Průpravné pokusy pro IR a problematiku CO₂

Jindřiška Svobodová

V článku jsou uvedeny průpravné pokusy s jednoduchými pomůckami pro pochopení pojmů provázané problematiky klimatických změn. Pokusy se týkají infračerveného záření a dále vzniku a vlastností oxidu uhličitého. Vhodné pro ZŠ i SŠ.

IR záření

Sálání horkých předmětů, třeba slunce se zavázanýma očima, je vcelku snadné vnímat tělem.Na tváři ucítíme i záření z vlastní tváře pomocí vhodného zrcadla. Ne, ale obyčejného zrcadla, kde vrchní vrstva skla je pro „lidské“ tzv.dlouhovlnné IR záření nepropustná. Dostupnou IR zrcadlící plochou je „alobal“. Položíme-li před svou tvář tuto hliníkovou fólii, budeme cítit podobný tok jako od teplé dlaně. IR odrazné povrchy (tzv. nízkoemisní pro dané vlnové délky) sálají jen málo, bolestně to známe z praxe, žehlící kovová plocha sálá tak málo, že si toho často nevšimneme.

Pokusy lze dělat naopak i s předmětem chladným, třeba s kusem ledu. Stačí i předmět vytažený z ledničky, který je o dost studenější než stěny okolo. Tehdy ucítíme chlad - studený předmět na nás totiž září méně než okolní objekty. Záření tělesa s jeho rostoucí teplotou přibývá rychle, vždyť hustota zářivého toku je úměrná čtvrté mocnině jeho absolutní teploty, máte-li citlivou tvář, poznáte i rozdíl pár stupňů.

Z hlediska propustnosti sálání porovnáme různé druhy skel, příp. jejich vrstvy. Čím větší obsah železa ve skle, tím větší je pohlcování krátkovlnného IR záření v něm. Obyčejným sklem kolmo projde 90% světla, ale jen 80% celkového slunečního záření, sklem s nízkým obsahem železa projde celkového záření 90 %. Těch zbylých 10% jsou odrazy na obou plochách skla.

Průzkum sálavých toků lze rozšířit i na různá okna. Potřebujeme vhodný tenký světlý kroužek, pokud jej zvenku přiblížíme k temnému oknu, uvidíme odrazy, na každé ploše v okně jeden. Např. u obyčejného dvojskla čtyři odrazy. Pokud má jeden z odrazů zřetelně jinou barvu, je to znamení přítomnosti speciální nízkoemisní vrstvičky na skle zevnitř, ta se vůči dlouhovlnnému infračervenému záření chová jako dokonalé zrcadlo. Mívají ji nízkoemisní okna na budovách a bývá ve vlacích EuroCity.

Indikaci citlivou pokožkou nahradíme IR teploměrem. IR teploměry užívají vlnových délek, kde je vzduch propustný /7-15 um/ lze jimi měřit na velké vzdálenosti teploty většiny běžných nekovových povrchů, které mívají emisivity kolem 0,9.

Za oblačné letní noci mívá spodní část mraků teplotu asi 15°C, jak nám ukáže IR teploměr. Za jasné noci zjistíme, že teplota atmosféry nad námi je –30°C i méně, tento „chlad“ je již citelný. Někteří studenti namítnou, že existuje-li „skleníková vrstva plynů“ a odráží teplo zpět, neměli bychom cítit tento chlad. Jenž teplota tropopauzy je kolem –60°C a celková absorpce skleníkových plynů je i pro 210 K poměrně velká viz graf radiace Země pro různé teploty a vlnové délky.

Ze zkušenosti víme, že povrchy zářící vůči jasné obloze se v noci podchlazují, na povrchu takto položených objektů dochází často ke kondenzaci vzdušné vlhkosti. Vidíme orosení tam, kde povrch není cloněn jiným objektem vůči obloze.

CO₂ plyn

Jak CO₂ plyn získat

Jindřiška Svobodová : Průpravné pokusy pro IR a problematiku CO<sub>2</sub> - image001.png

Oxid uhličitý lze získat jako plyn z bombiček (např. sifonové 5g, hustilkové 16g, 32g), potřebné množství odhadneme z přepočtů 1mol CO₂ - 44 g a za n.p. zaujímá objem 22,4 litrů. CO₂ pro ty pokusy, kde nevadí přítomnost vodní páry, si lze připravit chemicky endotermickou reakcí sody+ocet, HCl+vápenec nebo z kvasnic a cukerného roztoku. Šikovnou pomůckou pro pokusy s plyny a kapalinami jsou Ziploc –uzaviratelné sáčky. Vložíme asi 3 g NaHCO3 do sáčku, vymačkáme vzduch, zbytky vysajeme připojenou stříkačkou, sáček uzavřeme a zajistíme hadičku. Pak nabereme plnou 50 ml stříkačku octa a vstříkneme dovnitř. Plyn můžeme pomocí hadičky nebo stříkačky převést do jiné nádobky a dělat třeba známé pokusy s plyny.

CO₂ v koloběhu C

Oxid uhličitý je konečným produktem hoření uhlíku za dostatečného přístupu kyslíku. Jeho přirozeným zdrojem je respirace organismů a vulkanická činnost, zatímco procesem vedoucím k jeho přirozenému úbytku je fotosyntéza rostlin a absorpce oceány a půdou. Vše probíhá v rámci uzavřeného koloběhu uhlíku v prostředí.

Zkusíme najít kolem nás jednoduchým testem usazené produkty uhlíkového cyklu. Snadno najdeme sedimentární uhličitany vápenaté, které biomechanicky vznikají nahromaděním skořápek a ulit měkkýšů, dále třeba křídu, sodu, vápencový kámen apod. Reagují na kápnutí trochy octa šuměním a vznikem bublinek CO₂.

CO₂ v atmosféře

Skladba: xv % [obj. %] hustota (298 K) [kg/m³] xm [hmot. %]

Dusík N2 78,09 1.1449 75,52

Kyslík O2 20,94 1.3080 23,14

Argon Ar 0,93 1.6328 1,28

CO₂ 0,038 1.7989 0,06

Tak malé množství CO₂ (38 částic z miliónu), můžeme přiblížit žákům názorně.

Naplníme průhlednou nádobu /příp.Ziploc sáček/ 1 litrem vody, pak objem 1mm³bude představovat právě miliontinu. Vezmeme třeba červenou tekutou potravinářskou barvu a naměříme pomocí kapátka 380 mm³, naše kapátko dělalo kapky 32 mm³, tak stačilo 12 kapek. Tak jsme získali přibližně stejnou objemovou koncentraci jakou má CO₂ v atmosféře. Je vidět červená v roztoku?

Inventarizace CO₂

K nárůstu CO₂ v atmosféře v posledním století silně přispívají lidé. Za posledních 50 let se průměrná koncentrace CO₂ v atmosféře zvýšila z hodnoty 0,0316 % na 0,0378 % obj., to představuje hmotnost 2,7.10¹² tun a nárůst o desítky procent.

Přes své malé množství v atmosféře představuje CO₂ významný podíl na přirozeném skleníkový efektu. Jeho další zvyšování ovšem hrozí přídavným skleníkovým účinkem, který vyvolává změnu ustáleného stavu v radiační bilanci atmosféry.

Jak se zjišťují údaje o „lidských“ emisích? Emise CO₂ se dokládají ze známé spotřeby fosilních paliv a obsahu uhlíku v nich. Odhady jsou pak často vyjádřeny v pro nás nezvyklých jednotkách, v teragramech uhlíku (Teragram - 0⁹ kg). Pro konverzi z množství uhlíku C na množství CO₂ stačí hodnoty uhlíku vynásobit 44/12 (~ 3.67).

Pro zjednodušení inventarizace skleníkových plynů GHG se užívá tabelovaných tzv. "emisních faktorů uhlíku", což je množství uhlíku (resp. CO₂) připadajícího na jednotku energie ve spalovaném palivu.

Radiační bilance atmosféry

Z obrázku lze názorně ukázat dynamickou rovnováhu mezi přicházejícím a odcházejícím zářením, vše je v jednotkách Wm^-2.

Jindřiška Svobodová : Průpravné pokusy pro IR a problematiku CO<sub>2</sub> - image005.png

Hrubým modelem zobrazení dynamické rovnováhy mezi sálavými toky, je analogie vzniku ustáleného stavu hladiny vody v trychtýři, který je konstantní rychlostí naplňován vodou při zvoleném odtoku. V případě radiační ustálené bilance dostáváme také ustálený stav, kterému lze přiřadit určitou efektivní teplotu, při zvýšení množství skleníkových plynů se teplota zvedne, aby se vyrovnala bilance toků, a ustálí se nová dynamická rovnováha.