Skleníkové plyny v ovzduší a globální oteplování

Desítky let se lidé pokoušeli ukázat, že růst průmyslových skleníkových plynů v dnešní atmosféře znamená globální oteplení, ale vždy neúspěšně. Mnozí došli k závěru, že mají sotva měřitelný vliv na globální teplotu, nebo ji dokonce snižují. Aby byl pohled na tento problém úplný, je třeba uvažovat vedle oxidu uhličitého také vodní páru, která je mnohem významnější skleníkový plyn, a obrovské teplo, které pára odnímá zemskému povrchu.

Jestliže se z jednoho m2 vodní plochy odpaří za hodinu jeden litr, čímž se sníží hladina o jeden milimetr, přejde z vody do vzduchu 2257 kJ tepla v podobě výparného tepla vody (specifického skupenského tepla varu). Za slunečného počasí to není neobvyklý jev. Vyjádříme-li rychlost tohoto děje jako množství v tepla, o které voda (t.j. povrch země) přijde za jednotku času, dostaneme 630 W/m2. To zhruba odpovídá příkonu (na 1m2) poledního slunce v našich zeměpisných šířkách. 250 W/m2 je průměrná hustota zářivého toku, který dopadá na povrch země a který musí země zpět vyzařovat do vesmíru, mají-li se na planetě ustálit teploty. Současná průměrná povrchová teplota se udává 15 °C.

Vodní pára - rozhodující chladivo planety

Tím, že voda přejde v páru, odejme povrchu velké množství tepla. Pára má také výjimečnou schopnost toto teplo vynést vzhůru daleko od zemského povrchu. Zahřátá rychle stoupá, při ochlazení ve výškách zkondenzuje a skupenské teplo uvolní. Z vyšších vrstev atmosféry je toto teplo skleníkovými plyny vyzařováno do vesmíru, srážky (déšť nebo sníh) po dopadu opět ochlazují povrch.

Čím je vzduch teplejší, tím více pojme páry a tudíž tepla. Nejde o prostou úměru, nýbrž o prudký exponenciální růst. Závislost částečného tlaku vodní páry na teplotě je popsána poměrně přesným empirickým vzorcem

(1)

kde a = 27,5 a b = 5780 K, jp = 1 Pa je jednotkový tlak a T je termodynamická teplota. Exponenciální tvar zákona má zajímavé důsledky.

Při termodynamické teplotě 303 K (30 °C) je tlak syté páry 4595 Pa, ale při teplotě 263 K (-10 °C) je tlak jen 253 Pa. Z toho plyne, že vzduch o teplotě 30 °C může unášet až dvacetkrát více páry (a tedy i joulů ve formě skupenského tepla) než zimní studený vzduch.

Dalším důsledkem (1) je, že v tropických až mírných zeměpisných šířkách je dominantním skleníkovým plynem vodní pára a teprve v polárních oblastech začíná hrát roli oxid uhličitý. Například při 15 °C a 80 % rel. vlhkosti je obsah vodní páry ve vzduchu 13 600 ppmv (objemových miliontin) a teprve až při -30 °C a stejné vlhkosti to je to jen 330 ppmv. Obsah oxidu uhličitého se udává celoplanetárně na 360 ppmv.

Vodní pára, velice běžný plyn, má ještě jednu významnou vlastnost. Je (kromě extra stopového a neskleníkového plynu helia s podílem 5 ppmv) nejlehčím plynem v atmosféře. Relativní molekulová hmotnost vodní páry H2O je 18, přičemž kyslíku O2 32, dusíku N2 28 a oxidu uhličitého CO2 44. Jakmile vodní pára odpařením vody vznikne, ihned stoupá jakožto nejlehčí plyn vzhůru, dokud nezkondenzuje. Pára (nezaměňovat s těžkou mlhou) tím zajišťuje stálý transport tepla vzhůru.

