Zase to globální oteplování

Planeta se otepluje. Bohužel, to je jasně měřitelný a pozorovaný jev. O čem se diskutuje je to, kdo nebo co za to může. Některé teorie, jakkoli se halí do vědeckého hávu a odvolávají se na mnohé jiné práce,  jsou dost nedomyšlené.

Zajímavý je nejen vlastní mechanismus oteplování, ale i rétorika. Někteří nevidí pro samé stromy les. Vědecká společnost se polarizovala na dvě skupiny. Jedni tvrdí, a těch je většina, že globální oteplování spustil člověk nebo alespoň celému procesu výrazně pomáhá. Druhá skupina tvrdí, že jev je čistě přírodní a člověk na něj nemá skoro žádný vliv. Dochází k tomu, že jedni obviňují druhé, že zaměňují příčinu a následek a tvrdí, že ze zaměňuje příčina a následek. Nebo že vytrhují jeden jev z kontextu a tvrdí, že se vytrhuje jiný jev z kontextu.

Do celého procesu hledání pravdy vstupují různé zájmové skupiny, které šíří nejrůznější polopravdy a dezinformace, které jsou založené jen na čistě účelovém postoji, který s danou problematikou má společné jen to, že jim určité stanovisko přináší určité výhody. Zkusme se na to podívat z celostního hlediska.

Alfa-omega je skleníkový efekt. Kdo má skleník, tak z vlastní zkušenosti ví, že ve skleníku, pokud svítí slunce, dost podstatně narůstá teplota. To je známý jev. To, co už tak zřejmé není, je mechanismus, který způsobuje narůstání teploty. Co se tedy děje ve skleníku? Skleník se dělá tak, že se vytvoří uzavřený prostor, který je svrchu zakrytý nějakou průhlednou plochou ze skla nebo jiné fólie. Fólie zcela jistě propouští světlo. To je podstatné, protože ve skleníku jsou rostliny a ty potřebují světlo k fotosyntéze. Kromě toho potřebují i teplo. To, co není už tak zřejmé je, kde se teplo bere. Známá poučka říká, že veškerá energie se nakonec promění v teplo. Předpokládejme, a z empirie je to patrné, že sklo propouští jak světlo, tak i IR (infračervené záření). V tuto chvíli zanedbejme, že  sklo nepropouští dokonale, ale část toku se odráží. Z hlediska fyziky není rozdíl mezi světlem a infračerveným zářením, obojí je proud fotonů, nebo kvant elektromagnetického vlnění. Při dopadu na různé povrchy, tj. listy, půdu ap. se světlo pohlcuje a a odráží se jen malá část a často v jiném spektru. Další poučka říká, že fotony se buď po pohlcení uvolňují se stejnou energií, nebo s enegií menší. To znamená, že vysokoenergetický foton třeba modrého světla se zjednodušeně řečeno rozpadne na několik méně energetických fotonů (například červeného světla) a to se děje tak dlouho, až fotony mají malou energii na to, aby mohly být přeměněné a pak jsou postupně uvolňované do okolí. To je v souladu s I. i II. termodymnamickým zákonem. Projevem IR toku, tedy toku tepla, je teplota, kterou lze dobře měřit.

Teplo se přenáší konvekcí, kondukcí a radiací, tedy prouděním, přenosem a vyzařováním (sáláním). Teplota látek se dá vysvětlit jako termický pohyb molekul. Pro náš model je představa taková, že v látce jsou saturované IR (infrared) fotony, které náhodně interagují s okolními molekulami a tím dochází k termickému pohybu molekul (zdálivému nebo skutečnému). Všechny 3 typy přenosu tepla jsou s takovým modelem v souladu. Důležitá okolnost je čas. Neustálými srážkami se postup šíření tepla (kondukce) zpomaluje. To je další známý jev. Některé materiáy šíření zpomalují víc, některé méně. Skleníkové plyny zcela analogicky budou ty, které jako dobré tepelné izolanty a nebudou teplo ochotně propouštět. Můžeme si to představit tak, že četnost srážek IR fotonů s molekulami je vyšší, takže dráha, kterou musí foton projít, aby se uvolnil, je mnohem delší, nebo že molekula, která foton pohltí, si ho uchová podelší dobu, než ho zase uvolní.

