Vývoj stavu oxidu uhličitého v atmosféře

Globální oteplování je realita, viník je znám a nyní je třeba se s ním vypořádat. Jak? Bezemisním průmyslem včetně energetiky, dopravou, zemědělstvím a tak dále. Na první pohled to vypadá jednoduše. Bohužel, jen na papíře. Realita je jiná. I když v Evropě v roce 2050 budeme mít „zelené“ všechny výše uvedené segmenty ekonomiky, globální oteplování bude pokračovat, navíc celosvětově poroste i množství emisí v ovzduší. Proč tomu tak je, se budeme podrobněji zabývat v prvním čísle CzechIndustry 2021. Nyní se ohlédněme do minulosti. Přinášíme několik pasáží, které jsou věnovány uhlíku v širších souvislostech. Jsou podnětem k zamyšlení třeba o tom, jak dnes hospodaříme se zemědělskou půdou a o dalších diskutovaných otázkách.

Atmosféra je tvořena směsicí plynů, která se nazývá vzduch. Prakticky 99,9 % objemu suché atmosféry tvoří dusík N2 - 78 %, kyslík O2 - 21 % a argon Ar - 0,9 %. Koncentrace oxidu uhličitého (CO2) je významně nižší (0,042 %) a zbylé množství připadá na plyny často stopového výskytu. Složení suché atmosféry se přibližně do 90-100 km nad zemským povrchem až na výjimky (např. koncentrace ozonu v ozonosféře ve výšce 15-35 km) nemění.

Kromě součástí vzduchu nacházíme v atmosféře tzv. příměsi tuhého (např. aerosoly jako je prach, pyl), kapalného (aerosoly jako je voda, slabé kyseliny) či plynného skupenství (oxidy síry, dusíku, tisíce chemických látek syntetického původu).

Skleníkové plyny a jejich vliv

Nejdůležitějším plynem zachycujícím dlouhovlnné záření vyzařované zemským povrchem je vodní pára, která má na přirozeném skleníkovém efektu podíl 36-70 % (bez započtení vlivu oblačnosti), následuje oxid uhličitý (9-26 %), metan (4-9 %), ozon (3-7 %) a oxid dusný.

Vodní pára je součástí koloběhu vody a do atmosféry se dostává vypařováním ze zemského povrchu. Lidská činnost vodní páru do atmosféry přidává minimálně. Nicméně teplejší vzduch může absorbovat mnohem více vodní páry, což při současném trendu zvyšování teploty vzduchu vede k vyššímu množství výparu, resp. obsahu vodní páry v atmosféře.

Čtěte také: Uloz.to a autorské právo

Dlouhovlnné záření pohlcují a vyzařují i kapičky a krystalky vody v oblacích, ale krátkovlnné sluneční záření odrážejí. Různé druhy oblačnosti tedy mohou ve výsledku celkové množství energie dopadající na zemský povrch zvyšovat nebo snižovat.

Antropogenně podmíněné skleníkové plyny:

