Zdroj:
Unsplash
Autor:
ActionVance
Licence:
Unsplash licence
Explainer

Empirické důkazy vlivu CO₂ na klima

Ve vědecké komunitě se dnes všeobecně přijímá, že současná změna klimatu je způsobena zvyšováním koncentrací skleníkových plynů v atmosféře, a to zejména oxidu uhličitého. Toto přijetí je dáno množstvím empirických důkazů, z nichž některé si představíme v následujícím explaineru.

Fyzikální pozadí: Proč se klimatologové zabývají zářením a toky energie?

Země je stejně jako ostatní planety obklopena vesmírným vakuem, kterým se energie může šířit pouze ve formě záření. Planety od Slunce energii ve formě záření přijímají a současně také samy energii vyzařují. Sluneční záření vidíme, tepelné záření planet je však v infračervené oblasti a je pro naše oči neviditelné. Ze zákonů termodynamiky vyplývá, že má-li planeta ustálenou teplotu, pak množství záření přijatého od Slunce je stejné jako množství záření, které planeta sama vyzáří.

Atmosféra může způsobit rozdíl mezi tepelným zářením, které vyzařuje povrch planety, a tepelným zářením vycházejícím z horní vrstvy atmosféry (TOA, top-of-atmosphere) tím, že část záření pohltí a odrazí zpět k povrchu. Teplota povrchu planety se pak ustálí na vyšší hodnotě, než jakou by planeta měla bez atmosféry. Tomuto mechanismu se říká skleníkový efekt.

Lze skleníkový efekt experimentálně změřit?

Vliv skleníkových plynů na výměnu energie mezi Zemí a okolním vesmírem (neboli radiační působení skleníkových plynů) lze vypočítat pomocí fyzikálních modelů. Je to možné díky tomu, že známe fyzikální vlastnosti jednotlivých skleníkových plynů a známe také jejich koncentraci v atmosféře. Nicméně i jejich radiační působení lze přímo experimentálně změřit.

Protože skleníkové plyny část infračerveného záření odráží zpět k Zemi, zesilování skleníkového efektu vede ke snižování množství infračerveného záření, jež uniká do vesmíru, a naopak zvyšování množství infračerveného záření, které přichází k Zemi. Oba tyto jevy byly experimentálně změřeny a potvrzeny.

Satelitní měření infračerveného záření odcházejícího od Země

Již více než 50 let jsou na oběžné dráze Země satelity vybavené spektrometry, které dokáží měřit spektrum záření odcházejícího od Země. Jedním z prvních takových satelitů byl Nimbus 4 americké agentury NASA (vypuštěn v roce 1970). Od té doby proběhla řada podobných misí, jejichž cílem bylo pozorování naší planety a měření jejích charakteristik. Od vypuštění japonského satelitu ADEOS v roce 1996 pak máme k dispozici měření z nejvyšších vrstev atmosféry téměř nepřetržitě, díky využití různých instrumentů na mnoha dalších satelitech (tím nejnovějším je NOAA-20, vypuštěný v roce 2017). Všechna tato měření ukazují, že množství záření odcházejícího z horní vrstvy atmosféry do vesmíru klesá.

Počítačová vizualizace satelitu NOAA-20 ve vesmíru.
Satelit NOAA-20. Zdroj: NASA

Naměřené snížení množství infračerveného záření unikajícího do vesmíru mezi lety 1970 a 1996 je zobrazeno v grafu níže. Graf ukazuje relativní výsledek měření v roce 1996 oproti roku 1970. Rovná tečkovaná linka na hodnotě 0 tedy odpovídá měření v roce 1970, zatímco tučná červená křivka odpovídá měření v roce 1996. V grafu je tak zřetelně vidět, jak se v tomto časovém období snížilo množství záření v infračerveném pásmu, jež od Země odchází.1

Liniový graf zobrazující změnu záření unikajícího ze Země do vesmíru, který ukazuje výrazné propady v oblastech odpovídajících oxidu uhličitému a metanu.
Změna záření unikajícího do vesmíru mezi lety 1970 a 1996, změřená satelitními přístroji. Překlad grafu: CzechGlobe. Zdroj: Harries et al. (2001)

Zajímavým faktem je, že každý skleníkový plyn zachycuje trochu jiné vlnové délky záření. Které přesně, to záleží na tvaru jeho molekul. Díky tomuto poznatku je pak snížení unikajícího záření na jednotlivých vlnových délkách možné připsat na vrub konkrétním skleníkovým plynům (viz popisky v grafu). Oxid uhličitý např. zachycuje záření zejména na vlnových délkách okolo vlnočtu1 670 cm−1 a 2 300 cm−1, metan zase kolem vlnočtu 1 300 cm−1 a 3 000 cm−1.

