Skleníkový efekt
Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skleníkový efekt je proces, při kterém atmosféra způsobuje ohřívání planety tím, že absorbuje dopadající sluneční záření a zároveň brání jeho zpětnému odrazu do prostoru,. Mars, Venuše a ostatní nebeská tělesa s atmosférou (jako například Titan) také vykazují skleníkový efekt, pro zjednodušení se však zbytek tohoto článku vztahuje především k Zemi.
Obsah |
[editovat] Dva významy
Pojem skleníkový efekt se používá v běžné řeči k označení dvou rozdílných věcí: přírodního skleníkového efektu, což je skleníkový efekt vyskytující se přirozeně na Zemi, a přídavného (antropogenního) skleníkového efektu, jehož původ tkví v lidské činnosti a který pravděpodobně způsobuje globální oteplování. Míra významu druhého jevu je předmětem sporů.
[editovat] Přírodní skleníkový efekt
[editovat] Průběh
Země zachycuje ohromné množství slunečního záření. Nad hranicí atmosféry je průměrná energetická hustota záření Slunce zhruba 1 367 W/m2, což je 1,28 · 1014 W pro celou Zemi. Tato hodnota výrazně převyšuje energetický výkon lidských aktivit.
Sluneční energie dopadající na Zemi musí být dlouhodobě vyrovnána celkovému množství energie vyzařovanému Zemí, jinak by se teplota na ní zvyšovala nade všechny meze. Záření opouštějící Zemi nabývá dvou forem: odražené sluneční záření a tepelné záření.
Odražené sluneční záření činí 30 % z celkového zemského záření: v průměru 6 % přijímaného slunečního záření je odraženo atmosférou, 20 % je odraženo oblaky a další 4 % odráží zemský povrch.
Zbývajících 70 % přicházejícího slunečního záření je pohlceno: 16 % atmosférou (včetně téměř kompletní absorpce krátkovlnného ultrafialového záření stratosférickou, ozónovou vrstvou, 3 % mraky a 51 % souší a oceány. Tato absorbovaná energie ohřívá atmosféru, oceány i souš.
Podobně jako Slunce vydává Země tepelné záření jako černé těleso. Ale protože zemský povrch je mnohem chladnější než sluneční (287 K versus 5 780 K), pak podle Wienova posunovacího zákona musí Země vyzařovat svou tepelnou energii na mnohem delších vlnových délkách než Slunce. Zatímco sluneční záření nabývá vrcholu na viditelných délkách zhruba 500 nanometrů, vrchol zemského záření je v dlouhovlnném infračerveném záření o délce kolem 10 mikrometrů.
Zemská atmosféra je převážně transparentní pro viditelné a krátké infračervené vlnové délky, nikoliv však pro záření o vlnové délce kolem 10 mikrometrů. Jen asi 6 % z celkové zemského vyzařování do vesmíru je přímé tepelné záření z povrchu. Atmosféra absorbuje 71 % povrchového tepelného záření dříve, než může uniknout do prostoru. Atmosféra sama se chová jako černé těleso ve dlouhovlnné infračervené oblasti spektra a v této oblasti také tepelnou energii vyzařuje.
Zemská atmosféra a mraky jsou zdrojem 91,4 % dlouhovlnného infračerveného záření a 64 % celkových zemských emisí ve všech vlnových délkách. Atmosféra a mraky získávají tuto energii z přímo absorbované sluneční energie, z pohlceného tepelného záření z povrchu, z tepla přineseného konvekčním prouděním a z kondenzace vodních par.
Protože atmosféra tak dobře absorbuje dlouhovlnné infračervené záření, účinně vytváří jednocestnou přikrývku nad zemským povrchem. Viditelné a téměř viditelné záření ze Slunce se snadno dostává skrz, ale tepelné záření z povrchu se obtížně dostává ven. Následkem toho se zemský povrch zahřívá. Energie záření vyzařovaného povrchem se zvyšuje podle Stefan-Boltzmannova zákona, dokud nevykompenzuje pohlcování atmosférou a neustaví se nová rovnováha teploty.
Jakákoliv změna složení zemské atmosféry, která brání nebo podpoří přenos dlouhovlnného infračerveného záření naruší tuto rovnováhu a zemský povrch se bude zahřívat nebo ochlazovat, dokud se nedosáhne nové teplotní rovnováhy.
Následkem skleníkového efektu jsou průměrné teploty povrchu značně vyšší, než by byly, kdyby byla teplota zemského povrchu určena pouze zemským albedem a vlastnostmi povrchu jakožto černého tělesa.
Vysvětlení skleníkového efektu bývá často zjednodušováno prohlašováním, že jeho mechanismus je stejný jako mechanismus zahřívání skleníků, je to však nesprávné přílišné zjednodušení, jak je v tomto článku vysvětleno dále.
[editovat] Omezující faktory
Úroveň skleníkového efektu závisí primárně na koncentraci skleníkových plynů v planetární atmosféře. Atmosféra Venuše bohatá na oxid uhličitý vytváří extrémně silný skleníkový efekt zvedající teplotu povrchu až za bod tání olova, zvyšování teploty povrchu atmosférou Země umožňuje její obyvatelnost, naproti tomu u planety Mars je skleníkový efekt řídké atmosféry pouze minimální.
Při vytváření modelu skleníkového efektu atmosféry planety je třeba vzít v úvahu také interakci s dalšími procesy vytvářejícími zpětnovazební cykly. Venuše je tak silně zahřívána Sluncem, že její voda zmizela a oxid uhličitý není znovu absorbován planetární kůrou. Následkem toho skleníkový efekt výrazně zintenzivněl pozitivní zpětnou vazbou. Na Zemi existuje významná hydrosféra a biosféra reagující na vyšší teploty rychlejším pohlcováním oxidu uhličitého (v geologickém měřítku — časové měřítko, ve kterém oceán a biosféra odstraňují výkyvy CO2, se pohybuje v několika stovkách let). Přítomnost tekuté vody tedy limituje zvyšování skleníkového efektu negativní zpětnou vazbou. Předpokládá se, že tyto poměry trvají už po mnoho stovek miliónů let, protože jinak pokud by vlivem zvyšování teploty stárnoucího Slunce došlo k překonání tohoto regulačního efektu, byl by život na Zemi už dávno zničen.
[editovat] Skleníkové plyny
Vodní páry (H2O) způsobují asi 60 % zemského přirozeného skleníkového efektu. Ostatní plyny ovlivňující tento efekt jsou oxid uhličitý (CO2) (kolem 26 %), methan (CH4), oxid dusný (N2O) a ozón (O3) (asi 8 %). Souhrnně tyto plyny nazýváme skleníkovými plyny.
Vlnové délky světla absorbovaného plyny lze určit pomocí kvantové mechaniky podle vlastností molekul různých plynů. Je prakticky pravidlem, že heteronukleární dvou-, tří- a víceatomové molekuly plynů silně absorbují v infračervené oblasti, zatímco homonukleární dvouatomové molekuly ne. To je důvodem, proč H2O a CO2 jsou skleníkovými plyny, zatímco hlavní složky atmosféry (N2 a O2) ne.
[editovat] Skutečné skleníky
Pojem skleníkový efekt pochází od skleníků užívaných v zahradnictví, jedná se však o špatné pojmenování, neboť skleníky pracují na jiném principu. Skleník je vybudován ze skla; ohřívá se přímo, neboť Slunce ohřívá zemi okolo něj, od ní se ohřívá vzduch nad ní a sklo brání ohřátému vzduchu stoupat a uniknout pryč. To lze snadno ukázat otevřením malého okna poblíž střechy skleníku: teplota znatelně poklesne. Bylo to také demonstrováno při Woodově experimentu v roce 1909. Skleníky tedy fungují díky bránění konvekčnímu proudění; naproti tomu skleníkový efekt brání unikání záření, nikoliv konvekci.
[editovat] Efekty různých plynů
Je obtížné oddělit procentní příspěvky jednotlivých plynů ke skleníkovému efektu, protože pohlcované infračervené spektrum různých plynů se překrývá. Nicméně lze spočítat procenta z pohlceného záření a zjistit:
| Odstraněné složky | % z pohlceného záření |
|---|---|
| Všechny | 0 |
| H2O, CO2, O3 | 50 |
| H2O | 64 |
| Mraky | 86 |
| CO2 | 88 |
| O3 | 97 |
| Žádná | 100 |
(Zdroj: Ramanathan and Coakley, Rev. Geophys and Space Phys., 16 465 (1978))
[editovat] Efekt vodních par
Vodní páry nejvíce přispívají k zemskému skleníkovému efektu. Vliv vodních par se liší podle místní koncentrace, směsi s jinými plyny, frekvence světla, odlišného chování v různých vrstvách atmosféry a podle toho, zda se uplatňuje pozitivní nebo negativní zpětná vazba. Vysoká vlhkost způsobuje formování oblačnosti, která silně ovlivňuje teplotu, ale odlišným způsobem než vodní páry.
