Skleníkový efekt

Nejpravděpodobnější vysvětlení současné klimatické změny na Zemi vychází ze změny v koncentracích skleníkových plynů a atmosféře. Jedná se o plyny, které vykazují schopnost vytvářet tzv. skleníkový efekt. Ten funguje na jednoduchém principu: Skleníkové plyny jsou sloučeniny, které díky svým fyzikálním vlastnostem propouštějí krátkovlnné záření horkých těles a naopak pohlcují dlouhovlnné záření těles chladnějších, čímž sebe a okolí zahřívají. V praxi tedy propouštějí záření Slunce směrem k Zemi, které tak dopadne až na zemský povrch. Zpětné záření chladnějšího povrchu Země již molekuly CO2 dokáží pohltit a zahřívají tak okolní vzduch.

Logicky tedy vyvozujeme, že se atmosféra zahřívá tím více, čím vyšší je v ní množství skleníkových plynů. Odhaduje se, že v současnosti skleníkové plyny zvyšují pozemskou teplotu asi o 33 °C oproti stavu, kdyby nebyly žádné. To je pro nás pozitivní, neboť bez nich by celá Země byla zamrzlá. Je však také jasné, že vyšší množství těchto plynů by teoreticky mělo přinést další zvyšování teploty.

Skleníkové plyny seřazené podle důležitosti jsou: vodní pára, oxid uhličitý, methan, oxid dusný, freony a různé vzácné plyny.

Vliv těchto plynů na oteplování atmosféry se vyjadřuje ukazatelem „radiační účinnost“, který ukazuje, o kolik více energie ze Slunce se díky jednotlivým plynům zadrží ve srovnání se stavem na začátku průmyslové revoluce, tj. rokem 1750. Tím je do indexu zahrnuta jak síla plynu, tak i jeho množství. Vyjadřuje se v jednotkách W/m2. Podíl jednotlivých plynů na radiační účinnosti je v závěru této kapitoly vyjádřen graficky.

Nahoře: Koncentrace CO2 (počet částic z milionu), N2O a methanu (částic z miliardy) a některých vzácných skleníkových plynů (částic z bilionu) v letech 1979 – 2008. Zdroj: NOAA

Podíl jednotlivých skleníkových plynů na zesílení absorpce slunečního záření vyjádřen radiační účinností (W/m2, levá stupnice). Výchozím bodem je rok 1750, pro který je radiační účinnost stanovena jako 0. Oxid uhličitý má podíl kolem 60%, methan 20% a o zbylou pětinu se dělí ostatní plyny. Na pravé stupnici index radiační účinnosti, kde rok 1990 je roven hodnotě 1 a je vyznačen. Zdroj: NOAA

Role vodní páry – nedoceněná, či přeceňovaná?

Klimatičtí skeptikové občas namítají, že je nesmysl vinit z oteplování oxid uhličitý, když nejvýznamnějším skleníkovým plynem je právě vodní pára. Má nejvyšší radiační účinnost.

Je to ale nesmyslná argumentace. Množství vodní páry je z globálního hlediska více méně dáno teplotou vzduchu. Vodní pára nemá žádnou schopnost vyvolávat změny, sama je však důsledkem těchto změn. Teplota vzduchu určuje, kolik páry se do něj vejde, nikoliv naopak. Vyšší množství aerosolu (pevných částic) ve vzduchu může vést k mírnému snížení množství vodní páry, ale není to zásadní rozdíl.

Z hlediska studia klimatu je vodní pára poměrně nezajímavá, neboť je téměř funkcí teploty. Pokud se v médiích „argumentuje“ vodní párou coby klíčovým plynem pro vývoj klimatu na Zemi, je to vesměs demagogie.

Oxid uhličitý – sloučenina 21.století?

Nejčastěji skloňovaným plynem na světě je zřejmě oxid uhličitý (CO2). Je to plyn s nejvyšší radiační účinností a právě jemu se přisuzuje vina za soudobé změny klimatu na Zemi. Následující řádky se pokusí objasnit, do jaké míry je to spravedlivé. Fyzikální vlastnosti CO2 jsou dostatečně dobře prozkoumány a lze je skutečně jen těžko zpochybnit. Radiační účinnost tohoto plynu pro rok 2009 byla stanovena na 1,76 W / m2.

