Kdo přitápí v atmosféře?

Pojem „globální oteplování“ je dnes jedním z nejčastěji zmiňovaných termínů nejen na poli vědy, ale také v médiích a v politických debatách.

Rádi bychom v tomto ohledu připomněli, že ono oteplování je pouze součástí komplikovaného souboru procesů, které se označují jako globální změna klimatu. Zdůrazňujeme to proto, že oba pojmy se často zaměňují. Tak či onak, předpokládá se, že velkou roli v této globální změně klimatu hrají takzvané skleníkové plyny, způsobující stejnojmenný (skleníkový) efekt. Proč jsou vlastně tyto plyny „skleníkové“ a jak fungují? Pojďme se na ně podívat blíže.

Slunce, záření, teplo

Skleníkový efekt je souborem poměrně složitých fyzikálně-chemických jevů. Zjednodušeně jej můžeme popsat následovně: Přicházející sluneční záření je složeno z fotonů s různou vlnovou délkou, a tedy i různou energií. Obsahuje hlavně vysoce energetickou ultrafialovou složku (vlnová délka 200–400 nm, přičemž 1 nanometr je 10⁻⁹ metru) a středně energetickou viditelnou složku (vlnová délka 400–800 nm). Záření ze Slunce prochází atmosférou a je pohlcováno (absorbováno) povrchem Země.

Absorpce záření je doprovázena vybuzením (excitací) elektronů v atomech a molekulách, které tvoří zemský povrch. Při absorpci i při následné takzvané relaxaci těchto vybuzených elektronů dochází mimo jiné ke zrychlení pohybů molekul. Týká se to jejich přesunů prostorem i jejich vnitřních pohybů – kmitů (vibrací) a otáčení (rotací). Projevem zrychleného pohybu molekul není nic jiného než teplo, povrch Země se tedy zahřívá.

Asi každý si všiml, když sáhl na nějaký předmět vystavený slunečnímu svitu, že objekty různých barev jsou různě teplé. Bílé předměty, pohlcující jen málo světla, jsou nejchladnější. Barevné předměty, které absorbují světlo pouze vybraných vlnových délek, jsou o poznání teplejší. A černé objekty jsou po chvíli pobytu na slunci vysloveně horké. Pohlcují totiž všechny vlnové délky viditelného světla, proto se zahřívají nejúčinněji.

Jak ohřát vzduch

Každé zahřáté těleso vyzařuje infračervené o vlnové délce 800–4000 nm. Jeho velká část však nepronikne atmosférou zpátky do vesmíru, protože je pohlcena některými plyny přítomnými ve vzduchu. Infračervené záření má totiž energii vhodnou ke zrychlení vnitřních pohybů molekul, typicky vibrací. Energie záření je tak přeměněna na teplo a atmosféra se ohřívá.

Co jsou vlastně ony zmíněné vibrace? Chemické vazby spojující atomy v molekulách nejsou ve skutečnosti pevné tyčinky, jaké známe ze školních modelů. Vazba dovoluje určitý omezený pohyb atomů okolo ní – prodlužuje se a zkracuje, popřípadě se mění úhel svíraný dvěma vazbami. Zjednodušeně si můžeme vazby představovat jako pérující a ohebné „pružinky“.

Plyny, které infračervené záření ze Země účinně pohlcují a přeměňují na teplo, se nazývají skleníkové. Jde zejména o vodní páru (tvoří asi 1–2 % objemu atmosféry), oxid uhličitý (necelých 0,04 %), methan, oxidy dusíku, freony a ozon.

Proč zrovna tyto plyny jsou skleníkové, zatímco hlavní složky suchého vzduchu – dusík (78 %), kyslík (21 %) a argon (1 %) se za ně nepovažují? Podstatné je, že skleníkové plyny mají molekuly s elektrickým dipólem, tedy nerovnoměrně rozloženým elektrickým nábojem. Infračervený foton může být absorbován, jen pokud interaguje s takovýmto dipólem. Argon je jednoatomový plyn a molekuly kyslíku a dusíku dipóly nemají – proto nemohou pohlcovat infračervené záření.

Ve chvíli, kdy dojde k absorpci, začnou molekuly skleníkových plynů vibrovat a otáčet se podstatně rychleji. Narážejí při tom do okolních molekul, hlavně do kyslíku a dusíku, kterých je ve vzduchu nejvíce. Těmito nárazy se i tyto molekuly urychlují, čímž roste teplota plynu.

Všechny plyny nejsou stejné

Jednotlivé skleníkové plyny se liší svou účinností. Abychom ji mohli porovnat, byl zaveden pojem „potenciál globálního oteplování“ (GWP, z anglického Global Warming Potential). Různé látky srovnáváme s oxidem uhličitým coby nejtypičtějším zástupcem skleníkových plynů, který slouží jako jakási měrná jednotka.

Hodnota GWP souvisí do určité míry se složitostí molekuly – čím je složitější, tím více vibračních pohybů může provádět. Oproti oxidu uhličitému se dvěma vazbami má třeba methan čtyři vazby, které se během vibrací mohou zkracovat a prodlužovat, a navíc se mohou měnit úhly mezi nimi. Více možných pohybů znamená více šancí absorbovat tepelné záření i více příležitostí, jak energii předat do okolí. Výsledkem je pak vyšší „skleníková“ účinnost.

Složitost molekuly ovšem není jediným faktorem, který zde hraje roli. Záleží také na tom, jak účinně je infračervené záření danou molekulou absorbováno (čemuž se říká intenzita absorpce) a jaké konkrétní vlnové délky jsou pohlcovány. Množství pohlceného záření lze u jednotlivých plynů celkem snadno určit. Protože však skleníkové plyny nejsou neomezeně stálé a v atmosféře se rozkládají (některé rychle, jiné pomalu), vztahuje se hodnota GWP ke zvolenému časovému úseku, například 100 let. Tím se vyjadřuje, kolikrát více tepelné energie zadrží za tuto dobu vybraný plyn v porovnání se stejným počátečním množstvím oxidu uhličitého.

Například methan má asi 25× vyšší GWP než oxid uhličitý. Můžeme tedy říci, že otepluje atmosféru asi 25× účinněji. Freony, vypouštěné do vzduchu výhradně lidmi, jsou dokonce 6000–9000× účinnější než oxid uhličitý. Nejsou tedy zodpovědné jen za známé problémy s ozónovou vrstvou, ale přispívají i ke změnám klimatu. Je zřejmé, že nezodpovědné vypouštění látek, o nichž nic nevíme (což byl případ freonů), není nejlepší nápad.

Někdy přítel, jindy hrozba

Přítomnost některých skleníkových plynů v atmosféře (zvláště vodní páry) však není nic nepřirozeného. Přestože je těchto plynů ve vzduchu málo, mají značný vliv na ohřívání planety a není to z principu špatně. Kdyby totiž skleníkový efekt neexistoval, třásli bychom se na Zemi zimou při teplotách okolo –18 °C. Ani tropické oblasti kolem rovníku by se patrně neohřály nad bod mrazu. Díky skleníkovému efektu je ale průměrná teplota Země asi +15 °C. Tento jev tedy představuje spíše základní podmínku života než něco, čeho bychom se měli pouze bát.

I malé změny koncentrace uvedených plynů ovšem mohou výrazně ovlivnit teplotu atmosféry. Všechny meteorologické jevy – vítr, mraky, déšť, sníh, bouřky a další – jsou přitom závislé na pohybu vzduchu, který proudí mezi místy s rozdílnou teplotou. Drobné výchylky v obvyklých teplotách mohou proto zcela otočit směr větru, což může mít za následek místní i globální změny klimatu a podmínek pro život. Jaký je v tomto ohledu vliv člověka je však předmětem neutuchajících vědeckých diskusí.