EMISJA CO2 A ZAGROŻENIE EFEKTEM CIEPLARNIANYM.pdf

POLITYKA ENERGETYCZNA

Tom 12 Zeszyt 2/2 2009

PL ISSN 1429-6675

Stanis³aw G UMU£A *, Ma³gorzata P IASKOWSKA **

Emisja dwutlenku wêgla

a zagro¿enie efektem cieplarnianym

S TRESZCZENIE . W artykule opisano mechanizmy fizyczne powstawania efektu cieplarnianego w at-

mosferze. Omówiono jego rolê w kszta³towaniu parametrów termicznych atmosfery oraz

pokazano charakterystyki emisyjnoœci (absorpcyjnoœci) dwutlenku wêgla i pary wodnej.

Wskazano, ¿e g³ównym czynnikiem, decyduj¹cym o powstawaniu efektu cieplarnianego jest

para wodna. Udzia³ innych gazów, w tym dwutlenku wêgla, jest u³amkowy. Pokazano

równie¿, ¿e wspó³czynniki absorpcyjnoœci g³ównych gazów cieplarnianych ze wzrostem

temperatury malej¹, co oznacza zmniejszenie siê efektu cieplarnianego ze wzrostem tempe-

ratury atmosfery. Przedstawiono wyniki d³ugookresowych badañ zmian klimatu na Ziemi,

okreœlonych na podstawie izotopowego sk³adu warstw lodowców oraz sk³adu osadów g³êbin

morskich, wskazuj¹cych, ¿e temperatura powietrza przy powierzchni Ziemi w skali d³ugo-

terminowej ulega³a, z niewiadomych przyczyn, znacznym wahaniom.

W œwietle tych informacji i rozwa¿añ obwinianie wy³¹cznie dwutlenku wêgla za zmiany oraz

anomalie stanu atmosfery jest mocno dyskusyjne.

S £OWA KLUCZOWE : spalanie, dwutlenek wêgla, efekt cieplarniany

Wprowadzenie

Wzrost stê¿enia dwutlenku wêgla w atmosferze, zwi¹zany z rozwojem energetyki, jest

przez wielu uczonych wskazywany jako Ÿród³o globalnego zagro¿enia ekologicznego Ziemi.

* * Prof. dr hab. in¿. — Wydzia³ In¿ynierii Mechanicznej i Robotyki, Akademia Górniczo-Hutnicza w Kra-

kowie; e-mail: kmiue@imir.agh.edu.pl

** Dr in¿. — Wydzia³ Matematyczno-Fizyczno-Techniczny, Uniwersytet Pedagogiczny, Kraków

185

Równania stechiometryczne opisuj¹ce procesy spalania paliw [5, 6] pokazuj¹, ¿e spa-

lenie 1 kg wêgla, na którym bazuj¹ prawie wszystkie polskie elektrownie i znaczna czêœæ

œwiatowych zak³adów energetycznych, to równoczesna produkcja 3 66 kg dwutlenku wêgla.

Przyjmuj¹c wartoœæ opa³ow¹ wêgla 35 000 kJ/kg oraz œredni¹ sprawnoœæ wytwarzania

energii elektrycznej wynosz¹c¹ oko³o 0,3, ³atwo wyliczyæ, ¿e wyprodukowanie 1 kW·h

wymaga spalenia oko³o 0,33 kg wêgla, co daje oko³o 1,2 kg dwutlenku wêgla. Tylko

w polskiej energetyce zawodowej zainstalowana jest moc oko³o 34 000 MW, a roczna

produkcja energii netto wynosi oko³o 140 TW·h, co powoduje wytworzenie 168 · 10 6

dwutlenku wêgla w ci¹gu roku. Skala zjawiska jest zatem gigantyczna.

Dwutlenek wêgla by³ w atmosferze odk¹d istnieje ¿ycie na Ziemi. Stanowi produkt

przemiany materii u ludzi i zwierz¹t oraz podstawowy budulec ziemskiej flory, asymilowany

w procesie fotosyntezy. Jest tym samym dla œwiata roœlin, co dla zwierz¹t i ludzi tlen, zatem

w atmosferze byæ musi. Je¿eli jednak popatrzymy na krzyw¹ stê¿enia dwutlenku wêgla

w powietrzu na przestrzeni ostatnich dwustu lat, pokazan¹ na rysunku 1, widaæ, ¿e rów-

nowaga pomiêdzy produkcj¹ CO 2 , a asymilowaniem go przez œwiat roœlin zosta³a wyraŸnie

zachwiana. Energetyka wytwarza coraz wiêcej dwutlenku wêgla, a drzew i roœlin do jego

wch³aniania jest na Ziemi coraz mniej.

