Znečištění atmosféry, skleníkové plyny

Transkript

1 Znečištění atmosféry, skleníkové plyny Petr Sládek Pedagogická fakulta MU Úvod Z hlediska života na Zemi, se pro fungování atmosféry zdají být nejpodstatnější tři jevy. Jedná se o narušení ozónové vrstvy, skleníkový efekt a tzv. kyselý déšť. 1. Narušení ozónové vrstvy Ve stratosféře, ve výšce km se rozprostírá nad planetou vrstva se zvýšenou koncentrací ozónu O3. Kdyby byl všechen ozón z ozónové vrstvy soustředěn do jedné vrstvy, činila by tato vrstva pouze 3 mm silný souvislý obal 0 3 kolem naší Země.Ten chrání povrch Země a vše živé na něm před dopadajícím ultrafialovým (krátkovlnným) a kosmických zářením. Atmosférou tak proniká na Zemi jen asi 1% ultrafialového záření, které z vesmíru přichází. Vrstva ozónu je však ve stále se zvyšující míře narušována působením chlorofluorouhlovodíků - freonů. Freony byly vyvinuty ve 30. letech. Byly předurčeny jako hnací médium ve sprejích a pro použití v ledničkách a mrazničkách a při klimatizaci automobilů. Chlor a fluor jsou vysoce reaktivní látky. Při uvolnění do atmosféry reagují ve stratosféře s molekulami ozónu a ten se mění na obyčejný kyslík. S ozónem také reagují oxidy dusíku uvolňované při spalovacích procesech u letadel a automobilů. Ultrafialové sluneční záření pak dopadá na Zemi ve zvýšené intenzitě a způsobuje zvýšený výskyt rakoviny kůže a narušení imunitního systému člověka. Další důsledky se mohou projevit ohrožením zraku u lidí i zvířat, sníženými zemědělskými výnosy, ohrožením některých druhů ekosystémů apod. Odhaduje se, že už jen dvouprocentní zvýšení množství dopadajícího ultrafialového záření vede ke třicetiprocentnímu úbytku chlorofylu v rostlinách a zmenšuje se tak výrazně produktivita zemědělských plodin. U člověka to může způsobit popáleniny a až třicetiprocentní zvýšení četnosti rakoviny kůže. V posledních dvou desetiletích jsou sledovány výrazné úbytky koncentrace ozonu především na jižní polokouli. Během 80. let se snížila koncentrace ozonu na jižní polokouli,

2 v oblasti kolem Antarktidy o 3 9 %, na severní polokouli nad Tichým oceánem a vnitrozemskými částmi Asie o 3 6 %. Nebezpečnější jsou však krátkodobé výrazné výkyvy koncentrace ozonu. Sníží-li se koncentrace zhruba o 50 procent, mluvíme o výskytu ozónové díry. Tento jev trvá obvykle několik dní. Známe jej především z jižní polokoule (Antarktida, jižní část Jižní Ameriky, Austrálie, Nový Zéland). Avšak i u nás, v Čechách jsou známy v poslední době zimy, kdy poklesla koncentrace ozonu na několik dní o třicet až čtyřicet procent. Obr. 1 Ozónová díra nad Antarktidou ( ) V Hradci Králové zahájila svoji činnost v r jako specializované pracoviště ČHMÚ pro měření a studium slunečního záření na území ČR Solární a ozonová observatoř ČHMÚ (SOO-HK). Začátkem 60. let byla odborná náplň rozšířena i na sledování stavu ozonové vrstvy. Pracoviště je umístěno v budově Hvězdárny v Hradci Králové a jeho zeměpisné souřadnice jsou N, E, 285 m n.m.

3 Od r se na SOO-HK každodenně provádějí měření celkového množství ozonu v atmosféře (O3), která charakterizují stav ozonové vrstvy v oblasti střední Evropy.Tato měření představují jednu z nejdelších evropských datových řad tohoto druhu, která je z hlediska její kvality mezinárodně hodnocena jako referenční. Datové soubory z této observatoře jsou dnes používány v globálních projektech k základním studiím trendů změn ozonové vrstvy a ke kalibracím družicových měření. Od r se celkové množství O 3 měří pomocí Dobsonova spektrofotometru č.74. Tento typ přístroje se standardně používá na většině ozonometrických stanic, které své přístroje pravidelně kalibrují a porovnávají se světovým standardem. V prosinci r byl na SOO-HK v rámci dalšího rozvoje ozonového programu observatoře instalován Brewerův spektrofotometer č.98. Tento plně automatický přístroj měří nejen celkové množství O 3 v atmosféře, ale také celkové množství SO 2, NO 2 a ultrafialové sluneční záření v oblasti UV-B. Ozonové údaje naměřené v Hradci Králové jsou uloženy v ozonové databázi na SOO-HK a jsou mimoústavním zájemcům komerčně dostupné. Část těchto dat je zasílána do Světového ozonového datacentra v Torontu a některým partnerským observatořím v zahraničí. Množství ozónu v atmosféře se měří pomocí tzv. Dobsonových jednotek. Dobsonovy jednotky (Dobson unit - DU) vyjadřují celkové množství O 3 ve vertikálním sloupci atmosféry o základně 1 cm 2 (100 DU odpovídá při normálním tlaku a teplotě 298K vrstva O 3 o tloušťce 1 mm). 2. Skleníkový efekt Zemská atmosféra je ze 78% tvořena dusíkem z 21% kyslíkem. 0,93% naší atmosféry tvoří argon, ostatní prvky či sloučeniny jsou z kvantitativního hlediska zanedbatelné. Ne však co do významu. Koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře činí jen 0,035%, před začátkem průmyslové éry (asi před 300 lety) to bylo méně než 0,030%. Koncentrace oxidu uhličitého však v posledních desetiletích stoupá. Jednak díky využívání fosilních paliv, kdy při spalování vzniká oxid uhličitý a spotřebovává se kyslík, jednak v důsledku ničení ekosystémů (především tropických pralesů a planktonu v mořích a oceánech), když se snižuje schopnost těchto ekosystémů produkovat kyslík a pohlcovat oxid uhličitý během procesu fotosyntézy. Rostoucí koncentrace oxidu uhličitého může být velmi užitečná kvůli tzv. skleníkovému efektu. Oxid uhličitý způsobuje v atmosféře totéž, co ve skleníku sklo propouští na zemi viditelnou část slunečního spektra a nepropouští infračervenou část

4 spektra. Světelné záření se po dopadu na zemi mění v záření tepelné (infračervené, dlouhovlnné záření). To se odráží od povrchu Země, ohřívá atmosféru a část uniká zpět do vesmíru. Oxid uhličitý unikání tepla do vesmíru brání, zachycuje je. Atmosféra se ohřívá, mění se světová cirkulace atmosféry a následně dochází k posunu klimatických pásem. Průměrným oteplením asi o 4 stupně Celsia by mohlo dojít k tání ledovců v Antarktidě, Arktidě a Grónsku. Pokud by došlo během let ke zvýšení hladiny světového oceánu o jeden metr, byla by zaplavena rozsáhlá, dnes úrodná a hustě osídlená území v Indii, Bangladéši, Evropě i jinde. To by vyvolalo, nové masové stěhování lidí s následnými národnostními, náboženskými a politickými konflikty. Většina světových velkoměst leží na pobřeží. Řada malých ostrovů (Fidži, Šalamounovy ostrovy, Maledivy, Seychely, Barbados, Trinidat, Bahamské ostrovy aj.) by se staly v důsledku zvednutí hladiny moří a oceánů téměř neobyvatelnými. K tomu všemu stačí pravděpodobně zvýšení koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře na 0,042%, čehož by při současných trendech bylo dosaženo v několika desetiletích. Skleníkové plyny Skleníkové plyny jsou příměsemi zemského ovzduší, které účinně pohlcují a vyzařují infračervené záření. Dále jsou uvedeny hlavní skleníkové plyny, včetně relativní účinnosti. Chemický vzorec název relativní účinnost H O vodní pára 1 H O C oxid uhličitý 1 O H H C H metan 21 H

5 N O oxid dusný 310 N Relativní účinnost je zvýšení úhrnu energie, která dopadá na povrch Země za sto let v poměru ke zvýšení působenému týmž objemem CO 2. Oxid uhličitý se na skleníkovém efektu podílí asi 50 procenty. Mezi další významné skleníkové plyny patří chlorofluorouhlovodíky (14 procent), metan (18 procent), oxidy dusíku (6 procent). Zbývajících dvanáct procent tvoří další, méně významné sloučeniny. Metan vzniká na vlhkých rýžových polích a v žaludku hovězího dobytka. Uniká také při těžbě uhlí, zemního plynu a při rozkladu biomasy. Emise NO vznikají také při kompostování a při většině spalovacích procesů. NO zůstává v atmosféře po dlouhou dobu, v průměru víc než 150 let, zatím co poločas rozpadu metanu je 40 let. Nejdůležitější příspěvek k redukci metanu a NO nabízejí změny v zemědělství. Protože ale o snížení produkce rýže nemůže být kvůli růstu zalidnění ani řeči, zůstává zde vlastně snížení chovu hovězího dobytka, využití plynů z odpadu pro získávání energie a utěsnění plynovodů a těžních zařízení. 3. Kyselý déšť Kyselý déšť vzniká působením oxidů síry. Uhlí, především hnědé, obsahuje asi jedno procento (ale často podstatně více) síry. Při spálení uhlí vzniká oxidací oxid siřičitý. V ovzduší reaguje s vodní párou, vzniká nejdříve kyselina siřičitá, další reakcí pak kyselina sírová. Uvolňováním oxidů dusíku při spalování ropných látek vzniká obdobným procesem také kyselina dusičná. Díky tomu se ph (kyselost) dešťové vody snižuje z normálního ph 6,5 na ph 4,5 (ale někdy také na méně, než ph 3). Slabá kyselina poškozuje vše živé, především lesní ekosystémy (náchylnější jsou přitom lesy jehličnaté, listnatým lesům pomáhá každoroční opad listí), ale způsobuje také korozi kovových materiálů, stavebních památek apod. Působením kyselých dešťů se z půdy uvolňuje hliník, který je v nevázané formě toxický pro kořenové systémy rostlin. Kyselými dešti jsou postiženy především klasické průmyslové oblasti střední Evropa, Velká Británie, východní pobřeží Spojených států. Cirkulace atmosféry však nerespektuje hranice států a proto obrovské množství emisí oxidu siřičitého je

