Podzimní škola ASTRA

≈(kBTm)1/2. V prostoru hybností se tedy částice bude nacházet v kouli o poloměru

. P je rovno součinu V.4π

3/3 dělenému, v důsledku principu neurčitosti, objemem "elementární buňky" ve fázovém prostoru h3. Z podmínky P»N pak dostaneme podmínku, kdy se neuplatní kvantové jevy (h2/mkBT)3/2.N/V « 1 . Ideální plyn se tedy bude chovat klasicky, bude-li buď hodně řídký anebo teploty vysoké. Všimněte si, jak se dalo očekávat, že tato podmínka je právě obrácená podmínka (2), kdy se začnou projevovat kvantové jevy. Plyn, který se neřídí klasickou statistikou se nazývá degenerovaný, protože počet částic se stejnou energií již není mnohem menší než jedna. Jakou statistikou se řídí identické částice když opustíme podmínku «1 ? Statistiky se principielně liší, mají-li částice poločíselnou nebo celočíselnou hodnotu spinu. (Spin je vlastní moment hybnosti, který není spojen s pohybem částice v prostoru; vyjadřuje se v jednotkách ћ=h/2π.) Částice s poločíselnou hodnotou spinu se řídí Pauliho principem: v každém kvantovém stavu může být nejvýše jedna částice. Tyto částice se řídí statistikou, kterou odvodil Fermi pro elektrony: = {exp[(εp–µ)/kBT] + 1}–1 .

(3)

Dirac v r.1926 vyjasnil souvislost tohoto rozdělení s kvantovou mechanikou a nazývá se proto rozdělením Fermiho-Diracovým. Částice s poločíselnou hodnotou spinu, které se touto statistikou řídí, se nazývají fermiony. Fermion je např. elektron, proton, neutron (mají spin 1/2), ale také isotop 3He, který má 2 elektrony, 2 protony a jeden neutron - dohromady poločíselný spin. Nás bude nejvíce zajímat statistika identických částic s celočíselnou hodnotou spinu, pro které neplatí žádný vylučovací (Pauliho) princip. Odvodil ji v roce 1924 indický fyzik Bose pro fotony a Einstein ji ve stejném roce zobecnil na ideální atomový plyn. Nazývá se proto statistikou Boseho-Einsteinovou a příslušné rozdělení má tvar = {exp[(εp–µ)/kBT] – 1}–1 .

(4)

Částice s celočíselnou hodnotou spinu, které se tímto rozdělením řídí, se nazývají bosony. Patří k nim např. foton a všechny atomy se sudým součtem počtu elektronů a nukleonů (tj. protonů a neutronů), např. atom vodíku, isotopy alkalických kovů s lichým počtem nukleonů a lichým počtem elektronů. Při nízkých teplotách, kdy se ideální plyn řídí kvantovými statistikami, je chování fermionů a bosonů kvalitativně odlišné (viz obr. 2). To je nejlépe vidět ze vzorců (3),(4) v limitě T=0. Fermiony obsadí po jednom všechny stavy až do hodnoty energie rovné µ>0, neboť ve vzorci (3) exp→ 0. Všechny stavy s vyšší energií než µ zůstanou prázdné, neboť pro ně exp→ ∞. [µ(T=0) elektronů se nazývá Fermiho mez.] Jelikož pro bosony neplatí vylučovací princip, všechny mohou při T=0 obsadit základní stav s nulovou hybností p. Einstein si tuto možnost jako první uvědomil a sledujme ji nyní pečlivěji.

Obr. 2. Střední počet částic s hybností p podle statistiky Fermiho-Diracovy(křivka 1), Boseho-Einsteinovy (křivka 2) a Boltzmannovy (křivka 3). Je zřejmé, že že klasická a kvantové statistiky v sebe přecházejí pro tak velké (εp- µ)/kBT, kdy exp[(εp-µ)/kBT »1⇒«1. Nesmíme zapomenout, že chemický potenciál µ závisí na teplotě a tak ve skutečnosti všechny statistiky splynou při dostatečně vysoké teplotě. Ze vzorce (4) je ihned vidět, že µ bosonů nemůže být kladný. Pro µ>0 by totiž bylo záporné, což nemá fyzikální smysl. Chemický potenciál µ je možné implicitně určit z celkového počtu částic N, který dostaneme sečtením přes všechny možné hodnoty εp. Tento součet můžeme nahradit integrací ∫dερ(ε), kde ρ(ε)=dГ(ε)/dε je hustota stavů a Г(ε) je počet stavů částice až do energie ε. [dГ=(dГ(ε)/dε)dε je počet stavů v intervalu ε, ε+dε.] N = ∫o∞ dεpρ(εp){exp[(εp-µ)/kBT] – 1}–1 .

(5)

Víme,že Г(εp)=(V/h3)4πp3/3=(V/h3)4π(2mεp)3/2/3, takže dostáváme ρ(εp)=(V/h3)2π(2m)3/2εp1/2. Jelikož ρ(εp=0)=0 , v integrálu (5) bychom tímto způsobem vůbec nezapočetli střední počet částic N0 s nulovou energii (tj. ve zkondenzované fázi) a musíme jej proto vydělit zvlášť. Pak dostaneme N = N0 + ∫o∞ dεpρ(εp){exp[(εp-µ)/kBT] – 1}–1 ≡ N0 + Ne , kde Ne značí střední počet částic v excitovaném stavu, tj. s p≠0 - v normální fázi. Po dosazení za ρ a substituci x=εp/kBT nakonec dostaneme Ne = 2πV/h3.(2mkB)3/2 T3/2 ∫o∞ dx√x.{exp[x - µ/kBT] – 1}–1 .

(6)

Fázový přechod do zkondenzované fáze Zkoumejme nyní jak závisí µ(T) na teplotě T, čímž zjistíme, jak se při daném N mění počty N0(T) a Ne(T). Ze vzorce (4) ihned plyne (pro εp=0) N0(T) = [exp(–µ/kBT) – 1]–1.

(7)

Při T=0 musí mít systém minimální energii (entropie se neuplatni), takže všechny částice se budou nalézat ve zkondenzované fázi s nulovými hybnostmi. Ze vzorce (7) vyplývá, že µ(0) nutně musí být rovno nule, jinak bychom dostali N0(0)=0. Pak je ale (7) neurčitý výraz a N0(0) určíme z podmínky, že se musí rovnat N. Naopak při dostatečně vysokých teplotách budou skoro všechny částice v normální fázi, neboli N0≈0, takže µ musí být záporné a velké v absolutní hodnotě. Při snižování teploty bude tedy velikost µ klesat k nule a exp(–µ/kBT) se bude blížit k jedné; i když se bude exponenciela od jedné jen málo lišit, např. o 10-3, ze vzorce (7) je vidět, že pak bude N0≈103, takže N0 bude stále zanedbatelné proti celkovému, makroskopickému počtu částic N≈106. Můžeme proto určit teplotu T0, při které µ(T0)=0, ze vztahu (6), ve kterém položíme µ=0 a Ne=N. Pak dostaneme T0 = h2/(2mkB).[2π ∫o∞ dx√x.{exp(x) – 1}–1]–2/3 . (N/V)2/3 .

(8)

Integrál v tomto výraze lze vyjádřit pomocí funkce Г a Riemanovy funkce ζ jako Г(3/2).ζ(3/2)=(√π/2).2,612. Zavedeme-li relativní hmotnost atomu α, pak konečně dostaneme (v SI soustavě) T0 ≈ (1,6.10–18/α ) (N/V)2/3 [K] .

(9)

S pomocí (8) a (1) je možné vyjádřit podmínku vzniku BEC (Tζ(3/2)=2,612.

(10)

Počet částic v krychli o hraně λdB(T) musí být tedy větší než "magické" číslo 2,612. Pro T≤T0 zůstává µ=0 (nemůže být kladné) a Ne (6) lze při těchto teplotách vyjádřit pomocí T0 (8) jako Ne = N (T/T0)3/2 a N0 = N – Ne = [1 – (T/T0)3/2] . Teplotní průběhy Ne/N, N0/N a │µ│ jsou znázorněny na obr. 3. Zopakujme si ještě jednou pozoruhodné vlastnosti ideálního, degenerovaného Boseho plynu při nízkých teplotách, kdy se uplatňují kvantové jevy. Při teplotách T>T0 jsou všechny částice plynu v excitovaných stavech (ε≠0). Při teplotách T
Obr.3 vln koherentních a tento stav (velký počet atomů má nulovou hybnost) lze popsat jedinou vlnovou funkci. Proč se vlastně musí začít obsazovat stavy s nulovou energii? Z výrazu (4) je vidět, že při snižující se teplotě budou částice obsazovat jen stavy s malou energii. Takových stavů začíná být ale málo, protože hustota stavů ρ(ε)~√ε. Proto se částice musejí začít hromadit v jediném stavu ε=0, kde jich může být libovolně mnoho. [K tomuto jevu nedochází v systému fotonů, které jsou rovněž bosony. Je tomu tak proto, že počet fotonů nemusí být konstantní, neboť při ustavování termodynamické rovnováhy mohou vznikat a zanikat na stěnách nádoby.] Zmiňme se ještě o chování některých termodynamických veličin. Specifické teplo při konstantním objemu cV má v T0 maximum, mění se spojitě, ale ∂cV/∂T má skok. Neobvyklé je, že pod teplotou T0 tlak P bosonového plynu nezávisí na hustotě a vymizí při T=0 (P~T5/2); je to přirozený důsledek toho, že částice s nulovou hybností nevytvářejí žádný tlak. Hledání BEC Zájem o nalezení BEC se začal probouzet v roce 1938, kdy F. London navrhoval vysvětlit supratekutost isotopů 4He jako BEC atomů helia. Později se toto vysvětlení ukázalo být z různých důvodů nesprávným, např. bylo odhadnuto, že v supratekutém stavu je v BEC méně než 8% atomů helia. Na supravodivý stav, jehož mikroskopickou podstatou je vznik bosonových (Cooperových) párů elektronů s opačnými hybnostmi a spiny, se také zdálo být možné nahlížet jako na BEC. Ve skutečnosti zmíněné systémy zdaleka nelze považovat za neinteragující bosony a tak dále pokračovalo hledání BEC v jiných systémech. V roce 1993 byl pozorován BEC ve zředěném plynu excitonů (exciton je vázaný stav elektronu a díry v krystalu) v Cu2O. BEC se projevil při teplotách menších než 2 K jako zvláštní pík v luminiscenčním spektru při rekombinaci elektronů a děr. Proč je realizace BEC tak obtížná ? Zdálo by se, že prostě stačí snižovat teplotu až se vlnové funkce atomů začnou překrývat. Přitom je ale třeba zabránit kondenzaci atomů na kapalinu či pevnou látku; tato skupenství nelze považovat za ideální plyn, protože v nich atomy silně interagují. Ukazuje se, že této kondenzaci lze zabránit jen při velmi malých

hustotách (N/V), řádově 1020 m–3, což je zhruba stotisíckrát menší hustota než je hustota vzduchu při 0 oC a tlaku 1 atm. K dosažení BEC je třeba tak malou hustotu plynu kompenzovat nízkými teplotami (aby se λdB prodloužila). Ze vzorce (9) vychází pro T0 extrémně nízká teplota T0≈1/α .10–5 K. Při tak nízké teplotě a malých hustotách je ale plyn v metastabilním stavu. Doba, po kterou se může metastabilní stav udržet, je nepřímo úměrná čtverci hustoty a může dosáhnout až jedné minuty. (Aby plyn zkondenzoval na kapalinu, musí se nejprve začít tvořit molekuly, což se děje prostřednictvím tří-částicových srážek mezi atomy. Při malých hustotách však "naštěstí" převládají dvou-částicové srážky, které ustavují kinetickou rovnováhu a proto se metastabilní stav může udržet poměrně dlouhou dobu). Nejlepším kandidátem pro nalezení BEC se zdál být magnetickým polem spinově polarizovaný vodík, který by teoreticky měl zůstávat plynem až do nulové teploty. Aby vodík zkondenzoval, musí se nejprve vytvořit molekuly vodíku, které mají v základním stavu elektronové spiny uspořádané proti sobě. (Spiny jader nehrají podstatnou roli.) V magnetickém poli má však část atomů spiny natočeny ve stejném směru a nemohou proto zkondenzovat. Celá řada jevů narušuje tuto jednoduchou představu a tak BEC ve spinově polarizovaném vodíku byl po více než dvacetiletém úsilí nalezen až v roce 1998. V roce 1995 byl BEC konečně nalezen a to v alkalických kovech (mají lichý počet elektronů). Nejprve v 87Rb [3] skupinou v Boulderu (Colorado), pak v 23Na [4] skupinou v Cambridgi (Massachusetts) a v roce 1997 v 7Li [5] v Houstonu (Texas) (indexy označují počet nukleonů). V případě Rb bylo v kondenzátu 2.104 atomů při teplotě 170 nK, v případě Na 5.105 atomů při teplotě 2 µK. Mimořádná obtížnost pokusů spočívala v udržení velkého počtu atomů dostatečně dlouho v plynném stavu při extrémně nízkých teplotách. V současné době řada laboratoří dovede připravit kondenzáty Rb a Na obsahující řádově 107 atomů při teplotě několika mikrokelvinů. Kondenzát Li může mít řádově pouze 103 atomů (při větším počtu systém imploduje, protože atomy Li se poměrně silně přitahují). Laserové chlazení Vysvětlíme si nyní jak lze potřebných velmi nízkých teplot dosáhnout. Atomy v plynu mají střední rychlost v ~ (kBT/m)1/2. Při pokojové teplotě tomu odpovídá v atomu sodíku řádově 105 cm/s, při teplotě µK již jen řádově 10 cm/s. Rychlost atomů lze zmenšit, neboli je ochladit, tzv. laserovým chlazením (Nobelova cena za fyziku v roce 1997). Mějme laser, který je naladěn na rozdíl vhodné vyšší a základní energetické hladiny atomu - je s ním v rezonanci; atom tedy může absorbovat fotony laserového paprsku příslušné frekvence. Jestliže atom absorbuje foton, čímž přeskočí na vyšší, excitovanou energetickou hladinu, pohltí také jeho hybnost h/λ, kde λ je vlnová délka laserového paprsku. Pokud se atom a foton pohybují proti sobě, ze zákona zachování hybnosti plyne, že se atom zpomalí o ∆v=h/(mλ) (obr.4). Pro žluté světlo je ∆v asi 3 cm/s. Atom vyzařuje jednotlivé pohlcené fotony asi za 30 ns (doba života

Obr.4

excitovaného stavu) do náhodných směrů, takže v průměru se přitom jeho rychlost nezmění. Teoreticky by se tedy měl atom, pohybující se proti laserovému paprsku, za 1 ms úplně zastavit. Ve skutečnosti se ale toto tzv. optické čerpání (atomu do excitovaného stavu) stane po určité době neúčinné, protože se atom vrací na jinou než základní energetickou hladinu. Dojde tedy k rozladění atomu s laserem a jeho paprsky již nemohou být dále atomem absorbovány. (Účinnost chlazení se lze zvýšit použitím pomocného laseru, který převádí atomy zpět do základního stavu.) Podstatné je, že v důsledku Dopplerova jevu, laser musí být naladěn na nižší energii než odpovídá rozdílu excitované a základní hladiny atomu, protože atom pohybující se proti laserovému paprsku "vidí" vyšší frekvenci. Asi po 200 absorpcích se atom tak zpomalí, že se s laserem úplně rozladí a toto tzv. dopplerovské chlazení přestává být účinné. Účinnost dopplerovského chlazení lze zlepšit použitím laseru s širším frekvenčním pásmem a tzv. zeemanovským chlazením. V magnetickém poli dochází k zeemanovskému rozštěpení degenerovaných energetických hladin atomů; energie stavu - podhladiny, ve které je magnetický moment atomu m ve směru pole se sníží a energie podhladiny, ve které je m proti směru pole, se zvýší. (m alkalických kovů v základním stavu je určen spinem valenčního elektronu. V excitovaných stavech do něj může přispívat i orbitální moment hybnosti elektronu.) Velikost rozštěpení závisí na intenzitě pole. K absorpci fotonu dochází při přechodu jen mezi určitými zeemanovskými podhladinami, např. mezi nižší základní a vyšší excitovanou podhladinou. Představme si, že se atom pohybuje v gradientu magnetického pole proti laserovému paprsku naladěnému na rozdíl degenerované základní a excitované hladiny. Postupně přichází do míst s menším rozštěpením hladin neboť intenzita pole se podél jeho dráhy zmenšuje, současně se však zmenšuje i dopplerovský posuv (atom se zpomaluje), takže laser zůstává stále v rezonanci s atomem. Tímto způsobem se již v r.1985 podařilo atomy sodíku zpomalit na teploty menší než 100mK. Optická melasa a sisyfovské chlazení Dalšího snížení teploty plynu je možné dosáhnout v tzv. optické melase. Ta vzniká v místech kde se protínají svazky tří na sebe kolmých dvojic laserů. V každé dvojici míří lasery proti sobě a každý je naladěn mírně pod atomovou rezonanční frekvenci. Je-li atom v klidu, nepůsobí na něj žádná síla; pohybuje-li se proti jednomu laseru, ocitá se v důsledku Dopplerova jevu s ním blíže k rezonanci než s druhým laserem dvojice. Začne proto na něj působit brzdící síla úměrná jeho rychlosti, jako ve viskózním prostředí vytvořeném fotony a odtud název optická melasa. Nejnižší teplota, kterou je možné v optické melase dosáhnout, byla pro sodík odhadnuta na 240 µK. (Atomy v melase se nemohou úplně zastavit; v důsledku srážek s fotony vykonávají složitý difúzní pohyb a při náhodných emisích fotonů se "zahřívají".) K velké radosti experimentátorů se však v optické melase podařilo tuto limitu bohatě přesáhnout, tzv. subdopplerovské chlazení, až na 40 µK. Podstata tohoto jevu, více méně náhodně objeveného, je velmi zajímavá: dva kolmo na sebe lineárně polarizované proti sobě letící laserové paprsky spolu interferují a vytvářejí pro atomy periodický potenciál. Tento potenciál vzniká interakcí atomů s elektromagnetickým polem laserů, které různým způsobem posouvá hladiny atomů podle intenzity magnetického pole v určitém místě. Atomy na své dráze musejí znova a znova (odtud používaný termín sisyfovské chlazení) překonávat maxima periodického potenciálu na úkor své kinetické energie a tím se ochlazují. Aby bylo možné používat laserové chlazení, musí mít atomy vhodné základní a excitované energetické hladiny, ke kterým jsou k dispozici lasery příslušné vlnové délky.

Hlavní experimentální potíž s vodíkem spočívala v tom, že nejsou vhodné laserové zdroje pro vybuzení hlavní absorpční čáry 121,6 nm. Proto se později přešlo k alkalickým kovům. Magneto-optická past Ochlazené atomy je třeba udržet pohromadě uvnitř nádoby s ultravysokým vakuem (10-11 mbar) . (Nesmějí pochopitelně narážet na stěny nádoby, která se nijak nechladí.) K tomu se využívá tzv. magneto-optická past. Vysvětleme si její princip, pro jednoduchost na jednorozměrném případě.Vytvoří se statické magnetické pole, které mění spojitě svou intensitu B ze záporné hodnoty na kladnou - z jednoho směru na opačný - a uprostřed je nulové (viz obr.5). Zeemanovské rozštěpení hladin atomů se tedy bude podél jejich dráhy měnit. Pro jednoduchost uvažujme rozštěpení pouze excitovaného stavu, na dva - s opačnými orientacemi magnetického momentu m vzhledem k B>0. Označme tyto stavy jako m+ resp. m– (v těchto stavech m míří ve směru resp. proti směru B>0). Jelikož magnetické pole postupně mění svou intenzitu, energie stavu m+ (je dána výrazem –m+B) zprava doleva poroste a opačně energie stavu m–. Nádoba je osvícena laserovými paprsky letícími proti sobě a které jsou kruhově polarizovány v opačných smyslech (ve směru a proti směru otáčení hodinových ručiček) a budeme je značit σ+ a σ– . Oba lasery jsou naladěny na rozdíl hladiny (vyznačené přerušovanou čarou) ležící v celé oblasti pod nižšími excitovanými hladinami a hladiny základní (viz obr.5). V důsledku zákona zachování momentu hybnosti, laser σ+ může budit přechody atomu ze základního stavu jen do m+ a σ– jen do m–. Atomy letící zprava do

Obr.5. Výklad k obrázku je v textu. oblasti B<0 se v důsledku Dopplerova jevu dostávají do rezonance s laserem σ– (jsou daleko od rezonance s laserem σ+, který by je vytlačoval z oblasti B<0) a jsou jím "tlačeny" zpět do oblasti B=0. Naopak atomy letící do oblasti B>0 zleva jsou tlačeny zpět laserem σ+. Tímto způsobem zůstávají atomy uvězněny ve středu oblasti. Magnetická past a chlazení odpařováním K uvěznění ochlazených atomů se dále používá magnetická past. Soustavou magnetických cívek se vytvoří statické nehomogenní pole ve tvaru jámy. Pole se zapíná adiabaticky, tj. tak pomalu, aby nevyvolalo přechody mezi stavy s opačnou orientací m. Atomy, které mají natočen m proti směru B (v rovnovážném stavu je jich méně, protože mají větší energii) budou vtahovány do středu jámy kde je B nejmenší. Atomy, které mají m ve směru B budou z jámy - pasti, vypuzeny. Dalšího ochlazení lze dosáhnout odpařováním "nejteplejších" ze zbylých (mají m proti směru B) atomů. Ty se pohybují na okraji jámy kde je B největší, neboť

mají dostatečnou kinetickou energii k překonání síly, která je vtahuje dovnitř jámy. Fluktuace energie (způsobená srážkami mezi atomy) jim umožní unikat z pasti a odnést přitom více než střední hodnotu energie, čímž se celý systém dále ochladí. Odpařování je možné usnadnit střídavým magnetickým polem ( s frekvencí odpovídající zeemanovskému rozštěpení hladin), které může překlopit m do směru pole a tím atomy z pasti vyprostit. Kombinací uvedených metod chlazení zředěného plynu se daří dosahovat teplot stovek nanokelvinů při hustotách řádově 1014 cm-3. Pozoruhodné je, že celý chladící cyklus trvá jen desítky sekund. Schematické znázornění aparatury je na obr.6.

Obr.6. Magneto-optická past s magnetickou pastí. Tam, kde se protínají laserové svazky (vyznačeny červeně - tři na sebe kolmé pruhy), vzniká optická melasa. Modře jsou znázorněny magnetické cívky (dva velké kruhy), které vytvářejí "věznící" potenciál (zelený pruh mezi kruhy). Jak se pozná BEC Když je splněna podmínka (10) pro vznik BEC, je zapotřebí se experimentálně přesvědčit, že k tomuto jevu skutečně došlo. Především je třeba si uvědomit, že atomový plyn je zachycen v pasti - v silně nehomogenním magnetickém poli. Dá se ukázat, že zkondenzovaná fáze se musí nacházet v místě nejmenšího potenciálu, tj. uprostřed magnetické nádoby, kde je magnetické pole nejmenší. (V samotném gravitačním poli by byla na dně nádoby.) Zkondenzovaná a normální fáze budou odděleny: uprostřed magnetické nádoby bude husté jádro atomů v základním stavu - zkondenzovaná fáze (s nulovou hybností a minimální potenciální energií), obklopená normální fází. (Analogie kapek v nasycené páře.) Aby byl důkaz existence BEC úplně čistý, vypnou se magnetická pole a pozoruje se atomový plyn sám o sobě. O přítomnosti atomů s nulovou hybností svědčí silná absorpce laserového paprsku naladěného na rozdíl energií základního a excitovaného stavu atomů (žádné dopplerovské posuvy). Po uvolnění z pasti se obláček atomů začne rozpínat (atomy se trochu odpuzují a některé mají nenulovou hybnost), což je možné pozorovat v mikroskopu. Obláček se ozařuje laserem a v různých časových okamžicích se proměřuje jeho absorpce. Z časového vývoje oblaku - jeho absorpčního obrazu, je možné zjistit rozložení rychlostí atomů při uvolnění z pasti (obr.7). Obláček se řádově za 10 s roztáhne do velikosti několika tisícin cm a nikoli do desítek cm jak by tomu muselo být, kdyby se rozdělení rychlostí řídilo klasickou statistikou.

Obr.7. Rozdělení rychlostí atomů v rozpínajících se obláčcích (ve dvou prostorových rozměrech). Levý obrázek je při teplotě těsně nad teplotou přechodu; všechny atomy jsou v normální fázi (je znázorněna fialově, modře až zeleně), rozdělení rychlostí je izotropní. Prostřední obrázek je bezprostředně po vzniku BEC a pravý ještě při nižší teplotě. Velké špičky (jsou žluté až červené), které se na nich objevily, odpovídají zkondenzované fázi - velký počet atomů má nulovou rychlost. Rozdělení rychlostí atomů v kondenzátu je anizotropní, což je přímý důsledek toho, že jsou popsány jednou vlnovou funkcí, jejíž tvar je určen nesymetrickým potenciálem v pasti

Obr.8. Impulsy koherentních atomů vypouštěné z BEC po 5 ms. Obláčky atomů padají v gravitačním poli a v důsledku odpuzování atomů se rozšiřují.

Pokusy s hmotnými vlnami Podobně jako při ochlazování atomů vypařováním, je možné použitím vysokofrekvenčního pole uvolňovat z BEC shluky-impulsy zkorelovaných atomů, hmotné vlny (obr.8). S hmotnými vlnami je možné provádět řadu pozoruhodných pokusů, ve kterých se projevují kvantové vlastnosti v makroskopickém měřítku. Stejně jako světelné vlny, hmotné vlny mohou být zesilovány a mohou spolu interferovat. Jak již bylo několikrát řečeno, atomy v BEC jsou popsány jednou, "makroskopickou" vlnovou funkcí, kterou budeme značit Ξ. Čtverec jejího modulu Ξ 2 musí souviset s počtem atomů v BEC. Dá se ukázat, že makroskopická vlnová funkce BEC má tvar Ξ = √n0.exp(iΦ), kde n0 je hustota atomů v kondenzátu. Podstatné je, že fáze Φ je ve všech místech kondenzátu stejná, což vyjadřuje koherentní stav atomů (v analogii s koherentními vlnami, které mají v každém místě stejný rozdíl fází - v našem případě nulový). Jestliže se BEC začne pohybovat rychlostí v, atomy zůstanou zkorelovány, ale celý systém již pochopitelně nemá nulovou hybnost. Fáze se bude měnit (δΦ) jako fáze rovinné vlny s vlnovou délkou λdB=h/(mv), tj. δΦ=mvx/ħ. Odtud také vyplývá, že rychlost kondenzátu souvisí se změnou fáze jeho vlnové funkce vztahem v=(ħ/m)gradФ .

(11)

Setkají-li se dvě hmotné vlny pohybující se rychlostmi v1a v2, v intensitě výsledné vlny Ξ1 + Ξ2 2 se objeví interferenční člen ~ cos[m(v1-v2)x/ħ]. Následkem toho se vytvářejí interferenční proužky vzdálené od sebe o h/[m(v1-v2)] (obr.9). Hmotné vlny je také možné zesilovat a vytvořit tak atomový laser, v analogii laserem, který zesiluje světelnou vlnu. Mechanizmy zesilování jsou ovšem podstatně odlišné a jsou porovnány na obr.10.

Obr.9. Absorpční obraz při průniku dvou koherentních hmotných vln. Tmavá místa odpovídají velkému počtu atomů. Vzdálenost interferenčních proužků je ≈ 10 µm. BEC má vlastnosti supratekuté kapaliny, což vyplývá z toho, že "makroskopická" vlnová funkce pohybujícího se kondenzátu (Φ tedy závisí na poloze a čase) popisuje stacionární stav, ve kterém nemůže docházet k žádným disipativním dějům. Krásně se supratekutost projevuje při pohybu supratekuté kapaliny ve válci, který se otáčí kolem své osy rychlostí v = [ω,r],

Obr.10. V laseru je světlo zesilováno průchodem prostředím s inverzním obsazením energetických hladin. V atomovém laseru je aktivním prostředím BEC osvětlený laserovým paprskem, který se na atomech kondenzátu rozptyluje a zpětným rázem uděluje některým atomům právě takovou rychlost, aby se mohly připojit k procházející hmotné vlně atomů v koherentních stavech a tím ji zesílit. kde ω je úhlová rychlost a hranaté závorky označují vektorový součin. Normální kapalina se v důsledku tření o stěny nádoby po určité době roztočí jako celek právě touto rychlostí, pro kterou platí rot v = 2ω ≠ 0. Supratekutá kapalina se však takovým způsobem pohybovat nemůže, protože při jejím pohybu musí být splněna podmínka bezvírového proudění, tj. rot v = 0. Ta vyplývá přímo z (11), jelikož operace rot.grad dává identicky nulu. Ukazuje se, že místo otáčení jako celku, vznikají v supratekuté kapalině vírové nitě (podél osy válce) - víry, kolem nichž se po kruhové dráze kapalina otáčí (obr.11). Obvod kružnice nemůže být

Obr.11. Proudění supratekuté kapaliny kolem vírové nitě - víru. ∮l vdl ≠ 0. libovolný, ale musí být "kvantován" tak, aby se na něj vešel celočíselný násobek λdB. (Stejné pravidlo použil Bohr k nalezení diskrétních hladin energie elektronu ve vodíku.) S využitím Stokesova teorému a vztahu (11) dostaneme ∫S rot vdS = ∮l vdl = 2πrv = ħ/m ∮l gradΦdl = ħ∆Φ/m .

(12)

Změna fáze při oběhu kolem vírové nitě ∆Φ = 2πrmv/ħ = 2π.2πr/λdB musí být celočíselný (n) násobek 2π, jinak by vlnová funkce Ξ nebyla jednoznačná. Z toho vyplývá, že 2πr/λdB =n. Ze

vztahu (12) plyne, že supratekutá kapalina rotuje zcela odlišně od normální kapaliny: její obvodová rychlost klesá se vzdáleností od středu víru, v ~ r–1. Rotační pohyb válce se do supratekuté kapaliny přenese v podobě systému tenkých vírových nití (z energetických důvodů jsou uspořádány pravidelně), podobně jako proniká vnější magnetické pole do supravodiče (2.druhu). Na obr.12 je vidět pravidelné uspořádání vírů v BEC, který byl roztočen pomocí laserových svazků kroužících kolem něj.

