Hledání vlasu v bazénu: Indikace změny fosilních emisí v atmosféře

Werner Kutsch, Alex Vermeulen and Ute Karstens

Oxid uhličitý (CO₂) uvolňovaný do ovzduší se působením větru promíchává s ostatními plyny přítomnými v atmosféře a časem je roznesen po celé planetě. Tento proces míchání trvá na severní nebo jižní polokouli jeden až dva měsíce a více než celý rok v rámci celé zeměkoule, protože atmosféra se mezi severní a jižní polokoulí mísí jen pomalu. Atmosféra sama o sobě obsahuje poměrně velké množství CO₂ – rostliny jej potřebují pro svůj růst, a navíc CO₂ vstupuje a je uvolňován při mnoha různých procesech, které přispívají ke změnám jeho koncentrace v čase a prostoru.
Jedním z nejvýznamnějších procesů jsou emise spojené se spalováním fosilních paliv. Jakým způsobem tyto emise ovlivňují koncentraci CO₂ v atmosféře, lze nejlépe vysvětlit následující jednoduchou analogií nebo lépe řečeno modelem: Předpokládejme, že máme plavecký bazén, kde voda představuje oxid uhličitý v atmosféře, výška hladiny vody v bazénu tak znázorňuje hladinu CO₂ v atmosféře. Voda, která do bazénu naprší z dešťových srážek, reprezentuje přirozené emise CO₂, odpařování vody z bazénu absorpci CO₂ rostlinami a únik na dně bazénu absorpci oceány. Konečně,  emise CO₂ z fosilních paliv si představme jako vodovodní kohoutek, kterým se voda do bazénu průběžně dopouští.
Pokud si jeden peta-gram uhlíku (=10¹⁵ g =1 000 000 000 000 000 g) představíme jako 1 m³ vody, mluvíme o bazénu o velikosti 25 x 15 m a výšce hladiny 1,57 m. Do bazénu přitéká přirozeným vstupem ze srážek asi 110 m³ vody, a současně se z něj přibližně stejné množství vody ztrácí  přes prosakující dno a odpařováním. I přes sezónní výkyvy v odpařování a srážkách je hladina vody v dlouhodobém průměru stabilní. Přítok a odtok však nejsou plně synchronizované, což vede k tomu, že vodní hladina je o něco vyšší v zimě a o něco nižší v létě. Kolísání může být +/- půl centimetru, takže v létě je vodní hladina 1,565 m a v zimním období 1,575 m. To znamená, že denní změna hladiny vody může být maximálně -0,1 mm (100 µm) za den na jaře a začátkem léta a +0,1 mm na podzim a začátkem zimy.

 

 

Zhruba před 200 lety někdo nainstaloval druhý přítok, který se časem zvýšil a do bazénu přidává v současnosti zhruba dalších 10  m³ vody ročně. Tím se také změnil odtok, odtéká asi 5,7 m³ z tohoto přidaného vstupu, ale zbývajících 4,3 m³ zůstává v bazénu. Přidaná voda již způsobila zvýšení hladiny v bazénu o 64 cm na aktuální hladinu 2,21 m. V současné době se každý rok vodní hladina zvyšuje o 11 mm, v průměru je to 31 µm za den. Pro představu, to je průměr velmi tenkého vlasu.

 

Dopad omezení výroby z důvodu Covid-19 - téměř neviditelný

Nynější snížení emisí související s omezením výroby z důvodu zabránění šíření onemocnění Covid-19 způsobilo pokles dodatečného nárůstu objemu ze 4,3 na 3,8 m³ za rok nebo denního nárůstu z 31 na 28 µm. To je rozdíl mezi velmi tenkým a ještě tenčím vlasem. Toto snížení se ale sčítá v průběhu času a rozdíl tak s dobou trvání útlumu ekonomiky roste.

 

 

Z tohoto příkladu vyplývá důležité zjištění: Snížení emisí v důsledku opatření proti šíření onemocnění Covid-19 nemá téměř žádný vliv na to, jak přibývá CO₂ v atmosféře. Můžeme tedy konstatovat, že situace je stále špatná, jen je špatná o něco méně - více o tom na konci tohoto článku. Stále ale zůstává zásadní otázka, která byla již během pandemie položena několikrát: Můžeme v atmosféře detekovat dopad snížení emisí způsobený „protiCovidovými“ opatřeními?
Odpověď zní stejně, jako ve vědě často, „teoreticky ANO“. Byl by to prostě rozdíl mezi oběma křivkami, naše přístroje jsou dostatečně citlivé, abychom i tento malý rozdíl  detekovali. V praxi však existují některé problémy, které celou záležitost dělají velmi komplikovanou a obtížnou.
1. Měříme pouze jednu křivku. Neprovádíme řízený experiment se dvěma planetami - s jednou s poklesem ekonomiky a druhou bez změny. Máme tedy pouze červenou křivku na obrázku 4 a musíme ji porovnat buď s umělou (modelovanou) modrou křivkou, nebo s předchozími roky. Oba přístupy mají vážné problémy. Modelovaná modrá křivka nás odvádí od měření a lze ji vždy zpochybnit. Porovnání s jinými roky s sebou zase přináší jiné nedostatky.
2. Globální uhlíkový cyklus nefunguje jako jednoduchý hodinový strojek. Fluktuace hodnot není pravidelná tak, jak je znázorněna na obrázku 1, protože chod počasí se mezi jednotlivými roky liší. V jednom roce může být teplá zima a časné jaro, v dalším roce naopak pozdní jaro a stejně tak se mohou vyskytovat jak vlhká, tak suchá léta, nebo teplé i studené podzimy.

 

 

 

 

Kombinace výše uvedených problémů (1. v našich datech nemáme modrou křivku a 2. toky do a z „atmosférického bazénu“ se meziročně liší) nás vede k následujícímu přístupu k zachycení vlivu „protiCovidových“ opatření v naměřených datech. Porovnáme rok 5 s odstavením ekonomiky s ostatními roky.

 

 

Kromě dvou dosud rozpracovaných problémů existuje ještě třetí problém: vítr.
3. Představte si, že je bazén venku. Pak vítr způsobuje na hladině vlny. Tyto vlny mohou mít amplitudu několik cm a vážně narušit měření výšky hladiny vody.
Shrnutí: Je nemožné najít změnu výšky hladiny rovnající se tloušťce tenkého vlásku ve velkém bazénu, jehož hladina se neustále mění a vlní.

Odpověď je ve vlnách způsobených větrem

Kdybychom to v tuto chvíli vzdali, nebyli bychom vědci. Skutečně totiž existuje lepší přístup, než prosté porovnání průměrných koncentrací. Ve skutečnosti jsou tyto informace v již zmíněných vlnách. Abychom to vysvětlili, vyměníme na chvíli naši hladinu vody v „atmosférickém bazénu“ za skutečná měření CO₂ v atmosféře, která poskytuje Integrovaný systém pozorování uhlíku  (Integrated Carbon Observation System  - ICOS). Zůstaňme ale ještě chvíli u bazénu a  představme si, že k připouštění nedochází pouze na jednom místě, ale je rozložené po celém bazénu. V tomto nastavení mohou vlny nést  informace o blízkém přítoku, pokud jsou měřeny průběžně a po delší dobu.
Tak a nyní se se v našich úvahách přepneme na atmosférická měření. Podívejme se blíže na koncentrace CO₂ v atmosféře na jedné stanici ICOS, na vysokém meteorologickém stožáru poblíž města Gartow v Německu. Jako všechny ostatní stanice ICOS i tato naštěstí pokračuje v neustálém  monitoringu atmosféry i v době „proticovidových“ opatření. Koncentrace je měřena v jednotkách molekul CO₂ na milion molekul vzduchu - ppm. Můžeme tedy pozorovat nárůsty a poklesy koncentrací způsobené větrem, který - v závislosti na počasí - přenáší vzduch z různě vzdálených oblastí okolo stanice. Vidíme typickou křivku s poklesem na jaře a v létě a nárůstem na podzim a v zimě. A můžeme vidět výkyvy způsobené větrem proudícím z oblastí s různým množstvím emisí. Tyto oblasti nazýváme „stopy“ a pro každý okamžik můžeme vypočítat plochu stopy, která způsobuje vysokou nebo nízkou koncentraci CO₂. Na první pohled se kolísání hodnot v posledních týdnech zmenšilo. Mohlo by to mít dva důvody: buď vítr přináší vzduch pouze z oblastí s nízkými výkyvy, nebo nese otisk nižších emisí. To vyžaduje důkladné statistické analýzy, které dosud nebyly provedeny. Jsme si však jisti, že vliv ekonomického útlumu kvůli Covid-19 je možné nalézt v kolísání koncentrací CO₂ v atmosféře.

Připojte se k závodu a najděte vlas v atmosférickém bazénu!

Data sítě ICOS z 22 atmosférických stanic rozmístěných po celé Evropě jsou volně dostupná téměř v reálném čase. Vyzýváme vědce z celého světa, aby tyto údaje analyzovali a našli „vlas v atmosférickém bazénu“. Cenou bude místo v síni slávy vědy o skleníkových plynech, vysoce hodnocená publikace a hlavní přednáška na příští vědecké konferenci ICOS. Abychom to podpořili, nabízíme přístup k výpočetním kapacitám na ICOS Carbon Portal a další odborné diskuse s vědeckou komunitou i mimo ni. Soutěž je otevřená, pro další informace nás kontaktujte na adrese: covid19.CO₂study@icos-ri.eu. Doufáme v aplikace zajímavých statistických přístupů, nebo inovativní nápady v analýze dat. Zde, na konci tohoto článku se chceme ještě jednou vrátit k naší analogii s bazénem, protože máme sen. Naším snem je, že miliardy eur a dolarů, které jsou nyní uvolněny na podporu hospodářského oživení, budou použity moudře k dekarbonizaci naší společnosti. Abychom představili tento sen, změnili jsme naši simulaci: rok s odstavením ekonomiky kvůli opatřením proti šíření Covid-19 je nyní prvním rokem pětiletého období. Následující čtyři roky se vyznačují postupným snižováním antropogenních emisí CO₂. Každé tři měsíce se denní nárůst sníží o 1 µm. Vlasy jsou tenčí a tenčí a na konci pětiletého období je denní nárůst pouze 12 místo 32 µm, protože antropogenní emise jsou o polovinu menší, než byly v roce 2019. Naše společnost má k tomu jak potřebné technologie, tak i peníze na jejich implementaci. Výsledek toho, jak by vypadalo rozumné investování peněz na hospodářské zotavení, je na obrázku 12:

 

Křivka popisující nárůst vodní hladiny v „atmosférickém bazénu“ (koncentrace CO₂ v atmosféře) by tak byla značně zploštělá a mohla by se dokonce otočit v průběhu druhé poloviny 21. století. Čelíme historické výzvě, která je nesmírně důležitá nejen pro nás, ale i pro budoucí generace. V několika následujících desetiletích budou historické knihy hodnotit politiky a generální ředitele velkých společností z hlediska úspěšnosti jejich managementu při zvládání obou výzev Covid-19 i klimatické krize: Mohla jejich rozhodnutí zploštit pouze jednu, nebo obě tyto křivky?