J a r o s l av K a d r n o ž k a
ENERGIE A GLOBÁLNÍ OTEPLOVÁNÍ Země v proměnác h př i opatřování energie
L e k t o r o v a l : Prof. Ing. František Hrdlička, CSc.
J a r o s l av K a d r n o ž k a
ENERGIE A G L O B Á L N Í OT E P L OVÁ N Í Země v proměnác h př i opatřování energie
V y s o k é u č e n í te c h n i c k é v B r n ě • N a k l a d a te l s t v í V U T I U M 2 0 0 6
UvodniCast_E.qxd
24.4.2006 16:27
Stránka 4
Vydání této knihy podpořily společnosti:
© 2006 Jaroslav Kadrnožka © 2006 Vysoké učení technické v Brně © 2006 Foto: Pavel Bláha, Jaroslav Česnek, Leonard Hobst, Jiří Heller, Otto Horský, Michael Landsmann, Martin Mykiska, David Walter, archiv autora, archiv ČEZ © 2006 Grafika: J&BKO DESIGN s.r.o.
ISBN 80-214-2919-4
Foto na obálce: Leonard Hobst (Rio de Janeiro – místo konání Summitu Země v roce 1992)
Obsah Předmluva ..............................................................8 Úvod .....................................................................11
1. SPOTŘEBA ENERGIE A JEJÍ VÝVOJ Spotřeba energie a spotřeba primárních energetických zdrojů stoupá ...............................13 Spotřeba energie ve světě je velmi nerovnoměrná .....................................................16 Počet lidí na Zemi se zvyšuje ..............................17 Vztahy mezi spotřebou energie, ekonomickou úrovní a životní úrovní................19 Vliv globalizace světa a prolínání nebo střetu civilizací na vývoj spotřeby primárních energetických zdrojů .......................22 Prognózy vývoje spotřeby energie ......................23
2. ENERGETICKÉ ZDROJE NA ZEMI Energetická bilance Země ...................................26 Sluneční energie ..................................................26 Fosilní paliva........................................................28 Jaderné energetické zdroje ..................................30 Obnovitelné zdroje energie.................................31 Užití primárních energetických zdrojů ..............33
3. VÝVOJ PODMÍNEK NA ZEMI, UHLÍK, FOSILNÍ PALIVA, VYTVÁŘENÍ OXIDU UHLIČITÉHO Vývoj podmínek na Zemi v minulosti a v současnosti, změny přírodní a změny antropogenní ........................................35 Astronomické rytmy a jejich vliv na průběh teploty na Zemi .................................36 Teploty na Zemi a jejich změny v dávné a v nedávné minulosti a proměny v rostlinné a živočišné říši tím vyvolané............37 Uhlíkové cykly – jeden ze tří procesů zajišťujících stabilní teplotu na Zemi .................41 Dílčí cykly druhého uhlíkového cyklu a zásobníky uhlíku na Zemi................................43 Uhlíkové cykly a doby glaciální a interglaciální, Milankovičův cyklus, kolísání průměrné globální teploty Země .........................................43 Koráli, korálové útesy, korálové ostrovy .............47 Změny v koncentraci oxidu uhličitého v ovzduší v dávné a v nedávné minulosti a jeho koncentrace v ovzduší dnes, zásoby uhlíku na Zemi........................................48 Vznik uhlí, ropy a zemního plynu .....................53 Fotosyntéza, pěstování biomasy pro energetické účely ..........................................55 Tropické deštné lesy – zelené plíce planety .......57 Lesy mírného pásu ..............................................58 Spalování fosilních paliv a vytváření oxidu uhličitého ..................................................58
Kyselé deště – první vážný varovný signál poškozování ovzduší přírody ..............................60 Nový přístup v teoretickém výkladu příčin chřadnutí lesů – nebezpečí pro hospodářsky využívané lesy vyplývající z projevů globálního oteplování .........................................61
4. SKLENÍKOVÝ EFEKT A GLOBÁLNÍ OTEPLOVÁNÍ PLANETY Sdílení tepla radiací.............................................62 Sálání ze Slunce ...................................................64 Zeslabení slunečního záření průchodem atmosférou – menší intenzita slunečního záření na povrchu Země .....................................64 Poškozování ozónové vrstvy ...............................65 Energetické toky mezi Sluncem, Zemí a kosmickým prostorem......................................66 Radiační bilance Země a její atmosféry..............67 Faktory ovlivňující absorpci slunečního záření....................................................................67 Fyzikální podstata skleníkového efektu..............67 Skleníkový efekt v atmosféře Země ....................68 Skleníkové plyny .................................................69 Oxid uhličitý ....................................................70 Metan................................................................70 Oxid dusný .......................................................74 Ostatní skleníkové plyny a plyny s nepřímým skleníkovým účinkem.................74 Aerosoly v ovzduší............................................74 Kladné a záporné zpětné vazby v klimatickém systému........................................74 Skleníkový efekt na jiných planetách.................76 Intenzita skleníkového plynu se zvětšuje...........77 Intenzita skleníkového efektu se zvětšuje ..........77 Některé další faktory ovlivňující koncentraci oxidu uhličitého v ovzduší a zvyšování průměrné globální teploty......................................77
5. DOPADY SKLENÍKOVÉHO EFEKTU A DALŠÍCH ZMĚN NA ZEMI, VYVOLANÝCH TĚŽBOU A SPALOVÁNÍM FOSILNÍCH PALIV, NA PŘÍRODU Teploty povrchu planety v důsledku zvyšující se intenzity skleníkového efektu vzrůstají................................................................80 Některá pozorování dokládající růst průměrné globální teploty..................................82 Ledy a ledovce tají, jezera zamrzají na kratší dobu ..................................................82 Zvyšování intenzity a četnosti extrémních meteorologických jevů ....................................85 Hladina moří a oceánů stoupá ........................86 Vzrůstá intenzita dějů v oceánech, nad jejich hladinou a v ovzduší ......................87
ENERGIE
A GLOBÁLNÍ OTEPLOVÁNÍ
ZEMĚ
5
Předmluva Problém zvětšování intenzity skleníkového efektu v ovzduší a jím způsobené globální oteplování Země se stává stále aktuálnější, neboť se častěji a s větší intenzitou projevují jeho důsledky. Široká veřejnost vnímá nejvíce změny v počasí a snad dosti frekventované zprávy o tání ledovců. Důsledků globálního oteplování je však již dnes, při oteplení Země o méně než 1 °C, mnohem více. A pokud nedojde velmi rychle k zásadním změnám a globální oteplování bude pokračovat, budeme muset čelit důsledkům, které si zatím jen stěží umíme představit. Tento problém vyvolává člověk především spalováním stále většího množství fosilních paliv, zmenšováním rozlohy lesů, především tropických deštných pralesů, znečišťováním moří a oceánů a svými dalšími aktivitami. Proto též naše generace, bude-li chtít zachovat planetu Zemi pro další generace ve stavu alespoň přibližně takovém, v jakém ji převzala od předchozích generací, musí co nejdříve a podstatně svůj vztah ke své rodné planetě změnit. Informace o globálním oteplování se k široké laické veřejnosti, ale i k odborníkům, kteří pracují v oblastech souvisejících s příčinami a důsledky tohoto procesu, převážně dostávají ve formě kusých zpráv, například o mimořádně vysokých teplotách v létě, o mimořádném suchu, o narůstající intenzitě a četnosti hurikánů na jedné straně a na druhé straně o velkých potížích při formování a ratifikaci Kjótského protokolu a jeho postupném prosazování. Bohužel komplexní a nezaujaté zpracování této problematiky v knižní formě dosud chybí. Již v roce 1995 byla vydána kniha J. Houghtona: Global Warning: The Complete Briefing, jejíž český překlad vyšel v roce 1998. Tato kniha pojednává podrobně o mechanismech a příčinách skleníkového efektu v atmosféře Země, ale jen velmi stručně nastiňuje východiska pro řešení problému globálního oteplování planety. Kromě této publikace jsou českému čtenáři k dispozici další dvě knihy, které problém globálního oteplování sice nepopírají, ale jeho závažnost značně zlehčují. Je to především kniha Roberta R. Bradleye: Climat Alarmism Reconsidered, která vyšla ve Spojených státech v roce 2003 a která byla vydána v českém překladu v roce 2004 pod názvem Kritika klimatického alarmismu. Další je kniha mladého českého ekonoma Mojmíra Hampla: Vyčerpání zdrojů skvěle prodejný mýtus, která byla vydána rovněž v roce 2004 . Problematika globálního oteplování není mým hlavním profesním zájmem. Vždy jsem se však snažil svou hlavní zájmovou oblast, kterou je energetické inženýrství, vidět v co nejširších souvislostech, a tak ani problém skleníkového efektu a globální oteplování Země nemohl uniknout mému zájmu. Nepomýšlel jsem na sepsání knihy o této náročné problematice, ale více než patnáct let jsem sbíral informace, abych mohl ukázat studentům důsledky činnosti inženýra–energetika v nejširších souvislostech. To se velmi hodilo, když dozrál čas a potřeba osvětlit problém globálního oteplování nezaujatě a pokud možno komplexně. Impulzem k tomu byly uvedené dvě publikace z roku 2004. Rozsah sesbíraných materiálů a informací nepochybně ovlivnil mé rozhodnutí pokusit se knižně popsat tuto problematiku. Předsevzal jsem si přitom velmi náročný úkol. Nejen objasnit podstatu a příčiny skleníkového efektu, ale zejména důrazně upozornit a dokumentovat dopady, které globální oteplování na Zemi již vyvolalo. Za hlavní cíl jsem si však předsevzal ukázat na možnosti řešení daného problému alespoň v nejdůležitější a mně blízké oblasti, to je při opatřování energie. Kniha by snad též měla bít na poplach, že situace je opravdu vážná a že již hrozí velmi závažné důsledky z prodlení.