Radiační účinnost tohoto plynu se nemění lineárně – čím vyšší jsou jeho koncentrace, tím pomaleji roste jeho schopnost dále oteplovat atmosféru. Pokud by teoreticky rostlo množství oxidu uhličitého stále stejným tempem, jeho schopnost oteplování planety by klesala. Tento málo známý fakt nás ovšem zatím příliš vzrušovat nemusí, protože současné koncentrace nejsou tak vysoké, aby se tento efekt výrazně projevil. Neznamená to navíc, že by nutně reálné oteplování zpomalovalo – na to totiž působí ještě celá řada dalších faktorů.

V médiích je oxid uhličitý často vykreslován jako škodlivý plyn a tuto nálepku už si vysloužil u velké části laické veřejnosti. Proto lze často číst a slyšet o „znečišťování atmosféry“ touto látkou. To je však hrubě zavádějící. CO2 totiž v současném množství nijak neškodí lidskému zdraví ani přírodnímu prostředí. Naopak umožňuje fotosyntézu, bez které by nemohly existovat rostliny a potažmo ani my lidé! Je tedy v podstatě plynem pro planetu životodárným!

Díky jeho zvyšujícímu se množství v posledních desetiletích dokonce registrujeme rychlejší růst biomasy, tedy růst rostlin, včetně zemědělských plodin. Pro tento projev se vžilo označení „hnojení uhlíkem.

Pokud jde o pozitivní roli CO2 při tvorbě biomasy, ta je předmětem bádání a sporů mnoha vědců. V laboratorních podmínkách bylo zjištěno, že díky vyššímu množství CO2 může dojít ke zvýšení výnosů u některých zemědělských plodin až o třetinu. Ovšem jen za předpokladu dostatku vody a živin v půdě, což v reálné přírodě není zajištěno.

To už potvrdila i nejnovější měření. Zatímco v letech 1982 až 1999 se zvýšila rychlost tvorby biomasy u rostlin globálně o 6 v dalším období 1999-2009 již došlo k průměrnému poklesu o 1%, což se dělo vinou rozsáhlejšího sucha v některých oblastech Země. Ukazuje se tím, že pozitivní role oxidu uhličitého na růst rostlin není zdaleka tak jednoznačná, jak jsme ještě nedávno doufali. Pokud rostlina nemá dost vody, nemůže růst rychleji.

Z hlediska ekosystémů to navíc není jen dobrá zpráva – některé rostlinné druhy z vyššího množství CO2 ve vzduchu dokážou těžit více a urychlit fotosyntézu více než jiné a tím je mohou vytlačit ze svých stanovišť a ve výsledku zahubit. Dalším negativem je mírné okyselování oceánů, jak si vysvětlíme dále.

Jak vypadá koloběh uhlíku na Zemi

Oxid uhličitý je jednou z forem, v jaké se na Zemi vyskytují klíčový organický prvek – uhlík. Ten je aktivním účastníkem řady procesů na zemském povrchu. Neustále putuje oběma směry mezi jednotlivými sférami Země, včetně atmosféry. Během těchto cest dochází k chemickým procesům, kdy se uhlík dostává do jiných sloučenin, nejen CO2. Proto tedy budeme hovořit o „koloběhu uhlíku“ což je přesnější. Koloběh uhlíku funguje na Zemi prakticky od jejího vzniku.

Rostliny i živočichové vážou uhlík ve své biomase. Během svého růstu odčerpávají uhlík z atmosféry a tím rostou. Každá rostlina, zvíře, ale i sám člověk je tak zásobárnou uhlíku. Rostlina je po odumření rozkládána organismy, které díky dýchání vrací uhlík zpět do atmosféry v podobě CO2, ale také ho ukládají v půdě. Za vhodných podmínek se zbytky organismů pomocí geologických procesů postupně přemění na uhlí či ropu a na dlouhou dobu uloží pod zem. Takové zásoby uhlíku pak známe jako ropu, plyn a uhlí. Vulkanická činnost ovšem z nitra Země do atmosféry uhlík zase přidává.

Důležitá je role oceánu – oxid uhličitý se do něj rozpouští v chladných vodách kolem pólů. Zde se reakcí s vodou přeměňuje na kyselinu uhličitou a okyseluje tak celé oceány. Naopak v teplých tropických vodách se do atmosféry zase uvolňuje. Z toho vyplývá, že postupné oteplování oceánů může snížit jejich schopnost pohlcovat uhlík a tím nás přivést do spirály výrazného růstu koncentrací v atmosféře a následně oteplování. Zatím však nic takového nepozorujeme.

