Kontrargumenty do tezy o wysokiej szkodliwości emisji dwutlenku
advertisement
Stanisław Gumuła Małgorzata Piaskowska-Silarska Akademia Górniczo-Hutnicza Kraków Uniwersytet Pedagogiczny Kraków Kontrargumenty do tezy o wysokiej szkodliwości emisji dwutlenku węgla do atmosfery Counter-arguments to the thesis of high harmfulness of carbon dioxide emission to the atmosphere Wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze, związany z pozyskiwaniem energii na drodze spalania paliw kopalnych, jest przez wielu uczonych wskazywany jako źródło globalnego zagrożenia ekologicznego Ziemi. Wzrost stężenia tego gazu wzmacnia efekt cieplarniany, co potwierdza pewna ilość faktów. Inne fakty natomiast poddają w wątpliwość powyższe stwierdzenie. W prezentowanej pracy staramy się przedstawić wpływ dwutlenku węgla i innych gazów na powstawanie efektu cieplarnianego, wskazując równocześnie czynniki, które poddają w wątpliwość aż tak duży wpływ emisji dwutlenku węgla do atmosfery na zmiany klimatyczne na Ziemi. Przyczyny wzrostu stężenia dwutlenku węgla w atmosferze Spalenie 1 kg węgla powoduje emisję do atmosfery 3,66 kg dwutlenku węgla. Tylko Polska wydobywa i zużywa rocznie około 100 mln ton węgla. Skala zjawiska jest zatem gigantyczna. Dwutlenek węgla był w atmosferze odkąd istnieje życie na Ziemi. Jest produktem przemiany materii u ludzi i zwierząt oraz podstawowym budulcem ziemskiej flory, asymilowanym w procesie fotosyntezy. Jest tym samym dla świata roślin, co dla zwierząt i ludzi tlen, zatem w atmosferze być musi. Jednak na przestrzeni ostatnich dziesięcioleci równowaga pomiędzy produkcją dwutlenku węgla a asymilowaniem go przez świat roślin została wyraźnie zachwiana. Produkuje się coraz więcej dwutlenku węgla a drzew i roślin do jego wchłaniania jest na Ziemi coraz mniej. Mechanizmy powstawania efektu cieplarnianego Z termodynamiki wiemy, że wszystkie ciała stałe, ciekłe i gazowe emitują oraz absorbują promieniowanie. Promieniowanie to jest niezależne od obecności i temperatury innych ciał znajdujących się w ich sąsiedztwie (prawo Prewosta). Intensywność promieniowania ciał stałych i ciekłych jest ciągłą funkcją długości wypromieniowywanej fali (częstotliwości promieniowania). Współczynniki emisyjności i absorpcyjności powierzchni danego ciała są sobie równe (prawo Kirchhoffa). Tym prawom, dotyczącym promieniowania, podlega również powierzchnia Ziemi. strona 678 Inaczej, z punktu widzenia absorpcyjności i emisyjności promieniowania, przedstawiają się właściwości gazów lub mieszaniny gazów z których właśnie składa się atmosfera ziemska. Przede wszystkim ogromna grupa gazów, skupiająca gazy jedno- i dwuatomowe (poza dwoma wyjątkami: CO oraz HCl), ma absorpcyjność i emisyjność równą zeru, czyli nie absorbują i nie emitują promieniowania w żadnym zakresie długości fal (częstotliwości promieniowania). Gazy trój- i więcej atomowe mają emisyjność i absorpcyjność różną od zera, ale nie jest ona ciągłą funkcją długości fali. Inaczej mówiąc jest ona selektywna, czyli w pewnych pasmach długości fali występuje, w pewnych nie występuje. Pasma absorpcyjności i emisyjności danego gazu są identyczne. To znaczy, że dany gaz absorbuje i emituje promieniowanie w tych samych przedziałach długości fal. Ponadto wartości współczynników emisyjności i absorpcyjności dla danego gazu są również sobie równe (analogia do prawa Kirchhoffa). Pasma emisyjności i absorpcyjności dla różnych gazów mogą się pokrywać, czyli na siebie nachodzić, mogą się pokrywać częściowo, mogą również na siebie nie nachodzić dla żadnej długości fali. Należy jeszcze zaznaczyć, że inaczej niż ciała stałe, które emitują i absorbują promieniowanie powierzchnią, gazy, nie