Efekt cieplarniany: czym jest, czym są gazy cieplarniane, konsekwenkcje ocieplenia klimatu, rozwiązanie problemu

Czym jest efekt cieplarniany?

Ziemia posiada atmosferę o grubości ponad 1000 kilometrów. Atmosfera zawiera masy powietrza, które zatrzymują i magazynują ciepło pochodzące ze słońca pod postacią promieniowania podczerwonego. Podwyższenie temperatury powierzchni Ziemi będące skutkiem zatrzymywania energii słonecznej przez gazy cieplarniane nazywane jest efektem cieplarnianym lub "szklarniowym".


(W załączniku rysunek)


Jak powstaje efekt cieplarniany?

Mechanizm powstawania efektu cieplarnianego przedstawiłem na zamieszczonym obok schemacie.
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 teraz 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.
Spośród ponad 30 dotychczas zidentyfikowanych gazów cieplarnianych w poniższej tabeli umieściłem 5 najważniejszych ze względu na udział w efekcie cieplarnianym oraz zdolność do pochłaniania promieniowania podczerwonego w porównaniu do dwutlenku węgla.

(Tabela związana z gazami cieplarnianymi w załączniku)


W powstawaniu efektu cieplarnianego najważniejszą rolę odgrywa dwutlenek węgla, którego udział wynosi 50%. Tak wysoki udział 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 wciąż wzrasta, co jest skutkiem działalności człowieka: emisja CO2 związana z przemysłem, połączona z gwałtownym zmniejszaniem się powierzchni terenów zalesionych. Oblicza się, że globalna emisja CO2 wynosi ok. 1011 t/rok. W obecnym stuleciu stężenie tego gazu wzrosło od ok. 270 ppm na początku XX w. do 360 ppm w latach 80.
Wysoki udział w powstawaniu efektu cieplarnianego ma również metan (CH4) - 18%. Gaz ten 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.
Udział ozonu w powstawaniu efektu cieplarnianego wynosi 12%. 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. Powinniśmy zastanowić się, jakie będą konsekwencje ocieplenia klimatu na Ziemi. Czy może nam grozić katastrofa ekologiczna?


Konsekwencje ocieplenia 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. Ogrzane wody w morzach i oceanach powodują topnienie lodowców na biegunach Ziemi oraz zwiększają swoją objętość, co prowadzi do podniesienia się ich poziomu.
W ciągu najbliższych pięćdziesięciu lat może dojść do zalania wielu obszarów położonych na małej wysokości bezwzględnej (n. p. m.). Obliczono, że w wyniku stopienia lodowców na Grenlandii i Antarktydzie pod wodą może znaleźć się prawie cała Holandia, Dania, znaczna część Belgii i Bangladeszu. Na terenie Polski może zostać zalany obszar położony w odległości nawet do 100 km od wybrzeża Morza Bałtyckiego.
Jednak teoretycznie możliwe jest również zwiększenie się masy lodowców. W wyniku ocieplenia klimatu zwiększy się parowanie wód w morzach i oceanach, co doprowadzi do zwiększenia ilości opadów na Ziemi. W okolicach biegunów naszej planety opady śniegu mogą przyczynić się do szybkiego nagromadzenia lodowców. Niestety obecnie nie obserwuje się takiego zjawiska.

Znacznie bardziej prawdopodobne jest przesunięcie się stref klimatycznych na Ziemi ku biegunom. Powodów tego zjawiska może być wiele. Nadmierne ogrzewanie mas powietrza może doprowadzić do zmian cyrkulacji lokalnych i wielkoskalowych prądów powietrznych nad powierzchnią kuli ziemskiej. Efekt cieplarniany może również doprowadzić do zmian systemu prądów morskich. Nietrudno domyśleć się, jakie będą skutki przemieszczenia się stref klimatycznych. Nowe warunki klimatyczne wywołają liczne klęski żywiołowe. Zmienione układy ciśnień atmosferycznych spowodują powstanie huraganów, cyklonów i tornad. Zwiększone parowanie wód w morzach i oceanach doprowadzi do występowania nawalnych opadów, a skutkiem tego będą liczne powodzie, a w górach lawiny. Jednocześnie na obszarach położonych w znacznych odległościach od wielkich zbiorników wodnych w wyniku szybkiego wysychania gleb utrzymywać się będą susze. Długotrwałym suszom bardzo często towarzyszą pożary lasów, spalana biomasa emituje do atmosfery olbrzymie ilości smogu zawierającego CO2,CO, tlenki azotu i inne gazy dodatkowo zwiększające natężenie efektu cieplarnianego.
Gatunki roślin i zwierząt, które nie dostosują się do zmienionych warunków, po prostu znikną z powierzchni Ziemi. Wiele chorób związanych z gorącym klimatem (np. malaria) dotknie ludzi i zwierzęta, które są całkowicie na nie nieodporne.
Skutki zmiany klimatu wskutek efektu cieplarnianego można także będzie zauważyć w gospodarce człowieka, a ściślej mówiąc - w rolnictwie. Skład chemiczny gleb, charakterystyczny dla danej strefy klimatycznej, nie zmieni się tak gwałtownie, jak temperatura i wilgotność powietrza. Nie będzie więc możliwa uprawa roślin na terenach o większych, niż dotychczas szerokościach geograficznych, mimo sprzyjających tam warunków klimatycznych, gdyż gleby nie będą urodzajne. Rolnictwo nie będzie w stanie wyżywić zwiększającej się wciąż liczby ludności.

Konsekwencje ocieplenia klimatu na kuli ziemskiej są więc oczywiste - wiele osób zginie w wyniku coraz liczniejszych klęsk żywiołowych. Jeszcze więcej ludzi umrze z głodu i na skutek nowych chorób. Efekt cieplarniany jest więc problemem ekologicznym stanowiącym realne zagrożenie dla ludzkości. Powinniśmy zatem już dziś poszukiwać rozwiązań tego problemu oraz zastanowić się nad tym, co robić, aby niedopuścić do zwiększania się globalnego ocieplenia.


Rozwiązania problemu

Jak już wspomniałem na stronie tytułowej, aby rozwiązać współczesne problemy naszego środowiska nie wystarczą wysiłki jednego, czy kilku narodów. Efekt cieplarniany stanowi zagrożenie dla całej ludzkości, dlatego rozwiązań tego problemu muszą poszukiwać wszyscy ludzie.
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.
Należy również zwrócić uwagę na efektywność pracy ciepłowni i elektrowni. Obliczono, że wykorzystywane jest tylko 35% energii, która powstaje 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.
W celu zmniejszenia emisji dwutlenku węgla do atmosfery 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 2 mln ton węgla średniej wielkości elektrownia ma moc zaledwie 1000 MW.
Znaczny udział w emisji dwutlenku węgla i tlenków azotu mają pojazdy silnikowe. 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. Uchwalono tam tzw. Ramową Konwencję, która uzupełniała tzw. Protokół Montrealski z 1978 postanowieniami w sprawie zmniejszenia emisji CO2, CH4 i N2O.
Ograniczanie emisji świadczy o tym, że narody zdają sobie sprawę z zagrożenia, jakie może stanowić efekt cieplarniany i próbują przeciwdziałać natężaniu się globalnego ocieplenia.