Skleníkový efekt

 

Princip skleníkového efektu není zvlášť složitý. Molekuly některých plynů v atmosféře absorbují určitou část infračerveného záření a tím současně absorbují energii tohoto záření. Té se zbaví emisí (vyzářením) záření s větší vlnovou délkou, šířící se všemi směry od molekuly skleníkového plynu. Část nového záření tedy putuje zpátky k povrchu Země, je to ale záření jiné kvality s jinou vlnovou délkou.

Aby plyn měl tzv. Skleníkovou funkci, nesmí absorbovat krátkovlnné sluneční záření dopadající na Zemi, ale pouze dlouhovlnné (infračervené) záření, které vzniká ze slunečního záření na zemském povrchu. Každý skleníkový plyn absorbuje z širokého spektra záření směřujícího do kosmu jen část. Záření s určitými vlnovými délkami, které skleníkový plyn absorbuje, je označováno jako jeho absorpční okno. Interakcí záření pouze těchto vlnových délek (vlnových délek absorpčního okna) s daným plynem může vznikat skleníkový jev. Absorpční okna jsou pro každý plyn odlišná, mohou se ale překrývat a záření o určitých vlnových délkách se může skleníkovými plyny ze spektra zcela odstranit. Modelováním přeměn slunečního záření v atmosféře a na zemském povrchu došli chemici k závěru, že tzv. Absorpční okno oxidu uhličitého je téměř vyčerpáno. Jestliže stávající atmosféra absorbuje téměř veškeré záření, které může absorbovat oxid uhličitý, další zvyšování koncentrace tohoto plynu v atmosféře již ovlivňuje skleníkový efekt nevýznamně.

Jinými slovy zvyšování koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře je z pohledu globálního oteplování marginální. Tuto skutečnost však klimatické modely ignorují. To samozřejmě neznamená popření existence skleníkového efektu. Bez něj by teplota na Zemi byla v průměru o 33 °C nižší. Vytváří jej z 50 až 80 % vodní pára v atmosféře. Kromě oxidu uhličitého jsou dalšími významnějšími skleníkovými plyny metan (je hlavní složkou bioplynu a zemního plynu) a oxid dusný. Do výčtu je dobré zařadit i syntetické plyny v atmosféře, například jedna molekula fluoridu sírového má potenciál skleníkového efektu odpovídající potenciálu asi deseti tisíc molekul oxidu uhličitého. Už pouze z této hodnoty je patrný obrovský rozdíl mezi jednotlivými plyny. Vytváření vlastního názoru je podmíněno určitými znalostmi. Neznalost veřejnosti je v tomto případě velmi často zneužívána. Znalost tohoto jevu umožňuje porozumět různosti jednotlivých skleníkových plynů. Je neproduktivní soustředit se na omezování emisí oxidu uhličitého.

Skleníkový efekt neroste se stoupající koncentrací skleníkového plynu ani lineárně, ani neomezeně. Při určité koncentraci skleníkového plynu v atmosféře se vyčerpá záření s vlnovými délkami jeho absorpčního okna a proto další růst koncentrace plynu neovlivňuje skleníkový efekt.

Jak metan a oxid uhličitý oteplují planetu

Mám-li citovat panel IPCC, Sira Johna Houghtona a další, pak oxid uhličitý otepluje atmosféru hodně a methan ještě 20× až 50× více. Alarmující „skutečnosti” o metanu se dokonce dostaly do dokumentace BREF na MPO.

Na obrázku je graf, který vydala NASA a který ukazuje procentuální podíl tepelného záření, které je pohlcováno plyny obsaženými v zemské atmosféře. S tímto grafem by environmentalisté neměli mít problém, protože americká národní vesmírná agentura NASA „kope” svědomitě v jejich barvách.

Na grafu jsou absorpční charakteristiky také pro metan (druhý řádek) a pro oxid uhličitý (pátý řádek). Laik se nemusí ničeho děsit, interpretace grafu je velmi jednoduchá.

