Efekt cieplarniany

Czym jest efekt cieplarniany?

Efekt cieplarniany zwany również szklarniowym, jest skutkiem zatrzymania energii słonecznej przez gazy cieplarniane. Kula Ziemska posiada atmosferę o grubości większej niż tysiąc kilometrów. Zawiera ona masy powietrza które zatrzymóją i magazynują ciepło pochodzące ze słońca pod postacią promieniowania podczerwonego.

Na czym polega efekt cieplarniany i jak on powstaje?

Znaczna część promieniowania słonecznego (promieniowanie krótkofalowe o długości fali od 0,1 do 4 mm) jest przepuszczana przez atmosferę ziemską i pochłaniana przez powierzchnię Ziemi, co powoduje jej ogrzanie.

Wskutek ocieplenia powierzchni Ziemi następuje emisja promieniowania podczerwonego (promieniowanie długofalowe o długości fali od 4 do 80 mm). Znaczna część tego promieniowania jest pochłaniana przez znajdujące się w atmosferze cząsteczki wody, dwutlenku węgla i innych gazów oraz przez drobne kropelki wody w chmurach.

Energia cieplna jest przekazywana przez atmosferę głównie z powrotem do powierzchni Ziemi w postaci tzw. promieniowania zwrotnego, a tylko częściowo w przestrzeń kosmiczną. Promieniowanie zwrotne ogrzewa ponownie powierzchnię Ziemi, dlatego jest podstawową przyczyną występowania na naszej planecie efektu cieplarnianego. Energia oddawana przez naszą planetę jest mniejsza od energii przyjmowanej pochodzącej ze Słońca.

Dzięki ochronie atmosfery przed wychłodzeniem Ziemi średnia temperatura powietrza wynosi ok. +15C. Gdyby atmosfera nie zawierała gazów cieplarnianych, nagrzana powierzchnia Ziemi wypromieniowywałaby swą energię w przestrzeń kosmiczną, dlatego średnia temperatura powietrza byłaby równa ok. -17C.
Dopóki człowiek nie zanieczyszczał środowiska w tak znacznym stopniu, jak ma to miejsce obecnie, główną rolę w pochłanianiu ciepła odbitego od powierzchni Ziemi pełniła para wodna. Jednak od kilkudziesięciu już lat na skutek działalności człowieka szybko wzrasta rola pozostałych gazów cieplarnianych.

Czym są gazy cieplarniane?

Gazy cieplarniane są lotnymi substancjami chemicznymi występującymi w atmosferze, których budowa fizyko-chemiczna pozwala na zatrzymywanie i magazynowanie energii cieplnej oraz przekazywanie jej do powierzchni Ziemi w postaci promieniowania podczerwonego.

W atmosferze zidentyfikowano ponad 30 gazów szklarniowych. Największe znaczenie mają: dwutlenek węgla (C02), metan (CH4), ozon (03), tlenki azotu oraz freony. Bardzo wysoka temperatura warstwy powierzchniowej Słońca (ok. 6000K) powoduje, że emituje ono energię w postaci bardzo krótkich fal o dużej częstotliwości.

Nazwa gazu Udział w efekciecieplarnianym Efektywność pochłaniania promieniowania podczerwonego w porównaniu do CO2

Ze wszystkich gazów wytwarzanych przez ludzkość dwutlenek węgla jest głównym sprawcą efektu cieplarnianego. Tak wysoki udział (50%) CO2 w efekcie cieplarnianym, mimo najmniejszej efektywności pochłaniania promieniowania podczerwonego jest możliwy dzięki jego wysokiej zawartości w atmosferze - ok. 0,03% (zaw. objętościowa). Rola dwutlenku węgla w efekcie cieplarnianym ciągle wzrasta, co jest skutkiem działalności człowieka: emisja CO2 związana z przemysłem, połączona z gwałtownym zmniejszaniem się powierzchni terenów zalesionych (wskutek spalania drewna i paliw pochodzenia organicznego: węgla kamiennego, ropy naftowej i gazu ziemnego). Oblicza się, że globalna emisja CO2 wynosi ok. 1011 ton/rok. W obecnym stuleciu stężenie tego gazu wzrosło od ok.270 ppm na początku XXw. do 360 ppm w latach 80.

Metan (CH4) powstaje i jest emitowany do atmosfery w wyniku licznych reakcji beztlenowego rozkładu szczątków roślin i zwierząt oraz beztlenowego rozkładu odchodów zwierzęcych. Metan jest głównym składnikiem gazu ziemnego, dlatego też jego znaczne ilości są uwalniane do atmosfery wraz z wydobywanym węglem kamiennym i ropą naftową.

