Klima: Jak prokázat efekt kysličníku uhličitého?

Podle ČT a VŠCHT Praha lze dokázat efekt ohřívání Země kysličníkem uhličitým na příkladu baněk naplněných vzduchem a kysličníkem uhličitým. Baňka s kysličníkem uhličitým se ohřeje na Slunci na vyšší teplotu.

Viděl jsem na ČT v Událostech reportáž z měření teploty v baňkách se vzduchem a s kysličníkem uhličitým. Baňky naplněné kysličníkem uhličitým se podle reportáže ohřály na slunečním záření o 3 stupně více než baňky se vzduchem. V reportáži byly ukázány čtyři skleněné baňky, dvě byly naplněné vzduchem a dvě kysličníkem uhličitým. V bankách byly teploměry a ty ukázaly v baňkách s kysličníkem uhličitým o 3 až 4 stupně vyšší teplotu. Důkaz jako hrom. Má to ale opět řadu háčků, na které si dovolím upozornit.

Nejprve se podíváme na podmínky experimentu. Hustoty plynů za tak zvaných normálních podmínek (273 K a 100000 Pa) jsou pro některé plyny uvedeny zde. Suchý vzduch má za těchto podmínek hustotu 1,276 kg/m3, kysličník uhličitý 1,951 kg/m3. Pro ohřev plynu platí obecně tato rovnice:

Q = m. c. (T2-T1)

Kde Q je množství dodaného tepla v kJ, m je množství plynu v kg, c je tepelná kapacita plynu kJ / (kg. K) a T2 značí teplotu plynu v Kelvinech po ohřátí a T1 teplotu plynu před ohřátím v Kelvinech.

Tepelná kapacita suchého vzduchu za konstantního tlaku se v rozmezí teplot 273 až 333 K (0 až 60 stupňů Celsia) pohybuje mezi 1,005 až 1,017 kJ / (kg. K). Tepelná kapacita kysličníku uhličitého je v témže rozmezí teplot asi 0,840 kJ / (kg. K) . Budeme-li ale zahřívat plyny za konstantního objemu (tedy poroste-li jejich tlak kvůli zvyšování teploty za konstantního objemu), je tepelná kapacita asi o 40% nižší a činí 0,654 kJ/ (kg.K) pro kysličník uhličitý a 0,72 kJ/ (kg.K) pro vzduch.

Příklad č. 1 – zahřívání plynu v dokonale tepelně izolované nádobě

Budeme-li tedy zahřívat v dokonale izolované nádobě suchý vzduch a kysličník uhličitý o stejné množství tepla z počátečního tlaku 100 kPa a teploty 273 K v nádobě o objemu 1 m3, dostaneme tyto výsledné hodnoty teploty T2 – následující tabulka.

Plyn	Množství / kg	T2 (Q= 1 kJ)	T2(Q=10 kJ)	T2(Q=100 kJ)
Kysličník uhličitý	1,951	273,8	280,8	351,4
Suchý vzduch	1,276	274,1	283,8	381,8

Z výše uvedené tabulky vyplývá, že při stejném počátečním tlaku vzduchu i kysličníku uhličitého není nikdy možné ohřát kysličník uhličitý stejným množstvím tepla na teplotu, na kterou lze ohřát vzduch. Je to jednoduše proto, že kysličník uhličitý má při stejném tlaku jako vzduch větší hustotu, je ho tedy ve stejném objemu větší hmotné množství než vzduchu a toto množství nelze stejným množstvím tepla ohřát více. Pokud bychom ale na počátku našeho experimentu odčerpali z nádrže kysličníku uhličitého 50% množství (tlak by klesl na polovinu), dopadlo by to jinak, jak ukazuje další tabulka.

Plyn	Množství / kg	T2 (Q= 1 kJ)	T2(Q=10 kJ)	T2(Q=100 kJ)
Kysličník uhličitý	0,976	274,6	288,6	429,6
Suchý vzduch	1,276	274,1	283,8	381,8

Výše uvedené je jen dokladem toho, že s fyzikou lze čarovat, pokud se „zamlčí“ podstatné detaily. Pokud je kysličníku uhličitého v izolovaném systému méně než vzduchu, ohřeje se stejným množstvím tepla na vyšší teplotu než vzduch.

Příklad č. 2 – zahřívání plynu v nádobě tepelně neizolované od okolního prostředí

Skleněná nádoba o objemu 1 m3 ohřívaná slunečním zářením s kysličníkem uhličitým nebo suchým vzduchem o tlaku 100 kPa z teploty 273 K.

Tento pokus mění vše, co bylo jisté v příkladu č. 1. Sluneční záření začne ohřívat skleněný plášť a obsah uvnitř nádoby a začne stoupat teplota plynu uvnitř nádoby. Protože však nádoba není izolovaná, s rostoucí teplotou povrchu skleněné nádoby se začne podle Stefan – Boltzmannova zákona zvyšovat i emisivita (zářivost) skleněné nádoby. Následující tabulka převzatá z wikipedie ukazuje, že emisivita povrchu skleněné krychle je při teplotě 273 K asi 315,5 W/m2, při 373 K je už více než trojnásobná.

Teplota [°C]	Teplota [K]	Intenzita [W·m−2]		Poznámka
0	273,15	315,6		teplota tání ledu
100	373,15	1100		teplota varu vody

Teplota uvnitř krychle s plyny tedy bude díky slunečnímu záření stoupat a současně se bude zvyšovat emisivita povrchu krychle. Tento děj bude pokračovat do té doby, dokud se množství tepla vstupující do skleněné krychle nebude rovnat množství tepla z krychle vyzařující. Vtip je v tom, že fyzika pro tento případ předpokládá, že teplota povrchu skleněné krychle se dostane do rovnováhy s množstvím slunečního tepla dopadajícím na skleněnou krychli bez ohledu na to, jaký má skleněná krychle obsah – čili co je uvnitř krychle.

Je-li ale obsahem krychle plyn, záleží na jeho tepelné vodivosti. Čím nižší má plyn teplotní vodivost, tím vyšší musí být jeho teplota, aby se ustavila rovnováha mezi tokem slunečního záření do skleněné krychle a emisivita z jejího povrchu. Podle wikipedie je tepelná vodivost kysličníku uhličitého při teplotách mezi 273 K až 323 K 0,015 až 0,018 W/ (m. K). Tepelná vodivost vzduchu je podle wikipedie při 293 K asi 0,026 W/ (m. K) – tj. je asi o 40% vyšší. Proto se musí kysličník uhličitý ohřát v krychli více (na vyšší teplotu), aby zajistil potřebný přestup tepla při záření krychle do okolního prostoru. Je-li totiž tepelná vodivost plynu nižší, musí pro stejný výkon emisivity záření povrchu krychle stoupnout hnací síla sdílení tepla z plynu uvnitř krychle ke skleněné desce. S důkazem, že kysličník uhličitý ohřívá Zemi tak zvaným „skleníkovým efektem“ tak tento modelový pokus nemá nic společného.

Pokud tedy přichází do krychle například 600 W slunečního záření jednou stranou krychle o ploše 1 m2, toto záření se pak musí vyzářit emisivitou povrchu celé krychle (6 m2). To odpovídá intenzitě záření 415,6 W/m2 (každou stranou musí vyzařovat navíc 100 W/m2, šest stran tak vyzáří zase 600 W a ustaví se tepelná rovnováha mezi množstvím tepla do krychle přicházejícím a odcházejícím) a teplota stěn krychle tak podle Stefan-Boltzmannova zákona musí být asi 292 K. Platí za počátečních podmínek teploty krychle a plynu uvnitř krychle 273 K.

Závěr

Pokus s ohřevem plynů v baňce pomocí slunečního záření nemůže v žádném případě sloužit jako důkaz vlivu kysličníku uhličitého na klima Země. Pokud platí termodynamika a zákony prostupu a přestupu tepla a Stefan-Boltzmannův zákon, dokazuje tento pokus jediné. Kysličník uhličitý má vlastnosti (hustotu, měrnou kapacitu, tepelnou vodivost), které určují jeho chování a tyto vlastnosti způsobují, že teplota kysličníku uhličitého v systému bez výměny hmoty s okolím stoupne více než v témže systému bez výměny hmoty s okolím se vzduchem . Výše uvedená skleněná krychle je reálným skleníkem, v němž se teplota uvnitř krychle s plynem řídí tepelnou vodivostí plynu, který je uzavřen uvnitř skleníku. Atmosféra Země je však z hlediska porovnání s výše uvedenými příklady skleněné krychle s plyny ve vztahu k zemskému povrchu právě oním sklem. Atmosférou vstupuje sluneční záření k povrchu Země, značná část sluhečního záření se od atmosféry odrazí zpět do prostoru díky jevu, kterému se říká albedo. Pokud na zemský povrch dopadne více slunečního záření, teplota na Zemi stoupá a současně roste i emisivita jejího povrchu. Pokud na zemský povrch dopadne méně slunečního záření, teplota na Zemi klesá a snižuje se emisivita jejího povrchu. Opět tedy lze konstatovat, že současná klimatologie zcela ignoruje změny v intenzitě slunečního záření na zemský povrch tím, že je prohlašuje za „konstantní“ a tím devalvuje desetiletí výzkumu klimatických změn na Zemi.