Proč se za loděmi a továrnami mění jas oblaků?

Jak si vysvětlujeme stopy v oblacích

Lodní stopa je protáhlá změna nízké oblačnosti za plující lodí. Na družicovém snímku často vypadá jako světlejší pruh. Letadla v takových pruzích nacházejí více menších kapek než v okolním oblaku. Podobné změny se objevují také po větru od průmyslových zdrojů. Snímky, měření a jejich zpracování ukazuje pozorování stop lodí a průmyslu v oblacích. (Durkee a kol. 2000) (Toll a kol. 2019)

Proč se oblak změní právě za zdrojem emisí? Loď současně vypouští teplo, vodní páru, plyny a drobné částice. K rozlišení jejich úloh nestačí fotografie jasného pruhu. Začneme proto lodními pokusy, ve kterých lze jednotlivé možnosti porovnat. Potom vysvětlíme, jak změna kapek ovlivní odraz světla a co z tohoto místního děje plyne pro působení aerosolů na klima.

Dvě hypotézy a jejich předpovědi

Diagram ukazuje, čím se od sebe hypotézy liší a jak dopadly jejich testy. Porovnává to, co bychom podle každého vysvětlení měli pozorovat, s tím, co vědci skutečně zjistili. Kliknutím na název hypotézy přejdete k příběhu jejího zkoumání.

Aerosol jsou drobné pevné částice nebo kapalné kapky rozptýlené ve vzduchu. Část z nich může sloužit jako zárodek oblačné kapky. Porovnáváme hlavní příčinu lodní stopy, nikoli existenci tepla nebo vodní páry v emisích.

Jak se hledala příčina jasnějších oblaků

Hypotéza 1 Stopu vytváří především teplo a vodní pára z lodi

Sbalit ↑Rozbalit ↓

Už snímky z meteorologických družic v šedesátých letech ukazovaly neobvyklé oblačné čáry. Jejich jas i tvar potřebovaly vysvětlení. Teplý vzduch ze spalování může stoupat a při výstupu se ochlazovat. Dosáhne-li nasycení vodní párou, vznikají kapky. Spalování navíc dodává další vodu. Kolem roku 1990 proto William Porch a další badatelé zkoumali úlohu tepla a pohybu vzduchu za lodí vedle vysvětlení pomocí částic. Tyto možnosti se zkoumaly souběžně. (Durkee a kol. 2000, úvod)

Tepelné vysvětlení má konkrétní požadavek: dodaná energie musí vyvolat dostatečný výstup vzduchu. Vlhkostní vysvětlení zase potřebuje dost vody navíc. Právě to lze změřit a spočítat. Schéma nejprve ukazuje navržený děj a potom dvě zkoušky jeho významu.

První test: co z tepla a páry zbude po smísení se vzduchem?

V červnu 1994 proběhla u Kalifornie kampaň MAST. Výzkumná letadla protínala spalinové vlečky a měřila také vzduch mimo ně. Peter Hobbs a spoluautoři odhadli odpadní tepelný výkon sledovaných lodí na přibližně 2–22 megawattů. Velké číslo však ještě neznamená velké oteplení rozsáhlého oblaku. Rozhoduje, do jakého množství okolního vzduchu se emise rozptýlí. (Hobbs a kol. 2000)

Měřitelné oteplení výzkumníci zaznamenali jen při čtyřech průletech, všechny proběhly do 150 m od lodi. Dále po větru už u těchto případů tepelný rozdíl nerozlišili. Zvýšení množství vodní páry nad běžné kolísání nezachytili vůbec. Teplo a voda se při mísení rozdělily do tak velkého množství okolního vzduchu, že jejich přírůstek přístroje nedokázaly oddělit od běžných změn. Samotné měření proto doplnila zkouška, která umožnila vliv tepla od ostatních emisí oddělit. (Hobbs a kol. 2000, s. 2586–2587)

Druhý test: vznikne podobná stopa i bez odpadního tepla?