Velká část je spotřebována podmořskými organismy, zejména mořskými řasami, které se vyskytují zejména v chladných vodách. V podstatném množství se také ukládá na dně oceánů do sedimentů na dně oceánských pánví. Zde se ukládá na dobu milionů let…

Celkově se díky změnám v posledních dvou staletích množství rozpuštěného uhlíku v oceánech dost zvýšilo. V důsledku toho máme nyní nejkyselejší oceány za posledních 650 000 let, pokles pH oceánů ohrožuje zejména korálové útesy a v návaznosti může způsobit další ekologické problémy.

Toky uhlíku na Zemi jsou přirozené a velmi vysoké. Rovnováha mezi přísunem a odběrem uhlíku z atmosféry je však velice křehká a v minulosti Země byla často narušována přirozenými procesy. Množství uhlíku v atmosféře kolísalo a ruku v ruce s tím kolísaly i teploty.

Lidská činnost se na koloběhu uhlíku též podepsala a to významně od 19. století. Zejména tím, že hluboko uložený a od atmosféry izolovaný uhlík začala těžit ve formě ropy a uhlí, pálit a tím uhlík uvolňovat do atmosféry, k čemuž by přirozenou cestou nedošlo. Kromě toho lidé způsobili odlesnění části Země, díky čemuž se uhlík již nemůže v takové míře vázat v biomase, jako dříve. Hluboký les váže více uhlíku než rozorané pole.

V rámci mohutných toků uhlíku na Zemi je lidský vliv jen malý a zdá se být téměř zanedbatelný. Ovšem právě tento malý vliv narušil křehkou rovnováhu. Ukazují to přístrojová měření a vzhledem k tomu, že se vzestup koncentrací shoduje s nástupem industrializace, tak se vliv člověka nepřímo prokazuje. Uhlíku v atmosféře přibývá, což má vliv na její fyzikální vlastnosti.


Současné toky uhlíku na Zemi v gigatunách za rok. Přestože je lidský vliv relativně malý, narušuje křehkou rovnováhu. Zdroj ilustrace: http://kfrserver.natur.cuni.cz/globe/others-CZ.htm

Jak se mění koncentrace CO2

Koncentrace CO2 v atmosféře stále stoupá, což je všeobecně známo. Udáváme ji v jednotkách ppm (počet částic plynu z milionu vzduchový částic). V posledních 2 milionech let (kvartér) obvykle přirozeně kolísala mezi 180 ppm (v dobách ledových) a 280 ppm (teplá období). V posledních 10 000 letech, což je doba trvání poslední doby meziledové, se pohybovala kolem své horní hranice, tj. kolem 280 ppm. Výrazný růst jeho podílu ve vzduchu nastal v 19.století a trvá dodnes. V roce 2009 byla průměrná globální koncentrace CO2 již 386 ppm. Za celý kvartér jsme tak vysoké množství uhlíku ve vzduchu neměli. V posledních desetiletích je růst CO2 poměrně stabilní v míře o 2 ppm/rok; obavy z toho, že růst bude akcelerovat, se tedy zatím nepotvrzují.

Vývoj koncentrace CO2 v ovzduší tak velmi úzce souvisí s rozvojem lidské společnosti člověka. Začátek růstu CO2 se shoduje s takzvanou průmyslovou revolucí (objev parního stroje – masivní rozvoj průmyslu – začátek spalování uhlí ve velkých objemech). Souvislost těchto dvou událostí je zřejmá - zcela se shoduje časově a má naprosto jasné logické zdůvodnění (CO2 ze spalování se někam musel dostat a naopak CO2 v atmosféře se odněkud musel vzít). Přesto se i dnes lze setkat s názory, že to tak není.

Takové názory vycházejí z přesvědčení, že množství CO2 ve vzduchu roste naopak v důsledku zvyšující se teploty, která byla vyvolána jinými a přirozenými faktory. Zastánci těchto názorů ovšem nepřinášejí žádnou důvěryhodnou teorii o tom, jaké jiné vlivy vlastně oteplování způsobily. Navíc by pak nebylo jasné, co se děje s plynem, který vzniká spalování.