Obr.12. Trojúhelníková mřížka vírů. Počet vírů vzrůstá od A do D s růstem rychlosti rotace. Obrázky jsou negativy: světlo prochází prázdnými víry jako tunely a jinde je absorbováno. Závěr Zájem o studium vlastností BEC neobyčejně prudce vzrůstá. Zatím co v roce 1985 bylo na tuto tématiku publikováno jen několik článků ročně, v roce 2002 jich bylo již přes tisíc. Důvodem je především poznávání základních projevů kvantových vlastností hmoty. Jak se při základním výzkumu často stává, vyřeší se přitom celá řada technických problémů a objeví se možnosti využití výsledků v praxi. Realizace BEC znamená obrovský pokrok v manipulaci s atomy, které budou využívány v nanotechnologiích a další rozvoj techniky velmi nízkých teplot. Atomový laser obohatí atomovou optiku o aktivní součástku, která může např. zesilovat signály z atomových interferometrů, které se používají jako gravitační a rotační čidla (o mnoho řádů citlivější než optické interferometry). Využití koherentních hmotných vln se očekává v litografii a holografii. CITOVANÁ LITERATURA [1] J. Hošek, J. Šebek: Boseho-Einsteinův kondenzát v kvantových atomových plynech při extrémně nízkých teplotách, Čs. Čas. Fyz. 46, 69-80 (1996). [2] Proceedings of the International school of Physics "Enrico Fermi": Bose-Einstein Condensation in Atomic Gases, Course CXL. [3] M. H. Anderson a kol.: Observation of Bose-Einstein Condensation in a Dilute Atomic Vapor, Science 269, 198-201 (1995). [4] K. B. Davis a kol.: Bose-Einstein Condensation in a Gas of Sodium Atoms, Phys. Rev. Lett. 75, 3969-3973 (1995). [5] C. C. Bradley, C. A. Sackett, R.G. Hulet: Bose-Einstein Condensation of Lithium: Observation of Limited Condensate Number, Phys. Rev. Lett. 78, 985-989 (1997).

Katastrofy a pohromy v přírodě a v lidské společnosti František Slanina Fyzikální ústav AVČR, Na Slovance 2, 18221 Praha 8 [email protected] prvohory, druhohory, třetihory, čtvrtohory. Například na rozhraní prvohor a druhohor došlo ke katastrofickému vymírání, kterému padli za oběť např. známí trilobiti. Třetihory odděluje od druhohor vyhynutí dinosaurů a podobně. Tím to Obr. 1. Průběh vymírání podle paleontologických dat. Na ovšem nekončí: i uvnitř jednotlivých epoch se vodorovné ose čas v miliónech let, na svislé ose intenzita podařilo identifikovat vymírání menšího rozsahu, rozdělující epochy na pod-epochy, a vymírání. asi vás nepřekvapí, že v takovém zjemňování Dnes byste už těžko hledali člověka, který pochybuje o tom, že živou přírodu utvářela evoluce časové škály můžeme pokračovat dále. Pro ty, kteří již – ačkoli já sám pár takových vzácných výjimek viděli krásu fraktálů, obrazců do nekonečna znám. Existence biologické evoluce je všeobecně poskládaných v jiných obrazcích, nepřekvapí, když přijímanou skutečností. Jedna věc ale je brát pro- řeknu, že extinkční události vtiskují geologickému stě evoluci jako faktum a něco jiného rozumět času fraktální strukturu. Tuto charakteristiku geologického času lze tomu, co se při evoluci odehrává a proč. Tato otázka je stále do značné míry otevřená. Jednoho matematicky formalizovat. Ukažme si nyní dne se stalo, že několik teoretických fyziků se zjednodušeně, jak se to dá provést. Pomineme-li přitažlivost fraktálů, pak jejich rozhodlo přispět k teorii biologické evoluce svými estetickou originálními myšlenkami. Ať už byl tento drzý nejdůležitějším rysem je soběpodobnost: vyřízneme-li kousek úspěšný nebo ne – což rozhodne historie – kousek fraktálu a zvětšíme ho, dostaneme prakticky odstartovali výzkum ve velmi významném oboru, stejný obrázek. Totéž můžeme opakovat znovu a kterému se nyní říká teorie samoorganizovaných znovu a stále dostáváme stejný obrázek. To znamená, kritických jevů, nebo jednoduše samoorganizované že fraktál vypadá stejně na všech délkových škálách a kritično. Jak uvidíme, aplikace této teorie se roz- je tedy škálově invariantní. Fraktál poskládaný vinuly v nejneočekávanějších oblastech, od například ze samých čtverečků bude obsahovat plasticity zinku po krachy na burze. A o tom všem čtverečky všech velikostí, a to tak, abychom při změně měřítka dostali opět stelný obrazec ze samých bude tato přednáška. čtverečků. Nelze rozeznat, zda jde o obrázek ve skutečné velikosti nebo zmenšený 1:100. Pravidelné, 1. deterministické fraktály se objevují nejčastěji Jak to tedy bylo s evolucí? O tom, že kdysi na v populárních knížkách, kdežto v přírodě jsou fraktály Zemi žili tvorové, kteří se již nyní nevyskytují, a že spíše náhodné. Čtverečky všech velikostí budou horské štíty byly kdysi mořským dnem, se vědělo již rozmístěny nepravidelně. Soběpodobnost se tedy musí od antiky. Křesťanská nauka přišla s prostým, jedno- chápat v pravděpodobnostním smyslu. Označíme-li stupňovým vysvětlením: svět prošel dvěma epochami, P (s ) pravděpodobnost, že ve fraktálu nalezneme před potopou a po potopě, a zbytky vyhynulých tvorů objekt o velikosti s , pak požadavek soběpodobnosti patří předpotopnímu světu, který byl částečně zničen, velmi silně omezuje množinu přípustných částečně proměněn (včetně horotvorných změn) v čase potopy. Brala se tedy jen jedna jediná katastrofická pravděpodobnostních rozdělení P (s ) . Není obtížné událost, která měla vysvětlit empirická fakta. Jak ale dokázat (vede to na řešení jednoduché diferenciální přibývalo vykopaných koster a otisků a jak se rovnice), že takové rozdělení musí mít tvar mocniny, zpřesňovaly informace o jejich umístění a tvaru, tedy P (s ) = s −τ . Můžeme tedy napsat rovnítka mezi nedalo se už toto vysvětlení udržet. Zjistilo se, že netři následující tři pojmy: mocninné rozdělení, mohla být jen jedna potopa, ale celá série katastrof, po soběpodobnost, fraktál. nichž se flóra a fauna do značné míry obměnily. Tyto Vraťme se nyní zpět k evoluci. Na obrázku 1 katastrofy označujeme jako vymírání čili extinkce. vidíme statistiku vymírání, tak, jak ji paleontologové Nejvýraznější z těchto událostí pak začaly vydedukovali z fosilního záznamu. Vidíme velké i v geologickém čase vymezovat jednotlivé epochy: malé extinkční události, a jejich statistické rozdělení,

www.

k fázovým přechodům. Křivka přechodu voda-pára končí při jisté teplotě a tlaku velmi speciálním bodem, Pravidelné fraktály se vyznačují soběpodobností, neboli geometrickou kritickým bodem, v němž mizí rozdíl podobností sobě samým po vyříznutí a zvětšení některé své části. mezi kapalinou a plynem. Takovýto U náhodných fraktálů, které jsou v přírodě mnohem častější, není kritický bod se dá najít v mnoha soběpodobnost přesně geometrická, ale musí se chápat dalších systémech vykazujících fázový v pravděpodobnostním smyslu: změníme li měřítko zobrazení, neboli přechod, jako například mezi magneškálu, objekt zůstává v pravděpodobnostním smyslu totožný. To se tickým a nemagnetickým stavem označuje pojmem škálová invariance. Neexistuje žádná preferovaná železa při změně teploty. V okolí škála; všechny škály jsou ekvivalentní. Rozdělovací funkce P (s ) kritického bodu jsou vlastnosti hmoty udávající pravděpodobnost, že ve fraktálu nalezneme objekt velikosti velice zvláštní. Vznikají zde například fluktuace libovolné velikosti, které s , má tvar mocniny P(s ) = s −τ . Změna škály znamená vynásobení v případě vody vyústí v pozorovatelný všech velikostí konstantou s → bs . Přitom se však tvar rozdělovací jev takzvané kritické opalescence. A −τ −τ −τ −τ −τ tyto kritické fluktuace mají právě, jak funkce nemění P (s ) = s → (bs ) = b s ∝ s , jelikož se zjistilo, fraktální tvary. Matematicky konstanta b −τ je pohlcena požadavkem na normalizaci, se to projeví tím, že korelace mezi stavem systému v jednom a druhém P(s ) ds = 1 . místě klesají poměrně pomalu se vzdáleností, totiž podle mocninného které je vykresleno na obrázku 2, splňuje mocninný zákon s exponentem blízkým 1.9. Tady je ta slíbená zákona. Opět tedy narážíme na souvislost fraktálů fraktálnost skrytá v biologické evoluci. Otázka nyní je, s mocninnými závislostmi a tentokrát nám přibývá odkud se fraktální struktura času v biologické evoluci ještě další prvek: kritické chování. Kritické jevy doprovázející fázové přechody bere. vytvářejí fraktály s takovou pravidelností, že se nabízí myšlenka, zda právě kritické jevy nejsou univerzálním 2. vysvětlením výskytu fraktálů v přírodě. Je tu však Tím se dostáváme k mnohem obecnější otázce o vážná překážka: voda se do kritického bodu dostane původu fraktálů v přírodě obecně. V počítači je to pečlivým nastavením správného tlaku a teploty. Kdo jednoduché: stačí vytvořit krátký prográmek, který ale nastaví do kritického bodu přírodu? Železo se stěží bude iterovat kreslení jednoho geometrického prvku, dokáže samo udržovat ve svém kritickém bodě; jak to trojúhelníku, čtverce, kruhu, čehokoli, znovu a znovu dovede biologická evoluce? Odpověď na tyto otázky na všech délkových škálách. Otázkou je, zda něco se pokusil dát dánský fyzik Per Bak, který na konci takového může fungovat v přírodě. Kupodivu se zdá, osmdesátých let přišel s myšlenkou samoorganiže možná ano. Aristid Lindenmayer v osmdesátých zovaného kritična (self-organized criticality). letech vynalezl takzvané L-systémy, což ve své abstraktní formulaci jsou algoritmické instrukce, které se neustále opakují, právě tak jako u prográmků na 3. kreslení fraktálů. L-systémy byly ale vymyšleny k modelování růstu rostlin a dokážou simulovat neuvěřitelně realisticky tvary stonků, listů, květů, včetně kvazi-fraktálních rysů, které pozorujeme např. u kapradin. A zdá se, že L-systémy nejsou jen čistou teorií, ale mechanismy buněčného dělení a morfogeneze nejspíš opravdu fungují podobným způsobem, podle prográmku uloženého v metabolických drahách buňky. Takové vysvětlení ale stěží uplatníme u jiných fraktálů, kterými příroda oplývá. Fraktální tvar má například říční síť povodí Vltavy, stejně jako krevní řečiště v našich plicích. Povrch částeček aktivního uhlí v plynové masce je fraktální (měření fraktální dimenze se provádí pomocí adsorpce molekul různé velikosti), stejně jako krajinný reliéf Alp. Tady musíme hledat jiný mechanismus. Inspiraci si vezmeme z teorie fázových přechodů a kritických jevů. Vezměme si například fázový diagram vody, tedy graf, v němž v osách odpovídajících teplotě a tlaku jsou vykresleny křivky, na nichž dochází Obr. 2 Statistika vymírání. V dvojitém logaritmickém měřítku je grafem mocninné závislosti přímka.

Soběpodobnost a škálová invariance

∫

Jednoduchý model, který pojem samoorganizovaného kritična ilustruje, je takzvaný model pískové kupy, i když se skutečným pískem má jen málo společného. Brzy si získal i žertovný název model nervózních byrokratů. V této uvolněné formulaci si ho vyložíme i my.

Představme si obdélníkovou místnost, v níž jsou v pravidelné pravoúhlé síti rozmístěny pracovní stoly a za každým z nich sedí jeden úředník. Čas od času přijde šéf a náhodně vybranému úředníkovi předá k vyřízení jeden spis. Byrokracie funguje tím způsobem, že spisy se vrší na stolech a dokud hromádka nepřesáhne jistou hraniční výšku, neděje se nic. Jakmile je spisů příliš mnoho, úředníkovi dojde trpělivost a spisy „vyřídí“ tím způsobem, že čtyři horní vezme a přihodí je na stůl svým čtyřem sousedům (vpravo, vlevo, vpředu, vzadu). Tím to může skončit, ale nemusí. Sousedním úředníkům už také mohl sloupeček papíru přerůst přes hlavu a udělají totéž: vezmou čtyři spisy a přehodí je svým sousedům. Lavina aktivity tak náhle zachvátí celý úřad. Přehazování lejster by mohlo trvat do nekonečna, ale je tu naštěstí záchrana. Místnost má otevřená okna a úředníci u stěn místnosti mohou spisy vyhazovat ven. Nakonec se vše uklidní, úředníci si vydechnou a dokud nepřijde šéf s novou kauzou, je klid.

bylo získáno z numerických simulací. Pravděpodobnostní rozdělení má mocninný tvar

P(s ) = s −τ , s exponentem τ ≅ 1.22 .

Samoorganizované kritično v pískové kupě vede ke škálové invarianci v rozdělení lavin. Žádná škála není preferovaná, neexistuje žádná typická velikost laviny. Ačkoli malé laviny jsou mnohem pravděpodobnější než velké, musíme s velkými lavinami počítat. Jakkoli malý podnět může spustit jakkoli velkou lavinu.Ačkoli systém je většinou dosti stabilní, musíme být připraveni na katastrofy libovolného rozsahu A to je asi to hlavní poučení, které bychom si z teorie samoorganizovaného kritična měli odnést. 4. Vraťme se nyní k našemu tématu, k evoluci. Již tušíme, že budeme chtít zkonstruovat model, který by vystihoval samoorganizované kritické chování v biologické evoluci. K tomu budeme potřebovat ještě jeden pomocný pojem (který pak nakonec nepoužijeme), a to pojem adaptivní krajiny neboli krajiny zdatnosti.

To, co jsme právě popsali, je typický příklad lavinového procesu a teorie samoorganizovaných kritických jevů se někdy označuje jako teorie lavinových procesů. Tyto procesy jsou zajímavé tím, že statistika lavin právě přesně odpovídá kritériím fraktálnosti či kritičnosti, jak jsme je rozebírali výše. Zjistilo se totiž, numerickými simulacemi i analytickým výpočtem, že pravděpodobnostní rozdělení velikostí lavin splňuje mocninný zákon. Systém se tedy nachází v kritickém bodě, a to aniž Obr. 3. Rozdělení velikostí lavin v BTW modelu pískové kupy. bychom kvůli tomu museli nastavit hodnotu nějakého parametru, například teploty. Systém se do kritického bodu Bakův-Tangův-Wiesenfeldův (BTW) model pískové dostal sám, prostřednictvím vlastní kupy dynamiky. Proto říkáme, že se nachází Různé varianty modelů pískových kup patří do obecnější v samoorganizovaném kritickém stavu. Na obrázku 3 vidíme kategorie celulárních automatů. Algoritmus nejpůvodnějšího (BTW) pravděpodobnostní rozdělení velikostí modelu pískové kupy se dá formálně popsat následujícím způsobem. Mřížové body pravidelné čtvercové mřížky o velikosti L × L lavin v modelu pískové kupy, tak jak označíme dvojicí indexů i, j . Každému mřížovému bodu je

přiřazena proměnná z (i, j ) („počet spisů“) a globálně je nastavena její prahová hodnota z c . Dynamika modelu probíhá ve dvou stále se opakujících krocích: 1. Pokud z (i, j ) < z c ∀i, j , vyber náhodně mřížový bod přidej:

k, l a

z (k , l ) → z (k , l ) + 1 2. Pokud ∃i, j : z (i, j ) ≥ z c , pak pro každý mřížový bod k, l takový, že z (k , l ) ≥ z c přesuň:

S touto představou přišel ve třicátých letech matematický biolog S. Wright a podařilo se mu pomocí ní velmi názorně předvést, co se při evoluci odehrává. Během vývoje dochází k změnám tvaru živého těla či jiných parametrů. Fenotyp (tedy to, jak živý tvor vypadá) si můžeme představit jako bod v mnohorozměrném prostoru, kde na osách jsou parametry jako délka ocasu, počet končetin, koncentrace hemoglobinu a podobně. Různé fenotypy mají různou hodnotu zdatnosti, veličiny, která souhrnným způsobem vyjadřuje schopnost organismu přežít a přenést své znaky do příští generace. Každému bodu v tomto mnohorozměrném prostoru je přiřazena hodnota zdatnosti, a tuto funkci si můžeme vizualizovat představou velmi zvrásněné mnohorozměrné plochy. Na obrázku 4 vidíme dvojrozměrnou idealizaci této plochy, které se metaforicky říká krajina zdatnosti. Čím větší nadmořská výška v této krajině, tím větší zdatnost a tedy větší naděje na přežití. Přirozený výběr tedy bude táhnout biologické druhy k vrcholům „kopců“. Mutace ale mohou tuto tendenci narušovat a Obr. 4. Idealizovaná představa krajiny zdatnosti. s jistou malou ale nenulovou pravděpodobností se druh může dostat z jednoho své nejjednodušší podobě se ekologická síť modeluje kopce na druhý, i když přitom musí překonat velmi lineárním řetízkem, v němž jsou druhy seřazeny za riskantní cestu údolím smrti. Obrázek evoluce tím sebou v tom pořadí, jak se navzájem požírají: je to však ještě není úplný: zdatnost nezávisí jen na tedy zjednodušený potravní řetězec. Přesněji řečeno konkrétních parametrech fenotypu, ale také na kon- nejedná se přímo o druhy, ale spíše o ekologické niky, textu, v němž se daný druh pohybuje. Přirozeně, které může obsadit jednou ten, jednou jiný druh. Pro reprodukční úspěšnost antilopy nezávisí jen na délce jednoduchost však budeme stále mluvit o „druzích“. jejích nohou, ale u na tom, zda se v jejím prostředí Každý druh je charakterizován jediným parametrem b . Každý jednotlivý krok evoluce v Bakověvyskytují nebo nevyskytují lvi. Krajiny zdatnosti jednotlivých organismů jsou tedy složitým způsobem Sneppenově modelu odpovídá přeskoku z jednoho provázané a vždy se jedná o koevoluci, neboli maxima krajiny zdatnosti do druhého. V BS modelu souběžnou evoluci mnoha organismů zároveň. říkáme takovým přeskokům mutace, ačkoli ve Matematickou formalizaci této myšlenky provedl skutečnosti se skládají z velikého množství v osmdesátých letech Stuart Kauffman a odtud byl už elementárních mutací. Pravděpodobnost takového jen krok k modelu samoorganizovaného kritična přeskoku závisí na tom, jak hlubokým údolím přitom v evoluci, tak, jak s ním přišli Per Bak a Kim musí druh projít. Hluboké údolí znamená dočasně silně sníženou zdatnost, pravděpodobnost tedy klesá Sneppen. Bakův-Sneppenův (BS) model představuje tak se vzrůstající hloubkou. Číslo b pak parametrizuje drastickou idealizaci, že je s podivem, že může vůbec hloubku údolí a mluvíme také o bariéře bránící o evoluci něco říci. Je tvořen jednotlivými mutaci. biologickými druhy, spojenými ekologickou sítí. Ve

Bakův-Sneppenův (BS) model evoluce Nejdelikátnější otázkou je v BS modelu struktura ekologické sítě. V původní formulaci měla síť lineární strukturu. Druhy si označíme indexem i = 1,2,..., L a jejich stav popisují dynamické proměnné

bi ∈ (0,1) , které jsou na začátku zvoleny zcela náhodně. Jeden krok algoritmu (jedna mutace) spočívá v nahrazení proměnných bi , bi +1 , bi −1 novými náhodnými čísly z intervalu (0,1) . Definice lavin je poněkud méně přímočará než u pískových kup. Mluvíme o takzvaných λ -lavinách. Začátek a konec laviny je dán okamžiky, kdy parametr b mutovaného druhu přesáhne hodnotu λ . Ačkoli by se zdálo, že ve volbě λ máme libovůli, není tomu tak. Vyneseme-li si pravděpodobnostní rozdělení hodnot parametru b , tak jak se v modelu po dostatečné době ustálí, vidíme ostrý zlom při určité mezní hodnotě b c : pod touto hodnotou je pravděpodobnost mizivá, nad ní je konečná a téměř konstantní. „Správná“ volba parametru λ je pak λ = b c . Při této volbě má

zákon P (s ) = s , což znamená samoorganizovaný kritický stav. Takto jsme dospěli k vysvětlení pozorované statistiky vymírání, kterou jsme již viděli na obrázku 2. Přitažlivost tohoto modelu spočívá v tom, že k vysvětlení takových katastrofických událostí, jako bylo vyhynutí dinosaurů před 65 milióny let, nepotřebuje žádné vnější příčiny, jako třeba dopad meteoritu nebo výbuch supernovy. Ke katastrofickým vymíráním dochází z vnitřních příčin, díky tomu, že ekosystém je v samoorganizovaném kritickém stavu, v němž se mohou vyskytovat laviny vymírání libovolné velikosti. Samoorganizovaná kritická ekologie je velmi citlivá na všechny vnitřní poruchy a nepatrná změna může spustit obrovskou lavinu. Přesto ale je takový ekosystém zároveň relativně stabilní, jelikož v naprosté většině případů je lavina stejně nepatrná jako působící příčina. V tom je také překvapivost samoorganizovaného kritična, která poněkud narušuje naše intuitivní představy: spojení poměrné stability s pravidelným výskytem gigantických katastrof, které čas od času zachvátí celý systém.

pravděpodobnostní rozdělení náš dobře známý mocninný tvar s exponentem τ ≈ 1.07 . Hodnota exponentu závisí na struktuře ekologické sítě. Zkoumaly se i dynamické sítě, které mohou dorůstat a zase se smršťovat. V takových sítích vychází exponent τ ≈ 2 , který dobře souhlasí s empirickými daty. Analyticky řešitelný případ (užívá se analogie s náhodnými procházkami, podobně jako u BTW modelu) dává přesně τ = 3 / 2 .

Obr. 5. Záznam dopravních zácp na dálnici v Německu, získaný z leteckého snímkování. Čas běží shora dolů. Všimněte si, že směr pohybu zácpy je opačný než směr pohybu vozidel. Kandidátem mutace je pak vždycky ten druh, který má nejnižší bariéru b . Mutace v našem smyslu znamená přeskok mezi vrcholy, efektivně pak nahrazení druhu v ekologické nice druhem jiným. Původní druh vymřel a na uvolněné místo ihned nastoupil jiný. Nový druh se vyznačuje poněkud jinými vlastnostmi, které všechny souhrnně vyjádříme novou hodnotou parametru b . Jelikož druhy v ekologické síti se navzájem ovlivňují, bude to znamenat změnu

parametru i pro všechny druhy, které s mutovaným druhem v ekologické síti sousedí, tedy v potravním řetězci ty druhy, které mutovaný druh požírá a ty, kterými je požírán. To ale znamená, že, podobně jako u našich nervózních byrokratů, jedna mutace vnese do systému určitý rozruch, nestabilitu, která povede k dalším mutacím, dokonce k celé lavině mutací. Vymření jedné baktérie může způsobit vymření řady rostlin, což vede k vymření býložravců a tak dále, dokud ekosystém nezíská opět určitou stabilitu. Velikost lavin vymírání můžeme kvantifikovat podobně jako u modelu pískové kupy. Opět zde docházíme k závěru, že pravděpodobnostní rozdělení velikostí lavin splňuje mocninný −τ

5. Per Bak ve své knize How Nature Works rozebírá možná desítky případů, kde se samoorganizované kritično uplatňuje, a to od „hvězdotřesení“, totiž tektonických změn v dalekých pulsarech, po mihotání elektrických signálů v mozku. Z této záplavy aplikací vyberme jen několik dalších typických příkladů.

Jedním z nejvýznamnějších jsou zemětřesení: jsou prakticky nepředvídatelná, nechávají nás dlouhá desetiletí i staletí odpočívat v klidu a pak náhle udeří s katastrofickou silou. Jaký je mechanismus těchto živelních pohrom? Obecně vzato, věc je jasná: zemětřesení vznikají v důsledku pomalého pohybu pevninských desek podél zlomů, v nichž se plíživě akumuluje napětí, které se pak uvolní během několika katastrofických vteřin či minut. Vodítkem pro sestavení modelu je nám statistika velikostí zemětřesení, takzvaný Gutenbegův-Richterův zákon: vyneseme-li si na vodorovnou osu grafu energii uvolněnou při otřesu a na svislou četnost zemětřesení o této energii, bude výsledkem mocninná závislost. Dospíváme tedy opět k naší už známé škálové invarianci a samoorganizované kritično se stává okamžitým kandidátem vysvětlení. Pochody odehrávající se v tektonickém zlomu se modelují pohybem tuhých kvádříků spojených pružinkami, a tvořících dvojrozměrnou mřížku, jakousi „dlažbu“. Když tuto soustavu taháme po drsné podložce, kvádříky se zachytávají a opět uvolňují a celek se trhaně posouvá vpřed. V pružinkách se přitom akumuluje napětí a sklouznutí jednoho kvádříku může spustit lavinu dalších sklouznutí, podobně jako u pískové kupy. Numerické simulace tohoto modelu daly překvapivě dobrý souhlas se seismologickými daty. Jiná aplikace samoorganizovaného kritična, s níž má zkušenosti každý z nás, jsou dopravní zácpy. Řidiči na dálnici se chovají často zdánlivě nepochopitelným způsobem. Dopravní kolapsy vznikají z nicotných příčin a chaos se šíří dopravním systémem jako lavina. Skutečně, jako lavina v samoorganizovaném kritickém modelu dopravních zácp, který formulovali Nagel a Schreckenberg. Vyšli z předpokladu, že jakkoli jsou lidské bytosti složité, jakmile sednou za volant, jednají v pudu sebezáchovy poměrně jednoduchým způsobem. Složitost dopravního systému není dána složitostí jednotlivých agentů-řidičů, ale jejich komplexními interakcemi. Doprava je exemplárním případem komplexního systému, v němž složením jednoduchých skladebných jednotek dospíváme k vysoce komplikovanému chování. Podobně je tomu u jiných komplexních systémů, jimž vévodí náš mozek, nahloučenina prachobyčejných neuronových buněk. Nagelův-Schreckenbergův model popisuje za sebou jedoucí vozidla, jejichž řidiči dodržují dvě jednoduchá pravidla: 1. Je-li jejich rychlost příliš velká, takže by mohli narazit do vozidla jedoucího před nimi, zpomalit či zastavit. 2. Neplatí-li 1., a je-li jejich rychlost nižší, než kolik činí povolené maximum, zrychlit. Kromě toho jsou zde přítomné malé vnější poruchy: čas od času některé náhodně vybrané vozidlo musí zpomalit. Toto náhodné zpomalení však může způsobit, že i vozidla vzadu musejí zpomalit a možná i zcela zabrzdit. Tím vzniká lavina, kterou všichni

dobře známe: dopravní zácpa. Na obrázcích 5 a 6 můžeme srovnat, jak se jeví skutečné zácpy pozorované z ptačí perspektivy a jak se jim podobají modelované zácpy získané v počítačové simulaci. Podstatné zde je, že velikosti lavin-zácp jsou opět rozděleny podle mocninného zákona, musíme tedy opět počítat se stejnou smutnou nevyhnutelností jako u zemětřesení, u vymírání biologických druhů a všech ostatních samoorganizovaných kritických jevů: většinou se nám nic nestane, ale katastrofy nad námi neustále visí jako temný stín. Zbývá snad jen dodat, že i burzovní krachy, tak často přetřásané v médiích a ožebračující stamilióny obyvatel planety, spadají s velkou pravděpodobností do sféry samoorganizovaného kritična. A ačkoli to nepotěší ekonomy, kteří by rádi žili v ideálním prostředí s minimem rizik, je to jen další z mnoha katastrofických tváří nebezpečného světa, který máme to štěstí obývat.

Doporučená literatura: 1.

P. Coveney a R. Highfield, Mezi chaosem a řádem, Mladá Fronta, Praha 2003.

Obr. 6. Simulované dopravní zácpy v NagelověSchreckenbergově modelu. Čas běží shora dolů.

2. 3.

P. Bak, How Nature Works: The Science of SelfOrganized Criticality, Copernicus Books, New York, 1996. A.-L. Barabási, Linked, Perseus Publishing, Cambridge, 2002 (český překlad připravuje nakladatelství Paseka pro rok 2004).

Tento text, spolu s doprovodným materiálem, je možné nalézt na stránce: http://www.fzu.cz/~slanina/teaching/ rijen2003.php

Co se stalo (a nestalo) ve fyzice elementárních částic od Šlapanic 98 Jiří Chýla

Fyzikální ústav AV ČR

Co dnes o mikrosvětě víme …. Základní znalosti zákonů mikrosvěta získané studiem vlastností a srážek elementárních částic za uplynulých 50 let jsou shrnuty v tzv. standardním modelu (SM). Podle něj jsou základními stavebními kameny hmoty tři tzv. generace fermionů, tj. částic se spinem 1/2, jež se dále dělí na kvarky a leptony Fundamentální fermiony

Generace Kvarky Leptony

1 uuu ddd νe e

2 ccc sss νµ µ

Síly 3 t t t bbb ντ τ

název elektromagnetické slabé silné

IVB foton W+,W-,Z gluony

Každý z šesti kvarků, označovaných symboly u (z anglického up), d (down), s (strange), c (charm), t (top), b (bottom), existuje ještě ve třech různých stavech, poeticky nazývaných „barvy“. Z kvarků první generace jsou složeny například protony a neutrony, jež spolu s elektrony vytvářejí atomy a tím i většinu hmoty na Zemi i ve viditelné části vesmíru. Mezi kvarky a leptony působí čtyři typy sil: gravitační, elektromagnetické, slabé Kvarkové složení tripletu pionů (spodní řada), protonu a a silné. Kromě gravitační, jež neutronu (prostřední dvojice) a hyperonu omega. v mikrosvětě nehraje prakticky žádnou roli, mají ostatní síly jednu důležitou společnou charakteristiku: lze je popsat pomocí výměny, schématicky znázorněné na obr. 1, zprostředkujících částic, tzv. intermediálních vektorových bosonů (IVB), jež mají všechny spin 1. Základní rozdíl mezi kvarky a leptony je v tom, že silné síly působí jen na "barevné" částice a tedy jen mezi kvarky. Právě tyto síly zodpovídají za vazbu kvarků uvnitř protonů a neutronů a s elektromagnetickými silami za existenci a vlastnosti atomů. Ani bez slabých sil by ovšem vesmír nevypadal tak, jak vypadá. Ačkoliv jsou skutečně „slabé“ na vzdálenostech řádu průměru protonu, mají jednu důležitou vlastnost: nejsou invariantní vůči prostorové (P) a nábojové (C) inversi (tj. záměně pojmů Diagram znázorňující výměnný "vpravo" a "vlevo", resp. "částice" a "antičástice"), ba ani mechanismus sil působících mezi vůči kombinované prostorové a nábojové inversi (CP). kvarky a leptony (fi) ve SM. Přitom právě narušení CP invariance je klíčem k pochopení skutečnosti, proč je ve vesmíru více hmoty než antihmoty a proč tedy vůbec existujeme.

Kromě částic uvedených v tabulce hraje ve SM důležitou roli i tzv. Higgsův boson, částice se spinem nula, jež je ve standardním modelu v obrazném slova smyslu odpovědná za velikost hmotností kvarků, leptonů a intermediálních vektorových bosonů.1 Elektromagnetické a slabé síly jsou v rámci SM popsány sjednocenou teorií elektroslabých sil, formulovanou koncem 60. let Sheldonem Glashowem, Abdusem Salamem a Stevenem Weinbergem (GSW teorie), kteří za ni dostali v roce 1979 Nobelovou cenu za fyziku. Teorie silných sil byla formulována počátkem v roce 1973 Davidem Grossem, Frankem Wilczekem a Davidem Politzerem. Její název kvantová chromodynamika (QCD) odráží skutečnost, že tato síla působí jen na částice nesoucí barvu. Poznání, že QCD netrpí problémy, kvůli nimž v polovině 50.let ochladla důvěra v kvantovou teorie pole, znamenalo dramatický přelom. Klíčovou vlastností kvantové chromodynamiky je skutečnost, že teorie silných sil je tím jednodušší, čím jsou vzdálenosti mezi kvarky, antikvarky a gluony menší. Důležitou roli při vzniku QCD sehrál kvark-partonový model, formulovaný Richardem Feynmanem koncem 60. let pro fenomenologický popis tvrdých srážek elektronů s nukleony. Experimenty prováděné v té době ve SLAC ukazovaly, že protony a neutrony se v těchto srážkách chovají jako svazek vzájemně slabě interagujících bodových částic, jež měly stejná kvantová čísla jako kvarky. To bylo překvapivé, neboť žádné volné kvarky nebyly do té doby (a ani dosud) pozorovány. Skutečnost, že QCD je schopna smířit tak odlišné jevy, je netriviální a představuje triumf základního teoretického rámce, v němž se fyzika částic pohybuje: kvantové teorie pole. Skutečnost, že kvarky a gluony, na rozdíl od leptonů, neexistují jako volné částice a že má přesto smysl o nich mluvit jako o základních stavebních kamenech hmoty, se opírá o důležité zjištění. Ačkoliv izolované kvarky nelze z protonu či neutronu vyrazit, na rozdíl od elektronů z atomu, pozorujeme, že je-li energie vyráženého kvarku či gluonu dostatečně velká, vylétají ve směru kvarků či gluonů úhlově kolimované svazky částic, nazýváné „jety“. Z měření jejich vlastností pak usuzujeme na dynamiku samotných kvarků a gluonů. Jety dnes hrají při hledání zákonů mikrosvěta klíčovou roli, kterou v minulosti hrály jen částice samotné.

…. a co si domýšlíme Standardní model je, až na stále otevřenou otázku existence Higgsova bosonu, experimentálně prověřen do značných podrobností a poskytuje odpovědi na mnoho otázek týkajících se struktury hmoty. Některé zásadní otázky ovšem ponechává nezodpovězeny: • Proč existují právě tři generace kvarků a leptonů? • Proč mají takové elektrické náboje a hmotnosti, jaké mají? • Existují i další síly, o nichž dosud nic nevíme? • Jsou kvarky a leptony skutečně fundamentální, nebo i ony mají vnitřní strukturu? • Mají všechny čtyři známé síly společný původ? • Jak může být gravitace zahrnuta do standardního modelu? • Proč je ve vesmíru přebytek hmoty nad antihmotou? Odpovědi na tyto a řadu dalších otázek hledají experimenty, ale hledá je i teorie sama, neboť poněkud překvapivě fyzika částic již téměř tři desetiletí čeká na nějaký skutečně zásadní objev, který by rozhodujícím způsobem pomohl orientovat teoretické úvahy jdoucí za SM, tak jak byl načrtnut v předchozích odstavcích. Ten je totiž přes svou dosavadní úspěšnost při 1

Pro svět subatomárních částic je mezinárodní systém jednotek nevhodný a je proto zvykem používat přirozené jednotky, jimiž je v případě energie elektronvolt (eV), či dnes spíše gigaelektronvolt (GeV= miliarda eV). Klidová hmotnost protonu přitom odpovídá energii 0.94 GeV.

popisu mikrosvěta z řady hledisek nedokonalý a představuje jen určitou aproximaci hlubších fyzikálních zákonitostí. V takové situaci je proto přirozené, že se hnacím motorem teorie v posledních zhruba 20 letech staly snahy vybudovat teorii, která by byla nejen matematicky konsistentní a v jistém, byť nutně subjektivním, smyslu „krásná“, ale která by také odpověděla aspoň na některé z výše uvedených otázek. Důležitým krokem v tomto směru jsou tzv. teorie velkého sjednocení (zkráceně GUT a z anglického Grand Unified Theory). Jejichž základní myšlenka, formulovaná Howardem Georgi a Sheldonem Glashow v roce 1974, spočívá v tom, že kvarky a leptony jsou jen různé stavy jednoho fundamentálního fermionu a že elektromagnetické, slabé a silné síly jsou jen různé projevy téže „prasíly“. Základní předpověď těchto teorií je dramatická: proton a neutron nejsou stabilní! Nejambicióznější pokus v tomto směru pak vychází z předpokladu, že zákony mikrosvěta splňují speciální typ vnitřní symetrie, tzv. supersymetrii, tj. symetrii mezi fermiony a bosony. Ta postuluje, že ke každému kvarku a leptonu z tabulky fundamentálních fermionů, i každému intermediálnímu vektorovému bosonu elektroslabých a silných interakcí, existují jejich supersymetričtí partneři. Tyto částice mají mít spin, jenž se od spinu svých „normálních“ partnerů liší o jednu polovinu a supersymetrie tedy koreluje částice s různým spinem. To představuje skutečně revoluční myšlenku a hledání supersymetrických částic je proto předmětem experimentálního zájmu již po více než dvě desetiletí. Skutečnost, že zatím žádná taková částce nebyla nalezena, znamená, že pokud existují, musí být jejich hmotnosti tak velké, že pro jejich produkci nestačí ani dnešní nejmohutnější urychlovače. Jedním z hlavních argumentů pro supersymetrii je zjištění, že existence supersymetrických partnerů částic SM odstraňuje některé problémy teorií velkého sjednocení. Supersymetrie je součástí většiny dnešních modelů GUT, obzvláště těch, které se snaží do jednotné teorie zahrnout i gravitaci. V tomto případě jde předvoj teorie ještě dál a postuluje, že základním objektem mikrosvěta nejsou částice, bodové objekty, ale struny, či dokonce vícerozměrné membrány, které se pohybují ve více než čtyřrozměrném prostoročasu. Další rozměry prostoročasu jsou podstatné, neboť právě ony mohou poskytnout klíč ke sjednocení teorie gravitace s kvantovou teorií. Klasická teorie gravitace je totiž přirozenou limitou kvantových teorií strun na velkých vzdálenostech. Fyzika je ovšem empirická věda, a tak o tom, zda v mikrosvětě vládne supersymetrie či dokonce superstruny, rozhodne experiment. Proto je s takovým napětím očekáváno spuštění urychlovače LHC v CERN, který bude na dlouhou dobu jediným zařízením, kde je naděje projevy supersymetrie pozorovat.

Je ovšem také možné, že ani kvarky a leptony nejsou základní úrovní struktury hmoty, ale že i ony jsou v jistém smyslu složeny z nějakých ještě elementárnějších objektů. Tato přirozená myšlenka substruktury kvarků a leptonů má dlouhou historii, ale zatím se nepodařilo zkonstruovat nějaký matematicky konsistentní model, který by byl současně fyzikálně relevantní. I tak má ovšem stále smysl tuto možnost zkoumat experimentálně. Zatím ovšem neexistují žádné jasné příznaky, že kvarky a leptony nějakou substrukturu mají.

Jak se dělá fyzika elementárních částic ve světě …. Výzkum, především experimentální, v oblasti fyziky částic má několik charakteristických rysů, jimiž jsou velké týmy, široká mezinárodní spolupráce, vysoká koncentrace prostředků a základních zařízení a dlouhodobý charakter. Tyto rysy vykrystalizovaly během 50. a 60. let a jsou dány samotnou povahou výzkumu v této oblasti fyziky. Zatímco při objevu atomového jádra stačili Rutherfordovi dva asistenti, kteří po několik týdnů obsluhovali

zařízení, jež mělo rozměr většího hrnce, dnešní experimenty sice v zásadě opakují základní schéma tohoto pokusu, ale jeho realizace je dramaticky jiná. Dnes čítají experimentální týmy stovky fyziků z desítek zemí, kteří po léta vyvíjejí detektory vážící tisíce tun, aby je pak řadu let provozovali v mezinárodních střediscích, kde se nachází to nejdražší: obří urychlovače. Až do konce 60. let měly všechny urychlovače stejné základní uspořádání: svazkem urychlených částic byly ostřelovány částice v nepohyblivých terčích, jimiž byly buď kusy pevných látek nebo plyny uzavřené v stacionárních nádobách. Od počátku 70. let se stále více uplatňují tzv. urychlovače vstřícných svazků (v dalším pro Schéma detekční aparatury pro studium srážek jednoduchost nazývané srážeče) na protiběžných svazků částic pohybujících se v trubici. nichž se srážejí protiběžné svazky protonů, antiprotonů, elektronů nebo pozitronů, které jsou předtím standard- ním způsobem urychleny. Výhoda tohoto uspořádání oproti klasickým urychlovačům je v tom, že při čelné srážce dvou částic je jejich energie lépe využita, podobně jako jsou důsledky čelní srážky dvou aut daleko horší, než pokud jedno z nich stojí. Klíčovou roli při budování a provozu dnešních experimentů a následném zpracování dat hrají výpočetní a komunikační technologie. Obrovské objemy dat a požadavky na jejich rychlý přenos byly v minulosti podnětem k rozvoji těchto technologií a zůstávají jimi i dnes. Finanční náročnost a složitost dnešních experimentů je taková, že mezinárodní spolupráce je ve fyzice částic nevyhnutelností. Ve světě jsou dne tři hlavní střediska experimentálního výzkumu: Evropské středisko fyziky částic CERN v Ženevě a německá národní laboratoř DESY v Hamburku v Evropě, Fermiho národní laboratoř FERMILAB u Chicaga,

Hlavní událostí ve fyzice elementárních částic za uplynulých 5 let byl objev oscilací neutrin, který velmi úzce souvisí s otázkou klidové hmotnosti neutrin a jenž byl oceněn polovinou Nobelovy ceny za fyziku pro rok 2002, jež byla udělena za průkopnické příspěvky k astrofyzice, zejména za detekci kosmických neutrin Raymondu Davisovi a Masatoshi Koshibovi

Příběhy jejich objevů jsou krásnou ilustrací několika klíčových aspektů vědecké výzkumu: intuice, vytrvalosti a nezbytného kousku štěstí. A také skutečnosti, že důsledky a význam vědecké práce nelze předvídat. V obou případech byly totiž motivy experimentů jiné než měření klidové hmotnosti neutrin. Klíčové okamžiky cesty k dnešnímu stavu našich znalostí mikrosvěta byly velmi často spojeny s jevy, v nichž hrály důležitou roli neutrina (i když to vědci často netušili): 1897: H. Becquerel, P. a M. Curie: za objev spontánní alfa a beta radioaktivity získali všichni tři Nobelovu cenu za fyziku v roce 1903. To, že v rozpadech beta vzniká kromě elektronu ještě něco nikdo z nich netušil a trvalo 17 let než to začalo být divné a to když 1914: J. Chadwick: spojité spektrum beta-rozpadu. Tato neočekávaná skutečnost vedla Bohra k hypotéze, že v mikrosvětě se energie v jednotlivých případech nezachovává. Tuto možnost rozhodně odmítal Pauli a pro vysvětlení spojitého spektra beta rozpadu přišel s jinou, stejně radikální, myšlenkou. 1930: W. Pauli: pro vyjasnění spojitého spektra beta rozpadu postuloval existenci neutrina. Požehnání Pauliho hypotéze fyzikální obcí přišlo až během Solvayské konference v říjnu 1933, kde Pauli se svou myšlenkou poprvé veřejně vystoupil a kde Perrin vyslovil předpoklad, že hmota neutrina je nulová. Na této konferenci byla také odmítnuta Bohrova hypotéza nezachování energie v mikrosvětě. Trvalo ovšem 2O let než byla Pauliho hypotéza experimentálně potvrzena. 1934: E. Fermi: formuloval teorie slabých interakcí zahrnující neutrino a byl první, kdo pochopil, že neutrino vznikající v beta rozpadu není součástí jádra! 1939: H. Bethe: návrh mechanismu produkce energie ve hvězdách, který v podstatě platí dodnes a jenž lze znázornit následujícím schématem procesů. Základní procesem je fůze dvou protonů na deuteron, při současné emisi pozitronu a elektronového neutrina.

V dalším kroku se deuteronem sloučí s protonem na izotop hélia 3He a vyzáří foton.

Dvě jádra 3He se dále sloučí na 4He a dva protony, čímž končí hlavní část řetězce.

Při těchto reakcích se přeměňuje klidová hmotnost nukleonů na kinetickou energii, přičemž neutrino hraje klíčovou roli. Je také jediným svědkem procesů v nitru hvězd, který dopadá až na Zem. Jedině neutrina nám proto mohou říci, zda měl Bethe pravdu.

1953: F. Reines, W. Cowan dokázali existenci antineutrin vznikajících v jaderném reaktoru 1954: R. Davis přišel s myšlenkou měřit tok neutrin ze slunce metodou navrženou Brunem neutrino+Chlór → elektron + Argon Pontecorvo: Této metodě se Ray Davis věnoval celý život a dosáhl v ní neuvěřitelné přesnosti. 1962: L. Lederman, M. Schwartz, J. Steinberger: objevili mionové neutrino v rozpadech π+ → µ+ νµ , π+ → e+ νe

Trpělivost růže přináší

1964: R. Davis ve spolupráci s J. Bahcallem provedli první analýza slunečních neutrin 1967: B. Pontecorvo, V. Gribov: přišli s myšlenkou, že neutrina mohou „oscilovat“ mezi stavy, které označujeme „elektronové neutrino“ a „mionové neutrino“ podle hesla co není zakázáno, je dovoleno. V přednášce bude tento pozoruhodný jev vysvětlen. 1968: R. Davis a J. Bahcall: pozorovali první náznak deficitu slunečních neutrin. Po celý dalších 25 let Ray Davis tvrdošíjně pokračoval ve svém experimentu přes pochyby mnohých teoretiků i experimentátorů. Jahn Bahcall pak sehrál klíčovou roli při teoretické interpretaci naměřeného deficitu. Věrohodnost jevu stále rostla, ale Davisova metoda měla své meze a bylo třeba nezávislého potrzení. J. Bahcall, R. Davis (1982) Závěrem bychom chtěli říci, že věříme, že ať bude řešení problému slunečních neutrin jakékoliv, spojené úsilí mnoha lidí chemiků, Časový vývoj měření toku slunečních neutrin jaderných fyziků, astrofyziků, geofyziků a (prázdná kolečka) a teoretických výpočtů (křížky) fyziků elementárních částic během uplynulých dvou desetiletí nakonec přinese větší porozumění dějů probíhajících v nitru Slunce i hranic našich dnešních znalostí.... Budoucí experimenty se slunečními neutriny musí jasněji vymezit chybějící článek našich znalostí u ukázat, zda je primárně ve fyzice nebo astrofyzice.

1967: S. Glashow, A. Salam, S. Weinberg: jednotná teorie elektroslabých interakcí 1973: D. Gross, D. Politzer, F. Wilczek: formulace kvantové chromodynamiky 1974: H. Georgi, S. Glashow: teorie velkého sjednocení: výchozím bodem je předpoklad, že kvarky a leptony jsou součástí stejného multipletu grupy vnitřní symetrie. To vede na předpověď nestability všech hadronů, včetně nukleonů!

Štěstí přeje připraveným 1983: M. Koshiba: navrhl a postavit experiment Kamiokande pro hledání rozpadu protonu proton → neutrální pion + pozitron Šlo o velký čerenkovský vodní detektor: • umístěný 1000 metrů pod zemí v dole na zinek Kamioka • obsahující 3000 tun vody (v 100 kg je 0.6 1029 protonů) sledovaných • 1000 fotonásobiči o průměru 50 cm, které registrovaly • čerenkovské záření nabitých částic pro než (v/c)n>1 (n je index lomu, nvoda=1.33) • čímž umožnily rozlišit elektrony od mionů a pionů a tím • detegovat sluneční neutrina z rozpadu 5B→ 4B+e++νe 1987: Kamiokande za celou dobu provozu nezaregistroval žádný případ rozpadu protonu tj. protonu ≥ 3 1032 let, ale 23.2. 1987 ve Velkém Magellanově mraku pozoroval výbuch SN1987A: 3 hodiny fotony zachytil během 13 vteřin 11 neutrin. 1995: J. Bahcall, M. Pinsonneault: (velmi netriviální) výpočet toku slunečních neutrin

1996: Superkamiokande v provozu: 55 000 tun superčisté vody, 11 000 fotonásobičů, 1998-2001: Superkamiokande: poprvé pozorovalo oscilace atmosférických neutrin (v přednášce bude tento jev podrobněji vysvětlen) také změřilo tok slunečních neutrin. 2001-2002: Sudbury Neutrino Observatory: součet toků všech třech neutrin souhlasí s předpověďmi standardního solárního modelu.

Srovnání příspěvků různých procesů probíhajících na Slunci do celkového toku neutrin dopadajících na Zem, spočtených v rámci standardního solárního modelu (barevné pruhy), s experimentálními hodnotami naměřenými v jednotlivých typech experimentů (modré pruhy).

Bethe měl tedy pravdu a my díky jemu, Bahcallovi a oběma laureátům (ale i řadě dalších)

dobře rozumíme jak svítí sluníčko a také víme, že (aspoň jedno) neutrino má nenulovou klidovou hmotnost. To není ale konec celého příběhu, neboť oscilace neutrin měří pouze rozdíly hmotností, ne jejich absolutní velikost. Dnešní situaci lze přibližně shrnout takto: hmotnost elektronového neutrina me= M hmotnost mionového neutrina mµ= M+0.005 eV hmotnost tauonového neutrina mτ= M+0.05 ev O velikosti M víme pouze to, že M ≤ 2 eV, přičemž hmotnosti neutrin mohou hrát klíčovou roli při objasnění snad největší záhady současné fyziky, jímž je otázka, co tvoří TEMNOU HMOTU jenž nás obklopuje ve vesmíru. Ukazuje se totiž, že většina hmoty ve vesmíru „není vidět“, tj. máme nepřímá svědectví, pocházející primárně z jejího gravitačního působení, že existuje, ale nevíme z jakých částic se skládá. Neutrina s hmotnostmi okolo výše zmíněné horní meze jsou jedním z hlavních kandidátů. Proto je experimentální určení M tak důležité.

Záhady přicházejí z kosmu Objev oscilací neutrin nebyl ovšem jediným případem, kdy částice dopadající na Zem z kosmu sehrály klíčovou roli. Posledních zhruba pět let jsme svědky přímo výbuchu nových a mimořádně zajímavých dat z experimentů, které měří různé složky kosmického záření – fotonů, neutrin či atomových jader – v širokém oboru energií, které přesahují i energie dosažitelné na pozemských urychlovačích. Nový obor, kterému se říká částicová astrofyzika (z anglického astroparticle physics) a jenž se nachází na pomezí astrofyziky, astronomie a fyziky elementárních částic, prochází bouřlivým vývojem především proto, že se opírá o množství nových experimentálních dat. Otázka, co tvoří „temnou hmotu“ je jen jedna z mnoha záhad, které nám nová pozorování předkládají, byť záhada pravděpodobně největší.

Z řady dalších záhad jmenujme jen několik: • Co je zdrojem gigantických extragalaktických výronů paprsků gamma? • Z čeho se skládá a odkud k nám přichází kosmické záření nejvyšších energií? • Jakým mechanismem jsou nabité částice urychlovány na tak obrovské energie? • Jaké je spektrum a odkud k nám přicházejí vysokoenergetická neutrina? Observatoře snažící se nalézt odpovědi na tyto a další otázky jsou na těch nejexotičtějších místech: na dně Středozemního moře, v Namibijské poušti, na palubě raketoplánu či přímo na Jižním pólu. Na posledně jmenovaném místě mezinárodní tým vědců měří tok neutrin nejvyšších energií. Jako základní detektor projektu AMANDA přitom slouží ledový krunýř!

Neutrina jsou detegována speciálními teleskopy 1 až 2 kilometry pod povrchem.

V budoucnu má být sledovaný objem ledu rozšířen dokonce až na krychlový kilometr!

Styčným bodem mezi fyzikou elementárních částic a astrofyzikou je skutečnost, že k odpovědi na mnohé otázky týkající se vesmíru potřebujeme znát dobře zákonitosti mikrosvěta a také obráceně, mnohé z částic, které se snažíme najít pomocí nákladných urychlovačů, včetně například zatím marně hledaných supersymetrických partnerů, k nám mohou přiletět z vesmíru. Vzájemná propojenost zákonů mikrosvěta a makrosvěta je snad nejpozoruhodnějším poznáním, k němž fundamentální fyzika v posledním období dospěla.

Godot (snad) už brzy přijde Jak jsme již uvedli v úvodu, pokrok v našem chápání zákonů mikrosvěta závisí na tom, zda se podaří experimentálně objasnit několik zásadních otázek dnešního standardního modelu: • Existuje Higgsův boson s vlastnostmi, které předpokládá standardní model? • Existují supersymetričtí partneři kvarků a leptonů? • Existují příznaky, že prostoročas je více než čtyřrozměrný? • Jsou základními objekty částice nebo struny? • Mají i kvarky a leptony strukturu? Současnou situaci v samotné fyzice elementárních částic nejlépe charakterizuje dialog inspektora Gregoryho s Sherlockem Holmesem v Doyleho Stříbrné záři G.: Ještě na něco si mne přejete upozornit? H.: Na onu pozoruhodnou noční příhodu se psem. G.: Ale ten pes v noci nic neprovedl! H.: A právě to je na tom pozoruhodné!

Schéma detektoru ATLAS na urychlovači LHC v CERN spolu s umístěním centrálního dráhového detektoru.

Čekání na nějaký skutečně zásadní a překvapivý objev snad skončí poté, co bude v polovině roku 2007 v CERN spuštěn urychlovač LHC, v jehož 27 kilometrů dlouhém kruhovém tunelu, umístěném asi 100 metrů pod zemí, se budou srážet dva protiběžné svazky protonů, každý o energii 7000 GeV. Doufáme, že aspoň na některou z výše uvedených otázek odpoví experimenty, které budou používat detektory, jež svými rozměry a složitostí překonávají všechna dosavadní podobná zařízení. Na vývoji a konstrukci jednoho z nich, detektoru zvaného ATLAS, se podílí i Fyzikální ústav AV ČR, MFF UK a FJFI ČVUT. Doufám, že i díky jemu budeme za dalších pět let podstatně moudřejší než dnes.

Nelokálnost, entanglement a teleportace v kvantové mechanice (Rozumíme dobře kvantovým jevům?) Josef Jelen, katedra fyziky, FEL ČVUT Fyzikou posledního století je především kvantová fyzika, nikoliv teorie relativity, která se dobře popularizuje, je názorná a oblíbená (vzpomeňme kupříkladu paradox času, černé díry, rozpínání vesmíru …). Kvantová fyzika popisuje svět atomů, částic a kvantových struktur látek, odkud přes sdělovací a informační technologie vstoupily kvantové jevy do života každého z nás. Přinesly mikroelektroniku a očekáváme od nich nanotechnologie budoucnosti. Relativita je názorná, přehledná. Kvantová fyzika od nás vyžaduje více úsilí a je nenázorná. Její pojmy jsou vzdálené představám načerpaným ze zkušeností každodenního života. Udivuje nás.

Uveďme citáty velikánů, kteří všichni dostali Nobelovu cenu (právě za kvantovou fyziku): Einstein (1951, v dopise) „Celých těch padesát let hledání mě nepřivedlo blíže k odpovědi na otázku, co to jsou světelná kvanta.“ Feynman (1967, O povaze fyzikálních zákonů ) „Byly doby, kdy noviny tvrdily, že teorii relativity rozumí jen dvanáct lidí. Nemyslím, že to byla někdy pravda... Naproti tomu se dá, myslím, klidně říci, že nikdo nerozumí kvantové mechanice.“ Weinberg (1993, Snění o finální teorii) „Asi tak před rokem, když jsem čekal na výtah s Philipem Candelsasem (z fyzikálního oddělení Texaské univerzity) stočila se řeč na mladého teoretika , který byl slibným postgraduálním studentem, než zmizel z očí. Ptal jsem se Phila, co překáželo tomuto bývalému studentovi ve výzkumu. Phil smutně potřásl hlavou a řekl: Snažil se pochopit kvantovou mechaniku.“ „ Přiznám se k určité sklíčenosti z toho, že jsem celý život pracoval v teoretickém rámci, kterému docela nikdo nerozumí.“ −12

Přesto je kvantová teorie nejúspěšnější teorií schopnou přesnosti až 10 (například při výpočtu magnetického dipólového momentu elektronu). Matematická struktura kvantové mechaniky a způsob jejího používání jsou přesné a dobře vymezené. Pro nefyziky připomeňme její nejzákladnější rysy (pro zasvěcené s omluvou, že vše je to přece jen složitější). Stav kvantového systému je vyjádřen komplexní stavovou funkcí

Ψ (normovaným vektorem Ψ

v příslušném Hilbertově prostoru). Fyzikální veličině (např. E,x,py,Lz... ) přísluší vždy jistý operátor Â. Jeho vlastní hodnoty

a k , k = 1,2,... , pro které platí ÂΨ k = a kΨ k , představují naměřitelné hodnoty této veličiny. Je-li systém ve stavu Ψ =

∑c Ψ k

k

, pak wk = c k c k představuje pravděpodobnost, že bude naměřená hodnota právě a k .

k

∂Ψ = Ĥ Ψ , kde operátor ∂t ˆ je takzvaný hamiltonián systému. Řešení dává časový evoluční vývoj stavu systému Ψ (0 ) → Ψ (t ) . H Časový vývoj stavu systému je popsán časovou Schrödingerovou rovnicí ih

V procesech měření však dochází ke skoku od Ψ ke Ψ k , podle hodnoty naměřeného výsledku a k . Tento kolaps (redukci, projekci) nelze popsat jako fyzikální proces podle časové Schrödingerovy rovnice (ačkoliv se vlastně jedná o interakci měřeného systému (např. elektronu) s fyzikálním přístrojem (složeným z atomů). Od třicátých let 20. století převládla v učebnicích standardní (tzv. Kodaňská) interpretace. Podle ní fyzika pojednává o výsledcích měření, jejich pravděpodobnostech a korelacích, nikoli o fyzikální realitě v tradičním, klasickém smyslu. Ve světě nejsme jen diváky, ale i (neúmyslnými) herci. Ze jmen uveďme: Bohr, Heisenberg, Dirac, Pauli, Feynman, Peres, …. Trvale se však objevují snahy o modifikované nebo docela odlišné přístupy, spjaté se jmény de Boglie, Bohm, Griffith, Ghirardi atd., snažícími se uvést do teorie nelineární členy, statistické vlivy, pracovat současně v reálném i v konfiguračním prostoru, nebo vyjadřovat teorii v termínech „historií“, analyzovat procesy dekoherence atp. Nové diskuse, které výrazně ožily v posledních dvaceti letech, jdou ještě dále. Rozlišují měření

uskutečněná a měření jen možná, hledají roli vědomí atp. (Mermin, Morhoff, Stapp, …), nebo očekávají nové podněty z kvantové teorie gravitace (Penrose) ap. Nejznámějším experimentem s překvapivým výsledkem, který nám nejde na rozum je dobře známá interference ze dvou štěrbin. Je to vlastně Youngův optický experiment již z roku 1800. Obr. 1. Vyjádřen v řeči fotonů obsahuje v sobě i kořeny mnoha dalších kvantových „divností“. Intenzita I při otevření obou štěrbin není prostě součtem intenzit I 1 , I 2 , jež odpovídají otevření jen první nebo jen druhé štěrbiny. V podstatě týž výsledek dá i experiment provedený s elektrony či jinými „řádnými“ částicemi. Každá částice se sice projeví jako lokalizovaná při registraci v určitém bodě stínítka, nemá však trajektorii, nelze říci, že prošla právě prvou nebo druhou štěrbinou. Pokusíme-li se zjistit, kterým otvorem částice Obr.1 prošla, bude to již jiný experiment a interference zmizí. To, že foton (ale nejen foton) je opravdu divný „objekt“, který může být vlastně všude a interferovat sám se sebou, dokládá uspořádání s Mach-Zehnderovým interferometrem podle obr. 2. Světlo, které se na planparalelní destičce A dělí, postupuje dále cestami (a) a (b) a je poté v 50% registrováno detektorem D1 a v 50% detektorem

D2 . Je-li intenzita dostatečně nízká, zaznamenávají detektory i jednotlivé fotony nezávisle v D1 nebo v D2 . Zdá se, že každý foton jde buď cestou (a) nebo cestou (b). Je-li přidána druhá planparalelní destička B, je světlo zaznamenáváno (v důsledku fázových posuvů a interference) stoprocentně toliko detektorem D1 . Interference se uplatní, i když je světlo tak slabé, že v danou chvíli je v interferometru na cestě vlastně jen jediný foton. Doba, po kterou je foton na cestě od zdroje k rozhodnutí na destičce B, může trvat i milióny let, je-li zdrojem světla vzdálený kvasar a zpětné setkání se různých cest obstará místo zrcadel gravitační čočka. Uspořádání experimentů s překvapujícími výsledky by bylo možné uvézt velký počet. Na obr. 3 je znázorněno trojí za sebou následující měření projekce spinu na vstupním svazku elektronů.

sz=½h sz=½h sz=-½h sx=½h

sz=-½h

sx=-½h

Obr. 3. Svazek je postupně dělen vždy na polovinu podle výsledku měření sz = ± ½ h, sx = ± ½h a opět sz = ± ½ h. Po druhém měření projekce sz se opět objevuje svazek obsahující elektrony s hodnotou sz = + ½ h, ačkoli v prvním měření byly elektrony s touto hodnotou odvedeny stranou. Měření hodnoty s x tedy „regenerovalo“ přítomnost elektronů s hodnotou sz = + ½ h o

o

o

Podobný experiment lze uskutečnit s kaony K a s antikaony K . Ve svazku K necháme rozpadem samovolně vymizet rychleji se rozpadající složku K srážkami s protony odstraní komponenta K

o

o

1,

ze zbývající složky K

a procházející svazek K

o

o

2

se při průchodu terčem

opět obsahuje již dříve „vyhynulé“

o

K 1 . Zde se jedná nikoli o dosti nenázornou veličinu spin, ale o samu existenci či neexistenci částic s nenulovou klidovou hmotností s určitými charakteristikami.