Vlnové délky tepelného záření, které metan v atmosféře pohlcuje, jsou podle grafu 3,3 mikrometrů (μm) a 7,9 μm (mikrometr je miliontina metru). Podle Planckova vyzařovacího zákona, za který dostal tento vědec v roce 1918 Nobelovu cenu, a z něho odvozeného Wienova, tzv. posunovacího zákona, můžeme spočítat teplotu, kterou musí mít zemský povrch, aby vyzařoval tepelné záření s uvedenými vlnovými délkami. Wienův zákon má jednoduchý tvar:

Tepelné vyzařování není "jednobarevné". Také platí, že od Wienova maxima spektrální hustota záření klesá, směrem ke kratším vlnovým délkám dokonce rychle. V případě zemského povrchu 15°C je maximun pro vlnovou délku 10 mikrometrů. Pro vlnovou délku 2,6 mikrometrů (peak CO2) klesne spektrální hustota přibližně na 1 % procento, pro vlnovou délku 3,3 mikrometrů (metan) ca na 6 %, pro délku 4,3 mikrometrů (CO2) ca na 15 % a teprve pro délku 7,9 (metan) na ca 70 % maximální hodnoty.
Důležité dále je, že absorpční pásy skleníkových plynů jsou velmi úzké, z grafu v článku lze odhadnout, že je to nejvíce několik desetin mikrometru. Ze spektra zemského záření tak mohou pohlcovat jen odpovídající úzkou část.
Má-li zemské záření při teplotě 15°C maximum spektrální hustoty 0,025 W/m2/nm při 10 mikrometrech, bude skleníkovými molekulami pohlcováno přibližně takto: v okolí vlnové délky 2,6 mikrometrů (CO2) méně než 0,1 W/m2, v okolí délky 3,3 mikrometrů (metan) 0,5 W/m2, v okolí délky 4,3 mikrometrů (CO2) ca 1,3 W a teprve pro vlnovou délku 7,9 (metan) to bude ca 5,3 W/m2 pro celý sloupec atmosféry. (Celkem musí atmosférou projít průměrně asi 280 W/m2)
Podstatné je, že nelze předpokládat, že skleníkové plyny veškeré zemské tepelné záření, které pohltily, vyzáří zase zpět k zemi, což říká skleníková teorie. Naprostou většinu energie pohlceného záření předají ve srážkách jiným molekulám vzduchu, zejména kyslíku a dusíku. Vyzáří jen zanedbatelný zbytek a z něho ještě polovinu směrem do vesmíru.
Podrobnější pohled na tuto problematiku důvodně naznačuje, že větší vliv na klima má pravidelné kolísání sluneční aktivity nad atmosférou v rozmezí 1 W/m2, přestup tepla od země do atmosféfy při proudění vzduchu a hlavně vodní pára, která přenáší největší energetické toky.

Jak metan otepluje atmosféru

Nyní si můžeme vzít kalkulačku a do vzorce dosadit vlnovou délku tepelného záření 3,3 μm, které by atmosféra podle grafu NASA pohlcovala. Dostaneme teplotu 605 °C. Je to taková teplota zemského povrchu, aby vyzařoval tepelné záření s maximem vlnové délky² 3,3 μm, které metan v atmosféře pohltí. Vidíme, že je to zcela nerealistická teplota, která vylučuje život na Zemi.

V záloze máme ještě druhou vlnovou délku tepelného záření 7,9 μm, kterou metan pohlcuje. Po dosazení do vzorce dostaneme teplotu 94 °C. Pro environmentalisty to je to už mnohem nadějnější výsledek, přesto je i tato teplota stále velmi vzdálená realitě. Povrch Země se jen výjimečně přirozeně (sluncem) rozpálí na 94 °C nebo nejspíš nikdy. Metan tedy absorbuje záření jen z okraje Planckovy rozdělovací křivky, nejvýše jednotky procent z celkové vyzařované energie².