• Oxid uhličitý (CO2) - je přirozeně se vyskytující plyn, který vytváří tzv. uhlíkový cyklus coby produkt dýchání živých organismů a zdroj uhlíku pro fotosyntézu. Dále vzniká spalováním každého materiálu organického původu, tedy i fosilních paliv, dnes stále hlavního zdroje energie. Tímto způsobem se do atmosféry uvolňují zásoby uhlíku miliony let ukládané do litosféry. Na celkovém oteplování (zesilování skleníkového efektu) se ze všech člověkem emitovaných plynů (tedy mimo vodní páru) podílí oxid uhličitý asi 60 %, z čehož rozhodující podíl tvoří právě spalování fosilních paliv (2/3) a odlesňování, kdy uhlík původně vázaný v půdě a lesní biomase emituje ve formě CO2 do atmosféry. Fotosyntéza rostlin totiž odstraňuje oxid uhličitý (tedy uhlík) z atmosféry a ukládá jej do organické hmoty. Další zdroje, jako je výroba cementu, železa či jeho přirozené uvolňování při výbuchu sopek, tvoří jen minoritní podíl. Obsah CO2 v atmosféře se v současnosti zvyšuje tempem přibližně 0,5 % za rok a jeho koncentrace vzrostla od doby předindustriální éry (1750) již o 50 % z 280 ppm (parts per milion, počet částic na milion částic vzduchu) na 422 ppm (stav listopad 2024).
• Metan (CH4) - se podílí na zesílení skleníkového jevu (mimo vodní páry) přibližně 20 %. Hlavními antropogenními zdroji (z aktivit člověka) jsou anaerobní pěstování rýže, úniky zemního plynu při těžbě ropy a uhlí, skládky, ale i digestivní pochody chovaných přežvýkavců. Obsah metanu v atmosféře se od předindustriální doby více než zdvojnásobil. Nárůst metanu v atmosféře v současné době činí necelé 1 % za rok a od předindustriální doby (1780) se jeho koncentrace zvýšila o 160 %. Metan v atmosféře zachycuje dlouhovlnnou zemskou radiaci asi 25krát účinněji než CO2. Doba jeho životnosti v ovzduší je od 10-15 let.
• Oxid dusný (N2O) - se podílí na zesílení skleníkového jevu (mimo vodní páry) asi 6 %. Zdrojem jsou opět fosilní paliva, tedy spalovací procesy, ale hlavně denitrifikace zemědělských hnojiv. Roční nárůst atmosférické koncentrace oxidu dusného činí 0,3 %. N2O je 300krát radiačně účinnější než CO2. V atmosféře zůstává přibližně 110 let. Od počátku průmyslové revoluce vzrostla koncentrace oxidu dusného v atmosféře přibližně o 21 %.
• Freony - jsou uměle vytvořené látky, a i přes jejich nepatrnou (stopovou) atmosférickou koncentraci patří díky své vysoké schopnosti pohlcovat dlouhovlnnou radiaci mezi velmi významné skleníkové plyny. Na zesílení skleníkové plynu (mimo vodní páry) se podílí cca ze 14 %. Nejrozšířenější z nich jsou více než 10 000krát radiačně účinnější než CO2 a v atmosféře mohou zůstávat stovky až tisíce let. Nárůst v současné době činí asi 3 % každý rok.

Význam uhlíku pro rostliny

Důležitým pramenem výživy je zelené rostlině i vzduch, neboť z něho čerpá nejdůležitější část své potravy - uhlík - který se účastní stavby všech složek jejího těla. Přijímání uhlíku ze vzduchu děje se pouze za spolupůsobení světla a tepla slunečního. Rostlina jemnými otvory v listech (průduchy) vdechuje kysličník uhličitý ze vzduchu, za pomoci zeleně listové a paprsků slunečních jej rozkládá na uhlík a kyslík. Uhlík si podržuje a kyslík vydechuje zpět do ovzduší. Z uhlíku staví rostlina za přibrání solí z půdy a vody svoje tělo.

Bez přijímání uhlíku nemůže nastati přijímání jiných živin a stavba těla a je tedy toto vnímání uhlíku (asimilace) základní podmínkou celé produkce rostlinné. A jelikož celý tento zjev je působen a podmíněn zářením a teplem slunečním, je celý život rostliny hromaděním sluneční energie v zásobních látkách jejího těla. Z takto nahromaděné energie je potom živo všecko tvorstvo. Zásoby uhlí, které dnes ženou stroje světa, potrava, která dodává zvířatům i lidem sílu k práci, jest vlastně rostlinou nahromaděná energie sluneční. Jak již bylo řečeno, při asimilaci váže se uhlík a uvolněný kyslík se vrací do ovzduší. Tím zelená rostlina zbavuje vzduch kysličníku uhličitého a sytí jej kyslíkem, který je nutný k dýchání živočichů i rostlin. Idea zelených pásů (pruh lesů a rostlinstva vůbec) kolem měst, která je heslem hygieny XX.

Z nepostradatelných součástí vzduchu nutno na prvém místě uvésti kysličník uhličitý, který hraje neobyčejně důležitou úlohu při tvorbě dřeva a uhlohydrátových složek vegetačních orgánů rostlin. Kysličník uhličitý se tvoří spalováním uhlí a při dýchání v organismu lidí, zvířat a rostlin. Značný podíl na tvorbě kysličníku uhličitého mají v půdě žijící nižší organismy, houby, plísně a bakterie, které rozkládají ústrojné látky v opadalém listí a jehličí a humusové součástky lesních půd. Tímto dýcháním půdy se nahrazuje většina kysličníku uhličitého, jejž spotřebovávají při vzrůstu lesní porosty a vegetace vůbec. Za spolupůsobení světla, vody a zeleni listové (chlorofylu) přijímají listy a jehličí kysličník uhličitý ze vzduchu (asimilace uhlíku) a tvoří ústrojné látky, sestávající z uhlíku, vodíku a kyslíku (uhlohydráty). Dřevo a celulosa obsahují asi 50 % uhlíku. Ročně asimiluje 1 hektar lesa asi 3600 kg uhlíku ze vzduchu, k čemuž je zapotřebí 16 milionů m3 vzduchu. Obsah kysličníku uhličitého ve vzduchu se pohybuje kolem 0,03 %.

V ovzduší lesa však značně kolísá podle výšky vzduchové vrstvy, denní a roční doby, druhu a staří porostu, vlivem větrů apod. Největší množství kysličníku uhličitého obsahují vrstvy vzduchu nad zemí do výšky asi 2 m, kde se hromadí kysličník, vzniklý při dýchání půdních organismů (0,05 - 0,07 %), ve výšce korun obsah kysličníku uhličitého klesá (0,02 - 0,04 %). V době intensivní asimilace ve dne a v létě klesá, v noci a na podzim, resp. v zimě se zvyšuje. Četné výzkumy o složení vzduchu ve smrkových porostech prokázaly, že postupně stoupá obsah kysličníku uhličitého ve vzduchu s přibývajícím stářím porostů.

Čtěte také: Doporučení pro zlepšení ovzduší

Abnormální složení má vzduch v blízkosti továrních středisek, hutí a velkých měst pro obsah kouře a různých odpadních plynů, vznikajících spalováním uhlí neb různými výrobními procesy. Rozbory bylo dokázáno, že i ve vzdálenosti 4 km od kouřového zdroje jsou ve vzduchu lesů škodlivé plyny, v prvé řadě kysličník siřičitý. Obsahuje-li vzduch asi 0,01 % kysličníku siřičitého, poškozuje akutně vegetaci lesních dřevin, kdežto již při obsahu 0,001 % - 0,0001 % byly pozorovány chronické škody. Jestliže vzduchu obsahuje 0,0001 %, projde ročně listím, resp. jehličím dřevin na 1 ha asi 48 kg kysličníku siřičitého. Nastává porucha asimilace rozrušením chlorofylu, poruchy dýchání a transpirace (vypařování vody).

Nejméně citlivými oproti kouřovým plynům a exhalacím továren z jehličnanů je borovice černá, b. obecná, vejmutovka, douglaska, pak jedle a smrk, velmi citlivý je modřín, poněvadž má měkké jehličí. U listnáčů klesá postupně vzdornost v této řadě: dub, javor, buk, lípa, jilm, jeřáb, bříza a jasan. Listy břízy jsou v mládí velmi citlivé, pokud se nepotáhnou vrstvou vosku, později značně vzdorují. Poškozují se nejen starší porosty, ale i kultury a znehodnocuje se půda odvápněním, zkyselením a ochuzením o živiny. Zvlášť citlivé je mlází jedle. Kouřovými plyny trpí též produkce semen, zvláště u jedle a smrku, a znesnadňuje se přirozené zmlazování porostů. Nezřídka škodí lesním porostům též fluor, kyselina solná aj. součástky továrních exhalací.