Rys. 1. Wzrost stê¿enia dwutlenku wêgla w atmosferze ziemskiej na przestrzeni ostatnich dwustu lat [1, 2]

Fig. 1. Increase of concentration of carbon dioxide in Earth’s atmosphere in last 200 years [1, 2]

1. Efekt cieplarniany jako zjawisko fizyczne

Z termodynamiki [3, 5, 6] wiemy, ¿e wszystkie cia³a sta³e, ciek³e i gazowe emituj¹ oraz

absorbuj¹ promieniowanie, niezale¿nie od obecnoœci i temperatury innych cia³ znajduj¹cych

186

siê w ich s¹siedztwie (prawo Prewosta). Intensywnoœæ promieniowania cia³ sta³ych i ciek-

³ych jest ci¹g³¹ funkcj¹ d³ugoœci wypromieniowywanej fali (czêstotliwoœci promienio-

wania). Wspó³czynniki emisyjnoœci i absorpcyjnoœci powierzchni danego cia³a s¹ sobie

równe (prawo Kirchhoffa). Tym prawom, dotycz¹cym promieniowania, podlega równie¿

powierzchnia Ziemi.

Inaczej, z punktu widzenia absorpcyjnoœci i emisyjnoœci promieniowania, przedstawiaj¹

siê w³aœciwoœci gazów lub mieszaniny gazów, z których sk³ada siê atmosfera ziemska.

Przede wszystkim ogromna grupa gazów, skupiaj¹ca gazy jedno- i dwuatomowe (poza

dwoma wyj¹tkami: CO oraz HCl), ma absorpcyjnoœæ i emisyjnoœæ praktycznie równ¹ zeru,

czyli nie absorbuj¹ i nie emituj¹ promieniowania w ¿adnym zakresie d³ugoœci fal (czê-

stotliwoœci promieniowania). Gazy trój- i wiêcej atomowe maj¹ emisyjnoœæ i absorpcyjnoœæ

ró¿n¹ od zera, ale nie jest ona ci¹g³¹ funkcj¹ d³ugoœci fali. Inaczej mówi¹c jest ona

selektywna, czyli w pewnych pasmach d³ugoœci fali wystêpuje, a w pewnych nie. Pasma

absorpcyjnoœci i emisyjnoœci danego gazu s¹ identyczne. To znaczy dany gaz absorbuje

Rys. 2. Zale¿noœæ emisyjnoœci (absorpcyjnoœci) dwutlenku wêgla od temperatury tego gazu

oraz iloczynu gruboœci jego warstwy i ciœnienia cz¹stkowego [3, 6]

Fig. 2. Dependence of CO 2 emission (absorption) on temperature and on product of its layer thickness

and partial pressure [3, 6]

187

i emituje promieniowanie w tych samych przedzia³ach d³ugoœci fal. Ponadto wartoœci

wspó³czynników emisyjnoœci i absorpcyjnoœci dla danego gazu s¹ równie¿ w przybli¿eniu

sobie równe (analogia do prawa Kirchhoffa). Pasma emisyjnoœci i absorpcyjnoœci dla

ró¿nych gazów mog¹ siê pokrywaæ, czyli na siebie nachodziæ, mog¹ siê pokrywaæ czê-

œciowo, mog¹ równie¿ na siebie nie nachodziæ dla ¿adnej d³ugoœci fali. Nale¿y jeszcze

zaznaczyæ, ¿e inaczej ni¿ cia³a sta³e, które emituj¹ i absorbuj¹ promieniowanie powierz-

chni¹, gazy, nie maj¹c powierzchni, czyni¹ to ca³¹ objêtoœci¹. Emisyjnoœæ i absorpcyjnoœæ

gazu wyra¿ona wspó³czynnikiem emisyjnoœci, równym w przybli¿eniu wspó³czynnikowi

absorpcyjnoœci, zale¿y od temperatury i iloœci gazu, wyra¿onej iloczynem gruboœci warstwy

tego gazu i jego ciœnienia. Je¿eli gaz jest sk³adnikiem w mieszaninie z³o¿onej z wiêkszej

iloœci gazów, przyjmuje siê jego ciœnienie cz¹stkowe (parcjalne). Relacje te dla dwutlenku

wêgla i pary wodnej przedstawiaj¹ rodziny charakterystyk na rysunkach 2 i 3.

