Skleníkový efekt snadno, rychle, jasně a nejspíš špatně.
Článek obsahuje grafy a úvahy o skleníkovém jevu na Zemi. Problematiku
jaký vliv mohou mít neskleníkové plyny N2, O2, Ar jsem k jednoznačnému
závěru nedovedl. Nechám to tedy na klimaskepticích, je to jako jim dát
do ruky velikonoční pomlázku a nechránit si pozadí. Skeptici měli
březen byl u nás chladný a má být chladný i aprílový 1.duben.
Klimatologové mají jistotu, že skleníkové plyny byly a budou, a tak
udělal jsem svévolně extrapolaci radiačního působení skleníkových plynů
až do roku 2100. Snadno a rychle. Není čas, dnes v noci na neděli
31. března nám ukradnou hodinu a spát se bude o hodinu méně.
Graf č.1 radiačního působení skleníkových plynů podle IPCC 2007 vyjadřuje antropogenní působení celkem.
http://amper.ped.muni.cz/gw/ipcc_cz/wg1/figures_cz/SPM-2_13Mar07cz.png
- Rozhodující podíl patří CO2, o němž je uvedeno, že se počítá jako
márůst radiačního působení od předindustriálního období, tedy od 1750,
kdy bylo 280 ppm CO2.
- Přepočet
ppm CO2 na radiační působení W/m2 je podle vzorce (delta) F[W/m2]=5,35*ln
(ppCO2 aktualní/pp CO2 referenční), tedy od 1750 do 2012 pro 280/395
ppm bude 1,84 W/m2 nárůst radiačního působení. Pro poměr 380/280 ppm to
vychází 1,63 W/m2.
- Logické pak je, že i vliv halogenovaných uhlovodíků
je od předindustriálního období je tedy antropogenní.
- Vliv
ozonu - troposférický ozon je straně nárůstu skleníkového
efektu, statosférický ozon ( většina ozonu je ve výšce kolem 30 km) je
na staraně úbytku skleníkového efektu . To lze chápat tak, že se
účastní vyzařování do kosmu více, než zpět k Zemi. Toposférického ozonu
není mnoho, ale roste přízemní ozon díky fotosmogu velkých prosluněných
měst.
Graf č.2- atmosféra- teploty, výška, tlak.
- Podmínkou vzniku skleníkového jevu je to, že vyšší schladnější
vrstva vyzařuje méně, než spodní teplejší vrstva. Ve stratosféře
teplota roste, tedy vyzařování O3 a CO2 k povrchu je nižší, než
do kosmu.
- Stratosférická vodní pára vzniká oxidací methanu, vodní páry z
výparu oceánů se neostane přes tropopausu ( asi 5-7 km vysokou
vrstvu, kde je minimální proudění a teplota kolem -55 °C průměrně)
- CO2 a patrně i methan a oxid dusný (N2O, t.v. -88,5°C) jsou
rovnoměrně na % rozptýleny v atmosféře až asi do 100 km, tedy i ve
stratosféře. N2O se oxiduje ozonem na NO2, spotřebovává tedy ozon ve
stratosféře (http://cs.wikipedia.org/wiki/Oxid_dusn%C3%BD). Růst ozonu a N2O současně díky civilizaci, to si mírně protiřečí.
Grafy , které najde Google jako Obrázky pod heslem energetická bilance
atmosféry jsou rozporné. Velmi se liší započtením výparného tepla vody
( latentní teplo) a tepelných stoupajících proudů ( konvekce).
Graf č.3- původní zdroj Svobodová J., MUNI Brno. Vyznačení zpětného toku
IR záření má hodnotu 195 W/m2 pro skleníkový efekt a 130 W/m2 pro plyny
(atmosféry?). Můj názor :
- Hodnoty 195 W/m2 a 130 W/m2 dostaneme, když celkové zpětné záření
IR 325 W/m2 přepočteme na 60 % pro vodní páru a 40% pro zbytek. Tedy
popis by měl být 195 W/m2 skleníkový efekt vodní páry a 130 W/m2
skleníkový efekt ostatních skleníkových plynů.
- Jiný výklad těchto hodnot : Podle http://meteocentrum.cz/encyklopedie/greenhouse-effect.php :
"Skleníkové plyny působí tedy na vyzařování jako částečná
„pokrývka“ a způsobují rozdíl asi 21°C mezi skutečnou a průměrnou
povrchovou teplotou na Zemi, jež se pohybuje asi kolem 15°C a hodnotou
-6°C, která by nastala v atmosféře obsahující pouze kyslík a
dusík." Všeobecná shoda je, že Země bez atmosféry by měla teplotu
-18°C ( při stejném albedu, ve skutečnosti tedy by byla teplota ještě nižší
teplota).