8
ENERGIE
A GLOBÁLNÍ OTEPLOVÁNÍ
ZEMĚ
Byl bych velmi spokojený, kdyby se mi podařilo přesvědčit čtenáře, že situace v globálním oteplování Země je opravdu vážná, ale nikoliv tragická. Ještě větší radost bych však měl, kdyby se čtenář zařadil mezi ty, kteří chtějí podle svých možností pomoci. Někdo tím, že bude věci vysvětlovat ve svém okolí, jiný například tím, že přispěje k poznání v tomto složitém a komplexním problému, další tím, že se bude lépe chovat k okolnímu životnímu prostředí. Ani to by nebylo málo a zbytečné. Žádnou knihu jsem dosud nepsal s takovou radostí, s takovým nasazením a potěšením. Snad proto jsem byl schopen rukopis dokončit velmi rychle, ačkoliv jsem v té době musel čelit zákeřné chorobě a podstoupit náročnou operaci. Tato kniha asi byla také velmi dobrým lékem. Předkládaná kniha není má první knižní publikace, ale její pojetí a styl sdělení i jazyk jsem musel, vzhledem ke svým zvyklostem, značně změnit. Všechny mé dosavadní knihy byly vědecko– technické publikace, v nichž nejdůležitějším vyjadřovacím prostředkem byly rovnice, diagramy a schémata. Protože tato kniha je určena nejenom odborníkům, ale zejména širší čtenářské veřejnosti, byla má původní představa, že v ní nesmí být ani jedna rovnice. Tento záměr jsem úplně nesplnil, ale je jich v knize skutečně velmi málo, a vždy jde o jednoduché rovnice a jejich přeskočení nebude mít vliv na pochopení výkladu. Mnohde by výklad značně prohloubila schémata energetických a jiných centrál. To by však vždy vyžadovalo i jejich popis. Pokud by byla uvedena schémata v jedné části knihy, bylo by nutné tento styl zachovat v celé knize a to by vedlo k neúnosnému zvětšení jejího rozsahu. Hloubavý čtenář najde podrobnější informace v citovaných pramenech. V průběhu psaní knihy jsem se učil stylu a způsobu vyjadřování, jinému než dosud, ale o kterém se domnívám, že by mohl být přijatelnější pro čtenáře, kterého jsem si při psaní představoval. Nakolik se mně to podařilo, snad shovívavě posoudí čtenáři. Je mou milou povinností poděkovat Nakladatelství VUTIUM Vysokého učení technického v Brně a jmenovitě paní ředitelce PhDr. Aleně Mizerové za ochotu vydat dílo a za péči, kterou vydání věnovala. Vřelý dík patří prorektorovi Českého vysokého učení technického v Praze prof. Ing. Františkovi Hrdličkovi, CSc., který se, i přes své velké pracovní zatížení, ujal s nevšední ochotou lektorského úkolu a poskytl mně řadu cenných připomínek. Poděkování si zaslouží i Pražská teplárenská, která přispěla na krytí nákladů spojených s přípravou a sepsáním knihy. Poděkování patří i Jaderné elektrárně Temelín a ČEZu za poskytnutí fotografií elektráren. Děkuji i synovi Jaroslavovi, který s ohromným zájmem korigoval můj rukopis. Poslední poděkování, ale nejvýraznější, chci vyslovit manželce Boženě, která mně vytvořila podmínky potřebné k sepsání této knihy a pomáhala při současném zvládání nemoci. Brno, listopad 2005
Jaroslav Kadrnožka
ENERGIE
A GLOBÁLNÍ OTEPLOVÁNÍ
ZEMĚ
9
3
Uhlí vznikalo po dobu delší než 300 milionů let. Nyní se člověk snaží tuto zásobu uhlíku a sluneční energie, postupně akumulovanou po tak dlouhou dobu, uvolnit, energii využít pro uspokojování svých potřeb, oxid uhličitý vznikající spalováním fosilních paliv vrátit tam, kde byl v počátcích této planety, a vyvolat tak velmi rychlé globální oteplování Země. Je možné považovat za přijatelné, aby zásoby fosilních paliv, vznikající po dobu více než 300 milionů let, byly využity za dobu kratší než 300 let, a tím byla ohrožena existence milionů živočišných a rostlinných druhů, včetně člověka samého?
Vývoj podmínek na Zemi, uhlík, fosilní paliva, vytváření oxidu uhličitého
Vývoj podmínek na Zemi v minulosti a v současnosti, změny přírodní a změny antropogenní Země jako celek je živým organismem, který se trvale mění a vyvíjí. To jen člověku, s jeho nepatrnou délkou života v porovnání s dosavadní délkou života naší planety, asi 4,5 miliardy let, se zdá, že Země se v podstatě nemění. Tvář planety Země se však v celém svém vývoji velmi měnila a nadále se velmi mění. Na planetě probíhají ve velkém rozsahu přírodní změny, které se řídí podle složitých přírodních zákonů, jejichž většinu lidský rod
dosud nezná, ale které bude člověk, se svou neutuchající vůlí, hledat a nalézat a postupně odhalovat. Kromě těchto přírodních změn probíhají v posledních staletích na Zemi velmi podstatné změny uskutečňované člověkem, změny antropogenní. Člověk si, zejména v minulém století, osvojil síly, které mohou podstatným způsobem přetvářet tuto planetu. Ukazuje se však, že v současném století lidé odkrývají další síly a prostředky, kterými budou schopni ještě razantněji měnit podmínky na Zemi. Byly uvolněny ohromné energetické zdroje, které mohou pomoci utvářet podmínky na Zemi příznivé pro rozvoj a koexistenci nejen člověka, ale většiny živočišných a rostlinných druhů. Na druhé straně při nevhodném použití těchto sil a prostředků může člověk tuto planetu zdevastovat, anebo dokonce přivést na okraj apokalypsy, například v případě uvolnění ohromné energie nahromaděné v arzenálech jaderných zbraní.
VÝVOJ
PODMÍNEK NA
ZEMI
35
Bohužel nikoliv jen uvolněním energie nahromaděné v jaderných zbraních. V současné době většině živočišných druhů na Zemi hrozí velmi vážné nebezpečí ze zcela jiné strany. Ze strany nadměrné těžby a spalování fosilních paliv a z toho plynoucího zvyšování koncentrace oxidu uhličitého a dalších skleníkových plynů vyvolaných činností člověka. To vede ke zvyšování intenzity skleníkového efektu v ovzduší a ke globálnímu oteplování Země. Mnohé důsledky takového chování člověka vůči své rodné planetě jsou uvedeny v páté kapitole. V posledních desetiletích se zdá, že se člověku otvírají dosud netušené perspektivy při přetváření živé přírody na základě genového inženýrství. Rozvoj poznatků v tomto oboru a z toho vyplývajících možností vzniku technologií pro produkci potravin a surovin pro průmysl je na jedné straně velmi optimistický, ale na druhé straně vzbuzuje obavy. Člověk ve své snaze dosáhnout okamžité slávy z objevu, okamžitého a co největšího ekonomického prospěchu, postupuje často bezohledně ke svému okolí, s klapkami na očích a bez zamýšlení se nad bližší a tím méně nad vzdálenější budoucností. Člověk, který je hoden označení Homo sapiens sapiens, by měl své činy zvažovat ve všech možných souvislostech a důsledcích. Rovněž v tomto smyslu je třeba chápat princip předběžné opatrnosti a princip pokud možno nulového rizika, které by měly jako červená nit provázet čtenáře jednotlivými stránkami této knihy.
