Klimatický vliv vodní páry

Komentář

Od roku 1980 je jednání západního světa stále více ovládáno strachem z blížící se klimatické katastrofy, která je údajně způsobena globálním oteplováním vyvolaným člověkem. Příčinou tohoto nárůstu teploty byla identifikována koncentrace tzv. skleníkových plynů. Mezi ně patří vodní pára, metan a další plyny. Zejména oxid uhličitý (CO₂) byl a je považován za zvlášť kritický a měl by významně přispívat k ohřívání zemské atmosféry. Rozsah tohoto vlivu je dodnes mezi vědci předmětem diskuse.

Skleníkový efekt a jeho vysvětlení

Hlavním zdrojem energie pro Zemi je Slunce. To osvětluje Zemi průměrnou intenzitou 1 368 W na čtvereční metr (W/m²). Tento radiační výkon však není Zemi k dispozici v plném rozsahu.

Na jedné straně je tok snížen o část, která je Zemí odražena zpět do vesmíru, aniž by měla vliv na její energetickou bilanci. Tato odrazivost, známá jako albedo, činí v současnosti přibližně 30 procent. To znamená, že k dispozici je ještě přibližně 960 W/m², které – z pohledu Slunce – dopadají na kruhový povrch Země.

Při zohlednění zakřivení Země to vede k radiačnímu toku na kulový povrch Země přibližně 240 W/m². Z toho se vypočítá radiační teplota 255 Kelvinů (K). Kelvin je teplotní jednotka běžně používaná ve fyzice. Převedeno na stupně Celsia to odpovídá přibližně –18 °C.

Globální průměrná teplota je však přibližně 288 K, což je +15 °C. Tento rozdíl 33 K (respektive 33 °C) dal podnět k definici tzv. „skleníkového modelu“. V něm se předpokládá protizáření (zpětné záření) skleníkových plynů, které přispívá k potřebnému dodatečnému oteplení povrchu Země. Skleníkové plyny jsou přirovnávány ke skleněné střeše skleníku, která brzdí únik tepla.

Příčina a následek

Pokud se podíváme na vzestup globální průměrné teploty a atmosférickou koncentraci CO₂, je přirozené hledat mezi nimi souvislost. Měření jak z nedávné minulosti od doby industrializace, tak i teplotní rekonstrukce sahající mnohem dál do historie tuto souvislost podporují.

Není však zcela jasné a z takovýchto údajů v zásadě nelze vyčíst, zda je CO₂ příčinou vzestupu teploty, nebo zda a v jaké míře se na tom podílejí jiné faktory. V tomto případě by totiž mohla být rostoucí koncentrace CO₂ sama o sobě důsledkem oteplování.

Dnes je většina světové populace přesvědčena, že CO₂ je hlavní příčinou vzestupu teploty. Představa skleníkového efektu poskytuje zdánlivě vědecký základ pro tuto domněnku – a pro cestu k dekarbonizaci, včetně výroby energie bez CO₂. Tento pohled však zcela ignoruje vliv termodynamiky atmosféry a zemské přitažlivosti.

Pohled na termodynamiku atmosféry

Díky zemské přitažlivosti klesá hustota vzduchu i tlak vzduchu s rostoucí výškou exponenciálně. Ve výšce přibližně 5 500 metrů klesne tlak vzduchu na polovinu hodnoty na úrovni moře. Na kulové ploše v této výšce se proto nacházejí hmotnostní středy atmosféry neboli „těžiště atmosféry“. Tento údaj je důležitý pro následující výpočty. Celková hmotnost vzduchového obalu činí přibližně 5 140 bilionů tun.

Na mořské hladině se vzduch skládá převážně z dusíku (přibližně 78 procent), kyslíku (přibližně 20,9 procent), argonu (přibližně 0,9 procent), CO₂ (přibližně 0,04 procent) a vodní páry. Obsah vodní páry je aktuálně 0,4 procenta, což je přibližně desetinásobek koncentrace CO₂.