Do budoucna se očekává další růst CO2, ovšem odhady se liší. Častá varování vědců před tím, že po překročení jistého bodu zlomu začne koncentrace CO2 růst ještě rychleji než dosud, se zatím nenaplňují. Pokud bude zachováno současné tempo přírůstku CO2 po celé 21. století, bude na jeho konci v atmosféře asi 480 ppm. Přitom IPCC odhaduje 715 ppm, takže počítá s rychlejším růstem v příštích desetiletích.


Naměřená koncentrace CO2 v atmosféře v letech 1958-2010 (Mauna Loa) v ppm. Zubovitý tvar křivky je dán sezónním kolísáním. Zdroj: NASA

Další skleníkové plyny – nikoliv nevýznamné

Podstatný vliv na klimatické změny mají kromě oxidu uhličitého také další skleníkové plyny, zejména methan, oxid dusný a freony.

Methan je látka vznikající při rozkladu biologických látek, produkují ho velcí přežvýkavci (dobytek) a uvolňuje se také při pěstování rýže. Methan je zároveň hlavní složkou zemního plynu. Proto je jeho koncentrace v atmosféře zvyšována i úniky plynu při těžbě, i při spotřebě (např. u plynových sporáků je to únik před zapálením hořáku). Vlastním spalováním zemního plynu se ale methan přemění na oxid uhličitý. Samotný methan je zhruba 20 krát účinnějším skleníkovým plynem než CO2, ovšem v atmosféře je ho asi stokrát méně. Jeho celková radiační účinnost v roce 2009 činila asi 0,50 W/m2(tj. asi třikrát méně, než u CO2).

Koncentrace methanu rostla výrazně během 20.století, v 90.letech ale růst zpomaloval. Od roku 1999 do roku 2006 se množství methanu v atmosféře překvapivě stabilizovalo na úrovni 1,77 ppm. Od roku 2007 však opět dochází k mírnému růstu množství methanu v atmosféře. Další vývoj není zcela jasný, nicméně se odhaduje, že množství methanu bude dál spíše stoupat. Oteplování planety by totiž mělo uvolnit do ovzduší methan uvězněný dosud ve zmrzlé půdě v severských oblastech.

Oxid dusný zaujímá v pořadí důležitosti 3.místo mezi skleníkovými plyny. Do atmosféry se dostává interakcí s pedosférou (půdy), jde z větší části o přirozený proces. K vyšším únikům N2O do atmosféry přispívá opět zemědělství – díky hospodaření na půdách i hnojení. Nejnovější zjištění poukazují na vliv pastvin se skotem, podobně jako u methanu. Plyn je to sice více než 300 krát účinnější než CO2, ale je ho ve vzduchu zhruba 1000 krát méně – takže jeho vliv na klima je o řád krát menší. Radiační účinnost v roce 2009 činila 0,17 W/m2.

Předpokládáme, že koncentrace tohoto plynu v atmosféře bude dále výrazně stoupat. Koncentrace oxidu dusného roste velice stabilním tempem od začátku jeho měření. V roce 1979 činila 0,300 ppm, v roce 2009 již 0,323 ppm.

Dalšími důležitými látkami jsou různé typy freonů, které jsou většinou antropogenního původu. Produkci freonů se však podařilo na konci 20.století omezit, zejména v zájmu ochrany ozónové vrstvy. Jejich skleníkový účinek je řádově vyšší než u přirozených plynů, avšak o to je jich méně.

Freony dosáhly nejvyšších hodnot kolem roku 2000, od té doby jejich množství stagnuje až velmi mírně klesá. Celkový součet všech těchto plynů dává radiační účinnost 0,33 W/m2.

Nahoře: Koncentrace CO2 (počet částic z milionu), N2O a methanu (částic z miliardy) a některých vzácných skleníkových plynů (částic z bilionu) v letech 1979 – 2008. Zdroj:NOAA


Podíl jednotlivých skleníkových plynů na zesílení absorpce slunečního záření vyjádřen radiační účinností (W/m2, levá stupnice). Výchozím bodem je rok 1750, pro který je radiační účinnost stanovena jako 0. Oxid uhličitý má podíl kolem 60%, methan 20% a o zbylou pětinu se dělí ostatní plyny. Na pravé stupnici index radiační účinnosti, kde rok 1990 je roven hodnotě 1 a je vyznačen. Zdroj:NOAA