Oxid uhličitý, metan a některé další plyny emitované lidskou civilizací absorbují infračervené záření zemského povrchu, které by jinak odešlo do vesmíru. To způsobuje globální oteplování. Pro zdánlivou podobnost s funkcí skleníku se tyto plyny označují jako skleníkové. Současná koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře je nejvyšší za posledních 800 tisíc let. Emise skleníkových plynů rostou tempem přes 1 % ročně. Tento nárůst je způsoben především zvyšováním emisí na obyvatele v rozvojových zemích. V rozvinutých zemích se většinou daří emise postupně snižovat, ale z hodnot řádově vyšších, než které jsou dosahovány v rozvojovém světě. Antropogenní emise oxidu uhličitého (C02) přesahují 37 Gt (miliard tun) C02 ročně. Emise dalších skleníkových plynů se přepočítávají na ekvivalent emisí oxidu uhličitého, C02e. Globální emise skleníkových plynů již překročily 54 Gt C02e ročně. Z největší části jsou spojeny s výrobou elektřiny a tepla (31 %), zemědělstvím a lesním hospodářstvím (18 %) a průmyslovou výrobou (12 %). Tyto zdroje jsou řádově mohutnější než lidské dýchání, které je součástí přirozeného koloběhu mezi biosférou a ovzduším a činí 3 Gt C02 ročně. Povrchové vrstvy polárních pevnin a moří obsahují obrovské množství metanu ve formě hydrátů podobných ledu. Tento metan může být částečně využit, ale jeho spontánní uvolnění v důsledku tání by znamenalo eskalaci globálního oteplování. Pařížská dohoda vyžaduje udržení nárůstu průměrné globální teploty výrazně pod hranicí 2 °C oproti hodnotám před průmyslovou revolucí. Již tato hodnota představuje výraznou klimatickou změnu. Pokles emisí v EU při současném ekonomickém růstu je do značné míry umožněn masovou výrobou v jiných zemích. Například kolem 70 % některých produktů klíčových pro snižování emisí je vyráběno v Číně. Cestou k zásadní redukci emisí skleníkových plynů při zachování ekonomického rozvoje je razantní nasazení obnovitelných energetických zdrojů a jejich rychlý rozvoj založený na výzkumu a nových objevech. 2_2020 Skleník.mdd 1 25.08.2020 16:11:16 CO NAS HREJE A CO CHLADÍ? ENERGETICKÁ BILANCE ZEME Tok energie od Slunce má vzhledem k jeho vysoké teplotě charakter krátkovlnného záření. I o O > o c ra 0) CL I Na horní vrstvu atmosféry dopadne v průměru přibližně 340 W-m2 slunečního záření. Téměř stejná hodnota, v průměru jen o 1 W-m2 menší, odchází ze Země do vesmíru. Pro teplotu zemského povrchu jsou rozhodující překážky stojící v cestě těmto energetickým tokům. Zemský povrch má poměrně nízkou teplotu, a proto vyzařuje v infračervené (dlouhovlnné) oblasti. Jen velmi malá část tohoto záření projde atmosférou přímo do vesmíru. Většina dlouhovlnného záření povrchu Země je absorbována skleníkovými plyny. A většina celkové energie absorbované v atmosféře se dlouhovlnným zářením dostává dolů na zemský povrch. Tento tzv. skleníkový efekt zásadním způsobem ovlivňuje zemské klima. Bez něj by byla průměrná povrchová teplota Země, pokud by měl stejnou odrazivost, okolo -18 °C, nikoli pro život příjemných +15 °C. Zvyšováním koncentrace skleníkových plynů dochází ke zvyšování dlouhovlnného záření atmosféry dolů na zemský povrch a tím ke zvyšování teploty na Zemi se všemi jeho důsledky. Vývoj vzdušných koncentrací C02 a povrchové teploty Země koncentrace CO, teplota 400 Koncentrace CO. od roku 1958 včetně sezó 350 výkyvů odražené sluneční záření 100,9 W-m : odraz na oblacích, aerosolu a atm. plynech 78 W-m V o příchozí sluneční záření 340,3 W-m"2 vyzářeno atmosférickými plyny 187 W-m"2 atmosférické/ odchozí dlouhovlnné záření 238,5 W-m"2 absorpce v atmosféře 23 W-m"2 i ^uvolněné S 22 W-m' y^^^^^J J (jatentní tep\oj 378/V-m"2 1 Jo jp *\ f zpětná 160 W-m"2 absorpce povrchem 20 W-m^f^W-n^|^g0 W-rrf^ 333 W-m termická evapo- vyzařování absorpce konvekce transpirace povrchu povrchem na Zemi zůstává 0,9 ± 0,2 W-m"2 Obr. 1. Energetická bilance atmosféry a zemského povrchu. Energetické toky (ročníprůměry)/sou vztaženy na jeden čtverečnímetr povrchu. Obr. -300 -250 -200 -150 -100 -50 čbs (tisíce let) [0 odpovídá počátku n. L] 2 ukazuje jasnou korelaci teploty povrchu Země se vzdušnými koncentracemi C02 v průběhu posledních 400 tisíc let a zároveň závratný růst koncentrace C02 v posledních desetiletích. Současná koncentrace C02 tak převyšuje nejvyšší hodnoty za posledních 400 tisíc let přibližně o 100 ppm (parts per milion - molekul C02 na jeden milion molekul atmosférických plynů). Přitom takový rozdíl byl v minulosti svázán se změnami teploty kolem 3 °C a s drastickými změnami zemského klimatu - např. od poslední doby ledové, kdy se zaledněnípřiblížilo k současnému území ČR. CO JSOU „SKLENÍKOVÉ PLYNY"? Skleníkové plyny jsou plyny v atmosféře, které absorbují a vyzařují infračervené záření. Hlavním přírodním skleníkovým plynem je vodní pára. Lidstvo přispívá ke skleníkovému efektu emisemi oxidu uhličitého, metanu, halogenovaných uhlovodíků (plyny obsahující fluor, chlor a brom), oxidů dusíku a emisemi způsobenými změnami v koncentracích troposférického a stratosférického ozonu. Tyto plyny setrvávají v atmosféře desítky a v některých případech až tisíce let. Hlavní atmosférické plyny dusík (N ), kyslík (OJ a argon (Ar), tvořící 99,96 % objemu atmosféry, ke skleníkovému efektu nepřispívají. Mezi umělé skleníkové plyny patří zejména chladiva, hnací plyny v aerosolových rozprašovačích a rozpouštědla na bázi halogenovaných uhlovodíků, dále pak fluorid sírový (SFJ a fluorid dusitý (NF.J. Relativní vliv jednotlivých plynů je nejčastěji charakterizován pomocí tzv. potenciálu globálního oteplování (Global Warming Potential - GWP). GWP je poměr energie infračerveného záření, kterou zachytí kilogram dané látky vypuštěné do atmosféry za určitou dobu (nejčastěji 100 let), k energii zachycené kilogramem emisí C02. GWP zohledňuje také životnost plynu v atmosféře. Ekvivalentní hmotnost emisí oxidu uhličitého C02e se určuje na základě GWP. Tabulka ukazuje GWP a podíl jednotlivých skleníkových plynů na tzv. radiačním působení (Radiative Forcing, RF), jehož definice vychází z energetické bilance atmosféry. V ustáleném stavu je součet energetických toků na hranici stratosféry a troposféry roven nule. Přitom toky směrem k zemskému povrchu (sluneční záření) bereme jako kladné a toky směrem do vesmíru (odražené světlo a infračervené záření povrchu a atmosféry) jako záporné. Pokud atmosférický systém nějakým způsobem změníme, např. zvýšením koncentrace nějakého skleníkového plynu, narušíme tím ustálený stav a na horní hranici troposféry vznikne nenulový tok energie, jehož velikost v jednotkách W-m"2 vyjadřuje RF. Při výpočtu RF jsou uvažovány nezměněné teploty troposféry a zemského povrchu, což je abstrakce potřebná pro transparentní vyjádření RF. Název Chemický vzorec Životnost 1 v atmosféře (roky) GWP 100 let Podíl na radiač-1 ním působení** Zdroj / použití oxid uhličitý co2 (100-150) 1 66 % spaliny z dopravy, při produkci elektřiny a v průmyslu metan 12,4 28 16 % zpracování zemního plynu a ropy, chemický průmysl, zemědělství oxid dusný N20 121 265 6% zemědělství R12 CCI2F2 100 10 200 5 % již nepoužívané chladivo způsobující úbytek ozónu, nahrazeno R134a R22 CHCIF2 11,9 1760 1,4 % chladivo používané v rozvojových zemích jako alternativa Rlla R12 R134a CH2FCF3 13,4 1300 0,5 % chladivo postupně nahrazované s ohledem na vysoké GWP R1234yf CF3CF=CH2 10,5 dní < 1 - chladivo používané v automobilech R14 CF4 50 000 6630 0,1 % výroba optických vláken, chladivo pro nízké teploty fluorid sírový SF6 3200 23 500 0,2 % nevodivé medium v elektrotechnice * Pro rok 2019, určeno na základě celkového radiačního působení (RF) skleníkových plynů kromě vody, které činí 3,14 W/m2 5 Celkový podíl halogenovaných uhlovodíků (CFC, HFC, HCFC, PFC) činí zhruba 12 % 2_2020 Skleníkindd 2 25.08.2020 16:11:19 Radiační působení mezi lety 1750 a 2011 H adina spolehlivosti Dobře smíšené skleníkové plyny Stratosférická vodní pára zCHa Povrchové albedo Kondenzační stopy Interakce aerosol - záření Interakce aerosol - oblaky Celkem antropogenní vliv Sluneční zářeni Ostatní skleníkové plyny Stratosférický \*\ [/'->---| Troposférický I P Využívání krajiny I + | H Černý uhlíkový aerosol na sněhu a ledu Velmi vysoká Velmi vysoká Vysoká / Clrry Indukované o c ra 0) CL I Trvale zmrzlá půda (permafrost] Mělký arktický šelf Hranice stability hydrátů Hlubinné hydráty Fázový diagram voda-metan 101 mořská hladina SKLENÍKOVÉ PLYNY VE FORME HYDRÁTU PLYNU - ZDROJ ENERGIE, ČI ENVIRONMENTÁLNI' HROZBA? Kromě plynů v atmosféře se na Zemi nachází velké množství skleníkových plynů, které se aktuálně na skleníkovém efektu přímo nepodílejí. Jedná se zejména o zásoby metanu ve formě hydrátů plynů vyskytujících se na mořském dně v kontinentálním pevninském šelfu v hloubce zhruba od 300 m a v trvale zmrzlé půdě (permafrostu), např. v severních částech Ruska a Kanady. Hydráty plynů jsou krystalické směsi vody a plynů tvořící tzv. klatráto-vou strukturu připomínající vodní led, kdy molekuly vody vázané vodíkovými vazbami dávají vzniknout kavi-tám (dutinám) obsahujícím molekuly plynu. V případě hydrátů metanu je klatráto-vá struktura tvořena zhruba z 13 až 15 % molekulami metanu a zbytek molekulami vody. Hydráty plynů jsou obecně stabilní při teplotách pod teplotou okolí 25 °C a tlacích v řádu několika MPa. Při nižších tlacích a vyšších teplotách dochází k rozkladu hydrátů plynů na kapalnou vodu a plyn. V - kapalná voda L - vodní led M - plynný metan H - hydráty IpFffmsidlrí V-L-H Ě V-H# L-H WV-M-H L-M-H/ V-M / L-M V-L-M jT atmosférický tlak -50 -25 0 teplota [°C] Oblast stability hydrátů pod mořským dnem Obr. 5. Hydráty metanu v přírodě a diagram pro vodu + metan. Přírodní zásoby metanu ve formě hydrátů se stávají předmětem zájmu jakožto možný zdroj energie, kdy by například hydráty metanu mohly být uměle nahrazovány hydráty C02 vykazujícími vyšší stabilitu v závislosti na teplotě a tlaku. Odhady množství přírodního metanu ve formě hydrátů se různí, řádově se odhadují na 1015 m3, což je zhruba desetkrát více, než jsou odhady zásob zemního plynu. Na druhou stranu masivnější uvolnění metanu z hydrátů do moře a do atmosféry by mohlo vést ke katastrofickým a nezvratným změnám klimatu. Vliv metanu na globální oteplování může být v horizontu 100 let až 28krát větší než v případě C02. Některé studie ukazují, že masivní uvolnění přírodních hydrátů metanu způsobilo v minulosti v nejstar-ších třetihorách před necelými 56 miliony lety globální nárůst teploty, a to o 4 až 5 °C během relativně krátké doby kolem 20 000 let. NADĚJÍ JE VÝVOJ NOVÝCH TECHNOLOGIÍ VYUŽITELNÝCH I V ROZVOJOVÝCH ZEMÍCH Závazek Pařížské dohody udržet nárůst průměrné teploty pod 2 °C je velmi ambiciózní a obtížně dosažitelný při zachování pomalého tempa snižování emisí v rozvinutých zemích a zároveň přetrvávajícího závratného růstu emisí v rozvojovém světě. Při současném stavu techniky, kdy spalování fosilních paliv v energetice a dopravě je většinou výrazně levnější než využití obnovitelných zdrojů nebo jaderné energie, nelze očekávat zásadní změnu. Ačkoli státní zásahy podporující rozšiřování obnovitelných zdrojů energie mohou emise skleníkových plynů významně omezit, reálnou cestou k udržení přijatelné úrovně globálního oteplení je razantní nasazení obnovitelných energetických zdrojů a intenzivní výzkum a vývoj nových energetických technologií, které budou ekonomicky výhodné a využitelné i v rozvojových zemích. Přehled použité literatury: http://www.avcr.cz/cs/veda-a-vyzkum/avex/ AVex 2/2020: PLANETA VE SKLENÍKU, SRPEN 2020 AVex je nezávislé expertní stanovisko, které Akademie věd České republiky připravuje pro orgány státu a jeho představitele jako odborný podklad ve věcech veřejných záležitostí. Odborným garantem stanoviska je Ústav termomechaniky AV ČR. Odpovědná redaktorka: Markéta Růžičková, e-mail: avex@kav.cas.cz, http://www.avcr.cz/cs/veda-a-vyzkum/avex/ Kontaktní osoba: Ing. Jiří Plesek, CSc, e-mail: plesek@it.cas.cz 2_2020 Skleníkmdd 4 25.08.2020 16:11:20