Freony, przeciwieństwie do pozostałych gazów, które umieściłem na powyższym wykresie, nie powstają w sposób naturalny. Powstają one jedynie w wyniku reakcji chemicznych przeprowadzonych przez człowieka (działanie fluorowodorem na halogenopochodne metanu lub etanu w obecności katalizatora - pięciochlorku antymonu) i stosowane są w chłodnictwie oraz (obecnie coraz rzadziej) do produkcji aerozoli. Freony są szczególnie niebezpiecznymi gazami, nie tylko ze względu na bardzo małą aktywność chemiczną, czego skutkiem jest duża trwałość. W porównaniu do dwutlenku węgla freony odznaczają się od 10 do 20000 razy większą efektywnością w pochłanianiu promieniowania podczerwonego. Należy także zauważyć, że freony powodują rozkład ozonu (O3) na tlen (O2), czego skutkiem jest powstanie tzw. dziury ozonowej.

Ozonu powstaje w sposób naturalny - z tlenu pod wpływem wyładowań atmosferycznych lub promieniowania ultrafioletowego. Ozon występuje w dolnych warstwach atmosfery w małych ilościach (ok. 2 · 10-5 g/dm3). Jego zawartość jest znacznie większa w górnych warstwach atmosfery (w ozonosferze). Chroni tam wszystkie żywe organizmy na Ziemi przed promieniowaniem ultrafioletowym.

Najmniejszą rolę w powstawaniu efektu cieplarnianego spośród gazów wymienionych w powyższej tabeli i zamieszczonych na wykresie odgrywają tlenki azotu - 6%. Do środowiska dostają się głównie wraz ze spalinami samochodów oraz razem z azotowymi nawozami sztucznymi. Najbardziej efektywnym tlenkiem jest N2O (150 razy efektywniejszy od dwutlenku węgla), jednak jego zawartość w atmosferze jest równa ok. 10-6%.

Na skutek działalności człowieka zawartość gazów cieplarnianych w atmosferze systematycznie wzrasta, co prowadzi do pogłębiania się efektu cieplarnianego.

Konsekwencje ocieplenia się klimatu na Ziemi

Skutki stopniowego ocieplania klimatu na Ziemi zauważamy już od wielu lat. W wielu miejscach na Ziemi obserwuje się wzrost średniej temperatury powietrza.

- przesunięcie stref klimatycznych i progresywne ograniczenie powierzchni lasów borealnych, wyeliminowanie zbiorowisk tundry i rozszerzenie areału pustyń i stepów. Lasy borealne, tundra oraz ekosystemy stref suchych i półsuchych są szczególnie wrażliwe na zmiany klimatu. Można się spodziewać przesunięcia granic stref klimatyczno-roślinnych o kilkaset kilometrów ku biegunom. Spowoduje to rewolucję w rolnictwie, ponieważ głównie rejony upraw w strefie umiarkowanej przesuną się na terytorium środkowej Kanady i Syberii, charakteryzujące się nieodpowiednim dla intensywnej produkcji rolnej glebami.

- odtajenie wiecznej zmarzliny na obszarach tundry w Azji i Ameryce Północnej, co spowoduje dodatkową produkcję gazów cieplarnianych

- wzrost poziomu mórz i oceanów, nawet o 40 metrów do roku 2030, na skutek topienia się olbrzymich mas lodów pokrywających Antarktydę i Arktykę. W Polsce zagrożone są między innymi: Szczecin, Koszalin, Słupsk, większość Gdyni i Gdańska oraz Elbląg. Do dziesięciu państw świata najbardziej zagrożonych wzrostem poziomu oceanu światowego należą: Bangladesz, Egipt, Indonezja, Malediwy, Mozambik, Pakistan, Senegel, Tajlandia i Gambia.

-Skrajności klimatyczne w różnych częściach świata W niektórych częściach świata wydłużą się okresy suszy, a w innych zwiększą opady deszczu. Mogą się nasilić burze, powodzie oraz niszczycielskie huragany. Już dziś miliony ludzi ginie wskutek powodzi i klęsk głodu, ale ocieplenie klimatu znacznie pomnożyłoby liczbę ofiar.
Zwiększone zagrożenie zdrowia Wzrost temperatury może bardzo zwiększyć liczbę zachorowań i zgonów. Według Światowej Organizacji Zdrowia globalne ocieplenie przypuszczalnie spowoduje też powiększenie się obszarów występowania owadów przenoszących choroby tropikalne, takie jak malaria czy denga. Ponadto wskutek zachwiania równowagi w opadach deszczu i śniegu maleć będą zasoby wody pitnej, co prawdopodobnie wywoła nasilenie się chorób pasożytniczych i innych przenoszonych przez wodę i pokarm.

-Niebezpieczeństwo dla naturalnych siedlisk Ocieplenie klimatu i zmiany w rozmieszczeniu opadów to zagrożenie dla lasów i terenów podmokłych, których zadaniem jest oczyszczanie powietrza i wody. Pożary lasów stałyby się częstsze i bardziej niszczycielskie.

Zanieczyszczenie atmosfery to tylko jeden z przejawów dewastowania naturalnego środowiska. Dodać do tego należy masowe wylesianie, zagładę całych gatunków zwierząt oraz zatruwanie rzek, jezior, mórz i oceanów. Każde z tych zjawisk jest poddawane wnikliwej analizie i proponuje się różne środki zaradcze. Ponieważ są to problemy ogólnoświatowe, wymagają też ogólnoświatowych rozwiązań. Zazwyczaj wszyscy się zgadzają co do istoty trudności oraz sposobów ich przezwyciężania. Rokrocznie rozbrzmiewają apele wzywające do działania. I rokrocznie prawie nic się nie zmienia.

Rozwiązania problemu

Aby rozwiązać współczesne problemy naszego środowiska nie wystarczą wysiłki jednego, czy kilku narodów. Efekt cieplarniany stanowi zagrożenie dla całej ludzkości, ale i każdy człowiek może wpływać na zmniejszanie się natężenia efektu cieplarnianego poprzez np. segregację śmieci i używanie surowców wtórnych. Ogranicza w ten sposób emisję dwutlenku węgla, która towarzyszy produkcji opakowań, a także zmniejsza wydzielanie metanu, powstającego przy rozkładzie substancji organicznych na wysypiskach śmieci.

Społeczeństwo powinno oszczędzać energię. Dzięki zastosowaniu materiałów izolacyjnych w budynkach mieszkalnych możliwe jest zabezpieczenie przed nadmierną utratą energii cieplnej. Energia elektryczna może być oszczędzana dzięki używaniu nowoczesnych, energooszczędnych urządzeń elektrycznych. W ten sposób zmniejszmy zapotrzebowanie na energię, a więc możliwe stanie się ograniczenie jej produkcji przez ciepłownie i elektrownie. Tym samym zmniejszy się emisja dwutlenku węgla do atmosfery.

Trzeba także zwrócić uwagę na efektywność pracy ciepłowni i elektrowni. Wykorzystywane jest tylko 35% energii, powstającej w wyniku spalania węgla. Pozostałe 65% ulega rozproszeniu, głównie w postaci ciepła. Po przeprowadzeniu odpowiednich remontów elektrowni możliwe stałoby się wykorzystanie tej energii np. do otrzymania gorącej wody służącej potrzebom przemysłu lub do ogrzewania budynków mieszkalnych.

Należy zacząć poszukiwać alternatywnych źródeł energii. Skłania nas do tego również zjawisko gwałtownego zmniejszania się ilości paliw kopalnych (oblicza się, że światowe zasoby ropy naftowej wyczerpią się za ok. 30 lat, natomiast pokłady węgla kamiennego zostaną wyeksploatowane za ok. 170 lat). Odnawialne zasoby energii praktycznie nigdy się nie wyczerpią. Należy do nich zaliczyć: promieniowanie słoneczne, ruchy mas powietrza, ruchy wód w rzekach, fale i pływy morskie, energia geotermiczna. Najważniejszym źródłem energii dla Ziemi jest promieniowanie Słońca. Wraz z promieniowaniem słonecznym do Ziemi dociera moc o wartości ok. 178 000 TW (1 TW = 100000 MW), z czego ok. 30% jest odbijane przez atmosferę, ponad 45% pochłaniają lądy i morza w postaci ciepła, pozostała jest zużywana w cyklu hydrologicznym, w procesach fotosyntezy oraz do wprawiania w ruch powietrza i fal morskich. Dla porównania spalająca rocznie od 1,5 do 2mln. ton węgla średniej wielkości elektrownia ma moc zaledwie 1000 MW.

Aby ograniczyć emisję gazów cieplarnianych przez samochody należy próbować nakłonić społeczeństwo do korzystania ze środków transportu publicznego lub innych pojazdów, nie zanieczyszczających środowiska - rowerów.

W regulacji zawartości dwutlenku węgla w atmosferze ziemskiej najistotniejsze znaczenie mają lasy. Obliczono, że 1 ha lasu może pochłonąć 250 kg dwutlenku węgla. Należy całkowicie zaprzestać wycinania lasów równikowych oraz ograniczyć wycinanie i wypalanie pozostałych lasów. Należy również sadzić nowe drzewa w miejsce wyciętych.

O działaniach mających na celu ograniczenie emisji dwutlenku węgla do atmosfery rozmawiano w czerwcu 1992 na tzw. "Szczycie Ziemi" w Rio de Janeiro w Brazylii Podczas Szczytu którego przedstawiciele ok.150 krajów podpisali traktat nazwany Ramową Konwencją, która uzupełniała tzw. Protokół Montrealski z 1978 postanowieniami w sprawie zmniejszenia emisji CO2, CH4 i N2O.