Václav Pazdera
Gymnázium, Olomouc, Čajkovského 9
Abstrakt
Skleníkový efekt je proces, kterým atmosféra Země zachycuje část slunečního záření, což vede k oteplování povrchu planety. Tento jev je pojmenován podle skleníků, které udržují teplo uvnitř tím, že umožňují slunečnímu záření vstoupit, ale brání úniku tepla ven.
Úvod
Mechanismus skleníkového efektu:
- Slunce vyzařuje energii hlavně ve formě viditelného světla a krátkovlnného IR záření, které prochází atmosférou a dosahuje povrchu Země. Infračervené (IR) krátkovlnné záření (anglicky Shortwave Infrared, SWIR) je část spektra infračerveného záření, které má kratší vlnové délky než většina infračerveného záření, ale delší než viditelné světlo. Vlnová délka SWIR záření se obvykle nachází v rozmezí 900 nm až 1,7 mikrometru (μm), ale někdy je definováno i širší rozmezí od 700 nm do 2,5 μm. Díky kratší vlnové délce má SWIR vyšší energii než středovlnné (MWIR) a dlouhovlnné (LWIR) infračervené záření. To umožňuje SWIR lepší pronikání skrz určité materiály (sklo) a atmosféru. SWIR lze detekovat a zobrazovat kamerou pro noční vidění (a IR LED senzory – λ = 940 nm) která je schopna zachytit detaily, které nejsou viditelné ve viditelném spektru, což je užitečné pro různé aplikace včetně vojenských, průmyslových a vědeckých.
- Absorpce a přeměna: Povrch Země absorbuje část tohoto záření a přeměňuje ho na teplo, čímž se ohřívá.
- Vyzařování tepla: Země pak vyzařuje energii (teplo) zpět do atmosféry ve formě dlouhovlnného infračerveného záření (anglicky Longwave Infrared, LWIR). LWIR záření se obvykle nachází v rozmezí od 8 do 15 mikrometrů (μm). Toto spektrum je někdy označováno také jako “tepelné infračervené záření”, protože mnoho objektů na Zemi vyzařuje infračervené záření právě (LWIR) v tomto rozmezí. Díky své schopnosti termokamer detekovat (zobrazovat) LWIR se používají k měření teploty a zobrazování “sálání” tepla z různých objektů.
- Pohlcování skleníkovými plyny: Skleníkové plyny v atmosféře, jako je vodní pára, oxid uhličitý (CO₂), metan (CH₄) a oxid dusný (N₂O), absorbují část tohoto infračerveného záření LWIR a znovu jej vyzařují ve všech směrech, včetně zpět k povrchu Země.
- Udržování tepla: Tímto způsobem skleníkové plyny zadržují teplo v atmosféře a zvyšují teplotu povrchu Země.
Hlavní skleníkové plyny:
- Vodní pára (H₂O): Přirozeně se vyskytující plyn, který je nejvýznamnějším skleníkovým plynem přispívajícím k přirozenému skleníkovému efektu.
- Oxid uhličitý (CO₂): Hlavní příčinou antropogenního skleníkového efektu, vznikající spalováním fosilních paliv, odlesňováním a dalšími lidskými činnostmi.
- Metan (CH₄): Velmi účinný skleníkový plyn, který se uvolňuje při těžbě ropy a zemního plynu, chovu dobytka a rozkladu organických látek na skládkách.
- Oxid dusný (N₂O): Vzniká při zemědělských činnostech, spalování fosilních paliv a průmyslových procesech.
- Fluorované plyny: Umělé chemikálie používané v průmyslu, které mají velmi silný skleníkový efekt.
Důsledky skleníkového efektu:
- Globální oteplování: Zvyšování průměrné teploty Země v důsledku zvýšené koncentrace skleníkových plynů v atmosféře.
- Změna klimatu: Dlouhodobé změny v počasí a klimatických vzorcích, včetně extrémních jevů, jako jsou vlny horka, silné srážky a sucho.
- Tání ledovců a zvyšování hladiny moří: Rostoucí teploty vedou k tání ledovců a polárních ledových čepiček, což zvyšuje hladinu moří a ohrožuje pobřežní oblasti.
- Ekosystémové změny: Změny v klimatických podmínkách ovlivňují ekosystémy a biodiverzitu, což může vést k vyhynutí některých druhů a narušení ekosystémových služeb.
Mitigace (předcházení či zpomalení) skleníkového efektu:
- Snížení emisí: Omezování emisí skleníkových plynů pomocí obnovitelných zdrojů energie, zvyšování energetické účinnosti, snižování spotřeby fosilních paliv a přechod na čistší technologie.
- Zalesňování a ochrana lesů: Lesy pohlcují CO₂ z atmosféry, a tím pomáhají snižovat skleníkový efekt.
- Udržitelné zemědělské praktiky: Omezování emisí metanu a oxidu dusného ze zemědělství prostřednictvím lepšího hospodaření s půdou a živočišnou výrobou.
- Technologie zachytávání a ukládání uhlíku (CCS): Zachytávání CO₂ z průmyslových procesů a jeho ukládání do geologických formací.
Skleníkový efekt je klíčovým faktorem ovlivňujícím globální klima. Pochopení jeho mechanismů a důsledků je nezbytné pro přijímání účinných opatření k mitigaci a adaptaci na změnu klimatu.
POKUS č. 1
Předvedení pronikání SWIR skrz skleníkové plyny (sklo)
Pomůcky
- Zdroj SWIR – dálkový ovladač s IR LED (λ = 940 nm) nebo IR LED “vysílač” (λ = 940 nm) s rezistorem 100 Ω a zdrojem 3 V (2ks AA)
- Sklo (skleněná tabulka)
- Přijímač SWIR – kamera (i) pro noční vidění [1] nebo IR LED “přijímač” (λ = 940 nm) přes červenou LEDku připojená ke zdroji 4,5 V (3ks AA nebo plochá baterie)
Postup
Zdrojem SWIR (dálkovým ovladačem nebo IR LED) “posvítíme” na kameru pro noční vidění (kamera je připojena k monitoru nebo dataprojektoru). Na monitoru vidíme, že zdroj SWIR “svítí” (dálkový ovladač “bliká” = signál z ovladače). Nyní zasuneme “do cesty” mezi vysílač a přijímač tabulku skla. Na monitoru vidíme, že SWIR sklem projde bez omezení. Tím demonstrujeme, že záření ze Slunce (asi 55 %) proniká skrz atmosférou a dopadá na povrch Země. Povrch Země absorbuje část tohoto záření a přeměňuje ho na teplo, čímž se Země ohřívá.
Obr. 1 IR kamera [1] je připojena k TFT monitoru [2] a “vidí” SWIR záření, které “proniká” sklem a dopadá na stínítko. Okem (ani fotoaparátem, který pořídil fotku) to není vidět!!!! Na obrazovce TFT monitoru to vše vidíme (to, co “vidí” kamera pro noční vidění.
Vysvětlení
Díky kratší vlnové délce má SWIR vyšší energii než středovlnné (MWIR) a dlouhovlnné (LWIR) infračervené záření. To umožňuje SWIR lepší pronikání skrz určité materiály (sklo) a atmosféru (skleníkové plyny). SWIR lze detekovat a zobrazovat kamerou pro noční vidění (a IR LED senzory – λ = 940 nm).
POKUS č. 2
Předvedení “nepronikání” LWIR skrz sklo (skleníkové plyny)
Pomůcky
- Zdroj LWIR – ruka, hrnek s horkou vodou
- Sklo (skleněná tabulka)
- Přijímač LWIR – Termokamera
Postup
Podíváme se na zdroj LWIR (ruka nebo hrnek s horkou vodou) termokamerou. Na monitoru vidíme, že zdroj LWIR “svítí”. Nyní zasuneme “do cesty” LWIR záření mezi vysílač a přijímač tabulku skla. Na obrazovce termokamery vidíme, že sklo LWIR “nepropustí” (částečně odrazí a částečně pohltí).
Poznámka: Lépe je zasunout tabulku skla “na půl”. Na termokameře pak zdroj LWIR vidíme pouze “zčásti”. Můžeme tak porovnat obě situace současně.
Vysvětlení
Záření LWIR je sklem částečně pohlceno a částečně odraženo. Záření LWIR sklo (skleníkové plyny) nepropustí.
Závěr
Skleníkový efekt je klíčovým faktorem ovlivňujícím globální klima. Pochopení jeho mechanismů a důsledků je nezbytné pro přijímání účinných opatření k mitigaci (předcházení či zpomalení) a adaptaci (přizpůsobit se) na změnu klimatu.
Použitá literatura a informační zdroje
[1] [online]. [cit. 2024-06-01]. Dostupné z: https://www.hadex.cz/t844-kamera-cmos-se-zvukem-jk-309-objektiv-36mm/
[2] [online]. [cit. 2024-06-01]. Dostupné z: https://www.hadex.cz/t896-lcd-color-monitor-tft-5/