Astronomické rytmy a jejich vliv na průběh teploty na Zemi Změny na Zemi v dlouhých časových intervalech ovlivňují astronomické rytmy. Tyto astronomické rytmy ovlivňují teplotu na Zemi v dlouhých časových intervalech velmi podstatně. Větší část doby za uplynulé 2,5 miliardy let procházela Země chladnějšími a teplejšími cykly, které se střídaly v intervalu asi 41 000 let. Potom, asi před jedním milionem let, se tyto cykly prodloužily asi na 100 000 let [170]. Za příčiny tohoto kolísání teplot na Zemi se podle National Geographic [118] považují tyto děje: a) precese zemské osy s cyklem 19 000 a 23 000 let, b) změna náklonu zemské osy s cyklem 41 000 let,
1
c) změny tvaru dráhy Země kolem Slunce z více eliptické na více kruhovou a obráceně s cyklem 100 000 a 400 000 let. P. Ward a D. Brownlee [170]1 uvádějí stejné příčiny kolísání teplot na Zemi a dále uvádějí, že náklon zemské osy kolísá mezi 21,8 a 24,4 stupně. Kromě těchto cyklů, které způsobují kolísání teplot na Zemi, postihovaly Zemi v intervalu 25 až 30 milionů let katastrofy kosmického původu. Podle M. Rampina (2000) z newyorské univerzity se četnost těchto katastrof přibližně shoduje s pohybem Slunce v Galaxii.2 Stejně jako Země obíhá kolem Slunce, pohybuje se i Slunce s celou svou rodinou planet po oběžné dráze v naší hvězdné soustavě. Tato dráha je však poněkud skloněná k rovině procházející středem Galaxie a vytvářející rovinnou souměrnost obou částí Galaxie. Díky tomu se sluneční soustava po větší část doby oběhu nachází mimo galaktická ramena. Hypotéza známá pod jménem Šiva3 předpokládá, že v období, kdy pohyb Slunce protíná rovinu Galaxie, se ocitne sluneční soustava v prostředí, kde je mnohem větší koncentrace mezihvězdné hmoty. Gravitační účinek sluneční soustavy začne přitahovat různá kosmická tělesa, včetně komet. V té době dopadají i na Zemi taková tělesa a způsobují katastrofy, které se projeví změnou teploty, a v důsledku toho i flóry a fauny. Jedno takové kataklyzma postihlo Zemi asi před 250 miliony let na konci období prvohor a tím skončila nejen jedna geologická éra, éra označovaná jako prvohory, ale i jedna éra biologická. Další taková katastrofa postihla Zemi asi před 65 miliony let, na konci období druhohor, a časově se shoduje s vyhynutím dinosaurů. Takové katastrofy vždy způsobily vyvržení ohromného množství zeminy, prachu a oxidu uhličitého z požárů do ovzduší, a tudíž pokles teploty Země na poměrně dlouhou dobu, než došlo k postupnému vyčištění atmosféry. Každý z těchto faktorů ovlivňuje množství sluneční energie, které na Zemi dopadne v daném čase a zeměpisné šířce. Podle uvedených autorů dospěl jugoslávský astronom Milutin Milankovič k možnému předpovídání průběhu teplot na Zemi vyjádřením příslušné kombinace výše uvedených vlivů. Podle [170] astronomické děje, historické údaje a počítačové modely naznačují, že Země se právě nachází na konci teplého meziledového období, ve fázi nastupujícího pozvolného ochlazování.4 Krátkodobě působící astronomický vliv představují sluneční skvrny. Při jejich větším výskytu vyzařuje Slunce více energie.5
Z této knihy je hodně čerpáno, protože jde o jednu z mála disponibilních publikací pojednávajících o celé historii Země. Bohužel mnoho údajů se velmi rozchází s jinými prameny, a proto bylo nezbytné provádět mnoho konfrontací. Snad to pomůže čtenáři učinit si představu o velmi malé dosavadní znalostní úrovni v této oblasti. 2 Naše Galaxie patří k typu spirálních galaxií. Při pohledu ve směru kolmém na rovinu Galaxie to připomíná spirálu s uzlem ve středu. Slunce se nachází v jednom z krajních ramen spirály, a je tedy od středu Galaxie dosti vzdáleno. Při pohledu ve směru rovnoběžném s rovinou Galaxie připomíná její tvar disk, nebo spíše mírně otevřenou lasturu. Velké množství vzdálených hvězd ve spirálních ramenech vytváří při pohledu ze Země na noční obloze bělavý pás – Mléčnou dráhu. 3 Šiva – hinduistický bůh počátku a konce všeho živého. 4 Ve světle průběhů teploty, koncentrace oxidu uhličitého a metanu za posledních 420 tisíc let, uvedených na obrázku 3.1, je třeba brát tuto formulaci s výhradami.
36
ENERGIE
A GLOBÁLNÍ OTEPLOVÁNÍ
ZEMĚ
Teploty na Zemi a jejich změny v dávné a nedávné minulosti a proměny v rostlinné a živočišné říši tím vyvolané Asi před 3,8 miliardami let byla průměrná globální teplota na naší planetě velmi vysoká a dosahovala asi 80 °C. Do období před třemi miliardami let tato teplota poklesla na 40 °C a před dvěma miliardami let na asi 20 °C. Od této doby průměrná globální teplota na Zemi již nikdy nepřekročila 25 °C [170]. Za období asi 540 milionů let máme díky velkému množství paleontologických nálezů určité představy o vývoji teploty na Zemi v dávné minulosti. Toto období, které se dá rozdělit na éru paleozoickou (geologické období zahrnující prvohory), mezozoickou (období druhohor) a kenozoickou (období třetihor a čtvrtohor), vykazuje období teplejší i chladnější, než je současná průměrná teplota Země, jež ještě nedávno činila asi 15 °C, ale dnes již dosahuje téměř 15,9 °C.6 Díky dále popsaným autoregulačním procesům se však teploty na Zemi příliš neměnily. V celém uvedeném období bylo tepleji nebo chladněji nejvýše o 10 °C, než kolik činila nedávná průměrná globální teplota povrchu Země. Nejnižší teploty byly proto asi 5 °C a nejvyšší teploty asi 25 °C. Žádný z uvedených teplotních extrémů patrně ne-
ohrozil nepřetržitou existenci rostlin a živočichů na naší planetě. Docházelo však k velkým změnám ve skladbě rostlin a živočichů na Zemi. Rostliny a živočichové, kteří tyto změny přečkali, se postupně přemisťovali na velké vzdálenosti. K dispozici je dostatek poznatků o tom, jak při tom rostliny a živočichové obcházeli různé překážky, v nichž byly odlišné podmínky, například vysokohorská pásma, bažinaté oblasti a podobně. Podle [170] předcházející7 velká doba ledová8 skončila asi před 280 miliony let.9 Lidská civilizace10 se vyvinula na konci teplého období, které nastoupilo po posledním glaciálním období. Toto období podle [170] již pravděpodobně končí. Lidmi způsobené globální oteplování může návrat ledovců o několik století pozastavit, ale nezabrání mu. Prudký přechod od velmi horkého klimatu ke klimatu velmi chladnému způsobí, že se tato přechodná klimatická změna bude jevit bolestněji. Třebaže návrat ledovců neohrozí existenci života na naší planetě, bude mít za následek, že se několiktisíckrát zmenší množství biomasy a v důsledku toho množství živých rostlin a živočichů. Tak v podstatě skončí svět v podobě, v jaké jej známe, a potenciálně skončí též lidská civilizace v dnešní podobě a rozsahu. Pokud lidský rod ještě nějakou dobu přežije, nebude moci obývat celou planetu, ale bude se muset spokojit s nejistou existencí v oblastech nižších a středních zeměpisných šířek. Pleistocénní epocha, také glaciální období,11 nebo glaciální doba a doba ledová, jak je spíše známá, začala tehdy, když každou zimu napadlo více sněhu, než na jaře roztálo. S postupem let způsobil tento přebytek sněhu a ledu vznik ledovců, které se postupně rozšiřovaly od pólů směrem k rovníku. Ledovce se postupně spojovaly a uzavřely souši do krunýře ledu a glaciální zimy.