- pro
-19°C ( 254 K) vychází podle Stefan.-Boltzmannova zákona F
[W/m2]=(5,67E-08)*T^4 vyzařování 236 W/m2 v souhlase s grafem č.3.,
pro 255 K to bude 240 W/m2.
- Pak tedy neskleníkové plyny ( N2, O2, Ar) způsobí rozdíl
-18°C do -6°C , tedy o 12°C. Skleníkové plyny od -6°C do -15 °C tedy o
21 °C. Když rozdělíme 325 W/m2 zpětného vyzařování k zemi v
tomto poměru dostaneme 118 W/m2 a 207 W/m2. Což není v souhlasu s
grafem. Zásadní rozpor je v tom, že neskleníkové plyny ( N2, O2, Ar) by
neměly vůbec pohlcovat ani vyzařovat IR záření a jejich vliv na
energetickou bilanci Země by měl být nepatrný. Obecně proto, že
neobsahují tří a víceatomové molekuly, které mají rotačně
vibrační spektra, které pohlcují a vyzařují IR záření. Dusík a kyslík
vyzařují v mikrovlnné oblasti, která má na energetickou bilanci
atmosféry nepatrný vliv.http://climateaudit.org/2008/01/08/sir-john-houghton-on-the-enhanced-greenhouse-effect/
"Dusík a kyslík mohou tvořit srážkovým dimery, které absorbují IR v
tepelném pásmu IR, ale tato absorpce je 5 nebo 6 řádů slabší než vodní
pára, takže emise a absorpce těchto dimerů je zanedbatelný v
troposféře. Kyslík má magnetický dipólový moment, takže má
emisní spektrum na dlouhých vlnových délkách, ale nejsilnější složky
jsou v mikrovlnné oblasti, kde hustota energie z tepelného záření z
povrchu a nižší atmosféry je poměrně nízká. Frekvence 60 GHz ( snad asi 5 mm vlnová
délka) kyslíku emise pásmo je, které sledují satelity."
-
K
vyžařování do vesmíru, které sledujíjí satelity se ještě dostanu dále.
Kyslík a dusík se tedy thoto vyzařování neúčastní a jejich vliv na
teplotu atmosféry a Země je nepatrný. Těžko se to rozdýchává, ale vše tomu nasvědčuje.
Kniha Malá všeobecná obrazová
encyklopedie, asi 1998, uvádí, že bez skleníkových plynů, by teplota
Země byla asi o 33°C nižší. Je to kniha podepsaná desítkami vědeckých
kapacit a skleníkového jevu se týká velmi okrajově, ale všechny údaje v
knize jsou opravdu kvalitní.
- Jan Hollan, publikující na http://amper.ped.muni.cz/gw/ uvádí
, že skleníkové plyny zůsobují zvýšení teploty Země o 34 °C, myšleno
při zachování albeda, ve skutečnosti byla země více pokryta sněhem a
ledem, tedy teploty by byly ještě nižší.
- http://zmeny-klima.ic.cz/sklenik-pricip/vyzarovani-10mikrometru.jpg
http://amper.ped.muni.cz/gw/pojmy.html#2.2.Skleníkové plyny
http://amper.ped.muni.cz/gw/pojmy.html#2.1.Skleníkový jev
"Skleníkové plyny se od hlavních složek ovzduší (N2, O2, Ar) liší tím,
že jejich molekuly se skládají alespoň ze tří atomů a mohou pohlcovat a
vyzařovat dlouhovlnné infračervené záření tím, že mění svůj rotační
nebo vibrační stav." - autor textu Jan Hollan
- Graf č. 4 Trenbeth 2012. V
tomto grafu je zmatečně vyznačeno minus -187,9 W/m2 pro All-sky
longwave absobtion. Smysl je ten, že tato hodnota 189,7 W/m2 se
vyzařuje jako IR záření atmosférou a je započtena do širokého fialového
pásu, který končí nahoře výstupem ( Outgoing longwave radiation = 239,7
W/m2, kde je i přímé vyzařovací okno uváděné obvykle 40W/m2 a
vyzařování mraků, zde 26,5 W/m2).
