Globálne oteplovanie a skleníkový efekt

Globálne oteplovanie a skleníkový efekt

Ùvod :
V záujme efektívneho riešenia vzťahov človeka a prírody, zameraného na racionálne využívanie geologického prostredia a jeho zdrojov, musíme si na každom kroku uvedomovať, že predovšetkým treba pochopiť zákony prírodných procesov, ich vzájomnú citlivosť na umelé zásahy a reguláciu. Na to sú však nevyhnutne systémové prístupy, ktoré nás spravidla vedú akoby cez džungľu navzájom poprepletaných javov a ich vývoja. Najväčšie úskalia stoja pred vedou v riešení takých problémov, ktoré majú globálny charakter. Je to otázka tzv. ,,skleníkového efektu" vplyvom nahromadenia kysličníka uhličitého v ovzduší a následky tohto javu na klímu a na geologicky vývoj planéty- globálne otepľovanie. Globálnym otepľovaním vedci nazývajú proces všeobecného otepľovania zemskej atmosféry. Globálne otepľovanie sa rozlišuje na prirodzené a na zapríčinené človekom. O existencii prirodzeného globálneho otepľovania niet pochýb a ani sa o ňom v medzinárodných kruhoch nevedú búrlivé diskusie. Je jednoducho faktom že priemerné teploty sa (už od doby ľadovej) zvyšujú, problémom však je pravé ono otepľovanie zapríčinené človekom.

Skleníkový efekt
Naša planéta je chránená tenkou pokrývkou rôznych plynov. Niektoré z nich, hlavne oxid uhličitý, vodná para, metán, oxid dusný, ozón a freóny sa označujú ako skleníkové plyny. Tieto plyny pohlcujú teplo zo zemského povrchu a zo Slnka a tým udržujú našu atmosféru v rozmedzí určitých teplôt, ktoré umožňujú, aby na Zemi existoval život. Naviac svojím pôsobením vlastne zaisťujú, že rovnováha medzi teplom, ktoré na Zem prichádza a teplom, ktoré sa vracia do vesmíru, sa stále obnovuje.

Oxid uhličitý nepatrí k toxickým a škodlivým plynom a jeho prítomnosť v atmosfére sa nepovažuje za jej znečistenie. Produkcia oxidu uhličitého v súčasnosti však nezodpovedá spotrebe zelených rastlín, pretože stromov neustále ubúda, čo má za následok narastanie oxidu uhličitého v ovzduší, čo sa odráža na celkovej tepelnej bilancii Zeme. Vrstva oxidu uhličitého v ovzduší zadržiava tepelné žiarenie vyžarované povrchom Zeme a dochádza ku vzniku skleníkového efektu.
Keď je povrch zahriaty na určitú teplotu, vydáva sám infračervené žiarenie. Časť infračerveného žiarenia pohltia práve skleníkové plyny a časť žiarenia uniká atmosférou spät do vesmíru, odkiaľ vlastne predtým slnečné lúče prišli. Teplo vyžiarené zo zemského povrchu späť do atmosféry je vo forme dlhovlnného infračerveného žiarenia. Tieto dlhé vlny neprechádzajú voľne do vesmíru, ale sú absorbované atmosférickým CO2 a vodnými parami, ktoré potom transformujú túto energiu do atmosféry. Teda hlavným zdrojom energie atmosféry je vyžarovanie zo Zeme a nie priamo zo Slnka. Spôsob, ktorým je atmosféra ohrievaná zo spodu sa nazýva skleníkový efekt. Atmosféra sa teda správa ako veľký skleník s atmosferickými plynmi, ktoré absorbujú infračervené žiarenie ako okná skleníka.
Takéto chemické diery, ktorými energia zo zemského povrchu uniká, nazývame radiačné okná. Do atmosféry však uniká stále viac oxidu uhličitého a ďalších plynov, ktoré dokážu zavrieť tieto radiačné okná, čím dôjde ku globálnemu otepleniu.

Klimatológovia predpokladajú, že ak nedôjde k výraznému zníženiu emisie skleníkovývh plynov, bude koncom 21.storočia na Zemi priemerná teplota vzduchu o 2-5 °C vyššia, ako bol priemier v rokoch 1951-1980.
Popis skleníkového efektu: Predstavme si, že slnečné lúče dopadajú na steny skleníka. Časť slnečného svetla (žiarenia) sa od stien odraz časť žiarenia, predovšetkým vo viditeľnej oblasti spektra (s vlnovou dĺžkou 400 - 760 nm) sklenené steny prepustia. Energiou tohto prepusteného žiarenia sa ohreje v skleníku všetko, na čo slnečné dopadnú. V zmysle Planckovho zákona každé teleso ohriate na teplotu vyššiu ako je absolútna nula, je žiaričom energie, čiže aj slnečným svetlom ohriate predmety vo vnútri skleníka sú žiaričmi energie. Avšak vzhľadom na svoju teplotu má toto žiarenie podstatne dlhšiu vlnovú dĺžku, spadajúcu už do oblasti neviditeľného infračerveného žiarenia (780nm - 1mm). Žiarenie tejto vlnovej dĺžky už sklenené steny neprepustia, ale čiastočne ho pohltia čím sa steny ohrejú, čiastočne sa odrazia a postup sa opakuje, až sa celá energia pôvodného slnečného žiarenia využije na zvýšenie teploty v priestore ohraničenom stenami skleníka.
Opísané efekty spôsobujú, že teplota vo vnútri skleníka sa oproti okoliu zvyšuje, čo je podkladom pre súborné označenie týchto procesov ako "skleníkový efekt". Skleníkový efekt je prirodzený jav, záleží však na veľkosti efektu. Ak by Zem nemala atmosféru, tak by teplota nad jej povrchom veľmi silne kolísala. Cez deň by bolo horúco a v noci zasa veľmi zima. Zem teda hospodári so svojou energiou, pričom teplota povrchu zeme je v priemere 150C.

Skleníkový efekt atmosféry je teda podobný jav, aký pozorujeme v záhradných skleníkoch, len funkciu skla preberajú v atmosfére "skleníkové plyny" (medzinárodná skratka GHG). Krátkovlnné slnečné žiarenie voľne prepúšťajú, to dopadá na zemský povrch a zohrieva ho. Dlhovlnné (infračervené) žiarenie, ktoré vyžaruje zemský povrch je z väčšej časti týmito plynmi zachytené a čiastočne spätne vyžiarené smerom k zemskému povrchu. Priemerná teplota prízemnej atmosféry je v jeho dôsledku o 35°C teplejšia, ako by bola bez skleníkových plynov, čo vlastne umožňuje život na našej planéte. Rast koncentrácie skleníkových plynov v atmosfére (vyvolaný antropogénnou emisiou) vedie k zosilňovaniu SE. Globálne otepľovanie spôsobované dodatočným skleníkovým efektom je jedným z najvýznamnejších environmentálnych problémov v doterajšej histórii ľudstva.

Podiel týchto tzv. skleníkových plynov sa vplyvom odpadových plynov z priemyslu v atmosfére zvyšuje, tým sa zachytáva príliš veľa tepelného žiarenia a povrch Zeme sa začína otepľovať. Iba v tomto storočí sa priemerná globálna teplota zvýšila o pol stupňa Celzia. Vedci predpokladajú ďalší zvýšenie teploty o 1.5 až 4.5 °C do polovice nasledujúceho storočia. Otepľovanie zemského povrchu a atmosféry nepriaznivo ovlyvňuje ekosystémy prírody a ľudstvo ako také. Medzi prejavy skleníkového efektu napríklad patrí: roztápanie arktických a najmä antarktických ľadovcov, tým aj stúpanie hladiny oceánov a následné za zaplavovanie pobrežných oblastí.

Podstatou skleníkového efektu je narušenie prírodnej rovnováhy. Fosílne palivá ako ropa sa vytvorili v dávnej minulosti z organickej hmoty (z odumretých rastlín a živočíchov) obsahujúcej uhlík. Mnoho miliónov rokov boli ukryté pod zemským povrchom. Človek tým, že tieto palivá ťaží a spaľuje, spôsobuje emisie uhlíka vo forme CO2 do atmosféry a narušuje rovnovážnu koncentráciu skleníkových plynov v nej.
Napriek tomu, že zastúpenie týchto plynov predstavuje len jednu tisícinu objemu atmosféry, skleníkové plyny, ktoré sú prirodzené zložky atmosféry, majú pre nás nesmierny význam. Koncentrácia týchto plynov v atmosfére bola v rovnováhe, prebiehal prirodzený kolobeh uhlíka v ovzduší. Avšak uvoľňovanie stále väčšieho množstva skleníkových plynov spôsobuje zvyšovanie priemernej teploty na Zemi.