Biochemie půdního vzduchu

Biochemie půdního vzduchu je dosud poměrně málo probádána, zejména pokud se týče jejího významu pro vzrůst porostů a stanovištní vegetace. Obsah a složení vzduchu v lesních půdách jest jednou z nejvýznačnějších fysikálních vlastností, na nichž závisí produktivita půdy. Chemické složení vzduchu obsaženého v pórech lesních půd, je velmi odlišné od složení vzduchu v ovzduší nad půdou. Obsahuje méně kyslíku než vzduch v ovzduší, ježto při dýchání kořenů rostlinné vegetace a nižších organismů v půdě (bakterií, plísní) se spotřebuje značné množství kyslíku.

V suchých smrkových porostech s pokrývkou surového humusu neb vegetace mechů kolísá obsah kyslíku v půdním vzduchu od 16,3 - 20,7 %, v porostech s vegetací bylinnou kolem 20 %, v zamokřených porostech smrkových klesá někdy až na 1 - 2 % kyslíku. Obsah kysličníku uhličitého naproti tomu je v půdním vzduchu nepoměrně vysoký; v lesních půdách se pohybuje od několika desetin procenta až do 2 - 3 % v hloubce 10 - 30 cm. Vyšší obsahy byly zjištěny v půdách s hustou pokrývkou vegetace, hlavně mechů, v půdách zamokřených smrkových lesů (až 6 % CO2) nebo špatně provzdušněných, poněvadž měly neprodyšné pokrývky surového humusu. Na těchto stanovištích mohou vegetovati pouze rostliny, které jsou k otravným účinkům kysličníku uhličitého krajně necitlivé. Nahromadění kysličníku uhličitého v množství přes 1 - 2 % označiti jako dolní mez toxicity pro rostliny.

Nerostné živiny v půdě obsažené nejsou jediným pramenem výživy zelených rostlin. Nejdůležitější prvek, který jest základem tvorby živé hmoty, jest přijímán ze vzduchu, jest to uhlík, prvek, který se účastní na stavbě všech ústrojných sloučenin, takže polovina rostlinné sušiny jest jím tvořena. Zelené rostliny přijímají uhlík ve formě kysličníku uhličitého ze vzduchu, který pomocí paprsků slunečních ve svých zelených orgánech vážou v drobných tělískách (chloroplastech), jež obsahují zeleň listovou či chlorofyl. Úkaz ten zove se fotosynthesa; probíhá jen ve dne a projevuje se štěpením kysličníku uhličitého na uhlík, který si rostlina ponechává, a kyslík, který vypouští do ovzduší. Z uhlíku vytváří rostlina přímo v chloroplastech škrob.

Čtěte také: Legislativa stavu ohrožení

Buňky, jež nemají zeleně listové, (chlorofylu), nejsou schopny přijímati uhlík z kysl. uhličitého a jsou ve své uhlíkaté výživě odkázány buď na jiné rostliny, neb zvířata, na nichž cizopasí (kokotice, parasitické bakterie a houby), nebo se vyživují z hnijících nebo trouchnivějících ústrojných látek (saprofytické houby a bakterie). Asimilace kysličníku uhličitého a tvorba škrobu u zelených rostlin jest jednou z největších tajemství přírody, které člověk hleděl proniknouti.

Z celkového množství energie, jež v slunečním záření jest rostlině k disposici, zužitkuje tato jen malou část. Becquerel shledal, že listy topinamburu obdrží za 1 hodinu na ploše 1 m2 600 000 kalorií od slunce, z tohoto množství zužitkují však jen 3 200 kalorií k tvorbě 0,8 g škrobu. Z vnějších činitelů má vedle záření slunečního rozhodující vliv obsah kysličníku uhličitého ve vzduchu. Zásoba tohoto plynu udává se ve vzduchu na 0,03 %. Při vyšším obsahu kysličníku uhličitého nastává zvýšení jeho asimilace, ovšem ne úměrně, nýbrž podle zákona ubývajících výnosů. Pokusně bylo zjištěno, že stoupne-li obsah kysličníku uhličitého na 1 %, zvýšila se asimilace pouze asi o polovinu. Stoklasa vypočítal, že v dobré půdě se vydýchá při průměrné teplotě 15 °C na ploše 1 ha do hloubky 40 cm za 220 dní asi 7 500 000 l kysličníku uhličitého, takže každý 1 kg půdy přijde ve styk se 2 l tohoto plynu. Na základě vydýchaného množství kysl. uhličitého lze souditi také na úrodnost půdy. Podle Stoklasy spotřebují na 1 ha půdy do hloubky 30 cm 1 600 až 3 000 kg uhlíku, obsaženého v 32 000 - 60 000 kg humusu k své výživě. Činností mikroflory rozkládá se humus v minerální živiny a kysličník uhličitý, jenž jest zdrojem uhlíkaté výživy zelených rostlin. Problém uhlíkaté výživy jest tak v podstatě otázkou humusovou.

Kdyby všechen tento kysličník uhličitý zůstával ve vzduchu, zdvojnásobilo by se jeho množství za pět set let, ne-li dříve. Následkem toho by zhoustl vzduch kolem země a propouštěl by mnohem méně slunečních paprsků, než je tomu nyní. Země by vylučovala méně tepla. Její podnebí by bylo o celé čtyři stupně mírnější. Ale všechen kysličník uhličitý ve vzduchu nezůstane. Budou jej pohlcovat listy rostlin - to znamená, že zelený háv země bude bohatší a pestřejší. Kysličník uhličitý bude pohlcovat voda. Bez slunečních paprsků by nebyly na zemi ani rostliny, ani živočichové. Ale země nejen dostává sluneční energii, ale odevzdává ji také vesmíru.

Měření koncentrace CO2 a historické trendy

Koncentrace CO2 se vlivem fotosyntézy a dýchání mění během roku, od května do října klesá a během zbytku roku zase roste. Dlouhodobě vlivem spalování fosilních paliv roste tempem okolo 20 ppm za desetiletí. Koncentrace CO2 a pokles koncentrací O2 uvádíme v jednotkách ppm. Jednotka ppm znamená parts per million, tedy označuje počet částic v jednom milionu, podobně jako procento [%], tedy per cent, znamená počet ve stovce a promile [‰] označuje počet v tisíci.

Přesnou metodu měření koncentrace CO2 s přesností 0,1 ppm (tedy 0,00001 %) vyvinul teprve Charles Keeling v roce 1952. Důkaz, že je nárůst koncentrace CO2 v atmosféře skutečně způsobený spalováním, přinesl Keelingův syn Ralph. Ten v roce 1988 objevil způsob, jak velmi přesně měřit koncentraci kyslíku. Jeho měření ukazují na dlouhodobý nepřirozený pokles koncentrace kyslíku v atmosféře. Dnes existují i další vědecké práce, založené mimo jiné na zkoumání izotopových stop, které potvrzují, že oxid uhličitý, který v atmosféře přibývá, pochází ze spalování fosilních paliv.

Od průmyslové revoluce, tedy přibližně od roku 1750, koncentrace CO2 rychle rostou a dosahují vyšších hodnot než kdykoliv za poledních 800 000 let. Průměrné tempo růstu se navíc také zrychluje: v letech 1750-1949 koncentrace CO2 rostla o 2,1 ppm za dekádu, v letech 1950-1999 bylo tempo růstu 11,8 ppm za dekádu a v letech 2000-2020 koncentrace CO2 rostla tempem 21,8 ppm za dekádu. Koncentrace CO2 v průběhu roku kolísá o přibližně 5 ppm, maximum nastává na jaře, minimum na podzim.

Koncentrace CO2 přesahující 400 ppm byly na planetě naposledy před asi 4 milióny let, přičemž na začátku třetihor před 50 milióny let přesahovaly koncentrace CO2 i hodnoty 1500 ppm. Lidstvo ročně spálí asi 8 miliard tun uhlí, 5 miliard tun ropy a asi 3 miliardy tun zemního plynu. Nárůst koncentrací CO2 v atmosféře odpovídá těmto množstvím (po započtení pohlcení části CO2 v oceánech).

