny lze určit pomocí kvantové mechaniky podle vlastností molekul různých plynů. Je prakticky pravidlem, že heteronukleární dvou-, tří- a víceatomové molekuly plynů silně absorbují v infračervené oblasti, zatímco homonukleární dvouatomové molekuly ne. To je důvodem, proč H2O a CO2 jsou skleníkovými plyny, zatímco hlavní složky atmosféry (N2 a O2) ne.

Skutečné skleníky

Pojem skleníkový efekt použil jako první francouzský vědec J. B. J. Fourier. Pochází od skleníků užívaných v zahradnictví, nejedná se však o příliš přesné pojmenování, neboť skleníky pracují na jiném principu: skleník je vybudován ze skla; ohřívá se přímo, neboť Slunce ohřívá zemi okolo něj, od ní se ohřívá vzduch nad ní a sklo brání ohřátému vzduchu stoupat a uniknout pryč. To lze snadno ukázat otevřením malého okna poblíž střechy skleníku: teplota znatelně poklesne. Bylo to také demonstrováno při Woodově experimentu v roce 1909. Skleníky tedy fungují díky bránění konvekčnímu proudění; naproti tomu skleníkový efekt brání unikání záření, nikoliv konvekčnímu proudění - zjednodušeně řečeno, má tendenci propouštět přímé, „tvrdé“ sluneční záření a částečně inhibovat zpětně odražené, „měkčí“ záření v infračervené části spektra.

Efekty různých plynů

Je obtížné oddělit procentní příspěvky jednotlivých plynů ke skleníkovému efektu, protože pohlcované infračervené spektrum různých plynů se překrývá. Nicméně lze spočítat procenta z pohlceného záření a zjistit:

Odstraněné složky  % z pohlceného záření
Všechny 0
H2O, CO2, O3 50
H2O 64
Mraky 86
CO2 88
O3 97
Žádná 100

(Zdroj: Ramanathan and Coakley, Rev. Geophys and Space Phys., 16 465 (1978))

Efekt vodních par

Vodní páry nejvíce přispívají k zemskému skleníkovému efektu. Vliv vodních par se liší podle místní koncentrace, směsi s jinými plyny, frekvence světla, odlišného chování v různých vrstvách atmosféry a podle toho, zda se uplatňuje pozitivní nebo negativní zpětná vazba. Vysoká vlhkost způsobuje formování oblačnosti, která silně ovlivňuje teplotu, ale odlišným způsobem než vodní páry.

IPCC TAR (2001; kapitola 2.5.3) hlásí, že navzdory nerovnoměrným vlivům a rozdílům při získávání kvalitních dat lze říci, že obsah vodních par se v průběhu 20. století všeobecně zvýšil.

Odhady procentního množství zemského skleníkového efektu způsobeného vodními parami od různých autorů se značně liší:

  • 36 % (tabulka nahoře)
  • 60-70 %[5]

Včetně mraků předpokládá tabulka nahoře 50 %. V bezmračném případě předpokládá IPCC 1990, strana 47-48 zhruba 60-70 %, zatímco Baliunas & Soon 88 %, uvažujíce pouze H2O a CO2. V teoretickém případě, kdy by se v atmosféře nenacházely jiné skleníkové plyny, odhaduje Richard Lindzen 98 %[6].

Vodní páry v troposféře, na rozdíl od dobře známých skleníkových plynů jako CO2, jsou vzhledem ke klimatu v podstatě pasívní: pobyt vodních par v atmosféře je krátký (asi týden), takže výkyvy v obsahu vodních par se poměrně rychle vyrovnávají. Naproti tomu, životní cykly CO2, methanu, atd. jsou dlouhé (stovky let) a proto výkyvy oproti normálu přetrvávají. Jestliže se tedy, v reakci na teplotní výkyv způsobený zvýšením obsahu CO2, zvýší obsah vodních par, pozorujeme (limitovanou) pozitivní zpětnou vazbu a vyšší teploty. V reakci na zvýšený výskyt vodních par by mělo dojít v atmosféře k nové rovnováze díky zvýšené tvorbě oblačnosti způsobující ochlazování díky zvýšené odrazivosti a odstraňování vodních par z atmosféry deštěm. Zdá se, že kondenzační stopy vysoko letících letadel občas způsobující formování oblačnosti mírně ovlivňují místní počasí.

Souvislost s globálním oteplováním

Již koncem 19. století vypočítal švédský badatel Swante Arrhenius, který za své chemické objevy získal v roce 1903 Nobelovu cenu, že kdyby se koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře zdvojnásobila, její teplota by se mohla zvednout až o 5 °C a odvodil souvislost mezi jeho poklesy a výskytem dob ledových.[7] Od 70. let, s růstem ekologického povědomí, se skutečnost, zda antropogenní skleníkový efekt má skutečně vliv na globální oteplování nebo ne, stalo předmětem sporů. Dnes se vědci shodují, že zvyšující se skleníkový efekt způsobený větším podílem CO2 a jiných plynů významně přispívá k současnému globálnímu oteplování.[8] Proběhlo několik mezinárodních konferencí, na kterých bylo přijato usnesení, že za globálním oteplováním stojí člověk[9].

Související články

Reference

  1. ↑ 1,0 1,1 NÁTR, Lubomír. Země jako skleník: Proč se bát CO2?. Praha : Academia, 2006. (Průhledy.) ISBN 80-200-1362-8. Kapitola Je Země také skleník?, s. 51–52.  
  2. ↑ Fabian, P.: Leben im Treibhaus. Unser Klimasystem - und was wir daraus machen. Springer-Verlag, New York 2002
  3. ↑ Slunce a jeho energie Josip Kleczek Astronomický ústav AV ČR
  4. ↑ Intergovernmental Panel on Climate Change. Climate Change 2001: The Scientific Basis [online]. Cambridge : Cambridge Univesity Press, 2001, [cit. 2009-02-23]. Kapitola 1.2.1 Natural Forcing of the Climate System, s. 90. Dostupné online. (anglicky) 
  5. ↑ http://www.pbs.org/wgbh/nova/ice/greenhouse.html - Greenhouse - Green Planet
  6. ↑ Global warming: the origin and nature of the alleged scientific consensus. nakladatelství Regulation, vydáno na jaře 1992, strana 87-98 http://eaps.mit.edu/faculty/lindzen/153_Regulation.pdf, anglicky
  7. ↑ Lundegårdh, H.: Der Kreislauf der Kohlensäure in der Natur. Gustav Fischer, Jena 1924
  8. ↑ http://www.chmi.cz/cc/inf/index.html - kapitola 3
  9. ↑ http://zpravy.idnes.cz/zprava-osn-o-globalnim-klimatu-ma-sokovat-svet-fqy-/vedatech.asp?c=A070129_152327_zahranicni_anv

Literatura

  • (anglicky) Kiehl, J.T., a Trenberth, K. (1997). Celkový průměrný roční energetický rozpočet Země (Earth's annual mean global energy budget), Bulletin of the American Meteorological Society 78 (2), 197–208.
  • (anglicky) Wood, R.W. (1909). Poznámky k teorii skleníku (Note on the Theory of the Greenhouse), Philosophical Magazine 17, p319–320. text je dostupný i online

Externí odkazy


Citováno z „http://www.multimediaexpo.cz/mmecz/index.php/Sklen%C3%ADkov%C3%BD_efekt“