Globální změny klimatuGlobální změny klimatu
aa
trvale udržitelný rozvojtrvale udržitelný rozvoj4. Planeta Země jako skleník? 4. Planeta Země jako skleník?
Fyzikální podstata skleníkového efektu.Fyzikální podstata skleníkového efektu.
MB130P68 Globální změny a trvalá udržitelnost. ZS 2012/2013
Lubomír Nátr© Lubomír Nátr
Lubomí Nátr, 2011
4. Planeta Země jako skleník? Fyzikální
podstata skleníkového efektu.
Jak udržuje Země stálou teplotu na svém povrchu?
Skleníkové plyny: CO2 , H2O, CH4, N2O, freony: příčiny změn jejich
koncentrací dříve, dnes a zítra.
Základní termíny: zesílení skleníkového efektu, radiační účinek, míra
zvýšení teploty.
Dosavadní a předpokládané změny klimatu: teplota, srážky, hurikány,
hladiny oceánů
Možnosti snižování antropogenních emisí skleníkových plynů:
zalesňování, ukládání CO2 do vytěžených dolů a hlubin oceánů, omezení
emisí CH4, N2O, geoinženýrská řešení.
Lubomír Nátr 2009
J = σ . T4Aplikace
Záření
slunečníinfračervené
Lubomír Nátr 2009
Změnyglobálníhoklimatu
Změny- sluneční záření- albedo povrchu- sopečné erupce- pohyby kontinentů-Dopad meteoritů- …
CO2
CH4
N2Ofreony
Radiačnípůsobení
Skleníkový efektLidstvo
Globální klimaGlobální klima
(1) Zvyšuje se průměrná teplota povrchu planety.
(2) Dochází ke zvyšování hladiny oceánů, protože
tají ledovce a zvyšující se teplota zvětšuje objem vody.
(3) Tají i vysokohorské ledovce a
hranice lesa se posouvá do vyšších nadmořských výšek.
(4) Zvyšuje se frekvence mimořádných klimatických událostí.
(5) Hromadí se doklady o reakcích živých organismů
na prodlužování vegetačního období.
(6) Změny klimatu mohou být
v jednotlivých geografických oblastech velmi rozdílné.
Projevy změn globálního klimatuProjevy změn globálního klimatu
Lubomír Nátr 2009
Přírodní faktory
+ oCSoučasná teplota
- oC
Působení člov ěka
+ oCSoučasná teplota
- oC
Lubomír Nátr 2009
Atm
osfé
ra
Earth surface
CO2 CH4N2O H2O
Sunradiation
ReflectedSun
radiation
Long-waveradiation
Long-waveradiation re-emitted
to the surface
Long-waveradiation abosrbed by
the GHG
Principskleníkovéhoefektu Země
Lubomír Nátr 2009
Lubomír Nátr 2009
Seinfeld: Insights on global warming. AIChE Journal December 2011 Vol. 57, No. 12,
3259
Earth’s energy balance.3 Incoming and outgoing energy fluxes from Earth on an annual-average basis.The greenhouse effect refers to the absorption and reradiation of energy by atmospheric gases, resulting in a downward flux of infraredradiation from the atmosphere to the surface. At equilibrium, the total rate at which energy leaves the Earth (102 W m2 of reflected sunlight plus 239 W m2 of infrared radiation) is equal to 341 W m 2 of incident sunlight.
[Color figure can be viewed in the online issue,which is available at wileyonlinelibrary.com.]
Seinfeld: Insights on global warming. AIChE Journal December 2011 Vol. 57, No. 12,
3259
Pro 288K (15 oC) IR emise =396 Wm-2
Vzhledem k absorpci skleníkovými plyny jsou
emise na horním okraji atmosféry = 239 Wm-2
Srovnejme:
Energie uvolněná lidstvem při využívání zdrojů = 0,025 Wm-2
Termální energie z nitra Země = 0,087 Wm-2
Seinfeld: Insights on global warming. AIChE Journal December 2011 Vol. 57, No. 12,
3259
IR Země do Vesmíru je emitováno z výšek s teplotou cca -19 oC.