mając powierzchni, czynią to całą objętością. Emisyjność i absorpcyjność gazu wyrażona współczynnikiem emisyjności, równym w przybliżeniu współczynnikowi absorpcyjności, zależy od temperatury gazu oraz ilości gazu wyrażonej iloczynem grubości warstwy tego gazu i jego ciśnienia. Jeżeli gaz jest składnikiem w mieszaninie złożonej z większej ilości gazów, emisyjność określa jego ciśnienie cząstkowe (parcjalne). Relacje te dla dwutlenku węgla przedstawiają rodziny charakterystyk na rysunku 1. Parametrem rodziny krzywych jest iloczyn ciśnienia cząstkowego dwutlenku węgla i grubości warstwy tego gazu absorbującej promieniowanie. Intensywność promieniowania Słońca, jako funkcja długości fali, jest zbliżona do ciała doskonale czarnego (prawo Plancka). Emisyjność, a tym samym absorpcyjność, podstawowych składników atmosfery: tlenu i azotu, jako gazów dwuatomowych, jest zerowa dla wszystkich długości fal. Z kolei pasma emisyjności i absorpcyjności gazów o większej ilości atomów w cząsteczce, obecnych w atmosferze ziemskiej, znajdują się poza pasmem promieniowania Słońca. W tej sytuacji intensywność promieniowania Słońca przy przejściu przez atmosferę nie ulega istotnym zmianom i w pogodny dzień przy czystej atmosferze, jej wartość na szczycie atmosfery jest zbliżona do wartości na powierzchni www.energetyka.eu listopad 2012 Ziemi. Energia promieniowania słonecznego, docierająca na powierzchnię Ziemi, ulega między innymi konwersji na ciepło i w ten sposób powierzchnia Ziemi staje się wtórnym źródłem promieniowania. Promieniowanie Ziemi odbywa się w innym zakresie długości fal niż promieniowanie Słońca i posiada oczywiście znacznie mniejszą intensywność. A co najistotniejsze w przedziale długości fal promieniowania Ziemi znajdują się pasma emisji i absorpcji gazów znajdujących się w atmosferze. Do gazów tych należą przede wszystkim para wodna, metan, ozon i właśnie dwutlenek węgla. Zatem promieniowanie Ziemi, które jest ciągłą funkcją długości fali, w pewnych zakresach tych długości będzie absorbowane, czyli zamieniane na ciepło. Zakres długości fal absorpcji promieniowania Ziemi w atmosferze to oczywiście zakres absorpcji gazów, które się w niej znajdują. Właśnie ta zamiana energii promieniowania Ziemi na ciepło w atmosferze, na skutek istnienia w niej gazów więcej niż dwuatomowych, nazywana jest efektem cieplarnianym (w języku angielskim: greenhouse effect), a gazy, które go powodują gazami cieplarnianymi. e Rys. 2. Zmiany temperatury powietrza przy powierzchni Ziemi (A) oraz zmiany poziomu oceanu światowego (B) na przestrzeni ostatnich dziesięcioleci [3] • Rys. 1. Zależność współczynnika emisyjności (absorpcyjności) dwutlenku węgla od temperatury dla różnych wartości iloczynu ciśnienia cząstkowego dwutlenku węgla w powietrzu i grubości warstwy absorbującej [1,2] Tg Czy tylko zmiany stężenia dwutlenku węgla w atmosferze kształtują klimat na Ziemi? Wpływ stężenia dwutlenku węgla na efekt cieplarniany uzasadniony jest rodziną krzywych absorpcji przedstawionych na rysunku 1 oraz tendencjami wzrostowymi temperatury przy powierzchni Ziemi i wzrostem poziomu oceanu światowego pokazanymi na rysunku 2. Czy istnieją jednak fakty mogące poddać w wątpliwość twierdzenie, że przyczyną nasilania się zmian klimatycznych jest pogłębianie się efektu cieplarnianego wywołane wzrostem stężenia dwutlenku węgla w atmosferze? Omówimy te fakty pokrótce. • Według rodziny krzywych pokazanych na rysunku 1, emisyjność (absorpcyjność) promieniowania przez dwutlenek węgla listopad 2012 • • • • silnie rośnie ze wzrostem stężenia tego gazu, ale równocześnie ze wzrostem temperatury emisyjność (absorpcyjność) gwałtownie spada (oś pionowa ma