Súčasná koncentrácia CO2 v atmosfére je o 30% vyššia ako v čase pred priemyselnou revolúciou, ktorá odštartovala proces spaľovania fosílnych palív. Tento proces sa stále zrýchľuje. V dôsledku ľudskej činnosti boli približne 2/3 oxidu uhličitého v atmosfére nahromadené od obdobia skončenia druhej svetovej vojny. Ak bude súčasný trend emisií pokračovať, potom k zdvojnásobneniu predindustrálnej koncentrácie CO2 v atmosfére dôjde v rokoch 2025-2050.
Problémom je aj životnosť CO2 v atmosfére, ktorá je približne 50-200 rokov. Znamená to, že ak by sa dnes okamžite znížili emisie CO2 na nulu, v roku 2100 by sa v atmosfére nachádzala stále ešte polovica emisií CO2 pochádzajúca z ľudskej činnosti.

CO2 prepúšťa slnečné žiarenie, intenzívne pohlcuje tepelné vyžarovanie zemského povrchu a nad zemským povrchom plní funkciu akejsi “strechy skleníka”, ktorá nebráni teplu prenikať dnu, ale neprepúšťa ho von. Preto tento jav dostal názov skleníkový efekt.
Skleníkový efekt spôsobuje zvyšovanie priemernej teploty atmosféry a ovplyvňuje zmeny jej rozloženia na zemskom povrchu. Zmenšuje sa rozdiel teplôt medzi rovníkom a pólmi, čím ochabuje cirkulácia atmosféry a prenos vlahy.
Pravdepodobne sa zvýšia dažďové zrážky nad dnes síce suchými, ale relatívne úrodnými oblasťami, zlepšia sa poľnohospodárske podmienky v severných oblastiach, ale suché pásma sa stanú ešte suchšími a polopúšte sa premenia na púšte. Pásmo sahel sa stane prakticky neobývateľné.

Skleníkový efekt na iných planétach

V súčasnej dobe sa všeobecne uznáva, že SE sa musí prejavovať na všetkých planétach a mesiacoch, ktoré majú atmosféru, napríklad okrem Venuše a Zeme i na Marse, na Saturnovom mesiaci Titane a pod. Veľkosť alebo účinnosť SE sa pre kozmické objekty posudzuje podľa tzv. modulu SE, ktorý predstavuje pomer skutočnej povrchovej teploty daného telesa Ts (v jednotkách absolútnej teploty) a tzv. rovnovážnej, podľa niektorých autorov efektívnej teploty Te. Za rovnovážnu teplotu sa považuje teplota, akú na príslušnom telese vyvolá slnečná radiácia v danej vzdialenosti od Slnka s prihliadnutím na veľkosť telesa. Zem by podľa týchto výpočtov mala mať rovnovážnu teplotu -27°C (246 K), takže pri priemernej teplote 14°C vychádza modul SE 1,18. Venuša má hodnotu SE modulu veľmi vysokú (3,22).
Atmosféra Zeme je oproti atmosfére Venuše podstatne "redšia", ako to potvrdzuje nižší atmosférický tlak - na povrchu Zeme je to asi 0,1 MPa (1 atm), na Venuši 9,2 MPa (92 atm). Veľké rozdiely sú aj v chemickom zložení. Atmosféra Zeme obsahuje priemerne (v obj. percentách): 78,09 dusíka, 20,95 kyslíka, 0,93 argónu, 0,002 ostatných vzácnych plynov, 0,03 CO2, 0,1 až 2,88 vody. Nepatrne je v atmosfére zastúpený metán CH4(1,5.10-4), oxid siričitý (1.10-4), oxid dusný N2O (5,1.10-5), oxid dusičný NO2 (5,10-8 až 2.10-6), oxid uhoľnatý CO (6.10-6 až 1.10-4). Hlavné pozemské plyny, dusík a kyslík, majú veľmi nízku schopnosť absorbovať svetelné žiarenie. Dusík viditeľné svetlo prepúšťa úplne. Absorpcia bola zistená len v ultrafialovom svetle a v oblasti röntgenového žiarenia. Kyslík má v infračervenej oblasti veľmi slabú absorpciu svetla, má však v UV oblasti (s vlnovými dĺžkami od 80 do 180 nm) a v röntgenových lúčoch absorpciu vysokú. Ozón O3 je hlavným "zachytávačom" UV žiarenia s vlnovými dĺžkami nad 200 nm. Vzhľadom na nízke obsahy ozónu v atmosfére Zeme je však jeho príspevok k skleníkovému efektu Zeme nepatrný.

