Proč další CO₂ mění tepelné záření Země?

Podle této hypotézy už atmosféra obsahuje tolik CO₂, že ze záření, které tento plyn dokáže pohltit, zbývá jen malý nepohlcený podíl. Přidání plynu by proto mělo měnit přenos energie jen nepatrně. Takové uvažování vychází ze skutečné vlastnosti pohlcování: z téměř úplně zeslabeného svazku může další vrstva odebrat už jen malý zbytek. Tomuto stavu říkáme nasycení absorpce. (Harvey, oddíl 10.2)

Na konci 19. století šlo o podstatnou námitku proti představě, že změny CO₂ mohou výrazně měnit klima. Svante Arrhenius v roce 1896 vypočítal oteplení při přidání CO₂. Knut Ångström v práci z roku 1900 zpochybnil velikost účinku změn jeho množství. Soustředil se na to, kolik záření plyn skutečně pohltí a jak citlivé je toto pohlcování na množství plynu. (Arrhenius 1896) (Ångström 1900, s. 723–725)

Záření můžeme rozdělit podle vlnové délky, podobně jako viditelné světlo rozdělujeme na barvy. Takovému rozdělení říkáme spektrum. CO₂ pohlcuje některé jeho části mnohem silněji než jiné. Rozsah vlnových délek s výrazným pohlcováním nazýváme absorpční pásmo. Pro posouzení nasycení potřebujeme vědět, co se děje v celém pásmu, včetně jeho slaběji pohlcujících částí. (Pierrehumbert 2011, obr. 2–3)

Horní křivka v obrázku zachycuje nasycení na jedné zvolené vlnové délce. Čím více záření už plyn pohltil, tím méně ho zbývá pro další přírůstek plynu. Pod křivkou sledujeme dvě zkoušky: nejprve změnu pohlcování v trubici, potom změnu záření přicházejícího ze skutečné atmosféry.

První test: méně CO₂ v trubici

Při téměř úplném nasycení by ani výrazné ubrání plynu nemuselo pohlcený podíl příliš změnit. Právě to zkoumal pokus J. Kocha, který Ångström popsal ve své práci. Tepelné záření zdroje o teplotě 100 °C procházelo 30 centimetry CO₂. Porovnáním dopadajícího a prošlého záření se určovalo, jakou část plyn pohltil. (Ångström 1900, s. 724)

Zpočátku byl tlak plynu 780 milimetrů rtuťového sloupce, zapisovaných jako mmHg. To je přibližně atmosférický tlak. Plyn při něm pohltil asi 10 % dopadajícího záření. Potom tlak klesl na dvě třetiny, tedy na 520 mmHg. Při stejném objemu a teplotě tak bylo v dráze záření o třetinu méně molekul CO₂. (Ångström 1900, s. 724)

Pohlcený podíl se změnil nejvýše o 0,4 procentního bodu. Jinými slovy, změna se týkala nanejvýš 0,4 % veškerého dopadajícího záření. Výrazné ubrání plynu tedy ovlivnilo pohlcování jen málo. Výsledek podporoval nasycení v podmínkách pokusu. Ångström z něj odvodil širší závěr, že změny atmosférického CO₂ mají na celkové pohlcování zemského záření jen malý vliv. (Ångström 1900, s. 724–725)

Tím se otázka přesunula z trubice do atmosféry. Tam záření prochází vrstvami s různou teplotou, tlakem a vlhkostí. Vrstvy zároveň samy vyzařují. Celkový výdej energie proto závisí také na tom, ze kterých vrstev záření pochází a kolik ho cestou pohltí další plyn. Tuto část děje samotný údaj o zeslabení svazku v trubici nepopisuje. (Pierrehumbert 2011, obr. 1)

Podobný problém měl argument o vodní páře. Ta skutečně pohlcuje část stejných vlnových délek jako CO₂. Její podíl však směrem vzhůru výrazně ubývá, zatímco CO₂ zůstává promíchaný mnohem rovnoměrněji. Gilbert Plass v roce 1956 ukázal, proč překryv pohlcování u povrchu nestačí k posouzení přenosu celou atmosférou. K jeho výpočtu se vrátíme v příběhu druhé hypotézy. (Plass 1956, s. 141–142)