Měření infračerveného záření přicházejícího k Zemi

Zatímco množství odcházejícího záření klesá, pozemní stanice naopak zaznamenávají více infračerveného záření přicházejícího k povrchu (viz obrázek níže). Na většině světových stanic byl mezi lety 1973 a 2008 naměřen nárůst infračerveného záření (oranžově, červeně). Na některých stanicích k výrazné změně nedošlo (zeleně), a na některých se dokonce množství dopadajícího infračerveného záření snížilo (modře). Tyto místní rozdíly lze vysvětlit různým množstvím vodní páry v dané oblasti v důsledku změny klimatu. Tam, kde oblast je nyní v průměru sušší než dříve, je méně záření odraženo k povrchu vodní párou, a tedy lokálně klesl i celkový skleníkový efekt.

Mapa světa s barevnými body, které značí z většiny pozitivní trend v množství infračerveného záření dopadajícího k Zemi.
Trend množství infračerveného záření přicházejícího k Zemi mezi lety 1973–2008. Zdroj: Wang & Liang (2009)

Z těchto měření plyne, že se celosvětově zvyšuje množství infračerveného záření dopadajícího k Zemi. Konkrétně v letech 1973–2008 se intenzita dlouhovlnného infračerveného záření zvyšovala tempem 2,2 W/m2 za dekádu.2

Toto zvyšování přitom nelze vysvětlit vyšší intenzitou záření od Slunce, a to hned ze tří důvodů: 1. Zvýšené množství záření je pozorováno i v noci. 2. Spektrum záření neodpovídá slunečnímu spektru, ale naopak spektru tepelného záření odraženého skleníkovými plyny a vodní párou. 3. Měření satelitů na oběžné dráze ukazují, že intenzita záření přicházejícího od Slunce v posledních 50 letech mírně klesá,3 takže ani v tomto případě nemůže jít o příčinu naměřeného zvýšení.

S měřeními je konzistentní pouze jediné vysvětlení: jde o zesílení skleníkového efektu vlivem vyšších koncentrací vodní páry a skleníkových plynů v atmosféře.

Jaký podíl na změně radiačního působení mají jednotlivé skleníkové plyny?

Jak již bylo zmíněno výše, jednotlivé skleníkové plyny zachytávají různé vlnové délky infračerveného záření, a tak je ze změny spektra možné určit jejich podíl na změně klimatu. Navíc se pomocí těchto měření přicházejícího záření dají ověřit také modely radiačního působení skleníkových plynů. Ukazuje se, že existující modely se velmi dobře shodují s výsledky těchto měření.4

Liniový graf zobrazující spektrum záření dopadajícího na Zemi s vyznačenými skleníkovými plyny.
Spektrum dlouhovlnného záření přicházejícího k Zemi (naměřeno v Kanadě v únoru 2006, nadmořská výška cca 200 m). Zdroj: Evans & Puckrin (2006)

Při popisování vlivu jednotlivých skleníkových plynů je třeba zmínit také roli, kterou hraje vodní pára. Ta totiž způsobuje největší část skleníkového efektu, přestože nejde o antropogenní skleníkový plyn – na její množství v atmosféře nemá lidstvo přímý vliv. Kolik vodní páry v atmosféře je, záleží hlavně na teplotě, protože vyšší teplota znamená vyšší výpar a teplejší vzduch dokáže vodní páry zadržet více.5 Jinak řečeno, teplejší atmosféra do sebe dostává více vodní páry z evapotranspirace rostlin a povrchu vodních ploch a oceánů. (Zde je na místě připomenout, že oceány pokrývají 71 % povrchu Země a množství vodní páry ze zavlažování, chlazení nebo vaření je oproti vypařování z oceánů naprosto zanedbatelné.)

Když se vzduch ochladí, přebytečná vodní pára zkondenzuje a vyprší. Vliv člověka na množství vodní páry je tedy pouze nepřímý – zvyšováním skleníkového efektu roste teplota atmosféry, která pak obsahuje více vodní páry, což vede k dalšímu oteplení, a vodní pára tak zesiluje oteplovací efekt ostatních skleníkových plynů.6

Se znalostí zvýšení koncentrací skleníkových plynů v atmosféře můžeme fyzikálními výpočty zjistit, že přímé lidské emise jsou celkově zodpovědné za zvýšení záření přicházejícího k Zemi zhruba o 3 W/m2 a že 2 W/m2 z toho způsobily emise CO2. Nedávno se podařilo tyto hodnoty i experimentálně změřit za pomoci satelitů:7 mezi lety 2003 a 2018 se toto člověkem vyvolané radiační působení zvýšilo zhruba o 0,5 W/m2. Kvůli zpětným vazbám v klimatu, zejména pak následnému zvýšení množství vodní páry v atmosféře, je však tento efekt několikanásobně zesílen.

Jak změna radiačního působení mění globální teplotu?

