Kysličník uhličitý a jeho vlastnosti v atmosféře Země

Kysličník uhličitý je důležitou složkou zemské atmosféry, která mimo jiné zajišťuje koloběh uhlíku v přírodě. Díky fotosyntéze rostou stromy, keře, rostliny, tráva a těšíme se z naší krajiny.

Kysličník uhličitý CO₂ je v posledních dekádách líčen jako viník globálního oteplování, nyní nazývané změnou klimatu. V posledních letech je pak viněn z přírodních katastrof vlivem nepříznivého počasí. Proto je podle klimatologů nutné zajistit zastavení nárůstu koncentrace tohoto plynu v atmosféře. Hovoří se o jakési kritické hranici jeho koncentrace a pokud bude tato koncentrace překročena, bude pokračovat růst střední teploty na Zemi, čekají nás další a další přírodní katastrofy. Právě tato filosofie je pojítkem k politice Green Dealu, který si EU vytkla jako cíl. Do roku 2050 má být EU tak zvaně uhlíkově neutrální a tím má přispět k záchraně klimatu na Zemi.

Složení zemské atmosféry

Analýza atmosféry poskytuje následující složení podle Tabulky I.

Tabulka I

Složení atmosféry při povrchu Země (suchý vzduch)

plyn	1 objemový podíl	hodnoty ppm	2 hmotnostní podíl
dusík	78,09 %	780900	75,52 %
kyslík	20,94 %	209400	23,14 %
argon	0,93 %	9300	1,29 %
CO2	0,04 %	400	0,059 %

Mimo jiné atmosféra obsahuje i množství vodních par, a to zejména v troposféře. Vodní pára dosahuje koncentrace až 3 %, přičemž průměrně tvoří 0,25 % z celkové hmoty atmosféry. Atmosféra obsahuje také 17 milionů tun prachu. Tedy přibližně 3,3 miliardtiny hmotnosti atmosféry. Dále budeme diskutovat vlastnosti suchého vzduchu, k obsahu vodní páry ve vzduchu a jejímu vlivu na fyzikální procesy se budeme věnovat později. Zanedbáme také obsah všech složek, které jsou v koncentracích menších jak 0,002% objemová, Dostaneme tak složení uvedené v tabulce I ve sloupci 1 pro objemová procenta a ve sloupci 2 pro hmotnostní procenta.

Velmi často se koncentrace kysličníku uhličitého udává v jednotkách ppm (parts per milion). Abychom pochopili vyjadřování v jednotkách ppm, je potřeba uvést základní princip teorie plynů, která prokazatelně a správně funguje. Plyny mají svou molární hmotnost. Objem jednoho molu plynu za normálních podmínek (0 °C, 101 325 Pa) je 0,022414 m³, tedy 22,414 litru. Nezáleží přitom na složení tohoto plynu: stejný objem tedy zaujímá 1 mol plynného vodíku H₂ (vážící 2,015 g) stejně jako 1 mol chloru Cl₂ (vážící 70,906 g). V tomto objemu je obsaženo 6,022×10²³ částic (atomů nebo molekul) látky – tzv. Avogadrova konstanta. V průměru je tak v každém 1 milionu částic vzduchu 780900 částic dusíku, 209400 částic kyslíku, 9300 částic argonu a 400 částic kysličníku uhličitého.

Sdílení tepla mezi plyny

Smícháme-li dva plyny o různé teplotě, výsledná směs plynů bude mít teplotu, která závisí na počáteční teplotě obou plynů a na jejich tepelné kapacitě. Tepelné kapacity dusíku, kyslíku, argonu a kysličníku uhličitého jsou uvedeny v tabulce II.

Tabulka II

Tepelné kapacity plynů c_P a c_V v atmosféře při teplotě 273 K

plyn	cP kJ/(kg.K)	cV kJ/(kg.K)
dusík	1,04	0,74
kyslík	0,91	0,65
argon	0,52	0,31
CO2	0,83	0,64

Tepelné kapacity c_P platí pro plyny za konstantního tlaku, c_V pro plyny za konstantního objemu. Jejich hodnota je závislá i na teplotě, pro malé změny teplot se obvykle tento jev zanedbává.

Položme si jednoduchou otázku. O kolik stupňů bychom museli ohřát kysličník uhličitý v poměru k ostatním plynům atmosféry, aby se teplota ostatních plynů atmosféry zvýšila o jeden Kelvin? To je de facto otázka zásadní. Podle klimatologických expertů totiž jen kysličník uhličitý je odpovědný za zvýšení teploty atmosféry oproti „předindustriálnímu věku“ o 1 K.

Podle sdílení tepla mezi plyny platí klasická termodynamická rovnice. Teplo, které by předal ohřátý kysličník uhličitý se vypočte podle níže uvedené rovnice

M_CO2 c_P(CO2) (T_x – T_S) = M_N2 c_P(N2) ( T_S – T_N2) + M_O2 c_P(O2) (T_S – T_O2) + M_Ar c_P(Ar) (T_S – T_Ar)

(T_S – T_N2) , (T_S – T_O2) a (T_S – T_Ar) = 1 K, T_S = 273 K

Uvažujeme 1 kg suchého vzduchu, který obsahuje 0,755 kg dusíku, 0,231 kg kyslíku, 0,013 argonu a 0,00059 kg kysličníku uhličitého – to jsou hodnoty M pro jednotlivé plyny atmosféry a c_P jsou pro jednotlivé plyny převzaty z tabulky II. Po dosazení platí T_x = 2375 K. Kysličník uhličitý bychom tedy museli zahřát na více než 2000^OC, abychom vzduch ohřály o jeden stupeň.

Protože se ale obecně tvrdí, že za zvýšení teploty na Zemi o 1 K může zvýšení koncentrace z 200 ppm na 400 ppm, tj o 100%, v takovém případě bychom poloviční množství kysličníku uhličitého museli podle bilančního výpočtu ohřát až na bezmála 4700 K. Za normální tlaku by už v takovém případě jistě docházelo k disociaci molekul kysličníku uhličitého. Uvedený příklad by nás měl přinejmenším varovat či upozornit na to, zda je teorie oteplování kysličníkem uhličitým fyzikálně reálná.

Vliv kysličníku uhličitého na absorpci slunečního záření

Kysličník uhličitý patří k plynům atmosféry, které absorbuji zejména v infračervené části spektra. Na následujícím obrázku je uvedena závislost absorpce světleného záření na jeho vlnové délce pro několik plynů atmosféry.

Z obrázku plyne, že ultrafialové záření téměř ze sta procent absorbuje ozón, a proto je ochrana ozónové vrstvy atmosféry tak důležitá. Kysličník uhličitý, metan, oxid dusíku absorbují v infračervené části spektra. A nejdůležitějším „skleníkovým plynem“ je ale vodní pára, která částečně absorbuje již ve viditelné části spektra a velmi intenzivně i v infračervené oblasti. Vodní pára je vlastně nejvíce opomíjený plyn, který absorbuje infračervené záření. Vše se svádí na kysličník uhličitý, metan, ale vodní pára je jaksi přehlížena. Ono to má samozřejmě svou příčinu. Velmi těžce by se politicky prosazovalo, že je vodní pára škodlivá, když už dnes nedostatek vody trápí řadu oblastí včetně zemí v našich zeměpisných šířkách.

Voda – skleníkový plyn číslo 1

Zatím jsme se zabývali suchým vzduchem a abstrahovali obsah vodní páry. Podle wikipedie ..atmosféra obsahuje i množství vodních par, a to zejména v troposféře. Vodní pára dosahuje koncentrace až 3 %, přičemž průměrně tvoří 0,25 % z celkové hmoty atmosféry. Vodní páry je v celé atmosféře de facto v průměru pětinásobek oproti kysličníku uhličitém, v troposféře (do 10 km nad povrchem) pak až padesátinásobek. Logicky tak z toho plyne, že vliv vodní páry na absorpci infračerveného a částečně i viditelného slunečního záření je v troposféře naprosto dominantní. Jednoznačně tak lze vyloučit, aby byl kysličník uhličitý dominantním skleníkovým plynem a bylo na něj naprosto neprávem poukazováno jako na hlavního škůdce, který mění klima na Zemi.

Definice skleníkového efektu

V odborné literatuře a obecně v klimatologických poučkách se zásadně rozšířila následující definice. Čerpám z publikace Změna klimatu: příčiny, dopady, zpětné vazby, projekce, zmírňování

Co to je klimatická změna? Složka globální změny. Proměna klimatického systému (ovzduší, vodstva, kryosféry a biosféry) vlivem lidstva – hlavně tím, že jsme změnili složení ovzduší a tím i toky záření atmosférou. Země nyní do vesmíru vrací méně tepla, než získává od Slunce. To nazýváme globální oteplování. Klimatická změna je jeho důsledkem.

Toto je explicitní případ popírání základního zákona o záření těles – Stefan-Boltzmannova zákona. O tomto zákonu jsem se již zmiňoval mnohokrát i o jeho použití pro výpočet střední teploty planet – například zde.

Pokud se teplo absorbuje v atmosféře a zvyšuje se její teplota, logicky stoupá teplota celé planety a ta musí vyzařovat více energie. Vzniká tak otázka – kde se tato energie bere? A odpověď je také zřejmá – ze Slunce. Vyšší teplota atmosféry tak vždy souvisí s vyšším příkonem sluneční energie a nelze ji vysvětlovat tím, že se „změnilo složení ovzduší“ – ano – koncentrace kysličníku uhličitého stoupla o 100 %, ale pouze na hodnotu 0,0059 % hmotnostních. To prostě žádná změna kvality složení atmosféry není.

A k vysvětlení růstu teploty na Zemi pak stačí malá změna albeda planety – sníží se – více energie dopadne na Zemi a tím se více ohřeje i atmosféra. Dopadající sluneční energie musí být v rovnováze s energii, kterou Země vyzařuje. Tento efekt je příčinou střídání klimatických období na Zemi v minulosti (doby ledové a meziledové v níž nyní žijeme).

Závěr

Kysličník uhličitý je skleníkovým plynem, jehož vliv na absorpci slunečního infračerveného záření odpovídá jeho koncentraci v atmosféře. Lze ho definovat i tím, že porovnáme koncentrace všech skleníkových plynů v atmosféře, zejména v troposféře – tj. do výšky asi 10 km. V této části atmosféry je jeho koncentrace až stokrát menší než koncentrace vodní páry, která má navíc schopnost absorbovat kromě infračerveného i část viditelného záření. Vliv kysličníku uhličitého jako skleníkové plynu tak lze ocenit hodnotou 1 % ze všech skleníkových plynů atmosféry. Není tedy příčinou změny klimatu.