Intensywnoœæ promieniowania S³oñca, jako funkcja d³ugoœci fali, jest zbli¿ona do cia³a

doskonale czarnego (prawo Plancka). Emisyjnoœæ a tym samym absorpcyjnoœæ podstawo-

Rys. 3. Zale¿noœæ emisyjnoœci (absorpcyjnoœci) pary wodnej od temperatury tego gazu

oraz iloczynu gruboœci jego warstwy i ciœnienia cz¹stkowego [3, 6]

Fig. 3. Dependence of water vapour emission (absorption) on temperature

and on product of its layer thickness and partial pressure [3, 6]

188

wych sk³adników atmosfery: tlenu i azotu, jako gazów dwuatomowych, jest zerowa dla

wszystkich d³ugoœci fal. Z kolei pasma emisyjnoœci i absorpcyjnoœci gazów o wiêkszej iloœci

atomów w cz¹steczce, obecnych w atmosferze ziemskiej, znajduj¹ siê poza pasmem pro-

mieniowania S³oñca. W tej sytuacji intensywnoœæ promieniowania S³oñca przy przejœciu

przez atmosferê nie ulega istotnym zmianom i w pogodny dzieñ, przy czystym powietrzu,

jego wartoœæ na szczycie atmosfery jest zbli¿ona do wartoœci na powierzchni Ziemi. Energia

promieniowania s³onecznego, docieraj¹ca na powierzchniê Ziemi, ulega miêdzy innymi

konwersji na ciep³o i w ten sposób staje siê ona wtórnym Ÿród³em promieniowania. Pro-

mieniowanie Ziemi odbywa siê w innym zakresie d³ugoœci fal ni¿ promieniowanie S³oñca

i posiada oczywiœcie znacznie mniejsz¹ intensywnoœæ. A co najistotniejsze, w przedziale

d³ugoœci fal promieniowania Ziemi znajduj¹ siê pasma emisji i absorpcji gazów znaj-

duj¹cych siê w atmosferze. Do gazów tych nale¿¹ przede wszystkim para wodna, metan,

ozon i w³aœnie dwutlenek wêgla. Zatem promieniowanie Ziemi, które jest ci¹g³¹ funkcj¹

d³ugoœci fali, w pewnych zakresach tych d³ugoœci bêdzie absorbowane, czyli zamieniane na

ciep³o. Zakres d³ugoœci fal absorpcji promieniowania Ziemi w atmosferze to oczywiœcie

zakres absorpcji gazów, które siê w niej znajduj¹. W³aœnie ta zamiana energii promie-

niowania Ziemi na ciep³o w atmosferze, na skutek istnienia w niej gazów wiêcej ni¿

dwuatomowych, nazywana jest efektem cieplarnianym (w jêzyku angielskim: greenhouse

effect ), a gazy, które go powoduj¹ gazami cieplarnianymi.

2. Udzia³ dwutlenku wêgla w tworzeniu

efektu cieplarnianego

Czy wzrost stê¿enia dwutlenku wêgla w atmosferze ziemskiej mo¿e stanowiæ zagro¿enie

ekologiczne? Wielu ekologów i klimatologów wyra¿a opiniê, ¿e zagro¿enie to jest bardzo

powa¿ne. Obserwowane od oko³o dwustu lat ocieplanie siê klimatu, topnienie lodów w oko-

licach podbiegunowych Ziemi, wzrost poziomu wód oceanów i bardzo groŸne w skutkach

anomalie pogodowe, prowadz¹ do lokalnych katastrof ekologicznych niszcz¹cych gospo-

darkê oraz infrastrukturê. Z faktu, ¿e takie zjawiska s¹ obserwowane nie wynika natomiast,

¿e za wszystko odpowiedzialne jest nasilanie siê efektu cieplarnianego a w szczególnoœci

wzrost stê¿enia jednego tylko z atmosferycznych gazów cieplarnianych, jakim jest dwu-

tlenek wêgla.

Je¿eli porówna siê stê¿enie parcjalne dwutlenku wêgla oraz pary wodnej, uwzglêdni siê,

¿e para wodna unosi siê do górnych warstw atmosfery, natomiast dwutlenek wêgla jako gaz

znacznie ciê¿szy od powietrza najwy¿sze stê¿enia ma przy powierzchni Ziemi, mo¿na

stwierdziæ, ¿e efekt cieplarniany w blisko 95% pochodzi od pary wodnej.

Badania temperatury powietrza i poziomu wód oceanów, prowadzone systematycznie od

oko³o dwustu lat, wykazuj¹ niemonotoniczn¹ tendencjê wzrostow¹ obydwu tych wielkoœci,

podczas gdy wzrost stê¿enia dwutlenku wêgla ma charakter monotoniczny.

189

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: