Skleníkový efekt: Co to je a jak funguje?

Skleníkový efekt je proces absorpce a emise záření v atmosféře, jehož důsledkem je udržování tepelné energie. Skleníkový efekt je přirozenou součástí atmosféry, a bez něj by celá atmosféra Země byla asi o 30 °C studenější. Zatímco nyní je průměrná globální teplota vzduchu na úrovni hladiny moře 15 °C, bez skleníkových plynů by byla asi -18 °C a možná by tak nemohl ani vzniknout život.

Termín „skleníkový efekt“ použil poprvé v roce 1824 francouzský matematik Fourier, ale jedná se jen o přirovnání, nikoli o podstatu věci. Skutečný skleník je budova, jejíž skleněné části propouštějí záření zvenčí dovnitř; maximální energii nese viditelné záření, které proniká sklem a účinně ohřívá povrch uvnitř skleníku. Ohřátý vzduch ve vnitřním prostoru skleníku nemůže unikat a proto se zde udržuje zvýšená teplota oproti vnějšímu prostředí.

Sluneční záření, tj. hlavní zdroj energie záření, přicházejícího z vesmíru do naší atmosféry, má podle Planckova vyzařovacího zákona nejvyšší energii v oboru vlnových délek kolem 0,5 μm; toto záření je viditelné a dobře proniká skrze atmosféru až na zemský povrch, kterému část své energie předává a zahřívá jej. Atmosférické plyny s viditelným zářením interagují jen slabě, projevuje se to například rozptylem světla a modrou barvou oblohy, ovšem takřka nedochází k přímému ohřevu atmosféry. Světlo tak prochází atmosférou až k zemi, zbavené jen menší části své energie.

Po dopadu na zemský povrch se část energie odrazí zpět (albedo), část vnikne do zemského povrchu a ohřívá jej. V zemském povrchu potom část takto nabyté tepelné energie prostupuje směrem dolů do chladnějších vrstev, a část energie je vyzářena nahoru do atmosféry. Ovšem podle Planckova zákona odpovídá maximum vyzářené energie teplotě zdroje. A tak zatímco povrch Slunce má teplotu asi 5500 K a proto je maximum vyzářené energie kolem vlnové délky 0,5 μm, teplota zemského povrchu je kolem 300 K, tj. podstatně chladnější než Slunce, a maximum vyzářené energie je proto posunuto daleko do dlouhovlnné, infračervené části spektra.

Skleníkové plyny a jejich vliv

Právě na toto dlouhovlnné záření reagují molekuly některých atmosférických plynů - vodní páry, oxidu uhličitého CO2, metanu CH4, oxidu dusného N2O, oxidu uhelnatého CO, fluoridu sírového SF6, fluoridu dusitého NF3, chlor-fluorovaných uhlovodíků neboli freonů, označovaných CFC, ozónu O3, a dalších. Tyto plyny nazýváme souhrnně jako skleníkové - do značné míry absorbují dlouhovlnné infračervené záření, a touto absorpcí přijímají jeho energii. Zvýšení jejich energie se pak projeví jako zvýšení teploty atmosféry, v níž jsou skleníkové plyny zastoupeny. Čím větší je koncentrace skleníkových plynů mezi ostatními atmosférickými plyny, tím více se projevuje skleníkový efekt, tedy oteplení, způsobené absorpcí dlouhovlnného záření a jeho následným vyzářením.

Čtěte také: Řešení klimatických změn

Jinými slovy řečeno, molekuly skleníkových plynů, které zvýšily svoji energii (tj. teplotu) vlivem absorpce dlouhovlnného vyzařovaní zemského povrchu, tento přebytek následně vyzařují kolem sebe a zahřívají tak prostor, ve kterém se nacházejí. Vyzařují jak nahoru, do stran, tak i směrem zpátky dolů k zemského povrchu. Takto směrovaný tok energie se nazývá zpětné záření atmosféry, a právě to je zodpovědné za ohřívání vzduchových mas u zemského povrchu, kterému se říká skleníkový efekt.

