FYZIKA

 
FYZIKÁLNE ÚLOHY
EXPERIMENTY
UČEBNÉ TEXTY
TESTY
VÝUČBA
DIDAKTIKA FYZIKY
WWW STRÁNKY
ENV. FYZIKA
PUBLIKÁCIE
DIPLOMOVÉ  PRÁCE
UČEBNÉ POMÔCKY
ĎALŠIE VZDELÁVANIE
KUF - KLUB UČITEĽOV
DIDFYZKE
AKTUALITY

Skleníkový efekt je fyzikálny jav súvisiaci s tepelným žiarením zohriatého telesa - Zeme a jeho pohlcovania Zemskou atmosférou. V predindustriálnej dobe existoval len tzv. prirodzený skleníkový efekt, spôsobený hlavne existenciou vodnej pary a nízkych koncentrácií CO₂ v atmosfére. Prírodným zdrojom CO₂ bola sopečná činnosť. Bez jeho prítomnosti by bola teplota zemského povrchu asi o 33oC nižšia než je v skutočnosti (!).

S rozvojom priemyslu na našej planéte začalo množstvo CO₂ a spolu s ním aj ďalších skleníkových plynov v atmosfére stúpať a vedci zistili, že došlo k neúmernému rastu skleníkového efektu oproti jeho prirodzenej úrovni.

Základný mechanizmus skleníkového efektu je znázornený na obr. 1 a bol známy už dávno predtým, ako sa stal pre ľudskú civilizáciu hrozbou.

Obr.1 Mechanizmus skleníkového efektu. Nadmerný obsah skleníkových plynov bráni úniku tepla, ktoré sa naša Zem – ohrievaná Slnkom – snaží vyžiariť späť do vesmíru. Niečo podobné pozorujeme aj v skleníku alebo fóliovníku. Naša Zem so svojou “fóliou” – znečistenou atmosférou sa tak stáva obrovským fóliovníkom, v ktorom sa teplota voči normálu stále zväčšuje.

Slnko vysiela na Zem svoju energiu vo forme elektromagnetického žiarenia. Časť dopadajúceho žiarenia je odrazená zemskou atmosférou, zbytok ňou preniká a ohrieva zemský povrch (je nutné vziať do úvahy už známy fakt, že horné vrstvy stratosféry absorbujú veľkú časť ultrafialovej zložky spektra).

Vodná para, CO₂ a ďalšie tzv. skleníkové plyny patria k látkam, ktoré absorbujú dlhovlnnú infračervenú zložku žiarenia, emitovanú zemským povrchom (žiarenie s vlnovou dĺžkou od 0,4 do 14,7 mm)

Krátkovlnná časť slnečného žiarenia je absorbovaná len v malej miere, naproti tomu červené lúče viditeľnej časti spektra, a najmä neviditeľné dlhovlnné infračervené žiarenie (tzv. tepelné žiarenie) je absorbované významne skleníkovými plynmi. Krátkovlnná zložka zohrieva zemský povrch, ktorý na základe platnosti Planckovho vyžarovacieho zákona vysiela tepelné žiarenie späť do spodných vrstiev atmosféry. Atmosféra obsahujúca vodné pary, najmä clonu oblakov, oxid uhličitý a ďalšie zložky, toto žiarenie neprepúšťa do kozmického priestoru, ale podstatnú časť vracia späť na zemský povrch.

Teplota zemského povrchu a spodných vrstiev atmosféry je teda len z malej časti výsledkom priameho slnečného žiarenia, pretože väčšina tepla pochádza z tepelného vyžarovania zemského povrchu. Preto sú spodné vrstvy atmosféry teplejšie a teplota smerom od zemského povrchu klesá. Selektívna absorbcia zemskej atmosféry, t.j. skleníkový efekt, hrá v tepelnom režime Zeme významnú úlohu a spolu s ďalšími faktormi, s ktorými je v termodynamickej rovnováhe, ho udržuje na teplote potrebnej pre udržanie života na Zemi (!).

Obr.2 Absorbčné spektrum vodnej pary a CO₂ (čiara znázorňuje rozdelenie energie v spektre infračerveného žiarenia, pásma pohlcovania predstavujú vyšrafované plochy).

Termínom skleníkové plyny označujeme tie plyny v atmosfére, ktoré sú schopné pohlcovať infračervenú zložku slnečného žiarenia.

