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 elektomagnetická vlna, tedy změna elektrického a magnetického pole v prostoru.

Jako dobrý příklad takového záření si můžeme vzít viditelné světlo. To si vetšinou představíme jako soustavu paprsků, které se šíří prostorem a nepotřebují ke svému šíření látkové prostředí (záření projde i ve vakuem). Záření se šíří snadno, daleko a velmi rychle.

Záření, frekvence a energie

Záření je ale mnoho různých forem, které se od sebe liší svou frekvencí, která popisuje, jak rychle se mění elektromagnetické pole vlivem elektromagnetické vlny. I když se to nezdá, tak každé těleso vyzařuje určité záření a to podle své teploty. 

Toho si můžeme všimnout, když ruce přiložíme z boku k radiátoru nebo k ohni. Proud horkého vzduchu jde mimo nás, ale my stejně cítíme teplo. Vidíme tedy, že záření je schopno přenášet tepelnou energii.

Pro pochopení tepelených procesů na Zemi si ule potřebujeme říci, že tělesa s vyšší teplotou vyzařují více energie. To dává logiku, protože podle vyzařovaného teplo poznáme, že oheň je teplejší než radiátor. Zároveň ale platí, že záření s vyšší energií má i vyšší frekvenci. Jinými slovy, čím má těleso vyšší teplotu, tím vyšší frekvenci má záření z něj vycházející.

Typy záření 

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

Rozdělení elektromagnetického záření podle frekvence a vlnové délky
Rozdělení elektromagnetického záření podle frekvence a vlnové délky

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 a nakonec ještě z UV (ultrafialového záření). UV záření přenáší už značnou energii, toto záření je rakovinotvorné a je z velké části odfiltrováno ozónovou vrstvou.

Rentegenové 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). Tyto typy záření pro tepelnou bilanci Země nehrají žádnou roli.

Jak záření reaguje s látkami

Světlo 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 a přestává existovat.

Zároveň je ale běžné, že část záření se může při průchodu jednou látkou odrazit, část být pohlcena a část může projít skrz.

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 ohřatí pohání mnoho klimatických pochodů jako např. výpar vody, atmosferické a mořské proudy.

Vyzařování zemského povrchu

Jak jsme si již zmiňovali, zemský povrch vyzařuje záření o infračervených frekvencích. V atmosféře se ovšem nachází 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.

Tím, že se samy ohřívají dále vysílají infračervené zaření - část ven do vesmíru, část zpět na zemský povrch. Tepelná energie se tak udržuje v atmosféře a skleníkový efekt zpusobuje ohřátí atmosféry o cca 33 °C oproti stavu, kdy by zde skleníkové plyny nebyly.

Metan je tedy ve 100letém horizontu 25x silnější skleníkový plyn než CO2.

Ozon 

Ozón se na skleníkovém efektu podílí v rozsahu 3-7 % [2]. Jeho přítomnost v atmosféře je žádoucí, protože nepropouští UV záření. Na rozdíl od většiny ostatních plynů se nachází v stratosféře, tedy výše než ostatní plyny. Před pár desítkami let měl ozón na mále, protože používáním freonů, látek o kterých bude ještě řeč, se jeho množství začalo snižovat. Tento fenomén známe pod označením ozónová díra. Mezistátní dohodou, známou jako Montrealský protokol, byla výroba freonů zakázáno. Dnes již máme první důkazy opřená o data, která potvrzují zacelování ozonové vrstvy a pokles koncentrací CFC (tvrdých freonů) v oblasti ozonové díry. [10]

Oxid dusný (N2O)

Taktéž známý jako rajský plyn. Jedná se o velmi silný skleníkový plyn, naštěstí zatím v malých koncentracích kolem úrovně 0,33 ppm[9]. Životnost plynu v atmosféře je 114 let a ve stoletém horizontu je zhruba 300x silnější skleníkový plyn než CO2. 2/3 jeho emisí do atmosféry jsou přirozené a zbylou 1/3 vnáší do atmosféry člověk skrze dusíkatá hnojiva a emisemi ze spalovacích motorů.

1) https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e3/ElmgSpektrum.png obrázek spektra záření

2) https://svs.gsfc.nasa.gov/12792 videopodklad pro animaci paprsků

3)https://svs.gsfc.nasa.gov/13640 videopodklad pro animaci venuše

4) https://cs.wikipedia.org/wiki/Sklen%C3%ADkov%C3%BD_efekt#/media/Soubor:Globalni_toky_energie_cs.svg obrázek toků tepla na Zemi

5) https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Atmospheric_Transmission.png obrázek k záření prostupujícího atmosférou

6) https://svs.gsfc.nasa.gov/12792 videopodklad pro průchod záření atmosférou

8a