Globální oteplování je pouze důsledkem zesilování již existujícího skleníkového efektu; za posledních 150 let tak došlo ke globálnímu oteplení přízemních vrstev atmosféry o 0,8 °C. Trend oteplování není lineární, v 19. století byl nárůst takřka neznatelný, v letech 1905 až 1945 byl růst velmi výrazný, pak následovala až do začátku 80. let 20. století stagnace, a potom nastal zrychlující se nárůst teploty. V desetiletí 2000-2010 bylo vidět zpomalení růstu nebo dokonce stagnace; podle vyjádření klimatologů jsou však krátké epochy stagnace jinak celkového růstu obvyklé a nemusejí znamenat, že trend růstu teploty skončil. Lze tedy očekávat, že po stagnaci, trvající 10 let nebo i několik desítek let, bude pokračovat trend růstu.

Každý ze skleníkových plynů se v procesu skleníkového efektu projevuje různě intenzivně. Kvantifikaci tohoto efektu lze měřit pomocí spektrální analýzy - změří se, kolik infračerveného záření daný plyn pohltí, tzn. kolik energie tohoto záření si vezme pro sebe a kolik propustí dál. Tímto způsobem bylo zjištěno, že zcela největší absorpci IR záření vykazuje vodní pára. Podstatně méně absorbuje některé vlnové délky IR záření metan nebo oxid uhličitý, a ještě méně pak další skleníkové plyny. Skleníkový efekt je tak asi ze 60 % tvořen vodní párou. Účinnost metanu je 21x vyšší než účinnost oxidu uhličitého, účinnost oxidu dusného je dokonce 310x vyšší než účinnost oxidu uhličitého. Proč se tedy tolik mluví o kysličníku uhličitém a o potřebě redukce jeho množství v atmosféře, pokud by pokračovalo globální oteplování?

Koncentrace CO2 v atmosféře je oproti ostatním skleníkovým plynům (s výjimkou vodní páry) zdaleka nejvyšší. Už od poloviny 19. století množství molekul CO2 v atmosféře stále roste. Zatímco na začátku 19. století byla koncentrace CO2 v atmosféře 280 ppm, v roce 2010 tato koncentrace dosáhla již 380 ppm. Výraz „ppm“ znamená „parts per million“, tj. počet daných částic v miliónu všech částic. Není úplně známo, čím vším je tento nárůst způsoben, nicméně beze všech pochybností se na něm podílí činnost člověka, zejména jeho spalování fosilních paliv.

CO2 se však do atmosféry dostává i jinými, přirozenými cestami - z oceánů, vulkanickou činností, z minerálních vod, přirozenými požáry, apod. Do atmosféry se ročně dostává kolem 100 miliard tun uhlíku, z toho asi 10 % produkuje člověk. Téměř všechen uhlík se v tzv. uhlíkovém cyklu dostane z atmosféry zase zpátky na povrch Země a do oceánů; využívají jej například rostliny při fotosyntéze. Otázkou zůstává, nakolik se uhlíkový cyklus a potažmo tepelný režim atmosféry pozmění, když bude antropogenní produkce CO2 snížena, což je požadavek vyskytující se v různých mezinárodních ujednáních, jejichž účelem má být utlumení globálního oteplování.

Čtěte také: Dopady změny klimatu

Lidský vliv a emise skleníkových plynů

Lidmi způsobené emise skleníkových plynů zesilují v atmosféře skleníkový efekt, což vede k oteplování planety. Hlavním antropogenním skleníkovým plynem je oxid uhličitý (CO2), který k oteplování přispívá přibližně ze 70 %. Jeho koncentrace v atmosféře rostou především kvůli spalování fosilních paliv, ale například i kácení pralesů nebo výrobě oceli a cementu. Dalším významným skleníkovým plynem je metan (CH4), který do atmosféry uniká hlavně při těžbě fosilních paliv a chovu dobytka.

V roce 2022 celý svět vypustil do atmosféry 57,4 miliard tun CO2eq. Tato jednotka přepočítává množství různých skleníkových plynů na množství CO2, které by mělo stejný příspěvek ke skleníkovému jevu. Klimatická změna závisí na celkovém množství skleníkových plynů v atmosféře, při srovnávání jednotlivých zemí je však také vhodné vyjádření na obyvatele.