V dôsledku neuváženej antropogénnej činnosti sa stali prvotnou príčinou začínajúceho globálneho otepľovania, pretože pri vypúšťaní priemyselných emisií do ovzdušia boli výrazne prekročené ich prirodzené koncentrácie v atmosfére. Napríklad koncentrácia CO₂ pred 300 rokmi bola 0,030 %, v súčasnosti je 0,035 % a ďalej stúpa.

Najvýznamnejšie skleníkové plyny a ich percentuálny príspevok na skleníkovom efekte sú uvedené v tabuľke 1.

Tabuľka 1. Skleníkové plyny

CO₂ je najdôležitejší zo všetkých skleníkových plynov, pretože má 50 % - ný podiel na skleníkovom efekte a je určujúcim činiteľom pri mapovaní situácie. Hladinu CO₂ v atmosfére začal ako prvý na svete monitorovať americký vedec Roger Revelle. Neskôr jeho kolega C.D. Kelling na havajskej sopke Mauna Loa pravidelne mesačne meral koncentráciu CO₂ . Výsledky jeho meraní znázorňuje graf na obr.3. Graf ukazuje mesačnú priemernú koncentráciu CO₂ v ovzduší od apríla 1958 do júna 1991. V lete krivka klesá, pretože vegetácia na severnej pologuli (kde sa nachádza väčšina pevniny) vdychuje obrovské kvantá CO₂. V zime, keď listy opadajú, krivka opäť stúpa. Maximálne koncentrácie sa posúvajú z roka na rok vyššie v dôsledku takých ľudských činností, ako je spaľovanie fosílnych palív (produktom tohto spaľovania je CO₂) a ničenie lesov, hlavne v oblasti rovníka.

Obr. 3 Observatórium Mauna Loa, Havajské ostrovy. Mesačné priemerné koncentrácie CO₂ od apríla 1958 do júna 1991.

V prírode existuje cyklus kolobehu uhlíka, ktorý je znázornený na obr. 4. Schematicky znázorňuje uhlíkový cyklus. Zobrazené sú hlavne rezervoáre a toky. Hmotnostné údaje sú v Gt uhlíka (rezervoáre) a v Gt za rok (toky).

Obr..4 Schematické znázornenie uhlíkového cyklu.

Bez ľudských zásahov by bola uhlíková bilancia suchozemského života, oceánov a atmosféry vyrovnaná s tým, že malá časť atmosferického CO₂, ktorá každoročne prejde do suchozemských organizmov a oceánov, je zhruba vyvážená občasnou vulkanickou činnosťou. Skutočnosťou je ale fakt, že táto rovnováha je už veľmi dlho narušovaná.

Fosílne palivá - uhlie, ropa a zemný plyn, sú tvorené uhlíkom, ktorý bol súčasťou pravekých organizmov. Uhlie je tvorené hlavne fosílnymi rastlinnými zvyškami. Ropa vznikla predovšetkým termálnym zrením organických látok v morských sedimentoch, tvorených hlavne fytoplanktonom. Zemný plyn pochádza z rôznych organických sedimentov prevažne rastlinného pôvodu. Spaľovaním fosílnych palív sa dostáva do atmosféry ročne asi 5,7 Gt (± 0,5 Gt) uhlíka. K tomuto množstvu musíme ešte pripočítať asi 2 Gt uhlíka produkovaného ničením lesov. Keď vezmeme do úvahy ešte 2 Gt uhlíka zachyteného ročne v oceánoch a ďalšie 2 Gt odstránené suchozemskými organizmami, dospejeme k čistému prírastku asi 2 Gt uhlíka v atmosfére ročne. Tento prírastok predstavuje časť celkovej antropogénnej produkcie uhlíka a nazýva sa vzdušný podiel.

Obsah uhlíka (v Gt) v rôznych zložkách klimatického systému ukazuje tab.2.

                  Tabuľka č.2

Ak budeme pokračovať vo zvyšovaní tempa spaľovania fosílnych palív, pridáme do atmosféry za 200 rokov od začiatku priemyselnej éry také množstvo uhlíka, ktoré sa rovná obsahu uhlíka vo všetkej živej hmote na našej planéte. Tým však nie sú naše možnosti vyčerpané. Rezervy fosílnych palív obsahujú približne 5 - 10 000 Gt uhlíka ročne a ľudstvu nič nebráni v ich využívaní. Ak sa spotrebujú tieto dnes známe zdroje uhoľných a ropných zásob, spôsobí to vzrast uhlíka v atmosfére na trojnásobok dnešnej hodnoty.

Pre porovnanie možno uviesť fakt, že teploty v dobe druhohorných plazov (pred 66 - 140 mil. rokov) boli o 10 - 15oC vyššie ako dnes. Geochemici spočítali, že táto teplota zodpovedala obsahu atmosferického uhlíka 4 - 8 krát vyššiemu, než je dnes.

Majú medzi skleníkovými plynmi najväčšiu účinnosť na jednotku hmotnosti. Ich účinky a zdroje sú popísané v časti 1.

Methan CH₄:

Molekula methanu (CH₄) ako skleníkového plynu je asi 20-krát účinnejšia než molekula CO₂, pričom koncentrácia methanu v atmosfére stúpala v tomto storočí rýchlejšie - asi o 1 % ročne. V súčasnosti sa jeho koncentrácia zvýšila asi 2,5 - krát. Čo sa týka dôležitosti, methan je na druhom mieste za CO₂ a podieľal sa 16 % na skleníkovom jave už od úsvitu priemyselnej éry.

Rozdelenie ročných emisií methanu uvádza tab.3.

                Tabuľka č.3           

Ďalšiu skupinu skleníkových plynov tvoria oxidy dusíka. Oxidom dusnatým a oxidom dusičitým sme sa zaoberali v časti 1. v súvislosti s ozónovou vrstvou. Teraz si podrobnejšie rozoberieme oxid dusný.

Oxid dusný je ešte účinnejší skleníkový plyn než methan, pretože jeho molekula je asi 230-krát účinnejšia než molekula CO₂. Jeho podiel na skleníkovom efekte je asi 4 %, v 80 - tych rokoch to bolo 6 %. Jeho koncentrácia v roku 1990 bola 310 častíc z miliardy, t.j. o 8 % viac než pred priemyselnou revolúciou a stúpa asi o 0,2 - 0,3 % ročne. Ročný atmosferický prírastok je 3 - 4,5 Tg.

Hlavným deštruktorom N₂O je UV - žiarenie (v stratosfére). Životnosť N₂O v atmosfére sa odhaduje na 150 rokov a stratosferickou deštrukciou sa odstránia asi len 2/3 ročných emisií. Odhadované zdroje oxidu dusného sú uvedené v nasledujúcej tabuľke:

       Tabuľka č.4    

             Podľa odhadov odborníkov je k udržaniu stability súčasnej koncentrácie N₂O v atmosfére nutná okamžitá redukcia o 70 - 80 % prebytočných emisií (t.j. asi 23 % celkových emisií.

"Fotochemický smog" alebo ozón O₃ je plyn skleníkového efektu a vzniká fotochemickými reakciami, na ktorých sa podieľajú uhľovodíky aj oxidy dusíka za prítomnosti slnečného žiarenia (čast. 1.). Zatiaľ čo troposferický ozón predstavuje asi len 8 % všetkých plynov, jeho význam je v skutočnosti o niečo väčší. Ozón má atmosferickú životnosť v rozsahu hodín až dní, na rozdiel od iných plynov skleníkového efektu, u ktorých sa životnosť počíta na desiatky dní až 100 rokov. Odstránenie prekurzorov troposferického ozónu by teda mohlo mať výraznejší krátkodobý účinok než eliminácia rovnakého množstva skleníkových plynov.

Existencia zvýšenej úrovne skleníkového efektu a neustále zvyšovanie emisií CO₂ má za následok postupné celosvetové otepľovanie. Uveďme niektoré dôsledky priemerného globálneho oteplenia asi o 4⁰C, ktoré môže byť spôsobené zvýšením koncentrácie CO₂ o 0,042 %, čo je pri súčasnom trende zvyšovania emisií CO₂ možné už v budúcom storočí.

Ohrievaním atmosféry sa mení jej celková cirkulácia a následne dochádza k posunu klimatických pásiem. Priemerným oteplením asi o 4⁰C by mohlo dôjsť k topeniu ľadovcov v Antarktíde, Arktíde a v Grónsku. Pokiaľ by došlo ku zvýšeniu hladiny svetového oceánu o 1 m, boli by zaplavené rozsiahle, dnes úrodné a husto osídlené územia v Indii, Bangladéši, Európe a inde. To by vyvolalo, okrem iného, nové masové sťahovanie ľudí s následnými národnostnými, náboženskými a politickými konfliktami.

