Skleníkové plyny

Skleníkové plyny jsou plyny v atmosféře, které zvyšují povrchovou teplotu planet, jako je Země. Od ostatních plynů se liší tím, že pohlcují vlnové délky záření, které planeta vyzařuje, což vede ke skleníkovému efektu. Země se ohřívá slunečním zářením, což způsobuje, že její povrch vyzařuje teplo, které je pak většinou pohlcováno vodní párou (H2O), oxidem uhličitým (CO2), methanem (CH4), oxidem dusným (N2O) a ozonem (O3). Bez skleníkových plynů by průměrná teplota zemského povrchu byla přibližně -18 °C, nikoliv současných průměrných 15 °C.

Lidská činnost od počátku průmyslové revoluce (kolem roku 1750) zvýšila koncentraci methanu v atmosféře o více než 150 % a oxidu uhličitého o více než 50 %, až na úroveň, která nebyla zaznamenána více než 3 miliony let. Oxid uhličitý způsobuje asi tři čtvrtiny globálního oteplování a může trvat tisíce let, než bude plně absorbován koloběhem uhlíku. Methan způsobuje většinu zbývajícího oteplování a vydrží v atmosféře v průměru 12 let.

Převážná většina emisí oxidu uhličitého způsobených lidmi pochází ze spalování fosilních paliv, především uhlí, ropy a zemního plynu. Další příspěvky pocházejí z výroby cementu, hnojiv a změn ve využívání půdy, jako je odlesňování. Emise methanu pocházejí ze zemědělství, výroby fosilních paliv, odpadů a dalších zdrojů.

V důsledku emisí skleníkových plynů se průměrná globální povrchová teplota zvýšila do roku 2023 o 1,2 °C. Pokud bude současná míra emisí pokračovat, pak teplota překročí 2,0 °C někdy mezi lety 2040 a 2070, což je úroveň, kterou Mezivládní panel OSN pro změnu klimatu (IPCC) označuje za „nebezpečnou“.

Definice 
Skleníkové plyny jsou infračerveně aktivní plyny, které pohlcují a vyzařují infračervené záření v rozsahu vlnových délek vyzařovaných Zemí: oxid uhličitý (0,04 %), oxid dusný, methan a ozon jsou stopové plyny, které tvoří přibližně 0,1 % zemské atmosféry a mají znatelný skleníkový efekt.

Formální definice skleníkových plynů je následující: „Plynné složky atmosféry, přírodní i antropogenní, které absorbují a vyzařují záření o specifických vlnových délkách v rámci spektra záření vyzařovaného zemským povrchem, samotnou atmosférou a mraky. Tato vlastnost způsobuje skleníkový efekt.“ Záření vyzařované zemským povrchem, atmosférou a mraky se nazývá tepelné infračervené nebo dlouhovlnné záření.

Nejrozšířenější skleníkové plyny v zemské atmosféře, seřazené v sestupném pořadí podle průměrného globálního molárního podílu, jsou:
 vodní pára (H2O),
 oxid uhličitý (CO2)
 methan (CH4)
 ozon (O3)
 oxid dusný (N2O)
 chlor-fluorované uhlovodíky (CFC a HCFC)
 hydrofluorkarbony (HFC)
 perfluoruhlovodík (CF4, C2F6, atd.), SF6 a NF3.

Vodní pára je silným skleníkovým plynem, ale není to plyn, který člověk přímo přidává do atmosféry, a proto není jedním z faktorů změny klimatu, kterými se zabývá Mezivládní panel pro změnu klimatu (IPCC), a proto není zahrnuta do seznamu skleníkových plynů IPCC. Změny vodní páry jsou zpětnou vazbou, která komplikovaným způsobem ovlivňuje citlivost klimatu (především kvůli mrakům).

Infračervené aktivní plyny 
Plyny, které mohou absorbovat a vyzařovat tepelné infračervené záření, se označují jako infračerveně aktivní.

Většina plynů, jejichž molekuly mají dva různé atomy (např. oxid uhelnatý, CO), a všechny plyny se třemi a více atomy (včetně H2O a CO2) jsou infračerveně aktivní a působí jako skleníkové plyny. Z technického hlediska je tomu tak proto, že asymetrie v rozložení elektrického náboje molekuly umožňuje molekulárním vibracím interagovat s elektromagnetickým zářením.

Plyny, které mají pouze jeden atom (například argon, Ar) nebo dva stejné atomy (například dusík, N2 a kyslík, O2) nejsou infračerveně aktivní. Jsou pro tepelné záření průhledné a pro praktické účely tepelné záření neabsorbují ani nevyzařují.

Je to proto, že jednoatomové plyny, jako je Ar, nemají vibrační módy a molekuly obsahující dva atomy stejného prvku, jako je N2 a O2 nemají při vibracích žádnou asymetrii v rozložení svých elektrických nábojů, proto na ně infračervené tepelné záření téměř vůbec nepůsobí. N2 a O2 jsou schopny absorbovat a emitovat velmi malé množství infračerveného tepelného záření v důsledku absorpce vyvolané srážkami. Avšak i při zohlednění relativního množství je tento účinek malý ve srovnání s vlivy hlavních skleníkových plynů na Zemi.

Hlavní složky zemské atmosféry, dusík (N2) (78 %), kyslík (O2) (21 %) a argon (Ar) (0,9 %), nejsou infračerveně aktivní, a nejsou tedy skleníkovými plyny. Tyto plyny tvoří více než 99 % suché atmosféry.

Zdroje

Přírodní zdroje 
Většina skleníkových plynů má přírodní i antropogenní zdroje. Výjimkou jsou syntetické halogenované uhlovodíky produkované výhradně člověkem, které nemají žádné přírodní zdroje. V předindustriálním holocénu byly koncentrace existujících plynů zhruba konstantní, protože velké přírodní zdroje a propady byly zhruba vyrovnané. V průmyslové éře lidská činnost přidala do atmosféry skleníkové plyny, především spalováním fosilních paliv a kácením lesů.

Emise skleníkových plynů z lidské činnosti 
Hlavními antropogenními zdroji skleníkových plynů jsou oxid uhličitý (CO2), oxid dusný (N2O), metan, tři skupiny fluorovaných plynů (hexafluorid síry (SF6), fluorované uhlovodíky (HFC) a perfluorované uhlovodíky (PFC, hexafluorid síry (SF6) a trifluorid dusíku (NF3)). Ačkoli skleníkový efekt je do značné míry způsoben vodní párou, lidské emise vodní páry nejsou významným faktorem oteplování.

Ačkoli freony patří mezi skleníkové plyny, jsou regulovány Montrealským protokolem, který byl motivován spíše příspěvkem freonů k poškozování ozonové vrstvy než jejich příspěvkem ke globálnímu oteplování. Úbytek ozonu má na oteplování skleníkových plynů jen nepatrný vliv, ačkoli se tyto dva procesy v médiích někdy zaměňují. V roce 2016 dosáhli vyjednavači z více než 170 zemí, kteří se sešli na summitu Programu OSN pro životní prostředí, právně závazné dohody o postupném vyřazení fluorovaných uhlovodíků (HFC) v Kigalském dodatku k Montrealskému protokolu.

Vodní pára 
Největší procento skleníkového efektu představují vodní páry, při jasné obloze je to mezi 36 % a 66 %, při zamračené obloze se je to mezi 66 % a 85 %. Koncentrace vodních pár regionálně kolísají, ale lidská činnost přímo neovlivňuje jejich koncentrace, s výjimkou lokálních měřítek, jako jsou například zavlažovaná pole. Lidské aktivity, která zvyšuje globální teploty, nepřímo zvyšují také koncentrace vodních pár, což je proces známý jako zpětná vazba vodní páry. Atmosférická koncentrace páry je velmi variabilní a závisí do značné míry na teplotě, od méně než 0,01 % v extrémně chladných oblastech až po 3 % hmotnostní v nasyceném vzduchu při asi 32 °C. Vodní pára se neustále tvoří a kondenzuje v relativně krátkém čase, její doba setrvání v atmosféře je velmi krátká na rozdíl například od CO2, který v atmosféře setrvává velmi dlouho. Od 65 % do 80 % CO2 uvolněného do ovzduší se rozpouští v oceánech po dobu 20–200 let. Zatímco vodní pára je skutečně nejdůležitějším skleníkovým plynem, problémem, který z něj dělá zpětnou vazbu (spíše než forcing), je relativně krátká doba pobytu vody v atmosféře (okolo 10 dní). Proto nemá význam určovat CO2 ekvivalent vodní páry. Vodní pára má podstatný vliv na energetickou bilanci planety Země nejen pro svůj vysoký vliv na „globální oteplování“ jako „skleníkový plyn“, ale také na změny celkového albeda Země v důsledku tvorby oblaků. Přitom v závislosti na globální a lokální optické hustotě oblačnosti a denní době může být vliv oblačnosti na tepelnou bilanci kladný i záporný. Absorpční pásy jednotlivých skleníkových plynů se překrývají, proto je jejich podíl na celkovém skleníkovém efektu proměnlivý kvůli tomu, že hlavní skleníkový plyn vodní pára (H2O) má v nejvlhčích a horkých oblastech tropů až 100× vyšší koncentraci než v nejchladnějších polárních oblastech. Na vodní páru připadá 36 % až 70 % celkového skleníkového efektu atmosféry (dolní hodnota odpovídá její podílu, kdybychom vodní páru z atmosféry odstranili a horní hodnota stavu, když odstraníme všechny ostatní skleníkové plyny a zůstane jen H2O), na CO2 je to analogicky 9 % a 26 %, na methan 4 % a 9 % a na ozon 3 % a 7 % (je to v souladu s novějšími odhady účinku jednotlivých skleníkových plynů). Zatímco CO2 a CH4 jsou v atmosféře rozloženy vcelku rovnoměrně, vodní pára je soustředěna převážně v teplých oblastech Země a v dolní části troposféry (do výšky 2 km, přičemž do výšky 1,5 km je až 50 % z celkové vodní páry), ozón je rozložený v atmosféře mírně nerovnoměrně.

Průměrná doba setrvání molekuly vody v atmosféře je pouze asi devět dní ve srovnání s roky nebo staletími u jiných skleníkových plynů, jako je CH4 a CO2. Vodní pára reaguje na další skleníkové plyny a zesiluje jejích účinek. Clausius-Clapeyronův vztah stanoví, že při zvýšené teplotě bude na jednotku objemu přítomno více vodní páry. Tento a další základní principy naznačují, že oteplování spojené se zvýšenými koncentracemi ostatních skleníkových plynů také zvýší koncentraci vodní páry (za předpokladu, že relativní vlhkost zůstává přibližně konstantní; to potvrzují modely a příma pozorování). Protože vodní pára je skleníkový plyn, má to za následek další oteplování a tvoří „pozitivní zpětnou vazbu“, která zesiluje původní oteplování. Předpokládá se, že jiné planetární procesy budou kompenzovat tyto pozitivní zpětné vazby, a budou stabilizovat globální teplotu v nové rovnováze a zabrání ztrátě zemské vody rázovým skleníkovým efektem, k jakému došlo například na Venuši.

Úloha v přenosu tepla a vyzařování

Účinky na vzduch a na zemský povrch 
Absorpce a emise tepelného záření skleníkovými plyny se podílí na přenosu tepla ve vzduchu a na povrchu:

 Ochlazování atmosféry: Skleníkové plyny vyzařují více tepelného záření, než kolik ho pohlcují, a mají tak celkový ochlazující účinek na vzduch
 Inhibice radiačního ochlazování povrchu: Skleníkové plyny omezují radiační tepelný tok od povrchu a v nižších vrstvách atmosféry. Skleníkové plyny si vyměňují tepelné záření s povrchem, čímž snižují celkovou rychlost přenosu radiačního tepla směrem nahoru

Pojmenování těchto účinků přispívá k úplnému pochopení úlohy skleníkových plynů. Pro pochopení globálního oteplování jsou však tyto účinky druhořadé. Pro správné uvažování o globálním oteplování je důležité zaměřit se na energetickou bilanci vrchní části atmosféry. Tvrdí se, že omyl povrchového rozpočtu, kdy zaměření na povrchový energetický rozpočet vede k chybnému uvažování, představuje běžný omyl při uvažování o skleníkovém efektu a globálním oteplování.

Účinek na horní části atmosféry 
V horní části atmosféry vede pohlcování a vyzařování tepelného záření skleníkovými plyny k potlačení radiačního ochlazování do vesmíru, což znamená, že množství tepelného záření dopadajícího do vesmíru se snižuje v porovnání s množstvím vyzařovaným povrchem. Změna energetické bilance horní části atmosféry vede k akumulaci tepelné energie a oteplování povrchu, dokud není dosaženo energetické bilance horní části atmosféry.

