Oxid uhličitý a skleníkový efekt v atmosféře
Nedávno jsem v diskusi pod blogem (na aktualne.cz) dostal vynadáno, že je můj blog málo vědecký a příliš zjednodušující. Jsou v klimatologii témata, která bez vědy příliš zjednodušit pro širokou veřejnost nelze. Skleníkový efekt je jedním z nich.
Elektromagnetické sluneční záření (slunce k nám do atmosféry posílá ještě i částicové záření) je ultrafialové (ʎ pod 380 nm), viditelné (ʎ je mezi 380 nm a 760 nm) a infračervené (ʎ nad 760 nm). Celkovou intensitu tohoto záření dopadající na horní hranici atmosféry kolmo k paprskům popisuje tzv. solární konstanta, která není konstantou v pravém slova smyslu. Kolísá v závislosti na eliptické dráze Země kolem Slunce (až o 40 W/m2) a podle slunečního cyklu (o jednotky W/m2). Její hodnota je dnes v průměru cca 1361 W/m2 a tato hodnota postupně klesá. Při průchodu atmosférou je část záření pohlcována a to právě v závislosti na vlnové délce. Ultrafialové záření do ʎ=290 nm je pohlceno zcela, ʎ od 290 do 320 nm prochází jen z třetiny. Část infračerveného je pohlcena skleníkovými plyny (viz dále) už cestou k Zemi. Viditelné záření je pohlcováno v závislosti na tloušťce atmosféry (hlavně troposféry) a je tedy více pohlcované v rovníkových oblastech (mocnost troposféry až 18 km) a méně v polárních oblastech, kde je mocnost troposféry jen kolem 9 km, zde ovšem dopadají paprsky pod větším úhlem (vlivem ekliptiky) a tedy mají delší dráhu. Výsledkem je, že z původně cca 1361 W/m2 (IPCC AR5, 2013) na horní hranici atmosféry dopadá na Zemský povrch jen část této energie. Dobře o tom vypovídá rozložení intensity slunečního záření dopadajícího na zemský povrch, které v ročním průměru je v tropech a subtropech od 200 do 350 W/m2, v mírném pásu 100 až 150 W/m2 a v polárních oblastech 50 až 100 W/m2. Informace a odkazy k této části jsou přehledně zpracovány, včetně datových zdrojů, např. ZDE.
Teprve tato část slunečního záření je na zemském povrchu využitelná. Část je odražena v závislosti na typu povrchu (viz albedo v textu z 5. 8. 2019), část je povrchem absorbována a částečně vyzařována zpět jako záření infračervené s ʎ mezi 760 nm a 1 mm. A tady to začíná být zajímavé, protože radiačně aktivní plyny (H2O, CO2, N2O, F plyny, …), které krátkovlné záření cestou k Zemi nepohlcovaly, se k dlouhovlnnému chovají jinak. Tyto plyny infračervené záření pohlcují a poté samy vyzařují (do všech směrů a tedy i zpět k Zemi). Tento jev se označuje, ne zcela správně, jako jev skleníkový. Dnes už všichni víme, jak tento jev funguje a že to je ve skleníku poněkud jinak. Takto funguje každá jedna molekula radiačně aktivních plynů. Množství energie, které je takto vyzářeno zpět k zemskému povrchu, je závislé na teplotě a vlhkosti atmosféry a na množství skleníkových plynů. Teoreticky zkonstruovaná planeta bez skleníkových plynů by měla průměrnou přízemní teplotu o 33 °C nižší, než aktuálních 15 °C. Za toto vděčíme skleníkovým plynům. Pro úplnost je třeba dodat, že obdobnou funkci v této absorpci a zpětném vyzařování dlouhovlnného záření mají aerosoly větší než PM2.5 (viz fig. 1.1 v AR5 IPCC, 2013).
Každý radiačně aktivní plyn pohlcuje jiné vlnové rozsahy infračerveného záření, přičemž je známo, že vodní pára má nejvyšší rozsah, ale zároveň má okna, která některé rozsahy nepohlcují téměř vůbec. Stejně tak jiné radiačně aktivní plyny. Tato okna se u jednotlivých plynů bohužel/bohudík nepřekrývají, ale doplňují. I proto mohou být využívaná např. pro astronomická měření, ale zároveň vysvětlují například to, proč má vyšší podíl na skleníkovém efektu CO2 v místech, kde je méně vodní páry (např. v Arktidě) a naopak.
Růst oxidu uhličitého v atmosféře na základě měření ukazuje tzv. Keelingova křivka. Je vidět, že se za 60 let zvýšila koncentrace CO2 z úrovně cca 320 ppm na dnešních cca 410 ppm. Dalším dobře proměřeným radiačně aktivním plynem je metan (CH4) jehož úroveň se od konce 80. let zvýšila z 1680 ppb na 1900 ppb. Dobré je vědět, že „skleníkovou účinnost“ jednotlivých radiačně aktivních plynů lze dobře přepočítávat na tzv. CO2eq (skleníkový efekt 20 t CO2 odpovídá skleníkovému efektu 1 t CH4).
Jak CO2, tak CH4 jsou součástí koloběhu uhlíku na Zemi a velké množství uhlíku je vázáno v jednotlivých částech klimatického systému. Např. ve vegetaci 600 Gt, v půdě 1600 Gt, v atmosféře 750 Gt, řádově vyšší čísla v různých formách v oceánu (38000 Gt uhlíku je v oceánech např. rozpuštěno) a v sedimentech, včetně fosilních zdrojů. A zároveň existují toky uhlíku mezi jednotlivými částmi - z atmosféry do vegetace, z vegetace do půdy, z půdy do atmosféry, z atmosféry do oceánu a naopak, … Pro srovnání, člověk uvolňuje ročně cca 11 Gt uhlíku, se kterými si klimatický systém musí poradit. Pokud však roste atmosférická koncentrace těchto plynů (viz předchozí odstavec), tak je vidět, že si systém neradí zcela, zhruba polovina tohoto množství zůstává v atmosféře i ve formě radiačně aktivních plynů.
Já považuji tyto souvislosti za docela jasné. Můžeme se uklidňovat tím, že vodní pára je podstatně významnější skleníkový plyn nebo tím, že 415 ppm CO2 není ani zdaleka nejvyšší koncentrace tohoto plynu v atmosféře v historii Země. To samozřejmě ano, ale jak jsem se pokusil vysvětlit, každá molekula se v atmosféře počítá a z těch ročních cca 20 Gt CO2 (11 Gt C x 3,67 a z toho polovina), které v atmosféře zůstávají je molekul docela hodně.
Nedávno jsem byl označen za hlupáka, osla, ekofanatika a lháře a včera na twitteru padla ještě horší slova (viz https://twitter.com/turbyho). Já si s tím vnitřně poradím, o mě nejde. Ale já vidím ty desítky a stovky expertů a v oboru hodně vzdělaných lidí, kteří připravují každý jednotlivý IPCC report. Využívají k tomu výstupy tisíců dalších vědců. Bez nároku na jakoukoliv odměnu, nic z toho nemají. Snad jen pocit z dobře vykonané práce. A potom přijde někdo, kdo si tu zprávu ani nepřečte, vzpomene si na nějaký starý a už stokrát vyvrácený fake a snaží se práci těchto lidí shazovat. Proč? Pokud tomu rozumí, ať s nimi diskutuje nebo ať to publikuje. Vždyť dnes publikovat cokoliv je, prý, tak jednoduché.