Jednotka tuna CO2 udává tedy výhradně množství oxidu uhličitého. Jednotlivé skleníkové plyny se přepočítávají na tzv. CO2eq (CO2 ekvivalent), tedy na množství oxidu uhličitého, které by mělo stejný příspěvek ke skleníkovému jevu atmosféry jako množství těchto ostatních vypuštěných plynů. Vzhledem k různému poločasu života jednotlivých plynů v atmosféře se tento příspěvek uvažuje za určitou standardizovanou dobu, zpravidla uvažujeme horizont 100 let a používáme tzv. GWP (Global Warming Potentital) koeficienty.

V porovnání s celosvětovými emisemi se mohou zdát emise Česka zanedbatelné - v roce 2022 Česká republika vypustila 118,5 milionu tun CO2eq (při zahrnutí sektoru využití půdy a lesnictví 121,8 mil. tun CO2eq). V roce 2022 Česko vypustilo 118,5 milionů tun CO2eq, přepočteno na obyvatele jde o 10,9 tuny CO2eq na osobu. Světový průměr v roce 2022 byl 7,2 tun CO2eq na osobu.

Jednotlivá hospodářská odvětví přispívají ke klimatické změně v různé míře. Například v Česku je výroba elektřiny a tepla zodpovědná za 33 % emisí skleníkových plynů, oproti tomu průmysl přispívá 28 %, doprava 16 % a zemědělství přibližně 8 %. Podíl jednotlivých sektorů na emisích se liší jak v čase, tak napříč zeměmi. V Česku jsou relativně vyšší emise z energetiky oproti ostatním zemím kvůli vyššímu podílu uhelných elektráren a skutečnosti, že Česko je vývozcem elektřiny.

Čtěte také: Příčiny a Důsledky Klimatických Změn

Mnohé přírodní jevy také uvolňují skleníkové plyny. Například dýcháním člověk vyprodukuje přibližně 300 kg CO2 za rok, podobně oxid uhličitý vydechují také jiné organismy. Dýchání však nepřispívá ke klimatické změně, neboť se jedná o uzavřený cyklus uhlíku: veškerý vydechovaný uhlík byl dříve pohlcen z atmosféry při fotosyntéze rostlin. Silným skleníkovým plynem je vodní pára, avšak její cyklus v atmosféře je také uzavřený a množství vypařené vody je dáno teplotou. Na přibližně 70 % světových emisí skleníkových plynů se podílí oxid uhličitý.

Globální oteplení je přibližně přímo úměrné celkovému množství emisí skleníkových plynů, které vypouštíme do atmosféry. Pro zastavení klimatické změny je tedy nutné přestat vypouštět skleníkové plyny a dosáhnout takzvané klimatické neutrality. Roli však nehraje pouze to, kdy skutečně snížíme množství vypouštěných plynů na nulu, ale také trajektorie, podle které toto snížení bude probíhat. Množství emisí, které lze ještě vypustit, abychom nepřekročili určitou teplotní hranici, se označuje jako uhlíkový rozpočet.

Pro zastavení klimatické změny je nutné přestat vypouštět skleníkové plyny, neboli dosáhnout tzv. net-zero či klimatické neutrality. Výraz „net-zero“ můžeme přeložit jako „čistá nula“ a je tím myšleno, že daný stát či firma je klimaticky neutrální, tedy odstraňuje z atmosféry stejné množství skleníkových plynů jako do atmosféry vypouští. Tato situace je také označována jako klimatická neutralita nebo uhlíková neutralita s tím, že druhý z pojmů se většinou týká pouze oxidu uhličitého, nikoli všech skleníkových plynů.

Podíl jednotlivých sektorů na emisích skleníkových plynů poskytuje užitečné vodítko pro zaměření mitigačních snah. Největších emisních úspor může Česko dosáhnout proměnou svého energetického mixu. Emisní intenzita ekonomiky označuje množství skleníkových plynů vyprodukovaných na jednotku HDP a zpravidla se uvádí v gramech CO2eq na jeden dolar. Hospodářsky rozvinutější země mají zpravidla méně emisně náročné ekonomiky, neboť služby tvoří větší podíl jejich hospodářství. Oproti tomu v rozvojových zemích tvoří větší podíl hospodářství emisně náročné sektory: zemědělství, průmysl a stavebnictví.