Väčšina veľkomiest leží na pobreží. Mnoho malých ostrovov (Fidži, Šalamúnové ostrovy, Seychely, Barbados, Bahamské ostrovy a iné) by sa stali neobývateľnými.

Ak sa zaoberáme klimatickými zmenami, vyplývajúcimi z globálneho otepľovania, je nutné vysvetlenie pojmu klíma. Klíma na Zemi je výsledkom zložitých interakcií medzi plynným obalom Zeme na jednej strane a oceánmi, ľadovcami v polárnych oblastiach, živou prírodou a dokonca aj horninami zemského povrchu, na druhej strane. Hovoríme o klimatickom systéme, čím máme na mysli všetky zložky pôvodného prostredia, ktoré sa podieľajú na tvorbe klímy. Klimatický systém má v podstate 5 zložiek: atmosféru, hydrosféru, kryosféru, biosféru a geosféru. Ide teda o systém rôznych činiteľov, ktoré sa navzájom ovplyvňujú.

Zvýšením koncentrácie skleníkových plynov nad normálnu úroveň došlo k porušeniu termodynamickej rovnováhy v tomto systéme. Preto, ak hovoríme o globálnom otepľovaní, treba uviesť, že významnú úlohu tu hrajú aj spätné väzby vyplývajúce z existencie tohto klimatického systému.

Spätné väzby hrajú rozhodujúcu úlohu v hodnotení nebezpečenstva globálneho otepľovania. Sú to v podstate fyzikálne mechanizmy, ktoré môžu byť uvedené do činnosti ohrievaním atmosféry a oceánov. Ich účinkom môže byť proces otepľovania buď tlmený (negatívna alebo chladiaca spätná väzba (-)) alebo zosilnený (pozitívna alebo ohrievacia spätná väzba (+)). Patria tu napríklad vodná para (+), ľad a sneh (+), oblaky (neznámy účinok), teplota oceánu (+), cirkulácia oceánu (+), pôdna vlhkosť (+ -).

V dôsledku systému spätných väzieb dôjde v najbližšej budúcnosti k zmenám klímy. Vedci sa snažia pomocou počítačových modelov čo najpresnejšie predpovedať tento vývoj. Je to však komplikované, ak sa majú brať do úvahy všetky spätné väzby, pričom účinky niektorých z nich ešte nie sú celkom objasnené.

Uvádzame niektoré výsledky, ktoré sú už medzi odborníkmi všeobecne známe:

a) 25 % vzrast CO₂ v atmosfére, 100 % vzrast obsahu methanu v rovnakom období a antropogénne znečisťovanie atmosféry látkami, ako sú freony, by malo zvýšiť absorbciu slnečného žiarenia približne o 2 W na m² zemského povrchu (v súčasnosti je to niečo nad 1 W na m²).

b) Nasledujúca tabuľka uvádza možné klimatické zmeny spôsobené dvojnásobným zvýšením koncentrácie CO₂:.

Veľké ochladenie stratosféry (takmer isté)

Znížená koncentrácia ozónu v horných vrstvách atmosféry spôsobí zníženie pohlcovania ultrafialovej zložky slnečného žiarenia a taktiež znížený ohrev. Prírastky v koncentrácii CO₂ a ďalších radiačne aktívnych stopových plynov zvýšia radiačné prírastky tepla zo stratosféry.

Globálne zvýšenie priemernej teploty na zemskom povrchu (veľmi pravdepodobné)

Dlhodobé priemerné oteplenie zemského povrchu spôsobené zdvojnásobením koncentrácie CO₂ sa odhaduje v rozpätí 1,5 až 4,5 ⁰C. Najväčšia neistota pri odhade sa týka vplyvu oblačnosti. Skutočná rýchlosť otepľovania v budúcom storočí bude daná rýchlosťou prírastku skleníkových plynov, prirodzenými fluktuáciami klimatického systému a reakcií pomaly sa prispôsobujúcich častí klimatického systému, tj morí a ľadovcového príkrovu.