Proto jsou IR emise z povrchu Země (15 oC) vyšší –
část je pohlcena a emitována i zpět skleníkovými plyny.
IR reemitovaná skleníkovými plyny
zpět na povrch Země
pochází hlavně z troposféry.
Seinfeld: Insights on global warming. AIChE Journal December 2011 Vol. 57, No. 12,
3259
Zdvojnásobení preindustriální koncentrace CO2 (2xCO2)
odpovídá radiačnímu působení 3,7 W m-2 a změně teploty 1,2 oC.
Neboli:
Uvedená změna teploty povrchu Země v důsledku uvedeného radiačního působení
odpovídá klimatické citlivosti 0,32 oC W-1m2 .
Změna teploty povrchu Země je větší než výše uvedená, protože působí
zpětné vazby:
Např.
Zvýšení konc. CO2 více vodní páry ve vzduchu
tání ledovců větší absorpce slunečního záření pevninami i oceány.
Ale: Změna obsahu vodní páry ve vzduchu
změna oblačnosti, srážek (rychlá kondensace, evaporace).
Tedy rychlé změny!
Vodní pára se podílí více než 50% na skleníkovém efektu Země.
Ale: Rozhodující je konc. CO2:
Atmosféra bez CO2 ochlazení vzduchu vysrážení vodní páry
další ochlazení až k zalednění.
Seinfeld: Insights on global warming. AIChE Journal December 2011 Vol. 57, No. 12,
3259
Příspěvek nekondensujících skleníkových plynů
je asi 25 % na skleníkovém efektu.
To umožňuje dalších 75% díky
rychlým zpětným vazbám vodní páry a mraků.
Přítomnost nekondensujících a
dostatečně dlouho pobývajících
skleníkových plynů v atmosféře
je základ klimatu Země.
Lubomír Nátr 2009
Souhrnný účinek všech skleníkových plynů nebo také relativní účinky jednotlivých plynů.
Proto bylo třeba stanovit nějakou vlastnost, která by byla srovnatelnou mírouúčinnosti jednotlivých skleníkových plynů a jejich podílu na celkovém skleníkovém efektu
Tou mírou je často
radiační účinek,
který vyjadřujetakovou změnu radiační bilance na rozhraní zemského povrchu a troposféry,která je vyvolána například změnou obsahu některého skleníkového plynu v atmosféře či změnou množství odraženého záření (albedo) od zemského povrchu s daným pokryvem
Stručná definice to vyjadřuje jako
„změnu či narušení (v jednotkách W m-2) energetické bilance planety
změnou mechanismu podílejícího se na utváření klimatu“.
Existují i jiné, přesnější definice. Vzhledem k tomu, že se jedná o jeden ze základních pojmů při posuzování změny teploty skleníkovým efektem, podrobnější vyjádření převzaté ze Zprávy mezivládního panelu pro změny klimatu (volně přeloženo):
„Radiační účinek systému tvořeného povrchem Země a troposférou a vyvolaný
například změnou koncentrace skleníkového plynu je změna neto radiace (ve W m-2)
v tropopause poté,
co se při nezměněných podmínkách teploty na povrchu Země a v troposféře
ustaví stálá teplota ve stratosféře odpovídající změně v radiační rovnováze.“
Lubomír Nátr 2009
ppm CO 2
0 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Wm
-2
0
2
4
6
8
10
ppm CH 4
Wm
-2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
ppm N 2O
Wm
-2
0,0
0,1
0,2
0,3
Vztaženo ke koncentraci 280 ppm CO 2
Vztaženo ke koncentraci 0,7 ppm CH 4
Vztaženo ke koncentraci 0,26 ppm N 2O
1,0 1,5 2,0 2,50
0 0,275 0,300 0,325 0,350
Radiační účinek zvýšené koncentrace
oxidu uhličitého (CO2),
metanu (CH4) a
oxidu dusného (N2O).