skalę wykładniczą). Wynika z tego, że cieplarniane działanie dwutlenku węgla jest procesem, który się sam ogranicza (stabilizuje). Wzrost stężenia parcjalnego dwutlenku węgla powoduje wzrost współczynnika absorpcji promieniowania. Wzrost absorpcji promieniowania powoduje wzrost temperatury atmosfery, ale wzrost temperatury atmosfery obniża wartość współczynnika absorpcyjności, co pociąga za sobą obniżenie temperatury atmosfery. Podobną rodzinę charakterystyk, jaką posiada dwutlenek węgla, ma para wodna. Pokazuje ją rysunek 3. Jeśli porównamy stężenia parcjalne dwutlenku węgla i pary wodnej możemy dojść do wniosku, że w około 95% za efekt cieplarniany w atmosferze ziemskiej odpowiada para wodna a dwutlenek węgla jedynie w około 5%. Odchylenia temperatury atmosfery na przestrzeni ostatnich 10 tysięcy lat ulegały dużym wahaniom i nie były skorelowane ze stężeniem dwutlenku węgla w atmosferze. Przebieg tych odchyleń pokazuje rysunek 4. Odchylenia średniej temperatury powietrza przy powierzchni Ziemi są dość dobrze skorelowane z okresowymi zmianami aktywności Słońca. Pokazuje to rysunek 5. Przedstawiona relacja mocno przemawia za tym, że okresowe anomalie klimatyczne wywołane są zmianami aktywności Słońca a nie zmianami stężenia gazów cieplarnianych. Analizując rysunek 2 można zauważyć występowanie ponad dziesięcioletnich okresów, w których wzrostowi stężenia dwutlenku węgla towarzyszy obniżanie się temperatury powietrza atmosferycznego i obniżenie się poziomu oceanu światowego. Najsilniejszą zmianą klimatyczną na Ziemi było ustąpienie epoki lodowcowej. Należy dodać, że nikomu nie udało się dotychczas znaleźć związku pomiędzy zakończeniem epoki lodowcowej a zmianami stężenia dwutlenku węgla w atmosferze. www.energetyka.eu strona 679 9 0,2 10 0 lata e 0,4 anomalia temperaturowa, °C • Na przestrzeni ostatnich 10 tysięcy lat okresowe odchylenia temperatury atmosfery od wartości średniej, pokazane na rysunku 4, były znacznie większe niż te przypisywane wzrostowi stężenia dwutlenku węgla przedstawione na rysunku 2. 11 -0,2 12 -0,4 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 lata długość cyklu słonecznego odchylenia od średniej temperatury Rys. 5. Przebiegi zmian długości cyklu aktywności Słońca oraz odchylenia temperatury atmosfery od wartości średniej [5] Podsumowanie Tg Biorąc pod uwagę przedstawione fakty, można mieć wątpliwości, czy wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze stanowi poważne zagrożenie ekologiczne dla mieszkańców Ziemi, a co za tym idzie, czy pochłaniająca ogromne środki finansowe światowa batalia o ograniczenie emisji dwutlenku węgla jest w pełni uzasadniona. Co najmniej tyle samo argumentów przemawia przeciw, co i za, wiązaniu stężenia dwutlenku węgla w atmosferze ze zmianami klimatycznymi na Ziemi. Rys. 3. Zależność współczynnika emisyjności (absorpcyjności) pary wodnej od temperatury dla różnych wartości iloczynu ciśnienia cząstkowego pary wodnej w powietrzu i grubości warstwy absorbującej [1,2] Literatura anomalia temperaturowa, °C 1,5 0,5 [1] Hobler T.: Ruch ciepła i wymienniki, Warszawa, WNT, 1998. [2] Szargut J.: Termodynamika techniczna, Gliwice, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 2005. [3] Kolenda Z.: Kontrowersje wokół globalnego ocieplenia klimatu, Kraków, Wydawnictwo PAU, 2000. [4] www.k12.wa.us [5] Małecki A.: Globalne ocieplenie – kilka niewygodnych prawd, Biuletyn Polskiego Stowarzyszenia Wodoru i Ogniw Paliwowych, Kraków, Wydawnictwo PSWiOP, 2009. 0 -0,5 -1,5 -2,5 10 8 6 4 2 0 tysiące lat temu Rys. 4. Odchylenia temperatury atmosfery od wartości średniej na przestrzeni ostatnich 10 000 lat [4] strona 680 www.energetyka.eu listopad 2012
