Tepelné pochody na Zemi

V tomto úvodním videu série o klimatických změnách si vysvětlíme mechanismy tepelných toků na Zemi. Odkud a v jaké formě se teplo na Zemi dostává, co se s ním zde děje a jak Zemi opouští.

Co je to záření

Hlavním mechanismem, kterým se teplo na Zemi dostává je záření. Záření je de facto elektromagnetická vlna, tedy změna elektrického a magnetického pole v prostoru. Jako dobrý příklad takového záření si můžeme vzít viditelné světlo. To si většinou představíme jako soustavu paprsků, které se šíří prostorem a nepotřebují ke svému šíření látkové prostředí (záření projde i vakuem). Záření se šíří snadno, daleko a velmi rychle.

Záření, frekvence a energie

Záření ale má mnoho různých forem, které se od sebe liší svou frekvencí, která popisuje, jak rychle se mění elektromagnetické pole vlivem elektromagnetické vlny. Obecně platí, že čím má záření vyšší frekvenci, tím větší energii přenáší^[7] a je také pro lidské tělo nebezpečnější. 

I když se to nezdá, tak každé těleso vyzařuje určité záření. Toho si můžeme všimnout, když ruce přiložíme z boku k radiátoru nebo k ohni. Proud horkého vzduchu jde mimo ruku, ale my stejně cítíme teplo. Vidíme tedy, že záření je schopno přenášet energii, kterou my vnímáme jako teplo.

Pro pochopení tepelných procesů na Zemi si potřebujeme říct, že tělesa s vyšší teplotou vyzařují záření o vyšší frekvenci (tedy o větší energii) než chladná tělesa. To známe z osobní zkušenosti, protože z ohně vnímáme více tepla než z radiátoru. 

Typy záření 

Záření se podle svých frekvencí dělí do skupin, které vidíte na obrázku níže.

Vidíme, že nejnižší frekvenci a tím pádem i energii mají rádiové vlny. Ty jsou tak slabé, že je na sobě nejsme schopni vnímat a nemají na nás prakticky žádný vliv. Dále se dostáváme ke frekvencím záření, které vyzařuje Slunce, což vidíme na obrázku níže. Vidíme na něm, že sluneční záření se skládá hlavně z viditelného světla. Potom také z infračerveného záření, což je přesně to záření, které vnímáme jako teplo a proto jej někdy budeme označovat jako tepelné záření. A nakonec ještě z UV záření (ultrafialového záření), které přenáší už značnou energii, toto záření je rakovinotvorné a je z velké části odfiltrováno ozónovou vrstvou.^[6]

Rentgenové a gama záření jsou typy záření přenášející velká množství energie a při dlouhodobém vystavení jsou pro lidský organismus škodlivé (což pro upřesnění opravdu není případ rentgenů nebo mamografů, zde je díky krátké době vystavení celková energie malá). Tyto typy záření pro tepelnou bilanci Země nehrají podstatnou roli, protože je atmosféra dokáže odstínit.

Jak záření reaguje s látkami

Záření může s látkami reagovat 3 základními způsoby. Záření se může na povrchu tělesa odrazit, např. jako světlo v zrcadle. Nebo může tělesem projít skrz jako světlo skrz vodu nebo sklo. Poslední možnost je, že látka záření pohltí, cizím slovem absorbuje. V tu chvíli záření předá svou energii látce, ta se ohřeje a záření přestává existovat. Zároveň je ale běžné, že část záření se může při průchodu jednou látkou odrazit, část být pohlcena a část může projít skrz.^[8]

Cesta záření na zemský povrch

Na obrázku níže vidíme schéma tepelných toků na Zemi. Při průchodu záření na zemský povrch se část záření odrazí na mracích a dalších složkách atmosféry, část je atmosférou pohlcena a část se odrazí od zemského povrchu. Zemský povrch pohltí zbývající záření, čímž se ohřeje. Toto ohřátí pohání mnoho klimatických pochodů jako např. výpar vody, atmosférické a mořské proudy.

Vyzařování zemského povrchu

Jak jsme si již zmiňovali, zemský povrch vyzařuje záření o infračervených frekvencích. V atmosféře se ovšem nacházejí skleníkové plyny (vodní pára, oxid uhličitý, metan apod). Tyto plyny pohlcují infračervené záření, čímž ohřívají samy sebe a celou atmosféru. Tento fenomén označujeme jako skleníkový efekt.^[9]

Skleníkový efekt

Tím, že se skleníkové plyny samy ohřívají dále vysílají infračervené záření - část míří ven do vesmíru, část zpět na zemský povrch. Tepelná energie se tak udržuje v atmosféře. Bez vlivu skleníkových plynů  by teplota atmosféry poklesla o cca 33 °C. Při takovém ochlazení by ale zamrzly světové oceány a celkový pokles teploty na Zemi by dosáhl zhruba 100 °C.^[10] To, že skleníkové plyny pohlcují tepelné záření je jev, který je dobře laboratorně změřitelný.

Obrázek tepelných toků nám ukazuje zajímavou věc - tepla, které dopadne na zemský povrch ze Slunce je zhruba poloviční množství než ze skleníkového efektu (srovnej 161 W/m² ze Slunce vůči 333 W/m² ze skleníkového efektu. Tato na první pohled paradoxní skutečnost je dána několika faktory

• skleníkové plyny jsou dobře prohřátým izolantem, který zadržuje tepelné záření ze Země
• sluneční záření se odráží na mnoha složkách atmosféry
• záření ze Slunce dopadá na většinu Země pod úhlem, tepelné záření ze skleníkových plynů kolmo
• díky geomterii zdrojů těchto záření záření ze Slunce dopadá na čtvrtinovou plochu vůči záření ze skleníkového efektu

Vidíme tedy, že skleníkový efekt je vydatným zdrojem tepla pro povrch Země. Proto i malé změny v jeho intenzitě mají velký vliv na teplotu na Zemi. Zde je zapotřebí uvést, že skleníkový efekt, je přirozený jev, bez kterého by nemohl na Zemi existovat život tak, jak jej známe. Problém není jeho samotná existence, ale dodatečné vypouštění skleníkových plynů lidskou civilizací, které zesiluje skleníkový efekt.

To v konečném důsledku způsobuje, že tepla, kterého na Zem dopadne je více než kterého Země vyzáří. To znamená, že se teplo v atmosféře hromadí a zvyšuje se její teplota. Co není příliš známým faktem je skutečnost, že většina tepla vzniklá z nadbytečného skleníkového efektu se ukládá do moří a oceánů.^[11]