Zdroj:
Unsplash
Autor:
Allan Nygren
Licence:
Unsplash licence
Explainer

Jak moc se oteplí, když se zvýší koncentrace CO₂?

Čím vyšší koncentrace CO2 v atmosféře, tím vyšší teplota planety. Zvýšení koncentrace o 10 ppm (parts per million) způsobí oteplení planety asi o 0,1 °C. Tento přibližný vztah je užitečný k mnoha úvahám a odhadům budoucího vývoje, nicméně jde pouze o aproximaci. V následujícím textu se zaměříme na jasnější pochopení, v čem je vztah jen přibližný a jakou roli hrají další skleníkové plyny nebo setrvačnost klimatu.

Přibližné vztahy nám umožňují zhruba odhadnout výsledek. Je snazší si je zapamatovat a pochopit je a pomáhají nám zorientovat se ve složitém světě. Proto považujeme vyjádření každé zvýšení koncentrace o 10 ppm způsobí oteplení planety zhruba o 0,1 °C za užitečné, i když je pouze přibližné.

Se vztahem mezi oteplením a nárůstem koncentrací souvisí tzv. uhlíkový rozpočet, který říká, že čím více fosilních paliv spálíme, tím vyšší budou koncentrace CO2 v atmosféře a tím vyšší bude teplota. Lze pak jednoduše odvodit, kolik tun fosilních paliv můžeme spálit, aby nárůst teploty nepřekročil meze, jež jsou pro lidstvo a ekosystémy únosné. Za tyto meze se považuje globální oteplení mezi 1,5–2 °C, a abychom měli dostatečnou jistotu, že je nepřekročíme, můžeme vypustit už jen asi 500–1000 miliard tun CO2.

Z grafu vidíme, že vztah mezi oteplením a nárůstem koncentrace je lineární (alespoň na první pohled), a tedy platí čím vyšší koncetrace, tím vyšší oteplení. Další věci, které z grafu přímo nevyčteme a které je potřeba objasnit:

  • Zda jde o korelaci, nebo kauzalitu.
  • Jak velký efekt mají další skleníkové plyny a aerosoly, které lidstvo do atmosféry vypouští.
  • Že lineární vztah je zde pouze přibližný a ve skutečnosti jde o logaritmický vztah.
  • Jak se projeví setrvačnost klimatického systému.

Jde o korelaci, nebo o kauzalitu?

Často se říká, že korelace ještě neznamená kauzalitu (příčinnou souvislost). Například kdybychom do grafu vynášeli na jednu osu množství prodané zmrzliny a na druhou počet utopených, viděli bychom korelaci: v měsících, kdy se prodá více zmrzliny, se také více lidí utopí. Bylo by však chybou z toho usuzovat na příčinnou souvislost, tedy že konzumace zmrzliny způsobuje utopení.

Příčinná souvislost mezi rostoucí koncentrací CO2 a oteplováním je dobře prokázána. Jak? Oxid uhličitý zachycuje a odráží infračervené záření určitých vlnových délek – to potvrzují jak laboratorní měření, tak data ze satelitů analyzujících záření odcházející ze Země. Protože sluneční záření má široký rozsah vlnových délek, CO2 v atmosféře jej odrazí jen velmi malé množství. Záření vycházející směrem od Země je ale převážně v infračerveném pásmu, a proto je silně pohlcováno molekulami CO2 – tento mechanismus se nazývá skleníkový efekt. Jinými slovy: více CO2 v atmosféře znamená více zadrženého infračerveného záření a zesílený skleníkový efekt. Ten způsobuje oteplování.

První výpočet zesílení skleníkového efektu pochází již z roku 1896, tj. z doby, kdy oteplování ještě nebylo pozorovatelné. Svante Arrhenius1 tehdy na základě známých charakteristik CO2 a vodní páry došel k odhadu oteplení okolo 0,15 °C na 10 ppm. Další výpočty a současné fyzikální modely jeho výpočet ještě zpřesnily. Měření i přesnost předpovědí ukazují, že zvyšující se koncentrace způsobuje oteplování – k vyvrácení tohoto tvrzení by někdo musel dokázat, že CO2 infračervené záření nepohlcuje nebo že výpočty či modely oteplení obsahují chyby – což se dosud nestalo. Proto je v pořádku říci, že vztah mezi koncentrací CO2 a oteplováním je skutečně kauzalita, nikoliv pouhá korelace.

