Problém co začal už Arrhenius: Kysličník uhličitý a doba ledová - a teď i sopečné aktivity

Už S. Arrhenius řešil vztah obsahu CO2 v atmosféře i k době ledové. Tehdy hlavně ukázal, že jeho navyšování v atmosféře povede k nárůstu její teploty. Nyní výzkumy z univerzity v Sydney ukazují na roli sopek v nástupu ochlazování.

Na podzim 1895 proslovil Svante Arrhenius přednášku, ve které předložil kvantitativní model role CO2 ve skleníkového jevu, vedoucí k výsledkům v zásadě platným i dnes. Tyto výsledky pak na jaře 1896 publikoval časopisecky. V té době již byl akceptován radiační zákon Stefana (či Stefana a Boltzmanna). Ten byl později i odvozen Planckem s pomocí (tehdy ještě spekulativního) kvantování energie (tuto nadstavbu však už Arrhenius nepotřeboval). Jeho prvotní motivací tehdy paradoxně bylo navrhnout možné vysvětlení pro vznik doby ledové, nikoliv tedy ještě otázka zvyšování teploty atmosféry v důsledku spalování uhlíkatých paliv. Ale na základě svých výpočtů pak nakonec podal předpověď, jak se bude měnit teplota na Zemi, a to jak při poklesu (což byla ta jeho iniciální motivace - vysvětlení vzniku doby ledové) tak při zvyšování obsahu CO2 v zemské atmosféře. Výsledky tabeloval pro různé zeměpisné šířky a roční období. Došel tak k zprůměrovaným hodnotám, že pokles obsahu CO2 na dvě třetiny jeho tehdejší hodnoty povede k poklesu teploty o 3.2°C, zatímco naopak vzestup na 1,5-násobek přinese zvyšení teploty o 3.4°C. A pak další zvyšování koncentrace CO2 na 2-, 2,5- a 3-násobek by mělo způsobit zvýšení teploty o 5,7, 7,4 a 8.4°C. Přes mnoho zjednodušení obsažených v Arrheniově modelu se nicméně jednalo i z dnešního pohledu o realistické hodnoty. Ještě než Arrhenia opustíme a vydáme se k protinožcům, poznamenejme, že Arrhenius byl aktivní i v řadě jiných výzkumných směrů, jeho nejvýznamnějším příspěvkem byla ovšem iontová disociace elektrolytů, za kterou obdržel v r. 1903 Nobelovu cenu za chemii. Postupně se sám stal i vlivnou postavou v procesu udělování Nobelových cen. Byl přítelem právníka Nobelovy nadace, který s ním konzultoval realizaci Nobelovy závěti, a od r. 1905 působil jako ředitel v Nobelově Institutu. V této pozici nejenom některá udělení podporoval, nýbrž některá naopak i brzdil. Má se za to, že (trestuhodně) přispěl k neudělení ceny pro D. I. Mendělejeva, vzdor tomu, že ho kupř. opakovaně navrhoval první laureát Nobelovy ceny za chemii J. H. van't Hoff. Mendělejev totiž původně byl kritikem iontové teorie. Podobně (také trestuhodně), byť tentokrát neúspěšně, se snažil - byť z odlišných důvodů - zabránit druhé Nobelově ceně v případě Marie Curie.

Nedávno se otázce mechanismu vzniku doby ledové věnovali i na univerzitě v Sydney, jmenovitě jim šlo o období před nějakými 700 milióny let. V tom období teplota poklesla do té míry, že Země byla význačně pokryta ledem. Australské výzkumy vedly k závěru, že k tomu přispěly dva faktory. Jednak nízká produkce kysličníku uhličitého z titulu nízké sopečné aktivity, a navíc i jeho spotřebování při tvorbě minerálů. V té době ještě neexistovaly rostliny. Koncentraci kysličníku uhličitého tak kontrolovaly právě ty dva faktory - jeho produkce vulkány a spotřebovávání při mineralizačních procesech. Odhaduje se, že v té době atmosférická koncentrace kysličníku uhličitého tak klesla na méně než polovinu dnešní úrovně. Jak už věděl Arrhenius, takový pokles má za následek ochlazení atmosféry. Snížená sopečná aktivita sama byla důsledkem velkých geologických změn na Zemi. V onom období před nějakými 700 milióny let mělo dojít k rozlomení tehdejšího superkontinentu nazývaného Pangaea či Rodinia. Období po reorganizaci povrchu i oceánu pak bylo spojeno se sníženou sopečnou aktivitou, tím poklesem atmosférického kysličníku uhličitého, a následně i atmosférické teploty. Tyto výsledky ovšem ukazují, jak citlivé je zemské klima ku přítomnosti sloučenin uhlíku v atmosféře - tedy o jak delikátní faktor se jedná. Sopečná aktivita ma mimochodem i další důsledky pro atmosféru, zejména u sopek na pevnině (méně u sopek podmořských). Uvolňuje do atmosféry i sopečný popel a sloučeniny síry - obé snižuje množství slunečního záření dopadajícího na zemský povrch. Roli ale navíc hrají též změny v pohybech Země s časem, např. precese zemské osy.

Existuje dokonce i podobná, spekulativnější teorie směřující do budoucna, totiž, že rozložení kontinentů není definitivní. Po nějakých dalších 250 miliónech let by podle ní mělo dojít k vytvoření superkontinentu zvaného Neopangaea či Pangaea Proxima, což by opět mělo být spojeno s výraznými klimatickými změnami. 

Samotná kritická klimatická role kysličníku uhličitého je ovšem ukotvena v procesech na molekulární úrovni, čímž se opět dostáváme ku Arrheniovým výsledkům starým 129 let. Podle Stefanova-Boltzmannova zákona úhrnná energie vyzařovaná černým tělesem (tj. tělesem pohlcujícím záření všech vlnových délek) roste se čtvrtou mocninou absolutní teploty. Tento zákon je možné aplikovat i na odhad průměrné teploty povrchu Země. Za tepelné rovnováhy musí být energie přijímaná zemským povrchem rovna energii jím naopak vyzařované do prostoru. Protože ale část slunečního záření je odrážena, aniž by došlo k jejímu pohlcení povrchem, zahrnuje se redukce na toto tzv. albedo (může tvořit 30% přicházející energie). S pomocí Stefan-Boltzmannova zákona tak pro průměrnou teplotu Země vychází hodnota 255 K, tedy o nějakých 33 K nižší než hodnota známá z pozorování. Tento rozdíl způsobují atmosférické plyny zachycující část vyzařované energie - hlavně jde o CO2 a H2O, dále O3, CH4, atd.

Klíčovým faktorem je redistribuce energií, opět související s teplotou obou těles, která vede k velmi odlišné podobě spekter záření přicházejícího od Slunce a toho naopak vyzařovaného Zemí zpět do prostoru. V jednoduché podobě to popisuje Wienův posunovací zákon - vlnová délka s nejvyšší zářivostí je nepřímo úměrná teplotě tělesa. Zatímco sluneční spektrum vykazuje maximum kolem vlnové délky 500 nm, maximum spektra vyzařovaného Zemí je kolem 10000 nm. To je v souhlase s Wienovým posunovacím zákonem, neb teplota Země je přibližně dvacekrát nižší, než teplota slunečního povrchu. Poznamenejme, že u přicházejícího slunečního záření pak zachycuje ozónová vrstva energetičtější složku jeho ultrafialového záření (která sice je zvlášť učinná proti virům, současně ale může působit třeba rakovinu kůže). Maximum záření emitovaného Zemí leží při podstatně delších vlnových délkách, totiž v těch, ve kterých adsorbují infračervená vibrační spektra polyatomických komponent atmosféry (při kterých však neadsorbují obě hlavní složky atmosféry, N2 a O2 - fakticky v důsledku symetrických výběrových pravidel). Je to tento zásadní rozdíl ve spektrálních profilech Slunce a Země, který spolu s přítomností polyatomických molekul v atmosféře umožňuje skleníkový efekt.

Dnes spektrální profily vyzařování energie ze Země do prostoru poskytují měření z umělých družic. Pro toto vyzařování do prostoru používá Arrhenius označení temné paprsky (ostatně tyto paprsky se dnes používají v zařízeních pro noční vidění), zatímco dopadající sluneční záření označuje jako paprsky světelné. Nicméně Arrhenius sám žádná měření neprováděl (zmiňuje, že by stavba přístrojů stejně přesahovala jeho omezené prostředky). Místo toho informace potřebné pro okalibrování svého modelu čerpal z měření infračerveného záření na Zemi přicházejícího od Měsíce, která za úplňku v letech 1885-7 prováděl americky astronom Samuel P. Langley. Vedle toho Arrhenius sám též navazoval na dřívější významné poznatky o ohřívání atmosféry od svých předchůdců, kterými byli francouzští učenci J. Fourier (jeho jméno dnes figuruje třeba i v termínu Fourierovy řady; skleníkovým jevem se obíral už kolem roku 1824), C. Pouillet (jeho jméno dnes zachováno v termínu Pouilletův úkaz; skleníkovým jevem se obíral už kolem roku 1838), a Angličan J. Tyndall (jeho jméno dnes figuruje v termínu Tyndallův úkaz; skleníkovým jevem se obíral už kolem roku 1859). Arrheniovy vzorce ale vycházely právě z tehdy nově formulovaného radiačního zákona Stefana. Vedle příspěvku CO2 uvažoval i roli vodní páry.

Foto u perexu: Erupce islandské sopky Fagradalsfjall v roce 2021 (https://en.wikipedia.org/wiki/Volcanism_of_Iceland#/media/File:Geldingadalagos.jpg).

XXVII. díl seriálu: 666@Sky - Je naprosto nezbytné, aby nebe bylo blankytné
[blankyt:666THz]
XXVI. díl seriálu: https://zdenekslanina.blog.idnes.cz/blog.aspx?c=813863

This work is licensed under CC BY-NC-ND 4.0