Vyjadřuje zvýšení absorpce dlouhovlnného
infračerveného záření emitovaného povrchem
Země při zvýšení koncentrace
na uvedenou hodnotu.
Tento účinek je uveden jako zvýšení vzhledem
k absorpci záření při určité základní koncentraci,
která je u všech tří plynů uvedena v příslušném grafu.
Pozor na rozdílné hodnoty stupnic os v grafech!
Sestaveno podle vztahů uvedených Hansenem et al. (2000).
Lubomír Nátr 2009
Změny radiačního účinku vedou ke změnám teploty na povrchu Země.Kirschbaum (2003) vyjadřuje velikost této změny hodnotou
0,5 K m2 W-1. To znamená, že
zvýšení radiačního účinku o 1 W m-2
zvýší teplotu povrchu o 0,5 oC.
Teplotní účinek zvýšeného radiačního účinku se v atmosféře a na povrchu Země zpožďuje o několik měsíců,
zatímco pro velké hloubky oceánů činí toto zpoždění desítky až stovky roků.
Lubomír Nátr 2008
Koncentrace CO2 (ppm)
250 300 350 400 450 500 550 600 650
Zvý
šení
tepl
oty
(∆Τ,
0 C)
0
1
2
3
4
5
6
s=3,0s=4,5s=4,5
∆∆∆∆T = T - T0
T = T0 + s/ln(2) . ln(C/C 0)
SCHEFFER2006Zvýšení průměrné teploty na Zemi zvyšující se koncentrací oxidu uhličitého v atmosféře. Zvýšení je vztaženo k teplotě 15 0C předpokládané při preindustriální koncentraci CO2 (C0=280 ppm). Hodnota s vyjadřuje různou míru vlivu koncentrace CO2 na teplotu a obvyklese předpokládá hodnota mezi 1,5 a 4,5. Graf sestrojen podle uvedeného vztahu, který odvodil Budyko (1982). a použili Scheffer et al. (2006).
Lubomír Nátr 2009
Jinou takovou mírou je
globální tepelný potenciál,
který vyjadřuje integrované radiační účinky vyvolané změnami obsahu radiačně
aktivních látek po dané časové období.
Jeho předností je to,
že bere v úvahu i dobu, po kterou je daný plyn v atmosféře
Doba výskytu jednotlivých skleníkových plynů v atmosféře, počítáno od doby jejich vstupu do ní, je velmi rozdílná v rozmezí 1 rok až 50000 roků.
A právě globální teplotní potenciál bere v úvahu i tuto rozdílnou dobu působení příslušných plynů.
„ekvivalent CO2".Ten vyjadřuje
globální tepelný potenciál kteréhokoliv skleníkového plynu množstvím či koncentrací CO2 ,
které by po stejný časový horizont vykazovaly stejné radiační působení.
Lubomír Nátr 2009
Plyn RU na hmotnost
RU na molekulu
Doba pobytu v atmosféře (roky)
Globální teplotní potenciálČasový horizont
20 100 500
HFC 4,0 7,8 1,4 410 140 37CH4 66 24 12,0 62 21 7CO2 1 1 Proměnná 1 1 1N2O 200 200 114 275 310 156SF6 10122 33592 3200 15100 23900 32400CF4 2585 5168 50000 3900 6500 8900
Hodnoty globálního teplotního potenciálu (GTP)a radiačního účinku (RU) vztažené na hmotnostní nebo molekulovou jednotku zvýšení atmosférické koncentrace příslušného skleníkového plynu vyjádřené ve vztahu k CO2(Fuglestvedt et al. 2003, upraveno).
Skleníkové plynySkleníkové plyny
(1)Vodní pára(2)Oxid uhličitý (CO2)(3)Metan (CH4)(4)Oxid dusný (N2O)(5)Ozón (O3)(6)Freony (chlorofluorovodíky)
Lubomír Nátr 2009
© Lubomír NátrSeinfeld: Insights on global warming. AIChE Journal
December 2011 Vol. 57, No. 12, 3259http://www.csr.utexas.edu/projects/rs/hrs/process.html
Absorpce záření:
N2, O2: prakticky nepohlcují FAR a IR
CH4: v úzkých pásech kolem 3,5 a 8 µµµµm
N2O: 5 a 8 µµµµm
CO2: ve 4 pásech, nejvýznamněji kolem 15 µµµµm
H2O: několik pásů, v nichž je pohlcování IR prakticky saturováno
CO2 a CH4 pohlcují v několika
oknech, kde H2O nepohlcuje.