Efekt dalších skleníkových plynů a aerosolů

Pozorované oteplení, které je v grafu znázorněno, ve skutečnosti nezávisí jen na koncentracích CO2, ale i na koncentracích dalších skleníkových plynů a aerosolů:

  • Oxid uhličitý způsobuje okolo 70 % zesílení skleníkového efektu,2 za zbývajících 30 % zesílení mohou metan, oxid dusný a další skleníkové plyny. (Přesné hodnoty závisejí na uvažovaném časovém horizontu.) Část oteplení znázorněného v grafu tedy není způsobena CO2, a kdyby se koncentrace ostatních skleníkových plynů nezvyšovaly, byl by sklon grafu menší.
  • Aerosoly jsou mikroskopické pevné částice ve vzduchu (např. prach, kouř ze spalování nebo pyly z rostlin). Lidská činnost, a zejména spalování, zvyšuje koncentrace aerosolů ve vzduchu, které pak odstiňují přicházející sluneční záření a napomáhají vzniku mraků, tj. mají ochlazující efekt.3 Kdyby lidstvo aerosoly nevypouštělo, byl by sklon grafu vyšší.

Ochlazující efekt aerosolů a efekt ostatních skleníkových plynů mimo CO2 jde opačným směrem a lze říci, že se navzájem zhruba vyruší. Zda tomu tak bude i v budoucnu, záleží na tom, jak se budou emise skleníkových plynů a aerosolů dále vyvíjet. Velká část aerosolů, které lidstvo vypouští, vzniká při spalování uhlí a ropy – lze tedy očekávat, že efekt aerosolů bude snižovat teploty zhruba tak dlouho, dokud se budou spalovat fosilní paliva.

Lineární, nebo logaritmická závislost?

Teoreticky odvozený vztah mezi koncentrací CO2 a teplotou není lineární, ale logaritmický. Co to přesně znamená? Z výpočtů i modelů vyplývá, že každé zdvojnásobení koncentrace by mělo způsobit nárůst teploty o stejnou hodnotu: přibližně o 3 °C. Zvýšení koncentrace z 300 na 600 ppm by tedy způsobilo globální oteplení o 3 °C, zvýšení na 1200 ppm o další 3 °C a zvýšení na 2400 ppm opět o 3 °C – dohromady o 12 °C. Tak vysoké koncentrace CO2 byly na Zemi naposledy v prvohorách před 400 milióny lety4 a pro současný život by byly naprostou katastrofou. Kdybychom chtěli popsat oteplení ve velkém rozsahu koncentrací, museli bychom použít logaritmický vztah – pokud nás však zajímá rozsah koncentrací mezi 300 a 600 ppm, můžeme logaritmický vztah aproximovat lineárním.

Setrvačnost a rovnovážná teplota

Kdybychom zafixovali koncentrace CO2 na dnešní hodnotě (okolo 420 ppm v roce 2021), bude globální teplota ještě asi 20–30 let narůstat, než klimatický systém dosáhne rovnováhy. Je to podobné, jako když v autě sundáme nohu z plynu – také ještě nějakou dobu pojede, než se zastaví. Na základě této analogie se mluví o setrvačnosti klimatu a rozlišuje se krátkodobá citlivost klimatu (TCR, Transient Climate Response) a rovnovážná citlivost klimatu (ECS, Equilibrium climate sensitivity).5 6 7

Jak přesně zní definice krátkodobé citlivosti klimatu? Představme si následující „experiment“: Na planetě každý rok zvýšíme koncentraci CO2 o 1 %. Průběžně se bude zvyšovat i teplota. Tímto tempem dojde po zhruba 70 letech ke zdvojnásobení koncentrace CO2 a v té době bude teplota planety vyšší přibližně o 2 °C – tato hodnota průběžného oteplení při zdvojnásobení koncentrace je hodnotou, kterou v tomto článku nazýváme krátkodobá citlivost klimatu8 (TCR, Transient Climate Response). Ze současných modelů klimatického systému vychází hodnoty krátkodobé citlivosti klimatu TCR okolo 1,7 °C (v rozmezí 1,3–3,0°C).9

Naproti tomu rovnovážná citlivost klimatu (ECS) odpovídá na otázku o kolik teplejší bude planeta při dvojnásobných koncentracích CO2 poté, co se ustaví rovnováha v klimatickém systému. Na základě současných klimatických modelů a paleoklimatických dat víme, že hodnota rovnovážné citlivosti je okolo 3 °C (v rozmezí 2,3–4,7 °C).10 Kdybychom tedy koncentraci CO2 zafixovali na dvojnásobné hodnotě, teplota by ještě nějakou dobu rostla, než by se ustálila na hodnotě asi o 3 °C vyšší než na začátku.