Protože jak vodní pára, tak i oxid uhličitý absorbují tepelné záření (infračervené záření), je nepochopitelné, že vodní pára je v klimatických úvahách považována za málo významnou.

Obsah vodní páry určuje globální teplotu

Absolutní množství vodní páry v atmosféře dnes činí přibližně 13 bilionů tun. Podle Clausiusova a Clapeyronova zákona může atmosféra na každý stupeň Kelvinovy teploty absorbovat o 7 procent více vodní páry.

Při zvýšení globální průměrné teploty o 1,5 K, jak k tomu došlo od roku 1850, je třeba v předindustriální době počítat s množstvím vodní páry přibližně 12 bilionů tun. K tomu je třeba připočítat přibližně 0,2 bilionu tun kondenzované vody nebo zmrzlého ledu.

Kondenzovaná vodní pára slouží jako rezervoár pro celosvětový roční úhrn srážek a je neustále doplňována odpařováním na zemském povrchu a v oceánech. To vede k přibližně 1 metru srážek na čtvereční metr a rok. Množství vodní páry se tak přibližně 40krát za rok úplně obrátí (cykluje).

Díky teplu uvolněnému při kondenzaci vodní páry a při tání ledu získává atmosféra neustálý přísun energie. Samotný tento efekt vede k globální průměrné teplotě před industrializací. Proto není k vysvětlení „skleníkového efektu“ zapotřebí žádné protizáření (zpětné záření).

Spotřeba energie, emise a oteplování

Vodní pára vzniká jednak při odpařování v přírodě, a také z technických procesů, včetně přímé chemické reakce při spalování oleje, plynu nebo biomasy, stejně jako z chlazení v elektrárnách a průmyslu. Tím jsou dodatečné emise vodní páry přímo spojeny se spotřebou primární energie lidstvem.

V roce 1950 spotřebovalo lidstvo přibližně 30 000 terawatthodin (TWh) primární energie. Zatímco ve druhé části 19. století probíhal růst spotřeby energie mírně – z 300 TWh ročně na téměř 1 900 TWh ročně, spotřeba primární energie v roce 1950 byla už na 30 000 TWh. Pro rok 2024 se odhadovala na přibližně 170 000 TWh, přičemž uhlí, ropa a zemní plyn tvoří přibližně 85 procent všech energetických surovin.

Průměrně vznikají přibližně 2 kilogramy vodní páry na 1 kilowatthodinu (kWh) spotřebované primární energie. Protože solární, větrná a vodní energie nevyžadují spalování, nejsou pro následující úvahu relevantní. Tím se množství energie pro rok 2024 snižuje na přibližně 150 000 TWh. Z toho vychází množství vodní páry emitované do atmosféry ve výši 0,30 bilionu tun.

Toto, při zohlednění 40násobného oběhu, vede ke zvýšení množství vodní páry neustále přítomné v atmosféře o 7,5 miliardy tun. Více vodní páry znamená více kondenzace a více kondenzace tepla. Zároveň neustálý oběh zajišťuje, že emise z předchozího roku již nehraje žádnou roli.

Měření NASA za poslední desetiletí navíc prokázala, že podíl odraženého slunečního záření od roku 1850 poklesl přibližně o 2 procenta. To znamená, že na Zemi dopadá stále více sluneční energie. To také způsobuje zvýšení teploty Země.

Oteplení vesměs bez CO₂

Samotná energetická bilance atmosférického vodního cyklu spolu se snížením odražené části slunečního záření tak vede k onomu oteplení oproti předindustriální době. Podle výše vysvětlených fyzikálních souvislostí činí toto oteplení 1,4 °C z celkových 1,5 °C. Oxid uhličitý v tomto tedy nehraje téměř žádnou roli.

Nárůst teploty v posledních letech lze tedy téměř úplně vysvětlit pomocí termodynamiky a změněného slunečního záření. Globální oteplování je proto částečně nutné považovat za přímý důsledek zvýšené spotřeby energie. Neboť zajišťování energie spalováním a vodním chlazením odpadního tepla zvyšuje množství vodní páry v atmosféře.

Ačkoli v posledních desetiletích byly dosaženy významné pokroky v recyklaci tepla, energetická výroba se stala efektivnější a je produkováno stále méně vodní páry, tento vztah lze potvrdit i na základě starších údajů. Pro roky 1950, 1980 a 2000 vycházejí při analogickém výpočtu – bez zohlednění albeda – průměrné teploty na 15,3 °C, 15,7 °C a 15,8 °C.

Více CO₂ podporuje výživu světové populace

Nárůst koncentrace CO₂ v atmosféře však není bez významu. Ukazuje, že pevninské plochy a oceány Země mohou absorbovat CO₂ pouze omezeným tempem. Nárůst CO₂ lze nejlépe použít jako ukazatel spotřeby primární energie z fosilních surovin.

Většina rostlin dosahuje svého optimálního růstu až při koncentraci CO₂ vyšší než 600 ppm. Je tedy otázkou, zda je existence lidstva ohrožena rostoucí koncentrací CO₂, která aktuálně činí 428 ppm a více. Z hlediska výživy světové populace by byla vyšší koncentrace CO₂ žádoucí.

I pobyt ve skleníku s ještě vyšší koncentrací CO₂, obvykle 1 000 ppm, člověku neškodí. Takzvaná hodnota MAK, tedy maximální povolená koncentrace, která je považována za bezpečnou na pracovišti, činí 5 000 ppm, což je více než desetkrát vyšší než současná atmosférická koncentrace.

Závěr: Omezení oteplování znamená omezení emisí vodní páry

Model skleníkových plynů je jednoduchý a každý má pocit, že mu rozumí. Z hypotézy, že koncentrace CO₂ v atmosféře je hlavním faktorem pro vzestup teploty, se odvozuje neexistující příčinná souvislost. Z fyzikálního hlediska je tento model přinejmenším neúplný, protože opomíjí termodynamické procesy v atmosféře a změny, které se odehrávají mimo Zemi.

Požadavek na dekarbonizaci energetické výroby, který je odvozen z modelu skleníkových plynů, zaměřuje pozornost na hledání metod výroby energie, které již nejsou spojeny s emisemi CO₂, ale zanedbává přitom zásadní faktor zvyšování teploty: vodní páru. Zároveň je nárůst koncentrace CO₂ v atmosféře v rozsahu několika set ppm zdravotně nezávadný.

Současné modely tedy vedou k neúplným vysvětlením a závěry, které z nich vyplývají, vedou k nesprávným politickým, ekonomickým, technickým a sociálním vývojům. Následkem je ničení hodnot v nepředstavitelné výši.

A co zůstává, je možná hrozba, která spočívá ve zvýšení globální průměrné teploty samotné. V tomto se odborné názory také výrazně liší.

Pokud je považována za nebezpečnou, vyplývá z výše uvedených úvah nutnost výrazného snížení dodatečných emisí vodní páry vznikajících při výrobě energie. Přechod na jiné zdroje energie k tomu není dostačující.

Možnosti existují jak v oblasti jaderné energie, kde nedochází ke spalování, které by uvolňovalo vodní páru, tak prostřednictvím inteligentních systémů kombinované výroby tepla a elektřiny pro co nejefektivnější využívání odpadního tepla. Díky tomu jsou dnes již možné účinnosti přes 85 procent, což umožňuje další provoz konvenčních energetických výrobních systémů. Fotovoltaické a větrné elektrárny také nevyžadují spalování, ale kvůli své závislosti na povětrnostních podmínkách a absenci možností ukládání energie jsou pro spolehlivou dodávku energie v průmyslové společnosti nevhodné.

–etg–