Tento teoretický model nemusí být zcela v souladu s fyzikální teorií, jde o zjednodušenou představu, jak popsat přeměnu fotonů na teplo.

Vraťme se k našemu skleníku. Na zemský povrch dopadá v naší zeměpisné šířce při slunečném počasí asi 1kW/m2.  Albedo (odraz světla) je u plodin a půdy někde mezi 10-20%. Celkové albedo země má asi 30%, prototože oblaka mají vysoké albedo. Voda má naopak velmi nízké albedo, asi 5%. To znamená, že asi 70-80% energie v našem skleníku se promění na teplo. A to na světlo pohlcujících površích. Teplo je uvolňované do vzduchu skleníku. Uzavřený prostor brání konvekci do prostoru a tak převažuje kondukce. Radiace je omezená skleníkovými plyny, v našem případě vodní párou a CO2. Rostliny část energie pohlcují na fotosyntézu a stejně tak odebírají ze vzduchu CO2 a vypouštějí O2, Celý proces tedy do jisté míry stabilizují (zabraňují přehřívání). I to je pro náš model podstatné. V daleko větší míře se jev projevuje lokálně v deštných pralesích.

Podívejme se na naší planetu. Úplně analogicky bude teplený tok od planety vyšší, než z vesmíru od Slunce prostě proto, že albedo je oněch 30% a energie se ztratit nemůže. Jaké je albedo v neviditelné části spektra jsem nedohledal, ale je známá celková energetická bilance je, že asi 7% je UV - většina je pohlcená ozónovou vrstvou, 47% je viditelné světlo, a 46% je IR záření. Vraťme se ještě zpátky k pařeništi. Ve vrstvě vzduchu pod fólií jsou přítomné skleníkové plyny hlavně vodní pára H2O a v menší míře i CO2. Oba plyny, tj. jak pára, tak i CO2  vykazují podobné vlastnosti, pokud se týče pohlcování IR záření. Pára má ve spektru několik maxim; cca od 17µm vlnové délky pohlcuje zcela. CO2 má nejlepší absorbční schopnosti v pásu, cca od 13-17µm vlnové délky.

Teď už se dá dost přesně popsat, co se ve skleníku - pařeništi odehrává. Infračervené světlo je pohlcováno přímo ve vzduchu CO2 a vodní párou (H2O), tím se ohřívá vzduch, viditelné světlo prochází bez odporu až k povrchům, kde je přeměněné na teplo, kondukcí část odchází do půdy, část se opět pohlcuje v atmosféře skleníku. Je zřejmé, že bilance IR záření je vyšší ve směru od dola nahoru, než v opačném směru, tedy shora dolů, teplota narůstá. To je v souladu s pozorováním. Povšimněme si také, že takový skleník je z hlediska meteorologie vlastně hot spot - horké místo, které akumuluje teplo a pak ho vyzařuje do okolí.

Zaměřme se ještě na CO2. V atmosféře je CO2 poměrně málo, ač hodnoty narůstají. Od roku 1980 do roku 2020 narostly hodnoty ze 340 ppm na 410 ppm. Přitom koloběh CO2 je celkem pomalý, celý objem projde cyklem za 50-200let (zdroj ČHMÚ). Lidskou činností se odhaduje, že se ročně přidá do bilance CO2 pouhá 4%.  Problém je v tom, že vzhledm k cyklu CO2, se přidávají kumulativně každý rok asi 4%. Za 50 let je to 200%. Podíváme-li se na údaje výše, tak to nevychází. Nárůst zdaleka není tak strmý, pohybuje se mezi 1-2%. Proč? Protože voda je výborný absorbér a pokrývá 2/3 povrchu země. Vlastní povrch vody je ale mnohem větší, voda se vlní, CO2 se ve vodě reakcí mění na kyselinu uhličitou, která způsobuje zvýšenou kyselost vody a s tím jsou spojené rozsáhlé změny v mořských biotopech. To je opět další odbočka, která pro naše poznání není podstatná. Kyselina uhličitá je nestabilní a ohřátím nebo snížením tlaku se rozkládá zpět na CO2 a H2O. https://www.meteocentrum.cz/aktuality/meteorologie-klima/16022600/rok-2015-prinesl-rekordni-prirustek-oxidu-uhliciteho-v-atmosfere

Další důležitá vlastnost látek je měrná tepelná kapacita (měrné teplo). Tedy množství energie, které je potřeba k ohřátí látky (zpravidla jednoho kilogramu) o jeden stupeň. Měrná kapacita vzduchu je  asi 1 kilojoule na kilogram a kelvin (kJ/kgK), u vody je hodnota asi 4 a u země je to různé, podle složení, přibližně je hodnota odhadem někde kolem 0,7 kJ/KgK. To znamená, že nejrychleji se ohřeje země, pomaleji se ohřívá vzduch a nejpomaleji voda. Je potřeba rozlišit tepelnou vodivost a měrnou tepelnou kapacitu. Tepelná vodivost říká, jak dobrý je látka vodič tepla, tj. jak rychle se teplo šíří kondukcí, zatímco měrná tepelná kapacita je veličina, která určuje kolik tepla je potřeba k ohřátí dané látky o jeden stupeň (bez ohledu na tom, jak dlouho to bude trvat).

Vraťme se ke skleníkovému efektu. Už víme jak a proč vzniká, zbývá vyřešit, jestli je lidská činnost opravdu onou složkou, která vychyluje rovnováhu. Z předchzího vychází, že spíše ano. Kromě CO2 človek prokuje i N2O, což je také skleníkový plyn a některé další. Je například zajímavé, že CH4, tedy metan, který je velmi silný skleníkový plyn nemá prakticky a skleníkový efekt příliš vliv. Proč? Protože je hodně reaktivní a velmi rychle reaguje se vzdušným O2 na CO2 a vodní páru (cyklus má 12 let). Přispívá tedy hlavně do bilance CO2. Velmi problematický je nárůst NOx, které se v přírodě před činností člověka dosahoval hodnot 270ppb, současný stav je někde kolem 320ppb. Cyklus má odhadnutou dobu 120 let, tj. opět se může snadno kumulovat. Všechna dosavadní ověřená a potvrzená měření bohužel potvrzují korelaci koncentrace CO2 a dalších skleníkových plynů a z toho plynoucí nárůst teploty.

Některá měření však možná ukazují něco jiného. Před několika lety vyšel na Oslu článek, terý teorii zpochybňuje a uvádí, že nárůst CO2 je fázově posunutý za a nikoli před oteplením. http://www.osel.cz/6577-co2-a-teploty-popletena-pricina-a-dusledek.html V práci bylo poukázáno na to, že CO2 se masivně uvolňuje z ohřáté mořské vody v rovníkových oblastech. Originání článek (autor Ole Humlum) vyšel v roce 2012 v angličtině, a byl mnohokrát citovaný v různých médiích. Na stejném místě (tj. sciencedirect), byl v zápětí (2012) rozporován a interpretace měření byla shledána chybnou, protože nevysvětluje jev, který je pro pochopení koloběhu CO2 klíčový. Jak se CO2 do mořské vody dostal a jak měnila jeho koncentrace v čase dlouhodobě (100 a více let).

Podívejme se na slavný graf, reprodukovaný i na Oslu podrobněji. Předpokládejme, že měření je provedené přesně, tj., že jde o správnou časovou závislost okamžité průměrné teploty a koncentrace CO2. První, co mě zarazilo bylo, že graf byl upravený tak, aby nerespektoval roční období (Doslova: "Z dat je takto odfiltrován roční cyklus střídání ročních období.") To je dost zásadní zásah. Jaká metodika byla použitá a jaým způsobem k odfilrování došlo? To je první známka toho, že graf nemusí mít dostatečnou vypovídací schopnost. Druhé varování, které zavání už vysloveně manipulací je, že nula je na ose y posunutá na nějakou neznámou hodnotu (není uvedeno na jakou ani v případě teploty  a ni v případě CO2). Takové manipulace jsou typické pro statistické grafy, kde chce autor účelově zkreslovat. Přesto, když porovnáme známé údaje o vzdušném CO2, tak nám vyjde že autor posunul nulu asi o 300-400ppm nahoru. Kolísání se pohybuje v intervalu asi 2ppm. To je v přepočtu přibližně asi polovina CO2, který vypouštíme ročně my lidé. I na grafu je je vidět, jak CO2 stále roste.Jakvysvětlit onen na první pohled divný fázový posun. Jak se ukáže dále, je zcela racionálně vysvětlitelný

Stačí najít na zemi hot spoty a pozorovat, co se děje. Takových míst je velmi mnoho. Vlastně každá tlaková výše je hot spot. Extrémní hot spoty jsou Mexický záliv, kde se rodí hurikány a rovníkové pásmo Tichého oceánu,kde se projevujejev zvanýEl Niňo (La Niňa). Právě El Niňo jako největší hot spot nad vodní hladinou uvolňuje nejvíc CO2. Profesor Humlum tvrdí, že do bilance CO2 přispívá rovníkový oceán mnohem víc, než celá severní polokoule. To je polopravda. Po ohřátí ohromného množství vody, při energii, kterou Slunce mnohonásobně překračuje veškeré energetické zdroje které lidstvo má, se během velmi krátké doby uvolní z vody tolik CO2, kolik lidstvo produkuje asi půl roku až rok (rozdíly jsou v jednotkách ppm v celém objemu plynného obalu Země). Problém je v tom, že profesor přičítá tomuto jevu čistě přírodní příčiny a dále to nerozvádí. Přitom, z výše uvedeného je zřejmé, že onen nadbytečný CO2 do té vody jsme jaksi mimochdem a nevědomě dostali my lidé; CO2 z rovníku je prostě z části huanoidní a je nepodstatné, jestli se uvolňuje přímo nebo nepřímo, tedy skrze sekundární uvolnění z vody. Přirozenými fluktuacemi (La Niňa) se v příštích letech teplota sníží a CO2 je do vody (opět se zpožděním několika měcíců) saturovaný. Přitom my jsme mezitím vyprodukovali zase o něco víc CO2, takže teplota se nesníží o tolik, o kolik by to mělo být, ale zůstává pořád o něco vyšší. Tato tendence je patrná i z onoho grafu, který končí rokem 2012 (1982-2012). Stačí proložit oběma grafy regresní křivku. Zajímal by mě vývoj až do roku 2020, tendence bude zřejmě pořád výraznější. Jinak řečeno, koloběh CO2 je jiný, než jak jsme si mysleli. Pro úplnost je nutno ještě doplnit další hot spoty, které jsou nad pevninou, na severní polokouli poblíž rovníkového pásma na západě a na jižní polokouli kupodivu, také na západě. Je to dáno pohybem chladných a suchých vzdušných mas a chladných mořských proudů. Sahara v Africe, Údolí smrti v Americe, Austrálie, Západní Indie, západ Jižní Ameriky... Tyto hot spoty ovlivňují dost podstatně vzdušné proudění a podílejí se na výrazně na sezónních výkyvech. Humlumův graf tedy vlastně jen velmi dobře zachycuje a potvrzuje chování jevu El Niňo - La Niňa, tedy jev, který je dobře známý a který pravděpodobně bude souviset se sluneční aktivitou. Demonstruje uvolňování a saturaci CO2 v mořské vodě při změnách teplot, ale nemá vypovídací schopnost ohledně korelace mezi průběžným nárůstem CO2 (za posledních asi 50 let o cca 100ppm) a nárůstem teplot na planetě.

Pokud se týče dalších odkazů ve článku na Oslu, například "Velký podvod s globálním oteplováním", stačí se podívat na úvodní komentář k filmu od klimatologa Tolasze. Dále nerozvádím, vlastní dokument, žádná skutečná vysvětlení nedává. Graf, který ukazuje zpoždění nárůstu CO2 o několik století oproti teplotě také nebudu příliš komentovat. Píší a říkají, že se to opakuje pravidelně, ale zveřejňují pořád ten samý graf. V tomto případě bych se spíše přikláněl k názoru že korelace zde není a jde o jiný jev. Například sopečnou činnost. Ukazovalo by na to i současné snižování teploty (viz graf na Oslu), protože při sopečné činnosti se dostávají do ovzduší i prachové částice a oxidy síry, které působí tak, že teplotu snižují. Jak a proč prachové částice a některé plynné sloučeniny teplotu snižují nerozvádím. Je to dobře známý jev.

Poslední odstavec bude věnovaný vzdušné vlhkosti. Přestože vodní pára má výrazný skleníkový efekt, nikdo z vědecké obce tomuto jevu nevěnuje zvláštní pozornost. Přitom pára dsahuje až 4% (objemová procenta). Pokud to srovnáme s CO2, který má cca 0,04% (400 ppm) a přitom poměrně úzký spetrální interval oproti páře (viz výše), vypadá to, že CO2 je marginální záležitost. Bohužel zdání klame. Cyklus CO2 je vázaný na asimilaci rostlin, hlavně buď pozemských lesů, nebo vodního fytoplanktonu a jak víme, jeho cyklus se pohybuje kolem 50-200let. Při zvýšené teplotě a hladině CO2 rostliny lépe asimilují, takže se cyklus může poněkud zrychlit, ale je zde mnoho proměnných, které mohou asimilaci snížit nebo dokonce úplě zastavit. Například přehřívání oceánů způsobuje úhyn fytoplanktonu, stejně tak zvýšená koncentrace O3, která je také pozorovaná se zvýšenými teplotami a nárůstem NOx, vede k ničení fotosytetických pletiv rostlin, atd... Vraťme se však k vodní páře. Ve vzduchu je rozložená nerovnoměrně, vytváří aerosolové shluky (oblaka) v místech, kde jsou vhodné podmínky a tím zemi zastiňuje. Životní cyklus páry v atmosféře je velmi krátký, cca 20dní a závisí hlavně na teplotě. Proto, přestože v důsledku oteplování se může do atmosféry uvolňovat páry větší množství, bude působit spíše neutrálně. Někde může působit jako skleníkový plyn, někde bude stínit v podobě oblaků a někde se vrátí v podobě deště do koloběhu vody na Zemi. Vodní pára ovlivňuje tedy počasí, ale nevstupuje jako významný činitel do změn klimatu.

Mezitím vyšlo množství dalších studií, které jev globálního oteplování potvrzují. Velmi dobrou práci poskytl ČHMÚ. http://portal.chmi.cz/files/portal/docs/meteo/ok/klimazmena/files/cc_chap05.pdf

Závěrem lze říci, že přestože má CO2 poměrně úzké infračervené absobční pásmo, přestože je jeho koncentrace v atmosféře relativně velmi nízká, ukazuje se, že dokáže, v souladu s teorií katastrof spolu s dalšími skleníkovými plyny (N2O, CH4, O3) produkovanými činností člověka významně vychylovat proměnlivou rovnováhu tepelné bilance atmosféry Země.

Pod čarou

V průběhu psaní blogu jsem poslal text k posouzení příteli Ing. Zdeňku Vagnerovi (Ústav chemických procesů ČSAV) k oponentuře. Má dost podstatné výhrady k teoretické části, kde jem spáchal několik příliš velkých zjednodušení až chyb, které ale nemají vliv na celkové posouzení vlivu CO2. Cituji jeho komentář k obsahu jako takovému:

"Ano, CO2 přispívá k oteplování, ale je to na dlouhé povídání. Rozhodně
nemají pravdu aktivisti, ale mají pravdu odborníci z Ústavu globální
změny."

Protože mě ony chyby vadí a nechci zasahovat zpětně do textu, budou některé moje nepřesnosti a omyly opravené formou otázek a odpovědí zde pod čarou.

Otázka:

Teplo se přenáší konvekcí, kondukcí a radiací, tedy prouděním, přenosem a vyzařováním (sáláním). Je to správně?

Odpověď:

Český název pro kondukci je vedení. Ve výčtu ještě chybí přestup, což je vlastně vedení v mezní vrstvě mezi dvěma povrchy. Například mezí povrchem země nebo vody a vzduchem.

Otázka:

Dá se kondukce, tedy šíření tepla vedením vysvětlit pomocí přenosu tepelných fotonů?

Odpověď:

Nedá. Je potřeba rozlišit rychlost světla a tepelnou vodivost v prostředí. Vysvětlení rychlosti světla ve hmotném prostředí je otázka kvantové optiky. S kondukcí je to ale přesně obráceně. Kondukce vůbec nesouvisí s fotony. Tepelnou vodivost v pevných látkách lze pochopit z Debyeova modelu tepelné kapacity. Na rozdíl od Einsteinova modelu, kde je každý atom vyšetřován samostatně, Debeye modeluje pevnou látku jako elastické těleso, kde atomy kmitají v silovém poli sousedních atomů. Při kondukci se tedy kvanta energie předávají interakcí mezi sousedními atomy, ionty či molekulami, fotony do děje nevstupují.

https://cs.wikipedia.org/wiki/Tepeln%C3%A1_vodivostČím více je interakcí (nemusí to být nutně srážky), tím rychlejší je
vedení tepla. V kapalinách je kondukce menší, důležitější je konvekce.
V plynu není kondukce prakticky žádná a ve stratosféře už ani konvekce
není významná.

Otázka:

Jakým způsobem se přeměňují fotony viditelného světla na IR fotony a jak to souvisí s teplotou?

Odpověď:

Foton se nerozpadá na nízkoenergetické fotony, foton je částice s
nulovou klidovou hmotností, není složen z kvarků. Foton při absorpci
zaniká a příslušná částice je excitována na vyšší energetickou hladinu
tak, že ?E = h?, kde h je Planckova konstanta. V případě viditelného
světla dochází k excitaci valenčního elektronu. Pak je ovšem v
excitovaném stavu více částic, než odpovídá teplotě. Elektron se tedy
může vrátit zpět do základního stavu a vyzářit foton se stejnou
vlnovou délkou. Pokud byl excitován o několik hladin současně, může se
vracet na nižší energetické hladiny postupně a vyzářit přitom několik
fotonů. Může se ovšem vrátit do základního stavu nezářivým přechodem,
kdy je kvantum energie předáváno do jiných stavů, a to takových, kde
odpovídající vlnové funkce mají nenulový překryvový integrál. Tím se
absorbované energetické kvantum přetransformuje na kinetickou energii
částice, která je projevem teploty.

Otázka:

Co je to překryvový integrál?

Odpověď:

V mikrosvětě je vzhledem k principu neurčitosti pojem prostoru dost
jiný než v makrosvětě. Navíc kvantový princip platí i v makrosvětě,
ale rozdíl sousedních kvantových hladin je tak malý, že můžeme
kvantování zanedbat. Typickou školní úlohou je výpočet de Broglieho
vlnové délky lezoucího hlemýždě, čímž se ukáže, že v makrosvětě nemá
smysl uvažovat o dualismu vlna-částice. Raději bych to tedy formuloval
tak, že vlnová funkce vyjadřuje pravděpodobnost výskytu v daném
kvantovém stavu. V případě elektronu může jeden prostorový element
příslušet několika kvantovým stavům. Překryvový integrál vyjadřuje
pravděpodobnost, že může být částice ve dvou stavech současně. To ale
znamená, že má dvě různé energie. Podle principu neurčitosti víme, že
částice nemá v přesně daném čase přesně danou energii. V čase, který
plyne z principu neurčitosti, se tedy částice buď musí vrátit do svého
původního kvantového stavu, nebo s okolím vyměnit kvantum energie a
přejít do jiného kvantového stavu. Z principu neurčitosti plyne, že ty
časy jsou v řádu femtosekund a kratších. Čím větší je překryvový
integrál, tím větší je pravděpodobnost přechodu mezi odpovídajícími
kvantovými stavy. Proto jsou v molekulách některé přechody povoleny
a některé zakázány (mají téměř nulovou pravděpodobnost).