Podrobnější popis souvislostí

Vztah mezi koncentrací CO2 v atmosféře a globálním oteplováním podrobněji popisujeme v naší infografice a v souvisejícím explaineru.

Rostoucí množství přicházejícího záření musí zákonitě způsobit zvýšení teploty. Jak vysoké toto zvýšení bude, lze celkem jednoduše vypočítat – je to stejné, jako když zapnete troubu s určitým výkonem a chcete vypočítat teplotu, na které se ustálí její vnitřek. Výpočty ukazují, že zdvojnásobení množství CO2 v atmosféře vede ke zvýšení radiačního působení o 3,7 W/m2, což by bez dalších zpětných vazeb vedlo k oteplení planety zhruba o 1 °C.8 9

Ve skutečnosti však v klimatu fungují ještě zpětné vazby – např. zvýšení teploty vede k většímu množství vodní páry v atmosféře a dalšímu oteplení, jak jsme zmínili výše. Jiná zpětná vazba spočívá v tom, že zvýšení teploty způsobuje roztátí sněhu a ledovců, které dříve odrážely velkou část slunečního záření zpět. Tyto a další podobné zpětné vazby způsobují celkové oteplení při zdvojnásobení koncentrace CO2 o zhruba 3 °C.10 Této veličině, tedy globálnímu oteplení způsobenému zdvojnásobením koncentrací CO2, se říká citlivost klimatu.

Souhlasí pozorované oteplení s výpočty oteplení způsobeného skleníkovými plyny?

Klimatické modely se používají k predikci působení skleníkových plynů na globální teploty již od 70. let minulého století. Během této doby se průběžně zlepšovaly s tím, jak se zdokonalovala výpočetní technika a zvyšovalo se množství naměřených dat, které byly k dispozici. Ve 21. století jsou již klimatické modely velmi sofistikované a kromě skleníkových plynů modelují také celý vodní cyklus, vzdušné a mořské proudění, vliv změn vlhkosti a teploty na rostliny a další parametry ovlivňující zemské klima.

Když v roce 1979 publikovali vědci první souhrnnou zprávu o výsledcích tehdejších klimatologických modelů, nevěděli ještě, zda vývoj klimatu jejich zjištění potvrdí, nebo ne. Dnes už můžeme zpětně vyhodnotit, jak si které klimatologické modely vedly. Ve srovnávací studii NASA porovnávalo předpovědi mnoha modelů klimatu se skutečností a ukázalo se, že většina modelů předpověděla vývoj globální teploty velmi přesně.11 12

Protože globální oteplování závisí zejména na množství vypouštěných skleníkových plynů a není možné předpovědět, kolik těchto plynů bude lidstvo v příštích dekádách vypouštět, pracují klimatické modely s určitými scénáři, tedy vždy předpovídají oteplení pro dané množství vypuštěných emisí. V současnosti se ukazuje, že výstupy klimatických modelů se shodují se skutečností, tedy že pozorované oteplení je v rámci odchylky stejně velké jako předpovězené oteplení, jež je způsobeno skleníkovými plyny. Modelovaná velikost přírodních vlivů, jako je sluneční aktivita, vulkanismus a podobně, se blíží nule.

Liniový graf, který ukazuje soulad oteplení předpovězeného klimatickými modely s reálně naměřeným oteplením.
Pozorované globální oteplení (červeně) a oteplení způsobené skleníkovými plyny předpovězené klimatickými modely (černě). Zdroj: Gavin Schmidt, NASA

Experimentální důkazy vlivu CO2 na globální oteplování tedy máme dnes již na několika úrovních: máme změřeno, že méně záření opouští planetu a více záření dopadá na povrch, a tato měření souhlasí s modely radiačního přenosu v atmosféře a na jejich základě klimatologické modely správně předpovídají vývoj globálních teplot. Nejistoty v našem poznání skleníkového efektu tak souvisí už v podstatě jen s detaily zesilujícího efektu vodní páry a přesnými procesy vzniku oblaků. Naproti tomu nejistota ohledně budoucího vývoje klimatu spočívá hlavně v tom, kolik emisí skleníkových plynů budeme vypouštět v dalších letech.

Jinak řečeno: největší nejistotou budoucího vývoje klimatu je to, jak se zachová lidstvo.

Zdroje a další odkazy

Nejnovější pokroky v měření radiačního působení

  • Satelitní měření i pozorování in-situ nezávisle ukazují zdvojnásobení energetické nerovnováhy Země (EEI, Earth‘s Energy Imbalance) mezi roky 2005 a 2019. Nárůst energetické nerovnováhy probíhá tempem přibližně 0.5 W m−2 za dekádu a přispívají k tomu jak antropogenní skleníkové plyny, tak zpětné vazby v klimatickém systému. (Loeb, N. G., Johnson, G. C., Thorsen, T. J., Lyman, J. M., Rose, F. G., & Kato, S. (2021). Satellite and ocean data reveal marked increase in Earth‘s heating rate. Geophysical Research Letters, 48.)

