náhled|Skleníkové plyny zachycují část tepla, které vzniká při ohřívání zemského povrchu slunečním zářením. Na tomto obrázku jsou symbolicky znázorněny tři důležité skleníkové plyny: vodní pára, oxid uhličitý a methan. náhled|Radiační síla (vliv oteplování) různých faktorů přispívajících ke změně klimatu do roku 2019 Skleníkové plyny jsou plyny v atmosféře, které zvyšují povrchovou teplotu planet, jako je Země. Od ostatních plynů se liší tím, že pohlcují vlnové délky záření, které planeta vyzařuje, což vede ke skleníkovému efektu. Země se ohřívá slunečním zářením, což způsobuje, že její povrch vyzařuje teplo, které je pak většinou pohlcováno vodní párou (H2O), oxidem uhličitým (CO2), methanem (CH4), oxidem dusným (N2O) a ozonem (O3). Bez skleníkových plynů by průměrná teplota zemského povrchu byla přibližně −18 °C, nikoliv současných průměrných 15 °C.
Lidská činnost od počátku průmyslové revoluce (kolem roku 1750) zvýšila koncentraci methanu v atmosféře o více než 150 % a oxidu uhličitého o více než 50 %, až na úroveň, která nebyla zaznamenána více než 3 miliony let. Oxid uhličitý způsobuje asi tři čtvrtiny globálního oteplování a může trvat tisíce let, než bude plně absorbován koloběhem uhlíku. Methan způsobuje většinu zbývajícího oteplování a vydrží v atmosféře v průměru 12 let.
Převážná většina emisí oxidu uhličitého způsobených lidmi pochází ze spalování fosilních paliv, především uhlí, ropy a zemního plynu. Další příspěvky pocházejí z výroby cementu, hnojiv a změn ve využívání půdy, jako je odlesňování. Emise methanu pocházejí ze zemědělství, výroby fosilních paliv, odpadů a dalších zdrojů.
V důsledku emisí skleníkových plynů se průměrná globální povrchová teplota zvýšila do roku 2023 o 1,2 °C. Pokud bude současná míra emisí pokračovat, pak teplota překročí 2,0 °C někdy mezi lety 2040 a 2070, což je úroveň, kterou Mezivládní panel OSN pro změnu klimatu (IPCC) označuje za „nebezpečnou“. náhled|Absorpce a rozptyl v atmosféře při různých vlnových délkách elektromagnetických vln. Největší absorpční pás oxidu uhličitého se nachází nedaleko maxima tepelného vyzařování ze Země a částečně uzavírá okno průhlednosti vody, což vysvětluje hlavní účinek oxidu uhličitého na zachycování tepla.
Definice Skleníkové plyny jsou infračerveně aktivní plyny, které pohlcují a vyzařují infračervené záření v rozsahu vlnových délek vyzařovaných Zemí: oxid uhličitý (0,04 %), oxid dusný, methan a ozon jsou stopové plyny, které tvoří přibližně 0,1 % zemské atmosféry a mají znatelný skleníkový efekt.
Formální definice skleníkových plynů je následující: „Plynné složky atmosféry, přírodní i antropogenní, které absorbují a vyzařují záření o specifických vlnových délkách v rámci spektra záření vyzařovaného zemským povrchem, samotnou atmosférou a mraky. Tato vlastnost způsobuje skleníkový efekt.“ Záření vyzařované zemským povrchem, atmosférou a mraky se nazývá tepelné infračervené nebo dlouhovlnné záření.
Nejrozšířenější skleníkové plyny v zemské atmosféře, seřazené v sestupném pořadí podle průměrného globálního molárního podílu, jsou: vodní pára (H2O), oxid uhličitý (CO2) methan (CH4) ozon (O3) oxid dusný (N2O) chlor-fluorované uhlovodíky (CFC a HCFC) hydrofluorkarbony (HFC) perfluoruhlovodík (CF4, C2F6, atd.), SF6 a NF3.
Vodní pára je silným skleníkovým plynem, ale není to plyn, který člověk přímo přidává do atmosféry, a proto není jedním z faktorů změny klimatu, kterými se zabývá Mezivládní panel pro změnu klimatu (IPCC), a proto není zahrnuta do seznamu skleníkových plynů IPCC. Změny vodní páry jsou zpětnou vazbou, která komplikovaným způsobem ovlivňuje citlivost klimatu (především kvůli mrakům).
Ovšem hoření je chemická reakce, kdy například spalované uhlovodíky (paliva) díky kyslíku v atmosféře produkují oxid uhličitý a vodní páru. Jde o opak chemické reakce jakou je fotosyntéza produkující uhlovodíky a kyslík. Spalováním paliv tedy člověk přímo přidává vodní páru do atmosféry. Dalším zdrojem vodní páry, který člověk přímo (nezávisle na emisích oxidu uhličitého) dodává do atmosféry, je zavlažování. Antropogenní zdroje vodní páry jsou ale stále nepříliš prozkoumané.
