5. Energie na Zemi

Kapitola nastíní problematiku skleníkové efektu. V učebnici se jí jen teoreticky dotkneme a v metodice vám nabídneme dva fyzikální úkoly. Je důležité, aby žáci věděli, že bez skleníkové efektu by život na souši (ani v oceánech tak jak vypadá v současné podobě) nebyl možný. Ale nic se nemá přehánět, zasahujeme do energetické bilance na Zemi dost významně. Žáci by si měli odnést informaci, že největším problémem jsou skleníkové plyny (CO2, CH4…). Menší problém je odrazivost povrchu (tmavé plochy) a snížení množství vegetace.

Doporučeno pro vyučovací předměty

fyzika, chemie, biologie/přírodopis, zeměpis/geografie, jazyky

Klíčové pojmy

toky a přeměny energie, skleníkový efekt, skleníkové plyny, akumulace tepla, latentní teplo, evapotranspirace, termohalinní výměník, Atlantická meridionální cirkulace, albedo

Cíle:

žák vysvětlí skleníkový jev, zná hlavní skleníkové plyny
žák vysvětlí pojmy jako albedo, termohalinní cirkulace, dokáže vysvětlit střídání ročních období

Důkazy o učení:

žák dokáže spolužákům srozumitelně vysvětlit ústřední ilustraci v kapitole 5

Související lekce z webu Učím o klimatu

jak si zařídit vlastní budoucnost
PŘÍBĚHY Z BUDOUCNOSTI
ANNA ANEB JAKÝ BUDE ROK 2082?
SOLARPUNK

vlastní odpovědnost
ZMĚNA KLIMATU A JÁ

energetika - př. jak se Evropa připravuje na budoucnost
RACE TO ZERO

emise, spalovací procesy
KDO JSOU SKLENÍKOVÉ PLYNY
KDE SE BEROU SKLENÍKOVÉ PLYNY
JAK SNÍŽIT ČESKÉ EMISE
ENERGETIKA V ČR DNES A ZÍTRA
EMISNÍ NEROVNOSTI

města a klimatická změna
ZADRŽOVÁNÍ VODY V PŮDĚ
ZADRŽOVÁNÍ VODY V KRAJINĚ
NÁVRHY ADAPTAČNÍCH OPATŘENÍ
MODROZELENÁ INFRASTRUKTURA
CHLADNÉ MĚSTO
EVA LANXMEER PŘÍKLADY
CHYTRÁ MĚSTA

Otázky pro studenty:

Co se stane, když snížíme množství tmavých ploch v našich sídlech a volné krajině?

Snížením tmavých ploch (např. asfalt, tmavé střechy) snížíme i pohlcování slunečního záření a tím i ohřívání povrchů. Tmavé plochy mají nízké albedo (odrazivost), pohlcují více energie, která se pak uvolňuje jako teplo – což přispívá ke vzniku městského tepelného ostrova.
Tip do výuky: Nechte studenty porovnat, jak se zahřeje bílý a černý papír na slunci. Nebo změřte v létě za slunného počasí teplotu chodníku vs. trávníku ve městě.

Je při jasné noční obloze chladněji, nebo tepleji?

Při jasné obloze v noci je chladněji. Zemský povrch vyzařuje infračervené záření (teplo) do atmosféry. Když nejsou na obloze mraky, otevírá se tzv. atmosférické okno. Mraky fungují jako poklička.

Co se stane, když budeme dál nahrazovat lesy plantážemi, poli a silnicemi?

Důsledky budou: změna albeda - silnice a zoraná pole pohlcují více sluneční energie, ztráta uhlíkových zásobníků – lesy váží CO₂, snížení biodiverzity – monokultury a zástavba neposkytují rozmanité prostředí, Změna vodního režimu – méně vsakování, rychlejší odtok vody, sušší klima. Zesílení klimatických extrémů – půda bez vegetace se přehřívá nebo vysychá. Nárůst emisí CO₂ a NOₓ z půd, zejména při orbě a hnojení.

Co se stane, když technologie založené na spalování fosilních paliv nahradíme za bezemisní?

Snížení emisí skleníkových plynů – hlavně CO₂, ale i metanu a oxidů dusíku. Zpomalování globálního oteplování. Zlepšení kvality ovzduší – méně prachu, SO₂, NOₓ → zdravotní přínosy. Zvýšení energetické bezpečnosti – méně závislosti na dovozu paliv. Ekonomická transformace – nová pracovní místa, inovace.

Proč je v zimě vždy o něco silnější skleníkový efekt (více CO₂ v atmosféře) než v létě? Jakou roli v tomto mechanismu hraje sezónní vliv rostlin?

Na jaře a v létě vegetace roste → rostliny masivně pohlcují CO₂ při fotosyntéze (C + H₂O → C₆H₁₂O₆). Na podzim a v zimě, kdy většina listnatých rostlin opadá nebo odumírá, fotosyntéza ustává. Dýchání půdních mikroorganismů a rozklad listí ale pokračují, takže CO₂ se uvolňuje do atmosféry. Bilance: v létě víc CO₂ mizí, v zimě víc vzniká.

Jak velký je ten rozdíl?

Na severní polokouli (kde je většina souše a vegetace) kolísá koncentrace CO₂ o zhruba 6–8 ppm mezi zimou a létem. To odpovídá sezónní výměně uhlíku mezi biosférou a atmosférou ve výši cca 10 gigatun uhlíku ročně – tedy srovnatelné množství s tím, co lidé ročně spálí ve fosilních palivech!

Rozšiřující úkol do hodiny fyziky

1. Energetická nerovnováha Země

Zadání:

Nyní je příkon sluneční energie pohlcené Zemí o ΔF ≈ 1 W·m-² větší než její vyzařování do vesmíru (tzv. Earth Energy Imbalance). Předpokládejme hypoteticky, že veškerý tento přebytek zůstává jen v ovzduší – neodchází do oceánů, pevnin a netaví led.
(Nápověda: Tepelná kapacita ovzduší je přibližně stejná jako u vrstvy vody tlusté 3 m.)

Otázky:

Jak rychle by se za těchto podmínek ohřívalo ovzduší (v °C za rok)?
Za jak dlouho by takto vzrostla průměrná teplota o 1 °C?
Zopakuj výpočty pro ΔF = 2 W·m-².

Konstanty:

hustota vody ρ = 1000 kg·m-³,
měrná tepelná kapacita vody c = 4186 J·kg-¹·K-¹,
1 rok = 3,156×10⁷ s.

Řešení

1) Rychlost oteplování (ΔF = 1 W·m-²)
Objem „vodního ekvivalentu“ na 1 m2 (výška „vodního ekvivalentu“ h = 3 m): V = S×h = 1 m2 × 3 m = 3 m3

Hmotnost „vodního ekvivalentu“ na 1 m2 plochy Země: m = V×ρ = 3 m3 × 1000 kg·m-³ = 3000 kg

Tepelná kapacita „vodního ekvivalentu“ (na 1 m2 plochy): C=m×c=3000 kg × 4186 J·kg-¹·K-¹ ≈ 1,26×107 J·K-¹ (na 1 m2 plochy)

Rychlost změny teploty: T´ = ΔT/Δt= ΔF/C =1 W·m-² /1,26×107 J·K-¹ ≈ 7,9×10-8 K s-1 (na 1 m2 plochy)

Změna teploty za t = 1 rok = 3,156×107 s:
ΔTrok = T´×t =7,9×10-8 K s-1 × 3,156×107 s ≈ 2,5 °C rok-1

2) Čas t+1 °C, za který dojde k ohřevu o 1 °C (pomocí trojčlenky)
1 rok ………… 2,5 °C
t+1 °C ………… 1 °C
t+1 °C = 1 rok×1 °C/2,5 °C = 0,4 roku ≈ 5 měsíců

3) Pro ΔF = 2 W·m-²
Vše se přímo úměrně změní dvakrát:
ΔTrok ≈ 5 ° C rok-1
t+2 °C = 0,2 roku ≈ 2,5 měsíce

Komentář pro učitele
Vyjde nesmyslně rychlé oteplování – a to je pointa: ukázat, proč ve skutečnosti většina přebytku mizí do oceánů (okolo 90 %), něco do tání ledu a ohřevu pevnin. Atmosféra sama má relativně malou tepelnou kapacitu.

V diskusi nechejte studenty odhadnout, o kolik by se výsledek změnil, kdybychom brali přesně ovzduší (ne „3 m vody“). Vyjde podobné číslo..
Obvyklý tlak vzduchu p je okolo 100 000 Pa, tedy na 1 m2 tlačí síla – tíha F = 100 000 N (F = p×ρ), což je tíha hmotnosti m = 10 000 kg (m = F/g, kde g ≈ 10 N kg-1). Nad každým 1 m2 je tedy 10 000 kg vzduchu. Pokud by se jednalo o vodu, měl by takový sloupec vody výšku 10 m.
Izochorická měrná tepelná kapacita vzduchu cV vzduch ≈ 1000 J kg-1 K-1. Atmosféra se však rozpíná, jedná se tedy o izobarickou měrnou tepelnou kapacitu cp. Tu vypočítáme pomocí Poissonovy konstanty pro vzduch: κ = 1,4; cp vzduch = cV vzduch× κ = 1000 J kg-1 K-1 × 1,4 = 1400 J kg-1 K-1
Měrná tepelná kapacita vody cH2O ≈ 4186 J kg-1 K-1. Podíl měrné tepelné kapacity vody a izobarické měrné tepelné kapacity vzduchu je cH2O/ cV vzduch = 4186 J kg-1 K-1/1400 J kg-1 K-1 = 2,99 ≈ 3. Proto lze místo tepelné kapacity atmosféry nad 1 m2 plochy počítat tepelnou kapacitu 3 m vody.

(úkol sestaven Tomášem Krásenským na námět Jana Hollana)

Příběh

Někteří vědci Zemi označují jako „sněhová koule“ a období před 720–635 miliony let jako kryogén. Podle této teorie se led rozšířil od pólů až k rovníku a oceány zamrzly do kilometrové vrstvy. Spustila to kombinace tektoniky: rozpad superkontinentu Rodinia, intenzivní zvětrávání a slabší sluneční svit. Rozšiřující se led odrážel více světla, planeta se dál chladila – pozitivní zpětná vazba. Únikem byla sopečná činnost: miliony let pumpovala CO₂ do atmosféry, až skleníkový efekt rozpustil globální led v rychlém „mega-tání“. Oteplení zvedlo hladiny oceánů, zvýšilo zvětrávání a množství kyslíku. A připravilo prostor pro první mnohobuněčné živočichy.