5
Sluneční skvrny jsou tmavší místa na povrchu Slunce, a tedy chladnější. Přesto v době výskytu slunečních skvrn je intenzita vyzařování sluneční energie větší. V okolí skvrn jsou totiž světlejší plochy, zpravidla o rozměrech 1 000 až 2 000 kilometrů, což jsou vrcholky horkého sloupce plynu vystupujícího z větších hloubek Slunce, tedy z oblasti podstatně vyšších teplot. Naproti tomu tmavší plochy, viditelné jako sluneční skvrny, jsou oblasti, kde se plyn ochladil a ustupuje do hloubi Slunce. Výskyt slunečních skvrn tedy ukazuje na procesy, při nichž je konvekcí vynášeno z větších hloubek velké množství sluneční energie na povrch Slunce. 6 Podrobnými a rozsáhlými měřeními bylo prokázáno zvýšení průměrné globální teploty o 0,6 °C na začátku devadesátých let minulého století. Uvedená průměrná globální teplota vychází z autorova přepočtu globálního oteplení ze současné koncentrace oxidu uhličitého v ovzduší pro nejpravděpodobnější klimatickou citlivost podle IPCC (Intergovermental Panel on Climate Change). 7 Zřejmě rozuměno „poslední“, ale není to zcela jisté. 8 V literatuře se často objevují názvy „velká doba ledová“ a „malá doba ledová“. Autor bohužel nikde nenalezl definici rozdílu mezi těmito typy glaciálů. Proto velké rozdíly v údajích o velkých dobách ledových v [170] a tabulkou 3.1. 9 Vzhledem k dále uvedeným údajům, zejména viz tabulku 3.1, a porovnáním je třeba brát tuto i následující formulace těchto autorů s jistými výhradami. 10 Je otázka, co autoři míní formulací „lidská civilizace se vyvinula“, protože vývoj lidské civilizace byl velmi dlouhý a složitý proces. Podle [170] následkem globálního oteplování před pěti až šesti miliony let zaujaly místo tropických lesů v subsaharské Africe savany. Toto nové prostředí s sebou přineslo vývojový impulz, který dal vzniknout novým masožravcům a všežravcům. Mezi nimi byli i hominidé, předkové dnešního člověka. Nejstarší hominidní fosilie, objevené v etiopském Afaru, jsou zlomky 4,5 milionu let starých pozůstatků druhu Ardipithedecus ramidus. Kosterní zbytky a zkamenělé otisky chodidel druhu Australopithecus, z doby před třemi až čtyřmi miliony let, dokládají funkční, možná dokonce vzpřímenou chůzi, ruce částečně přizpůsobené lezení na stromy a mozek o velikosti jedné třetiny mozku dnešního člověka. Z doby před dvěma až třemi miliony let jsou doloženy významné vývojové trendy v rodu Homo. Mozek se výrazně zvětšil a nastal úplný posun k chůzi. Tento vývoj se stal základem vzniku druhu Homo erectus. Další vývojové modifikace tohoto druhu, které jsou známé jako Homo heidelbergensis, dorazily do Evropy asi před 500 tisíci lety v rámci prvního velkého stěhování. Asi před 200 tisíci až 140 tisíci lety se v Africe objevili první anatomicky moderní lidé, lid nazývaný Homo sapiens sapiens. Asi před 100 tisíci lety nastalo druhé velké stěhování, při kterém se Homo sapiens sapiens začal stěhovat ze subsaharské Afriky do různých částí světa. Po mnoho tisíc let žil Homo sapiens sapiens v Asii vedle druhu Homo erectus a v Evropě a na Blízkém východě vedle neandertálce. Neandertálci se vyznačovali velkou hlavou, výraznými nadočnicovými oblouky, silným chrupem a mohutným podsaditým tělem, dobře přizpůsobeným chladu. Neandertálci zmizeli asi před 30 tisíci lety. Naproti tomu Homo sapiens sapiens byl africký typ, tělesně štíhlý, s dlouhýma nohama a s krátkým trupem. Na rozdíl od neandertálce to byl homotyp, který lépe snáší horko. 11 Viz poznámka na následující straně.
VÝVOJ
PODMÍNEK NA
ZEMI
37
V tomto ledovém sevření se však v žádném případě neocitla celá planeta. Pořád existovaly tropy, korálové útesy a kraje, kde po celý rok panovalo teplé a slunečné počasí. Při těchto globálních změnách klimatu, jež byly doprovázeny strukturálními změnami v proudění vzduchu a dešťových srážek, neexistovalo pravděpodobně místo na Zemi, které by nebylo dotčeno. V oblastech před sunoucím se ledovým příkrovem vznikaly ohromné chladné pouště a polopouště, zatímco oblasti obvykle suché, jako například severoafrická poušť Sahara, zažívaly zvýšený přísun dešťových srážek. Dnešní ohromné lesní masivy pokrývající povodí Amazonky, jež byly desítky milionů let před nástupem doby ledové oblastmi relativně stabilními, naopak zažívaly výrazné ochlazování a vysychání. Rozsáhlé plochy
džunglí se měnily v pouhé kapsičky obklopené rozlehlými savanami. Ledový příkrov byl místy 1 až 2 km silný a v době největšího zalednění byl silný až 3 km. V ledovcích bylo vázáno takové množství vody, že hladina moří se v dobách největšího rozsahu ledovců nacházela zhruba o 150 m i více níže než v současnosti. V blízkosti tohoto ledového příkrovu větry dosahovaly rychlosti až 300 km/h a při úpatích ledovců tak vytvářely pustinu tvořenou jen prachem a pískem. Krajina rozprostírající se směrem k rovníku byla bez stromů a táhla se na stovky kilometrů. Ještě dále směrem k rovníku se tvořily velké polopouště a pouště. Ustupující ledové masy po sobě zanechávaly ohromné hromady štěrku a sutin, které zůstaly rozesety po rozsáhlých plochách všech severních kontinentů.
Foto 3.1 Tající ledovec
11
Historie zalednění a existence dob ledových je sledována už dlouhou dobu. Již v 18. století vzbudily pozornost geologů obrovské bloky granitu (žuly) roztroušené v pohoří Jury (táhnoucí se podél francouzsko-švýcarské hranice). Jednalo se o cizorodý materiál, odlišný od podloží a opracovaný transportem. Tyto nálezy v roce 1760 popsal švýcarský geolog Horace Saussure. V roce 1795 James Hutton vyslovil hypotézu, že tyto bloky byly transportovány obrovskými masami ledu, který v dávné minulosti pokrýval Alpy. Domněnku o existenci dob ledových poprvé publikoval v roce 1837 Švýcaroameričan biolog Luis Agassiz. V roce 1842 vyslovil francouzský matematik Joseph Adhémar domněnku, že doby ledové mohly být vyvolány astronomickými vlivy na naši planetu. V roce 1860 skotský vědec James Croll přišel se zcela novou teorií ve své knize Klima a epochy. Jeho teorie byla založena na výpočtech francouzského astronoma Urbana Leverriera, který se zabýval teorií pohybu zemské osy. Podle Crolla velmi komplikované interakce gravitačních sil ve sluneční soustavě způsobují, že zemská osa se pohybuje podle určitých zákonitostí. Někdy opisuje kružnici, jindy má tvar více či méně prodloužené elipsy. Když zemská osa opisuje kružnici, nachází se Země v interglaciálních (teplejších) obdobích, když opisuje elipsu, nastávají glaciály (doby ledové). Z toho Croll vyvodil, že další doby ledové by se daly předvídat. Croll přišel také s myšlenkou, že v chladnějších obdobích se naakumuluje hodně sněhu, ten odráží sluneční paprsky a Země se udržuje v chladu. Dnes jsou astronomické vlivy prozkoumány podstatně podrobněji (viz výše), ale v této souvislosti je třeba připomenout již zmíněného Milutina Milankoviče. Dále budou uvedeny snahy z poslední doby Milankovičovu hypotézu dokázat. První glaciály byly identifikovány v Alpách a dostaly názvy Günz, Mindel, Riss a Würm (viz tabulka 3.1). Později byly prokázány stopy obdobných zalednění ve Spojených státech a byly označeny názvy Nebraska, Kansas, Illiois a Wisconsin. Následně byly identifikovány i hodně starší glaciály, které se vyskytovaly v dlouhé historii Země (viz tabulka 3.1).
38
ENERGIE
A GLOBÁLNÍ OTEPLOVÁNÍ
ZEMĚ
Vlnovou délku, při níž je spektrální sálavost největší, udává Wienův zákon
λmax .T = c3
(4)
kde c3 = 2 879,8 µm.K . Čím je vyšší teplota sálajícího tělesa, tím v kratších vlnových délkách toto těleso sálá. To je
Obrázek 4.1 Celková a spektrální sálavost a Wienův zákon
patrné z obrázku 4.2, na němž je uveden průběh spektrální sálavosti Slunce a Země. Z obrázku je dále vidět, že spektrální sálavost pro teploty vyskytující se na Slunci má maximální hodnotu v okolí vlnové délky 0,5 µm a okolo této maximální spektrální sálavosti se rozprostírá pásmo viditelného světla, od 0,38 do 0,80 µm.
Obrázek 4.2 Srovnání spektrální sálavosti pro těleso o teplotě 5 800 K (Slunce) (a) a pro těleso o teplotě 288 K (povrch Země) (b) [9]
Na obrázku 4.2b je uveden průběh spektrální sálavosti Země. Je vidět, že podstatně nižší teplotě Země odpovídají vlnové délky asi dvacetkrát delší, než jsou vlnové délky slunečního záření. Tuhá tělesa sálají, až na určité výjimky, zpravidla ve spojitém spektru, ale sálavost se v oblasti jednotlivých vlnových délek může podstatně lišit. Proto jsou závislosti spektrální sálavosti na vlnové délce často velmi složité křivky s mnoha lokálními minimy a maximy. U pevných těles, která jsou neprůteplivá, se sálání a pohlcování sálavé tepelné energie děje jen v povrchové vrstvě. Plyny mají rovněž schopnost vyzařovat a pohlcovat sálavou tepelnou energii, avšak u různých plynů se tato schopnost dosti podstatně liší. Většina plynů má nepatrnou schopnost vyzařovat a pohlcovat tepelnou energii. Prakticky je proto většina plynů průteplivých. Značnou sálavost a pohltivost mají tříatomové plyny, mezi které patří oxid uhličitý a vodní pára.
Proti tuhým tělesům se sálavost plynů dále podstatně liší v tom, že plyny vyzařují a pohlcují energii jen v určitých intervalech vlnových délek ∆λ, přičemž tyto intervaly se pro různé plyny nacházejí v různých místech spektra. V tabulce 4.1 jsou uvedeny rozsahy vlnových délek pro oxid uhličitý a pro vodní páru, v nichž jsou tyto plyny jen velmi málo průteplivé a vyznačují se velkou pohltivostí pro uvedené vlnové délky a v nichž rovněž sálají. Podle Kirchhofova zákona se totiž poměrná pohltivost rovná poměrné sálavosti, a to jak pro celkovou sálavost, tak pro sálavost spektrální. U plynů se sálání a pohlcování, na rozdíl od tuhých těles, děje v celém objemu plynu. Sálání útvaru směsi plynů je proto dáno jeho teplotou, koncentrací sálavého plynu v této směsi a objemem, který tento plyn zaujímá. Koncentrace plynu ve směsi se často vyjadřuje jeho parciálním tlakem. Proto je sálavost plynu dána funkcí F(Tp, p.l), kde Tp je teplota plynu a v součinu p.l značí
Tabulka 4.1 Intervaly vlnových délek (µm) pro oxid uhličitý (CO2) a pro vodní páru (H2O), v nichž jsou tyto plyny neprůteplivé Interval
CO2
H2O
od
do
rozsah
1
2,36
3,02
0,66
2
4,01
4,80
0,79
3
12,50
16,50
4,00
1
2,24
3,27
1,03
2
4,80
8,50
3,70
3
12,00
25,00
13,00
SKLENÍKOVÝ
EFEKT
63
p parciální tlak příslušného plynu ve směsi a l je charakteristický rozměr plynového útvaru.
Sálání ze Slunce Slunce se chová přibližně jako rozžhavené pevné těleso a vyzařuje tepelnou energii se spektrálním složením blíz-
Obrázek 4.3 Spektrální sálavost černého tělesa (ČT), Slunce na hranici atmosféry (horní křivka SHA) a na Zemi po průchodu čistou atmosférou (SZ), VZ – viditelné záření (světlo) [69] kým záření dokonale černého tělesa. Slunce proto sálá v oblasti všech vlnových délek, ale v některých vlnových délkách je sálavost poněkud menší, jak je to vidět na obrázku 4.3. Pro střední teplotu Slunce 5 712 K je vlnová délka odpovídající maximální sálavosti λmax = 0,504 µm. Kolem této hodnoty se rozprostírá obor viditelného světla od 0,38 do 0,80 µm. Ultrafialová část spektra leží pod 0,38 µm a infračervená nad 0,80 µm, blízká infračervená oblast se rozprostírá do 2,5 µm a vzdálená infračervená oblast se rozprostírá do 100 µm. V oblasti viditelného záření vysálá Slunce asi 60 procent celkové tepelné energie. Okolo 30 procent energie vysálá Slunce při vlnových délkách nad 0,8 µm, tedy v oblasti tepelného záření. Povrchová teplota Slunce se mění zhruba v pásmu 5 700 až 5 800 K. Pro uvedenou střední teplotu povrchu Slunce 5 712 K je velikost sálavého toku ohromná a pro dokonale černé těleso by činila 60,36.106 W/m2. Slunce však nesálá jako dokonale černé těleso. Dále intenzita sálavého toku klesá se čtvercem vzdálenosti. Proto na l m2 plochy kolmé na sluneční paprsky v těsné blízkosti zemského povrchu, na hranici zemské atmosféry, vzdálené
64
ENERGIE
A GLOBÁLNÍ OTEPLOVÁNÍ
ZEMĚ
asi 150 milionů kilometrů, dopadá sálavý tok 1 300 až 1 400 W/m2. Pro heliotechnické výpočty je u nás přijímána smluvní hodnota 1 367 W/m2. Tato hodnota intenzity slunečního záření se nazývá solární konstanta.
Zeslabení slunečního záření průchodem atmosférou – menší intenzita přímého slunečního záření na povrchu Země Solární konstanta udává intenzitu tepelného toku na hranici atmosféry, tedy ještě před rozptýlením, pohlcením a odražením části tohoto tepelného toku. Je to tok procházející rovinou kolmou na směr slunečních paprsků. Na rovinu zemského povrchu dopadají sluneční paprsky šikmo, a proto je intenzita tepelného toku menší. Zmenšení této intenzity závisí na zeměpisné šířce daného místa, na dni v ročním cyklu a na okamžiku v denní cyklu. V denním cyklu je tato intenzita tepelného toku největší v době polední kulminace Slunce, nejmenší je při východu a západu Slunce, jak je vidět z tabulky 4.2. Zeslabení tepelného toku při průchodu atmosférou je způsobeno několika procesy [20]. Je to jednak rozptyl na velmi malých centrech, menších než délky viditelného záření, jimiž jsou molekuly plynů vzduchu a jejich shluky, takzvaný Rayleighův rozptyl, který způsobuje modrou oblohu. Dále je to rozptyl na mikroskopických částicích o velikosti řádově (0,01 až 0,1) µm, tedy stále menších než vlnová délka viditelného světla, takzvaný Tyndalův rozptyl. V nižších vrstvách atmosféry je to rozptyl na makroskopických částicích prachu, kouře, mlhy a podobně. Konečně je to rozptyl na parách o teplotě těsně nad rosným bodem, takzvaný opalescenční rozptyl. Výsledkem uvedených rozptylovacích procesů je vznik takzvaného difúzního záření. Toto záření má původ ve slunečním záření, ale v důsledku uvedených procesů přichází z nejrůznějších směrů, má jinou spektrální strukturu a rovněž odlišnou energii než přímé sluneční záření. V ovzduší se dále projevuje záření odražené a vyzářené zemským povrchem, takzvané terestrické záření. Všechny tyto typy záření tvoří globální záření, které se vyznačuje velmi komplikovanou vlnovou a směrovou strukturou. Při průchodu slunečního záření atmosférou se část energie zachytí v důsledku interakce s molekulami plynů a jejich shluků a přemění se na kinetickou energii neuspořádaného pohybu těchto částic, tedy na vnitřní energii plynu. Poměrná část takto zachycené, to jest absorbované energie je charakterizována pohltivostí α, což je podíl části energetického toku, který byl zachycen, k dopadajícímu energetickému toku. Další část energetického toku je odražena a tuto část charakterizujeme odrazivostí (reflektancí) ρ. Zbytek energetického toku
Tabulka 4.2 Intenzita přímého slunečního záření (P), difúzního záření (D) a celkového záření (C) pro jednotlivé měsíce v roce a jednotlivé hodiny v průběhu dne pro střední znečištění atmosféry (intenzity záření vyjádřeny ve W) – zpracováno podle: Cihelka, J., 1994 Hodina
12
11 a 13
Měsíc
P
D
C
P
12
580
73
683
565
1 a 11
650
80
730
2 a 10
750
93
3a 9
880
102
4a 8 5a 7 6
D
C
P
60
530
280
40
320
550
70
620
400
52
452
842
700
86
786
600
74
674
962
815
100
915
730
95
825
935
107 1 042
900
106 1 006
840
103
943
109 1 089
970
109
1 079
940
109 1 049
900
105 1 005
1 106
990
107
1 097
970
106
1 076
930
103 1 033
P
70
635
470
620
78
698
843
750
92
982
860
102
950
106 1 056
980
Hodina
9 a 15 C
C
1 000
Měsíc
10 a 14
106
D
8 a 16
7 a 17
D
6 a 18
P
D
C
699
405
53
453
93
853
610
78
688
380
49
429
825
100
925
715
89
804
570
68
638
860
99
969
750
92
842
625
74
699
P
D
C
2 a 10
390
52
442
3a 9
620
79
4a 8
760
5a 7 6
P
D
5 a 19 C
P
D
C
280
38
318
400
49
449
12 1 a 11
projde atmosférou a tento podíl charakterizujeme propustností (transmitancí) τ. Ze zákona zachování energie samozřejmě platí
α+ρ+τ=1
(5)
Podle Kirchhofova zákona se pohltivost α rovná poměrné sálavosti ε jak pro sálání o určité vlnové délce, tak pro celkové sálání. Z obrázku 4.3 je vidět, že v oblasti tepelného záření, pro vlnové délky větší, než odpovídá viditelnému světlu, se na pohlcování podílí především vodní pára a méně významně oxid uhličitý. V oblasti viditelného světla je to rovněž vodní pára a ozón. V oblasti ultrafialového záření má velký vliv pohlcování ozónem. Tento efekt má velký význam pro život na Zemi. Pohlcování zeslabuje pronikání velmi krátkovlnného, a tedy tvrdého ultrafialového záření na zemský povrch. Velká intenzita tohoto záření je totiž škodlivá jak pro živočichy, tak pro některé druhy rostlin. Ozón není v atmosféře rozptýlen rovnoměrně. Jeho nej-
větší koncentrace je ve stratosféře ve výšce mezi 20 a 26 km nad zemským povrchem.1 Tento ozón vzniká podle E. A. Boekera a R. Grondeleho spojením molekuly kyslíku (O2) a atomu kyslíku (O). Atomární kyslík vzniká v největších výškách atmosféry fotodisociací kyslíkových molekul slunečním zářením o vlnových délkách kratších než 175 nm. Největší tloušťka ozónové vrstvy je nad rovníkem, kde je intenzita ultrafialového záření největší.
Poškozování ozónové vrstvy Za normálních podmínek se ozón vytváří a přibližně ve stejné míře se rozpadá. Relace mezi vytvářením ozónu a jeho rozpadáváním se mění během dne a roku. Proto se množství ozónu, charakterizované často efektivní tloušťkou ozónové vrstvy, během dne a během
1 Kromě stratosférického ozónu se ve větší či menší míře nachází ozón v přízemní vrstvě ovzduší – takzvaný přízemní ozón. Jeho vznik není dosud zcela objasněn, ale zřejmě souvisí s provozem spalovacích motorů, s jejich emisemi oxidů dusíku. Vzniká především za vyšších teplot ovzduší. Ozón dráždí sliznice, spojivky u očí a u alergiků může vyvolat dechové potíže až astmatické reakce.
SKLENÍKOVÝ
EFEKT
65
Některá pozorování dokládající růst průměrné globální teploty Přes poměrně malé zvýšení průměrné globální teploty od počátku průmyslové éry (asi 0,9 °C) jsou v posledních desetiletích pozorovány četné důsledky této změny. Je to patrně proto, že velká část uvedeného zvýšení teploty (asi 0,6 °C) proběhla v posledních 30 až 40 letech. Jako příklady lze uvést:
Foto Otto Horský
Ledy a ledovce tají, jezera zamrzají na kratší dobu Oteplování se projevuje více v chladných oblastech nejen v důsledku tepelného sálání v oblasti větších vlnových délek, ale také díky působení albeda (odrazivosti povrchu – sníh a led mají vysoké albedo) a jeho zpětné vazby. Ale i z jiných příčin globální oteplování není rovnoměrné, u pólů a ve velkých horských výškách se oteplování projevuje více. Podle ředitele norského Nansenova polárního institutu Willyho Ostrenga se průměrná tloušťka ledovců v Arktidě zmenšila za posledních 30 let o 43 procent, z 3,1 m na 1,8 m. Podle téhož polárního badatele za pár desítek let zcela jistě roztaje převážná část ledových ker, nebo dokonce na pólu již žádné ledové kry nebudou. Na Aljašce začíná být velmi teplo. Průměrná teplota v městě Barrow vzrostla za třicet let o 2,31 °C, město Juneau zaznamenalo nárůst o 1,86 °C a v nejlidnatějším městě Anchorage je o 1,25 °C tepleji. Mohou na to doplatit jehličnaté lesy, které jsou v teplejším a sušším počasí náchylnější k požárům. Velkolepé aljašské ledovce tají a před očima mizí. Odhaduje se, že každoročně z nich nyní odtéká navíc 35 km3 vody, což je významný příspěvek ke zvyšování hladiny moří. V důsledku tání permafrostu poklesla půda v některých částech Aljašky až o 5 metrů. Podle Keitha Echelmeyera z časopisu Science se v posledních pěti až deseti letech ústup aljašských ledov-
ců výrazně urychluje. Ledovec Malaspina ztrácí ročně 2,7 km3 ledu. V této souvislosti se jeví jen stěží pochopitelné rozhodnutí Senátu Spojených států z března 2005 povolit těžbu ropy ve zvlášť cenné části přírodní rezervace na Aljašce, v ANWR.5 Rovněž Arktida se ohřívá několikrát rychleji než oblasti blíže k rovníku. Tloušťka ledu v Arktidě se zmenšila o více než třetinu. To potvrzuje i National Geographic [118], podle kterého bylo pomocí podmořského sonaru zjištěno, že v posledních 30 letech se tloušťka ledu v Arktidě zmenšila o 30 procent. P. Ward a D. Brownlee, [170] dokonce uvádějí, že arktická zásobárna ledu se zmenšila o 40 procent. K obdobným závěrům dospěl i Robert Corela, který vede u severního pólu mezinárodní výzkumný tým a uvádí, že v tomto století by teplota v Arktidě měla stoupnout o 4 až 7 °C. Podle National Geographic [118] dochází ke každoročnímu lámání ledu u pobřeží Aljašky o celé týdny dříve než kdysi. Někteří badatelé předpovídají, že do roku 2100 by led v Arktidě mohl zcela chybět. Od roku 1978 se oblast celoročně pokrytá ledem zmenšuje o 9 procent za 10 let. Impozantní zhroucení Larsenova šelfového ledovce o rozloze 3 240 km na začátku roku 2002 trvalo jen měsíc. Podle studie NASA se teplota vody v Severním ledovém oceánu zvyšuje každých 10 let o 1,2 °C. Ledy zde tají rychlostí 40 000 km2 za rok. Porovnáním dat o zalednění v letech 1979 až 1989 a v letech 1990 až 2000 bylo zjištěno, že k největšímu úbytku ledu dochází v Neaufortově a v Čukotském moři. K rychlému tání ledu však dochází také ve východní oblasti Arktidy, v Sibiřském a Karském moři a v moři Laptěvů. Jen v období 1978 až 2000 zmizelo 1,2 milionů čtverečních kilometru ledu. To je plocha patnáctkrát větší než plocha České republiky. Za uvedených 22 let zmizel každý rok led na ploše odpovídající 70 procentům rozlohy České republiky. Do roku 1954 byl okraj ledu v Antarktidě přibližně na 61,5 stupňů jižní zeměpisné šířky, v roce 1974 však již na 64,3 stupňů jižní zeměpisné šířky. Posunutí o 2,8 stupňů představuje úbytek ledovcového povrchu o 5,65 milionů km2,
Foto 5.2 Tající ledovce – Titicaca (Peru), oblast silně ohrožená globálním oteplováním
Foto 5.1 Tající ledovec
ANWR – Tuto rezervaci při severním pobřeží Aljašky, která má rozlohu 77 000 km2, založil v roce 1960 prezident Eisenhower. Ropné ložisko zaujímá plochu asi 6 000 km2 a má byt schopno dodat 10,5 miliardy barelů ropy.
5
82
ENERGIE
A GLOBÁLNÍ OTEPLOVÁNÍ
ZEMĚ
Foto poskytl Pavel Bláha a Otto Horský
tedy téměř o jednu čtvrtinu, a od té doby hranice ledu dále podstatně postoupila. Podle jiných údajů se za posledních 30 let zmenšila ledová pokrývka v Antarktidě asi o 1 milion km2. V lednu 1995 se v Antarktidě rozlomil ledovec o ploše 2 700 až 2 900 km2 a o výšce asi 180 m. V únoru 1998 se v Antarktidě odštěpil ledovec o ploše asi 200 km2, který během dvou měsíců roztál. Antarktický ledovec přitom tvoří 80 procent světových zásob pitné vody. V situaci, kdy se v mnoha oblastech světa projevuje vážný nedostatek pitné vody, se její ohromné zásoby rozpouštějí v oceánu. Ledovec odlomený v lednu 1995 zmenšil světové zásoby pitné vody o 500 až 550 km3, to je o 500 až 550 miliard m3 pitné vody. Britští vědci z antarktické inspekce (BAS) dospěli k závěru, že tání antarktických ledovců se dramaticky zrychluje. Na základě dvou tisíc leteckých snímků a tisíce satelitních snímků porovnávali změny za půlstoletí u 244 ledovců spadajících do moře. Téměř devadesát procent se jich zkrátilo v průměru o 600 metrů, přičemž za toto období teplota v regionu stoupla o 2,5 °C. Možná stojí za zmínku, že antarktický ledovec dosahuje tloušťky až 4,5 km. Přitom tvorba ledu je v antarktických podmínkách velmi pomalá, vzhledem k velmi nízkému obsahu vlhkosti ve vzduchu dané velmi nízkou teplotou. Tím vážněji by mělo být pečováno o udržení takové zásoby sladké vody. V roce 2003 se v Antarktidě v prostoru Rossova šelfu, na přibližně 78. až 85. stupni jižní zeměpisné šířky, tedy téměř u pólu, rozlomil největší ledovec na světě, označovaný jako B 15, jehož plocha je asi 11 000 km2 a je přibližně stejně velký jako polovina Moravy. Podle Michaela Oppenheimera z univerzity v Princentonu by v důsledku masivního tání ledu v Antarktidě a v Grónsku došlo k zaplavení Floridy, Bangladéše, New Yorku a dalších velmi rozsáhlých území. Před 100 lety bylo na Biscoově ostrově na 65. stupni jižní šířky v blízkosti pobřeží Antarktidy polární klima. Dnes sem zasahuje subarktický systém. K největším změnám však došlo za posledních 30 let. Globální oteplování se projevuje podstatně intenzivněji v blízkosti pólů, než činí celosvětový průměr, a podle dosavadních poznatků má oteplování nejmenší rychlost v okolí rovníku. Přesto od roku 1912 zmizelo z vrcholu nejvyšší africké hory Kilimandžáro (5 895 m), která se nachází 3 stupně jižně od rovníku, nejméně 80 procent sněhu6 a to, co zbývá, může roztát do roku 2020. Přitom vrchol této hory, jež vznikla vulkanickou činností, býval pokrytý ledovcem o tloušťce až 100 m. Tím se nejen dramaticky mění vzhled hory, tak významné pro celou Afriku, ale může to mít i velmi vážné důsledky pro obyvatele závislé na vodě z tajícího sněhu. Největší obavy jsou z nedostatku pitné vody pro miliony lidí žijících v této oblasti Afriky. Obdobná pozorování a snad ještě vážnější zaznívají z peruánských And. Následující údaje o změnách v této
Foto 5.3 Titicaca (Peru) – satelitní snímek, oblast silně ohrožená globálním oteplováním
oblasti pocházejí z poznatků a zkušeností předního českého geologa Otty Horského,7 který v této oblasti prožil dlouhá léta. Peruánské Andy se rozkládají na 3. stupni až 18. stupni jižně od rovníku a jejich ledovce tají stejně rychle nebo ještě rychleji než ledy na Kilimandžáru. Peru má nejvíce vysokohorských ledovců v tropické části Latinské Ameriky. Jejich celková délka je 2 600 km. Celkem je v Peru 18 horských pásem pokrytých ledovci a ve všech případech jsou tyto ledovce ohroženy globálním oteplováním. Jeden z nejkrásnějších vysokohorských ledovců v peruánských Andách, Pastouri, s nadmořskou výškou 5 191 m, ustoupil za posledních 25 let o 440 m a jsou vážné obavy peruánských odborníků, že tento ledovec v příštích desetiletích úplně roztaje. Ledovec Broggi měl v roce 1968 plochu 1,63 km2. V následujících 29 letech se jeho plocha zmenšila o 17,7 hektarů, to je o 11 procent, a došlo ke ztrátě 15,1 milionů m3 ledu. Za 49 let podrobného monitorování tento ledovec ustoupil o 766 m. Při odloučení obrovského bloku ledovce z nejvyšší peruánské hory Huascarán (6 768 m n. m.) sesuv gigantických rozměrů zcela smetl městečko Yungai s jeho 25 000 obyvateli.8 I když hlavním impulzem k sesuvu bylo zemětřesení, na ohromném sesuvu ledu a s ním množství skal se podílelo narušení ledovce v důsledku jeho tání. V sedmdesátých letech čeští odborníci zpracovali projekt na rozšíření hydroenergetického potenciálu stávající vodní elektrárny pod Machu Picchu. Tající ledovec Sancantay, patřící do pohoří Cordillera de Vilcanota, a vytrvalý déšť v roce 1998 byly příčinou obrovské laviny ledu a sněhu, která zcela smetla elektrárnu.
6 S výškou klesá teplota vzduchu v nižších vrstvách atmosféry asi o 2 °C na každých 300 m. Při obvyklé průměrné teplotě v oblastech kolem rovníku 24 °C je ve výšce vrcholu Kilimandžára průměrná teplota asi -15 °C. 7 Viz též [64]. 8 Při tomto neštěstí zahynula též celá čtrnáctičlenná československá horolezecká expedice.
DOPADY
SKLENÍKOVÉHO EFEKTU
83
7
Dosud životodárná, naše rodná planeta je ohrožena. Rovnováha na Zemi je křehká a člověk má nyní k dispozici síly a prostředky, kterými je schopen tuto rovnováhu podstatně narušit. A není jen schopen. V případě globálního oteplování planety již tuto rovnováhu podstatně narušil. Homo sapiens sapiens je však též schopen využít svůj rozum a poznatky vědy a techniky k tomu, aby tuto Zemi uchránil a předal ji v dobrém stavu dalším generacím.
Stávající a očekávatelné prostředky pro zmenšování produkce oxidu uhličitého
Změna životního stylu Dnešní spotřebitelský životní styl v takzvaných rozvinutých zemích je v příkrém rozporu s požadavkem na trvale udržitelný život na Zemi. Nejde jen o nadměrnou spotřebu energetických zdrojů. Jde o plýtvání dary Země v nejobecnějším smyslu. Člověk se obklopil ohromným množstvím nejrůznějších spotřebitelských předmětů, zpravidla naprosto zbytečných. Tyto předměty se při sebemenší poruše neopravují, nýbrž se prostě vyhazují a místo vyhozených se pořizují tyto předměty nové. Samostatnou kapitolu v tomto životním stylu tvoří obaly a ohromné množství naprosto zbytečných tiskovin, reklam a podobně. To vše vede ke spotřebě nejrůznějších materiálů, a tedy čerpání surovinových zdrojů. Při těžbě a zpracová-
ní surovin na konečné materiálové polotovary a vlastní výrobky je zapotřebí velké množství energie. Tento spotřebitelský životní styl má ale i další stránku. Tou je ohromné množství odpadů. Tyto odpady velmi silně poškozují životní prostředí. Je správné, že pro zmenšení těchto negativních dopadů na životní prostředí se přistupuje k co největšímu využívání surovin z odpadů. To samozřejmě také snižuje čerpání surovinových zásob, ale na druhé straně tyto procesy vyžadují značné množství energie. Spotřebitelský životní styl je tedy vysoce náročný na energii jak na straně pořizování spotřebitelských předmětů, tak na straně jejich likvidace, zpravidla po velmi krátkém používání. Na straně jedné je zde konzumní společnost s ohromnou spotřebou energie a dalších surovin a produkcí odpadů a na druhé straně chudoba. Tento rozpor může být příčinou velkých chyb při odhadování vývoje spotřeby energie, ale i vážných politických střetů, jak je uvedeno v první kapitole.
ZMENŠOVÁNÍ
PRODUKCE OXIDU UHLIČITÉHO
101
Doprava již dnes spotřebuje téměř jednu třetinu primárních energetických zdrojů. Proto zásadní změny v dopravě, především nahrazení individuální dopravy hromadnou dopravou, by vedly k podstatným energetickým úsporám. Tato opatření by však měla i další velmi pozitivní důsledky. Podstatně by se zlepšila kvalita ovzduší, a to v nejzatíženějších oblastech, jimiž jsou centra měst a velké městské a průmyslové aglomerace. Nezanedbatelná by byla podstatně lepší průjezdnost měst, jejichž ulice jsou dnes přecpány automobily. Ohromné finanční prostředky vkládané do dnešní dopravní infrastruktury, charakterizované naprostou převahou individuální dopravy, by bylo možné vkládat do perspektivní hromadné a ekologické dopravy. Změnu životního stylu nelze obyvatelům nařídit. Každý stát má však dostatek legislativních, daňových a jiných prostředků k tomu, aby vývoj v této oblasti ovlivňoval žádoucím směrem. Významnou roli však musí sehrát i nevládní organizace při vytváření veřejného mínění, neboť jisté věci se ve slušné společnosti nedělají, i když nejsou zakázány zákonem, a naopak jisté věci se dělají, i když nejsou zákonem nařízeny.
Úspory energie v konečné formě Cílem není absolutní snižování spotřeby energie. Pro rozvoj ekonomiky, který determinuje rozvoj ve zdravotnictví, v sociální sféře, v kultuře a v mnoha dalších oblastech, včetně vytvoření dostatečných hmotných a finančních prostředků pro ochranu životního prostředí, je zapotřebí dostatku energie. Jde o to, aby při rozvíjející se ekonomice a zvyšování jakosti života bylo spotřebováno co nejméně energie jak při energetických transformacích z primárních forem energie na konečné formy energie, tak při užití těchto konečných forem energie. A nejde jen o co nejmenší spotřebu jednotlivých spotřebičů při jejich užívání, nýbrž o komplexní spotřebu energie vydanou při zhotovení těchto spotřebičů, včetně energie spotřebované při výrobě materiálů, z nichž jsou spotřebiče zhotoveny, energie na jejich údržbu a opravy a energie potřebné pro konečnou likvidaci spotřebičů. V rozvinutých zemích středního zeměpisného pásma se spotřebuje na vytápění okolo 40 procent celkové spotřeby primárních energetických zdrojů. Nízkoenergetické domy se vyznačují velmi nízkou spotřebou energie nejen po celou dobu užívání, ale i velmi nízkou
spotřebou energie na výstavbu a výrobu stavebních dílů a součástí. Takové domy již dnes mají v našich klimatických podmínkách roční spotřebu tepla na vytápění pod 50 kWh = 18 MJ na jeden metr čtvereční užitné bytové plochy1 a celková roční spotřeba energie (teplo a elektřina) je nižší než 120 kWh na 1 metr čtvereční užitné bytové plochy. U těchto domů nehrají hlavní roli konstrukční parametry použitých dílů a materiálů, ale úroveň tepelné izolace. Tepelný odpor vnějších stěn je na úrovni 5 m2K/W, což odpovídá součiniteli prostupu tepla2 0,2 W/m2K. Součinitel prostupu tepla u oken je pod 0,83 W/m2K, ale dosahuje se i 0,64 W/m2K. Ve velkém rozsahu se využívá řízené rekuperace tepla. Ta spočívá v tom, že vzduch přiváděný do objektu pro větrání je ohříván řízeně odváděným vzduchem. Účinnost takové rekuperace dosahuje neuvěřitelných 90 procent. Toto zařízení, které v otopném období výrazně snižuje spotřebu tepla pro vytápění, je v létě využito pro částečné chlazení. Jak již bylo uvedeno výše, v rozvinutých zemích středního zeměpisného pásu se nyní spotřebuje již téměř jedna třetina ze všech primárních energetických zdrojů v dopravě, z níž individuální silniční doprava hraje z hlediska spotřeby energie rozhodující roli. V této oblasti proto jde nejen o co nejmenší rozsah energeticky a materiálově náročné dopravy, o co nejmenší spotřebu energie na jeden ujetý člověko.kilometr, ale i o co nejmenší spotřebu energie spojenou s výrobou a likvidací automobilů a jejich příslušenství a podobně. To je jen několik možných příkladů úspor energie v konečné formě. Po podstatném zdražení energií, ke kterému nepochybně dojde po uplatnění opatření na podstatné snížení emisí oxidu uhličitého, se mnohá opatření na úspory energií v konečné formě prosadí z ekonomických hledisek. Samy ekonomické nástroje však nejsou dostatečné, a proto rovněž stát by měl, s využitím pro něj disponibilních prostředků, prosazovat takové energetické úspory.
Zvýšení účinností při energetických transformacích Tepelné elektrárny na fosilní paliva Nepochybně budou pokračovat snahy po snižování pro-
1 Podle vyhlášky MPO čís. 152/2001 Sb. je směrná spotřeba tepla v palivu u obytných budov postavených po nabytí platnosti této vyhlášky 700 MJ/m2 při spalování uhlí v kotlích s násypkami na uhlí a 550 MJ/m2 při vytápění z ostatních zdrojů tepla. Podle obdobné vyhlášky MPO čís. 291/2001 Sb. jsou stanoveny směrné roční spotřeby tepla na vytápění budov od 290 MJ/m2, při poměru celkové plochy ochlazovaných konstrukcí a vytápěného objemu S/V = 0,2, do 525 MJ/m2, při S/V = 1,0, kde S je plocha vnějšího chlazeného pláště budovy a V je obestavěný objem budovy. 2 Klasická obvodová stěna z plných cihel má součinitel prostupu tepla okolo 1,4 W/m2K. 3 Klasická venkovní okna dřevěná nebo plastická dvojitá mají obvykle součinitel prostupu tepla okolo 2,7 W/m2K, zdvojená okolo 2,9 W/m2K a jednoduchá okna mají součinitel prostupu tepla dokonce cca 5,2 W/m2K. 4 Pokovením skla lze dosáhnout ještě podstatně menších součinitelů prostupu tepla. V roce 2003 představila na veletrhu v Brně firma Glas Trösl okenní výplně SILVERSTAR. Při tloušťce pouhých 50 mm je součinitel prostupu tepla 0,2 W/m2K.
102
ENERGIE
A GLOBÁLNÍ OTEPLOVÁNÍ
ZEMĚ
8
Nyní je všem jasné, že první úvahy o tom, jak se dveře do vytoužené komnaty mimořádně vysokých teplot otevřou hladce a bez skřípotu při prvním nárazu tvůrčí energie fyziků, se ukázaly stejně falešné, stejně jako naděje hříšníka vstoupit v království nebeské, aniž by prošel očistcem. Pokud snad mohou být nějaké pochybnosti o tom, že problém termojaderné syntézy bude vyřešen, pak pouze není jasné, jak dlouho se v očistci zdržíme. Z něho musíme vystoupit s ideální vakuovou technikou, s přesně určenou geometrií magnetických polí, s naprogramovanými režimy elektrických obvodů, nesouce v rukou klidné, stabilní vysokoteplotní plazma, čisté jako mysl teoretického fyzika, ještě nenarušeného setkáním s experimentálními fakty. L. A. Arcimovič [135]
Jaderná energetika
Jaderná energetika – východiska Velmi podstatnou roli při zabezpečování ekologicky přijatelné energie bude nepochybně sehrávat jaderná energetika, která stojí před svojí renesancí. K tomu je však potřebné konečně překonat černobylský komplex a snažit se vidět věci reálně, komplexně a ve prospěch dlouhodobého přežití lidského rodu na této planetě a v tomto duchu uvést na správnou míru chápání nezbytnosti a užitečnosti jaderné energetiky ve společnosti. A samozřejmě je nezbytné předložit a prosadit vhodné koncepce jaderných elektráren a výtopen. Oba hlavní zdroje energie na Zemi jsou jaderné. Sluneční energie vzniká syntézou jader lehkých prvků a geotermální energie štěpením jader těžkých prvků v jádru Země. Proto se jeví jako naprosto logické, aby se i člověk při zabezpečování svých energetických potřeb opíral především o jaderné energetické zdroje. 1
Během posledních několika let došlo k znatelné změně v nazírání vědců, inženýrů, ekonomů a politiků na jadernou energii. Ve vědecké komunitě mnoho renomovaných ekologů pochopilo, že k jaderné energii není adekvátní alternativa, protože jaderná energie neznečišťuje atmosféru a nezpůsobuje globální oteplování Země. V inženýrské oblasti byl učiněn velký pokrok ve zvyšování jaderné bezpečnosti. Pro řešení konce uranového–plutoniového palivového cyklu je rozpracovávána další alternativa spočívající v transmutační technologii. Ekonomové dosud namítali, že každá jaderná elektrárna je vlastně prototypová a že opatření přijatá po haváriích v elektrárnách Three Mile Island a Černobyl jaderné elektrárny investičně prodražila.1 Pokud dojde k masivnímu nasazení jaderných elektráren, povede jejich opakovatelnost ke zlevnění. Lze oprávněně očekávat, že dlouhodobější provozní zkušenosti povedou ke zmírnění bezpečnostních opatření. Již na přelomu století bylo vytipováno více než devadesát konceptů jaderných reaktorů od nejmenších výkonů až po výkony elektrárenských bloků 1 800 a více MW
Zvýšení investičních nákladů vyvolává poměrně velké pevné měrné náklady na vyrobenou elektřinu. Proměnné měrné náklady jsou však nízké díky nízkým palivovým nákladům. Proto jsou celkové náklady na elektrickou energii vyráběnou v jaderných elektrárnách v naprosté většině případů nižší než u jiných elektráren. Výjimkou je výroba elektřiny v amerických uhelných elektrárnách, což je dáno velmi levným a přitom kvalitním americkým uhlím. O nízké ceně amerického uhlí svědčí skutečnost platící donedávna: import amerického uhlí do Německa musel být tvrdě limitován, protože uhlí dopravované až do elektráren po německém území po vodních cestách bylo až o třicet procent levnější než tuzemské uhlí a to ohrožovalo zaměstnanost v německém báňském průmyslu.
118
ENERGIE
A GLOBÁLNÍ OTEPLOVÁNÍ
ZEMĚ
