globální změny klimatu a trvale udržitelný...

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.]


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


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.


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.


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

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

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

globální změny klimatu a trvale udržitelný...

Documents