V spektre klimatickej zmeny

Panel OSN priniesol alarmujúcu správu, že nás čaká možno posledných dvanásť dobrých rokov. Stredoškoláci „blicujú“ nie z tých pravých „stredoškoláckych“ dôvodov, ako je pozeranie hokejovej reprezentácie Slovenska na olympiáde, ale preto, že chcú zachrániť Zem. Už pomaly každý týždeň počúvame o ďalšej katastrofe spôsobenej „zdiveným“ počasím, za ktorú vraj môže ľuďmi zavinená globálna klimatická zmena. Nestrašia nás tí vedci tak trochu?

Je to s našou planétou naozaj tak zlé? Máme naozaj len tak málo času? Pomôžem si citátom z Pána prsteňov, pretože ako sa hovorí, na každú situáciu sa dá použiť citát z Pána prsteňov. Možno sa to nehovorí, ale odteraz sa začne! Jeho knižným pôvodcom je budúci kráľ Aragorn, ktorý sa vydeseného hobbita Froda spýtal, či sa Saurona nebojí. Frodo odpovedal, že áno, na čo Aragorn kontroval: Nie dosť! A dá sa to aplikovať aj na túto situáciu – vedci síce strašia, ale nie dosť.

Oprávnený strach

Prečo nie dosť? Pretože vedci si síce uvedomujú závažnosť situácie, ale akoby to nedokázali pretlmočiť verejnosti, bežným ľuďom, ktorí ani netušia, prečo je CO₂ skleníkovým plynom, keď v skleníkoch je úplne rovnaký, možno len trochu vlhší vzduch ako všade inde. Je za tým aj ľudská pohodlnosť. Ľudia si radšej nepriznajú, že je zle, len aby to nenarušilo ich pohodlie. Pochopili to však už stredoškoláci na čele s Gretou, mali by sme to teda chápať všetci.

Za už pomerne dlhé roky mojej pedagogickej praxe som si uvedomil, že jedným z dôvodov nepochopenia komplikovanejšej veci je nechápanie tých základných, z ktorých tá komplikovaná vyplýva. Už som to nahryzol, ak niekto nechápe, prečo je napríklad CO₂, ale aj ďalšie látky ako vodná para alebo metán, skleníkovým plynom, nemôže rozumieť takým nuansám, ako je to, že len malé zvýšenie obsahu CO₂ v atmosfére môže dosť výrazne zvýšiť jej teplotu. Nebavíme sa o nejakých desiatkach alebo stovkách stupňov, ktoré by ľudí ohúrili, pretože žijeme vo svete, v ktorom je už aj jeden stupeň citeľne veľa. Veď už len rozdiel medzi teplotou 36,5 a 37,5 °C vás dokáže dostať k lekárovi. A rozdiel medzi 0,5 a –0,5 °C znamená stúpenie do mláky s namočením spodku nohavice ako najhorším dôsledkom v porovnaní so šmykom na ľade spojeným so zlomenou nohou.

Takže sme si ujasnili, že v prípade teploty je niekedy aj málo naozaj veľa. A je to tak aj v prípade priemernej teploty Zeme. Dôraz je na slove priemerná. To znamená, že lokálna teplota môže byť oveľa vyššia aj oveľa nižšia. V prípade nižšej je to nepríjemné najmä pre nás, skôr teplomilných, v prípade vyššej je to problém celej planéty. Aj pol stupňa totiž môže rozhodnúť o roztápaní ľadovcov. A vieme, že sa tak deje, správy aj internet sú plné srdcervúcich obrázkov roztápajúcich sa ľadovcov, strácajúcich sa kolónií tučniakov a ľadových medveďov na osamotených kryhách ľadu.

Ale v skutočnosti je to oveľa horšie. Na to, aby sme pochopili prečo, musíme pochopiť, čo je teplo a čo je teplota.

Čo je teplo a teplota?

Teplo a teplota patria k tým pojmom, ktoré bežne používame, ale v skutočnosti sú oveľa abstraktnejšie, ako si myslíme. Podľa definície je teplo vnútorná energia, ktorú teleso príjme, alebo ju odovzdá pri tepelnej výmene inému telesu. Veď aj hovoríme, že pri peci je nám teplo, takže oheň nám teplo odovzdáva. Čo je však v skutočnosti to, čo nám pec odovzdáva? A prečo nám teplo odovzdáva pec a nie naopak? Na odpoveď na prvú otázku si ešte počkáme, na druhú je odpoveďou, že pec má vyššiu teplotu. A čo je teda teplota?

