Skleníkový efekt

Existenci skleníkového efektu v roce 1824 předpověděl francouzský fyzik a matematik Joseph Fourier. Argument a důkazy byly dále v letech 1827 a 1838 podpořeny francouzským fyzikem Claudem Pouilletem a odůvodněny experimentálními pozorováními irského fyzika Johna Tyndalla v roce 1859, který změřil radiační vlastnosti určitých skleníkových plynů.[7] Účinek byl plně vyčíslen v roce 1896 švédským vědcem Svantem Arrheniusem, který provedl první kvantitativní odhad globálního oteplování následkem hypotetického zdvojnásobení atmosférického oxidu uhličitého.[8] Žádný z těchto vědců však nepoužil termín „skleníkový efekt“; ten byl v tomto významu poprvé použit švédským meteorologem Nilsem Gustafem Ekholmem v 1901.[9][10]

Země přijímá energii ze Slunce v podobě ultrafialového, viditelného a blízkého infračerveného záření. Asi 26 % přicházející sluneční energie se atmosférou a mraky odráží zpátky do vesmíru a 19 % energie atmosféra a mraky absorbují. Většina zbývající energie je absorbována na povrchu Země. Vzhledem k tomu, že povrch Země je chladnější než Slunce, vyzařuje na vlnových délkách, které jsou mnohem delší než vlnové délky, které byly absorbovány. Většina tohoto tepelného záření (od Země) je absorbována atmosférou a ohřívá ji. Atmosféra také získává teplo na ohřátí vzduchu a latentní teplo proudící z povrchu. Atmosféra vyzařuje energii jak nahoru, tak dolů; část vyzařovaná dolů je absorbována povrchem Země. To vede k vyšší rovnovážné teplotě, než kdyby atmosféru neměla.

Spektrum slunečního záření pro přímé světlo na horní hranici zemské atmosféry i na hladině moře

Ideální tepelně vodivé černé těleso ve stejné vzdálenosti od Slunce jako Země by mělo teplotu kolem 5,3 °C. Vzhledem k tomu, že Země odráží přibližně 30 %[11][12] přicházejícího slunečního světla, tak by tato efektivní teplota ideální planety (teplota černého těla, která by vyzařovala stejné množství záření) byla asi -18 °C.[13][14] Povrchová teplota této hypotetické planety je o 33 °C nižší než aktuální teplota povrchu Země, která je přibližně 14 °C.[15]

Základní mechanismus může být kvalifikován mnoha způsoby, z nichž žádný neovlivňuje základní proces. Atmosféra v blízkosti povrchu je převážně neprůhledná pro tepelné záření (s důležitými výjimkami pro „průhledné“ pásy) a většina tepelných ztrát z povrchu je vlastním teplem a skupenským přenosem tepla. Radiační energetické ztráty jsou v atmosféře stále důležitější, především kvůli klesající koncentraci vodní páry, která je důležitým skleníkovým plynem. Je mnohem realističtější myslet na to, že skleníkový efekt se vztahuje na „povrch“ ve střední části troposféry, která je účinně spojena s povrchem teplotním gradientem. Jednoduchý obraz také předpokládá ustálený stav, ale v reálném světě existují odchylky v důsledku denního cyklu, stejně jako sezónního cyklu a povětrnostních poruch. Solární ohřev se uplatňuje pouze během dne. Během noci se atmosféra trochu ochlazuje, ale ne velice, protože její emisivita je nízká. Denní kolísání teploty se snižuje s výškou v atmosféře.

V oblasti, kde jsou důležité radiační účinky, se popis, který je daný idealizovaným skleníkovým modelem, stává realistickým. Zemský povrch, ohřátý na teplotu okolo 255 K (-18 ℃), vyzařuje dlouhovlnné, infračervené teplo v rozmezí 4-100 μm.[16] Při těchto vlnových délkách jsou skleníkové plyny, které byly převážně průhledné pro příchozí sluneční záření, více absorpční.[16] Každá vrstva atmosféry se skleníkovými plyny pohlcuje část tepla vyzařované nahoru ze spodních vrstev. Probíhá opakování ve všech směrech, jak nahoru, tak dolů; v rovnováze (podle definice) je to stejné množství, jaké se absorbovalo. To má za následek větší teplotu dole. Zvýšení koncentrace plynů zvyšuje množství absorpce a opětovné záření, čímž dále ohřívá vrstvy a nakonec i povrch pod nimi.[14]

Skleníkové plyny - včetně většiny dvoumolekulových atomů plynů se dvěma různými atomy (jako je oxid uhelnatý, CO) a všechny plyny se třemi nebo více atomy - jsou schopny absorbovat a vyzařovat infračervené záření. Ačkoli více než 99 % suché atmosféry je pro infračervené záření průhledné (protože hlavní složky - N₂, O₂ a argon - nejsou schopny přímo absorbovat nebo vyzařovat infračervené záření), mezimolekulové srážky způsobují, že energie pohlcovaná a vyzařovaná skleníkovými plyny je sdílena s ostatními plyny, které nejsou aktivní v infračervené oblasti.

V páté hodnotící zprávě Mezivládního panelu pro změnu klimatu se uvádí, že „se zdá, že je velmi pravděpodobné, že lidskou činností nelze vyvolat „nekontrolovatelný skleníkový jev“ - analogický s Venuší.“[17] K vyvolání změn obdobných těm na Venuší by muselo na Zemi dojít k dlouhodobému tlaku, který pravděpodobně nenastane, pokud intenzita záření Slunce nenaroste o desítky procent, což bude trvat několik miliard let.[18]

Podle jejich procentního podílu na skleníkovém efektu na Zemi jsou čtyři hlavní plyny:[19][20]

Atmosférické plyny absorbují pouze některé vlnové délky energie, ale jsou průhledné ostatním. Absorpční vzory vodní páry (modré vrcholy) a oxidu uhličitého (růžové špičky) se překrývají na některých vlnových délkách. Oxid uhličitý není jako skleníkový plyn tak silný jako vodní pára, ale absorbuje energii na delších vlnových délkách (12–15 mikrometrů), které vodní pára nevede, částečně uzavře "okno", kterým by teplo vyzařované povrchem normálně uniklo do prostoru. (Ilustrace NASA, Robert Rohde)[21]

• vodní pára, 36–70 %
• oxid uhličitý, 9–26 %
• methan, 4–9 %
• ozón, 3–7 %

Každému plynu nelze přiřadit přesné procento, protože absorpční a emisní pásy plynů se překrývají (proto jsou výše uvedeny rozsahy). Mraky také absorbují a vyzařují infračervené záření a tím ovlivňují radiační vlastnosti atmosféry.[20]

Keelingova křivka křivka koncentrací CO₂ v atmosféře naměřená na observatoři Mauna Loa

Zesílení skleníkového efektu prostřednictvím lidské činnosti je známo jako zvýšený (nebo antropogenní) skleníkový efekt.[22] Tento nárůst radiačního působení z lidské činnosti je důsledkem zejména zvýšení úrovně oxidu uhličitého v atmosféře.[23] Podle nejnovější hodnotící zprávy Mezivládního panelu pro změnu klimatu "atmosférické koncentrace oxidu uhličitého, metanu a oxidu dusného jsou za posledních 800 000 letech bezprecedentní. Jejich účinky společně s jinými antropogenními silami byly zjištěny v celém klimatickém systému a je velmi pravděpodobné, že byly dominantní příčinou pozorovaného oteplování od poloviny 20. století."[24]

CO₂ vzniká spalováním fosilních paliv a dalšími činnostmi, jako je výroba cementu a odlesňování tropů.[25] Měření CO₂ na observatoři Mauna Loa na Havaji ukazuje, že koncentrace se od roku 1960 zvýšily z přibližně hodnoty 313 ppm [26] na přibližně 389 ppm v roce 2010. Dne 9. května 2013 dosáhly koncentrace milníku 400 ppm.[27] Současné zjištěné množství CO₂ překračuje maximální hodnoty geologických záznamů (~ 300 ppm) z údajů ledových vrtných jader (ledové vývrty).[28] Účinek oxidu uhličitého vzniklého spalováním na globální klima, zvláštní případ skleníkového efektu, poprvé popsaný v roce 1896 Svantem Arrheniusem, se také nazývá Callendarův účinek.

Údaje z ledových vrtných jader z uplynulých 800 000 let[29] ukazují, že koncentrace oxidu uhličitého se pohybovala od hodnot od 180 ppm do před industriální úrovně 270 ppm.[30] Paleoklimatologové považují změny v koncentraci oxidu uhličitého za zásadní faktor ovlivňující změny klimatu v tomto časovém měřítku.[31][32]

V rámci vědeckých modelů fungování klimatu byly definovány následující následky zvyšování koncentrací skleníkových plynů, především CO₂:

• ztenčování vrchních vrstev atmosféry,
• pokles teploty horních vrstev atmosféry,
• rychlejší vzestup nočních teplot proti denním,
• rychlejší vzestup zimních teplot proti letním,
• nižší vyzařování tepla do vesmíru,
• snižování obsahu kyslíku v ovzduší,
• zvyšování koncentrace CO₂ v ovzduší,
• vyšší koncentrace CO₂ ze spalovacích procesů ve stromech,
• větší množství infračerveného záření, které se navrací na zemi,
• zvyšování teploty oceánů,
• větší koncentrace CO₂ ze spalovacích procesů v oceánech a korálech.

Všechny vyjmenované jevy byla potvrzeny měřením těchto jevů při použití mnoha různých vědeckých metod.[33][34][35][36][37][38]

Moderní skleník v anglické vesnici Wisley

"Skleníkový efekt" atmosféry je pojmenován analogicky k skleníkům, které se za slunečního záření stávají teplejšími. Skleník však primárně neohřívá "skleníkový efekt".[39] "Skleníkový efekt" je ve skutečnosti nesprávným názvem, jelikož vytápění v běžném skleníku je způsobeno snížením konvekce[40] zatímco "skleníkový efekt" funguje tak, že brání absorbovanému teplu opouštět strukturu radiačním přenosem.

Skleník je vybudován z jakéhokoliv materiálu, kterým prochází sluneční světlo, obvykle ze skla nebo plastu. Slunce ohřívá zem a obsah uvnitř stejně jako venku, které pak ohřívá vzduch. Venku se teplý vzduch v blízkosti povrchu zvedá a mísí se s chladnějším vzduchem, udržuje teplotu nižší než uvnitř, kde se vzduch nadále zahřívá, protože je omezen na skleník. To lze dokázat otevřením malého okna v blízkosti střechy skleníku: teplota začne výrazně klesat. Experimentálně bylo demonstrováno (Robertem Woodem v roce 1909), že (nevyhřívaný) "skleník" pokrytý horninovou solí, halitem, (který je průhledný vůči infračervenému záření) se ohřívá podobně jako jiný, zakrytý sklem.[6] Takto skleníky fungují především tím, že zabraňují konvektivnímu ochlazování.[5]

Vyhřívané skleníky jsou další záležitostí, které mají vnitřní zdroj tepla, které chce uniknout ven, čemuž se musí zabránit. Dává tedy smysl se pokusit zabránit radiačnímu ochlazení pomocí vhodného zasklení.[41]

Skleníkový efekt na Venuši je zvláště velký, protože jeho hustá atmosféra se skládá především z oxidu uhličitého.[45] "Venuše v minulosti zažila skleníkový efekt a očekáváme, že na Zemi bude efekt trvat asi 2 miliardy let, jak se zvyšuje sluneční záření."[46]

Titan má protiskleníkový efekt, protože jeho atmosféra pohlcuje sluneční záření, ale je poměrně průhledná pro odchozí infračervené záření.

Trpasličí planeta Pluto je také chladnější, než by se dalo očekávat, protože ho ochlazuje odpařování dusíku.[47]