Důsledky a varování

V posledních dnech překonala hustota hranici 415 částic na jeden milion, jak ukázala data naměřená v observatoři na havajské sopce Mauna Loa. Hranice 400 částic přitom padla teprve před šesti lety. Obdobné množství částic oxidu uhličitého bylo podle vědců v naší atmosféře v pliocénu, tedy před více než třemi miliony let. Teplota tehdy byla o zhruba tři až čtyři stupně vyšší, mořská hladina omývala břehy o asi 25 metrů výše a na Zemi tehdy panovalo větší horko a vlhko.

V květnu byla zaznamenána rekordní úroveň oxidu uhličitého v atmosféře, konkrétně 419,13 PPM (parts per million - částic z milionu). Jedná se o nejvyšší zaznamenaný údaj od doby, kdy se před šedesáti lety začala úroveň CO2 v atmosféře měřit. Vědci zároveň dodávají, že podobně vysoká úroveň CO2 v atmosféře byla zhruba před 4,1 - 4,5 miliony lety, tedy v době pliocénu. Tehdy byla naše planeta asi o 2-3 °C teplejší než v době předindustriální éry a póly byly pokryty lesy.

„Do atmosféry ročně lidstvo vypouští zhruba 40 miliard tun CO2. Pokud chceme zabránit katastrofální klimatické změně, musí se naší nejvyšší prioritou stát právě snížení CO2. A to co nejdříve a na co nejnižší úroveň,“ komentuje klimatolog Pieter Tans z NOAA.

Zdroje emisí oxidu uhličitého

• Spalovací procesy (uhlíkatá paliva)
• Koksárenství
• Rafinerie olejů a plynu
• Hutnictví a kovoprůmysl
• Cementárny
• Sklárny, výroba keramiky
• Tavení nerostných materiálů
• Zpracování celulózy a dřeva
• Předúprava vláken a textilií, vydělávání kůží a kožešin
• Zařízení na zneškodňování uhynulých zvířat

Dopady oxidu uhličitého

Oxid uhličitý v atmosféře absorbuje infračervené záření zemského povrchu, které by jinak uniklo do vesmírného prostoru, a přispívá tak ke vzniku tzv. skleníkového efektu a následně ke globálnímu oteplování planety. Někdy je oxid uhličitý označován jako jediná příčina vzniku skleníkového efektu, to však není přesné, protože k jeho vzniku přispívají i jiné látky. Oxid uhličitý však ve vzniku skleníkového efektu hraje hlavní roli. Oxid uhličitý není toxický v pravém slova smyslu ale je nedýchatelný.

Ve vyšších koncentracích (například v nedostatečně větraných prostorách) však toxické působení vykazovat může. Krátkodobá expozice oxidu uhličitému může ihned nebo jen s krátkou časovou prodlevou způsobit bolest hlavy, závratě, dýchací potíže, třes, zmatenost a zvonění v uších. Vyšší expozice pak může způsobit křeče, kóma a smrt. Oxid uhličitý je hlavním plynem přispívajícím k intenzifikaci skleníkového efektu a následně k oteplování planety.

Opatření a řešení

Situace je natolik závažná, že musí dojít k řadě opatření. Součástí dokumentu pařížské dohody jsou závazky jednotlivých zemí omezit emise skleníkových plynů, které mají státy od roku 2015 každých pět let aktualizovat.

Existují návrhy projektů, které berou uvedené skutečnosti vážně v úvahu a navrhují například systém, ve kterém cílené probublávání speciálních nádrží spalinami (tzn. oxidem uhličitým) podporuje intenzivní růst řas (tím je odstraňován oxid uhličitý), ze kterých by byla následně vyráběna bionafta. Spalování paliv biologického původu, zejména biomasy a bionafty, by potom z hlediska emisí oxidu uhličitého bylo vyváženo tím, že k jejich vzniku by byl nejprve oxid uhličitý z atmosféry spotřebován a fotosyntézou přeměněn na spalovanou biomasu, což v podstatě kopíruje uzavřený přírodní cyklus.

tags: #stav #oxidu #uhliciteho #v #ovzdusi #vyvoj

Oblíbené příspěvky:

• Environmentální dopady suburbanizace
• Historie přírodních divadel
• Svoz odpadu Troubsko – aktuální informace
• Curver 15l hnědý koš – zhodnocení
• Inovace pro klima