Graf č.5- srovnání energetické bilance atmosféry do 2012
Z hlediska kinetické teorie plynů je tu několik problémů:
- Skleníkové víceatomové plyny zachycují a vyzařují IR záření,
které však zbytek atmosféry není schopen přijmout, tedy ani vysílat v
nějaké rozumné rovnováze. Snad jen vliv kyslíku s mírně polární
molekulou kyslík je paramagnetický) a mimimálního vzniku vazeb
dimeru, které rotačně vibrační spektra teoreticky mají.
- Podle vzroce Boltzmannovy teorie plynů 1/2*m1*vk^2 =3/2*k*T, kde m1 je hmotnost jedné molekuly a vk je střední kvadratická rychlost molekuly, k je Boltzmannova konstatnta k = (1,38) × 10-23 JˇK-1
- Pak
vychází pro methan, N2. O2. Ar a CO2 při -55°C ( 218 K) rychlost
molekul po
řadě 550,
441, 412, 369 a 352 m/s,
- Při teplotě 288 K ( +15°C) to bude pro methan, vodní
páru, N2. O2. Ar a CO2 po řadě 632, 632, 506, 474,
424 a 404 m/s Molekuly skleníkových plynů CH4 a H2O páry mohou
tedy při
přímých srážkách předávat energii neskleníkovým dvouatomovým molekulám
N2, O2 a jednoatomové molekule Ar (molární
hmotnost 40 g/mol), které jsou pomalejší.
- S těžkým srdcem docházím k závěru, že neskleníkové
plny mají malý radiační vliv na teplotu atmosféry. Mohou podílet
na přenosu tepla konvekcí a přenosu latentního tepla vodních par z
teplých oblastí oceánů do vyšších zeměpisných šířek, tato energie
zůstává v troposféře snížení albeda polární oblasti jsou teplejší,mají
méně sněhu. Ale i více srážek sněhových, tohle ať si vyřeší někdo
moudřejší.
- Jestliže
se podíváme na výkon celkem IR záření, který odchází z
povrchu-podle horního schématu je to 390-324 =86 W/m2, podle dolního
schématu z roku 2012 je to 398-346 = 52 W/m2. To jsou velmi malé
hodnoty, které opouští povrch. Cestou mimo skleníkový jev a IR
vyzařování opouští povrch podle
horního schématu 78 W/m2 latentního tepla + 24 W/m2 konvekcí prouděním
vzhůru, celkem 102 W/m2. Podle dolního schématu to je 88 W/m2 latentního
tepla+ 24 W/m2 konvekce, celkem 112 W/m2, což je více než dvojnásobek
52 W/m2, který má odcházet z povrchu jako rozdíl IR vyzařování.
- Asi
tak ze 4. třídy ZŠ víme, že ovzduší se ohřívá od povrchu Země.
Fyzika mi nedala rozumnou odpověď, jak to povrch pevné látky s pomalu
si kolem rovnovážných poloh kmitajícími atomy dělá, že předá
energii molekulám plynu, která létají bláznivou rychlostí 0,5 km/s a za
sekundu absolvují 7 miliard srážek mezi sebou v plynu za normálních podmínek. Vzduch se tedy
ohřívá od povrchu a spolu s latentním teplem přijímá 2x víc tepla, než
z infračerveného záření. Povrch sice vyzařuje mnoho IR záření, ale
současně se většina tohoto IR zpětně vyzařuje k povrchu, ve vzduchu se
pohlcuje k dalším rovnováhám uvnitř atmosféry tedy zhruba
13% IR záření. Pro teplo zadržené v atmosféře mají tedy
neskleníkové plyny
podstatný význam, i když nezadržují ani nevyzařují IR záření. Část
energie přebírají od rychlejších molekul H2O páry a CH4, které IR
záření pohlcují. Nejrozšířenejší skleníkový plyn je vodní pára ( snad
1600 ppm), tedy součet skleníkových plynů tvoří kolem 2 promile
atmosféry.
- Tvrzení, že skleníkové plyny způsobují o 21 °C vyšší teplotu
atmosféry a neskleníkové plyny dalších 12°C se jeví nakonec docela
rozumné, pokud přijmeme, že vzduch přebírá energii od povrchu mimo IR
záření.
Vývoj k roku 2100.
- Graf č.1 Příspěvky k radiačnímu působení podle IPCC 2007
nám moc nepomůže, protože se výchozím bodem vztahuje z 1750, kdy
máme k dospozici odhady koncentrací. Kromě toho vývoj Radiative forcing
je rozhodující brát podle posledních let. Odkaz http://www.esrl.noaa.gov/gmd/aggi/ je z posledních desetiletí a graf má vcelku lineární průběh.