Přímá úměrnost mezi koncentrací CO2 a oteplením, kterou znázorňujeme v grafu, tedy bude platit, pokud budeme pokračovat v emisích CO2 podobně jako dosud. Jakmile antropogenní emise klesnou na nízké hodnoty nebo na nulu, nárůst koncentrací se zastaví, ale nárůst teplot bude ještě nějakou dobu pokračovat. Odpověď na otázku, jak dlouho se ještě bude oteplovat a o kolik stupňů Celsia, je složitá a záleží na mnoha parametrech. Někdy se v tomto kontextu mluví nejen o setrvačnosti klimatu, ale také o nevyhnutelném oteplení (Committed warming),11,12 tedy o oteplení, ke kterému dojde nezávisle na tom, jak velké budou emise skleníkových plynů a kdy bude dosaženo klimatické neutrality. Důležitou roli v této dynamice hraje pohlcování CO2 v oceánech.

Kdybychom naráz dosáhli nulových emisí, začnou koncentrace CO2 v atmosféře klesat, protože oceán bude ještě nějakou dobu pohlcovat více CO2, než kolik z něj do atmosféry vychází. V takovém případě by dosahování rovnovážné teploty v klimatickém systému trvalo přibližně jen deset let11 13 a dodatečný nárůst teplot by nebyl vysoký. Při postupném snižování emisí, a zejména pokud nedosáhneme úplné uhlíkové neutrality, dojde spíše ke stabilizaci koncentrací CO2. V takovém případě bude oteplování pokračovat řádově sto let, než se ustaví rovnováha, přičemž dodatečné oteplení po stabilizaci koncentrací může dosáhnout 0,2–0,9 °C.12

Vzhledem k současným světovým emisím okolo 40 miliard tun CO2 ročně, jež navíc zatím stále rostou, je tato diskuse o setrvačnosti klimatunevyhnutelném oteplení vlastně trochu akademická. Zda lidstvo dosáhne v roce 2050 uhlíkové neutrality nebo se podaří oxid uhličitý z atmosféry odčerpávat ve významnějším množství (tj. budou v podstatě záporné emise), nyní nevíme a bude záležet na dalším technologickém a ekonomickém vývoji. Zásadní z hlediska oteplení budou celkové kumulativní emise CO2. Je proto potřeba najít cesty, jak tyto emise v nejbližší dekádě co nejvíce snížit.

Zdroje a další poznámky

  1. S. Arrhenius, On the influence of Carbonic acid in the air upon the temperature of the ground, The London, Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science (1896) ↩︎

  2. Annual Greenhouse Gas Index ↩︎

  3. Myhre, G., Myhre, C. E. L., Samset, B. H. & Storelvmo, T. (2013) Aerosols and their Relation to Global Climate and Climate Sensitivity, Nature Education Knowledge ↩︎

  4. O. Mulhern, A 4.5 Billion-Year History of CO2 in our Atmosphere, Earth.org (2020) ↩︎

  5. Knutti R. Hegerl. Beyond Equilibrium Climate Sensitivity, otevřená verze článku zde ↩︎

  6. Carbon Brief explainer: How scientists estimate climate sensitivity? ↩︎

  7. Podrobnější diskuse o konceptu citlivosti klimatu včetně různých časových škál en.wikipedia: Measures of Climate Sensitivity ↩︎

  8. České názvy pro tyto parametry modelů nejsou ustáleny. Transient climate response by bylo přesnější překládat jako „průběžná odezva klimatu“, ale z didaktických důvodů jsme se rozhodli pro zjednodušení a používáme překlad „krátkodobá citlivost klimatu“. ↩︎

  9. G. A. Meehl et. al. Context for interpreting equilibrium climate sensitivity and transient climate response from the CMIP6 Earth system models ↩︎

  10. S. C. Sherwood, Webb, et. al. An Assessment of Earth‘s Climate Sensitivity Using Multiple Lines of Evidence ↩︎

  11. Carbon Brief explainer: Will global warming stop as soon as net-zero emissions are reached? ↩︎ ↩︎2

  12. Matthews, H., Weaver, A. Committed climate warming Nature Geosci 3, str. 142–143 (2010). ↩︎ ↩︎2

  13. Joos et. al: Carbon dioxide and climate impulse response functions for the computation of greenhouse gas metrics ↩︎

Související infografiky a studie

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