Zdroje

  1. Vysvětlení jednotek vlnočetjasová teplota: Vlnočet označuje počet vln na jeden centimetr a má jednotku cm−1. Převrácenou hodnotou vlnočtu je vlnová délka; frekvence je vlnočtu přímo úměrná. Fyzici někdy pojmy vlnočet, vlnová délka a frekvence zaměňují, protože je lze navzájem snadno převádět.

    Jasová teplota je jeden ze způsobů, jak vyjádřit intenzitu záření. Zjednodušeně řečeno: teplejší těleso vyzařuje s vyšší intenzitou než těleso chladnější a vyjádření pomocí teploty je mnohdy praktičtější. Ve zmíněném grafu tedy můžeme vidět například změnu jasové teploty v oblasti 1 300 cm−1 (CH4) o 2 K. To znamená, že kvůli pohlcování záření zvýšeným množstvím metanu je měřená intenzita záření pro tuto frekvenci v roce 1996 nižší, než byla v roce 1970. ↩︎ ↩︎2

  2. Wang, K., & Liang, S. (2009). Global atmospheric downward longwave radiation over land surface under all-sky conditions from 1973 to 2008. Journal of Geophysical Research, 114. ↩︎

  3. Usoskin, I. G. (2008). A History of Solar Activity over Millennia. Living Rev. Sol. Phys. 5, 3. ↩︎

  4. Puckrin, E., Evans, W. F. J., Li, J., & Lavoie, H. (2004). Comparison of clear-sky surface radiative fluxes simulated with radiative transfer models. Canadian Journal of Remote Sensing, 30:6, str. 903–912. ↩︎

  5. Více o parametrech, na kterých závisí koncentrace vodní páry ve vzduchu, je například v článku Vlhkost vzduchu na české Wikipedii. ↩︎

  6. Kromě toho se vodní pára vyskytuje prakticky výhradně ve spodních 10 km atmosféry, zatímco ostatní skleníkové plyny působí zejména ve vyšších vrstvách. ↩︎

  7. Kramer, R. J., He, H., Soden, B. J., Oreopoulos, L., Myhre, G., Forster, P. M., & Smith, C. J. (2021). Observational Evidence of Increasing Global Radiative Forcing. Geophysical Research Letters, 48. ↩︎

  8. Výpočet je následující: Ve stavu rovnováhy je energie přicházejícího záření rovna energii odcházejícího záření. Množství odcházejícího záření je dáno Stefanovým–Boltzmannovým zákonem: F=σT4F = -\sigma T^4. Když se množství přicházejícího záření zvýší, musí se zvýšit i množství odcházejícího záření, a tedy i teplota povrchu. Při zdvojnásobení koncentrace CO2 dojde k nárůstu radiačního působení ΔF2×CO2\Delta F_{2\times CO_2} a v důsledku toho k nárůstu teploty ΔT2×CO2\Delta T_{2 \times CO_2}. Taylorovým rozvojem můžeme vypočítat:

    ΔF2×CO2=dFdTΔT2×CO2=4σT3ΔT2×CO2\Delta F_{2\times CO_2} = \frac{dF}{dT} \Delta T_{2\times CO_2} = 4 \sigma T^3 \Delta T_{2\times CO_2}

    Budeme-li předpokládat efektivní teplotu top-of-atmosphere 255 K, konstantní gradient teploty, z radiačních modelů vycházející hodnotu ΔF2×CO2\Delta F_{2\times CO_2} okolo 4 W/m2 a Stefanovu–Boltzmannovu konstantu σ=5,67108Wm2K4\sigma = 5,67 \cdot 10^{-8}\, W m^{-2} K^{−4}, dává výpočet hodnotu citlivosti klimatu bez zpětných vazeb přibližně 1 K. ↩︎

  9. Hansen, J., Lacis, A., et al. (1984). Climate sensitivity: Analysis of feedback mechanisms. In Climate Processes and Climate Sensitivity. J. E. Hansen and T. Takahashi, Eds., AGU Geophysical Monograph 29, Maurice Ewing Vol. 5. American Geophysical Union, str. 130–163. ↩︎

  10. Explainer na webu Carbon Brief: How scientists estimate climate sensitivity↩︎

  11. Hausfather, Z., Drake, H. F., Abbott, T., & Schmidt, G. A. (2020). Evaluating the performance of past climate model projections. Geophysical Research Letters, 47. ↩︎

  12. Shrnutí zmíněné srovnávací studie na webu NASA: Study Confirms Climate Models are Getting Future Warming Projections Right↩︎

Související infografiky a studie

Zaujala vás naše práce? Prozkoumejte další související infografiky a studie: