O toplotnim efektima gasova staklene bašte

Johann Strauss mlađi je komponirao, između ostalog, i brzu polku pod naslovom „Perpetuum mobile“. Kompozicija je zamišljena tako da kad god slušatelj pomisli da je kraj, orkestar kreće ispočetka, sve dok ga dirigent ne zaustavi i kaže publici: „I tako to ide stalno dalje.“

Tako nekako klima-majstori zamišljaju povratne veze koje povećanje ugljikovog dioksida u atmosferi ima na planet. To povećanje dovodi do povišenja temperature, zbog čega se smanjuju ledene površine, što opet uzrokuje daljnje povišenje temperature itd. I to tako unedogled?

Klimavi majstori su izmislili i pojam „točke bez povratka“. To mu ga dođe, kad jednom pređemo to stanje, daljnje promjene se odvijaju same od sebe. I evo nas kod stroja koji ništa ne treba da bi dalje radio (perpetuum mobilea).

 

Na sreću, priroda tako ne funkcionira i Zemlja ne stoji na stolu, nego putuje ledenim prostranstvima svemira.

Vratimo se malo u 19. stoljeće, da vidimo kako je utjecaj stakleničkih plinova istinito opisao anglo-irski fizičar John Tyndall 1859. godine: „Kad planet upije toplinu, ona se tako promijeni da zrake koje se emitiraju ne mogu jednakom slobodom odlaziti natrag u svemir. Tako atmosfera dopušta dolazak Sunčeve topline, ali kontrolira njen odlazak, a rezultat je sklonost akumuliranja topline na površini planeta.“

Staklenički plinovi su propusni za ultraljubičasto i vidljivo Sunčevo zračenje i omogućuju Suncu zagrijavanje Zemlje, ali istovremeno upijaju infracrveno zračenje koje Zemlja povratno emitira u prostor. Bez njih, Zemlja bi u svemir isijavala puno više energije, a naš planet bi bio hladan i bez života kakvog poznajemo.

Najznačajniji staklenički plin je vodena para, koja je zaslužna za dvije trećine toplinskog efekta. Riječima Johna Tyndalla: „Vodena para je prekrivač potrebniji biljnom životu Engleske nego što je to odjeća čovjeku. Maknite samo jedne ljetne noći vodenu paru iz zraka koji se prostire iznad ove zemlje i sigurno ćete uništiti sve biljke osjetljive na mraz. Toplina naših polja i vrtova bi nepovratno otišla u svemir, a Sunce bi ujutro zasjalo iznad ledom okovanog otoka.“ Dodajmo i da je u svakom trenutku dvije trećine Zemljine površine pokriveno oblacima, najvećim dijelom iznad oceana. Iako najznačajnija jer je zaslužna za dvije trećine toplinskog efekta, o vodenoj pari se rijetko govori u kontekstu klimatskih promjena. Medijsko-političarska galama posvećena je ugljikovom dioksidu, metanu i dušikovom(I) oksidu.

Najglasnije se čuje pretpostavka da dodavanjem male količine ugljikovog dioksida u atmosferu (obzirom na ukupnu), posljedice čovjekovog korištenja fosilnih goriva, dolazi do zagrijavanja planeta, odnosno klimatskih promjena. U svijetu silnih međuzavisnosti, fizikalno kaotičnih procesa i turbulentnog gibanja, a o širenju svemira da i ne govorimo, izgleda da postoji samo jedna jednostavna relacija koju i „dijete može razumjeti“. Što više ima ugljikovog dioksida u atmosferi – to se planet više grije.

Na sreću, ovo uobičajeno mišljenje je potpuno pogrešno kada se radi o fascinantnom načinu na koji priroda uređuje ovo pitanje. Može zvučati nevjerojatno, ali prvih dvadeset dijelova na milijun (ppm) ugljikovog dioksida zaslužno je za pola ukupnog efekta staklenika koji proizvodi ugljikovog dioksida. Dakle, samo prvih pet posto plina je odgovorno za pola ukupno sačuvane energije.

Ovisnost porasta temperature o povećanju koncentracije CO2 u atmosferi. Lijevo – porast temperature, dolje – koncentracija CO2 (van Biezen, 2018.)

Trenutna koncentracija CO2 u atmosferi je oko 400 ppm. Iz grafikona je vidljivo da daljnje dodavanje većih količina ugljikovog dioksida dodaje vrlo malo topline izražene preko globalne temperature.

Za usporedbu možemo uzeti tlo na kojem dugo nije bilo kiše. Prvi dan tihe jesenske cjelodnevne kiše donijet će toliko potrebnu vodu koju će tlo upiti u potpunosti. Ukoliko kiša potraje nekoliko dana, tlo će upijati sve manje vode jer je sve zasićenije, sve dok najveći dio kiše ne bude praktički izravno odlazio u kanale.

Slično je i s djelovanjem po visini. U prvih stotinu metara je glavni dio spektra zračenja koji ugljikov dioksid može upiti već u potpunosti upijen. Iz kvantne mehanike znamo da je svaka tvar „izbirljiva“ u smislu da neke valne duljine i njihove više i niže harmonike apsorbira odlično, dok je za druge potpuno propusna. Molekule ugljikovog dioksida višak energije sudaranjem predaju okolnim molekulama kisika i dušika i tako se zrak grije. Što se molekule ugljikovog dioksida nalaze više u atmosferi, to je zrak rjeđi, tako da postoji vrlo mali broj ostalih molekula kojima se može predati višak energije, te veći dio odlazi u svemir.

Jedan od plinova čije smanjivanje se traži je metan. Istina je da je metan trideset puta jači staklenički plin (u smislu mogućnosti upijanja energije po molekuli), ali je isto tako činjenica da ga u atmosferi ima tisuću puta manje. Porast koncentracije ugljikovog dioksida je tri stotine puta brži od porasta metana, tako da je ukupni efekt metana jedna desetina onog od ugljikovog dioksida.

Pritom se treba podsjetiti da sve emisije metana ne potječu isključivo od goveda, za što su zapeli „čuvari“ klime. Procjenjuje se da termiti svojom probavom emitiraju oko dvadeset milijuna tona metana godišnje, a tu treba pridodati curenje plina iz plinovoda i industrijske aktivnosti, tako da od stočarske proizvodnje potječe najviše jedna trećina plina. Još jedna „zaboravljena“ činjenica je da čovjek nije izmislio, nego pripitomio goveda. Prema novijim istraživanjima početkom 19. stoljeća u Velikoj nizini (SAD) je živjelo od trideset do pedeset milijuna divljih američkih bizona, dok trenutno u SAD-u ima ukupno četrdeset milijuna krava, što znači da bi za utjecaj metana trebalo računati samo porast broja goveda.

Metan je, u osnovi, posljedica postojanja života na Zemlji. Jedan od glavnih produkata koje biljke proizvode fotosintezom je celuloza koja je neprobavljiva za većinu životinja. U buragu krava postoji prava mala kemijska tvornica koja pomoću mikroorganizama pretvara celulozu u niz drugih spojeva, prije svega škrob, proteine i masti koje krava može probaviti, a mi naknadno koristiti meso i mlijeko. Među nusproduktima probavljanja celuloze nalazi se i metan.

Dušikov(I) oksid je plin koji se povezuje s upotrebom mineralnih gnojiva. Iako je efikasan staklenički plin, u atmosferi ga ima šest puta manje od metana, kojeg jednako tako ima vrlo malo. Pritom se metan i dušikov(I) oksid „nadmeću“ za vrlo slično spektralno područje i tako su konkurencija jedan drugom. Van Wijngaarden i Happer (2020.) su napravili model koji prikazuje efekte stakleničkih plinova. Za izradu modela su koristili preko tri stotine tisuća pojedinačnih spektroskopskih linija, a rezultate modela su usporedili sa satelitskim mjerenjima zračenja na vrhu atmosfere.

Utjecaj CO2 (a) i N2O (b) na Zemljino zračenje na vrhu atmosfere. Lijevo – energetski tok, dolje frekvencija zračenja. Plavo – atmosfera bez stakleničkih plinova (Planckova krivulja), zeleno – zračenje bez prisustva CO2 i N2O, crno – sadašnje koncentracije, crveno – dvostruko veće koncentracije (van Wijngaardeni Happer, 2020.)

Uleknuća od gornje krivulje koja bi postojala da nema stakleničkih plinova je u stvari energija koju su ti plinovi zadržali u atmosferi, odnosno nisu dozvolili da ode u svemir. Nas najviše zanima razlika između crvene i crne krivulje koja pokazuje koliko bi dvostruko veće količine ovih plinova doprinijele zagrijavanju. U slučaju CO2 primjetno je vrlo malo proširenje spektra upijene energije, dok se u slučaju N2O ta razlika praktički ne može uočiti.

Utjecaj metana (CH4) na Zemljino zračenje na vrhu atmosfere. Plavo – bez stakleničkih plinova, zeleno – svi plinovi osim metana, crno – svi plinovi, crveno – dvostruko veća koncentracija metana od sadašnje (van Wijngaarden i Happer, 2020.)

Slično dušikovom(I) oksidu, dvostruko veća koncentracija metana ne doprinosi gotovo ništa sačuvanju energije. Navedeni rezultati modela u skladu su s prirodnim mehanizmima djelovanja stakleničkih plinova. Preostalo je još pretvoriti sačuvanu energiju u povišenje globalne temperature. Od prestanka Malog ledenog doba temperatura je porasla za jedan stupanj. U sljedećoj tablici prikazan je udio pojedinog plina u zagrijavanju planeta.

Udio ugljikovog dioksida, metana i dušikovog(I) oksida u zagrijavanju. Lijevo – vrsta plina, desno – povišenje temperature po stoljeću, dolje – ukupno zagrijavanje (Happer, 2021.)

Vidi se da je djelovanje metana i dušikovog(I) oksida praktički zanemarivo, jer se vremenski radi o porastu za stotinu godina.

Vratimo se na pozitivne povratne veze zbog kojih bi Zemlja trebala postati užarena kugla. Davno je Ciceron rekao da je povijest učiteljica života, pa se stvarno ne moramo bojati takvog fantasy-scenarija, budući da je Zemlja već puno puta bila u situacijama kad je razina ugljikovog dioksida bila i do petnaest puta veća od sadašnje, temperatura i sedam stupnjeva viša, a svejedno je život bujao. Prije bi se moglo reći da se nalazimo u „siromašnom“ razdoblju, jer su ovako niske koncentracije CO2 posljednji put zabilježene u dijelu paleozoika.

Riječi Williama Happera, profesora fizike s Princetona: “Efekt povećanja stakleničkih plinova je zaista malen, ali se svejedno napuhava do veličine prijetnje, koja u stvarnosti ne postoji. Razlog za to napuhavanje su povratne veze od kojih jedan stupanj Celsiusa postaje tri ili pet. U prirodi su, u najvećem broju slučajeva, povratne veze negativne, kao što govori Le Chatelierov princip koji kaže da sustav koji se poremeti nastoji smanjiti utjecaj poremećaja.“

Zahtjevanje smanjivanja emisija stakleničkih plinova, kao što su ugljikov dioksid, metan i dušikov(I) oksid, čak i pod uvjetom da je njihov porast isključivo posljedica čovjekove aktivnosti, neće značajno doprinijeti zagrijavanju planeta, ali će izuzetno jako pogoditi proizvodnju hrane. Pri tome se ne radi o proizvodnji bilo koje robe, nego o pritisku na osnovni faktor čovjekovog preživljavanja, pri čemu se poljoprivrednici, koji su najviše zaslužni za održavanje naših života, potpuno neopravdano prikazuju kao neprijatelji planeta na kojem živimo.

Na kraju preporučujem pogledati kratka predavanja profesora Michela van Biezena o mnogim fizikalnim temama. Predavanja su kratka i obrađuju jednu temu po videu, što je odlično, jer se čovjeku ne pomiješaju stvari.

 

izvori:

 

https://www.researchgate.net/publication/341997882_Dependence_of_Earth%27s_Thermal_Radiation_on_Five_Most_Abundant_Greenhouse_Gases

 

 

 

 

Autor članka: Dušan Bižić, dipl. meteorolog

 

IZVOR: https://klimaienergija.blog/2023/03/03/perpetuum-mobile/