Další zkouška využila model rozptylu emisí a vzniku kapek nastavený podle pozorovaného případu. Výzkumníci zadali stejný aerosol, podobu oblačné vrstvy i promíchávání vzduchu. Jednou přidali odhad téměř nejvyššího možného odpadního tepla dané lodi, podruhé jej vynechali. Od vzdálenosti přibližně 8 km po větru se obě simulace významně nelišily. Model současně porovnávali s měřenými koncentracemi částic a kapek, takže nehodnotili pouze shodu dvou výpočtů. (Durkee a kol. 2000, oddíl 4a5)

Teplo může pomoci vlečce dostat se k oblaku, zvláště když se jednotlivé vzduchové vrstvy špatně promíchávají. Neobstálo však jako hlavní vysvětlení sledované dlouhé stopy. Pro tu je potřeba proces, jehož účinek přetrvá i poté, co se přebytek tepla a vlhkosti zředí. (Hobbs a kol. 2000) (Durkee a kol. 2000)

Sbalit hypotézu a vrátit se k nadpisu ↑

Hypotéza 2 Částice vytvářejí více menších oblačných kapek

Sbalit ↑Rozbalit ↓

Druhé vysvětlení vychází z toho, na čem kapky vznikají. Voda může kondenzovat na drobných částicích, kterým v této úloze říkáme kondenzační jádra. Sean Twomey v roce 1974 rozebral klimatický důsledek: pokud znečištění zvýší počet kapek, mezi které se rozdělí stejné množství kapalné vody, budou jednotlivé kapky menší. Oblak pak může odrazit více slunečního světla. V roce 1977 vztah podrobněji vyjádřil výpočtem. (Twomey 1974) (Twomey 1977)

Tato hypotéza předpovídá rozdíl mezi loděmi podle částic v jejich emisích. Dvě lodě mohou vypouštět podobné množství tepla, ale jen jedna dostatek částic vhodných ke vzniku kapek. Potom má jen za ní vzniknout výrazná změna oblačnosti. Druhou možnost kontroly nabízí změna paliva: jestliže oslabí přísun vhodných částic, měla by zeslábnout i změna kapek. (Hobbs a kol. 2000) (Diamond 2023)

První test: dvě lodě ve stejném vzduchu

Dne 27. června 1994 výzkumníci sledovali nákladní loď Tai He a vojenskou Mount Vernon. Obě pluly ve stejné vzduchové hmotě pod podobným oblakem. Tai He zanechala stopu, Mount Vernon nikoli. Rozdíl tedy nešlo jednoduše vysvětlit tím, že jedna loď potkala vlhké počasí a druhá suché. V emisích Tai He bylo více částic takové velikosti, při které mohly v daných podmínkách účinně vznikat kapky. Měření jejich schopnosti tvořit kapky tento rozdíl podpořilo. (Durkee a kol. 2000, oddíl 4a2)

Kampaň umožnila rozebírat také chemickou povahu emisí. Ukázalo se, že ne každá vypuštěná částice se stane oblačnou kapkou. Záleží na její velikosti a složení i na vlhkosti vzduchu. Proto samotný počet částic ve spalinách nestačil k určení, která loď vytvoří stopu. V různých studiích MAST se spojilo měření emisí s jejich skutečným projevem v oblaku. Tyto práce ovšem využívají jednu společnou kampaň, nejde o několik nezávislých opakování v různých letech. (Hobbs a kol. 2000) (Christensen a kol. 2022)

Druhý test: co se změnilo po omezení síry v palivu?

Od začátku roku 2020 se globální limit hmotnostního podílu síry v lodním palivu snížil z 3,5 % na 0,5 %, případně bylo nutné dosáhnout odpovídajícího omezení emisí čištěním spalin. Tím se změnily podmínky pro vznik aerosolů. Tianle Yuan a kolegové zaznamenali v roce 2020 nejnižší výskyt rozpoznatelných lodních stop ve své družicové řadě 2003–2020. Vysvětlení pouhým útlumem dopravy během pandemie nestačilo: údaje o pohybu lodí ukazovaly globální pokles provozu asi o 1,4 % a málo stop zůstalo i v dostupné části roku 2021. (Yuan a kol. 2022)

Michael Diamond v roce 2023 zkoumal jinou vlastnost téhož děje. V lodním koridoru jihovýchodního Atlantiku porovnal velikost kapek a odrazivost s odhadem, jaké by byly bez lodí. Odhad sestavil z okolních měření se zohledněním počasí. V září až listopadu let 2020–2022 byl rozdíl velikosti kapek slabší než ve všech předchozích tříletých obdobích. Zesvětlení také zesláblo, jeho změna však byla statisticky méně průkazná. Graf a přesné hodnoty ukazují obě veličiny odděleně. (Diamond 2023)

Novější test se tak vrací ke stejné předpovědi jinou cestou. Místo průletu za jednou lodí využívá rozsáhlou změnu emisí a několik let družicových měření. Spolu s leteckými pokusy podporuje částice jako hlavní příčinu změny kapek. Zároveň ukazuje, proč nemůžeme z počtu stop rovnou vyčíst přesnou změnu odražené energie. (Christensen a kol. 2022) (Diamond 2023)

Sbalit hypotézu a vrátit se k nadpisu ↑

Jak částice změní kapky a odraz světla

Samotné teplo a pára nevysvětlily hlavní změnu dlouhých lodních stop. Lépe obstálo vysvětlení pomocí částic: odpovídá rozdílům mezi loděmi i zeslabení změny kapek po omezení emisí. Teď můžeme projít vlastní děj od částice k jasnějšímu oblaku. Jeho základem je vznik většího počtu kapek, další vývoj ovšem závisí na vodě a proudění v oblaku. (Christensen a kol. 2022)

Jak se z částice stane zárodek kapky

Oblačná kapka vzniká kondenzací, tedy přechodem vody z plynného do kapalného stavu. Pomáhá tomu ochlazování stoupajícího vzduchu. Při každé teplotě existuje určitá koncentrace páry, při které se nad rovnou vodní hladinou vypařování a kondenzace vyrovnávají. S ochlazením tato hodnota klesá. Pokud ji skutečné množství páry převýší, mluvíme o přesycení a voda může na vhodných částicích přibývat. (Rose a kol. 2008)

Které částice jsou vhodné? Rozhoduje jejich velikost a složení. Rozpustná sůl vytváří s vodou roztok, nad kterým se rovnováha ustaví už při nižší koncentraci páry než nad čistou vodou. Voda se tak na částici snáze udrží. Proti tomu působí zakřivení povrchu: velmi malá kapka potřebuje k růstu větší přesycení než velká. Jakmile okolní vlhkost překoná společný požadavek obou účinků, může částice vyrůst v oblačnou kapku. Proto se ve stejném vzduchu některé částice uplatní jako kondenzační jádra a jiné zůstanou drobné. (Rose a kol. 2008)

To lze zkoušet přímo v laboratoři. Rose a spoluautoři nechávali částice síranu amonného a chloridu sodného o zvolených průměrech 20–220 nanometrů procházet přístrojem s řízenými vlhkostními podmínkami. Nanometr je miliardtina metru. Sledovali, při jakých podmínkách se z částic stanou kapky, a výsledek porovnávali s teorií. Jejich kalibrační experimenty také ukázaly, jak citlivě záleží na teplotě, tlaku a vlastnostech zkušebních částic. (Rose a kol. 2008)

Lodě a průmyslové zdroje dodávají částice přímo i prostřednictvím plynů, ze kterých částice teprve vznikají. Například spalování paliva se sírou uvolňuje oxid siřičitý. Jeho další chemické přeměny vytvářejí sírany, tedy soli kyseliny sírové, které mohou pomáhat vzniku kapek. Změna paliva tak může změnit nabídku kondenzačních jader. Kolik z nich skutečně vytvoří kapky, závisí také na podmínkách v oblaku. (Hobbs a kol. 2000) (IPCC AR6, kapitola 7)

Proč více menších kapek zesílí rozptyl

Představme si stejný objem kapalné vody rozdělený nejprve do jedné kulové kapky a potom do osmi stejných kapek. Každá z osmi má poloviční poloměr. Při pohledu proti světlu má tedy čtvrtinový průřez, ale kapek je osm. Součet jejich průřezů je dvojnásobný. Tento geometrický příklad ukazuje, proč může rozdělení vody mezi menší kapky zvýšit pravděpodobnost, že světlo na své cestě oblakem narazí na kapku. Nejde o měření ani o tvrzení, že se odrazivost oblaku zdvojnásobí. (Twomey 1977)

Světlo se na kapkách rozptyluje a uvnitř oblaku může opakovaně měnit směr. Větší souhrnný průřez za stejných podmínek zvyšuje podíl záření, který se vrátí vzhůru. Tento základní účinek zvýšeného počtu kapek se označuje jako Twomeyův efekt. Přesný výpočet zahrnuje různé velikosti kapek, směr osvětlení i vícenásobný rozptyl. (Twomey 1977)

Co udělá další vývoj oblaku

Skutečný oblak si stejné množství vody nemusí zachovat. Menší kapky se hůře spojují do velkých padajících kapek, takže může méně mrholit a v oblaku zbude více vody. Do oblaku se ale také přimíchává okolní vzduch. Je-li suchý, podporuje vypařování a vody může naopak ubývat. Proto samotné zmenšení kapek nepředpovídá celý pozdější vývoj jasu. (Toll a kol. 2019)

Velle Toll a kolegové v roce 2019 rozšířili porovnávání na přibližně 2 400 stop od průmyslových zdrojů a požárů z patnácti let družicových údajů. Spolu s lodními a sopečnými stopami sledovali i rozmanitější oblaka nad pevninou. Nacházeli přírůstky i úbytky kapalné vody. Jejich částečné vyrovnávání nepodporovalo jednoduchou představu, že znečištění vždy výrazně prodlouží život oblaku a zvýší jeho vodní zásobu. Základní změna kapek přitom zůstala doložená. (Toll a kol. 2019)

Jak se místní děj promítne do klimatu

Odraz světla na změněných oblacích je jednou z cest, kterými aerosoly působí na energetickou bilanci. Částice rozptylují a pohlcují záření také přímo, ještě před vznikem kapek. Síranové částice převážně rozptylují sluneční světlo, zatímco černý uhlík v sazích je silně pohlcuje a ohřívá vzduch, ve kterém se nachází. Chemické složení proto rozhoduje i o tomto přímém účinku. (IPCC AR6, kapitola 7, oddíl 7.3.3)

Celkový účinek aerosolů z lidské činnosti hodnotí IPCC pro rok 2019 vůči roku 1750 jako ochlazující: −1,1 W/m² s velmi pravděpodobným rozmezím −1,7 až −0,4 W/m². Jde o změnu energetické bilance v průměru na metr čtvereční celé Země, včetně rychlých přizpůsobení atmosféry a oblaků. Číslo pochází ze syntézy různých důkazů, nikoli z přepočtu jedné lodní stopy. Tento účinek částečně tlumí oteplující působení skleníkových plynů, které vysvětluje článek o přibývání energie v klimatickém systému. (IPCC AR6, kapitola 7)

Vznik kapek na částicích a jejich vliv na rozptyl světla jsou dobře ověřené. Větší nejistota zůstává v tom, jak se změní voda, rozsah a trvání skutečných oblaků, a tedy i výsledný globální účinek. (Christensen a kol. 2022)

Shrnutí fungování mechanismu

Prameny, data a grafiky