Teplota je podľa definície stavová veličina opisujúca strednú kinetickú energiu častíc. Čo to znamená? To vieme vďaka Viedenčanovi Ludwigovi Boltzmannovi. Ten si na vysvetlenie tepelných javov dobre známych z parných turbín pomohol pradávnou predstavou o atómoch. Atómy sa podľa neho mali hýbať rôznymi smermi a rýchlosťami. Vyššia rýchlosť pohybu atómov sa však neprejavovala ako rýchlejší pohyb predmetu, keďže atómy sú príliš malé, rovnako malé sú aj dráhy ich samostatných pohybov a navyše ich pohyb je chaotický, takže keď spočítame všetky pohyby atómov dokopy, dostaneme v prípade nepohybujúceho sa predmetu nulu. Tento pohyb atómov však predsa len nejaký prejav má. Je ním to, čo nazývame teplota – čím rýchlejšie sa častice pohybujú, tým je predmet teplejší. A platí to aj naopak, aj keď tam máme spodné obmedzenie, nič nemôže byť studenšie ako –273,15 °C. A dokonca, podľa toho, čo vieme, nič nemôže mať ani teplotu –273,15 °C, tá je nedosiahnuteľná, ale to je iný príbeh.

Svojou predstavou Boltzmann vysvetlil jednou ranou teplotu, ale aj teplo. Niečo také abstraktné ako vnútorná energia vysvetlil niečím takým bežným, že sa s tým stretávame dennodenne – kinetickou energiou. A presun vnútornej energie telesa je vlastne presunom kinetickej energie jeho častíc. A vďaka tomu dokážeme ľahko pochopiť, prečo studenšie teleso neohreje teplejšie. Niečo pomalšie predsa nemôže zrýchliť niečo rýchlejšie. Dôležité je však uvedomiť si, že rovnako, ako je chaotický pohyb jednotlivých častíc, je chaotické aj teplo. Je to fyzikálne nijako nevyužiteľný typ energie, neprenáša žiadnu informáciu, len ohrieva. Paradoxne však toto pomerne primitívne ohrievanie dokážeme už oddávna veľmi prakticky využiť.

Takže ak už rozumieme teplote a teplu, mohli by sme pochopiť aj to, prečo je CO₂ skleníkový plyn.

Neviditeľné a predsa horúce

Poďme na to opäť od začiatku. Nemusíme ísť až k Veľkému tresku, stačí len na koniec 18. storočia. Presnejšie na jeho úplný koniec, pretože práve v roku 1800 vynikajúci anglický astronóm William Herschel, objaviteľ Jurajovej hviezdy, ktorú dnes poznáme ako planétu Urán, spravil nečakaný objav. Ako hrdý nasledovník veľkého Isaaca Newtona robil pokusy so slnečným svetlom a optickým hranolom. Vďaka Newtonovi sme vedeli, že biele slnečné svetlo je zložené z rôznych farebných, ktoré nazývame spektrum. Herschel prišiel pri pokusoch s farebnými filtrami na to, že červené svetlo produkuje veľa tepla. Preto sa rozhodol otestovať teplotu svetla všetkých farieb v spektre teplomerom. Na tienidlo vedľa spektra položil ďalší teplomer, ktorý mal merať teplotu miestnosti a teda slúžiť na porovnanie. S veľkým prekvapením však zistil, že tam, kde nedopadalo žiadne viditeľné svetlo, nameral najvyššiu teplotu. Logicky teda odvodil, že tam dopadá nejaké neviditeľné žiarenie zo Slnka, ktoré keďže je akoby „pod červeným svetlom“, nazývame infračervené žiarenie. Herschel teda okrem iného dokázal, že vo svete je toho oveľa viac, ako vidia naše oči.

