MB130P68 Globální změny a trvalá udržitelnost. ZS 2012/2013. Lubomír Nátr. Lubomír Nátr

Transkript

1 MB130P68 Globální změny a trvalá udržitelnost. ZS 2012/2013 Globální změny klimatu a trvale udržitelný rozvoj 4. Planeta Země jako skleník? Fyzikální podstata skleníkového efektu. Lubomír Nátr Lubomír Nátr

2 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, geoinženýrskářešení. Lubomí Nátr, 2011

3 J = σ. T 4 Aplikace Záření sluneční infračervené Lubomír Nátr 2009

4 CO 2 CH 4 N 2 O freony Skleníkový efekt Radiační působení Lidstvo Změny - sluneční záření - albedo povrchu - sopečné erupce - pohyby kontinentů -Dopad meteoritů - Změny Globální klima globálního klimatu Lubomír Nátr 2009

5 Projevy změn globálního klimatu (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. Lubomír Nátr 2009

6 Přírodní faktory - o C Současná teplota Působení člověka + o C - o C Současná teplota Lubomír Nátr o C

7 Princip skleníkového efektu Země Sun radiation Reflected Sun radiation Long-wave radiation abosrbed by the GHG Atmosféra CO 2 CH 4 Long-wave radiation N 2 O H 2 O Long-wave radiation re-emitted to the surface Earth Lubomír surface Nátr 2009

8 Lubomír Nátr 2009

9 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 infrared radiation from the atmosphere to the surface. At equilibrium, the total rate at which energy leaves the Earth (102 W m2 of reflectedsunlightplus 239 W m2 of infrared radiation) is equal to 341 W m2 of incident sunlight. [Color figure can be viewed in the online issue,which Seinfeld: is available Insights at wileyonlinelibrary.com.] global warming. AIChE Journal December 2011 Vol. 57, No. 12, 3259

10 Pro 288K (15 o C) 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

11 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 reemitovanáskleníkovými plyny zpět na povrch Země pochází hlavně z troposféry. Seinfeld: Insights on global warming. AIChE Journal December 2011 Vol. 57, No. 12, 3259

12 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 ocw -1 m 2. 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

13 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. Seinfeld: Insights on global warming. AIChE Journal December 2011 Vol. 57, No. 12, 3259

14 Souhrnný účinek všech skleníkových plynů nebo také relativní účinky jednotlivých plynů. Proto bylo třeba stanovit nějakou vlastnost, která by byla srovnatelnou mírou účinnosti jednotlivých skleníkových plynů a jejich podílu na celkovém skleníkovém efektu Tou mírou je často radiační účinek, který vyjadřuje takovou změnu radiační bilance na rozhraní zemského povrchu a troposféry, která je vyvolána například změnou obsahu některého skleníkového plynu vatmosféře či změnou množství odraženého záření (albedo) od zemského povrchu sdaným 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 ktomu, 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 netoradiace (ve W m -2 ) vtropopause poté, co se při nezměněných podmínkách teploty na povrchu Země a vtroposféře ustaví stálá teplota ve stratosféře odpovídající změně vradiační rovnováze. Lubomír Nátr 2009

15 Wm -2 Wm ,8 0,6 0,4 Vztaženo ke koncentraci 280 ppm CO ppm CO 2 Vztaženo ke koncentraci 0,7 ppm CH 4 Radiační účinek zvýšené koncentrace oxidu uhličitého (CO 2 ), metanu (CH 4 ) a oxidu dusného (N 2 O). Vyjadřuje zvýšení absorpce dlouhovlnného infračerveného záření emitovaného povrchem Země při zvýšeníkoncentrace na uvedenou hodnotu. 0,2 0,0 0,3 0 1,0 1,5 2,0 2,5 ppm CH 4 Vztaženo ke koncentraci 0,26 ppm N 2 O Tento účinek je uveden jako zvýšení vzhledem kabsorpci záření při určité základní koncentraci, která je u všech tří plynů uvedena vpříslušném grafu. Pozor na rozdílné hodnoty stupnic os v grafech! Wm -2 0,2 Sestaveno podle vztahů uvedených Hansenem et al. (2000). 0,1 0,0 0 0,275 0,300 0,325 0,350 ppm N 2 O Lubomír Nátr 2009

16 Změny radiačního účinku vedou ke změnám teploty na povrchu Země. Kirschbaum(2003) vyjadřuje velikost této změny hodnotou 0,5 Km 2 W -1. To znamená, že zvýšení radiačního účinku o 1 W m -2 zvýší teplotu povrchu o 0,5 o C. Teplotní účinek zvýšeného radiačního účinku se vatmosféře a na povrchu Země zpožďuje o několik měsíců, zatímco pro velké hloubky oceánů činí toto zpoždění desítky až stovky roků. Lubomír Nátr 2009

17 Zvýšení teploty ( Τ, 0 C) s=3,0 s=4,5 s=4,5 T = T - T 0 T = T 0 + s/ln(2). ln(c/c 0 ) Koncentrace CO 2 (ppm) SCHEFFER2006 Zvýšení 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 Lubomír et al. Nátr (2006). 2008

18 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 vúvahu i dobu, po kterou je daný plyn vatmosféře Doba výskytu jednotlivých skleníkových plynů vatmosféře, počítáno od doby jejich vstupu do ní, je velmi rozdílná vrozmezí 1 rok až roků. A právě globální teplotní potenciál bere vúvahu i tuto rozdílnou dobu působení příslušných plynů. ekvivalent CO 2 ". Ten vyjadřuje globální tepelný potenciál kteréhokoliv skleníkového plynu množstvím či koncentrací CO 2, které by po stejný časový horizont vykazovaly stejné radiační působení. Lubomír Nátr 2009

19 Hodnoty globálního teplotního potenciálu (GTP) a radiačního účinku (RU) vztažené na hmotnostní nebo molekulovou jednotku zvýšení atmosférické koncentrace příslušného skleníkového plynu vyjádřené ve vztahu kco 2 (Fuglestvedt et al. 2003, upraveno). Plyn RU na hmotnost RU na molekulu Doba pobytu v atmosfé ře (roky) Globální teplotní potenciál Časový horizont HFC 4,0 7,8 1, CH , CO Proměnná N 2 O SF CF Lubomír Nátr 2009

20 Skleníkové plyny (1)Vodní pára (2)Oxid uhličitý (CO 2 ) (3)Metan(CH 4 ) (4)Oxid dusný (N 2 O) (5)Ozón(O 3 ) (6)Freony (chlorofluorovodíky) Lubomír Nátr 2009

21 Absorpce záření: N2, O2: prakticky nepohlcují FAR a IR CH4: v úzkých pásech kolem 3,5 a 8 µm N2O: 5 a 8 µm CO2: ve 4 pásech, nejvýznamněji kolem 15 µm 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. Seinfeld: Insights on global warming. AIChE Journal Lubomír Nátr December 2011 Vol. 57, No. 12, 3259

22 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 klesacícíkonc. CO2 ochlazení vzduchu vysrážení vodní páry další ochlazení až k zalednění. Naopak zvyšování konc. CO2 viz předchozí. CO 2 Seinfeld: Insights on global warming. AIChE Journal December Lubomír 2011 Nátr Vol. 57, No. 12, 3259

24 Lubomír Nátr 2009 Wolff et al., 2007

26 0 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Lubomír Nátr 2009 Meziroční změny (ppm) Interannual increase in percent ppm Rok % 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Koncentrace CO2 (ppm)

27 Atmospheric CO2 concentration during the last 400,000 years Koncentrace CO 2 (ppm) Roky před současností Annual changes Změna koncentrace CO2 (ppm) za rok 0,0010 0,0005 0,0000-0,0005-0, Lubomír Nátr 2009 Roky před současností

28 Koncentrace CO 2 (µmol mol -1 ) Měsíce během Lubomír desetiletého Nátr 2009 období

29 Měsíc Lubomír Nátr 2009 Koncentrace CO2 (µmol mol-1 )

30 Proč právě takový a tak pravidelný průběh? Rozložení pevnin mezi Severní a Jižní polouli Lubomír Nátr, 2010

31 Počet obyvatel (milióny) Emise CO 2 (miliardy tun) Počet obyvatel Koncentrace CO 2 Emise CO 2 na 1 obyvatele Globální emise CO 2 Rok ,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0, Lubomír Nátr 2009 SVĚT SVĚT Koncentrace CO 2 (ppm) Emise CO 2 (t) na 1 obyvatele

32 Stát Obyvatel milióny Produkce CO 2 (t/rok/obyvate) USA ,84 Čína ,42 Indie ,98 Svět ,88 Lubomír Nátr 2009 International Energy Agency 2003

33 K a t a r K u v a i t b. E m ir. B a h r a in U S A b u r s k o u s t á l ie K a n a d a i b r a l t a r A n t i ly B r u n e i A a b ie r i n i d a d B e l g ie F i n s k o Č e I r s k o n g a p u r z o z e m í R u s k o t o n m e c k o I z r a e l T a iw a n O m D á n s k o K o r e a B r i t á n ie p o n s k o Z é l a n d N o r s k o Ř e c k o k o u s K y p r c h s t á n o v i n s k o P o ls L i b y e Ita l ie v e n s k o I s l a n d í A f r ik a a ně ls k o e n is t á n F r a n c ie k r a ji n a c a r s k o u g ls l o r u s k o g K o n g l h a r s k o ď v é d s k o M a l t a e z u e la I r a n e k is t á a l a i s ie o s lá v ie Č. H o r a r v a t s k o e d o n ie m u n s k o a H e r c. m a ik a M e x ik o i b a n o n L i t v a I r a k a jd ž n. K o r e a g e n t i n a S ý r ie o t y š s k o C h i le d á n s k o K u b a u r e c k o T h a j s Č í n a A l ž í r i k. r e p. T u n is B r a z il ie E g y p t a n a m a l o d a v ie c u a d o r r u q u a y o n é s ie G a b o n lu m b ie a m ib ie t a R ic a r m é n ie M a r o k o A l b á n ie I n d ie B o li v ie m b a b v e P e r u F il ip i n y a l v a d o r t e m a la ž i k is t á n r g y s n d u r a s a r a g u e G r u z ie a k is t á n ie t n a m í L a n k a r a g u a y J e m e n A n g o la e e g a l N ig e r ie o n o v i n y G h a a K eň a K o n g o B e n in g l a d é š T o g o S u d a n H a it i Z a m b ie a m e r u n E r it r e a N e p a l y a n m a r n z a n ie s a m b ik E t io p ie k á r e p. N a d p rů m ě r n á p r o d u k c e C O % o b y v a t e l ( 6 3 z e m í s vět a ) P o d p rů m ě r n á p r o d u k c e C O % o b y v a t e l ( 7 2 z e m í s vět a ) C e l o s vět o v ý p rů m ě r Lubomír Nátr 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

34 HDP (10 12 US dolarů) HDP Energie Světová spotřba energie (GToe) 40 Rok HDP (10 12 US dolarů) GDPenergieJeanBaptiste.JNB Světový hrubý domácí produkt (HDP, US dolarů roku 1990) jako vyjádření hospodářské výkonnosti světové ekonomiky a světová spotřeba energie v tunách ekvivalentu ropy (GToe) od roku 1850 do roku Vložený graf: Závislost světového hrubého domácího produktu (HDP) na světové spotřebě energie. Křivka ilustruje kvadratickou regresi y=y 0 +a.x+b.x 2, kde y 0 =1,75, a=-0,235, b=0,444, r 2 =0,994. Údaje různých zdrojů laskavě poskytl Dr. Jean -Baptiste (viz Jean-Baptiste a Ducroux, 2003). Světová spotřeba energie (GToe) Lubomír Nátr 2009

35 Životní úroveň ekonomická vyspělost- produkce CO D Graph 1 t CO2/obyvatel 1 0,1 t CO 2 /obyvatel ,1 0, HDP/obyvatel Lubomír Nátr 2009 HDP/obyvatel

36 200 Pokles produkce CO2 vztažený na jednotku vyprodukované energie g C (kwhod) Rok Lubomír Nátr 2009

37 Produkce CO 2 lidskou populací Bennewitz, 2009 Dechová frekvence 20 minuta -1 Objem vydechnutého vzduchu 15 mlkg -1 hmotnost člověka Obsah CO 2 vevýdechu 4 % Průměrná hmotnost 70 kg osoba -1 Počet obyvatel 6, Roční produkce t C rok -1 Lidstvo 1,55 Skot 2,88 Ovce 0,29 Prasata 0,818 Kozy 0,128 Celkem 5,79 Lubomír Nátr 2009

39 Metanje hlavní složkou (1)zemního 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)skleníkový plyn spoluvytváří 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,

41

42

45

46

47 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 CO &w=1100&sz=123&tbnid=Ppjn_XjnnWk96M:&tbnh=91&tbnw=148&prev=/search%3Fq%3 Dnitrous%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 Lubomí Nátr, 2011

48 Lubomí Nátr, 2011

49 Lubomí Nátr,

50 Lubomí Nátr, 2011

51 Greenhouse_gas&docid=9kOuK-FBRq_-hM&imgurl= Greenhouse_Gas_by_Sector.png&w=350&h=325&ei=P62xTrHPHImSOoDgJsC&zoom=1&iact=hc&vpx=98&vpy=194&dur=468&hovh=216&hovw=233&tx=136&ty=129&sig= &page=1&tbnh=131&tbnw=141&start=0&ndsp=24&ved=1t:429,r:0,s:0 Lubomí Nátr, 2011