Oxid uhličitý má veľmi silnú absorpciu v úzko vymedzených vlnových dĺžkach (15,0 a 4,3 nm) a v niektorých ďalších mimo oblasť viditeľného svetla. V ultrafialovej oblasti vykazuje tak plynný ako aj tekutý CO2 veľmi slabú absorpciu svetla až úplnú transparentnosť. Pre veľmi nízky obsah CO2 v atmosfére je účasť CO2 na pozemskom SE veľmi nepatrná. Obsah CO2 v pozemskej atmosfére za 30 rokov (1953 - 1985) vzrástol z pôvodných 0,028 na 0,034 obj. percent. Príčin môže byť viac, najčastejšie sa uvádza zvýšená spotreba fosílnych palív, avšak po ropnej kríze v 70. rokoch, keď došlo k ich podstatnému obmedzeniu, sa to v poklese obsahu CO2 v atmosfére neprejavilo.

Dôvodom môže byť aj vyslovene prírodný proces úniku CO2 z morskej vody. V studených vodách vo veľkých hĺbkach je totiž značné množstvo CO2. Pri vertikálnych pohyboch morskej vody sa dostávajú k morskej hladine, otepľujú sa, rozpustnosť CO2 podstatne klesne a uvoľňuje sa do atmosféry.
Proti zvýšeniu obsahu CO2 v atmosfére má však Zem svoje obranné mechanizmy. Ak by zvýšený obsah CO2 mal viesť k zvýšenej teplote atmosféry zemského povrchu i oceánov, znamenalo by to zvýšený výpar vody. Zvýšený výpar vody v atmosfére by spôsobil zníženú priepustnosť slnečného žiarenia a následne pokles teploty zemského povrchu.
Zaujímavý jav zaznamenali anglickí odborníci z Výskumného oceánografického ústavu. Zistili, že ak sa v určitom období zvýšil obsah CO2 v atmosfére, zvýšila sa aj tvorba morského fytoplanktónu. Najväčším obranným mechanizmom Zeme proti "nadprodukcii" CO2 sú však vodné hladiny. Asi 70 percent zemského povrchu pokrývajú oceány a moria, ktoré permanentne udržujú rovnováhu medzi obsahom CO2 v atmosfére a vo vode. Zvýšený obsah CO2 v atmosfére zvyšuje jeho rozpúšťanie vo vode a vedie k ďalším jeho reakciám v morskom prostredí.

Situácia okolo vzťahu vody a jej skupenských modifikácií (ľadu, kvapalnej vody, vodnej pary) k SE na Zemi je podstatne zložitejšia, než tomu bolo pri predchádzajúcich látkach (N2, O2, CO2). Predovšetkým treba zdôrazniť, že geochemický o vode v atmosfére Zeme, 0,1 až 2,88 obj. percent, vystihuje jej veľké kolísanie, tak ako to všetci poznáme z bezoblačnej i oblačnej oblohy, z dennej i nočnej doby, z rôzneho ročného obdobia a pod. Vo všetkých týchto situáciách sa voda osobitým spôsobom zúčastňuje na tvorbe SE, ktorý sa na Zemi mení z miesta na miest, tak ako sa menia fyzikálne a chemické podmienky v zemskej atmosfére.
Absorpcia svetla kvapalnou vodou je veľmi veľká, pri niektorých vlnových dĺžkach svetla dokonca takmer 100 percentná. V rozmedzí