Radiační působení 
Radiační působení (forcing) je metrika, která charakterizuje dopad vnější změny faktoru ovlivňujícího klima, např. změny koncentrace skleníkových plynů nebo vlivu sopečných erupcí. Radiační působení spojené s určitou změnou se vypočítá jako změna energetické bilance horních vrstev atmosféry, kterou by způsobila vnější změna, pokud bychom si představili, že změna může být provedena, aniž by troposféra nebo povrch měly čas reagovat na snížení nerovnováhy. Kladný forcing znamená, že více energie přichází, než odchází Termín radiační působení se ve vědecké literatuře používá nejednotně.

Zvyšování koncentrace skleníkových plynů je spojeno s kladným radiačním působením. Zvyšování koncentrace skleníkových plynů má tendenci zvyšovat energetickou nerovnováhu horní části atmosféry, což vede k dalšímu oteplování. Hlavní neplynový přispěvatel ke skleníkovému efektu Země, mraky, rovněž pohlcují a vyzařují infračervené záření, a mají tak vliv na radiační vlastnosti skleníkových plynů. Mraky jsou vodní kapky nebo ledové krystalky zavěšené v atmosféře.

Příspěvky chemických procesů k radiačnímu působení 
Některé plyny přispívají ke změně radiační bilance horní části atmosféry nepřímo, a to účastí na chemických procesech v atmosféře. Oxidace CO na CO2 přímo způsobuje jednoznačné zvýšení radiačního působení, i když důvod je subtilní. Vrchol tepelného infračerveného záření z povrchu Země je velmi blízko silnému vibračnímu absorpčnímu pásu CO2 (vlnová délka 15 mikronů, resp. vlnové číslo 667 cm-1). Naproti tomu jediný vibrační pás CO absorbuje IR pouze na mnohem kratších vlnových délkách (4,7 mikronu, neboli vlnové číslo 2145 cm-1), kde je emise zářivé energie ze zemského povrchu nejméně desetkrát nižší. Oxidace metanu na CO2, která vyžaduje reakce s radikálem OH, způsobuje okamžité snížení absorpce a emise záření, protože CO2 je slabší skleníkový plyn než methan. Oxidace CO a CH4 jsou provázané, protože obě spotřebovávají OH radikály. V každém případě výpočet celkového radiačního účinku zahrnuje jak přímé, tak nepřímé působení.

K druhému typu nepřímého účinku dochází, když chemické reakce v atmosféře zahrnující tyto plyny mění koncentrace skleníkových plynů. Například destrukce nemethanových těkavých organických látek (NMVOC) v atmosféře může vést ke vzniku ozonu. Velikost nepřímého účinku může silně záviset na tom, kde a kdy je plyn emitován.

Metan má kromě tvorby CO2 také nepřímé účinky. Hlavní chemickou látkou, která s metanem v atmosféře reaguje, je hydroxylový radikál (OH), takže více methanu znamená, že koncentrace OH klesá. Účinně tak metan prodlužuje vlastní životnost v atmosféře, a tím i svůj celkový radiační účinek. Oxidací methanu může vznikat ozon i voda a je hlavním zdrojem vodní páry v normálně suché stratosféře. Při oxidaci CO a NMVOC vzniká CO2. Z atmosféry odstraňují OH, což vede k vyšším koncentracím metanu. Překvapivým důsledkem je, že potenciál CO ke globálnímu oteplování je třikrát vyšší než potenciál CO2. Stejný proces, při kterém se NMVOC přeměňují na oxid uhličitý, může vést také ke vzniku troposférického ozonu. Halokarbony mají nepřímý účinek, protože ničí stratosférický ozon. A konečně vodík může vést ke vzniku ozonu a CH4 a také ke vzniku stratosférické vodní páry.

Role ve skleníkovém efektu

Příspěvky k celkovému skleníkovému efektu 

Nejdůležitější příspěvky k celkovému skleníkovému efektu jsou uvedeny v následující tabulce.

Mezi skleníkové plyny, které nejsou výslovně uvedeny výše, patří hexafluorid síry, fluorované uhlovodíky a perfluorované uhlovodíky.

Nelze tvrdit, že určitý plyn způsobuje přesné procento skleníkového efektu. Je tomu tak proto, že některé plyny absorbují a vyzařují záření o stejných frekvencích jako jiné, takže celkový skleníkový efekt není pouhým součtem vlivu jednotlivých plynů. Horní hranice uvedených rozmezí se týkají pouze každého plynu; dolní hranice zohledňují překrývání s ostatními plyny. Kromě toho je známo, že některé plyny, například metan, mají velké nepřímé účinky, které se stále ještě kvantifikují.

Příspěvky k zesílenému skleníkovému efektu 
Antropogenní změny skleníkového efektu se označují jako zesílený skleníkový efekt.

Příspěvek každého plynu k zesílenému skleníkovému efektu je určen vlastnostmi daného plynu, jeho množstvím a všemi nepřímými účinky, které může způsobit. Například přímý radiační účinek hmotnosti metanu je v horizontu 20 let asi 84krát silnější než stejná hmotnost oxidu uhličitého, který je však přítomen v mnohem menších koncentracích, takže jeho celkový přímý radiační účinek je zatím menší, zčásti kvůli jeho kratší době života v atmosféře při absenci dodatečné sekvestrace uhlíku. Na druhou stranu má metan kromě přímého radiačního vlivu i velký nepřímý radiační účinek, protože přispívá k tvorbě ozonu. V publikaci z roku 2005 se uvádí, že příspěvek metanu ke změně klimatu je v důsledku tohoto účinku nejméně dvojnásobný oproti předchozím odhadům.

Vliv jednotlivých skleníkových plynů 
Koncentrace CO2 vzrostla od poloviny 18. století (předprůmyslové období) z hodnot kolem 280 ppm na hodnotu 379 ppm v roce 2005 a v současnosti (2019) dosahuje již hodnot vyšších než 400 ppm. Jde tak pravděpodobně o nejvyšší hodnotu, které bylo za uplynulých 650 tisíc let dosaženo (hodnoty se v této minulosti pohybovaly v rozpětí přibližně 180 až 300 ppm). Přestože míra nárůstu oxidu uhličitého vykazuje určitou meziroční variabilitu, průměrný roční nárůst koncentrace např. v období 1995 – 2005 byl 1,9 ppm, zatímco v období 1960 – 2005 1,4 ppm. Roku 1960 byly emise CO2 na obyvatele přibližně 3 tuny, roku 1990 4 tuny a roku 2010 necelých 5 tun. Podíl na kumulativních emisích CO2 od roku 1751 byl v roce 2015 následující: USA 25,7 %, EU28 21,8 % (z toho Německo 5,9 %, UK 5 %, Francie 2,4 %, ... ČR 0,5 %), Čína 12,2 %, Rusko 6,4 %, Japonsko 4 %, Indie 2,9 %, Afrika 2,5 %, Kanada 2 %.

Koncentrace CH4 se za stejné období zvýšily z přibližně 715 ppb na 1774 ppb a koncentrace N2O z hodnot kolem 270 ppb na 319 ppb. Fluorované uhlovodíky a fluorid sírový jsou látkami novými, které se v předprůmyslovém období nevyskytovaly, . Panel vědců publikoval v roce 2018 studii dokládající, že nesnížená produkce skleníkových plynů lidskou civilizací bude mít pravděpodobně za následek významnou změnu ve složení a biodiverzitě pozemských ekosystémů.

CO2 ekvivalent 
Skleníkové plyny jsou podle svého potenciálního příspěvku ke skleníkovému jevu atmosféry klasifikovány potenciály globálního oteplování (PGO), jehož jednotkou je příspěvek ke skleníkovému efektu jedné molekuly CO2. Pomocí těchto koeficientů je možné určit tzv. ekvivalent CO2 (zapisováno jako CO2 ekv.), tedy množství CO2, které by mělo ekvivalentní příspěvek ke skleníkovému jevu atmosféry stejný jako množství příslušného plynu.

Snižování množství skleníkových plynů 
Jednou z možností snížení produkce antropogenních skleníkových plynů jsou úspory energií a využívání obnovitelných zdrojů energie. Diskutuje se o možnostech jaderné energetiky, u které jsou diskutabilní emise spojené s dobýváním paliva a výrobou reaktorů. Současně lze umírněním tempa kácení lesů a závažnými zásahy do krajiny podpořit přeměnu oxidu uhličitého pomocí fotosyntézy.

Při porovnávání technologických procesů z hlediska množství emisí produkovaných skleníkových plynů je vždy nutné kalkulovat i s emisemi vyprodukovaných v průběhu procesu konstrukce, provozu i odstraňování zařízení a při obstarávání surovin a paliv potřebných v dané technologii.

Odkazy

Reference

Literatura

Související články 
 Skleníkový efekt
 Kjótský protokol
 Rámcová úmluva OSN o změně klimatu
 Globální oteplování

Externí odkazy 
 
 Zdroje skleníkových plynů

 
Činitelé radiačního působení
Globální oteplování