Závěr zní, že methan na globální oteplování nemá žádný vliv, protože se nikde na Zemi nevyskytují tak vysoké povrchové teploty, aby odpovídající zemské tepelné záření mohla atmosféra s metanem významněji pohlcovat. Tento závěr bude platit tak dlouho, dokud novodobý politik a úředník nevydá nový zákon nebo vládní nařízení, že Planckův vyzařovací zákon v rozpravě o globálním oteplování neplatí. Ale to bychom my, obyčejní lidé, už opravdu neměli dopustit.

Jak oxid uhličitý otepluje atmosféru

O moc lépe než metan nedopadá ani oxid uhličitý CO₂. Dva výrazné absorpční pásy se u tohoto plynu objevují při vlnových délkách 2,6 μm a 4,3 μm, což odpovídá povrchovým teplotám 841 °C resp. 400 °C. To je opět vzdálené realistickým podmínkám na Zemi. Dva nevýrazné absorpční pásy má tento plyn pro vlnové délky 9,5 μm a 10,5 μm. Absorpce těchto vln se uplatní při teplotě povrchu 32 °C a 3 °C.

Závěr pro oxid uhličitý zní, že tento plyn vliv na oteplení má, protože sice slabě a jen někdy, ale přesto pohlcuje tepelné záření, které zemský povrch sálá při teplotách kolem 3 °C a 30 °C.

V tropech však jeho vliv bude zanedbatelný, a to nejen proto, že zde bývá teplota mnohem vyšší, ale hlavně proto, že zde zcela převažuje vliv vodní páry, dalšího skleníkového plynu, který je ve vzduchu obsažen desetkrát až stokrát více. Také na zemských pólech a v jejich okolí je slabý vliv CO₂ ještě oslaben tím, že je tam většinou chladněji.

Poslední absorpční pás má tento plyn při vlnové délce od cca  13 μm do 18 μm. Zemská atmosféra ohřátá na 15 °C vyzařuje v rozmezí vlnových délek od 13 do 18 mikrometrů energii cca 88 W/m². Případná absorpce záření skleníkového plynu v této oblasti tedy ovlivňuje tepenou bilanci atmosféry.
Oxid uhličitý v této oblasti ale nemá žádnou vibrační frekvenci; v blízkosti při 19,1 mikrometrů (526 cm^-1) má tento oxid dva ohybové mody, jeden IR neaktivní, druhý IR velmi slabě aktivní.
Zdá se tedy, že CO₂ v této oblasti žádný vydatný příspěvek ke skleníkovému efektu nedává a že ho převáží vliv páry. Ostatně ani teorie o globálním oteplování jej moc nediskutují, přestože by jinak šlo o pilíř vlivu na skleníkový efekt.
I v případě, že fakticky existuje silný absorpční pás oxidu uhličitého v uvedené oblasti, pak si je třeba uvědomit, že tu byl vždy v historii a že jeho posilování průmyslovými emisemi CO2 již beztak stoprocentní absorpci dál neposílí (přírůstky CO2 absorpční pás nerozšíří pod 13 a nad 18 mikrometrů).


¹ IPCC (Mezivládní panel ke klimatické změně)
Nezávislý vědeckotechnický orgán zaměřený na podporu poznání podstaty klimatické změny a hodnocení jejích environmentálních a sociálních důsledků. Tři pracovní skupiny IPCC jsou zaměřené na otázky vědecké podstaty problému, na dopady klimatické změny a na analýzy strategií vedoucích ke zmírnění následků, čtvrtá skupina sleduje přípravu inventur emisí skleníkových plynů.
² Šikmý text byl zařazen dodatečně a zdůrazňuje polychromatický charakter tepelného záření.

Ladislav Kurc
Jiří Hejhálek a redakcia "Stavebnictví"
Wikipedia