Simulace skleníkového efektu ve výuce

Učitel na začátku lekce vysvětlí žákům, že si vyzkouší simulaci fungování skleníkového jevu a zvyšování koncentrace skleníkových plynů v atmosféře. Simulace bude probíhat pouze s jedním skleníkovým plynem - CO2. Na aktivitu je potřeba dostatek volného prostoru, pokud je skupina ve třídě, doporučujeme přesunout všechny lavice ke stěně. Zhruba uprostřed vybraného prostoru umístíme těleso představující planetu Zemi. Dobře poslouží například židle. Potom na podlaze okolo „Země“ vytvoříme atmosféru - obrysy dvou kruhů z papírové lepicí pásky, jeden větší - vnější, představující horní vrstvu atmosféry (cca 2,5 m od Země), a jeden menší - vnitřní (cca 30 cm od horní vrstvy atmosféry). Mezi kruhy tak vznikne prostor, orbit, po kterém se mohou pohybovat skleníkové plyny.

Na Zemi (židli) umístíme červené kartičky s nápisem Teplo. Počet kartiček by měl být stejný jako počet hráčů simulujících sluneční paprsky. Následně určíme jednoho žáka, který bude stát mezi atmosférou a Zemí. Tento žák bude představovat množství CO2 v roce 1850. Počet žáků představujících oxid uhličitý následně v každém kole stoupá. Dalších 4-6 žáků za atmosférou představuje sluneční paprsky. Počet slunečních paprsků by měl být v každém kole stejný. Každý žák představující sluneční paprsek dostane do ruky jednu žlutou kartičku s nápisem Světlo.

Žákům nejdříve vysvětlíme, co znamenají jednotlivé kruhy a židle uprostřed. Sluneční paprsky běžně procházejí atmosférou, část tohoto záření je pohlcena atmosférickými plyny, oblaky a aerosolem, to při této hře pomineme. Část záření je ale pohlcována nebo odrážena zemským povrchem. To, které je pohlceno, povrch Země pak vylučuje jako tepelné záření. V této hře je tedy úkolem slunečních paprsků proniknout přes atmosféru až k zemskému povrchu a změnit se na tepelné záření. Tato změna proběhne výměnou žluté kartičky „Světlo“ za červenou kartičku „Teplo“ a také dotknutím se povrchu Země (židle). S červenou kartičkou se pak hráči snaží Zemi opustit, tedy dostat se zase za atmosféru. Nicméně, tepelné záření při opouštění zčásti zachycují skleníkové plyny. Může se tedy stát, že unikající teplo zachytí oxid uhličitý - to jsou žáci stojící mezi Zemí a atmosférou. Ti však běhají jen po vyznačeném orbitu. Pokud bude žák představující teplo chycen, zůstává jako teplo v atmosféře a stejně tak to funguje ve skutečnosti. Tímto způsobem si znázorníme několik období od roku 1950 až do budoucnosti do roku 2100 na planetě Zemi. Jedno období je jedním kolem hry. V každém kole se jedná jen o jedno proniknutí a případný únik záření. Po každém kole vyhodnotíme, kolik slunečních paprsků nyní již ve formě tepla v atmosféře zůstalo. V každém kole přibude několik hráčů představujících oxid uhličitý.

Běžná koncentrace CO2 v atmosféře je 275 ppm (parts per million), tj. 0,275 % z chemického složení atmosféry. To odpovídá stavu atmosféry do roku 1750 a tato koncentrace byla v minulých stoletích podobná s drobnými výkyvy (World Resources Institute, 2014). Pro tento stav se v atmosféře v naší hře nevyskytuje žádný žák. Žáci nastupují až s narůstajícími koncentracemi. Každý nárůst o 15-25 ppm CO2 znamená přítomnost o jednoho žáka CO2 v orbitu více.

Po sehrávce hry doporučujeme věnovat dostatečný prostor na reflexi s žáky. K čemu ve hře došlo? Co to znamená zesílení skleníkového efektu? Proč docházelo k nárůstu skleníkových plynů? Jaký by mohla mít zvyšující se teplota vliv?

tags: #skleníkový #efekt #co #to #je

Oblíbené příspěvky:

• Jak třídit odpad v Brně-Lískovci
• Změna klimatu
• Význam divoké přírody
• Česká baladika v evropském kontextu
• Dopady biopaliv