Skleníkový efekt

Některé plyny v atmosféře mají schopnost pohlcovat infračervené paprsky, které vyzařuje povrch Země. Tento přírodní jev, nazývaný skleníkový efekt, přispívá k udržování teplot vhodných pro život. Plyny dusík a kyslík, které tvoří převážnou většinu atmosféry (99%), záření ani nepohlcují ani nevysílají.

Vodní pára, oxid uhličitý a některé další plyny, obsažené v ovzduší v mnohem menším množství, určitou část tepelného záření, jež opouští povrch Země, pohlcují. Tyto plyny působí tedy na vyzařování jako částečná „pokrývka“ a způsobují rozdíl asi 21°C mezi skutečnou a průměrnou povrchovou teplotou na Zemi, jež se pohybuje asi kolem 15°C a hodnotou -6°C, která by nastala v atmosféře obsahující pouze kyslík a dusík.

Působení této „pokrývky“ se nazývá přirozený skleníkový efekt a příslušným plynům se říká skleníkové plyny. Tento účinek se nazývá přirozený proto, že všechny atmosférické plyny zde byly dávno předtím než se objevili lidé. O zvýšeném skleníkovém účinku mluvíme v případě navýšení účinku způsobeného plyny přítomnými v atmosféře vlivem aktivit lidí, jako je odlesňování a spalování fosilních paliv.

Pojem skleníkový efekt se užívá podle podobnosti vlastností skla ve skleníku a zemské atmosféry. Záření slunce prochází sklem dovnitř, kde je rostlinami a půdou uvnitř skleníku pohlcováno (absorbováno). Avšak tepelné záření vycházející z rostlin a půdy je pohlcováno sklem a zpětně vraceno. Sklo tedy v tomto případě funguje také jako „přikrývka“, která pomáhá udržet ve skleníku teplo.

Skleníkové plyny

Nejpravděpodobnější vysvětlení současné klimatické změny na Zemi vychází ze změny v koncentracích skleníkových plynů a atmosféře. Jedná se o plyny, které vykazují schopnost vytvářet skleníkový efekt.

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

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.

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.

Obr.: 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

Role vodní páry – nedoceněná, či přeceňovaná?

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

Není to ale přesvědčivá 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 vodní páry vzduch pojme, nikoliv naopak. Vyšší množství aerosolu (pevných částic) ve vzduchu může vést k mírnému snížení množství vodní páry, ale není to zásadní rozdíl.

Oxid uhličitý jako skleníkový plyn

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.

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.

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 jasné zdůvodnění (CO₂ ze spalování se někam musel dostat a naopak CO₂ v atmosféře se odněkud musel vzít).

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.

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(CH₄) je hlavní složkou zemního plynu. V bažinatých oblastech, kde se rozkládá organický materiál, probublává k povrchu. Podle údajů z vrtných jader ledovců se koncentrace CH₄ více než zdvojnásobila a stoupá v průměru o 1% ročně. Přestože je koncentrace metanu v atmosféře mnohem menší než koncentrace oxidu uhličitého (175krát), není jeho skleníkový účinek zanedbatelný. Je to proto, že efekt způsobený molekulami metanu je přibližně 7,5krát větší než efekt způsobený molekulami oxidu uhličitého.

Oxid dusný (N₂O) je v atmosféře zastoupen v menším množství (6,7krát méně než metan) a ročně stoupá o 0,25%. Přídavné zdroje, přispívající ke zvyšování jeho obsahu, jsou podle současných měření automobily. Koncentrace oxidu dusného roste velice stabilním tempem od začátku jeho měření. Životnost v ovzduší je relativně dlouhá – okolo 120 let – tedy nejvíce z uvedených plynů.

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.