Přibližně platí, že se změnou
koncentrace CO2 se lineárně mění
IR pohlcování.
© Lubomír NátrSeinfeld: Insights on global warming. AIChE
Journal December 2011 Vol. 57, No. 12, 3259
Ale: Změna obsahu vodní páry ve vzduchu
změna oblačnosti, srážek (rychlá kondensace,
evaporace).
Tedy rychlé změny!
Vodní pára se podílí více než 50% na skleníkovém efektu Země.
Ale: Rozhodující je konc. CO2:
Atmosféra s klesacící konc. CO2
ochlazení vzduchu
vysrážení vodní páry
další ochlazení až k zalednění.
Naopak zvyšování konc. CO2 – viz předchozí.
CO2
Lubomír Nátr 2009
Wolff et al., 2007Lubomír Nátr 2009
Wolff et al., 2007Lubomír Nátr 2009
1960 1970 1980 1990 2000
Mez
iroč
ní z
měny
(pp
m)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Inte
rann
ual i
ncre
ase
in p
erce
nt
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0ppm
%
Rok
Kon
cent
race
CO
2 (p
pm)
0
310
320
330
340
350
360
370
380
1958 - 2003
Lubomír Nátr 2009
Roky před současností
Kon
cent
race
CO
2 (p
pm)
0
180
200
220
240
260
280
300
Roky před současností
Změna
kon
cent
race
CO
2 (p
pm)
za r
ok
-0,0010
-0,0005
0,0000
0,0005
0,0010
400000 300000 200000 100000
400000 300000 200000 100000
Atmospheric CO2 concentrationduring the last400,000 years
Annual changes
Lubomír Nátr 2009
Měsíce během desetiletého období
0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120
Kon
cent
race
CO
2 ( µµ µµ
mol
mol
-1)
0
310
315
320
325
330
335
340
345
350
355
1958-1967
1968-1977
1978-1987
Lubomír Nátr 2009
Lubomír Nátr 2009
Měsíc
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Kon
cent
race
CO
2 ( µµ µµ
mol
mol
-1)
024
360
362
364
366
368
1997
Lubomír Nátr, 2010
Rozložení pevnin mezi Severní a Jižní polouli
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/af/Hemisferio_Norte.png )
Proč právě takový a tak pravidelný průběh?
Poč
et o
byva
tel (
mili
óny)
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Kon
cent
race
CO
2 (p
pm)
0
200
400
600
800
Rok
1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100
Em
ise
CO
2 (m
iliar
dy tu
n)
0
20
40
60
Em
ise
CO
2 (t
) na
1 o
byva
tele
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Počet obyvatel
Koncentrace CO 2
Globální emise CO 2
Emise CO 2 na 1 obyvatele
SVĚT
SVĚT
Lubomír Nátr 2009
Stát Obyvatelmilióny
Produkce CO 2(t/rok/obyvate)
USA 286 19,84
Čína 1272 2,42
Indie 1032 0,98
Svět 6102 3,88
International Energy Agency 2003
Lubomír Nátr 2009
P r o d u k c e C O 2 ( t u n y ) n a 1 o b y v a t e le
0 1 0 2 0 3 0
K o n ž s k á r e p .E t io p ie
M o s a m b ikT a n z a n ieM y a n m a r
N e p a lE r it r e a
K a m e r u nZ a m b ie
H a it iS u d a n
T o g oB a n g l a d é š
B e n inK o n g o
K e ň aG h a n a
P . s lo n o v i n yN ig e r ie
S e n e g a lA n g o laJ e m e n
P a r a g u a yS r í L a n k a
V ie tn a mP a k is t á n
G r u z ieN ik a r a g u eH o n d u r a sK y r g y s t á n
T a d ž i k is t á nQ u a te m a la
S a l v a d o rF il ip i n y
P e r uZ im b a b v e
B o li v ieIn d ie
A l b á n ieM a r o k o
A r m é n ieC o s t a R ic a
N a m ib ieK o lu m b ie
G a b o nIn d o n é s ie
U r u q u a yE c u a d o r
M o l o d a v ieP a n a m a
E g y p tB r a z il ie
T u n isD o m in i k . r e p .