IPCC TAR (2001; kapitola 2.5.3) hlásí, že navzdory nerovnoměrným vlivům a rozdílům při získávání kvalitních dat lze říci, že obsah vodních par se v průběhu 20. století všeobecně zvýšil.
Odhady procentního množství zemského skleníkového efektu způsobeného vodními parami od různých autorů se značně liší:
- 36 % (tabulka nahoře)
- 60-70 % (zdroj: Nova. Greenhouse - Green Planet [1], anglicky)
Včetně mraků předpokládá tabulka nahoře 50 %. V bezmračném případě předpokládá IPCC 1990, strana 47-48 zhruba 60-70 %, zatímco Baliunas & Soon 88 %, uvažujíce pouze H2O a CO2. V teoretickém případě, kdy by se v atmosféře nenacházely jiné skleníkové plyny, odhaduje Richard Lindzen 98 % (Global warming: the origin and nature of the alleged scientific consensus. nakladatelství Regulation, vydáno na jaře 1992, strana 87-98 [2], anglicky).
Vodní páry v troposféře, na rozdíl od dobře známých skleníkových plynů jako CO2, jsou vzhledem ke klimatu v podstatě pasívní: pobyt vodních par v atmosféře je krátký (asi týden), takže výkyvy v obsahu vodních par se poměrně rychle vyrovnávají. Naproti tomu, životní cykly CO2, methanu, atd. jsou dlouhé (stovky let) a proto výkyvy oproti normálu přetrvávají. Jestliže se tedy, v reakci na teplotní výkyv způsobený zvýšením obsahu CO2, zvýší obsah vodních par, pozorujeme (limitovanou) pozitivní zpětnou vazbu a vyšší teploty. V reakci na zvýšený výskyt vodních par by mělo dojít v atmosféře k nové rovnováze díky zvýšené tvorbě oblačnosti způsobující ochlazování díky zvýšené odrazivosti a odstraňování vodních par z atmosféry deštěm. Zdá se, že kondenzační stopy vysoko letících letadel občas způsobující formování oblačnosti mírně ovlivňují místní počasí.
[editovat] Globální oteplování
V posledních letech vědci věří, že zvyšující se skleníkový efekt způsobený větším podílem CO2 a jiných plynů významně přispívá k současnému globálnímu oteplování.
[editovat] Externí odkazy
- Kiehl, J.T., a Trenberth, K. (1997). Celkový průměrný roční energetický rozpočet Země (Earth's annual mean global energy budget), Bulletin of the American Meteorological Society 78 (2), 197–208.
- Wood, R.W. (1909). Poznámky k teorii skleníku (Note on the Theory of the Greenhouse), Philosophical Magazine 17, p319–320. Text je dostupný i online na adrese http://web.archive.org/web/20040708223329/http://www.wmc.care4free.net/sci/wood_rw.1909.html (anglicky)
- Earth Radiation Budget, http://marine.rutgers.edu/mrs/education/class/yuri/erb.html (anglicky)
| Meteorologie | |
|---|---|
| Obory: | Aerologie | Aeronomie | Bioklimatologie | Dynamická meteorologie | Fyzikální meteorologie | Hydrometeorologie | Klimatologie | Meteorologická technika | Nauka o chemismu atmosféry | Nauka o radioaktivitě atmosféry | Synoptická meteorologie |
| Užitá meteorologie: | Agrometeorologie | Lesnická meteorologie | Letecká meteorologie | Lékařská meteorologie | Námořní meteorologie |
| Přístroje: | Aktinometr | Anemograf | Anemometr | Aneroid | Barograf | Barometr | Družice | Hydrograf | Heliograf | Ombrograf | Psychrometr | Pyranometr | Pyrheliometr | Radar | Srážkoměr | Teploměr | Vlhkoměr |
| Prvky: | Oblačnost | Rosný bod | Rychlost větru | Směr větru | Srážky | Teplota | Tlak | Vlhkost vzduchu |
| Jevy: | Blesk | Bouře | Bouřka | Déšť | Sníh | El Niño | Fronta | Globální oteplování | Halové jevy | Jinovatka | Kroupy | Ledovka | Mlha | Námraza | Náledí | Oblak | Počasí | Rosa | Severoatlantická oscilace | Skleníkový efekt | Tornádo | Tropická cyklóna | Vítr |