6 exportováno např. do skandinávských zemí, kde dochází k poškození lesních porostů, ale také k okyselování jezer a tím k ohrožení rybolovu. 4. Projevy globálního oteplování V současné době již není zapotřebí vyčkávat na potvrzení teorie globálního oteplování zeměkoule v důsledku produkce skleníkových plynů. Celosvětová průměrná teplota byla např. v roce 1998 nejvyšší za posledních 119 let. Zároveň tento rok byl již dvacátým rokem v souvislé řadě, který přesáhl dlouhodobý průměr. Globální oteplení přineslo úmorná vedra, záplavy, vnitrozemské přívalové deště a především ničivé uragány. Efektem globálního oteplení jsou desetitisíce obětí na lidských životech, miliony lidí připravených o přístřeší a značné ekonomické ztráty. I když podíl České republiky je na popsané globální disfunkci pouhých 0,67% (tab.č.1), představují emise oxidu uhličitého na jednoho obyvatele ČR ročně 11,47 t (údaj za rok 2003, převzato z [2]). Tabulka č. 1 Emise oxidu uhličitého v České republice ve srovnání s dalšími zeměmi /rok 2003/. Země Emise CO 2 (mil. tun) Počet obyvatel (mil.) Emise CO 2 na 1 obyvatele (t) Česká 116,98 10,20 11,47 republika USA 5728,53 291,09 19,68 Kanada 470,80 31,63 17,49 Austrálie 285,99 20,01 17,35 Finsko 72,61 5,21 13,93 Belgie 166,88 10,37 11,57 Rusko 1547,89 143,43 10,64 Německo 884,41 82,52 10,35 Japonsko 1150,94 127,62 9,41 Velká Británie 564,84 59,38 9,10 Itálie 423,82 58,10 7,80 Polsko 336,11 38,20 7,68 Francie 362,02 61,54 6,33 Čína 3719, ,40 2,89 Indie 803, ,40 0,99 Celý svět ,99

7 5. Užitečné tabulky a možnosti zadání příkladu V následujících tabulkách jsou uvedeny hodnoty vyprodukovaného množství CO 2 při činnostech lidstva: Vytápění: Při spálení Výhřevnost Produkce kg uhlí HU 17MJ/kg ČU 29MJ/kg kg CO m 3 plynu 33,5 MJ/m kg CO l topný olej 40 MJ/kg kg CO 2 Doprava (množství na uražených km) : Dopravní prostředek Produkce Auto (6l /100km) 150 kg CO 2 Auto (10 l /100km) 250 kg CO 2 Auto (15 l /100km) 375 kg CO 2 Vlak, autobus 30 kg CO 2 na osobu Letadlo 10 kg CO 2 na osobu Dále je uveden námět na kvantitativní výpočty z dané problematiky. Př. Kolik vyprodukuje Jan Novák CO 2 za měsíc, když ujede v pracovní dny 40km, o víkendu 120km? Pro výpočty uvažujte osobní automobil, který má spotřebu 8l na 100 km. Jak by se situace změnila, kdyby k jízdám používal vlak nebo autobus? Řešení Z tabulky vidíme, že automobil, který urazí 1000 km při průměrné spotřebě 10 l /100km, spotřebuje 100l benzínu, jehož spotřebováním vyprodukujeme 250 kg CO 2. Jan Novák urazí celkem 22x40km + 4x120km = 1360 km za měsíc. Spotřebuje = 108,8λ benzínu. 100 Spálením 100 l benzínu vyprodukujeme 250 kg CO Spálením 108,8 l benzínu pak vyprodukujeme 108,8= 272kg CO Jan Novák vyprodukuje při používání auta do ovzduší 272 kg CO 2 za měsíc.

8 Vlak nebo autobus, když ujedou km znečistí ovzduší 30 kg CO 2 na osobu. V našem případě by na Jana Nováka připadalo za měsíc = 40,8kg CO 2. Reference [1] [2] [3]