Ostatně, takovéto triky se superpozicemi kvantových stavů známe dobře již dávno. Vložíme-li mezi dva zkřížené optické polarizační filtry v obr. 4 třetí filtr s pootočeným polarizačním směrem v uspořádání (b), část fotonů projde ( Ib

//

≠ 0 ), ačkoli chybí-li střední

filtr (obr. a) žádné fotony zkříženými filtry neprojdou ( I a

//

= 0 ). Tento

výsledek ovšem snadno vysvětlíme (pokud rezignujeme na kvantovou představu o fotonech !) projekcemi vektoru elektrického pole

postupně do příslušných směrů. Kvantová mechanika se příliš nelíbila ani některým ze samých „otců zakladatelů“. V roce 1935 publikoval Schrödinger představu myšlenkového experimentu, známého dnes jako „Schrödingerova kočka“. Obr. 5. V uzavřené místnosti se nachází radioaktivní atom A a živá kočka. Atom vyzáří částici α, ta je zaregistrována G-M počítačem, ten spustí závaží a rozbije nádobu s jedem. Přítomná kočka se otráví. Stav atomu je v každém okamžiku superpozicí stavu nerozpadlého |ψnA〉 a rozpadlého |ψrA〉. Není-li provedeno měření, není atom ani rozpadlý ani nerozpadlý, jeho stav je superpozicí. Stejně tak by tomu mělo být se stavem příslušné kočky. Otevřeme-li však místnost, najdeme atom buď rozpadlý nebo nerozpadlý, také kočka je buď živá nebo mrtvá. Výsledek měření připouští jen tyto dvě možnosti. Po uplynutí doby rovné poločasu rozpadu jsou pravděpodobnosti obou možností padesátiprocentní. Dokud však měření není provedeno, je stav zmíněnou superpozicí. Superpozice známe dobře z mikroskopické úrovně, ze světa atomů a subnukleárních částic. Na makroskopické úrovni nám však připadají nepřijatelné. Kdy, jak a na které úrovni se mikroskopická povaha povaha mikrosvěta vytrácí? Jak dochází k dekoherenci? Dnes sice známe některé projevy superpozice i na makroskopické úrovni, především při velmi nízkých teplotách, jak však vyjádřit dekoherenční vliv makrosko-pického okolí je však stá le diskutovanou otázkou. Ještě pronikavěji do rozprav o podivných rysech

kvantové mechaniky vstoupil jiný příspěvek z téhož roku 1935 autorů Einsteina, Podolského a Rosena (EPR) v němž autoři dovozují, že kvantová mechanika je teorií neúplnou. Původní varianta myšlenkového experimentu obsahovala nekomutující veličiny souřadnici a hybnost, dnes je však téměř vždy rozebírán experiment v pozdější verzi Bohmově s měřením dvou vzájemně kolmých projekcí spinu. Obr. 6. Systém dvou elektronů v singletovém stavu (s = 0) se rozdělí na dva elektrony letící opačnými směry, vlevo a vpravo. Posléze, když jsou obě částice dostatečně vzdáleny, je na elektronu vlevo provedeno měření složky spinu sz s výsledkem sz = + ½ h. Tím je ovšem s jistotou známo, že měření provedené na elektronu vpravo dá hodnotu sz = - ½ h. Místo složky sZ však může být provedeno měření složky sx. (Co měří, záleží na svobodném rozhodnutí experimentátora!). Naměřením hodnoty vlevo řekněme sx = ½ h je však určena i hodnota sx = - ½ h pro elektron vpravo. Měl elektron vpravo obě hodnoty sz = - ½ h a sx = - ½ h ještě před měřením vlevo, nebo jsme je měřením teprve vždy stanovili? Obě částice v úloze jsou v tzv. entanglovaném (zapleteném) stavu, jsou korelovány na dálku. Jak to, že měření na jedné částici může ovlivnit výsledek na druhé částici? Přenos informace mezi nimi by musel být nadsvětelný! EPR dovozují, že teorie není úplná. Bohr hájí představu, že obě částice (ač vzdáleny), dokud není provedeno měření, tvoří jediný kvantový systém. V EPR argumentaci byly použity dva předpoklady: (i) existují tzv. „elementy reality“ (je-li něco možno předpovědět s jistotou, je to „element reality“), (ii) dění je lokální. Stále bylo možno doufat, že v budoucnu přijde nějaká teorie se skrytými parametry, která oba předpoklady splní a ukáže se, že dává přesto přesně stejné výsledky jako kvantová mechanika.

J. Bell (1966) však našel možnost jak experimentálně rozhodnout mezi kvantovou mechanikou a jakoukoliv jinou teorií, která splní oba předpoklady. Stačí měřit projekce spinů obou elektronů do různých směrů pootočených o úhel φ (viz obr. 7). Individuální naměřené hodnoty v kvantové mechanice vždy budou buď + ½ h nebo - ½ h. Pro korelace středních hodnot při provedení mnoha měření dostaneme závislost tvaru (KM) na obr. 7, zatímco pro jakoukoli teorii splňující (i) a (ii) jsou korelace omezeny lomenou čarou (LT). Provedené experimenty, využívající však místo spinů vzájemně kolmé polarizace korelovaných fotonů, i různé zpřesňující experimenty potvrdily předpovědi kvantové mechaniky. Byly navrženy i testy založené na korelaci nikoli dvou, ale tří částic a byla rozebírána i řada dalších situací. Nezbývá než něčeho se vzdát. Z obou předpokladů (i) a (ii) to vede k opuštění představy o striktní lokálnosti dění. Již jsme se zmínili, že diskuse o povaze kvantové mechaniky a o jejích různých interpretacích trvají a jsou asi ještě živější než kdykoliv v minulosti od třicátých let předchozího století. Nepominutelný zůstává ovšem fakt, že entanglované stavy existují, umíme je produkovat a hledají se pro ně proto využitelné aplikace. To vedlo k užívání pojmu „kvantová informace“ s aplikacemi především ve třech směrech. „Kvantové počítání“, dojde-li širšího uplatnění uplatnění (teoretických a praktických problému je však víc než dost), pronikavě posune možnosti výpočetní techniky do zcela nových oblastí. V „kvantové kryptografii“ jde o bezpečný přenos šifrovacího klíče. Přenos od A (Alice) k B (Bobovi) odposlouchává Eva (eavesdropper). V důsledku kvantových jevů se odposlech vždycky prozradí (nelze jen sledovat dění bez účasti v něm, to kvantová měření prostě neumožňují). Lze použít dodatečná opatření zvyšující pravděpodobnost bezpečného přenosu. K rozebírání těchto aplikací (zajímajících počítačové firmy, banky a ozbrojená složky) nemáme místo. Naznačme jen třetí směr „kvantovou teleportaci“, v níž povaha omezení spojených s kvantovou informací vystupuje snad nejzřetelněji (obr. 8).

Obrázek 8 demonstruje teleportaci obecného stavu částice se dvěma navzájem orthogonálními stavy (kupř. polarizacemi fotonu či projekcemi spinu elektronu). I. Alice má částici ve stavu ψ = α |↕> + β|↔>, který je obecnou superpozicí obou orthogonálních stavů. II. K přenosu je využit připravený entanglovaný pár stejných částic. Takový pár představuje systém se čtyřdimenzionálním stavovým prostorem, tedy se čtyřmi navzájem orhogonálními bázovými

vektory , tzv. Bellovskými stavy. III. Pár rozdělíme. Jednu částici dostane Alice druhou Bob. IV. Alice na dvojici částic Č a 1 provede tzv. Bellovské měření. Tím se vytvoří entanglovaný pár, jehož stav bude dán jedním z těchto Bellovských stavů (řekněme, že výsledek měření dává možnost C). Měřením je částice 2, kterou vlastní Bob, vyvedena z provázanosti s částicí 1 a ocitne se v nějakém vlastním stavu ψ'. V. Alice sdělí výsledek měření (variantu C) Bobovi. Sdělení se uskuteční klasickým kanálem (telefonem, radiem atp.) a rychlostí dosvětelnou v ≤ c. Jde o přenos dvou bitů informace (jedné ze čtyř možností). VI. Bob na základě toho provede odpovídající manipulaci (tj. fyzikální zásah na částici 2), které odpovídá určitý unitární operátor, jenž převede částici ze stavu ψ' do žádaného stavu ψ. Ûcψ' = ψ VII.Alice má tedy na konci procedury entanglovaný pár, Bob má částici ve stavu ψ, právě takovém, jaký byl stav částice, kterou měla Alice na začátku teleportace. VIII. Teleportace byla provedena. Povšimněme si, formou poznámek, několika důležitých rysů celé procedury: (a) (b) (c) (d) (e) (f)

Úplná teleportace (skládající se z kvantové a klasické části) se udála jen dosvětelnou rychlostí v ≤ c, v souladu s teorií relativity, ač kvantová část, tj. změny v provázanosti, se děla nelokálně, tedy okamžitě. Alice teleportovaný stav ψ nemusela znát. Ani Bob teleportovaný stav nezná, ví však co má udělat manipulací Ûc, aby svojí částici přivedl do požadovaného stavu Ψ . Původní stav částice Č se zruší a částice vstoupí do entanglovaného páru Č,1. Kvantovou teleportaci nelze tedy dělat od stavu daného objektu vícenásobné duplikáty (klony, kopie). Máme jen původní originál a nový originál. (To je velice sympatické omezení: lidé tedy nemohou dělat cokoli.) Zatím se daří experimentálně teleportovat (s určitými omezeními) jen stavy nejjednodušších systémů (polarizační stavy fotonů). Teleportace mnohodimenzionálních systémů či makroskopických těles, je v nedohlednu. Ta zůstává jen v pohádkách a v science-fiction.

Přesto teleportace a obecně „kvantová informace“ vůbec, existující v mikrosvětě, jsou dokladem o překvapivé nelokálnosti přírodního dění a o tom, že svět je trochu jiný, zdaleka ne tak prostý, jak se nám na první pohled zdá.

Vodní elektrárny Ing. Petr Ševčík, OSC. a.s. Brno

1.

Definice Vodní elektrárna je výrobna elektřiny využívající vodní energie:

2.

• •

Význam VE Pokrytí základního zatížení zejména z průtočných elektráren (i malých), které trvale dodávají konstantní výkon po dobu dnů a týdnů. Obnovitelný zdroj s nejmenším negativním dopadem na životní prostředí. Špičkové a přečerpávací (akumulační) vodní elektrárny. Velmi výrazný přínos pro energetickou soustavu a ekologii. Vodní elektrárny jsou velmi pohotový zdroj, běžná vodní elektrárna je schopna z klidu naběhnout na plný výkon za 2 minuty. Běžnou parní elektrárnu je nutno roztápět několik hodin. Proto se pro potřeby regulace dodávky energie, udržování frekvence atd.- tzv. systémové služby musí udržovat část výrobních kapacit v tzv. teplé záloze. Vodní elektrárny umožňují eliminovat tento režim na minimum a přinášejí tak obrovské úspory paliva již jen svou přítomností v systému. Na obr. 1 je vynesen denní diagram spotřeby elektrické energie a jeho vykrytí různými zdroji.

Saldo zahraniční

Parní elektrárny – regulace výkonu

Parní elektrárny Přečerpávací a vodní elektrárny ČEZ

Jaderné elektrárny

Obr. 1 – Diagram denního zatížení elektrizační soustavy ČR z 18. 8. 2003 Přečerpávací vodní elektrárny jsou v současné době nejspolehlivějším a světově nejrozšířenějším akumulátorem elektrické energie. Účinnost procesu dodávka – akumulace - odběr dosahuje průměrně 75 %.

3.

Rozdílné využití VE podle geomorfologie země V tabulce 1 jsou uvedeny instalované výkony jednotlivých druhů výroben v ČR. Druh elektrárny Parní ČEZ Jaderné ČEZ Vodní ČEZ Přečerpávací ČEZ Celkem ČEZ MVE Celkem ČR

Instalovaný výkon 6 524 MW 3 760 MW 723 MW 1 145 MW 12 153 MW 280 MW 17 308 MW

37,7 % 21,7 % 4,2 % 6,6 % 70,2 % 1,6 % 100,0 %

Tab. 1

Jak je zřejmé z tabulky, je podíl vodních elektráren na celkovém instalovaném výkonu v ČR poměrně nízký a není šance jej v budoucnosti výrazně zvýšit. Jisté možnosti se naskýtají ve výstavbě přečerpávacích elektráren, v současné době však není výstavba žádné z nich plánována. Zcela rozdílná je situace v zemích s vysokým hydroenergetickým potenciálem. Typickým příkladem jsou Rakousko a Norsko. Rakousko: Pro pokrytí základního zatížení využívány především průtočné vodní elektrárny, které nemají možnost výrazné akumulace. Např. elektrárny na Dunaji kryjí spotřebu energie z 25 %. V horách jsou využívány nádrže s roční akumulací, které umožňují jak dodávat špičkovou energii a zajišťují systémové služby, tak kryjí základní zatížení. Tyto akumulační elektrárny jsou kombinovány s přečerpávacími elektrárnami. Rakousko kryje svoji potřebu z 80 % z vodních zdrojů Norsko: Spotřeba je z 98 % kryta z vodních elektráren. Využívána jsou především vysokospádová díla, využití malých spádů je považováno za neekonomické.

4.

Malé vodní elektrárny (MVE) V současné době se klade důraz na využití obnovitelných zdrojů (dále OZ) - požadavek EU na pokrytí 12 % produkce z OZ. Již v 80. letech si někteří vládní úředníci uvědomili nesmyslnost komunistické hospodářské politiky, která systematicky likvidovala vodní díla, jež naši předkové s námahou, ale s citem pro přírodu budovali po celém území našeho státu. V r. 1933 bylo na území ČSR registrováno 11 000 vodních děl. Od roku 1989 začal opravdový boom MVE, jak je zřejmé z tabulky 1, je v nich dnes instalováno 280 MW. Zbývající hydroenergetický potenciál se však nyní soustřeďuje převážně do obtížně využitelných lokalit, zejména s nízkým spádem (2 m a nižší) Z pohledu ćeské legislativy je za malou elektrárnu považována každá vodní elektrárna s instalovaným výkonem do 10 MW. Podle vyhl. 252/2001 Sb je dán povinný výkup z MVE do výkonu 10 MW za regulovanou cenu (1,56 Kč/kWh).

5.

Přehled typů vodních turbín Přehled typů turbín uvádí kromě obecných vlastností těchto strojů i některá specifika strojů pro MVE. Ty představují specifickou oblast trhu, kterou producenti velkých turbín přenechávají specializovaným výrobcům. Ti s velkými výrobci často spolupracují, ale díky nižší režii jsou schopni nabízet své výrobky za příznivější ceny. Přestože se v ČR okruh výrobců a dodavatelů vodních turbín pro malé vodní elektrárny stabilizoval a většina výrobců nabízí velmi solidní zařízení zcela srovnatelné se špičkovou světovou úrovní, v poslední době se objevují ve sdělovacích prostředcích i informace o zcela nových řešeních - namátkou jmenujme turbínu SETUR či různé verze vodních kol. Autoři slibují různé přednosti oproti stávajícím vodním strojům, vesměs však jde pouze o verbální tvrzení bez doložení skutečných parametrů prokazatelně ověřených věrohodným měřením. Proto uvádím přehled vodních turbín vhodných pro malé vodní elektrárny i s uvedením jednotkových parametrů, aby si zájemce mohl udělat představu o kvalitě vodního stroje. Jednotkové parametry se vztahují na turbínu, která je geometricky podobná přepočítávané turbíně, má průměr oběžného kola 1 m a pracuje se spádem 1m. Jednotkové parametry umožňují srovnání různě velkých turbín pracujících při různých spádech. Přepočet na jednotkové parametry lze provést podle následujících vzorců:

jednotkové otáčky

n11 =

n•D H

jednotkový průtok

Q11 =

Q D • H

jednotkový výkon

P11 =

P D • H 1.5

účinnost se přepočtem nemění

η=

2

2

P • 100 Q • 9.81 • H

H = spád - rozdíl hladin[m], Q = průtok [m3/s], D = průměr oběžného kola [m], n = otáčky [ot/min], P = výkon [kW], = účinnost stroje [%] V následující tabulce jsou uvedeny jednotkové parametry, kterých by měly dosahovat moderní turbíny pro MVE. Pokud není políčko vyplněno, není parametr rozhodující. Pomocí výše uvedených vztahů si může čtenář snadno srovnat parametry uváděné v různých pramenech se současnými požadavky. TURBÍNA - TYP Kaplan a odvozené typy (Semikaplan, vrtulová ...) Francis, Reiffenstein Pelton Bánki Čerpadla v turbínovém chodu

účinnost [%] > 90 > 90 > 90 > 80 > 70

n11 ot/min > 170 *

Q11 m3/s > 3.5 *

podle hydrologických podmínek

poznámka * pouze pro přímoproudé stroje pro spády nad 6 m pro spády nad 50 m pro spády 5 ÷ 30 m levné řešení

Vysvětlivky k tabulce:

I. Turbíny s vysokou účinností: Tyto druhy turbín jsou dnes většinou výrobců dovedeny k vysoké dokonalosti a z hlediska využití hydroenergetického potenciálu představují optimální řešení. Rovněž státní podpora rozvoje obnovitelných zdrojů stanovila ve své dotační politice podmínku dodržení 85 % účinnosti nově instalované technologie. Pouze turbíny zmiňované v kategorii I jsou schopny tuto podmínku beze zbytku splnit. Kaplanovy turbíny: Tento typ turbíny je používán zejména pro malé spády. Ekonomicky využitelné jsou v dnešní době spády od 2 m. Pro malé spády je vhodná zejména přímoproudá varianta, která při stejném průměru oběžného kola dosahuje větší hltnosti, a tím i výkonu. Pro snížení nákladů na stroj je často účelné použít zjednodušené verze - např. s neregulovatelnými rozváděcími lopatami (semikaplan), či turbínu vrtulovou - s pevným oběžným kolem. Pro malé spády jsou kritické i jednotkové otáčky stroje. Záleží na nich poměr převodu na generátor. Příliš velký převodový poměr zhoršuje účinnost převodu. Francisovy turbíny jsou vhodné pro střední spády. Existuje spousta typů kol s rozdílnými jednotkovými otáčkami a hltnostmi. Tyto parametry volí projektant podle spádových a průtokových podmínek na lokalitě. Reiffensteinova turbína je zjednodušenou variantou Francisovy turbíny, kde rozváděcí lopaty jsou nahrazeny jednou klapkou ve vstupním průřezu spirály. Důležitá je zde účinnost stroje. Peltonovy turbíny jsou vhodné pro větší spády, protože oběžné kolo musí být umístěno nad spodní vodou. Obvykle bývají navrhovány s přímým náhonem na generátor. V posledních letech se v ČR objevilo několik velmi zdařilých konstrukcí. Zjednodušenou verzí je turbína Turgo, kde je koreček jednoduchý a vodní paprsek je na něj přiváděn s mírným vychýlením od osy korečku. Toto řešení však nebylo u nás v poslední době použito a jako vhodnější se jeví zjednodušení nátokového potrubí použité např. firmou Hydrohrom.

II. Náhradní řešení Níže uvedené stroje sice nedosahují špičkových parametrů, ale v mnoha případech jsou díky nižší pořizovací ceně vhodným řešením zaručujícím dobrou návratnost investice. Bánkiho turbíny představují někdy alternativu Francisových turbín. Vyznačují se však málo tuhým oběžným kolem, které mnohdy za provozu praská. Rovněž účinnost je oproti výše uvedeným turbínám nižší a navíc oběžné kolo by mělo být umístěno nad spodní vodou. Zcela nevhodné je použití Bánkiho turbíny pro malé spády, neboť stroj narůstá do obřích rozměrů a vyžaduje obvykle dvojitý převod, který snižuje již tak nevalnou účinnost. Čerpadla v turbínovém chodu: Některá odstředivá i vrtulová čerpadla lze použít v inverzním režimu jako turbíny. Přestože je obvykle nelze regulovat, nebo je regulace ztrátová a rovněž účinnosti nedosahují špičkových parametrů, představují v mnoha případech ekonomicky velmi výhodná řešení. Lze je často nasadit i v lokalitách, kde by klasická turbína neměla ekonomickou návratnost. Archimedův šroub: V poslední době se objevilo několik aplikací šnekových čerpadel v inverzním chodu jako turbíny. Stroje jsou sice velmi pomaluběžné, zato však nevyžadují žádnou regulaci - průtok se mění s výškou hladiny na nátokové straně. Autor má k dispozici pouze měření stroje v čerpadlovém směru, kde soustrojí (čerpadlo + převodovka + motor) dosahovalo účinnosti cca 75 %. V turbínovém směru lze očekávat účinnost podobnou. Zařízení je vhodné pouze pro nižší spády. Nedoporučujeme investovat do koupě nových šneků. Velice výhodné by však mohlo být použití vyřazených šnekových čerpadel z čistíren odpadních vod, kde se dnes tyto stroje houfně nahrazují kalovými čerpadly.

III. Z energetického hlediska nevhodná řešení: Vodní kola: Rovněž vodní kolo je stále předmětem zájmu různých amatérských zlepšovatelů. V literatuře se uvádí účinnost vodního kola mezi 20 ÷ 80 %. Maximální účinnosti dosahují korečková kola na horní vodu, kdy koreček smí být plněn jen zčásti a kolo musí mít velmi malé otáčky. Potom ovšem nastává problém s mnohonásobným převodem. Přesto může vodní kolo najít v některých případech uplatnění. Jde jednak o lokality, kde je vhodné zachovat historický ráz, nebo i o místa bez elektrické sítě, kde je k dispozici vhodný hydroenergetický potenciál a postačí malý výkon. Různé "nové" vodní motory: V poslední době s různou periodou objevují informace v populárně technickém tisku o nových převratných řešeních. Vzhledem ke skutečnosti, že na zdokonalování vodních turbín pracují již mnoho desetiletí týmy odborníků na velmi dobře vybavených zkušebnách, nelze v této oblasti očekávat žádný převratný vynález. Zejména v posledních dvou desetiletích se díky možnosti počítačového modelování proudění kapalin přední světoví výrobci (včetně domácích) dopracovali již téměř k fyzikálním hranicím parametrů a další zvyšování se děje jen po velmi nepatrných krůčcích. Proto doporučujeme velkou opatrnost vůči "novým objevům" v oblasti vodních turbín. Jako typického reprezentanta této kategorie můžeme jmenovat "turbínu" Setur. Jejím principem je kulička unášená vodním vírem ve výlevce. Zatímco u výše jmenovaných lopatkových strojů je vysoká účinnost dosahována díky přesně definovaným tvarům proudnic, toto zařízení využívá chaosu ve víru a jeho účinnost je proto velmi nízká. Předpokládaný další vývoj turbín pro MVE. Dlouholetý výzkumný pracovník Katedry vodních strojů VUT Brno Ing. Hosnedl (spoluautor turbíny HONE, autor turbíny METAZ) uváděl, že ke studiu vodních strojů ho přivedla vlastní zkušenost z pily jeho strýce. S vodním kolem katr řezal s jedním pilovým listem, po výměně kola za turbínu mohly být použity listy dva. V současné době jsou ČR, ale i v řadě okolních států k dispozici pro novou výstavbu elektráren většinou pouze lokality s velmi malým spádem, vesměs 2 m a méně. V tomto případě je návratnost vložených investic velmi dlouhá, či vůbec nemožná. Jedinou cestou v tomto případě je maximálně možné zjednodušení konstrukce turbíny i stavební části. Tímto směrem se ubírají např. konstrukce vznikající na VUT v Brně. Vznikl zde např. návrh MVE pracující se spádem 0.8 ÷ 1.6 m s 9 neregulovatelnými vrtulovými turbínami. Průtok je regulován počtem pracujících strojů. V současné době zde probíhá vývoj dvoulopatkové vrtulové turbíny vhodné pro malé spády. Dá se věřit parametrům uváděným výrobcem ? Většinou ano. Alespoň těm dobře zavedeným. Solidní výrobci mají totiž své stroje ověřené měřením. Je rovněž velmi dobré, pokud může výrobce doložit měření provedené přímo na konkrétním díle na stroji podobné velikosti. Doporučuji požadovat parametry stroje podložené věrohodnými zkouškami. Pro ilustraci uvádím následující praktický příklad využití výsledků zkoušek: Majitel kolenové turbíny HYDROHROM 860K byl nucen doložit správci toku, že jeho turbínou neprotéká více než povolené množství vody. Na základě zkoušek uskutečněných na jiné turbíně téhož typu bylo možno stanovit byť při jiném spádu přené nastavení lopatek pro požadované množství a vypočítat průtok i výkon pro daný spád. Ověřením shody dosaženého a vypočteného výkonu bylo potvrzeno, že průtok turbínou je takový, jaký požaduje

správce toku. Možnost přepočtu na základě dříve provedeného měření je ve srovnání s přímým měřením průtoku na díle přináší velmi výraznou úsporu nákladů. Kromě parametrů uvedených výše je však nesmírně důležitou vlastností vodní turbíny její provozní spolehlivost. Měsíční porucha může přinést větší ztrátu, než o několik % nižší účinnost. Stejný význam má i správná koncepce elektrárny a optimální dimenzování strojů k dané lokalitě. Tato problematika si vyžaduje samostatný článek z rukou projektanta. Informace o autorovi: Autor se zabývá zkouškami vodních strojů, potrubních systémů, čerpadel ap. Realizoval garanční a ověřovací měření pro řadu domácích i zahraničních výrobců i odběratelů. Je zaměstnancem OSC, a.s., Brno působící v oblasti energetiky se zaměřením na regulaci, řízení a optimalizaci všech typů zdrojů.

Obrázek 1 Bánkiho turbina

Obrázek 2 Francisova spirální turbina

Obrázek 3 Kaplanova turbina

Obrázek 4 Čerpadla jako MVE

Poznámky k současné klimatologii RNDr. Vít Květoň, CSc., Český hydrometeorologický ústav, vit.kvetonchmi.cz Praha říjen 2003

Úvod Tyto poznámky nemohou zdaleka postihnout celou šíři klimatologické problematiky. Jde jen o pokus stručně seznámit posluchače s moderními metodami užívanými v klimatologii, s principy klimatologických klasifikaci a s některými výsledky moderní fyzikální klimatologie. Definice počasí a klimatu Počasí – aktuální fyzikální a chemický stav atmosféry.

Klima – dlouhodobý režim počasí (více let). Je výslednicí následujících faktorů: •

Sluneční záření (radiační faktory klimatu)

•

Vlastnosti podkladu (fyzikální a chemické vlastnosti zemského povrchu jako je rozložení pevnin a oceánů, oceánské proudy, utváření terénu (reliéf), pokrytí terénu vegetací)

•

Atmosférická cirkulace

•

Chemické složení vzduchu

Druhý a poslední bod jsou přímo ovlivňovány lidskou činností, zbývající body nepřímo. Z matematického hlediska je klima vlastně soubor statistických charakteristik dlouhodobé časové řady. Členy této řady tvoří počasí (resp. jeho statistické charakteristiky za zvolené časové jednotky, např. průměry, maxima, minima, četnosti a charakteristiky intenzity jevů počasí za den, měsíc, rok. Stálé klima je stacionární časová řada. Charakteristiky klimatu různých časových období se mohou lišit i při stacionárním klimatu, neboť jsou vypočteny jen ze vzorku časové řady, tj. z konečného a poměrně malého počtu členů (roků). Ze statistického hlediska jde o tzv. výběrové statistiky. V tomto případě hovoříme o periodických kolísání klimatu o různých periodách. Je-li řada nestacionární hovoříme o změnách klimatu. Mezi klimatické charakteristiky patří všechny statistické charakteristiky časových řad. Tedy nejen průměr za nějaké období, ale také četnostní rozložení hodnot či výskytu příp. intenzity nějakého meteorologického prvku, výskyt extrémních jevů aj.. Klima tvoří souhrn statistických charakteristik nejrozmanitějších meteorologických prvků včetně chemických ukazatelů. Klimatologické disciplíny Podle zaměření studia klimatu lze rozlišit následující disciplíny: •

statistická (deskriptivní) klimatologie - zabývá se popisem klimatu na základě statistických charakteristik. Deskriptivní klimatologie produkuje lokální a prostorové statistiky a mapy jednotlivých klimatických prvků, statistický popis všeobecné cirkulace atmosféry, klimatické klasifikace různého druhu (dynamické a komplexní klasifikace, speciální klasifikace pro různé účely jako je humánní bioklimatologie, agroklimatologie apod.)

•

dynamická nebo fyzikální klimatologie - zabývá se studiem příčin utvářejících klima a fyzikálně-matematickým modelováním příslušných příčinných vztahů.

•

prognostická klimatologie –zabývá se uplatněním klimatologických poznatků a metod pro potřeby dlouhodobých prognóz (řádově několik měsíců) a klimatických scénářů (výhledy na desítky až stovky let)

Z hlediska praktických aplikací lze rozlišit vědeckou a expertizní činnost. Expertizní činnost zpravidla představuje aplikaci vědeckých poznatků pro konkrétní cíl na základě nějaké objednávky, u velkých expertiz se často jedná o aplikovaný výzkum spojující všechny výše uvedené přístupy. Prostorová měřítka v klimatologii Z prostorového hlediska lze studovat klima v globálním měřítku (makroklima), regionálním měřítku (mezoklima) a místním měřítku (mezo- až mikroklima). Hranice mezi těmito měřítku nejsou zcela striktní. Volba měřítka však ovlivňuje jednak použité metody zpracování, dále prostorovou a časovou podrobnost vstupních dat meteorologických i údajů o fyzikálních a geometrických vlastnostech podkladu v daném místě a relevantním okolí. Tomu pak odpovídají i získané výsledky a jejich interpretační možnosti). Klimatologická data a metody zpracování

Klimatologická pozorování Klimatologická data se získávají následujícími způsoby: •

Dlouhodobá klimatologická a meteorologická měření a pozorování ve světové a národní síti stanic (profesionální, amatérské stanice, manuální a automatická pozorování (u nás od r. 1997)). V České republice se počátek systematických přístrojových pozorování datuje do 70. let 18. století (Praha-Klementinum), rozvoj automatických stanic od r. 1997.

•

Speciální dlouhodobá nebo krátkodobá měření pro potřeby studia klimatu a klimatických vazeb v místním měřítku (místní proudění, mikroklima, expertizy, např. Temelín). Provádí se zpravidla v rámci velkých expertiz nebo speciálních vědeckých projektů.

Kvalita, reprezentativnost a homogenita dat, metadata Základním předpokladem klimatologického zpracování jsou kvalitní data. Nejde jen o správnost, přesnost a objektivnost meteorologických měření a pozorování, ale také o jejich plošnou reprezentativnost a dostatečnou kvalitu s ohledem na cíl zpracování. Pro různé cíle jsou potřebná data s různou mírou přesnosti, plošné reprezentativnosti a časové podrobnosti. Proto by data měla obsahovat nejen měrné a pozorované hodnoty, ale i údaje o jejich kvalitě a reprezentativnosti. Jde o tzv. metadata, tedy data o datech. Zvláštní situací je studium kolísání dlouhých časových řad meteorologických prvků. Vlastní měření může být totiž negativně ovlivněno některými skutečnostmi, které se ve větší či menší míře promítají do průměrných denních resp. měsíčních a ročních hodnot daného prvku. Všechny informace tohoto typu by měly být uvedeny v dokumentaci ke stanici (tzv. metadata) a měly by informovat o všech změnách týkajících se: • polohy stanice a jejího okolí •

použitých přístrojů, jejich instalace a pozorovacích termínů

•

osobnosti pozorovatele a pečlivosti jeho měření

•

způsobu výpočtu denních průměrů

Uvedené skutečnosti mohou mít za následek změny v pozorovacích řadách, které nesouvisejí se změnami počasí a podnebí, a jsou považovány za nehomogenity. Nejčastěji se jedná o skokové změny v průměru, mohou se však projevit i ve změně rozptylu dané řady. Takovéto nehomogenity v teplotních řadách musí být nejdříve detekovány se zřetelem na jejich statistickou významnost a v následné fázi by měly být v časových řadách eliminovány, tj. měla by být provedena homogenizace takovýchto řad.

Metody zpracování V současnosti se v klimatologii používají různé metody zpracování, v závislosti na cíli zpracování. Jsou to zejména: •

Fyzikální úvahy a fyzikálně-matematické modely

•

Aplikace nejrůznějších matematicko-statistických metod, včetně mnohorozměrných analýz, metod studia extrémních jevů, metod homogenizace časových řad, metod doplňování chybějících údajů

•

Počítačové metody kontroly kvality dat na podkladě analýzy fyzikální a logické konsistence dat a využití statistických metod i metod GIS

•

Aplikace metod počítačových geografických informačních systémů (GIS) ať už přímo těmito softwarovými prostředky nebo mimo ně, a to pro potřeby doplňování chybějících hodnot, prostorové kontroly chyb, prostorové analýzy, výpočty plošných charakteristik a tvorbu digitálních klimatických map

Rozvoj výpočetní techniky a statistického i geografického software zcela změnil možnosti a efektivitu práce v klimatologii. Úmorná práce na kvalitních datových podkladech je však stále stěžejním problémem. Klasifikace klimatu Vedle charakteristiky klimatu pomocí bodových statistických údajů nebo map jednotlivých klimatických prvků existuje celá řada klimatických klasifikací. Jejich cílem je přehledný popis klimatu na základě komplexních kritérií. Např. Alisovova klasifikace je založena na charakteristických rysech všeobecné cirkulace atmosféry, na sezónních změnách pozice planetárních front a vzduchových hmot, včetně vlivu kontinentů na klimatické podtypy. Nejjednodušší globální klasifikací je Aristotelova klasifikace založená v zásadě na odlišném přítoku slunečního záření na zeměkouli. Světově nejrozšířenější je klimatická klasifikace Köppena. Výchozím hlediskem této klasifikace bylo najít kritéria založená na měsíčních úhrnech srážek a průměrných teplotách tak, aby co nejlépe vystihovaly výskyt různých vegetačních typů. Vedle těchto a dalších všeobecných klasifikací existuje celá řada speciálních klasifikací pro různé účely jako je humánní bioklimatologie, agroklimatologie, energetika apod.). Pro Českou republiku byla rovněž vytvořena řada obecných i speciálních klasifikací (např. Reinova dynamická klasifikace typů počasí, Klasifikace Atlasu podnebí, Quittova klasifikace apod.). Kromě jednotlivých prvků se užívá i celá řada tzv. klimatických indexů, počítaných jako funkce několika elementárních klimatických prvků (např. různé pocitové teploty aj.) extrémní hodnoty– svět, ČR)

Aristotelova klasifikace Pásma oddělená obratníky a polárními kruhy, a to: •

Horká zóna – mezi obratníky

•

Mírná zóna mezi obratníky a polárními kruhy

•

Studená zóna od polárních kruhů k pólům

Köppenova klasifikace klimatu Köppenova klasifikace rozeznává pět hlavních klimatických typů s dalšími podtypy. Každý typ je označen velkým písmenem. Tab. 1: Základní typy klimatu podle Köppena A

Tropické vlhké klima: průměrná teplota všech měsíců nad 18 °C

B

Suché klima: nedostatek srážek během většiny roku

C

Vlhké klima mírných šířek s mírnou zimou

D

Vlhké klima mírných šířek se studenou zimou

E

Polární klima: extrémně studená zima a léto

Tropické vlhké (mokré) klima (moist) (A)

Vyskytuje se po obou stranách rovníku do zeměpisných šířek 15 až 25°. Ve všech měsících roku průměrná teplota je větší než 18°C. Roční úhrn srážek je větší než 1500 mm. Rozlišují se tři až čtyři podtypy, které jsou založeny na sezónním rozdělení srážek: Af - tropické deštivé (tropical wet) klima (klima tropických deštných pralesů). Srážky se vyskytují po celý rok, nejsušší měsíc má 60 mm srážek. Kolísání měsíčních teplot je nižší než 3°C. V důsledku intenzivního ohřívání povrchu země a vysoké vlhkosti se téměř denně vyskytují kupovitá a bouřková oblaka (cumulus, cumulonimbus). Denní maxima činí kolem 32°C, noční teploty kolem 22°C. Am - tropické monsunové (tropical monsoon) klima. Roční srážky jsou stejné nebo vyšší než Af, ale padají během 7 to 9 nejteplejších měsíců. Během suché sezóny se srážky vyskytují velmi zřídka. Aw (As) - tropické vlhké a suché (tropical wet and dry) klima nebo savana. Rozsáhlé suché období během zimy. Srážky během vlhké sezóny jsou nižší než 1000 milimetrů, a jen v létě. Alespoň dva měsíce v roce mají úhrn srážek alespoň 60 mm. Suché klima - Dry Climates (B).

Základním rysem je převaha potenciálního výparu nad srážkami. To se zároveň považuje za výchozí kritérium algoritmu stanovení klimatických typů. Typ se vyskytuje v šířkových pásmech 20 – 35° severně a jižně od rovníku a ve velkých kontinentálních oblastech středních šířek často obklopených horami. Podtypy jsou následující: Bw – suché aridní (poušť) (dry arid) klima je pravé pouštní klima. 12 % zemského povrchu a dominuje na něm suchomilné rostlinstvo. Bs – suché semiaridní dry semiarid (step). Převažující rostlinstvem jsou traviny (pastviny). Pokrývá 14% zemského povrchu. Přijímá více srážek než Bw buď ze zóny intertropické konvergence nebo z cyklon mírných šířek

Vlhké (Moist) subtropické klima mírných šířek (C)

Tento typ má všeobecně teplé a vlhké léto s mírnou zimou. Sahá od 30 do 50° severní a jižní šířky a vyskytuje se hlavně na východních a západních krajích kontinentů. Během zimy převažují cyklonální činnost mírných šířek. Konvektivní bouřky dominují během letních měsíců. Existují tři podtypy: Cfa - humid subtropical vlhké subtropické klima má horká dusná léta s převážně bouřkovými srážkami. Zimy jsou mírné se srážkami pocházejícími z cyklonální činnosti mírných šířek. Cs – mediterranean Středozemní klima přijímá srážky především v zimě z cyklonální činnosti mírných šířek. Extrémní letní sucho je způsobeno sestupnými pohyby vzduchu v subtropických anticyklonách a může trvat až 5 měsíců. Cfb - marine. Subtropické maritimní klima se vyskytuje na západních pobřežích kontinentů. Je vlhké s krátkým suchým létem. Intenzivní srážky se vyskytují v zimě v důsledku cyklonální činnosti mírných šířek. Vlhké (moist) kontinentální klima mírných šířek (D)

Teplé až chladné léto, studená zima. Vyskytuje se od typu (C) směrem k pólům. Průměrná teplota nejteplejšího měsíce překračuje 10°C, nejstudenější měsíc může mít pod –30°C. Zimy jsou kruté se sněhovými bouřemi a silnými větry. Podobně jako u typu C existují tři podtypy: Dw – suchá zima; Ds – suché léto a Df – srážky celoročně. Polární klima (E)

Má celoročně nízké teploty s nejteplejším měsícem pod 10°C. Nachází se na severním pobřeží Severní Ameriky, Evropy, Asie a ve vnitrozemí Grónska a Antarktidy. Rozlišují se dva podtypy: ET nebo polar tundra (polární tundra) je klima se stále zmrzlou půdou do hloubky stovek metrů (permafrost). Z rostlinstva dominují mechy, lišejníky, zakrslé stromy a rozptýlené křovinaté porosty.

EF nebo polar ice caps (polární led) má povrch neustále pokryt sněhem a ledem.

Obr. 1: Köppenova klasifikace klimatu (Zdroj: http://www.arts.ouc.bc.ca/geog/, April 1998)

Klimatické modely Klimatické modely jsou typickým představitelem moderní fyzikální klimatologie. Jejich vývoj začal v polovině 70. let a zpočátku zahrnoval bilanci energetických toků v atmosféře (sluneční záření, albedo, infračervené záření země a oblohy, výměna tepla fázovými přeměnami vody, přenos tepla konvektivní a difusní výměnou mezi atmosférou a povrchem země). Postupně byly modely zdokonalovány a přibírány do nich další parametry, jak ukazuje tab. 2. Poznamenejme, že bez rozvoje nejvýkonnější výpočetní techniky by výpočty modelů nebyly možné výpočetní náročnost je obrovská. Vstupními daty modelů jsou jednak výchozí klimatické charakteristiky, zejména teplota a srážky, příp. vlhkost a sluneční záření, chemické charakteristiky vzduchu a dále charakteristiky podkladu (fyzikální vlastnosti půdy a oceánů, proudění v oceánech příp. vegetace). Dále do modelů vstupují prognózy vývoje chemických látek v ovzduší a změny vlastnosti podkladu. Tab. 2: Historický vývoj klimatických modelů (zdroj IPCC, WMO, UNEP) Polovina 70. let Polovina 80. let Začátek 90. let Konec 90. let Přelom Počátek 3. tisíciletí tisíciletí Atmosféra Atmosféra Atmosféra Atmosféra Atmosféra Atmosféra Povrch země Povrch země Povrch země Povrch země Povrch země Oceán a mořský Oceán a mořský Oceán a Oceán a mořský led led mořský led led Model Model Model sulfátového sulfátového sulfátového cyklu cyklu cyklu Nesulfátové Nesulfátové aerosoly aerosoly Uhlíkový Uhlíkový cyklus cyklus Dynamika vegetace Atmosférická chemie

Kolísání klimatu, klimatická změna a klimatické scénáře Hodnoty meteorologických prvků silně kolísají v závislosti na čase. Vedle krátkodobých výkyvů se vyskytují i cykly mnohaleté. Obr. 2 znázorňuje kolísání roční globální teploty vzduchu v posledním tisíciletí a možné perspektivy v 21. století. Vývoj v budoucnu závisí nejen na použitých modelech, ale zejména na předpokládaných změnách zemského povrchu a obsahu účinných látek v ovzduší v důsledku antropogenní činnosti (zejména tzv. skleníkových plynů (CO2, oxidy síry a dusíku, metan)). Jak patrno nejistota je značná, nicméně nebezpečí změn, které mohou zcela zásadně ovlivnit život mnoha milionů lidí a světovou ekonomiku, je značné a zcela reálné.

Obr. 2: Kolísání globální teploty Země od roku 1000 do roku 2100 (zdroj IPCC, obr. SPM-5 WG1)

Obr. 3: Globální klima 21. století - různé scénáře vývoje obsahu CO2, globální teploty a výšky hladiny moře. (zdroj IPCC, obr. SPM-5 WG1)

Obr. 4: Regionální rozložení změn.množství srážek dle klimatických scénářů v r. 2100

Obr. 5: Regionální rozložení změn.roční průměrné teploty vzduchu dle klimatických scénářů v roce 2100 Obrázky 4 a 5 znázorňují představy scénářů o regionálním rozdělení změn teplot a srážek.Obr. č. 6 obsahuje srovnání modelovaných a pozorovaných teplotních hodnot od roku 1860 do r. 2000. Je patrná dobrá shoda pozorovaných a předpovídaných hodnot, což svědčí o dobré kvalitě použitých klimatických modelů. Poslední obrázek, obr. 7, podává představu, jak chápat výskyt extrémních jevů (např. teplot) z hlediska klimatických změn. Je třeba zdůraznit, že v případě klimatických změn se jedná o systematické zvýšení četnosti příp. intenzity jevů oproti původnímu stavu. Nicméně i ve stávajícím stavu klimatu se mohou vyskytnout srovnatelné extrémní jevy (jen s nižší četností). Rovněž z krátkodobého zvýšení četnosti extrémních jevů nelze a priori usuzovat na klimatickou změnu, neboť výskyt těchto jevů není pravidelný.

Obr. 7: Vliv klimatické změny na změny výskytu extrémních teplot

Obr. 6: Srovnání pozorovaných a modelovaných teplot od roku 1860 Obrázky byly převzaty ze zdrojů dostupných na internetu. Je třeba poznamenat, že do počátku 90. let se i české republice věnuje na různých pracovištích pozornost změnám klimatu a jeho modelování, zejména regionálních upřesnění globálních modelů.

Odkazy Alisov, B.P. a kol.: Kurs klimatologii. Gidrometeoizdat, Leningrad 1952 Atlas podnebí Československé republiky. Praha, Ústřední správa geodézie a kartografie 1958. Brázdil, R. – Štěpánek, P. – Květoň, V.: Air temperature fluctuation in the Czech republic in the period 19611999. Práce geograficzne, zeszyt 107. Institut Geografii UL, Krakow 2000, p. 173-178.

Květoň, V.: Climatological normals of air temperature of the Czech Republic in the period 1961-1990 and selected air temperature characteristics of the period 1961-2000. National Climate programm, Vol. 30, Praha, CHMI 2001. 40p.,63tabs, 19 maps. Květoň, V., Rett, T., Rybák, M.: Experiences with GIS applications to Climate Datasets in the Czech Hydrometeorological Institute. extended abstract in CD European Conference on Applied Climatology 3th (ECAC), 16.-20.October 2000, Pisa, Italy. Květoň,V., Tolasz. R.: Spatial analysis of daily and hourly precipitation amounts respect to terrain, ICAM and MAP-Meeting 2003, Extended abstracts. Podnebí Československé socialistické republiky. Tabulky. Praha, HMÚ 1961. Podnebí Československé socialistické republiky. Souborná studie. Praha, HMÚ 1969. Quitt E.: Klimatické oblasti Československa. Studia Geographica, Vol. 16, Brno, ČSAV GÚ Brno 1971 Český hydrometeorologický ústav – internetové stránky http://www.chmi.cz.htm IPCC-Climate change: http://www.ipcc.ch/present/graphics.htm Zpráva o stavu klimatu: http://lwf.ncdc.noaa.gov/oa/climate/research/climatereport.html Co ovlivňuje klima: http://www.cmdl.noaa.gov/climate.html Oddělení analýzy klimatu v NCAR: http://www.cgd.ucar.edu/cas/topics.html Klasifikace klimatu: http://snow.ag.uidaho.edu/Clim_Map/koppen_usa_map.htm; http://www.geofictie.nl/ctkoppen.htm;http://mesoscale.agron.iastate.edu/agron406/406-10/ppframe.htm Global Climate: http://apollo.lsc.vsc.edu/classes/met130/notes/chapter19/index.html Klasifikace: http://clem.mscd.edu/~wagnerri/Climatology/classification.htm; http://www.arm.gov/docs/documents/project/er_0495/appendix_b/table_9.html

František Pazdera Obsah presentace je následující: 1. Úvod - harmonický rozvoj světa 2. Trvale udržitelný rozvoj 3. Trvale udržitelný rozvoj - energetika 4. Klimatické změny 5. Světová energetika 6. Perspektivy světové energetiky 7. Vodíková ekonomie 8. Čisté uhlí 9. Jaderná energetika 10. Jaderná fůze 11. Závěr ppt soubor má 35 MB. V souladu s původní představou jsou na fóliích odkazy na literaturu (viz. příloha). Všechny položky literatury (65 MB) přivezu na CD i s přednáškou. Mým záměrem bylo dát účastníkům nadhledovou informaci s možností podívat se na detaily do kvalitních zpráv. Domnívám se (na základě toho, co si pamatuji ze střední školy), že jejich úkolem není jen dát studentům základy fyziky, ale i pomocí této povrchní znalosti je naučit chápat globální problémy světa a energetiky. Toto zejména pro ty, kteří nebudou pokračovat na universitách technického směru, tedy budoucí politiky, novináře atd. Problémy mám dva: 1. jak s CD, mohu přinést např. 3 exempláře, komerční distribuci nedoporučuji, abychom nenarazili na copyright. 2. postupně se na mne valí další a další úkoly, textovou část jsem předpokládal, že udělá prof. Klik nebo Ing. Hron. Do minulého pátku nebude určitě, do přednášky snad, pokud ne tak později určitě.

František Janouch SYLLABUS PŘEDNÁŠKY, 30.1.2001, Berounská Universita Energetický slabikář (Fyzikův pohled) ENERGETICKÉ DESATERO (Příručka pro veřejnost, její politiky a zelené přátele)

ALTERNATIVNÍ ZDROJE ENERGIE A JADERNÉ ENERGIE NĚKTERÉ GLOBÁLNÍ ZÁVĚRY TEMELÍN A ENERGETICKÁ SITUACE V ČR

BEZPEČNOST POTRAVIN – CHEMICKÁ RIZIKA Prof. Ing. Jana Hajšlová CSc. VŠCHT, Ústav chemie a analýzy potravin Technická 3, 16628 Praha 6 [email protected] Otázky spojené se zajištěním zdravotní nezávadností potravin, zejména v kontextu uplatňování zásad HACCP (Hazard Analysis Critical Control Point) při jejich výrobě, bývají často ne zcela správně zužovány pouze na rizika mikrobiologická. Při hodnocení bezpečnosti potravinářských produktů je však třeba zohlednit i rizika chemická související s výskytem různých typů organických i anorganických škodlivin. Rizikové sloučeniny mohou být obsaženy již ve výchozích surovinách, ale v řadě případů může k jejich vzniku či k sekundární kontaminaci docházet až v procesu výroby či při kulinárním zpracování výchozích surovin; vyloučena není ani kontaminace v průběhu přepravy či skladování. Dynamiku změn jednotlivých kontaminantů v průběhu těchto procesů nelze zobecnit, nicméně je třeba zdůraznit, že obecná znalost jejich vlastností a typických zdrojů kontaminace je základním předpokladem pro přijímání preventivních případně nápravných opatření zajišťujících produkci zdravotně nezávadných potravin. V následujícím textu jsou stručně charakterizovány nejvýznamnější skupiny chemických škodlivin, které mohou negativně ovlivnit hygienicko-toxikologickou jakost poživatin. Pozornost je věnována zejména látkám, které jsou zahrnuty v legislativních předpisech limitujících maximální přípustná množství resp. hygienické limity. Potravinová aditiva, které se někdy označují jako „cizorodé látky“ (legislativa pro některá stanovuje z nich nejvyšší přípustná množství) zde diskutovány nejsou, neboť za podmínek dodržování zásad správné výrobní praxe a značení potravinářských výrobků jsou zdravotní rizika pro konzumenty minimální.

1. Environmentální organické kontaminanty Do této skupiny se zařazují různé typy perzistentních, obtížně odbouratelných látek. Halogenované aromatické sloučeniny jako jsou zvláště nebezpečné (karcinogenní) polychlorované dibenzodioxiny / furany (PCDD / F), polychlorované bifenyly (PCB) či „klasické“, dnes pro použití v zemědělství zakázané chlorované pesticidy jako např. DDT se mohou (spolu se svými lipofilními metabolity) při příjmu kontaminované potravy resp. krmiva kumulovat v tukové složce živých organismu. Ochrana potravního řetězce před průnikem těchto látek spočívá v pečlivé kontrole právě tohoto vstupního článku. S ohledem na stabilitu zmíněných chlorovaných sloučenin, je možnost eliminace / redukce reziduí při běžných technologických / kulinárních operacích v případě zpracování kontaminovaných živočišných surovin (maso, mléko, vejce apod.) malá. K poklesu koncentrací těchto látek ve finálním produktu dojde při odstranění tukového podílu (vyškvaření, odstranění tučné kůže apod.). Zdrojem kontaminace rostlinných produktů mohou být atmosferické imise. Vedle zmíněných chlorovaných škodlivin dochází i k depozici polycyklických aromatických uhlovodíků (PAU), z nichž některé (např., benzo/a/pyren) se vyznačují karcinogenním potenciálem). Při výrobě zpracování olejnin pak může dojít k zakoncentrování těchto kontaminantů ve vylisovaném / vyextrahovaném rostlinném oleji.U více těkavých zástupců této skupiny může v procesu rafinace, zejména při deodoraci dojít k jejich ztrátám.

2. Moderní pesticidy Rezidua moderních pesticidů představují skupinu kontaminantů, která je vnímána konzumenty zvláště citlivě. Incidence reziduí nad hygienickým limitem je u nás, stejně jako ve vyspělých západních zemích ojedinělá, většinou nepřesahuje 1 až 2 %. Přesto potravinářské plodiny a suroviny často obsahují detekovatelná (vesměs však podlimitní) množství různých pesticidů, především insekticidů a fungicidů.

Obecně riziko nálezů reziduí je vyšší v případě posklizňové aplikace (např. ochrana obilí proti napadení škůdci, nebo aplikace retardátorů klíčení při skladování brambor) než v případě použití pesticidních přípravků v předsklizňovém období. Moderní pesticidy (registrováno je několik set účinných látek) jsou totiž látky relativně málo stabilní a působením různých fyzikálně-chemických faktorů (vlhkost, sluneční záření atd.) či v důsledku biodegradačních pochodů (uplatnit se mohou rostlinné, živočišné či mikrobiální enzymy) dochází k jejich transformaci na (relativně) netoxické produkty. Obdobně při vlastním zpracování kontaminovaných surovin existuje velká pravděpodobnost, že ve výsledném produktu již hladiny rezidua nepřesáhnou hodnoty detekčních limitů běžně používaných metod. K významné eliminaci reziduí může dojít již při vstupních operacích jako

jsou mechanické úpravy (odstranění povrchových listů, slupek, stonků u ovoce a zeleniny, loupání, odstraňování pluch a obrušování rýže,i mletí obilnin apod.). K poklesu povrchových reziduí (tzv. kontaktní pesticidy) dochází také při omývání, blanžírování a podobných úpravách. Vytěkání reziduí při sušení, zahušťování či vaření a zejména hydrolýza při různých hydrotermických pochodech (pasterace, sterilace apod.) představují další možnosti eliminace / redukce reziduí. Je nutné však zdůraznit, že moderní pesticidy reprezentují nejrůznější skupiny chemických sloučenin (např. organofosfáty, karbamáty, azoly, pyrethroidy) a tak predikce jejich změn je obtížná. Specielním problémem v tomto smyslu je výroba dětské výživy, kde hodnoty hygienických limitů jsou velmi nízké (jednotně 10µg/kg) a pokles hladin reziduí v průběhu technologického procesu nemusí být dostatečný pro splnění legislativních požadavků na tento typ výrobku (příkladem relativně stabilního a tudíž „problémového“ pesticidu je organofosfát phosalon hojně používaný k ošetření jabloní). Někteří výrobci z uvedených důvodů dávají přednost produktům ekologického zemědělství (tato produkční technologie vylučuje aplikaci moderních pesticidů). Závěrem je třeba zmínit případy, kdy při zpracování suroviny může dojít k zakoncentrování reziduí. Tato situace může nastat při výrobě rostlinných olejů, kde oproti původní surovině může dojít ke zdánlivému vzrůstu reziduí. Většina z nich je však při rafinačním procesu eliminována. Obdobně při vymíláni mouky dochází k zakoncentrování reziduí (většinou jsou lokalizovány na povrchu zrn) v otrubách; tmavá a zejména celozrnná mouka často obsahuje vyšší hladiny reziduí než mouka bílá. K zkoncentrování reziduí často dochází i v odpadních produktech, např. ve výliscích při výrobě ovocných džusů či matolině při produkci vína. Distribuce reziduí mezi kapalný produkt a pevný podíl je dána rozpustností resp.hodnotou rozdělovacího koeficientu noktanol-voda (Kow), který charakterizuje lipofilitu dané sloučeniny. Polární, ve vodě rozpustné pesticidy (často jde o látky se systémovým účinkem) však mohou přejít do džusu či moštu a případně interferovat s fermentačními procesy.

3. Veterinární léčiva Růst produktivity v živočišné výrobě je mimo jiné (bohužel) podmíněn i zvyšujícím se rozsahem používání veterinárních léčiv a dalších biologicky účinných preparátů (často jde o antimikrobiálně, antiparazitární, protizánětlivé a další typy léčiv; v některých zemích se užívají i hormony a různé stimulátory), jejichž rezidua, mateřských látek či jejich metabolitů se mohou nacházet v mase, jedlých orgánech hospodářských zvířat, mléce, případně vejcích. Rezidua veterinárních léčiv v těchto komoditách představují nejenom závažné zdravotní riziko pro konzumenty (možnost vzniku rezistencí), ale mohou být příčinou i řady technologických problémů pokud dojde k interferenci s použitými mikroorganismy (např. inhibice fermentačních procesů např.při výrobě kysaných mléčných výrobků či sýrů). Prevence průniku těchto škodlivin do potravního řetězce člověka spočívá především v důsledném dodržování ochranných lhůt v produkční sféře. Obdobně jako v případě moderních pesticidů závisí případná kumulace těchto rizikových látek na jejich polaritě resp. v tukové či vodné složce dané matrice.V řadě případů bylo prokázáno, že při tepelném zpracování kontaminovaných surovin dochází k poklesu reziduí, některá farmaka jsou však velmi stabilní a nelze spoléhat na pokles reziduí v průběhu používaných technologických operací. 4. Toxické minerální látky Mezi všeobecně sledované toxické kovy se řadí především olovo, kadmium, arsen a rtuť, legislativa limituje i obsah mědi, niklu, železa a zinku. Vliv potravinářských technologií na obsah těchto škodlivin nelze generalizovat, ke ztrátám resp. dekontaminaci může docházet např. vyluhováním. S ohledem na velmi nerovnoměrnou distribuci rizikových prvků v zemědělských plodinách či organismech hospodářských zvířat, je nutné u rostlinných surovin počítat s vyššími hladinami v produktech získaných zpracováním kořenové části dané či listů, v případě výrobků ze živočišných surovin je nutné zohlednit kumulaci v orgánech (játra, ledviny). V současné době jsou nálezy nadlimitních koncentrací toxických kovů v surovinách z tuzemské produkce ojedinělé. Obsah dusičnanů je zásadně ovlivněn druhem plodiny a klimatickými a půdními podmínkami. Dusičnany a dusitany se též používají jako aditiva. Zohlednit je třeba možnost participace na vzniku Nnitrosamínů (viz dále).

5. Látky vznikající v průběhu technologického zpracování a skladování Jak již v úvodu bylo naznačeno, některé zdravotně závadné sloučeniny, případně látky antinutričního charakteru vznikají z netoxických prekurzorů v průběhu výroby potravin či přípravy pokrmů. Známými příklady takovýchto endogenních kontaminantů jsou karcinogenní nitrosamíny příležitostně nalézané v různých typech

poživatin zejména v uzených masech a sýrech, rybách a některých nápojích (pivo). Podrobné studium podmínek vzniku těchto sloučenin vedlo k eliminaci rizikových faktorů resp. modifikaci některých technologických operaci a potažmo ke snížení hladin těchto škodlivin (např. při sušení sladu se dnes již nepoužívá přímý ohřev). Také při oxidacích lipidů či reakcích neenzymového hnědnutí (Maillardovy reakce) mohou vznikat toxické či antinutriční produkty. Příkladem v současnosti intenzivně sledované skupiny rizikových sloučenin jsou mutagenní heterocyklické primární aminy vznikající především při tepelném zpracování surovin s vysokým obsahem proteinů (např. při smažení či grilování masa a pod.). Hygienické limity doposud pro tyto látky nebyly stanoveny (toxikologické hodnocení není uzavřeno). Naopak maximální přípustná množství jsou od roku 2002 stanovena pro 3-chlorpropan-1,2 -diol (3MCPD) reprezentující toxické chlorpropanoly vznikající při výrobě bílkovinných hydrolyzátů, které se hojně používají jako kořenící či ochucující přísady (sojová omáčka na bázi kyselého hydrolyzátu). Nežádoucím produktem vznikajícím při fermentaci je uretan (ethyl karbamát). Vysoké nálezy této látky s karcinogenním potenciálem byly příležitostně zjišťovány v destilátech připravených z peckovin (např. slivovice). Jedním z prekurzorů uretanu mohou být kyanogenní glykosidy resp. kyanát vznikající z kyanidů. Vhodná technologická opatření mohou významně omezit tvorbu této toxické sloučeniny. Osvědčily se specielní katalyzátory na bázi mědi, které se přidávají do zápary nebo se umisťují před deflegmátor. Doporučuje se též omezit působení světla na destiláty, tak aby se zabránilo dodatečnému vzniku tohoto produktu při skladování. Nežádoucí fyziologické účinky vykazují při vyšších koncentracích i některé tzv. biogenní amíny (jde zvl. o histamín, tyramín, kadaverin a putrescin) látky, které vznikají v nefermentovaných potravinách především mikrobiální dekarboxylací příslušných aminokyselin. Jejich obsah a vzájemné poměry indikují kvalitu suroviny. Nízké teploty při skladování čerstvých ryb a masa a obecně důsledné dodržování hygienických podmínek jsou základní preventivní opatření. Technologické operace při zpracování suroviny s vysokým obsahem biogenních amínů ve významné redukci jejich obsahu většinou nerezultují. 6. Přirozené toxické sloučeniny Zemědělské plodiny respektive potravinářské suroviny mohou obsahovat též některé toxické sloučeniny či látky s nežádoucími biologickými účinky (např. alergeny). K jejich vzniku dochází buď mikrobiální činností nebo přirozenými biosyntetickými pochody probíhajícími v dané rostlině. V posledních letech jsou pravidelně kontrolovány i některé druhy jedlých měkkýšů (ústřice, škeble), které při výskytu toxických řas mohou příslušné toxiny kumulovat.

6.1. Mykotoxiny Toxické kometabolity plísní reprezentují jednu z nejzávažnějších skupin „přírodních“ škodlivin. K napadení zemědělských plodin a potažmo k jejich kontaminaci může docházet jak v průběhu vegetačního období tak i při nesprávném skladování (zvýšená vlhkost, špatná cirkulace vzduchu apod.). Kontaminace živočišných surovin souvisí s podáváním plesnivého krmiva. V současné době je známo více než 300 toxických produktů vedlejšího metabolismu toxinogenních plísní, níže zmíněny jsou jen ty, pro které byly v ČR stanoveny hygienické limity. Nejrizikovější a tudíž i nejvíce sledovanou skupinou mykotoxinů jsou vzhledem k jednoznačně prokázanému karcinogennímu potenciálu aflatoxiny (častý je výskyt v ořeších, někdy v kukuřici, olejninách sušeném ovoci apod., toxický metabolit je vylučován též do mléka). S ohledem na relativně malou lipofilitu aflatoxinů je nutné počítat s jejich přechodem do hydrofilnějšího podílu zpracovávané suroviny (např. kumuluje se ve šrotu v případě lisování olejnin; přechází do tvarohu či podmáslí při zpracování kontaminovaného mléka). Tepelné operace vedou k částečným ztrátám aflatoxinů. Mykotoxinem, který často aflatoxiny doprovází je sterigmatocystin. Relativně značnou termostabilitou se vyznačuje ochratoxin A, vyskytující se v obilninách zejména v chladnějších klimatických pásmech. Pokles při pražení kontaminované kávy je nepatrný. S ohledem na nízkou hodnotu přechodového faktoru lze tento mykotoxin nalézt i v jedlých orgánech hospodářských zvířat zvl. prasat. Trichothecenové mykotoxiny reprezentované deoxinivalenolem (DON) spolu se zearalenonem a fumonisiny patří mezi fusariové toxiny. Často jsou nalézané v cereáliích. Při vymílání obilí dochází ke kumulaci DON v otrubách.Výroba pečiva nevede k úplné eliminaci těchto mykotoxinů. Při použití kontaminovaného sladu přechází DON i do piva.

Mykotoxinem, který je předmětem pozornosti výrobců ovocných a zeleninových výrobků, je patulin (často se nalézá např. v koncentrátech vyrobených z přezrálých či poškozených plodů). Tepelné operace, zejména s delší výdrží, mikrovlnný ohřev vedou k výraznému poklesu patulinu. K jeho odbourání dochází též při ethanolovém kvašení. Efektivní cestou snížení rizika incidence mykotoxinů v potravinách je pečlivá kontrola a výběr vstupní suroviny; doporučuje se i kontrola mikrobiálních kultur používaných k výrobě plísňových sýrů či některých typů salámů.

6.2. Toxické rostlinné složky V řadě hospodářsky významných plodin lze nalézt i komponenty vykazující ve vyšších koncentracích nežádoucí biologické efekty. Spektrum těchto látek je velmi široké, předpokládá se, že jsou součástí obranného systému rostlin; někdy se používá název „přírodní pesticidy“. Jejich obsah bývá často ovlivněn odrůdou i půdními a klimatickými podmínkami v průběhu pěstování. V neposlední řadě ke změnám těchto látek může dojít při skladování, časté jsou případy, kdy napadení škůdci, či mechanická poranění vyvolají vzrůst koncentrací přírodních toxinů. Tyto změny mohou též nastat v průběhu technologického zpracování dané plodiny; probíhají zejména v období mezi dezintegrací suroviny a inaktivací nativních enzymů. Jednou ze skupin látek, pro kterou byly stanoveny hygienické limity jsou glykoalkaloidy brambor (dominující jsou je α-solanin a α-chaconin) a rajčat (tomatin). Solanin je v barmborách lokalizovan zejména v povrchových vrstvách, takže loupáním lze dosáhnout významného snížení hladin tohoto toxinu. Obdobně k poklesu jeho obsahu dochází vyluhováním. Na straně druhé díky stabilitě solaninu tepelné procesy jeho koncentrrace významě nesnižují. Upozornit je třeba na možnost biosyntézy solaninun při dezintegraci syrových hlíz. z tohoto důvodu je vhodná tepelná inaktivace. V jádrech peckového ovoce, v hořkých mandlích a některých dalších plodinách (kasava) se vyskytují kyanogenní glykosidy, které jsou prekurzorem kyanovodíku. Při tepelném zpracování peckovin (např. výroba kompotů z plodů, ze kterých nebyly pecky odstraněnÿ) může v úvodní fázi záhřevu kdy ještě není desaktivována. β-glykosidáza docházet k uvolňování kyanidů. Tuto skutečnost je třeba zohlednit při volbě technologického režimu.

Problematika incidence přírodních toxinů v lidské dietě je v současné době předmětem zájmu odborníků jak z oblasti toxikologie tak i potravinářské chemie a technologie. Diskutována jsou i chemická nebezpečí, která se týkají pouze určité skupiny konzumentů – kjako jsou např.jedinci s metabolickými poruchami (intolerance laktózy, fenylketonurie). Známy jsou též alergie na složky potravin (mléko, vaječnou bílkovinu, lískové ořechy atd). Významnou součástí prevence v této souvislosti je správné značení složení výrobků.

Ekotoxikologie – nauka o účincích toxických látek na životní prostředí Ing. Vladimír Kočí, Ph.D. Ústav chemie ochrany prostředí, VŠCHT Technická 5 160 00 Praha 6 [email protected] http://ekotoxikologie.vscht.cz

Úvod Termín ekotoxikologie použil jako první okolo roku 1969 člen francouzské akademie věd Dr. Rene Truhaut. Definoval tuto disciplínu jako “studium nepříznivých účinků chemikálií s cílem chránit přírodní druhy a společenstva”. Ekotoxikologie se zabývá studiem toxického působení látek lidského či přírodního původu na živé organizmy, jejich populace a společenstva. Kromě sledování účinků látek je předmětem zájmu ekotoxikologie i jejich pohyb v životním prostředí.[i] Ekotoxikologie se tedy zabývá účinky toxických látek na přírodní druhy organizmů nebo obecněji na ekosystémy; na rozdíl od klinické toxikologie, jež zkoumá účinky látek na člověka. Cílem oboru je vyvíjet metody, které umožňují sledovat nepříznivý vliv látek na živé organizmy za standardních reprodukovatelných podmínek. Metody musí umožnit srovnání účinků různých látek mezi sebou a především srovnání odpovídajících výsledků z různých laboratoří.[ii] Součástí ekotoxikologické práce jsou testy toxicity, které slouží k zjištění či odhadu možného toxického vlivu testovaných látek na živé organizmy. Testy toxicity bývají nespecifické, to znamená, že zachycují celkové toxické účinky všech látek přítomných v testovaných vzorcích bez nutné bližší znalosti jejich složení či chemické struktury. Tato nespecifičnost má své výhody i nevýhody. Hlavní výhodou je rychlé a dostatečně informativní zhodnocení daných vzorků, například odpadů či látek uvolněných do prostředí v důsledku ekologické havárie. V těchto případech hraje roli především čas a je třeba na prvním místě vědět, zda je daný vzorek představuje pro prostředí riziko či nikoliv. Podrobná chemická analýza je záležitost dlouhodobější a především nákladnější. U vzorku obsahujícího více látek nelze odhadnout natož určit jeho toxické účinky pouze na základě chemického složení. Cílem těchto studijních textů je seznámit zájemce s nejčastěji používanými testy toxicity a ukázat, že aplikace těchto metodik v oblasti monitoringu i ochrany životního prostředí je přínosná.

Biotesty Biotest lze definovat jako proces, při němž je testovací systém (tkán, organizmus, populace apod.) exponován v přesně definovaných podmínkách různými koncentracemi zkoumané chemické látky nebo směsného či přírodního vzorku. Ekotoxikologické biotesty jsou pak takové biotesty, které pro stanovení sledovaného jevu využívají detekční systémy (organizmy, tkáně apod.), které jsou relevantní (umožňují interpretaci, mají dostatečnou výpovědní hodnotu apod.) pro sledované ekosystémy či složky životního prostředí (vodní, půdní ekosystémy, chemické látky, odpady apod.) [iii]. Podrobný přehled členění ekotoxikologických biotestů dle různých kritérií provedl B.Maršálek [iii]:

Dle doby expozice akutní, semiakutní (semichronické) a chronické

Dle pokročilosti designu testovacího systému (také 3 generace biotestů) 1. generace - klasické (standardní) 2. generace - mikrobiotesty 3. generace - biosenzory, biosondy a biomárkry

Dle trofické úrovně testovacích organizmů producenti, konzumenti, destruenti

Dle testované matrice: voda, půda, vzduch, sediment, odpad, chemická látka

Dle spektra testovacích organizmů • •

jednodruhové (Single Species) vícedruhové (Multi Species s přírodními populacemi i laboratorní směsi kultur)

Dle typu testovaného vzorku • • •

čisté chemické látky (hydrofilní, hydrofobní, těkavé) směs látek (známých i neznámých) přírodní vzorky (většinou neznámé, směsné, s neznámými interakcemi - nejsložitější interpretace)

Dle způsobu přípravy vzorku • • • •

definované koncentrace chemických látek testování výluhů přírodních vzorků (extrakce org. rozpouštědly, DMSO, vodou, různé pH, teplota atd.) přímé testy (Direct Tests, Solid Phase Tests, Whole Effluent etc.) srovnávací testy sorbčních matric (triolein z SPMD membrán)

Dle stupně komplexnosti detekčního systému Od nejjednodušších k nejsložitějším: enzymy, biosondy, buněčné a tkáňové kultury in vitro, intaktní živý organizmus, populace, micro/mezo kosmos, terénní experimenty. Zde vývoj chápání ekotoxikologických biotestů pokročil - původní definice uznávala pouze vliv látek na živé organizmy, dnes s pronikáním 3. generace ekotoxikologických biotestů jsou uznávány pro hodnocení rizik také biotesty na úrovni suborganismální.

Dle způsobu vyhodnocování • • • •

letální efekty (mortalita, imobilizace) subletální efekty (chování organizmů – např. rychlost a směr pohybu) hodnocení fyziologické aktivity (fotosyntetické asimilace, enzymatická aktivita, efekty na membránách, přírůstky – délka kořene, počet buněk v populaci, nebo hmotnost organizmu, náchylnost k napadení chorobami, škůdci či parazity apod.) reprodukční aktivita, malformace a teratogenita atd.

Speciální testy pro hodnocení rizik v životním prostředí • trofie • mutagenita/genotoxicita (nejen na bakteriích, ale také na rostlinách, volně žijících zvířatech a rybách) • teratogenita (například na obojživelnících - Xenopus laevis) • embryotoxicita • reprodukční testy na rybách, korýších, obojživelnících, ptácích apod. Hodí se v určitých, jasně definovaných případech, kdy je pro konkrétní interpretaci nutno stanovit jiné než běžné (toxické, letální) efekty na testovací organizmus.

Další biotesty Tento přehled je směřován na ekotoxikologické biotesty. Biokoncentrace/ biokumulace a testy pro hodnocení biodegradability nepatří mezi ekotoxikologické biotesty ve smyslu stanovování toxických a letálních efektů v původním významu, takže ač se jim v tomto příspěvku nebudu podrobněji věnovat je dobré vědět, že patří mezi biotesty ekotoxikologického hodnocení chemických látek i přírodních a odpadních vzorků.

¾ Aquatické testy Testy s vodními organizmy patří mezi nejrozšířenější metodiky testování toxicity. Princip provádění testů toxicity je u většiny metodik stejný. Připraví se koncentrační řada testovaného toxikantu a do každé testované koncentrace se vpraví určitý počet organizmů. Po předepsané době působení se odečte počet organizmů vykazujících odezvu na kontakt s toxikantem. Zjištěná data se pak statisticky vyhodnotí. Klíčovou otázkou zůstává interpretace dat a jejich aplikace. Nejčastěji používanými metodikami jsou testy na rybách (Poecilia reticulata, Brachydanio rerio, Oncorhynchus mykiss), bezobratlých (Daphnia magna, Brachionus calyciflorus, Brachionus plicatilis, Thamnocephalus platyurus, Artemia franciscana), rostlinách a řasách (Lemna minor, Scenedesmus subspicatus) a baktériích (Vibrio fischeri, Escherichia coli).

¾ Terestriální testy Jedná se o skupinu testů, které studují účinky vzorků v pevné fázi na zvolené testovací organizmy. Vedle testování půdních vzorků se testují i vzorky sedimentů. V sedimentech řek a vodních nádrží se vyskytují často nepřijatelné koncentrace toxických kovů, ale i organických polutantů. Organizmy žijící v kontaminovaných sedimentech váží ve své organické hmotě polutanty a tím se tyto látky dostávají do potravního řetězce. Kontaminace sedimentů, zejména hydrofóbními organickými látkami je dnes globální jev s mnoha negativními dopady pro vodní ekosystémy. Faktory ovlivňující bioakumulaci jsou biotické a abiotické. Mezi biotické patří druh organizmu, způsob života organizmů, výběr a množství potravy a poměr mezi přijatou a vyloučenou organickou hmotou. Mezi abiotické faktory patří především stupeň hydrofobicity látek, historie kontaminace (doba a druh kontaktu organizmu se sedimentem), velikost částic sedimentu a množství a forma výskytu organického uhlíku v sedimentu [iv]. Nejčastěji používanými organizmy, jimiž se sleduje toxicita půd a sedimentů jsou nítěnka a žížala hnojní. Oba organizmy patří mezi máloštětinaté kroužkovce. Dalším používaným organizmem je chvostoskok patřící mezi hmyz.

¾ Alternativní biotesty Vzhledem k vývoji lidské společnosti i vědeckého poznání je z časového hlediska relativní pojem alternativní test. Předponou alter se obvykle míní změna či vylepšení. Postupem času se však každé vylepšení stává rozšířenější a začíná proces standardizace. Mnohé dříve alternativní testy jsou dnes již běžně aplikovány v bateriích biotestů. Jelikož se v posledních letech často o alternativních biotestech hovořilo, shrňme si některé jejich základní charakteristiky. Základní filosofií tzv. alternativních biotestů je miniaturizace a užití klidových stádií organizmů, jež jsou komerčně dostupné místo vlastních chovů. Miniaturizace jako úspora chemikálií i laboratorního místa je všeobecný trend. Chovy testovacích organizmů jsou často náročné na obsluhu, především její časové vytížení, ale i na laboratorní místo a spotřebu chemikálií. Z tohoto důvodu je pro některé laboratoře výhodnější nepoužívat v biotestech organizmy z vlastních chovů, ale použít jedince čerstvě vylíhlé z komerčně dostupných klidových stádií jako jsou vajíčka, cysty či řasy v alginátu. Nejznámějšími komerčně dostupnými tzv. alternativními biotesty jsou belgické Toxkity. Jedná se o sady laboratorních potřeb, chemikálií i organizmů v klidovém stádiu jež jsou dostupné v jednom balení a obvykle postačí na provedení několika biotestů. Existuje např. DaphToxkit s klidovými stádii hrotnatek Daphnia magna, AlgalToxkit pro řasový test či ThamnoToxkit.

¾ Baterie testů toxicity Testované látky mohou být zkoušeny nejen na samotných organizmech, ale i na buněčných tkáních, enzymech či koloniích mikroorganizmů, na druhé straně však i na populacích organizmů či v mezokosmech, pokusných jednotkách, kde je vytvořena primitivní ekologická stabilita z více druhů organizmů různé trofické úrovně. Při hodnocení látek je třeba vycházet z výsledků na několika organizmech. Vhodné je volit takové, které společně pokryjí více trofických úrovní, např. řasa-plankton-ryba. Je-li naším úkolem stanovit toxické vlastnosti daného vzorku či látky a odhadnout případná rizika související s výskytem vzorku v životním prostředí, nevystačíme s určením toxických účinků na jeden druh organizmů. Organizmy se značně liší ve svých vlastnostech, a tudíž i ve vnímavosti a v citlivosti k různým toxikantům. Z tohoto důvodu je třeba vzorky testovat na větším počtu různých, vhodně zvolených druzích organizmů. Skupina organizmů, jež je použita pro test se označuje jako baterie testů. Nejjednodušší baterie by měla obsahovat zástupce z několika následujících skupin organizmů:

Primární producenti. Jedná se o fotosyntetizující organizmy, které svým metabolizmem vytvářejí z anorganických látek živou biomasu. Pro testování se nejčastěji používají chlorokokální zelené řasy, případně sinice.

Vyšší rostliny. Existují dvě základní skupiny vyšších rostlin: jednoděložné a dvouděložné. Z jednoděložných rostlin lze uvést kukuřici, Zea mays, pšenici, Triticum aestivum, ječmen, Hordeum vulgae a další. Mezi nejčastěji používané dvouděložné rostliny patří hořčice bílá, Sinapis alba, Brassica alba, salát setý, Lactuca sativa, okurka setá, Cucumis sativum, rajské jablko, Lycopresion esculentum.

Primární konzumenti. Jedná se o organizmy živící se rostlinnou stravou, většinou řasami. Jedná se například o hrotnatky Daphnia nebo vířníky Brachionus.

Vyšší konzumenti. Do této skupiny se řadí organizmy živící se nejen rostlinnou, ale i živočišnou stravou a bakteriemi. Jako zástupce si uveďme hmyz chvostoskoka Folsomia, maloštětinatce žížalu Eisenia či ryby. Tato skupina organizmů slouží rovněž pro zkoumání biomagnifikace.

Destruenti. Důležitou skupinou organizmů jsou destruenti přeměňující organickou hmotu na anorganické složky. Jedná se o bakterie.

Enzymy. Specifickou skupinou jsou biochemické testy enzymatické aktivity. Obvykle je obtížné a nákladné testovat zkoumaný vzorek na všech organizmech nebo alespoň na jednom z každé skupiny. Čím menší počet organizmů je použit, tím menší vypovídající hodnota ekotoxikologické studie je. Je tudíž vhodné volit testovací organizmy uvážlivě a vždy s přihlédnutím k cíli studie. Odpověď jednotlivých organizmů na přítomnost toxických látek není jednotná, ovlivňuje ji mnoho faktorů jako například biologická dosažitelnost toxikantu, způsob přijímání toxikantu organizmem, jeho bioakumulace nebo schopnost škodlivou látku odbourávat. Každý organizmus reaguje na přítomnost toxického materiálu jiným způsobem, proto je nezbytné k získání co nejkomplexnější informace o jeho toxickém působení na živé organizmy použít k testování vždy více druhů a vždy zástupce všech trofických úrovní. Zapojením většího počtu

testovacích organizmů roste informace o zkoumaném vzorku a zvyšuje se tak výpovědní hodnota celé metody. Do baterie jsou vybírány individuální testy tak, aby byla schopna detekovat co nejvíce skupin toxikantů s vysokou spolehlivostí. [iii] Výběr biotestů pro ekotoxikologické testování se liší u různých autorů, firem a laboratoří. Obecně neexistuje žádné pravidlo, podle kterého se jednotlivé biotesty do baterií začleňují, ale vždy převládá názor, že by měly představovat různé trofické stupně. V některých zákonech je definováno povinné (minimální) složení baterie testů (i v ČR – např. Zákon o odpadech, Zákon o chemických látkách apod.). Někteří odborníci zdůrazňují ekonomičnost celé baterie a pracují jen s akutními mikrobiotesty, další aplikují ve svých studiích společně s mikrobiotesty i standardní testy toxicity doporučované mezinárodními organizacemi jako ISO, EPA apod. Do výběru biotestů pro ekotoxikologické baterie se samozřejmě výrazně odráží i soudobý výzkum a vědecké zaměření ekotoxikologických pracovišť. [iii]

¾ Mikrokosmy Dosud uváděné testy používaly vždy jeden testovací organizmus a jeho specifickou odezvu na přítomnost toxické látky. Jelikož se biosféra skládá ze 4 až 5 miliónů organizmů je nemožné odhadnout na základě několika vybraných organizmů dopad dané látky či vzorku na globální ekosystém. Je nereálné provozovat takový testovací systém, který by popisoval účinky dané látky nejen na větší množství druhů organizmů, tudíž ani na komunity sestávající ze vztahů mezi organizmy. Možností jak se přiblížit reálným podmínkám je používání mikrokosmů. Mikrokosmos je takové uspořádání testu, kdy je v jednom systému exponováno větší množství druhů organizmů, z nichž je alespoň jeden nebakteriální, a zaznamenáváno je i více druhů sledovaných odpovědí. Mikrokosmos bývá uzavřený testovací systém kde bývají sledovány vlastnosti půdy, vzduchu i vodní složky. Zároveň se sledují odezvy testovacích organizmů. Jelikož se jedná o tzv. “malý reálný svět” je i extrapolace zjištěných dat na reálné prostředí více opodstatněná než u jednodruhových testů toxicity. V současné době existuje značné množství různých mikrokosmů. Příkladem standardizovaného je ASTM E 1197-87. Jedná se o intaktní šedesáticentimetrový válec zeminy přímo vzorkovaný do plastové roury o průměru 17 cm. Na jeho povrch je umístěna testovací rostlina a ze dna je odváděna voda, která prošla sloupcem a následně analyzována. Obrázek 5. Mikrokosmos ASTM E 1197-87.

Zajímavou variantou mikrokosmu je kombinace půdního a aquatického mikrokosmu navržená Lichtensteinem a Liangem (1987). Skládá se z nádob s testovanou zeminou skrápěnou umělým deštěm. Propuštěná voda je následně zaváděna do akvária se sedimentem, kde jsou exponovány vedle ryb i komáří larvy. Nejvýznamnějšími nedostatky mikrokosmů z hlediska rutinního testování je značná nákladnost a obtížná reprodukovatelnost. Vezmeme-li v úvahu, že pro ekotoxikologické hodnocení vzorku je třeba použít více jednodruhových testů toxicity, tak by se vhodně navržený mikrokosmos mohl ukázat i jako finančně efektivní. Schopnost přežít expozici toxickou látkou nemusí být ještě dostatečným potvrzením neškodlivosti. Jednodruhový test toxicity může hodnotit látku jako neškodnou, např. hrotnatky budou mít ve srovnání s kontrolou stejnou reprodukční schopnost, avšak v mikrokosmu se po chronické expozici mohou projevit změny v četnosti jednotlivých pohlaví, věkové distribuci či schopnosti odolávat predátorům.

Účinky toxických látek na organizmy Látky přicházející do styku s živými organizmy je ovlivňují pozitivně či negativně. Jedna a tatáž látka může na organizmus působit oběma způsoby, důležitá je koncentrace. Většina látek za nižších koncentrací organizmu nevadí, za vyšších ho však naopak hubí. Tohoto podvojného působení látek si všiml již Paracelsus (Theophratus Bombastus von Hohenheim 1493 až 1541), který charakterizoval léčivé látky jako jedy a konstatoval, že rozdíl mezi lékem a jedem je především v podané dávce. Vztah látky a organizmu je třeba chápat jako dynamický proces. Látka na organizmus působí a organizmus působí na látku, kterou mění a biotransformuje, obvykle do méně toxické rozpustné formy, čímž je umožněno snazší vylučování. Základními biotransformačními reakcemi jsou redukce, oxidace a hydrolýza. Detoxikace je proces odstraňování toxických látek z těla organizmu. Probíhá tak, že se buňka snaží metabolity biotransformace spojit s primáními metabolity konjugací a společně je vyloučit z těla. Někdy může dojít k tomu,

že procesem biotransformace vznikají produkty, jež jsou toxičtější nežli výchozí látky. Jsou-li produkty biotransformace strukturně podobné primárním metabolitům (např. chybné bílkoviny), může se stát, že je organizmus nerozpozná a bude je inkorporovat do svých buněk. Touto letální syntézou může dojít až ke smrtelnému poškození organizmu. Toxicita látky je schopnost způsobovat poškození organizmu. Toxické účinky lze rozdělit dle různých kritérií například na letální (způsobující smrt organizmu) a subletální (ovlivnění životních funkcí či přirozených projevů), mutagenní, genotoxické, hepatotoxické, nefrotoxické, hemotoxické, imunotoxické, neurotoxické. Látky mohou působit jako endokrinní disruptory nebo mohou ovlivnit reprodukční schopnosti organizmu. Expozice je doba po jakou je organizmus vystaven účinkům látky. Často používaným pojmem akutní toxicita se míní účinky látky po krátké době expozice, bezprostřední reakce organizmu na krátkodobý kontakt s toxickou látkou. Správnější by bylo použití termínu toxicita při akutní expozici, stejně jako toxicita při chronické expozici. Chronická expozice nízkými koncentracemi se projevuje se různým způsobem, od změn v chování organizmů až po letální (smrtící) účinky. Délka působení látky s ohledem na termíny akutní a chronická relativní vzhledem k rozdílným délkám života různých organizmů. Doba, jež může být pro určitý organizmus akutní může být pro jiný druh chronická. Definujme tedy akutní expozici jako dobu zasahující pouze jedno vývojové stádium organizmu a chronickou expozici jako dobu zasahující více vývojových stadií nebo životních cyklů. Expozice v délce trvání dnů může představovat pro ryby akutní expozici, zatímco pro baktérie, množící se v řádu minut, chronickou zasahující více generací. Toxikantem budeme nazývat látku nebo vzorek, jež vykazuje toxické účinky na organizmus. Přesnějším termínem nežli akutní toxicita je pojem terminální toxicita. Jedná se o bezprostřední účinky látek na organizmy, jež obvykle po krátké době expozice vedou k nepříznivé odezvě na organizmus. Intenzita poškození organizmu je přímo závislá na intenzitě působení. To obvykle znamená čím větší dávka toxikantu se do organizmu dostane, tím více bude poškozen nebo tím větší počet organizmů z populace bude vykazovat známky intoxikace. Terminální toxicita se projevuje různým způsobem, od změn v chování organizmů až po letální (smrtící) působení, otravy. Druhy poškození organizmů závisí na a) charakteru látky a jejích chemicko – fyzikálních vlastnostech; b) způsobu působení v organizmu, tedy na účincích; c) koncentraci v prostředí a d) biodostupnosti – způsobu vstupu do organizmu. Všechny výše zmíněné faktory ovlivňují koncentraci toxikantu v organizmu, tedy přijatou dávku. Jiný charakter má tzv. samoreplikující toxicita. Jedná se o vlastnost látky, jejíž účinky se projeví až po delší době. Četnost projevů poškození organizmu v populaci je přímo úměrná intenzitě expozice, ale akutnost průběhu na intenzitě expozice závislá není. Toxicita se projeví například změnou rychlosti množení nových a změněných buněčných populací. Určité látky, mohou vyvolávat jak samoreplikující tak akutní toxicitu. Projevy expozice se však obvykle liší. Tyto látky většinou ve vyšších koncentracích jeví akutní účinky, zatímco v nižších koncentracích chronické. Specifickým účinkem látky na organizmus může být hormesis, hormese efekt. Jedná se o stimulaci (pozitivní působení) toxikantu způsobené jeho nízkou koncentrací. Při vyšších koncentracích daná látka vykazuje toxické účinky. Na principu hormese stojí i podstata homeopatie, odvětví medicíny, jemuž dosud nebyla dána oficiální lékařská důvěra, ačkoli se často praktikuje po celém světě. Podstata homeopatie, jak ji definoval Samuel Hahnemann, je založena na zákonu podobnosti. Předpokládá se, že nízká podaná dávka toxikantu, způsobujícího stejný efekt jaký je léčen, podpoří přirozenou schopnost organizmu po sebeobnově. Obrázek 6. Znázornění hormese efektu. pozitivní efekt (např.nárůst)

Oblast hormese

koncentrace toxikantu

¾ Faktory ovlivňující toxicitu látek Jelikož se akumulují v tkáních, jsou látky rozpustné v tucích pro organizmus nebezpečnější nežli látky rozpustné ve vodě. Dochází k zvyšování koncentrace látek v organizmu s časem. Odtud mohou být po delší době bioakumulace postupně vylučovány a působit tak dodatečně průběžnou otravu organizmu - samoreplikující toxicita. Bioakumulované látky mohou být za určitých podmínek vyloučeny z tkání naráz a způsobit tak akutní otravu. Příkladem může být vyloučení akumulovaného olova v důsledku zánětlivých procesů nebo po podání některých léčiv. Odstraňování lipofilních látek s primárními metabolity je nízké.

•

Rozpustnost ve vodě, koeficient KOV

Důležitým faktorem pro ekotoxikologii je rozpustnost zkoumané látky či vzorku ve vodě. Obecně lze říci, že molekuly látek s vysoce polárními vazbami jsou k sobě silně přitahovány. Voda a alkohol jsou proto dobrými rozpouštědly pro iontové sloučeniny jako jsou soli a pro neiontové, avšak polární molekuly látek jakými jsou například cukry. Nepolární látky jakými jsou například tetrachlormethan či benzen k sobě naopak přitahovány nejsou. Snadno se však mísí a jsou dobrými rozpouštědly pro nepolární molekuly jako jsou tuky. Některé pevné látky jsou tvořeny tak silnými vazbami, že nejsou rozpustné v žádném běžném rozpouštědle, vyjma takového s kterým dochází k vytvoření chemické vazby, tím ovšem dochází k jejich přeměně. Složení přírodních vod se mění v čase i prostoru. Mezi faktory, které mohou ovlivňovat rozpustnost látek ve vodách patří pH, teplota, obsah vápenatých a hořečnatých iontů (tzv. tvrdost vody), koncentrace aniontů a kationtů – mineralizace, přítomnost organických sloučenin jako jsou fulvokyseliny či humínové látky. Směsné látky se při rozpouštění chovají jinak nežli chemická individua. Každá látka ve směsi je rovnovážně rozdělena mezi směs a rozpouštědlo, vodu. Dochází zde k tomu, že látky dobře ve vodě rozpustné rychleji přestupují do vodné fáze, zatímco ty méně rozpustné zůstávají ve fázi původní směsi. Důsledkem toho je jiné složení ve vodě rozpuštěné frakce nežli procesem rozpouštění pozměněné směsi. Zároveň jsou výsledné koncentrace rozpustných složek ve vodní fázi nižší, nežli jsou jejich maximální rovnovážné rozpustnosti. Pro charakterizování rozpustnosti zkoumané látky ve vodě se používá koeficient KOV (KOW , KP), nebo jeho logaritmus (log KOV). Koeficient je definován jako poměr rovnovážných koncentrací látky rozpuštěné v n-oktanu a ve vodě. Jedná se o dvě prakticky nemísitelná rozpouštědla. [i] Rovnice 1. Rozdělovací koeficient oktanol/voda.

K OV =

CO CV

CO

rovnovážná koncentrace látky rozpuštěné v n-oktanu

CV

rovnovážná koncentrace látky rozpuštěné ve vodě

•

Struktura látky

Velice úzký je vztah mezi strukturou látky a její toxicitou. U organických látek zde důležitou roli hrají hraje nejen druh základního uhlovodíkového řetězce, ale také typ, počet a umístění substituentů. Na základě všeobecně známých experimentálních výsledků lze z údajů o struktuře u některých typů látek dedukovat na jejich toxické účinky látek: polycyklické uhlovodíky či látky s epoxidovou vazbou lze považovat za karcinogeny.[v] Toxické účinky látek jsou určeny jejich fyzikálně-chemickými a strukturními vlastnostmi. Na základě znalosti struktury látky lze do jisté míry odhadnout její toxické účinky. Tímto se zabývá Quantitative Structure Activity Relationship (QSAR) analýza. Je to přístup založený na odhadu biologických účinků látek na základě porovnávání struktury látek hodnocených se strukturou látek jejichž biologické účinky jsou známy. Jsou zde porovnávány soubory podobných látek. QSAR je metoda umožňující předběžně odhadovat chování dané látky, obvykle na základě počítačové simulace. K dispozici jsou databázové systémy například CASE, ADAPT, TOPKAT. Analýza QSAR využívá korelace a vztahy, které existují mezi vlastnostmi, které jsou spojené s konstitucí molekuly a vlastnostmi, které jsou spojené s biologickým systémem. Tyto vztahy lze pro soubor chemických látek vyjádřit matematickou formulí nebo parametry matematické statistiky. BAi = f(Xi) BAi vyjadřuje biologickou účinnost (velikost biologického účinku) (např. akutní toxicitu LD50, stanovenou na červech v roztoku látky po 3minutové expozici, v jednotkách mol.l-1) látky i, f je matematická funkce (přímky,

paraboly, ...), Xi je parameter související s chemickou strukturou látky i (jako je rozpustnost, relativní molekulová hmotnost, indexy kvantové chemie, rozdělovací koeficient látky mezi n-oktanol a vodu, příp. jiné). Termín ”kvantitativní” postihuje možnost vyjádřit vztah/korelaci matematickou funkcí postupy matematické statistiky (nejčastěji přímka nebo parabola), termín “chemická struktura/konstituce” vystihuje spojení atomů v molekule, jejich druh, typy vazeb mezi nimi, skupenství, atd. Jsou využívány fyzikálně chemické, chemické i fyzikální vlastnosti, vyplývající z této konstituce. Termín “účinnost, aktivita” je zde použit pro vyjádření velikosti účinku. [vi] Na začátku šedesátých let Hansch popsal účinky látek na organizmy funkcí tří hlavních vlastností látek [vii]: 1) Hydrofobností2. Vedle rozdělovacího koeficientu Kow bývá používána i Hanschova konstanta πi 2) Reaktivitou. Bývá vystižena Hammettovými konstantami σi 3) Sterickými faktory. Taftovou substituentovou konstantou Es nebo konstantami, které souvisejí s geometrií a rozměry molekuly, případně i relativní molekulovou hmotností. Systematický výzkum v oblasti byl započat v roce 1974. První práce byly zaměřeny především na chlorfenoly. V osmdesátých letech se výzkum rozšířil na široké spektrum organických látek a POPs. Nejznámější matematický model analýzy QSAR je Hanschova rovnice: Rovnice 2. Hanschova rovnice.

log

1 = a(log Kow) 2 + b(log Kow) + cσ + dE s + e EC 50

a, b, c, d, e

empirické koeficienty

Kow

rozdělovací koeficient oktanol – voda

σ

Hammettova konstanta

Es

Taftova substituentová konstanta

V principu může být do rovnice zahrnut jakákoliv další fyzikálně-chemická vlastnost látky. Vhodné je však zahrnovat do výpočtu pouze ty vlastnosti, které bezprostředně ovlivňují mechanizmus toxického působení. Po dosazení experimentálních dat mívají rovnice obvykle jednodušší tvar. Například výpočet 48hEC50 pro hrotnatky Daphnia magna má pro skupinu alkoholů a chlorovaných uhlovodíků s koeficientem Kow z intervalu (-1,35; 5,69) následující tvar: Rovnice 3. Příklad Hanschovy rovnice pro určité alkoholy a chlorované uhlovodíky.

log

1 ( µM ) = 0,91 * log Kow − 4,72 [viii] EC 50

Hlavní oblasti použití QSAR jsou: a) nahrazení předběžných testů hledajících orientační koncentrace pro test základní, b) určení priorit při testování toxicity látek; c) odhad toxických účinků vyvíjených látek, jež dosud nejsou v plné míře k dispozici; d) třídění velkého množství látek do menšího počtu skupin o podobné toxicitě; e) odhad účinků společného působení látek ve směsích.

•

Organizmus

Účinek toxické látky je ovlivněn samotným organizmem vystaveným jejímu působení. Míra toxického působení je pak závislá na druhu, taxonomickém zařazení, stáří, pohlaví, výživě či emocionálním stavu. Jinak působí toxické kovy či pesticidy na hmyz, plazy či savce. Citlivost organizmů k toxickým látkám se může značně lišit i u blízkých druhů: fungicid cykloheximid působí na potkana toxičtěji (LD50=2 mg.kg-1) než na myš (LD50=190 mg.kg-1). [v]

Nikoliv lipofilitou, jež vyjadřuje rozpustnost v nepolárních rozpouštědlech. Hydrofobnost souvisí s lipofilitou i hydrofilitou. 2

¾ Bioakumulace, biokoncentrace Bioakumulace a biokoncentrace jsou termíny popisující přestup toxikantů z okolního prostředí do organizmů. Bioakumulace je zvyšování koncentrace látky v organizmu vzhledem ke koncentraci té samé látky v životním prostředí. Bioakumulační faktor BAF vyjadřuje poměr koncentrace látky v organizmu ku koncentraci látky v okolním prostředí (voda, vzduch), ve kterém byl organizmus sledován po 24, 48, 96 hodin či po jinou definovanou dobu [v]. Proces bioakumulace popisuje následující rovnice: Bioakumulace = potrava + prostředí – vylučování Biokoncentrace je koncentrace chemikálie v organizmu způsobená přímým působením z životního prostředí, tedy bez vlivu potravy. Jelikož byl pojem biokoncentrace nejprve používán pro vodní organizmy, bývá někdy za faktor prostředí považována pouze koncentrace toxikantu ve vodě. Obecněji však lze za faktory prostředí považovat i koncentrace ve vzduchu, sedimentech či půdě. Proces biokoncentrace popisuje biokoncentrační faktor BCF. Jedná se o proces akumulace kontaminantů v živé hmotě. Kupříkladu koncentrace kovového prvku obsaženého v rostlině se v důsledku bioakumulace stává vyšší nežli je původní koncentrace v zemině. Tohoto jevu se využívá při fytoremediaci. Biokoncentraci lze popsat biokoncentračním faktorem BCF. Rovnice 4. Biokoncentrační faktor.

BCF =

ck (o)

ck ( p)

ck(o)

koncentrace kovu v organizmu; koncentrace v sušině, mg.kg-1

ck(p)

koncentrace kovu v prostředí; mg.kg-1.

Faktor biokoncentrace lze odhadnout na základě chemických vlastností látky, především dle KOV a rozpustnosti látky ve vodě. Závislost BCF na těchto parametrech znázorňují následující obrázky. Obrázek 7. Závislost BCF na koeficientu Kov. 6 5 BCF

4 3 2 1 0 1

2

3

4

5

6

7

5

6

7

log Kov

Obrázek 8. Závislost BCF na rozpustnosti látky ve vodě. 6 5 BCF

4 3 2 1 0 1

2

3

4

log rozpustnosti ve vodě, mg/L

Dalším pojmem týkajícím se pohybu polutantů v organizmech je biomagnifikace. Jedná se o zvyšování koncentrace látek v tkáních organizmů v závislosti na výši trofické úrovně. Čím je organizmus na vyšším stupni

potravní pyramidy, tím vyšší koncentrace polutantů můžeme očekávat v jeho biomase. Perzistence je schopnost látky přetrvávat v životním prostředí. Vyjadřuje se v době, jaká je potřebná k snížení její aktivity (kupř. toxicity) na polovinu. Aktivitu látek snižují biologické, chemické a fotochemické degradační procesy.

Účel testů toxicity, hodnocení rizik Experimenty s organizmy, biotesty, hledají odpověď na otázku, jak bude testovaná látka ovlivňovat život organizmu ve volné přírodě. Testy toxicity jsou základním nástrojem ekotoxikologické práce. Slouží k určení druhu a míry nepříznivého působení látek na testovací organizmy. Parametry získané z testů toxicity jsou používány pro hodnocení rizik spojených s výskytem testovaných látek v životním prostředí. Testy toxicity mohou být prováděny v krátkém časovém intervalu, pak se jedná o testy toxicity s akutní expozicí, zkráceně o akutní testy toxicity. V akutních testech je obyčejně sledováno působení látek na přežívání organizmů, jedná se zde o terminální toxicitu. Je nutno mít na zřeteli, že u testů akutní toxicity je spolehlivý pouze pozitivní výsledek, tj. nález toxicity. Negativní nález znamená, že se toxicita může projevit až po delším čase, po delší expozici. Testy o delší době expozice jsou schopné zaznamenat vliv látek na růst organizmů, hovoříme pak o tzv. semichronických či subakutních testech toxicity. Testy s dlouhodobou expozicí látek na organizmy, tzv. chronické testy toxicity, jsou schopné postihnout účinky látek na růst, rozmnožování, vlastnosti populace či zaznamenat možné genetické změny. Souhrnně lze říci, že akutní testy toxicity sledují odezvu organizmu v jednom jeho vývojovém období, zatímco testy chronické toxicity mají dobu expozice zahrnující více vývojových stadií nebo generací organizmu. Výroba a užívání chemických látek, včetně konečného ukládání, vede k nárostu jejich koncentrace v životním prostředí. Způsob, jakým se látky dostávají do prostředí, závisí na jejich chemicko-fyzikálních vlastnostech, podmínkách výroby, dostupnosti z přírodních zdrojů či podmínkách uložení. Látky se mohou do prostředí dostávat také jako vedlejší produkty lidské činnosti. Životní prostředí má omezenou kapacitu vstřebávat antropogenní odpady. Odpadní látky se v životním prostředí buď rozloží nebo naředí. Vlivem stále narůstajícího množství odpadních látek dochází k vyčerpání schopnosti životního prostředí negativní účinky látek eliminovat. Důsledkem je narušení ekosystému. Riziko způsobené jednou látkou či směsí látek je pak závislé na citlivosti jednotlivých organizmů vůči dané látce a na její koncentraci v životním prostředí. Odhad, zda zkoumaná látka představuje riziko pro životní prostředí, je založen na srovnání hodnot PEC (Predicted Environmental Concentration – Předpokládaná koncentrace v životním prostředí) a PNEC (Predicted No-Effect Concentration – Předpokládaná neškodná koncentrace). Rovnice 5. Vztah mezi hodnotami PEC a PNEC.

PEC < 1,0 PNEC Je-li pro testovanou látku poměr PEC:PNEC menší než 1, tak lze považovat riziko způsobené přítomností látky v prostředí za nízké. PEC je hodnota určená na pomocí hospodářských, ekonomických, sociologických, demografických nástrojů. PNEC se určuje pomocí biotestů. Další možností posuzování, zda je testovaná látka pro životní prostředí přijatelná je vztah PEC a NOEC [ix].

Závěr - vztah chemické analýzy a biotestů Ekotoxikologie je vědní disciplína zabývající se zkoumáním účinků látek na živé organizmy a jejich společenstva až po globální dopady výskytu takových látek v geosféře. Důležitou část ekotoxikologie tvoří vedle sledování účinku i chemický monitoring nebezpečných látek ve vzduchu, zeminách, vodách i živých matricích. Ekotoxikologie je tedy disciplína snoubící chemický a biologický přístup k monitoringu životního prostředí. Oba dva přístupy se zde vhodným způsobem doplňují a umocňují tak výpovědní hodnotu výzkumu. Přibližme si jak. Je-li naším cílem zhodnotit důsledky dané látky na prostředí, obvykle začneme stanovením koncentrace látky ve sledované lokalitě. Znalost reálné koncentrace polutantu je bezesporu základem monitoringu životního prostředí. Přesto však znalost a to i třeba dlouhodobé koncentrace polutantu nám neposkytne informaci o skutečném vlivu látky na živé organizmy, potažmo na ekosystém. Tuto propast mezi analytickým stanovením a účinky látek na organizmy se snaží překonat testy na organizmech, tkáních či kulturách. Existují vlastně dvě propasti v monitoringu životního prostředí: 1) Oblast vzorkování. Propast mezi laboratorní a sledovanou oblastí. Jedná se o překonání rozdílu mezi působením látky na organizmy v laboratorním uspořádáním testu a působením látky na dané lokalitě, kde hraje roli množství dalších faktoru. 2) Propast mezi znalostí koncentrace látek v prostředí a odhadem jejích účinku na organizmy. Obrázek 9. Dvě propasti v monitoringu životního prostředí.

Jelikož je ekotoxikologie velmi mladou disciplínou, nemá dosud jednotné metodiky zkoumání ani jednotné přístupy k vlastní práci. Biotesty se obrazně řečeno snaží překonat zmíněnou propast. V současnosti však dosud nebyly efektivně zapojeny do širokospektrálního praktického hodnocení životního prostředí. Je to dáno jak dosud nesjednocenými postupy samotných testů tak i ne všeobecně přijatými způsoby jak výstupy z testů prakticky aplikovat. Použijeme-li znovu naše přirovnání o propasti, testy spojují její opačné břehy a tudíž z pohledu obou stran působí jako by částečně visely ve vzduchu. Je tudíž třeba pro ne najít dostatečné opory, aby se mohly smysluplně zapojit do praxe.

NOVÉ VIRY Jan Závada, Ústav molekulární genetiky AV ČR, Praha [email protected] V posledních letech se objevují zprávy o nových, velice nebezpečných infekcích. Jejich původci jsou různé, až dosud neznámé viry, proti nimž je nesmírně těžké vyvinout léky nebo vakciny. Jsou předzvěstí katastrof, srovnatelných se stredověkými morovými ranami, nebo jsou to senzace přizdobené novináři? Nemůže dokonce nějaký nový virus vyhubit celé lidstvo? Pro vznik nových epidemií jsou tu přímo ideální podmínky: lidé cestují přes celou zeměkouli, válčí, hladoví, prchají, trpí, vraždí se, ničí přírodu. Objevuje se řada virů, z nichž některé už skosily množství životů. Vybrali jsme několik ukázek původců různých chorob: hemoragických (krvácivých) horeček, zánětů plic, imunitní nedostatečnosti. Povíme si, zda je možné těmto virům učinit přítrž a jaká je naděje na úspěch. EBOLA Toto zvučné jméno patří obávanému viru, pojmenovanému podle řeky v Zairu, kde byl objeven a popsán u skupiny domorodců. Je představitelem čeledi Filoviridae (z lat. filum = nit, vlákno). Elektronový mikroskop je znázorňuje jako útvary vláknité či spíše hadovité, o průměru 85 nm a mnohonásobně větší délce. Obsahují RNA a patří k virům obaleným.

Ebola pochází z džunglí v Africe a Asii; jeho přirozený hostitel zatím nebyl určen. Nemocní domorodci nedovedou říci, kde se nakazili, infekce patrně pochází z nějakých zvířat v džungli. V nemocnici se infekce přenesla na další pacienty a na ošetřující personál. Pro nedostatek prostředků a materiálu dokonce lékaři používali jednorázové injekční stříkačky bez sterilisace pro více pacientů po sobě a tak řadu z nich nakazili. Mnoho obětí bylo i mezi lékaři a sestrami. V první známé epidemii v Yambuku se nakazilo 318 lidí a z nich zemřelo 88%. Virus se brzo ohlásil i v Sudánu; infikovalo se 284 lidí a z nich zemřelo 53%. Izoláty viru byly nazvány Ebola-Zaire a Ebola-Sudan. Virus se objevil i v USA (Ebola-Reston) u opic, importovaných z Filipín k pokusným účelům. Ještě než se je podařilo v karanténě vyšetřit, nakazilo se několik lidí, ale nikdo z nich neonemocněl. Onemocnění začíná nenápadně jako řada běžných nemocí – zvýšená teplota, slabost, bolesti svalů a hlavy. Potom následuje zvracení, průjem, vyrážka, poškození ledvin a jater. Nakonec se tvoří podlitiny, krvácení vnitřní i vnější a pacient umírá. Ebola patří k mimořádně nebezpečným virům. Od r. 1976 do 2002 bylo ohlášeno asi 1500 případů infekce, z nich přes 1000 zemřelo. Je to virus velice nakažlivý a lékaři musejí používat dokonalé kombinézy, masky s filtry a rukavice. Ty se po použití spálí. Materiály odebrané od pacientů a mrtvol se vyšetřují jedině v laboratořích s nejvyšším stupněm bezpečnostní ochrany P4, který se jinak používá pro válečnou mikrobiologii. Jen díky striktním karanténním opatřením, zejména izolaci nemocných a absolutnímu zákazu návštěv příbuzných, spálení mrtvol a oděvů, se podařilo zabránit většímu rozšíření nemoci. MARBURG

To je Filovirus, blízce příbuzný Ebole, od níž se dá odlišit jen exaktními metodami. Německá farmaceutická firma Pfizer zakoupila od dodavatele z Ugandy opice druhu kočkodan zelený. Potřebovala je

k výrobě očkovací látky proti dětské obrně, neboť tento lidský virus se kromé lidských tkáňových kultur dá rozmnožovat na buňkách z ledvin některých druhů opic. Po několika dnech jeden ošetřovatel zvířat onemocněl. První příznaky připomínaly chřipku: nechutenství, závratě, bolest hlavy. Brzy se však objevilo krvácení z nosu, krvavá moč a stolice a bolesti břicha. Během 10 dnů od okamžiku infekce už nebyl mezi živými. Jeho osud následovalo několik laboratorních pracovníků a jejich rodinných příslušníků. Od stejného dodavatele zakoupily opice pochytané v džungli ještě další firmy – jedna ve Frankfurtu a jedna v Bělehradu. Také tam se od opic nakazili ošetřovatelé zvířat a od nich dále rodinní příslušníci, lékaři a sestry. V Evropě tenkrát onemocnělo 37 osob. Další případy infekce byly hlášeny z Afriky. Šlo o obchodníky, cestovatele a pracovníky ve zlatém dolu. Od prvního nemocného se obvykle nakazil i někdo z příbuzenstva a lékař nebo sestra. Marburg se spolu s Ebolou řadí k nejnezpečnějším lidským infekcím. Z nemocných osob jich zemřelo 25%. LASSA

Další rodinou vysoce nebezpečných virů jsou Arenaviridae. Jejich název je odvozen z lat. arena = písek, neboť v elektronovém mikroskopu vykazují zrnitou strukturu, takže připomínají malinké balíčky naplněné pískem. Tato zrnka jsou buněčné organely – ribosomy. Velikostí i složením arenaviry připomínají virus chřipky, mají průměr 100 nm, jsou obalené a jejich genom pozůstává z RNA. Na stránky učebnic přišly z města Lassa v Nigerii, kde při misionářské stanici byla nemocnice, vedená belgickými řádovými sestrami. Lassa je rozšířená v západní Africe, kromě Nigerie byla zjištěna i v Guinei, Liberii a v Sierra Leone. Virem se ročně nakazí 100 – 300 000 osob. U většiny z nich je průběh mírný a často přejde bez povšimnutí. Část nakažených však vážně onemocní a z těch umírá 15-20%, to je ročně 5 000 osob. Průběh choroby celkem připomíná ebolu, v počáteční fázi s nespecifickými příznaky, horečkou, bolestmi svalů a břicha, zvracením, průjmem. Nemoc vrcholí krvácením ze sliznic, případně i smrtí. Přírodním hostitelem jsou hlodavci rodu Mastomys, podobní kryse a rozšíření v lese i v savaně. Často vnikají do lidských obydlí a kontaminují potraviny močí a výkaly, to je zřejmě hlavní zdroj infekce. Lidé však někdy tyto hlodavce také pojídají. Rovněž přenos mezi lidmi je častý, hlavně blízkým kontaktem. Jako jediný představitel skupiny hemoragických horeček je Lassa léčitelná, osvědčil se antivirový lék Ribavirin. Lassa má vydařené příbuzné v Jižní Americe – Junín a Machupo. Jejich přirozeným hostitelem jsou polní hlodavci. Nejčastěji se infikují traktoristé, když při orbě zviřují prach s výkaly těchto hlodavců, od nich se dále nakazí jejich rodinní příslušníci. Oba viry jsou pro člověka smrtelné v 0.5 –20%.

HANTAVIRUS Na první pohled vypadají jako úplně průměrné viry velikostí, tvarem i složením. Jsou však skupinou mimořádně nebezpečnou hlavně proto, že jsou rozšířeny na mnoha místech světa, člověk se jimi snadno nakazí někdy od klíšťat a nemoc je často smrtelná. Vyvolávají krvácivé horečky, které v západních státech USA ještě doprovází plicní syndrom. Byly pojmenovány podle řeky Hantaan v Jižní Korei, kde se s nimi setkala americká armáda v roce 1951. Brzy se podařilo identifikovat ještě původce velice podobných onemocnění, známých pod různými jmény ze Sibiře, Krymu, Konga, Balkánu a Finska. Záhadná epidemie vypukla mezi Indiány kmene Navajo v rezervaci v Novém Mexiku. Nemoc probíhala velice rychle, během 3-7 dní a končila tak, že plíce pacienta se naplnily hlenem a pacient se vlastně zadusil. Při pitvě se zjistilo i vnitřní krvácení a poškození ledvin i jater. Příčinou byl meteorologický fenomen El Niňo, jeho následkem v Novém Mexiku mimořádně vydatně pršelo, vybujela vegetace, na ní se přemnožili hlodavci „deer mouse“, připomínající myši a ti se odstěhovali do lidských obydlí. Prachem z jejich infikovaného trusu se nakazili Indiáni. Virus byl dále přenosný i pouhým dotykem nemocného či mrtvoly, tak došlo k většině smrtelných případů. SARS Název nemoci je zkratkou z angl. Severe Acute Respiratory Syndrom. Jejím původcem je Coronavirus, který se tak nazývá pro svůj vzhled. Virion je obklopen věncem molekul glykoproteinu a připomíná květenstvi kopretiny. Coronaviry byly známy u zvířat, u člověka však vyvolávaly jen lehké onemocnění dýchacích cest. Koncem roku 2002 se objevila nová epidemie vážného onemocnění s 5-10% smrtelných případů. Pochází z čínské provincie Guangdong, původně zřejmě z jediného pacienta. Čínská vláda tomu na počátku nevěnovala pozornost (nebo nemoc tutlala), ale když viděla, že se nemoc šíří, ohlásila ji na WHO a dovolila jejím expertům navšívit ohnisko epidemie. Od té chvíle pak WHO vzala kontrolu do svých rukou a podnikla rázná opatření ke zvládnutí choroby. Byly totiž vážné obavy, že nemoc má veliký potenciál se rychle šířit a že by mohla zachvátit celý svět. Šířila se totiž kapénkovou infekcí a byla přenosná i dotykem infikované kliky nebo tlačítka ve výtahu. Celá akce byla zorganizována podstatně lépe a úspěšněji, než mezinárodní akce proti pašerákům drog nebo teroristům. Podařilo se identifikovat prakticky každého pacienta a jeho kontakty. Nebylo to snadné, neboť virus SARS si oblíbil cestování letadlem a tak se rychle šířil. První případy se vyskytly v listopadu 2002 v provincii Guangdong. Bylo to 305 nemocných, v tom bylo 30% zdravotníků. Virus odletěl v infikovaném lékaři do Hong Kongu a ubytoval se v 9. patře čtyřhvězdičkového hotelu, kde se nakazilo nejméně 12 dalších osob. Za několik dní obyvatelé 9. patra už leželi v nemocnicích v Hong Kongu, Vietnamu, Singapuru a v kanadském Torontu. Ošetřující lékaři pak roznášeli virus dále do světa. WHO vyhlásila 12.3. celosvětový poplach: nabádala lidi nejezdit do míst s výskytem nemoci, v nemocnicích zavést striktní opatření proti šíření viru. V oblastech s výskytem SARS byly zavřeny školy, biografy a hřiště. Do boje proti viru bylo povoláno i vojsko a obklíčilo města s nejvyšším výskytem infekce, aby odtud nikdo neprchl a virus dále neroznášel. Cestující letadlem z postižených měst, kteří měli zvýšenou teplotu byli dopraveni do nejbližší karantény. Dva dny před zahájením byl odvolán onkologický kongres v Torontu, na který mělo přijet 16 000 účastníků a doprovázejících osob. 15.3.2003 bylo hlášeno 150 případů nemoci, ale 2.5. jich už bylo 6 000. To ale už nemoc začínala být pod kontrolou. 17.5. bylo evidováno celkem 7 761 kumulovaných případů nemoci, z toho 623 smrtelných, hlášených z 28 zemí. V ČR se nevyskytl ani jeden případ. Celkem bylo zaznamenáno 5 209 nemocných na území Číny a z nich zemřelo 282. Protiepidemická opatření si vyžádala jen na Dálném

Východě 30 miliard $. V červenci 2003 WHO odvolala všechna omezení cestování a karanténní opatření jako signál, že epidemie SARS skončila. Věří se, že dnes je SARS již plně zvládnut a že nehrozí nebezpečí. Nelze říci, jak by epidemie pokračovala, kdyby se proti ní nepodnikla tak rázná opatření. Možná, že počty nemocných by již šly do desítek milionů, nemluvě o mrtvých. Možná, že by se epidemie zpomalila a nakonec by sama vyhasla. Ale kdo má věřit viru, který má tak užasnou schopnost se šířit a který si vyžaduje tolik obětí na životech? Ostatně, od čeho si platíme WHO. Ta každoročně sleduje 50 přenosných chorob, zvlášť ovšem těch nových, které představují pro lidstvo neznámou hrozbu. Ještě příznaky: SARS začíná podobně jako chřipka. Pacient se cítí nesvůj, má teplotu 38o nebo více, bolest hlavy a všech údů, suchý kašel. Na rozdíl od většiny respiračních onemocnění schází kýchání a neteče z nosu. Na SARS nezabírají žádné léky. Nejvyšší procento úmrtí vykazují osoby nad 65 roků, místy až 50%. HIV / AIDS Aktuální stav O viru HIV, původci získané imunitní nedostatečnosti se toho napsalo nejvíce ze všech nových virů. HIV si to plně zasluhuje, protože má na svědomí mnohonásobně více nemocných a mrtvých než všechny ostatní nové viry dohromady. Protože o dalších aspektech HIV je v našem cyklu ještě jiná přednáška, soustředíme se na vybraná fakta z WHO za rok 2002. Zpráva je na internetu, má 40 stran a je doložena podrobnými statistikami a několika mapami. Z nich jsme jednu převzali. Na zeměkouli žije 42 milionů infikovaných osob. Za jediný rok jich zemřelo 3.1 milionu, celkový počet všech mrtvých od počátku pandemie tak stoupl na 26 milionů. Prvních 5 případů této nové nemoci bylo popsáno 5.6.1981 v Atlantě, USA. Mapa mluví sama za sebe, ale připojíme k ní ještě další údaje. Českého čtenáře bude zajímat, kam vlastně patříme my, zda do západní či východní Evropy. Na mapě jsme se ztratili, ale píše se o nás na str. 15: „....jsou důvody k umírněnému optimismu ve střední Evropě, jejiž země stále drží epidemii na uzdě: celková incidence HIV zůstala mimořádně nízká v r. 2001 (7 – 10 hlášených nových infekcí na milion osob). Prevalence zůstává nízká v zemích jako Česká republika, Maďarsko, Polsko a Slovinsko, kde fungují dobře organisované národní programy HIV/AIDS.“ Ve zprávě České referenční laboratoře pro AIDS se dozvíme jestě další podrobnosti, ke konci roku 2002 jsme měli celkem 601 hlášených infikovaných občanů a residentů ČR a 178 cizinců (to jsou celková čísla všech infikovaných, tedy nejen těch, kteří se nakazili během posledního roku). Skutečný počet ovšem může být vyšší, protože zdaleka ne všichni občané byli vyšetřeni.

Příčiny a vyhlídky Zpráva WHO dochází k závěru, že s virem HIV lze úspěšně bojovat, a že nejlepší cesta je prevence, založená na informovanosti. Tento argument vychází z faktu, že AIDS všude na světě je chorobou sociální a je do značné míry spojen s nevzdělaností, zejména analfabetismem. Lidé bez škol většinou vůbec nevědí, že existuje smrtelný virus, že existují kondomy a jsou jim cizí principy hygieny. AIDS je spojen s dalšími neštěstími, bídou, válkou a hladem. V r. 2002 se vedlo 22 válek, v r. 1989 jen 11. Z analýzy také vyplývá, jakou cestou se HIV šíří: v Africe převládá heterosexuální přenos, ve východní Evropě a střední Asii intravenosní aplikace drog (s jehlami bez výměny), v Austrálii převládá přenos mezi muži homosexuály. Východní Evropa a střední Asie drží nyní rekord v rychlosti nárůstu počtu nově infikovaných. Jen v Ruské federaci se počet infikovaných mezi roky 1998 a 2002

zdvacetinásobil. Podobně explosivní nárůst byl zaznamenán na Ukrajině, Estonsku a Litvě, naproti tomu v Lotyšsku je situace zatím podstatně lepší. Subsaharská Afrika: v některých zemích je tolik infikovaných, že jim během několika let hrozí masové vymírání. Infikovaných osob je v Botswaně 39%, v Zimbabwe a ve Svazijsku 34%. Obrat k lepšímu byl zaznamenán v JAR, Ethiopii a Ugandě následkem větší spotřeby kondomů. Výskyt HIV je spojen s bídou, chudé děti nenavštěvují školy, nechápou informace o chorobě a prevenci. To se neustále zhoršuje. Všude přibývá sirotků, jejichž oba rodiče zemřeli na AIDS; jen v Botswaně jich je skoro 0.5 milionu. Sirotci se pak sami starají o domácnost, eventuálně si pak vydělávají prostitucí. Všude panuje podvýživa. Jinde se děti nechají naverbovat do ozbrojených skupin, kde dostanou najíst, ale .... Od své bývalé studentky, která se vdala za Afričana a pracuje v laboratoři pro diagnostiku AIDS v Gabunu jsem slyšel, že v Africe jsou významným zdrojem infekce přímo nemocnice – jedna jehla s jednou stříkačkou poslouží pro celou řadu pacientů, velice často se dávají úplně neodůvodněně transfuse krve od nevyšetřených dárců. Střední východ a severní Afrika: WHO si stěžuje na neochotu vlád ke spolupráci, takže schází dostatek informací. Latinská Amerika a Karibik: v těchto zemích epidemie je sice hrozivá (okolo 1% infikovaných), ale začínají se objevovat známky obratu k lepšímu. Některé země mají úspěchy v prevenci i léčbě, v tom vede Brazilie. Zámožné země – USA a západní Evropa. V nich je situace značně horší, než u nás a našich sousedů. Zpráva poukazuje na fakt, ze nejvíce osob infikovaných HIV jsou lidé na okraji společnosti, zejména přistěhovalci ze zemí s vysokým výskytem choroby. Ti také mají jen nízké vzdělání a nic nevědí o prevenci. Mezi nimi převládá injekční přenos spojený s nakomanií, ale nastává obrat k přenosu heterosexuálnímu, to ovšem situaci nijak nevylepšuje. Ostaně i u nás jsou cizinci infikováni HIV v podstatně vyšším procentu než Češi a rezidenti (tj. cizinci dlouhodobě zaměstnaní). V západní Evropě je na tom nejhůř Holandsko a Švýcarsko. Spolehlivé zdroje sdělují, že to je způsobeno prakticky neomezeným přístupem k drogám; mají totiž takové liberální zákony kvůli dodržování občanských svobod a lidských práv (já nejsem proti svobodám a právům, ale mám o nich trochu jinou představu). V Japonsku si mládež oblíbila hazardní “sport” zvaný suksumoto, což je nechráněný skupinový sex. Asi se v Japonsku HIV také brzy rozšíří. Léky proti HIV / AIDS Od vypuknutí pandemie AIDS se řada farmaceutických společností a výzkumných ústavů pokouší vyrobit léky proti AIDS. Po nesčetných svízelích se podařilo navrhnout několik preparátů, založených na pochopení specifických zvláštností tohoto viru. Jedním molekulárním terčem byla reversní transkriptasa, druhým virová proteasa. Dnes již existují inhibitory jednoho i druhého. Žádný lék však není 100% účinný a všechny mají nepříjemné vedlejší účinky. Kromě toho HIV tvoří i mutace resistentní proti těmto lékům. Proto je třeba užívat kombinací 3-4 látek, z nichž každá má jiný molekurárný mechanismus působení. Jeden z nejnovějších léků se jmenuje VIREAD a je vynálezem českého chemika Antonína Holého. Je to obrovský úspěch, který dovede ocenit jen odborník. Ale tento výzkum je stále jen na začátku, léky nezničí virus v pacientovi úplně, jen podstatně sníží jeho koncentraci, ale tím průkazně prodlouží život pacienta. Léky se ovšem musejí užívat celý zbytek života. V rozvinutých zemích tento úspěch vidíme i na celostátních statistikách, léčení pacienti opravdu přežívají mnohem déle než neléčení. Léčení je ovšem velice drahé, pro jednoho pacienta to přijde ročne na 300 – 500 tisíc Kč a proto v chudých zemích s nejvyšším výskytem HIV je zcela nedostupné. Až dosud ztroskotaly všechny pokusy o vyvinutí účinné vakciny proti HIV.

Jak dál? U nás se šíří pocit, že epidemie HIV je zvládnuta a že se už nemáme čeho bát. Omyl! Pořád se musíme bát a ani chvíli nepolevit v boji proti AIDS. Jinak doženeme východní Evropu a střední Asii. Bylo by třeba zorganisovat reprízu osvětové kampaně, jakou u nás v 80-tých letech rozpoutala s perfektním úspěchem Dr. M. Brůčková a Prof. L. Syrůček. Veliké zásluhy má take organisace “Drop - in”, která se stará o narkomany a vyměňuje jim zdarma jehly a stříkačky použité za nové. Je to prapodivný paradox, že právě HIV způsobil tak obrovskou epidemii a během 12 let nakazil desítky milionů lidí. Přitom je to virus poměrně těžko přenosný, naprosto odkázaný na spolupráci a pomoc svých budoucích obětí. Nešíří se vzduchem ani vodou, ani podáním ruky. Velice snadno se dá zničit desinfekčními prostředky nebo zahřátím.

ADULTS AND CHILDREN ESTIMATED TO BE LIVING WITH HIV / AIDS, END 2002. TOTAL 42 MILLION

Převzato z Výroční zprávy WHO: AIDS epidemic update

Rekonstrukce ÚČOV Praha příklad adaptace ČOV na zpřísňující se legislativu Jiří Wanner, VŠCHT Praha

Historie čištění odpadních vod v Praze Jako každé město i Praha produkuje značná množství splašků a průmyslových odpadních vod. Jejich směs se srážkovými vodami je nazývána městskou odpadní vodou. Pravidelné a spolehlivé odvodňování urbanizované oblasti a účinné čištění shromážděných odpadních vod jsou základními podmínkami pro bezpečný a zdravý život jak v městě, tak v recipientu pod městem. Města bez řádného čištění odpadních vod představují jeden z největších zdrojů znečištění životního prostředí. Ve srovnání s antickými městy byla evropská města středověku špinavá a s malou péčí o veřejnou hygienu. Praha nebyla výjimkou. První doložená stoka byla vybudována v r. 1310 k odvodnění domu probošta v dnešní Nerudově ulici. V r. 1340 uzavřelo město smlouvu s Jindřichem Nithardem, který měl čistit ulice a městské strouhy před církevními svátky. Péče o veřejnou hygienu se zlepšila částečně právě za panování císaře Karla IV., který byl vychován ve Francii. Na Novém Městě Pražském, jehož založení císař nařídil, byly uplatněny některé zdravotní principy, s nimiž se mohl Karel IV. seznámit za svého pobytu na dvoře Filipa VI. v Paříži. Jednalo se např. o zavedení kamenných odtokových korýtek (kynet) uprostřed dlážděných (!) ulic s nezbytnými prostupy hradebních zdí a vyústěním do hradebních příkopů nebo do Vltavy. První splachovací stokový systém v Praze byl vybudován okolo r. 1660 k odvodnění koleje Klementinum. Voda z fontány vyplavovala odpady ze záchodů, umýváren, kuchyně a dokonce i ze zásobníku s rybami. Odpady ze stoky byly vypouštěny do blízké Vltavy. Ovšem systematický přístup k výstavbě stokové sítě v Praze musel počkat ještě téměř 200 let. Jako v jiných velkých evropských městech, jádro stokové sítě pochází ze začátku 19. století. Po napoleonských válkách, v období 1818 až 1828, bylo vybudováno prvních 44 km stok, přičemž shromážděné odpadní vody byly vypouštěny do Vltavy bez jakéhokoli čištění. Tato skutečnost spolu s malým rozsahem odvodňovaného území se stala brzy limitujícím faktorem vývoje Prahy z malého provinčního města v moderní průmyslovou metropoli. V r. 1876 městské orgány ustavily Výbor pro řešení kanalizačních otázek. Činnost tohoto výboru a Sdružení českých architektů a inženýrů vyústila ve veřejnou soutěž na projekt pražské stokové sítě. Výběrové řízení nebylo nakonec úspěšné, neboť žádný ze soutěžních projektů nebyl vhodný k praktické realizaci. V r.1888 založila městská rada Kanalizační kancelář, která fungovala s několika krátkými přerušeními až do poloviny 20. století. V r. 1890 město Praha obdrželo dva konkurenční projekty, jejichž vyhodnocení objednalo u Williama H. Lindleye (1854-1917). V té době byl Lindley stavebním radou ve Frankfurtě nad Mohanem s řadou praktických zkušeností ze stokových sítí vybudovaných jím osobně či ve spolupráci s jeho otcem, rovněž vynikajícím zdravotním inženýrem, v městech jako Hamburk, Frankfurt, Varšava, Bělehrad, Petrohrad, aj. Po skončení projektu v Praze pracoval Ing. William Heerlein Lindley pro Britskou královskou komisi pro splavnění řek na evropské pevnině, a za tuto činnost obdržel v r. 1911 šlechtický titul Sir. Lindley nedoporučil žádný z projektů. Naopak, v r. 1893 předkládá svůj vlastní projekt pražské stokové sítě. Tento projekt využíval částečně progresivní prvky předchozích projektů českých inženýrů. Projekt byl po bouřlivém projednávání přijat a v r. 1895 uděleno povolení ke stavbě.

Ing. William Heerlein Lindley (1854-1917) Lindley se dokonce stal i přednostou Kanalizační kanceláře v Praze, což vzbudilo nemalé vášně. Dle zavedeného českého zvyku mu byly předhazovány různé nectnosti a nedostatky (nikoli ovšem odborného rázu) a bylo mu dokonce vytýkáno, že je žid, ačkoli byl rodem Angličan a anglikánského vyznání. Lindley se však nenechal odradit a veškeré práce na tomto projektu byly prováděny pod jeho dohledem. Vítězný projekt Lindleyův vykazoval řadu předností: • stokový systém odvodňoval nejen historické části města, ale také předměstské čtvrti, které byly později integrovány do města • stoková soustava byla chráněna proti opakovanému zahlcování dešťovými přívaly • stoky byly zaústěny do čisticí stanice, což zabraňovalo vypouštění nečištěných odpadních vod do Vltavy • čisticí stanice byla situována do lokality, jež umožňovala její pozdější rozvoj • všechny čistírenské operace byly umístěny do podzemí, což učinilo čistírnu téměř "neviditelnou" a redukovalo negativní dopad čistírny na okolní prostředí

Pohled na Lindleyovu čistírnu z Císařského ostrova

Čisticí stanice byla oficiálně uvedena do provozu v r.1906 a celý systém pražské stokové sítě s čistírnou byl dokončen v r.1907. Čisticí proces byl založen na zachycování větších znečištěnin na česlích, zachycení písku v lapáku a na sedimentaci odpadních vod v baterii podzemních dekantérů. Účinnost sedimentace bylo lze zvyšovat chemickým srážením. Přídavek chemikálií do čištěné odpadní vody však nebyl nikdy realizován, aby se nesnížila hnojivá hodnota splaškových kalů. Kaly z pražské čistírny odpadních vod byly totiž dodávány zemědělcům v celém povodí Vltavy a Labe. V meziválečném období si pro tyto účely pořídilo hl. m. Praha dokonce specializovanou flotilu „kalových lodí“.

Podzemní dóm lapáku písku

Jeden z baterie 10 podzemních dekantérů

Veškeré čistírenské operace se odehrávaly v podzemí elegantní budovy ve stylu průmyslové secese, skryty zrakům i nosům veřejnosti. To je natolik progresivní koncept, že se k němu čistírenství po zhruba 100 letech opět vrací. K ventilaci podzemních prostor byl využit jednak přirozený komínový efekt, kdy vzduch z podzemí byl odváděn jedním z dvojice komínů (druhý sloužil pro odvod spalin z kotelny parních strojů), jednak ventilátor, poháněný vodním kolem využívajícím energii přiváděných odpadních vod.

Budova Lindleyovy ČOV s dvojicí komínů Ovšem hlavním zdrojem energie pro pohon strojů byla dvojice kondenzačních parních strojů na přehřátou páru s diferenciálními písty s ventilovým rozvodem soustavy Schmidt od firmy Breitfeld, Daněk a spol. z r. 1903. Přenos točivého momentu na hnaná zařízení obstarávala transmisní hřídel, procházející ze strojovny celou budovou. Mimo povodňových čerpadel byla parními stroji poháněna také čerpadla kalová a vodní, písková pumpa v podzemí, výtah na shrabky, mlýny a míchadla srážedel v chemickém hospodářství a generátor, zásobující čistírnu elektřinou.

Parní stroj firmy Breitfeld, Daněk a spol. z r. 1903

Po nezbytných úpravách a intenzifikaci v 30. letech byla Lindleyova čistírna odpadních vod v provozu až do poloviny 60. Let. Tato skutečnost přispěla do značné míry k zachování tohoto klenotu průmyslové architektury a sanitární technologie do dnešních časů. Stavební provedení podzemních částí čistírny, jakož i úžasné parní stroje z r. 1903, dosud v provozuschopném stavu, přitahují více a více pozornost odborníků v oblasti čištění odpadních vod i technické veřejnosti. Díky skupině nadšenců se podařilo v r. 1991 prohlásit celý areál za kulturní památku a zřídit v prostorách bývalé Lindleyovy čistírny Ekotechnické museum. Odbornou garanci nad expozicí vývoje kanalizace a čistírenství převzala Asociace čistírenských expertů ČR a bližší údaje o náplni činnosti muzea i akcích pro veřejnost lze nalézt na internetové stránce AČE ČR na adrese: http//www.ace-cr.cz Historie Lindleyovy čistírny je rovněž spojena se jménem Prof. Vladimíra Maděry, zakladatele československé školy čištění odpadních vod a jednoho z otců zakladatelů Mezinárodní asociace pro kvalitu vody IAWQ. V r. 1929 založil Maděra v budově čistírny první laboratoř chemie a mikrobiologie odpadních vod ve střední Evropě, jednu z prvních na kontinentu. Dr. Maděra se významně zasloužil i o první intenzifikaci pražské čistírny odpadních vod před 2. světovou válkou.

Prof. Ing. Dr. Vladimír Maděra,DrSc. (1905-1997) Jak rostl počet obyvatel i průmysl v Praze, kapacita Lindleyovy čistírny byla vyčerpána. Přes provedená intenzifikační opatření bylo již v 30. letech zřejmé, že Praha potřebuje novou čistírnu odpadních vod. V r. 1934 vypsal Kanalizační úřad soutěž na „Generální projekt kanalizačních čistíren pro území hl. m. Prahy“. K dispozici bylo několik projektů, z nichž některé nesly zcela současné rysy mechanicko-biologických čistíren odpadních vod. Ovšem hospodářská krize i druhá světová válka ukončila veškeré aktivity v této oblasti. Co však není všeobecně známo je skutečnost, že již v době vály došlo k rozhodnutí o místě budoucí Ústřední čistírny odpadních vod hl. m. Prahy (ÚČOV). Karl Imhoff, nejslavnější německý odborník v čištění odpadních vod, který se před válkou penzionoval z místa šéfinženýra Emschergenossenschaft pro svůj nesouhlas s nacistickou vládou v Německu, navštívil během války Prahu a při diskusích s Maděrou navrhl Císařský ostrov jako místo budoucí pražské čistírny odpadních vod. Tato myšlénka byla přenesena v život v r.1965, kdy byl na ostrově zahájen provoz zcela nové čistírny. Čistírna navržená za technického dohledu Prof. Maděry byla v té době největší aktivační čistírnou ve střední Evropě. Kapacita této pražské Ústřední čistírny odpadních vod byla od r. 1965 zvyšována v několika krocích až do kapacity mechanického stupně 8,7 m3/s a stupně biologického 4,6 m3/s. Z těchto čísel je zřejmé, že úzkým místem čistírny na ostrově byla kapacita biologického stupně, zejména kapacita dosazovacích nádrží. Dalším nedostatkem čistírny byla kapacita aktivačních nádrží, jež byla začátkem 60. let projektována pouze na odstraňování organického znečištění (BSK5).

Nedávný vývoj čištění odpadních vod v Praze – dostihy s legislativou Vývoj problémů okolo látkové i hydraulické kapacity této ÚČOV je současníkům dostatečně znám. V 80. letech 20. století vedly tyto problémy k tomu, že město připravilo první, a zatím též poslední koncepční řešení odvodnění urbanizovaného území a čištění odpadních vod. K přípravě tohoto řešení přispěly paradoxně tehdy alarmující prognózy o vývoji produkce odpadních vod v hlavním městě, které již neumožňovaly umístit novou ÚČOV na omezenou plochu Císařského ostrova (odhady směřovaly k produkci OV okolo 12 m3/s). Koncem 80. let bylo toto řešení přivedeno do konkrétní podoby pro lokalitu Hostín, technologicky by byla využita aktivace typu R-AN-D-N, tehdy již dostatečně poloprovozně ověřená pokusy na ÚČOV Praha a ČOV Plzeň. Lokalita Hostín by umožnila i efektivní řešení zpracování přívalových vod z území města. Vzhledem k významu této čistírny jak pro samotné hlavní město tak pro kvalitu vody v exponovaném povodí Labe by její realizace probíhala jako vládou sledovaná stavba. Ekonomický rozbor z roku 1989 hovořil o celkových nákladech včetně přivaděče v řádu 6 mld. tehdejší měny Kčs.

Krátce po převratu bylo toto řešení zamítnuto jako údajný projev gigantománie předchozího režimu. Skutečností je, že Praha už patrně nikdy nedosáhne tehdy očekávané produkce odpadních vod. Naopak, prudký pokles produkce odpadních vod po kolapsu průmyslu v Praze, a zejména po uvolnění dotovaných cen vodného a stočeného, vedl k určitým iluzím, že Císařský ostrov bude poskytovat dostatečnou kapacitu v déledobějším výhledu. Toto tvrzení se ukázalo jako poměrně nebezpečné, neboť zcela ignorovalo trendy ve vývoji požadavků na kvalitu vypouštěných odpadních vod. Pro další vývoj čištění odpadních vod v Praze je charakteristické, že od zavržení řešení v Hostíně město nemá žádnou dlouhodobou koncepci odvádění a čištění odpadních vod. Problém se tedy řeší dnes tak oblíbenou „salámovou metodou“, kdy se problém rozdělí na menší, mnohdy i nesouvisející okruhy, které se řeší ad hoc v souvislosti s tím, jak se daří shánět finance na jednotlivé etapy řešení, aniž by byl ovšem znám cílový stav, kterého má být dosaženo. V 90. letech byly realizovány tzv. etapy intenzifikace ÚČOV Ia a Ib, které měly uvést vypouštění odpadních vod do souladu s tehdy novým nařízením vlády č. 171/1992 Sb. a řešit kapacitu kalové koncovky. Na tyto sub-etapy má navazovat etapa II, v jejímž rámci by se měla dosáhnout kapacita celé ÚČOV pro průměrný přítok 7 m3/s a splnění požadavků, které nařízení vlády č. 171/1992 Sb. předpokládalo od roku 2005.

Změna technologické linky po intenzifikaci v 90. letech 20. století (etapa I) Základním rysem intenzifikace z 90. let byla výstavba velké regenerační nádrže a čtveřice moderně koncipovaných dosazovacích nádrží.

Regenerační nádrž

Nové dosazovací nádrže

Mezitím ovšem vstoupilo v platnost nové nařízení vlády č. 82/1999 Sb. i zákon o poplatcích za vypouštěné znečištění č. 58/1998 Sb., což značně změnilo legislativní rámec pro provedení etapy II. Postupně začínal růst i tlak na zohledňování unijní legislativy při realizaci takto významných akcí, což však v případě aplikace směrnice EEC/91/271 naráželo na problém s formulací tzv. citlivých území u nás. Definice citlivých území byla posléze vyřešena novým nařízením vlády č. 61/2003 Sb. (viz dále). Velikost zdroje

CHSKCr

BSK5

NL

znečištění (EO)

mg/1

mg/1

mg/1

nad 100 000 nad 100 000

N-NH4 +

Nanorg

Pc

mg/1

mg/1

mg/1

p

m

p

m

p

m

p

75

125

15

30

20

40

5

m 10

p

m

p

15

20

1,5

m 3

15(Z) 30(Z) 25(Z) 40(Z)

Požadavky legislativy z r. 1999 na kvalitu vyčištěných vod u velkých ČOV Tato změna právního rámce i objektivně dané změny v přiváděném znečištění, které se nepodařilo vystihnout v zadávacích podmínkách etapy Ia, vedly k tomu, že ani výše popsaná realizovaná etapa Ia intenzifikace nesplnila zcela očekávané cíle. V kalovém hospodářství probíhaly mimo opatření etapy Ib některé další, ne vždy provázané a dobře koordinované kroky. Přesto se však podařilo provoz ÚČOV v roce 2000 stabilizovat natolik, že intenzifikovaná technologická linka mohla být uvedena do trvalého provozu.

Stav po etapě I intenzifikace ÚČOV Praha a dalších krocích z 90. let ukazuje názorně následující letecký snímek ze začátku 3. tisíciletí.

ÚČOV Praha v r. 2001 (foto HYDROPROJEKT CZ a.s., Praha)

Současný stav a výhled čištění odpadních vod v Praze aneb Dostihy s legislativou pokračují ÚČOV je ovšem i nadále pod značným legislativním tlakem. Ve stávajícím povolení k vypouštění odpadních vod je uloženo zajistit na odtoku z ÚČOV nejpozději do 31. 12. 2005 splnění limitů nařízení vlády ČR č. 82/1999, Sb., což stávající technologie nezajistí (potřeba nárůstu objemů aktivace z 60 tis.m3 na 160 tis.m3). Navíc celá ČR byla v rámci přistoupení k EU vyhlášena citlivým územím. ÚČOV nemůže splnit se stávající technologií (potřeba nárůstu objemů aktivace z 60 tis.m3 na 260 tis.m3) požadavky nejnovější právní normy – nařízení vlády č. 61/2003 Sb., které již prakticky zcela reflektuje požadavky evropské směrnice EEC/91/271. Jak již bylo výše zmíněno, převládlo u určité části vedení hl. města Prahy mínění, že i v budoucnu bude možné řešit čištění odpadních vod v lokalitě Císařský ostrov na pozemcích, které jsou v majetku města. Tento názor byl podporován jednak pokračujícím poklesem produkce odpadních vod, jednak postupujícím pokrokem v čistírenských technologiích. Město dokonce zahájilo jednání o změně územního plánu, kde bylo s vymístěním ÚČOV z ostrova počítáno k roku 2010 (aná by ovšem bylo řečeno kam). Na požadavek města definoval v r. 2002 HYDROPROJEKT CZ a.s. Praha podmínky pro zachování ÚČOV na ostrově:

9 Neprodleně intenzifikovat ty celky, které zůstanou vždy součástí technologické linky a jejich modernizace povede ke zlepšení kvality odtoku do roku 2005 (dosazovací nádrže).

9 Získat nové prostory na ÚČOV vymístěním objektů kalového hospodářství, tím řešit i hygienickou závadnost (kritický bod koncepce).

9 Na uvolněné místo instalovat nové výkonné jednotky odpovídající technologické potřebě vodní linky, hygienicky zajištěné. 9 Volit kompaktní řešení směřující k zakrytí a dezodorizaci objektů, které jsou zdrojem zápachu, hluku, plynných emisí. 9 Architektonicky a esteticky zásadně změnit vzhled ÚČOV směrem k zeleným plochám a využít zakrytých ploch k rekreačnímu využití.

9 Zjednodušit kalovou linku, její řešení orientovat na odstranění kalů co nejrychlejším způsobem bez potřeby odvozu materiálů a negativního vlivu na vodní linku, variantně kalovou linku vymístit mimo Prahu.

9 Použít moderní technologii čištění plně splňující požadavky na citlivé oblasti a zahrnující i čištění dešťových vod. Bylo připraveno celkem 5 technologických variant, přičemž nejlépe propracovaná řešila částečně i problematiku srážkových vod z města. Vzhledem k exponovanosti území trojské kotliny, kde Císařský ostrov sousedí s takovými celky jako jsou ZOO Praha, Trojský zámek, Bubeneč s Královskou oborou a vilová čtvrť Baba byly technologické varianty řešeny i v různých architektonických variantách s cílem minimalizovat dopad ÚČOV na okolní prostředí či dokonce umožnit využití zastavěné plochy čistírny pro různé rekreační aktivity.

Příklad architektonického řešení umožňujícího částečné využití plochy čistírny na ostrově (HYDROPROJEKT CZ a.s., Praha) Kromě toho byly zpracovány i varianty zcela skrývající čistírenskou technologii (HYDROPROJEKT CZ a.s., Praha):

Příloha č. 1 k nařízení vlády č. 61/2003 Sb. Emisní standardy (vybraných) ukazatelů přípustného znečištění odpadních vod

V roce 2003 vydala vláda ČR zatím poslední nařízení vlády nazvané Nařízení vlády o ukazatelích a hodnotách přípustného znečištění povrchových vod a odpadních vod, náležitostech povolení k vypouštění odpadních vod do vod povrchových a do kanalizací a o citlivých oblastech, které představuje právní rámec při čištění odpadních vod i po vstupu ČR do EU. Jak je vidět z výše uvedené tabulky, oproti předchozímu nař. vl. 4. 82/1999 došlo k výraznému zpřísnění nároků na kvalitu v ukazateli dusík, neboť místo celkového dusíku anorganického je požadováno dosahování limitu pro dusík celkový, který v sobě zahrnuje ještě dusík organický. Tato změna bude mít dopad nejen do vlastní technologie čištění odpadních vod, ale do celé koncepce čištění včetně zpracování a finální likvidace čistírenských kalů. Znovu se objevily tedy úvahy, že čistírnu pro hl. m. Prahu splňující nejnovější požadavky legislativy, nebude možno umístit do omezeného prostoru Císařského ostrova. Tyto úvahy ještě zesílily po povodni v srpnu 2002, kdy byla ÚČOV na ostrově kompletně zatopena po dobu téměř 1 týdne.

ÚČOV Praha dne 14. 8. 2003

V roce 2003 nechalo hl. město Praha zpracovat prostřednictvím své společnosti PVS a.s. u firmy HYDROPROJEKT CZ a.s. studii umístění nové ÚČOV Praha do podzemí v lokalitě severně od Císařského ostrova ve vltavské kotlině:

Konečné řešení umístění nové čistírny odpadních vod pro hl. m. Prahu bude tak záviset více než na technických a technologických řešeních spíše na politickém rozhodnutí Rady hl. m. Prahy, ovlivněného zejména cenou řešení a ekonomickými možnostmi města.

i Elvers, B., Hawkins, S., Schutz, G.: Ullmann’s encyclopedia of industrial chemistry. VCH Verlagsgesellschaft GmbH, D-6940, Weinheim, 1990. ii Rand, G.M., Petrocelli, S.R.: Fundamentals of aquatic toxicology. Taylor & Francis, Washington D.C. (1995). iii Maršálek, B.: Ekotoxikologické biotesty: rozdělení, přehled, použití. Ekotoxikologické biotesty 1, 18.19.9.2002, Seč, Česká republika. iv Matti T. Leppänen, Jussi V. K. Kukkonen: Effect of sediment¯chemical contact time on availability of sediment-associated pyrene and benzo[a]pyrene to oligochaete worms and semi-permeable membrane devices, Aquatic Toxicology, Volume 49, Issue 4, 1 July 2000, Pages 227-241 v Tölgyessi, J. et all.: Chémia , biológia a toxikológia vody a ovzdušia. VEDA – Vydavatelsví Slovenské Akademie věd, Bratislava 1989. vi Tichý, M. Toxicita a její stanovení. Ekotoxikologické biotesty 1, 18.-19.9.2002, Seč, dodatek. vii Hansch, C., Muir, R.M., Fujita, T, Maloney, P.P., Geiger, F., Streich, M.: J. Am. Chem. Soc. 1963, 85, 28172824. viii Hermens, J.L.M.: Quantitative StructureActivity Relationship in Aquatic Toxicology. Pestic. Sci. 1986, 17, 287-296. ix Sedlak, R.I.: Environmental risk assessment of cleaning product ingredients. Chemosphere, Vol. 32, No. 4, pp. 703-715, (1996).