Druhý test: záření skutečné atmosféry

Představu téměř vyčerpaného účinku lze dnes zkoušet přímo v atmosféře. Při růstu CO₂ by po zohlednění teploty a vlhkosti měl zbývat jen zanedbatelný přírůstek záření v jeho pásmu. Pozemní přístroj měří tepelné záření přicházející z atmosféry a rozděluje je podle vlnové délky. Sledujeme tak velikost změny i její rozložení ve spektru, podle kterého lze rozpoznat příspěvek CO₂. (Feldman a kol. 2015, obr. 1–2)

Feldmanův tým využil měření za jasné oblohy v Oklahomě a na severu Aljašky. Pro každé porovnání vypočítal, jaké záření by k přístroji přicházelo, kdyby CO₂ zůstal na stálé koncentraci. Teplota a vlhkost v jednotlivých vrstvách přitom odpovídaly pozorování. Výpočet tak zachytil jejich proměny a umožnil hledat účinek přibývajícího CO₂ v rozdílu mezi naměřeným a vypočteným zářením. (Feldman a kol. 2015, obr. 2)

Koncentraci CO₂ vyjadřujeme v ppm, tedy počtem jeho molekul na milion molekul suchého vzduchu. V letech 2000–2010 vzrostla o 22 ppm. Příspěvek CO₂ k záření na povrch rostl tempem 0,20 ± 0,06 W/m² za deset let v Oklahomě a 0,20 ± 0,07 W/m² za deset let na Aljašce. Znaménkem ± jsou zde uvedeny publikované nejistoty trendu. (Feldman a kol. 2015, obr. 4 a metody)

Rozdíl proti výpočtu se stálým CO₂ na obou místech rostl právě v jeho absorpčním pásmu. Atmosféra tedy poskytla výsledek, který představa téměř vyčerpaného účinku dalšího CO₂ nevysvětlovala. Přehled měření a jeho zpracování obsahuje pozorování změny infračerveného záření. V následujícím příběhu ukážeme také druhou polovinu testu: zda výpočet s rostoucím CO₂ tento rozdíl správně vysvětlí. (Feldman a kol. 2015)

Co z hypotézy zůstalo platné

Pokus v trubici podpořil nasycení pohlcování za daných podmínek. Měření atmosféry přesto ukázalo rostoucí příspěvek dalšího CO₂. Obě zjištění patří do dnešního vysvětlení: silné nasycení některých částí pásma je skutečné, jeho rozšíření na téměř vyčerpaný účinek CO₂ v celé atmosféře však neobstálo. Slabší části pásma i vyzařování jednotlivých vrstev zůstávají citlivé na množství plynu. Proto musíme současně vysvětlit nasycení v části spektra i pozorovanou změnu přenosu energie. (Plass 1956, s. 141–142) (Pierrehumbert 2011)

Druhé vysvětlení vychází z atmosféry, která záření pohlcuje a zároveň je sama vysílá. S přibývajícím CO₂ se mění jak průchod záření mezi vrstvami, tak jejich příspěvek k záření mířícímu k povrchu a do vesmíru. Síla změny se liší podle vlnové délky. Výpočet musí zachytit také části spektra, kde už další plyn vyvolá jen malou změnu. (Pierrehumbert 2011, obr. 1–3)

Toto vysvětlení vznikalo postupně z laboratorních pokusů, měření spekter a výpočtů atmosféry. Jeho počátky předcházejí Ångströmově práci. Oba příběhy se proto časově překrývají: námitka nasycení pomáhala určit, které vlastnosti plynu a které kroky výpočtu je třeba prověřit. (Tyndall 1861) (Arrhenius 1896) (Plass 1956, úvod)

Laboratoř ukázala, že záleží na složení vzduchu

John Tyndall v roce 1861 porovnával průchod tepelného záření různými plyny. Do trubice uzavřené okénky z kamenné soli postupně zaváděl jednotlivé plyny a tepelným detektorem měřil, kolik záření prošlo. Kamenná sůl propouštěla i záření, které by běžné sklo silně pohltilo. Stejná sestava tak umožňovala porovnávat vlastnosti různých náplní. (Tyndall 1861, popis pokusů)

Dusík a kyslík propouštěly zkoumané záření mnohem lépe než CO₂ a vodní pára. I plyn zastoupený v malém množství proto mohl být pro přenos energie důležitý. Tyndall zkoumal také záření vydávané zahřátými plyny. Spojení obou vlastností, pohlcování a vyzařování, se později stalo základem výpočtů záření v atmosféře. (Tyndall 1861, pokusy s absorpcí a vyzařováním)

Výpočty postupně zahrnuly spektrum i vrstvy atmosféry

Arrhenius v roce 1896 převedl otázku pohlcování na energetickou bilanci povrchu. Bilance porovnává příjem a výdej energie. Jestliže při původní teplotě odejde méně energie, začne jí přibývat. Arrhenius hledal teplotu, při které by se příjem s výdejem opět vyrovnal. Počítal různá množství CO₂, zeměpisné šířky i roční období a získal oteplení při přidání plynu a ochlazení při jeho úbytku. (Arrhenius 1896, výpočty a tabulky)

Další pokrok vyžadoval podrobnější znalost spektra. Absorpční pásmo tvoří mnoho úzkých čar. Každá odpovídá určité změně energie molekuly a některé jsou mnohem silnější než jiné. Jejich šířka i síla závisí na tlaku a teplotě. Z těchto údajů lze určit, jak plyn v konkrétní vrstvě záření zeslabí a jak sám vyzařuje. (Pierrehumbert 2011, s. 233–237)

Plassův výpočet z roku 1956 využil novější laboratorní údaje a elektronický počítač. V pásmu CO₂ kolem 15 mikrometrů, tedy patnácti miliontin metru, počítal záření po kilometrových vrstvách od povrchu do výšky 75 kilometrů. Zahrnul různé síly čar, jejich překrývání a závislost na tlaku i teplotě. Slabší čáry a okraje pásma umožňovaly další změnu přenosu, přestože silné části už byly téměř neprůhledné. (Plass 1956, s. 141–142)

Aby z takového výpočtu vznikl popis teploty atmosféry, bylo třeba zahrnout i pohyb vzduchu. Syukuro Manabe a Richard Wetherald v roce 1967 spojili záření s konvekcí, tedy přenosem tepla stoupajícím a klesajícím vzduchem. V jejich modelu se teploty vrstev měnily, dokud se přenosy energie nevyrovnaly. Model tak počítal i to, jak atmosféra na změnu CO₂ reaguje. (Manabe a Wetherald 1967)

Autoři porovnali pevné množství vodní páry se zachováním relativní vlhkosti. Ta říká, jak blízko je vzduch nasycení vodní párou při dané teplotě. Při stejné relativní vlhkosti obsahuje teplejší vzduch páry více. Její přírůstek dále mění záření a zesiluje oteplování. Při této podmínce model po zdvojnásobení CO₂ vypočítal oteplení povrchu přibližně o 2 °C a ochlazení stratosféry, vrstvy nad spodní atmosférou. Byla to předpověď konkrétního modelu s uvedenými předpoklady. (Manabe a Wetherald 1967, abstrakt a oddíl 5)

Tyto práce ukázaly, jak lze z vlastností plynu sestavit vysvětlení pro celou atmosféru. Výpočet záření má konkrétní předpověď: při známém růstu CO₂ se musí změnit záření v určitých částech spektra a výpočet musí vystihnout jeho velikost. To lze zkoušet měřením ze země i z vesmíru. (Pierrehumbert 2011, obr. 3)

Co má další CO₂ změnit

Přidání CO₂ zeslabuje záření přicházející z nižších vrstev. V částech pásma, kde záření do vesmíru pochází hlavně z troposféry, proto více přispívají vyšší vrstvy. Troposféra je spodní část atmosféry a její teplota obvykle s výškou klesá. Vyšší, chladnější vrstvy vyzařují slaběji. Při stejném teplotním uspořádání tak v těchto částech spektra odchází méně energie. (Pierrehumbert 2011, výklad emisní výšky)

Zároveň se mění záření směřující dolů. Vrstva, která při určité vlnové délce účinněji pohlcuje, při stejné teplotě také účinněji vyzařuje. Teplé spodní vrstvy tak mohou s přibývajícím CO₂ posílat k povrchu více záření. Výrazně se uplatní slabší části pásma, kde pohlcování a vyzařování ještě mohou znatelně růst. (Pierrehumbert 2011, s. 234–237)

Obrázek spojuje tyto děje s oběma zkouškami. Nahoře porovnáváme různá množství CO₂ při stejných teplotách vrstev. Dole ověřujeme předpovědi v měnící se skutečné atmosféře, nejprve ze země a potom z družice.

První test: záření k povrchu

První test využívá stejná měření z Oklahomy a severu Aljašky jako předchozí příběh. Tentokrát zkoušíme, zda výpočet s rostoucím CO₂ pozorovanou změnu správně předpoví. Feldmanův tým do něj zahrnul skutečný růst koncentrace i pozorované teploty a vlhkost. Vypočtenou změnu potom porovnal s měřením za jasné oblohy, zvlášť pro jednotlivé části spektra. (Feldman a kol. 2015, obr. 2–3)

Výpočet naměřenou změnu vystihl. V letech 2000–2010 rostl příspěvek CO₂ k záření přicházejícímu na povrch o 0,20 ± 0,06 W/m² za deset let v Oklahomě a o 0,20 ± 0,07 W/m² za deset let na severu Aljašky. Uvedené nejistoty se vztahují k těmto trendům. Shoda podpořila předpověď dalšího účinku CO₂ na záření k povrchu v obou sledovaných prostředích. (Feldman a kol. 2015, obr. 2–4 a metody)

Pro vysvětlení je důležitá právě shoda podle vlnové délky. CO₂, vodní pára i změna teploty ovlivňují spektrum rozdílně. Výpočet proto musí současně vystihnout části citlivé na CO₂ i ostatní části spektra. Porovnání poskytuje podstatně více informací než jediný údaj o celkovém toku energie. Měření takových rozdílů vysvětluje absorpční spektroskopie. (Pierrehumbert 2011, obr. 2–3)

Druhý test: záření do vesmíru

Z vesmíru sledujeme opačný směr přenosu. Horní část obrázku izoluje účinek přidání CO₂ při stejných teplotách. Ve skutečném záznamu se Země současně otepluje a teplejší povrch i vzduch vyzařují více. Družice proto zachytí souběh změny složení a teplotní reakce. Výpočet musí vystihnout jejich společný projev v celém sledovaném spektru. (Pierrehumbert 2011)

Raghuraman a kolegové v roce 2023 porovnali spektra přístroje AIRS na družici Aqua za roky 2003–2021 s výpočty přenosu záření. Nejprve nechali růst skleníkové plyny při stálém stavu povrchu a atmosféry. V dalším výpočtu zahrnuli i proměny teploty, vlhkosti a oblaků. Tím oddělili jednotlivé příspěvky a jejich součet porovnali s pozorovanou změnou. (Raghuraman a kol. 2023, oddíly 2–3)

Výsledek shrnuje pravý dolní panel obrázku: v části pásma CO₂ záření ubývalo, zatímco v průhlednějších částech spektra přibývalo. Výpočty tento rozdíl vystihly. Růst skleníkových plynů a ochlazování stratosféry přispívaly k menšímu výdeji. Oteplování povrchu a spodní atmosféry naopak zvyšovalo vyzařování, výrazně právě tam, kde záření snáze prochází do vesmíru. (Raghuraman a kol. 2023, obr. 1–2)

Studie využila dva postupy výpočtu přenosu záření a ověřila také soulad celkových toků AIRS s přístrojem CERES, který měří záření v širokých pásmech. Porovnání tak kontrolovalo, zda se podrobný spektrální záznam shoduje s jiným měřením celkového výdeje. (Raghuraman a kol. 2023, oddíly 2–3 a doplňkový obr. S3)

Podporu hypotéze dává shoda tohoto rozložení změn. Výsledek rozlišuje vliv přibývajících plynů od reakce oteplující se Země. Části měření a výpočtů rozebírá pozorování odcházejícího spektra. (Raghuraman a kol. 2023, oddíl 4)

Proč dnes toto vysvětlení přijímáme

Laboratorní pokusy určují, jak plyn pohlcuje a vyzařuje. Výpočet z těchto vlastností odvozuje záření celé atmosféry. Pozemní a družicová měření pak kontrolují výsledek z opačných stran a v různých podmínkách. Vysvětlení tak spojuje fyziku molekul s konkrétními změnami měřeného záření. (Tyndall 1861) (Pierrehumbert 2011)

Současné hodnocení IPCC považuje působení dalšího CO₂ na záření, které přispívá k oteplování, za dobře doložené. Opírá se o tento soubor fyzikálních vztahů a jejich ověření. Výzkum dále zpřesňuje velikost působení a navazující reakce atmosféry. (IPCC AR6, oddíl 7.3.2.1)