A l ž í rČ í n a
T h a j s k oT u r e c k o
K u b aJ o r d á n s k o
C h i leL o ty š s k o
S ý r ieA r g e n t i n a
S e v . K o r e aA z e r b a jd ž a n
I r a kL i t v a
L i b a n o nM e x ik o
J a m a ik aB o s n a H e r c .
R u m u n s k oM a k e d o n ieC h o r v a t s k o
S r b s k o Č . H o r aJ u g o s lá v ie
M a l a i s ieU z b e k is t á n
I r a nV e n e z u e la
M a l taŠ v é d s k o
M a ď a r s k oB u l h a r s k o
H o n g K o n gě l o r u s k o
P o r tu g a ls k oŠ v ý c a r s k o
U k r a ji n aF r a n c ie
T u r k m e n is t á nŠ p a n ě ls k o
J i ž n í A f r ik aIs l a n d
S l o v e n s k oI ta l ie
L i b y eP o ls k o
S l o v i n s k oK a z a c h s t á n
K y p rR a k o u s k o
Ř e c k oN o r s k o
N o v ý Z é l a n dJ a p o n s k o
V e l k á B r i t á n ieK o r e a
D á n s k oO m a n
T a iw a nIz r a e l
ě m e c k oE s to n s k o
R u s k oN i z o z e m íS in g a p u r
I r s k oČ e s k oF i n s k oB e l g ie
T r i n i d a dS a u d . A r a b ie
B r u n e iA n t i ly
G i b r a l ta rK a n a d a
A u s t r á l ieL u c e m b u r s k o
U S AB a h r a in
A r a b .E m ir .K u v a i t
K a ta r
C e l o s v ě t o v ý p r ů m ě r
P o d p r ů m ě r n á p r o d u k c e C O 2 7 5 % o b y v a t e l ( 7 2 z e m í s v ě t a )
N a d p r ů m ě r n á p r o d u k c e C O 2 2 5 % o b y v a t e l ( 6 3 z e m í s v ě t a )
Lubomír Nátr 2009
Lubomír Nátr 2009
Rok
1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000
HD
P (
1012
US
dol
arů
)
0
10
20
30
40
Svě
tová
spo
třba
ene
rgie
(G
Toe
)
0
2
4
6
8
10
HDPEnergie
Světová spotřeba energie (GToe)
0 2 4 6 8
HD
P (
1012
US
dol
arů
)
0
10
20
30
40
GDPenergieJeanBaptiste.JNBSvětový hrubý domácí produkt (HDP, 1012 US dolarů roku 1990) jako vyjádření hospodářské výkonnosti světové ekonomiky a světová spotřeba energie vtunách ekvivalentu ropy (GToe) od roku 1850 do roku 2000.Vložený graf: Závislost světového hrubého domácího produktu (HDP) na světové spotřebě energie. Křivka ilustruje kvadratickou regresiy=y0+a.x+b.x2, kde y0=1,75, a=-0,235, b=0,444, r2=0,994.Údaje různých zdrojů laskavě poskytl Dr. Jean -Baptiste (vizJean-Baptiste a Ducroux, 2003).
HDP/obyvatel
0 10 20 30 40 50
t CO
2/ob
yvat
el
0,01
0,1
1
10
100
2D Graph 1
HDP/obyvatel0 2 4 6 8 10
t CO
2/ob
yvat
el
0,1
1
10
Životní úroveň Životní úroveň Životní úroveň ––– ekonomická vyspělostekonomická vyspělostekonomická vyspělost--- produkce COprodukce COprodukce CO222
Lubomír Nátr 2009
Lubomír Nátr 2009
Rok
1970 1980 1990 2000 2010 2020
g C
(kW
hod)
-1
0
140
160
180
200
Pokles produkce CO2 vztažený na jednotku vyprodukované energie
Lubomír Nátr 2009
Produkce CO2 lidskou populací
Dechová frekvence 20 minuta-1
Objem vydechnutého vzduchu 15 mL kg-1 hmotnost člověka
Obsah CO2 ve výdechu 4 %
Průměrná hmotnost 70 kg osoba-1
Počet obyvatel 6,5 . 109
Roční produkce . 109 t C rok-1
Lidstvo 1,55
Skot 2,88
Ovce 0,29
Prasata 0,818
Kozy 0,128
Celkem 5,79
Bennewitz, 2009
Lubomír Nátr 2009
Metan je hlavní složkou
(1)(1)zemního plynuzemního plynu,
který se stále větší měrou podílí na zajištění energie
pro stále rostoucí potřeby stále rostoucí lidské
populace na stále stejně velké planetě.
Kromě toho byl, je a bude velmi důležitý
pro všechno živé na Zemi, protože jako
(2)(2)skleníkový plynskleníkový plynspoluvytváří trvalý skleníkový efekt,
a tím i na udržování teploty příznivé
pro naše formy života. A jeho význam
pro stávající lidské společnosti dále
narůstá proto, že se podílí na
zesilování skleníkového efektu,
Wolff et al., 2007Lubomír Nátr 2009
Lubomír Nátr 2009
Lubomír Nátr 2009
Lubomí Nátr, 2011
http://www.google.cz/imgres?imgurl=http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1a/Nitrous-oxide-3D-vdW.png&imgrefurl=http://en.wikipedia.org/wiki/File:Nitrous-oxide-3D-vdW.png&h=679&w=1100&sz=123&tbnid=Ppjn_XjnnWk96M:&tbnh=91&tbnw=148&prev=/search%3Fq%3Dnitrous%2Boxide%26tbm%3Disch%26tbo%3Du&zoom=1&q=nitrous+oxide&docid=LkQqB-Hw0rs2CM&hl=cs&sa=X&ei=GaaxTpK6EpGSOtH6nZYC&sqi=2&ved=0CE8Q9QEwBg&dur=3250
Lesy;
louky;
oceány;
půda; zpracování půdy;
zemědělská hnojiva;
spalování fosilních paliv a biomasy,
změna v užívání půdy
Oxid dusný (N2O):
-uvolňuje se přirozenou cestou z oceánu, deštných pralesů a činností půdních bakterií
-mezi zdroje N2O patří dusíkatá hnojiva, spalování fosilních paliv a průmyslová
chemická výroba (využívající dusík např. zpracování odpadních vod)-při absorpci tepla je N2O 310x efektivnější než CO2
Lubomí Nátr, 2011http://www.irz.cz/repository/oxiddusiku.gif
Lubomí Nátr, 2011http://www.nadacepartnerstvi.cz/klima/sklenikove-plyny
Lubomí Nátr, 2011
Lubomí Nátr, 2011
http://images.google.cz/imgres?q=greenhouse+gas+sources&hl=cs&rlz=1T4SKPB_csCZ340CZ340&biw=1185&bih=777&tbm=isch&tbnid=zcc30gmpCSD7nM:&imgrefurl=http://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_gas&docid=9kOuK-FBRq_-hM&imgurl=http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e0/Greenhouse_Gas_by_Sector.png/350px-Greenhouse_Gas_by_Sector.png&w=350&h=325&ei=P62xTrHPHImSOoD-gJsC&zoom=1&iact=hc&vpx=98&vpy=194&dur=468&hovh=216&hovw=233&tx=136&ty=129&sig=113593948849675657342&page=1&tbnh=131&tbnw=141&start=0&ndsp=24&ved=1t:429,r:0,s:0