Pro úplnost pohledu je nutné doplnit, že skleníkové plyny nejenže teplo pohlcují, ale stejně intenzivně také vyzařují (jinak by totiž jejich teplota musela růst donekonečna). Když teplo pohlcují, samy sebe ohřívají a tím i atmosféru. Ale tím, že teplo také vyzařují, způsobují zároveň i chladivý efekt. Tento chladivý efekt všichni velmi dobře známe: Teplý vzduch ohřátý zemí, který vystoupá vzhůru, se zbavuje tepla pouze vyzařováním do vesmíru. Jiné mechanismy chlazení nejsou možné. Díky tomu s výškou klesá teplota. Kdyby atmosférické plyny nebyly skleníkové, měli bychom nad sebou jen teplý vzduch. Snadno si domyslíme, že významný vliv na ochlazování vyšších vrstev atmosféry má transport lehké vodní páry.

Skleníkové „teorie" a modely

Prognózy budoucího vývoje planetární teploty se dnes vesměs opírají o počítačové modely. Plynou z nich v naprosté většině katastrofické scénáře. Jen výjimečně čtenář vytuší, jak jsou tyto modely navrženy, s čím počítají a jak. Na úplného laika však dělají dobrý dojem, protože výpočet provádí stroj, nikoliv chybující člověk.

Modely, o kterých se pojednává v populárních časopisech a pořadech, jsou výhradně radiační modely. Předpokládají, že zemský povrch je ochlazován hlavně tím, že vyzařuje teplo do vesmíru. Když je ale toto tepelné záření odráženo od atmosféry, která se v důsledku přítomnosti oxidu uhličitého chová jako sklo ve skleníku, dochází k oteplení. Odraženým zářením se země ohřívá, pak více vyzařuje a dalšími odrazy se ještě více ohřívá, atd. Takto je popisován skleníkový efekt, který je myšlenkovým jádrem radiačních modelů. Připodobňování zemské atmosféry ke skleníku je však velmi vzdálené skutečnosti:

  • Zasklení ve skleníku brání pohybu vzduchu, ale tepelné záření může sklem téměř volně unikat. V otevřené atmosféře je to naopak. Studený vzduch se může mísit s chladným, ale tepelné záření od povrchu země nemůže unikat přímo do vesmíru, neboť je pohlcováno atmosférou, k čemuž přispívá i oxid uhličitý.
  • Vlastním zářením odraženým od skleníkové atmosféry se zemský povrch nemůže zahřívat. Šlo by o perpetuum mobile 2. druhu.
  • Sám pojem tepelného záření odraženého od atmosféry je nepřesný. Toto záření má vlnovou délku kolem 10 mikrometrů a pružně (tzn. beze změny vlnové délky) se může odrážet jen od překážek, které jsou větší (kapičky nebo vločky v mracích či mlze). Molekuly skleníkových plynů (CO2 nebo vodní páry), které jsou menší než nanometr (10-9 m) toto záření mohou jen pohltit a po chvíli zase vyzářit. Vlnová délka vyzařování je pak větší a odpovídá teplotě dané vrstvy atmosféry.
  • Mnohem přiléhavější je přirovnání vzdušného obalu zeměkoule k teplé přikrývce, resp. k tepelně izolační vrstvě.

Dalším nedostatkem modelů je, že přehlížejí vodní páru jako nejvýznamnější skleníkový plyn, a uvažují jen oxid uhličitý. Také většinou neberou vážně neradiační mechanismy výměny tepla, např. proudění vzduchu obsahujícího vodní páru a další (odrazivost planety, plochy oceánů a ledovců ad.).

Radiační modely

Velká publicita radiačních modelů, v nichž se „pracuje" pouze se skleníkovým plynem CO2, je dána patrně tím, že vyjdou zpravidla tak, jak mají - totiž že s růstem koncentrace oxidu uhličitého roste povrchová teplota. To sice platí, ale ne bez výhrad.

Sestavme jednoduchý radiační model. Vyjdeme z předpokladu, že pokles teploty s nadmořskou výškou je podle [1] až do 11 km stálý g = dT/dh = -0,0065 K/m, a že tlak p klesá s výškou podle rovnice

(2)

kde p0 je tlak ve výšce 0 m n. m., h je nadmořská výška a T je termodynamická teplota ve výšce 0 m n. m.

Základem modelu je zákon Beerův, Lambertův a zákon Kirchhoffův (ten říká, že těleso v ustálených teplotních podmínkách vyzařuje stejnou energii jako absorbuje). Z prvního zákona plyne, že nekonečně tenká vrstva atmosféry tloušťky dx s absorpčním koeficientem k pohltí procházející záření o intenzitě I o nekonečně malý příspěvek dIA podle rovnice:

(3)

Z druhého zákona pak plyne, že je-li termodynamická teplota této vrstvy T, pak tato vrstva s ohledem na Stefanův Botzmannův zákon [2] vyzařuje tepelné záření o nekonečně malé intenzitě dIR:

(4)

kde σ = 5,67 . 10-8 W/(m2K4) je Stefanova Boltzmannova konstanta. Znaménko „-" jsme nahradili znaménkem „+", abychom vyjádřili, že vrstva záření emituje, nikoliv pohlcuje.

Záření emitované nekonečně tenkou vrstvou podle (4) je vyššími vrstvami pohlcováno podle (3). Kombinace obou vztahů vede k dvojnému integrálu, který vyjadřuje celkové záření, které atmosféra vyzařuje přímo do vesmíru:

(5)

Toto záření je pak rovno slunečnímu, které dopadá za povrch země. To předpokládá, že atmosféra sluneční záření nepohlcuje nebo pružně odráží (beze ztráty energie). Příkladem může být např. odraz světla od mračen.

Klíčovou roli má koeficient absorpce k, který závisí na obsahu skleníkových plynů. Model předpokládá, že příspěvek kCO2 oxidu uhličitého k tomuto koeficientu klesá úměrně s tlakem (2), zatímco příspěvek kH2O klesá úměrně s poklesem částečného tlaku vodní páry podle (1). Celkový koeficient absorpce obou skleníkových plynů je součtem obou příspěvků.

Technickým problémem je, že koeficient k není konstantní, naopak v případě vodní páry má dokonce exponenciální průběh. Také termodynamická teplota klesá lineárně jen do výšky asi 11 km od povrchu a potom má nepravidelný průběh, který svědčí, že neradiační mechanismy sdílení tepla (vedení, proudění) se zde uplatňují méně.

Rozbor výsledků tohoto modelu přineseme v dalších vydáních tohoto časopisu. Zatím se omezme na konstatování, že čistě radiační model vede k nerealistickým popisům skutečnosti, a proto se neobejde bez započítání neradiační složky sdílení tepla mezi zemí, atmosférou a vesmírem. Platí, že malé přírůstky skleníkových plynů rychle zvyšují teplotu jen tehdy, jestliže jsou v atmosféře málo zastoupeny. Tzn. když je tepelné záření vyzařováno od povrchu rovnou do vesmíru. To ovšem není případ současné atmosféry, která toto záření pohlcuje uz ve vrstvě o síle několika stovek metrů.

Přečtěte si zajímavý rozhovor Leoše Kyši na toto téma v článku Vědec: Klaus má s globálním oteplováním pravdu, který byl uveřejněn 4. 3. 2008 na serveru www.tyden.cz.

Literatura a zdroje:
[1] Mikulčák, J., Krkavec, L., Klimeš, B., Pauková, M.: Matematické-fyzikální-chemické tabulky, SPN, Praha 1966.
[2] Horák, Z., Krupka, F., Fyzika. Příručka pro vysoké školy technického směru, SNTL, Praha 1976.


Související odkazy:

1) ... na globální ochlazování dnes nejsme připraveni ani psychicky ani energeticky. S touto variantou vůbec nepočítáme, globální ochlazení pro nás představuje něco na způsob sci-fi. Lidstvo přitom mělo v historii problémy právě s globálním ochlazováním, každé globální oteplování vítalo s otevřenou náručí. Teplo představovalo snadný život a úrodu, zima nesnáze, neúrodu, hladomory a války. Až na konci 20. století lidé obrátili na ruby své priority. (Čtěte více...)
2) Velký podvod s globálním oteplováním.
3) Korupce v Mezivládním panelu o změně klimatu.
4) Země G8 se shodly na omezování emisí a růstu globální teploty.
5) Obama věří v dohodu s rozvojovými státy ohledně klimatických změn.

Autor: RNDr. Jiří Hejhálek
Foto: Archiv firmy