Zvýšenie priemerných zrážok v globálnom merítku (veľmi pravdepodobné)

Zvýšené ohrievanie zemského povrchu spôsobí väčšiu evaporáciu (vyparovanie) a taktiež zvýšené množstvo vodných zrážok. Napriek tomu v niektorých regiónoch by mohlo dôjsť k úbytku zrážok.

Obmedzenie zaľadnenia morí (veľmi pravdepodobné)

Otepľovanie klímy povedie k celkovej redukcii morského ľadu

Oteplenie polárnych oblastí v zimnom období (veľmi pravdepodobné)

S posunom hranice morského zaľadnenia k pólom dôjde podľa modelovej predpovede k dramatickému zvýšeniu zimných teplôt na povrchu polárnych oblastí, ktoré až trikrát prevýši priemerné globálne zvýšenie.

Letné kontinentálne oteplenie a sucho (pravdepodobné v dlhodobom výhľade)

Niektoré štúdie predpovedajú výrazné trvalé zníženie vlhkosti pôdy v letnom období, týkajúce sa vnútrozemských oblastí mierneho podnebného pásma. Sucho je vyvolané skorším ukončením jarného roztápania a daždivého obdobia spolu so skorším nástupom letného vysušovania pôdy. Tieto dlhodobé modelové predpovede sa týkajú rovnovážnej situácie, nie sú však smerodajné pre klimatické zmeny v niekoľkých budúcich desaťročiach.

Zvýšenie množstva zrážok v pásme vyšších zemepisných šírok (pravdepodobné)

Oteplenie spôsobí zvýšenie prenikania teplého a vlhkého vzduchu smerom k zemským pólom a povedie taktiež ku vzrastu priemerných ročných zrážok vo vyšších zemepisných šírkach.

Zvýšenie hladiny svetového oceánu (pravdepodobné)

Zvýšenie morskej hladiny je všeobecne predpovedané ako následok teplotnej rozpínavosti morskej vody. Oveľa viac nejasností je okolo veľkosti objemového príspevku z topenia a odlamovania ľadovcov.

6. Vplyv obmedzenia emisií skleníkových plynov na globálne otepľovanie

Existujú dve skutočnosti, ktoré výrazne ovplyvnia vývoj atmosferickej koncentrácie skleníkových plynov v budúcnosti.

1. Koncentrácie CO₂, NO₂ a CFC v ovzduší len pomaly reagujú na zmeny v množstve emisií. Je to spôsobené ich dlhou životnosťou v atmosfére.

2. Z toho vyplýva druhá skutočnosť, že čím ďalej bude pokračovať súčasný rast emisií, tým väčšie obmedzenie bude nutné ku stabilizácii koncentrácie na danej úrovni v budúcnosti.

Tabuľka 5 uvádza, aké zníženie emisií je nutné pre udržanie koncentrácie skleníkových plynov v atmosfére na súčasnej úrovni:

           Tabuľka č.5     

Obr.5 Vplyv 50% a 75% obmedzenia globálnych emisií CO₂ v porovnaní so zachovaním emisií na úrovni r.1985.Rozptyl je spôsobený použitím dvoch rôznych modelov pohlcovania CO₂ oceánmi.

Na záver uvediem výrok amerického vedca Georga M. Woodwela, ktorý sa zaoberá problematikou globálneho otepľovania:

"Som presvedčený, že pokiaľ ľudstvo neprikročí k obmedzovaniu emisií skleníkových plynov, nebude víťazov na otepľujúcej sa zemeguli a riziká, ktoré tento vývoj prinesie, sú ďaleko závažnejšie, než sa všeobecne predpokladá."

K tomu, aby sa tieto riziká nestali skutočnosťou, je treba vychovávať žiakov k ekologickému mysleniu už v škole, teda aj na hodinách resp. seminároch z fyziky. Problematiku globálneho otepľovania tu načrtnutú možno použiť v celkoch termodynamika resp. elektromagnetické žiarenie.

Informačné zdroje:

[1] Zpráva Greenpeace, Nebezpečí oteplovaní Země, ed. Jeremy Leggett, Academia Praha, 1992.

[2] J. Kalvodová, Skleníkový efekt a změny klimatu, Pokroky MFA, r.38, str. 3, 1993.

[3] G. Murínová, M. Ostrožlík, Aká nás čaká klíma, Elektrón, č.8, str.34, 1986.