ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ OBOR GEODÉZIE A KARTOGRAFIE GLOBÁLNÍ OTEPLOVÁNÍ Možné příčiny a jeho důsledky Duben 2013 Jan ŠAFRÁNEK
ABSTRAKT Tato práce je zaměřena na vysvětlení pojmu globálního oteplování a jeho historického pozorování, jak pomocí měřitelných hodnot člověkem tak i v přírodních záznamech v ledovcích na Grónsku a na Antarktidě. Dále bude vysvětlena funkce skleníkových plynů, jejich složení a fyzikální vlastnosti, které jsou důležité pro zjištění budoucnosti vývoje oteplování nebo naopak ochlazení. KLÍČOVÁ SLOVA Globální oteplování, historické záznamy teplot, skleníkové plyny, CO2, ledovce.
ABSTRACT This work focuses on the notion of global warming and its historical observations using both measurable human values and in natural records in glaciers on Greenland and Antarctica. It will be explained the function of greenhouse gases, their composition and physical properties that are important for determining future developments warming or cooling. KEY WORDS Global warming, the historical record temperatures, greenhouse gases, CO2, icebergs.
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že práci na téma Globální oteplování možné příčiny a jeho důsledky jsem zpracoval samostatně. Použitou literaturu a podkladové materiály uvádím v seznamu zdrojů. V Praze dne........................................ (Podpis autora)
OBSAH Úvod... 6 1. Zdroje pro určení historie teplotních odchylek... 7 1.1. Záznam teplot z historických měření... 7 1.2. Dálkový průzkum Země... 8 1.3. Hodnoty určené ze vzorků ledovců... 9 2. Skleníkové plyny... 12 2.1. Oxid uhličitý a jeho zdroj... 13 2.2. Oxid uhličitý a jeho dopad na Zemi... 14 Závěr... 16 3. Seznam obrázků... 17 4. Literatura... 18
Úvod Tato semestrální práce je zaměřena na globální oteplování a skutečného vlivu CO2 na vývoj teploty a přírodu. Budou zde rozebrány data podle, kterých můžeme odhadnout historii a vývoj teplot. Právě daleká historie může napovědět o skutečných přírodních zákonech, které platily a budou platit i nadále pouze s pozměněnými vlastnostmi.
1. Zdroje pro určení historie teplotních odchylek Mnoho sporů ohledně globálního oteplování je založeno na interpretaci teplotních záznamů z minulosti, pocházejících ze dvou různých zdrojů. Patří mezi ně měření teplot za posledních 130 let a vrtné vzorky ledu spolu z letokruhů a sedimentů z mořského dna. Za použití těchto zdrojů vědci neustále aktualizují a vylepšují znalosti historie klimatu naší planety. Existují tři hlavní zdroje dat, které vědečtí pracovníci využívají: Národní centrum klimatických údajů Národního úřadu pro oceány a ovzduší (The National Atmospheric/Oceanic and Atmospheric Administration s National Climate Data center). Systémy dálkového průzkumu (Remote Sensing Systems), Univerzita v Alabamě v Birminghamu. Centrum pro výzkum klimatu (The Climatic Research Unit), Východoanglická univerzita ve Velké Británii. Všechny tyto záznamy shromažďuje a stará se o ně Goddardův institut pro kosmický výzkum spadající pod NASA. 1.1. Záznam teplot z historických měření moderní doby. Teprve asi před 130 lety v roce 1880 se začali vést spolehlivé záznamy o podnebí Obrázek č. 1: Teplotní odchylky od roku 1860
Z těchto záznamů lze poznat, že k oteplení došlo hned dvakrát poprvé mezi polovinou třicátých let a koncem padesátých let, a podruhé hned ke konci sedmdesátých let 20. století (viz obr. ). Mezi poslední období globálního ochlazování patří ta z konce 19. století a poloviny 20. století. Pro některé lidi může více než 130 let moderních teplotních záznamů představovat dlouhou dobu, ale z hlediska historie Země a klimatických cyklů to však ve skutečnosti je velmi nedávné období. S porovnáním s historií Země jde pouze o krátkodobý vliv. 1.2. Dálkový průzkum Země Vývoj družic započal v 60. letech 20. století původně pro vojenské účely a získání prvenství ve vesmíru. Později po rychlém vývoji techniky slouží i pro civilní účely (GPS, Meteorologie, DPZ, ) Vývojem radiometrických zařízení a jejich umístění na družice lze sledovat teplotu pozorovaného objektu nebo vesmírných těles. Umožňuje tak bezkontaktní metodu sledování průběhu teplot pro Zemi sledování vývoje teplot z míst, která jsou těžko dostupná nebo jsou v neosídlených oblastech. Obrázek č. 2: Teplotní anomálie získané pomocí družic
1.3. Hodnoty určené ze vzorků ledovců Obrázek č. 3: Skupina vědců na Antarktidě se vzorkem ledu Hodnoty o klimatu z ledovců se určují buď z jezera Vostok pod 4 kilometrovým Antarktickým ledem nebo z ledovce v Grónsku. První vrt v roce 1996 nad jezerem Vostok umožnil rozbory vzorků až 100 000 let staré, ale vrt nebyl dostatečně hluboký, aby se dosáhlo ideálních výsledků a proto byly naplánovány další vrty. Obrázek č. 4: Vrt nad jezerem Vostok Obrázek č. 5: Pohled do vrtu V roce 1999 byl uskutečněn další vrt mnohem hlubší čímž se dosáhlo až 420 000 let starých záznamů historie Země.
Obrázek č. 6: Rozbor vzorků ledu na Antarktidě Obrázek č. 7: Rozbor teplot z Gronského ledovce Už z letmého pohledu na graf rozborů z ledovce (obr. č. 6) zjistíme, že v oteplování a ochlazování Země se rozhodně vyskytuje určitá pravidelnost a tato pravidelnost vychází z cyklů, z nichž každý trvá zhruba 100 000 let. Mezi těmito velkými cykly se odehrávají ještě menší cykly. Tyto cykly jsou založené na něčem co se dá předvídat a co lze spočítat. Vše se točí kolem postavení Země ve vesmíru: sklonu, výkyvu a úhlu Země ve vztahu k Slunci a ke středu Mléčné dráhy. Vědci se domnívají, že zhruba stotisícileté teplotní cykly jsou způsobené převážně měnícím se tvarem oběžné dráhy (exentricity) Země kolem Slunce v průběhu let. Oběžná dráha Země se tak mění z elipsy do kruhu a opačně. Další menší 41 000 cykly možná souvisí s výkyvem Země.
Obrázek č. 8: Bližší průzkum teplot, CO2 a metanu Na obrázku č. 8 lze pozorovat bližší vztah mezi teplotou, CO2 a metanu. Teplota ze vzorků ledu se určují podle koeficientu izotopu δ18o, který se svým průběhem shoduje s teplotou. CO2 se určuje v jednotkách ppm (parts per milion) nebo ppmv to znamená počet částic CO2 na milion částic např. jedna kapka inkoustu na 150 litrů vody nebo 1 sekunda ve 277 hodinách, 46 minutách a 40 sekundách. Při detailnějším modelu lze pozorovat, že v průměru 800 let trvá plynům v atmosféře aby se přizpůsobily změnám teploty. Je patrné že teplota není závislá na plynech v atmosféře pokud nějaká činnost nevyvolá změnu plynů a tím i změnu teploty. Velikou nevýhodou na Antarktidě je velice chladné prostředí, které často brání k odebírání vzorků. Všechny vrty se potýkaly s tímto problémem hned několikrát. V současnosti se z jezera Vostok odebírají vzorky pro určení neznámých mikroorganismů pomocí ruské expedice. Bohužel se do současného vrtu pouštějí nemrznoucí kapaliny, které mohou přispět ke kontaminaci jezera pod ledovou vrstvou.
Obrázek č. 9: Vrt s nemrznoucí kapalinou 2. Skleníkové plyny K hlavním složkám skleníkovým plynů patří složky (plyny), které buď pohlcují nebo rozptylují elektromagnetické vlny od Slunce. K hlavním složkám skleníkových plynů patří: Vodní pára H 2 O CO 2 Kyslík a ozón O 3 Metan CH 4 Oxid dusný (rajský plyn) N 2 O Ostatní skleníkové plyny Každý z těchto plynů má schopnost absorbovat určitou část záření ze širokého spektra, tato část se nazývá absorpční okno a toto okno je pro každý plyn odlišné. Interakcí záření pouze těchto vlnových délek tohoto okna s daným plynem může vznikat skleníkový jev. Na obrázku č. 10 je vidět jak jednotlivé plyny pohlcují různé části spektra. Vodní pára pohlcuje nejvíce
Obrázek č. 10: absorbční vlastnosti plynů záření a způsobuje až 90% celého jevu a pokud by z atmosféry úplně zmizela Zemská teplota by klesla o přibližně o 30 C. CO 2 je srovnatelný s 3 C zemského tepla a pohlcuje malou část infračerveného záření. Dále můžeme vidět důležitost kyslíku a ozónu pro filtrování UV záření, které po delším vystavení může poškodit kůži a další zdravotní komplikace. 2.1. Oxid uhličitý a jeho zdroj Nejoblíbenější veličinou udávající, nakolik je skleníkový jev způsobený CO 2 silný, je takzvaná citlivost klimatu, anglicky climate sensitivity. Oceány pokrývají dvě třetiny povrchu Země a mají značný vliv na klima. Voda v oceánu má velmi velkou tepelnou kapacitu. Navíc její vypařování silně ovlivňuje skleníkový efekt postavený na páře, srážlivost i oblačnost. Jen asi několik stovek metrů hloubky oceánu si však dokáže účinně vyměňovat teplotu a CO 2 s atmosférou. Hlubiny oceánu jsou víceméně izolované. Tedy při cyklické změně teploty, kdy teplota roste je hlavním producentem CO 2 oceán a teprve poté lidská činnost a živočichové.