Graf č.5 podle NOAA/aggi
Graf č.6- lineární trend podle NOAA/aggi do 2100. Celkový nárůst
vyzařování radiative forcing je 2100/2000 asi 5,9-2,4 =3,5 W/m2. To odpovídá při
přepočtu s koeficientem 0,8 asi 2,8 °C, zhruba tedy 3°C..
Při zvýšení teploty z 288 K na 291 K bude vyzařování povrchu zvýšeno
podle Stefan-Boltzmannova zákona z 390 W/m2 na 406,5 W/m2. Z toho
nárůst na 398 W/m2 už nastal podle schématu Graf č. 4 Trenbeth 2012.
Podle http://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_gas
Plyn | Vzorec | Příspěvek (%) |
---|
Vodní pára | H 2 O | 36 až 72% |
Oxid uhličitý | CO 2 | 9-26% |
Metan | CH 4 | 4-9% |
Ozón | O 3 | 3 - 7% |
Průměr pro vodní páru je 54%, většinou se uvádí 60% ( to jsem dal i do dolního grafu) nebo 2/3 ( tedy 67% - Moldan, 2009).
http://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_gas
A na závěr trochu nejistot. Všechny rovnováhy je třeba posuzovat v
daném místě ( buď na povrchu nebo vzhledem k vnějšímu vesmíru). Hodně
se měří ze satelitů. A je otázka, jak to souvisí s teplotami a
vyzařováním na povrchu. Obecně určitě, všechny rovnováhy jsou dočasné.
Problém je v tom, že výsledky posuzujme nyní, tedy bereme rovnováhu
jako dočasně stabilní. Největší vliv, který je standardně mimo základní
úvahy na radiační rovnováhy je rozdíl ve vyzařování při různých
teplotách. V horní troposféře je je kolem -55°C, podle Wienova
posunovacího zákona bude vyzařování třeba CO2 při 220 K hodně odlišné
od vyzařování při 288K.
Internetové odkazy
http://cs.wikipedia.org/wiki/Sklen%C3%ADkov%C3%A9_plyny
http://www.enviweb.cz/eslovnik/204
http://cs.wikipedia.org/wiki/Glob%C3%A1ln%C3%AD_oteplov%C3%A1n%C3%AD
http://cs.wikipedia.org/wiki/Kj%C3%B3tsk%C3%BD_protokol
http://infomet.cz/index.php?id=read&idd=1338911962
http://www.infomet.cz/index.php?id=read&idd=1311367555
http://portal.chmi.cz/files/portal/docs/meteo/ok/klimazmena/files/cc_chap05.pdf
http://www.chmi.cz/portal/dt?menu=JSPTabContainer/P4_Historicka_data/P4_1_Pocasi/P4_1_10_Zmena_klimatu/P4_1_10_1_Zakladni_informace&last=false
Poznámka:
zmeny-klima.ic.cz
moje
stránky asi od roku 2008, kde jsou převážně grafy vztahující se ke
klimatu. Stránky neobsahují diskuzi a jsou řazeny vpodstatě podle
data vzniku. Google/ Obrázky poměrně dobře nachází grafy při dotazu
typu klementinum-teploty-1770-2013 nebo milankovicovy-cykly tedy
dotaz v čestině bez diakritiky. Asi od roku 2010 jsou některé články
uveřejňovány na gnosis9.net, kde je možná diskuze.
Články
Voda na Zemi, srážky, virtuální voda. Ledovce, doby ledové, supervulkány, asteroidy a klima (1. dil), Voda na Zemi, srážky, virtuální voda. Ledovce, doby ledové, supervulkány, asteroidy a klima (2. díl), Voda na Zemi, srážky, virtuální voda. Ledovce, doby ledové, supervulkány, asteroidy a klima (3. díl), Voda na Zemi, srážky, virtuální voda. Ledovce, doby ledové, supervulkány, asteroidy a klima (4. díl)
jsou na zmeny-klima.ic.cz ve dvou dílech, kde je navíc další ( pátá) část. 1.díl : zmeny-klima.ic.cz/ledovce-a-klima/ledovce-1-dil/index.htm a zmeny-klima.ic.cz/ledovce-a-klima/ledovce-2-dil/index.htm. Celkem asi 70 stran je uloženo i jako .pdf (zmeny-klima.ic.cz/ledovce-a-klima/ledovce-1-a-2-dil.pdf)