Teraz by bolo vhodné vysvetliť, prečo je práve infračervené žiarenie také horúce. Je to paradoxné, pretože slávna Planckova rovnica nám hovorí, že napríklad viditeľné, či ultrafialové svetlo má vyššiu energiu ako infračervené. Vysvetlenie sa skrýva priamo v definícii tepla a teploty. Teplo je len jednou z foriem energie, takže niečo, čo má vysokú energiu, nemusí byť ešte horúce. Napríklad keď ste v balóne vysoko v oblakoch, máte ohromnú potenciálnu energiu v gravitačnom poli, dostatočnú na to, aby z vás pád spravil placku, ale nie ste o nič teplejší ako dolu na pevnej zemi. Práve naopak, ak sa dobre neoblečiete, budete drkotať zubami. Teplo, ako už vieme, súvisí s veľmi špecifickou formou energie ­– kinetickou energiou častíc hmoty. A keďže teplota je daná práve ich pohybom, dopadajúce žiarenie musí mať dostatočnú energiu na to, aby rozhýbalo častice, ale nie príliš veľkú, pretože vtedy sa nám častice rovno rozutekajú, hovoríme tomu ionizujú sa. Keď nám teda dopadne na kožu ultrafialové žiarenie, môže spôsobiť to, že atómy v našich bunkách stratia elektróny, čo môže viesť k nepríjemným dôsledkom ako je rakovina kože, ale jeho energia je priveľká na to, aby ju tie častice vedeli zmeniť na kľudné kmitanie vnímané ako teplo. Preto svetlo, ktoré sa najviac približuje ultrafialovému, teda modré, voláme studené, hoci má vyššiu energiu ako „teplé“ červené. A práve takú energiu, ktorá je ideálna pre povzbudenie kmitania atómov na mieste, má infračervené žiarenie.

Vďaka infračervenému žiareniu je naša Zem dostatočne teplá planéta pre život. Infračervené žiarenie vysvetľuje, ako Slnko dokáže zahrievať Zem, aj keď sa jej priamo nedotýka. Vyžaruje ho všetko, čo má teplotu aspoň 10 Kelvinov, teda 10 °C nad teplotou absolútnej nuly. Takže aj my ľudia sme vcelku jasne žiariace infračervené lampy. Infračervené žiarenie sa rovnako ako viditeľné svetlo dokáže prenášať aj vákuom a jeho vyžarovanie je v podstate nezastaviteľné. Preto hoci Zem prijme každý deň obrovské množstvo tepla zo Slnka, úplne rovnaké množstvo tepla každú noc vyžiari do mrazu vesmíru.

A tu sa dostávame k podstate veci. Príroda si krásne ošetrila to, aby sa Zem aj s nami neuvarila. Teda presnejšie nás neuvarila, pre planétu sme ešte menej, ako pre nás mikroskopické roztoče na našej koži. Teplotná rovnováha sa zachováva prijímaním a vyžarovaním tepla v podobe infračerveného žiarenia. Teda zachovávala by sa, keby…

Skleníková atmosféra

Teplotná rovnováha sa zachováva ako peniaze na účte. Bežný človek dostane výplatu, ktorú za mesiac minie a je zas na nule. Na lokálnej nule. Tá však nemusí byť nulou totálnou, pretože môžete napríklad dostať bezvýznamný dar milión dolárov od otca. V takom prípade je milión vašou lokálnou nulou a váš účet osciluje hore a dolu okolo nej. Ale môžete si založiť aj sporenie, míňať len zvyšok výplaty a vtedy sa vaša lokálna nula síce zachováva, ale váš celkový majetok rastie. Ale môžete aj zle investovať a váš majetok bude klesať.

Takto je to aj s teplotou planéty. Výplata nechodí mesačne, ale každý deň. A míňanie sa deje v noci. A sporenie vykonávajú hlavne rastliny, ktoré dokážu časť svetla premeniť na chemickú energiu prostredníctvom chlorofylu. Podstatné však je to, že tá chemická energia uskladnená vo väzbách sa môže meniť okrem iných aj na tepelnú. Nazýva sa to metabolizmus a robí to každý živý tvor na Zemi. Ešte stále by to nebolo také zlé, pretože, ako sme si už povedali, aj živé tvory vyžarujú infračerveno, takže nakoniec všetko vrátime vesmíru.

Je to tak ale naozaj? Najväčším problémom je, že nie. Časť toho tepla zo Slnka totiž ostane doslova pochovaná na Zemi, teda presnejšie pod zemou v podobe fosílnych palív. A je tam už dávne roky. Fosílne palivá obsahujú zo všetkého najviac uhlík – životodarný prvok. Problémom je, že uhlík rád vytvára molekuly a jednou z tých najobľúbenejších je oxid uhličitý. Pokiaľ je uhlík pod zemou, je tam buď v molekulách najmä s vodíkom (ropa) alebo pomerne čistý (uhlie). Ak ho vyťažíme a spálime, vytvorí molekuly CO₂.

Skleníkový plyn

Aký je teda vzťah medzi oxidom uhličitým a teplom? Prečo je tento plyn skleníkový? V našom príbehu, tak ako v Pánovi prsteňov, sa všetko nakoniec spojí. Povedali sme si, ako súvisí teplo s infračerveným žiarením. Už si teda len musíme povedať, ako súvisí s infračerveným žiarením a teda aj teplom CO₂.

Oxid uhličitý, podobne ako voda a metán je molekulou, ktorá má vysokú absorpciu infračerveného žiarenia. Jednoducho povedané – pohltí ho. Čo sa stane, keď ho pohltí? Aj to už vieme – zmení ho na pohyb molekúl, v tomto prípade najmä na vibračné pohyby. A ako sme si povedali, rýchlejší pohyb častíc sa rovná vyššej teplote. Na tomto princípe je založená mikrovlnná rúra, ktorá rozkmitáva molekuly vody. Energiu navyše molekula CO₂ skôr či neskôr stratí, ale už aj to zdržanie je dostatočne závažné. Nedokážu to v infračervenej časti spektra všetky plyny, zďaleka nie tak dobre kyslík a dusík, preto je ich skleníkový efekt zanedbateľný.

Takže čím viac CO₂ v atmosfére, tým viac tepla v nej ostáva. Presne ako v skleníku. Ak to planéta preženie, skončí ako Venuša, ktorá zachytáva obrovské percento tepla zo Slnka, také veľké, že teplota povrchu Venuše stačí na roztavenie olova. My k tomu máme ešte ďaleko, na tavenie olova potrebujeme pece, ale na veľké problémy, ako som spomenul na začiatku, stačí aj pol stupňa. A my neustále dodávame do atmosféry CO₂, z uhlíka, ktorý si „na sporiaci účet“ Zem odložila pred miliónmi rokov, takže za ten čas sa vytvorila úplne iná rovnováha CO₂ a teda aj tepla atmosfére. A práve toto je najzákladnejší argument o ľuďmi spôsobenej klimatickej zmene. Nič iné sa nemení tak rýchlo, ani tak vo veľkom, aby to spôsobovalo taký rýchly vzrast priemernej teploty Zeme, ako je práve naša produkcia CO₂. A aj keď môžeme relativizovať percentá nášho podielu na otepľovaní atmosféry, fyzika nepustí, viac CO₂ v atmosfére = viac zadržaného tepla. Až také jednoduché to je.

A ešte je tu jeden problém, ktorý priviedol vedeckú komunitu k premenovaniu globálneho otepľovania na klimatickú zmenu. A ten by vám už mohol napadnúť. Ale ak nie, tak tu je – ak je v atmosfére viac tepla, to znamená viac vnútornej energie, tak je v nej aj viac kinetickej energie. A tu platí rovnaký vzťah ako s látkou a časticami. Ak má atmosféra viac tepla, všetky procesy v nej majú viac energie k dispozícii, pretože aj tie procesy tvoria atmosféru. Preto máme silnejšie búrky, väčšie horúčavy, záplavy, ale rovnako máme aj náhlejšie ochladenia a krutejšie zimy. A zmeny teploty o 10 a viac stupňov v priebehu týždňa. Takže okrem toho, že sa atmosféra ohrieva, tak sa aj stále rýchlejšie mení.

Ak vás toto dosť nevydesilo, skúsim to znovu. A ak bude treba, tak znovu. A so mnou veľa ďalších, ktorým záleží na živote. Lebo stále sa nebojíme dosť na to, aby sme veci a najmä seba a náš vzťah k rodnej planéte začali meniť naozaj všetci.