2.2. Oxid uhličitý a jeho dopad na Zemi Koncentrace CO 2 v atmosféře udáváme v jednotkách ppm. Pro přehled vývoje oxidu uhličitého jsou zde uvedeny významné velikosti: 180 ppm: koncentrace v nejstudenějších chvílích cyklu dob ledových, naposledy asi před 16 000 lety; minimální hodnota v grafech z vrtných vzorků z Antarktidy a Grónska, 280 ppm: koncentrace v nejteplejších chvílích cyklu dob ledových, tedy v dobách meziledových; nyní jsme v tomto stádiu, a tak před průmyslovou revolucí byla právě taková koncentrace, 385 ppm: koncentrace dnes; toto číslo je vyšší proto, že jsme přidávali CO 2 už téměř dvě staletí; příroda nedokáže zvýšenou produkci CO 2 rychle spotřebovat; koncentrace CO 2 roste asi o 1,8 ppm za rok a tento trend byl víceméně lineární už asi čtyřicet let, 560 ppm: zdvojené množství CO 2 ; tuto koncentraci očekáváme někdy před rokem 2100 při pokračování současné produkce, 700 ppm: Průměrná koncentrace CO 2 v kancelářích, samozřejmě záleží jak je dobř e větraná, 6 000 ppm: koncentrace před půlmiliardou let; jedním ze způsobů jak tuto hodnotu zjistit je počítat průduchy na zkamenělinách listů; jelikož jich bylo velmi málo, znamená to, že se rostlinám mnohem lépe dýchalo než dnes, 10 000 ppm: koncentrace rovná jednomu procentu objemu; při této koncentraci začne člověk cítit nevolnost; při hypotetickém pravidelném pálení fosilních paliv této koncentrace dosáhle kolem roku 7000. Existuje několik solidních a dostatečně jednoduchých způsobů, jak ukázat, že citlivost klimatu je rovna přibližně 1 C. Do atmosféry bylo přidáno přes 100 ppm CO 2, více než třetinu dávky definující zdvojení pro citlivost klimatu. Jelikož se ovšem účinek nového CO 2 zpomaluje, ze skleníkového jevu připsaného zdvojení CO 2 jsme provedli více než polovinu a podle Richarda Lindzena už 70 procent. Víme, že to vedlo k oteplení asi o 0,7 C. Tudíž 100 procent efektu zdvojení CO 2 by mělo přinést asi 1 C oteplení. Pokud by se zanedbaly činnosti vodní páry a mraků výsledná citlivost klimatu by se pohybovala mezi 1 C až 1,2 C.
Podle panelu OSN tyto výpočty předpokládají až 5 C oteplení, které jsou v současné době podporovány nejvíce i když jsou to pouze hádané hodnoty a nepodložené. Obrázek č. 11: Očekávaný skleníkový jev ze zdvojení CO2 Na obrázku zobrazujícím vzrůst teploty na ose y s koncentrací CO 2 na ose x podle tří různých autorů nebo párů autorů (Charnock, Kondratyev, Lindzen). CO 2 by muselo růst exponenciálně, aby teplota rostla lineárně. Podle těchto autorů by znamenalo, že člověk způsobil už 46% oteplení. Oteplení odvozené od zbylého nárůstu CO 2 na hodnotu 560 ppm je přibližně stejně velké jako oteplení od nárůstu koncentrace CO 2, který jsme již od začátku průmyslové revoluce provedli. Z toho plyne, že oteplení mezi dnešním dnem a rokem 2090 by mělo být přibližně stejně velké jako oteplení mezi začátkem průmyslové revoluce a dnešním dnem, čili asi 0,7 C. Tyto modely dokazují, že za celé 21. století by oteplení nemělo přesáhnout 1 C. Podle La Chatelierova zákona se systém vždy adaptuje na vnější změnu takovým způsobem, že působí proti změně. Podle této hypotézy vede oteplování k zvýšení srážek v místech vzestupných proudů.
Závěr Právě na vypouštěném CO 2 lidstvem můžeme pozorovat, že přírodní zákony se mění. Mění se vždy při nějaké vnější změně a reagují na ní pouze způsobem, aby tuto vnější sílu vyrovnala. Touto změnou se myslí: charakter počasí, který způsobuje větší rázy: teplot, dešťových srážek, hurikánů, mořských proudů, stále se prohlubující se cykly El Nino a La Nina, Nejčastěji je globální oteplování spojeno s rostoucí teplotou a tání ledovců, které budou zvedat hladiny oceánů. Tato fáma určitě neplatí, pokud by se měla zvedat hladina oceánu, musely by roztát současně ledovce na obou pólech. Na Severním pólu teploty rostou a v zimním období je zde čím dál méně ledu, ale na Antarktidě teploty spíše klesají od průměru a ledovec neustále roste. Tedy pokud by roztál celý ledovec na severu a Antarktida by zůstala pokryta stejnou vrstvou ledu hladina by nějak závratně nestoupla. U Grónského ledovce podle průzkumů tají značně okraje, ale uprostřed ledovce si uchovává svoji původní tloušťku a spíše přibývá. Pokud by chtěl člověk nějak výrazně zasáhnout příznivě do přírodního procesu musí se naučit, vážit si přírody. Pomohla by obnova přírodních ekosystémů na důležitých místech planety např. v oceánech (zmírnit rybolov a nepřipustit další katastrofy ohrožující v nich život), obnovu pralesů a všeho rostlinstva. Právě všechny rostliny na Zemi dokáží zmírnit vliv CO 2 na prostředí. Produkce CO 2 zároveň rostlinám přidává potřebný doplněk pro růst, ale je poznat že produkce CO 2 a spotřeba rostlin není v rovnováze. Jestliže se podle údajů určených z vrtů ledovců Země nachází mezi dobami ledovými, pak produkce CO 2 by mohla ovlivnit vliv na ochlazování planety. Záleží, ale jakým způsobem.
3. Seznam obrázků Obrázek č. 1: Teplotní odchylky od roku 1860... 7 Obrázek č. 2: Teplotní anomálie získané pomocí družic... 8 Obrázek č. 3: Skupina vědců na Antarktidě se vzorkem ledu... 9 Obrázek č. 4: Vrt nad jezerem Vostok Obrázek č. 5: Pohled do vrtu... 9 Obrázek č. 6: Rozbor vzorků ledu na Antarktidě... 10 Obrázek č. 7: Rozbor teplot z Gronského ledovce... 10 Obrázek č. 8: Bližší průzkum teplot, CO2 a metanu... 11 Obrázek č. 9: Vrt s nemrznoucí kapalinou... 12 Obrázek č. 10: absorbční vlastnosti plynů... 13 Obrázek č. 11: Očekávaný skleníkový jev ze zdvojení CO2... 15
4. Literatura Globální oteplování: Realita nebo bublina?. Praha: cep pro ekonomiku a politiku, 2008. ISBN 978-80-86547-99-2. [1] BRADEN, Gregg. Hluboká pravda: oživení vzpomínek na původ, minulost, úděl a osud lidstva. Vyd. 1. V Praze: Metafora, 2012, xxiii, 305 s. ISBN 978-80-7359-340-7. [2] CRAVEN, Greg. Hrozí nám globální oteplování?: průvodce inteligentního laika džunglí veřejné debaty. V českém jazyce vyd. 1. Překlad Kateřina Lipenská. Praha: Prostor, 2012, 251 s. ISBN 978-807-2602-599. [3] Nezávislý webový deník. [online]. 2011 [cit. 2013-04-24]. Dostupné z: www.ac24.cz. [4] Internetový magazín pro ty, kdo hledají poznání. [online]. 2003 [cit. 2013-04-24]. Dostupné z: www.gnosis9.net. [5] National Aeronautics and Space Administration. [online]. [cit. 2013-04-24]. Dostupné z: www.nasa.gov. [6]