Energetický účet Země netvoří jen odchozí dlouhovlnné záření (OLR) uvažované ve skleníkovém jevu, ale i krátkovlnné odchozí záření (OSR). Odchozí záření určuje zemské albedo. Existenci odchozího krátkovlnného záření ze Země ilustruje i fakt, že je Země z vesmíru vidět ve viditelném spektru.
Infračervené aktivní plyny Plyny, které mohou absorbovat a vyzařovat tepelné infračervené záření, se označují jako infračerveně aktivní.
Většina plynů, jejichž molekuly mají dva různé atomy (např. oxid uhelnatý, CO), a všechny plyny se třemi a více atomy (včetně H2O a CO2) jsou infračerveně aktivní a působí jako skleníkové plyny. Z technického hlediska je tomu tak proto, že asymetrie v rozložení elektrického náboje molekuly umožňuje molekulárním vibracím interagovat s elektromagnetickým zářením.
Plyny, které mají pouze jeden atom (například argon, Ar) nebo dva stejné atomy (například dusík, N2 a kyslík, O2) nejsou infračerveně aktivní. Jsou pro tepelné záření průhledné a pro praktické účely tepelné záření neabsorbují ani nevyzařují.
Je to proto, že jednoatomové plyny, jako je Ar, nemají vibrační módy a molekuly obsahující dva atomy stejného prvku, jako je N2 a O2 nemají při vibracích žádnou asymetrii v rozložení svých elektrických nábojů, proto na ně infračervené tepelné záření téměř vůbec nepůsobí. N2 a O2 jsou schopny absorbovat a emitovat velmi malé množství infračerveného tepelného záření v důsledku absorpce vyvolané srážkami. Avšak i při zohlednění relativního množství je tento účinek malý ve srovnání s vlivy hlavních skleníkových plynů na Zemi.
Hlavní složky zemské atmosféry, dusík (N2) (78 %), kyslík (O2) (21 %) a argon (Ar) (0,9 %), nejsou infračerveně aktivní, a nejsou tedy skleníkovými plyny. Tyto plyny tvoří více než 99 % suché atmosféry.
Zdroje
Přírodní zdroje Většina skleníkových plynů má přírodní i antropogenní zdroje. Výjimkou jsou syntetické halogenované uhlovodíky produkované výhradně člověkem, které nemají žádné přírodní zdroje. V předindustriálním holocénu byly koncentrace existujících plynů zhruba konstantní, protože velké přírodní zdroje a propady byly zhruba vyrovnané. V průmyslové éře lidská činnost přidala do atmosféry skleníkové plyny, především spalováním fosilních paliv a kácením lesů.
Emise skleníkových plynů z lidské činnosti Hlavními antropogenními zdroji skleníkových plynů jsou oxid uhličitý (CO2), oxid dusný (N2O), metan (CH4), tři skupiny fluorovaných plynů (hexafluorid síry (SF6), fluorované uhlovodíky (HFC) a perfluorované uhlovodíky (PFC, hexafluorid síry (SF6) a trifluorid dusíku (NF3)). Ačkoli skleníkový efekt je do značné míry způsoben vodní párou, lidské emise vodní páry nejsou významným faktorem oteplování.
Ačkoli freony patří mezi skleníkové plyny, jsou regulovány Montrealským protokolem, který byl motivován spíše příspěvkem freonů k poškozování ozonové vrstvy než jejich příspěvkem ke globálnímu oteplování. Úbytek ozonu má na oteplování skleníkových plynů jen nepatrný vliv, ačkoli se tyto dva procesy v médiích někdy zaměňují. V roce 2016 dosáhli vyjednavači z více než 170 zemí, kteří se sešli na summitu Programu OSN pro životní prostředí, právně závazné dohody o postupném vyřazení fluorovaných uhlovodíků (HFC) v Kigalském dodatku k Montrealskému protokolu. náhled|Zvyšující se množství vodní páry ve stratosféře v Boulderu, Colorado náhled|Dlouhovlnné infračervené absorpční koeficienty primárních skleníkových plynů. Vodní pára absorbuje v širokém rozsahu vlnových délek. Země vyzařuje tepelné záření zvláště silně v okolí 15mikronového absorpčního pásma oxidu uhličitého. Relativní význam vodní páry klesá s rostoucí nadmořskou výškou.
Vodní pára Největší procento skleníkového efektu představují vodní páry, při jasné obloze je to mezi 36 % a 66 %, při zamračené obloze se je to mezi 66 % a 85 %. Koncentrace vodních pár regionálně kolísají, ale lidská činnost přímo neovlivňuje jejich koncentrace, s výjimkou lokálních měřítek, jako jsou například zavlažovaná pole. Lidské aktivity, která zvyšuje globální teploty, nepřímo zvyšují také koncentrace vodních pár, což je proces známý jako zpětná vazba vodní páry. Atmosférická koncentrace páry je velmi variabilní a závisí do značné míry na teplotě, od méně než 0,01 % v extrémně chladných oblastech až po 3 % hmotnostní v nasyceném vzduchu při asi 32 °C. Vodní pára se neustále tvoří a kondenzuje v relativně krátkém čase, její doba setrvání v atmosféře je velmi krátká na rozdíl například od CO2, který v atmosféře setrvává velmi dlouho. Od 65 % do 80 % CO2 uvolněného do ovzduší se rozpouští v oceánech po dobu 20–200 let. Zatímco vodní pára je skutečně nejdůležitějším skleníkovým plynem, problémem, který z něj dělá zpětnou vazbu (spíše než forcing), je relativně krátká doba pobytu vody v atmosféře (okolo 10 dní). Proto nemá význam určovat CO2 ekvivalent vodní páry. Vodní pára má podstatný vliv na energetickou bilanci planety Země nejen pro svůj vysoký vliv na „globální oteplování“ jako „skleníkový plyn“, ale také na změny celkového albeda Země v důsledku tvorby oblaků. Přitom v závislosti na globální a lokální optické hustotě oblačnosti a denní době může být vliv oblačnosti na tepelnou bilanci kladný i záporný. Absorpční pásy jednotlivých skleníkových plynů se překrývají, proto je jejich podíl na celkovém skleníkovém efektu proměnlivý kvůli tomu, že hlavní skleníkový plyn vodní pára (H2O) má v nejvlhčích a horkých oblastech tropů až 100× vyšší koncentraci než v nejchladnějších polárních oblastech. Na vodní páru připadá 36 % až 70 % celkového skleníkového efektu atmosféry (dolní hodnota odpovídá její podílu, kdybychom vodní páru z atmosféry odstranili a horní hodnota stavu, když odstraníme všechny ostatní skleníkové plyny a zůstane jen H2O), na CO2 je to analogicky 9 % a 26 %, na methan 4 % a 9 % a na ozon 3 % a 7 % (je to v souladu s novějšími odhady účinku jednotlivých skleníkových plynů). Zatímco CO2 a CH4 jsou v atmosféře rozloženy vcelku rovnoměrně, vodní pára je soustředěna převážně v teplých oblastech Země a v dolní části troposféry (do výšky 2 km, přičemž do výšky 1,5 km je až 50 % z celkové vodní páry), ozón je rozložený v atmosféře mírně nerovnoměrně.
Průměrná doba setrvání molekuly vody v atmosféře je pouze asi devět dní ve srovnání s roky nebo staletími u jiných skleníkových plynů, jako je CH4 a CO2. Vodní pára reaguje na další skleníkové plyny a zesiluje jejích účinek. Clausius-Clapeyronův vztah stanoví, že při zvýšené teplotě bude na jednotku objemu přítomno více vodní páry. Tento a další základní principy naznačují, že oteplování spojené se zvýšenými koncentracemi ostatních skleníkových plynů také zvýší koncentraci vodní páry (za předpokladu, že relativní vlhkost zůstává přibližně konstantní; to potvrzují modely a příma pozorování). Protože vodní pára je skleníkový plyn, má to za následek další oteplování a tvoří „pozitivní zpětnou vazbu“, která zesiluje původní oteplování. Předpokládá se, že jiné planetární procesy budou kompenzovat tyto pozitivní zpětné vazby, a budou stabilizovat globální teplotu v nové rovnováze a zabrání ztrátě zemské vody rázovým skleníkovým efektem, k jakému došlo například na Venuši.
Clausius-Clapeyronův vztah však platí pouze pro rovnováhu dvou fází, což nemůže být aplikováno na komplexní zemské klima, a neplatnost vztahu je u klimatu pozorována na lokální úrovni.
Úloha v přenosu tepla a vyzařování náhled|Tok tepla v zemské atmosféře znázorňující (a) vzestupný radiační tepelný tok a radiační toky nahoru/dolů, (b) vzestupný nesálavý tepelný tok (latentní teplo a termika), (c) rovnováhu mezi ohřevem a ochlazováním atmosféry v každé výšce a (d) teplotní profil atmosféry.
Účinky na vzduch a na zemský povrch Absorpce a emise tepelného záření skleníkovými plyny se podílí na přenosu tepla ve vzduchu a na povrchu: