Jak se měří množství oxidu uhličitého v atmosféře a jaké jsou výsledky  
Nedávno na Oslu vyšel článek o měření množství oxidu uhličitého na ostrově Mauno Loa, který je součástí Havajských ostrovů. Článek obsahuje řadu nejasností a nekorektností, takže mě to podnítilo k tomu, abych se na měření množství oxidu uhličitého a jeho výsledky podrobněji podíval.

 

Zvětšit obrázek
Obr. 1) Observatoř Mauno Loa na Havaji (zdroj ESRL).

Pokud jsem článek dobře pochopil, chtěl v něm autor vyjádřit asi toto: „Měření probíhají v blízkosti sopek, které produkují i velké množství oxidu uhličitého, a na ostrovech je malý počet obyvatel, turistů a průmyslu. Jak tedy může být vidět vliv civilizace na množství oxidu uhličitého.“ Druhá část jeho námitky je dána čistě nechopením podstaty měření panem Turečkem. Měření nejsou určená pro měření lokálního zvýšení oxidu uhličitého, ale kladou si za cíl zjistit globální změny jeho množství v celé atmosféře. Proto je snaha umístit stanice ne na frekventovanou křižovatku velkoměsta, ale naopak na místa  vzdálená od všech možných zdrojů oxidu uhličitého (tedy v místech bez civilizace).

Zvětšit obrázek
Obr. 2) Observatoř na Jižním pólu (zdroj ESRL).

Potřebujeme místo, kde lze určit globální situaci po důkladném promíchání s co nejmenším vlivem lokálních zdrojů. První námitka, která upozorňuje na blízkost sopek, je z téhož důvodu naopak podstatná a stojí určitě za rozbor. V diskuzi pod článkem se pak s odkazem na práce E-G. Becka označuje dokonce měření oxidu uhličitého na Mauno Loa za podvod.

 

Pochopitelně by nejkorektnější postup experimentálního fyzika byl spojen s přeměřením množství oxidu uhličitého v lépe vybraném místě, které neobsahuje civilizační zdroje oxidu uhličitého, ale ani přírodní včetně sopek.  Ovšem na takto náročnou akci nemám čas ani prostředky, takže jsem se jen pokusil o rešerši dostupných informací o této problematice. Chtěl jsem si tak udělat alespoň částečný obraz o současném i minulém stavu měření množství oxidu uhličitého a představu o tom, jak lze měřením důvěřovat. Předem upozorňuji, že se v následujícím textu nedovíte nic o tom, čím jsou případné změny množství oxidu uhličitého způsobeny. Nebude se řešit, zda je změna teploty zodpovědná za změnu množství oxidu uhličitého nebo naopak. A už vůbec se nebude řešit, zda se klima bude v budoucnu oteplovat či ochlazovat, či zda za jeho změnami stojí lidská civilizace. Stejně jako, zda by případné oteplení, ať už je způsobuje cokoliv, bylo pro lidskou civilizaci výhodné či nikoliv, zda je lepší proti němu bojovat nebo se mu přizpůsobit. Podíváme se prostě jen na to, jak se množství oxidu uhličitého měří a jaké jsou výsledky měření.

 

 

Něco málo o chybách měření

Zvětšit obrázek
Obr. 3) Schéma infračerveného analyzátoru množství oxidu uhličitého (zdroj MLO).

 Každé měření má své nepřesností a bez jejich znalosti je výpověď získaných výsledků ztracena. V našem případě, kdy budeme diskutovat a porovnávat spolehlivost různých měření, jsou jejich nepřesností věcí klíčovou. Proto bych před rozborem měření množství oxidu uhličitého připomenul některé základní vlastnosti, které jsou s chybami měření spojené. Omlouvám se předem za značné zjednodušení problému, který je klíčový pro každou experimentální práci. Chyby měření můžeme v zásadě rozdělit na statistické a systematické. Existence statistické chyby způsobuje, že výsledky opakovaných měření budou náhodně rozprostřena kolem nějaké hodnoty. Pravděpodobnost, že při jednotlivém měření dostaneme daný výsledek se vzdálenosti od této hodnoty rychle klesá. Statistickou chybu můžeme zmenšovat zvyšováním počtu měření a určením průměrné hodnoty. Ovšem toto má své hranice. Jestliže máme milimetrové měřítko, nedostaneme při libovolného počtu měření hodnotu vzdálenosti přesnější než zlomek milimetr. Pokud chceme jít s přesností pod desetinu milimetru, musíme použít přinejmenším šupleru (tedy přesněji posuvné měřítko). Systematické chyby posunují všechna měření jedním směrem a nelze je zmenšovat větším počtem měření. V našem případě by to mohl být třeba ten vliv sopky nebo nepřesná kalibrace měřiče oxidu uhličitého. Rozbor systematických chyb a určení všech jejich zdrojů je nejdůležitější a také nejnáročnější prací každého experimentu. Měření, u kterých ocenění těchto systematických chyb nemáme, jsou do značné míry bezcenná.


 

Jak se měří množství oxidu uhličitého

 

Zvětšit obrázek
Obr 4) Průběh měření na Observatoři Mauno Loa (zdroj Observatoř Mauna Loa).

V současnosti se měření množství oxidu uhličitého většinou provádí pomocí určování absorpce infračerveného světla Po jiných metodách (například hmotnostní spektroskopii) sáhneme v případě, že potřebujeme získat poměr mezi izotopy uhlíku. Může to být velice užitečné například pro získání informace o zdroji uhlíku v oxidu uhličitém. Infračervená analýza je založena na tom, že oxid uhličitý pohlcuje velmi intenzivně světlo s přesně danou vlnovou délkou v infračervené oblasti. Infračervený analyzátor množství oxidu uhličitého tak obsahuje zdroj infračerveného záření, dvě nádobky (v jedné je měřený vzorek vzduchu a v druhé kalibrační vzorek s přesně známým obsahem oxidu uhličitého) a detektor infračerveného záření. Dále pak má zařízení, které střídavě měřený a kalibrační vzorek překlápí do takové polohy, aby ležel mezi zdrojem infračerveného záření  a jeho detektorem. Míra absorpce infračerveného záření je pak úměrná množství oxidu uhličitého ve vzorku. Ze změny intenzity infračerveného záření, měřeného pomocí detektoru a v současné době převáděné na elektrický signál, pak určujeme změnu množství oxidu uhličitého. Díky srovnání s kalibračním vzorkem se známým obsahem oxidu pak můžeme dostat i absolutní hodnotu tohoto množství.

 

Zvětšit obrázek
Obr. 5) Ukázka fluktuací daných změnami lokálních podmínek v datech z Observatoře Barrow na Aljašce. Modrými křížky jsou označeny hodinové průměry kontinuálních měření. Z nich světle modré jsou hodnoty ovlivněné lokálními vlivy. Čtverečky jsou označeny měření vzorků, ve kterých se shromažďoval vzduch celý týden a pak se měřil takto získaný vzorek z týdne. Z nich ty fialové jsou ovlivněny lokálními výkyvy atmosférických podmínek.

V případě těchto měření je velmi důležité zajištění co nejstabilnějších podmínek, případně opravy na vliv rozdílných podmínek. Jde například o to, že teplota, tlak a vlhkost se v daném místě mění. Proto je třeba v konečném důsledku co nejpřesněji stanovit poměr mezi počtem molekul oxidu uhličitého a všech molekul a atomů v suchém vzduchu (tedy po odstranění vodních par), které na těchto podmínkách nezávisí. Výsledek se udává v ppm, tedy v počtu molekul oxidu uhličitého na milion molekul a atomů suchého vzduchu.

 

 Samotné měření probíhá tak, že se vzduch pomalu a opatrně nasává do měřícího prostoru. Ještě předtím se však zbavuje vodních par vymražením a potom je potřeba nastavit co nejpřesněji kontrolované podmínky na teplotu, tlak a průtok vzduchu (v případě kontinuálního měření). Důležité pro přesnost měření je časté měření kalibračního vzorku se známým obsahem oxidu uhličitého v podmínkách co nejblížším těm, ve kterých se měří pracovní vzorek. Jako příklad si můžeme uvést měření na Observatoři na Mauna Loa (viz. obrázek 4). Tam se každou hodinu střídá měření nasávaného vzduchu ve většině času této hodiny a krátká měření tří různých vzorků se známým zastoupením oxidu uhličitého (W1 = 370,50 ppm, W2 = 379,93 ppm a W3 = 389,72 ppm) na konci hodiny. Pokud se podíváme na obrázek, je vidět, že statistické fluktuace měření jsou zhruba o dva řády menší než rozdíl mezi množstvím oxidu uhličitého ve dvou kalibračních vzorcích. To znamená že statistická chyba měření je v řádu desetin ppm, což souhlasí s hodnotou, která se uvádí na stránkách Observatoře Mauna Loa (říká se, že přesnost měření je lepší než 0,2 ppm). 

 

Zvětšit obrázek
Obr. 6) Observatoř Barlow na Aljašce (zdroj ESRL).

Pochopitelně, že fluktuace způsobené lokálními změnami atmosférických podmínek jsou daleko větší a můžeme si je dokumentovat na obrázku dat získaných na stanici Barrow na Aljašce (obrázek 5). Tam jsou modře vyznačeny hodinové průměry obsahu oxidu uhličitého v průběhu čtyř posledních let. Je vidět, že se zde objevují fluktuace v řádu jednotek ppm dané hlavně lokálními změnami podmínek.

 

 

Cíle takového měření oxidu uhličitého

 Úkol, který leží před těmito měřeními, je určit globální změny obsahu oxidu uhličitého v atmosféře. Tedy po důkladném celkovém promíchání. Nejde o určování lokálních, krátkodobých změn, daných místními zdroji oxidu uhličitého. Proto je snaha stavět observatoře v místech vzdálených od civilizace, vegetace, ve stabilních podmínkách a spíše ne v údolí, kde by mohlo docházet k místnímu hromadění některých příměsí v atmosféře. Zároveň je snaha rychlé lokální fluktuace v atmosférických podmínkách a v měřeních označit a při následné analýze je případně vyloučit. Dalším důležitým prvkem je také měření v co největším počtu observatoří, které jsou umístěny co nejdále od sebe. Lze pak zjistit, jestli jsou trendy v množství oxidu uhličitého v měřeních těchto observatoří v různých místech shodné.

 

Zvětšit obrázek
Obr 7) Měření množství oxidu uhličitého v atmosféře za posledních pět let na observatoři Mauno Loa (zdroj ESRL).

Takové srovnání můžeme například udělat pomocí porovnání už zmíněného měření na stanici Barrow na Aljašce (obrázek 5) a měření na stanici Mauno Loa na Havaji (obrázek 7).  Ze srovnání obrázků je vidět velice pěkná shoda, jak v absolutní hodnotě obsahu oxidu uhličitého, tak i v celkovém trendu stoupání jeho zastoupení. Pokud se podíváme na hodnoty očištěné o sezónní změny, začínají v roce 2004 u hodnoty okolo 377 ppm v obou případech a na konci roku 2008 jsou u obou něco málo přes 385 ppm. Ještě lépe můžeme vidět shodu mezi měřeními čtyř observatoří  v maximálně vzdálených místech na zeměkouli, která je vidět na obrázku 8. V současnosti se měření oxidu uhličitého provádí na desítkách míst v celém světě. Jestliže se podíváte na stránky, kde je přehled získaných dat, uvidíte, že je velice dobrá shoda jak v absolutních hodnotách tak i ve vývojových trendech.

 

Zvětšit obrázek
Srovnání měření množství oxidu uhličitého na čtyřech různých observatořích. Žlutá a fialová data, která leží jinde se týkají obsahu metanu. (zdroj ESRL).

 

Z těchto srovnání vyplývá, že sopky na Havaji měření na Observatoři Mauna Loa neovlivňují. To, že se v literatuře udávají nejčastěji měření z Mauna Loa, je dáno  tím, že jde o nejdelší ucelenou řadu měření. Dlouhodobá měření na stejném místě a stejnou metodikou jsou v takových případech hledání dlouhodobých změn mimořádně důležité. Snižují se tak možnosti systematických chyb, které v tomto případě často zůstávají stejné a do relativních změn v čase se nepromítají  Navíc jsou měření v pozdějším období potvrzována řadou nezávislých měření na jiných místech, takže jejich spolehlivost a vhodnost výběru místa je tak potvrzena. 


 

 

A jaké jsou tedy trendy ve vývoji množství oxidu uhličitého v atmosféře. To vidíme na obrázku měsíčních průměrů tohoto množství pořízených od roku 1957 na observatoři Mauna Loa. Vidíme, že od začátku měření na konci padesátých let množství oxidu v atmosféře neustále roste. Může vzniknout otázka, zda nejsme momentálně v nějakém přechodném období růstu množství tohoto plynu a zda podobné nárůsty a poklesy nejsou běžnou záležitostí. K řešení této otázky existují v zásadě dvě možnosti.

Zvětšit obrázek
 Obr. 8) Výsledky měření vývoje množství oxidu uhličitého v atmosféře prováděné od roku 1957 na Observatoři Mauna Loa (zdroj ESRL).

První z nich jsou starší měření oxidu uhličitého a druhou je měření obsahu oxidu uhličitého uvězněného v různě starém ledu v místech, kde se dlouhodobě hromadí vrstvy sněhu, který se časem mění na led.

 

 

Měření pomocí chemických metod

 Dříve se měření množství oxidu uhličitého prováděla pomocí chemických metod, takže existuje řada měření už od roku 1812. Velice komplexní bibliografii těchto dat shromáždil a na web umístil i Ernst-Georg Beck, zmiňovaný Igorem Turečkem.

Zvětšit obrázek
Obr. 9) Observatoř Tutuila v Americké Samoi (zdroj ESRL).

Problémem těchto dat je, že tato chemická měření byla mnohem náročnější a daleko méně přesná než současná infračervená měření. V té době také byly nesrovnatelně větší problémy s kalibrací, takže se pravidelně a na dostatečné úrovni prováděla zřídka. Navíc se jedná o soubor místně i metodicky velice různorodých měření, prováděných v ne vždy úplně vhodných podmínkách. Často blízko velkých měst a blízko významných civilizačních zdrojů oxidu uhličitého. Někdy se těžko odhaduje velikost systematických chyb a tím, že musíme využívat velice různorodá měření, mohou mít tyto systematické chyby velice dramatický vliv na určování relativních změn v množství oxidu uhličitého.

 

 

Než se pustím do dalšího rozboru těchto dat, dovolil bych si ještě malou poznámku. Kritický rozbor přesnosti minulých chemických měření není kritikou vědců, kteří je dělali. Ti ve většině případů odvedli perfektní práci. Ovšem neměli v té době takové technické možnosti a znalosti, které, právě i díky nim, máme dnes my. Občas se moc rád probírám starými čísly fyzikálních časopisů s publikacemi experimentů v jaderné fyzice. Je to fantastické, jak brilantně se naši předchůdci dokázali vypořádat s omezenými přístrojovými možnostmi a kolik umu vynaložili na získání experimentálních dat. Snažím se takové nahlédnutí doporučovat i studentům.

 

Zvětšit obrázek
Obr. 10) Shrnutí chemických měření podle Ernsta-Georga Becka, Ten udělal roční střední hodnoty ze všech chemických měření bez výběru (červená kolečka) a pokusil se je proložit spojitou křivkou s využitím pětiletých průměrů (červeně). Infračervená měření z Mauno Loa jsou fialově. (Zdroj E-G Beck).

Dosahovanou přesnost měření v dané době bych si dovolil dokumentovat na dvou ukázkách z let 1939-41, kdy se objevuje  v Beckově souboru velmi vysoké maximum. První data byla získána měřeními W. Kreutze v Giessenu v Německu. Probíhala od srpna 1939 do ledna 1941. Nebyla určena pro studium globálního vývoje množství oxidu uhličitého, ale pro určení jeho vztahu k obdobím zemědělského a vegetačního roku. Na obrázku 11 jsou denní průměry naměřených hodnot oxidu uhličitého v období jednoho roku od 1. srpna 1939 do 31 srpna 1940 v různých výškách nad povrchem. Je to vyjádřeno v procentech. Pro přepočet na ppm nutno vynásobit 10000.  Měřítko na škále je tak mezi 200 až 600 ppm. Je vidět, že fluktuace probíhají v celém tomto rozsahu a jsou tak v rozsahu 400 ppm. Tedy zhruba o řád větší než fluktuace moderního měření stejné veličiny v Barrow, které jsme si ukázali v minulé části.

Zvětšit obrázek
Obr. 11) Obrázek měření W. Kreutze. Denní průměry pro období od srpna 1939 do srpna 1940

V daném případě kombinace přesnosti měřící metody a pravděpodobně i zvoleného místa neumožňuje přesnost určení globálního obsahu oxidu uhličitého lepší než řádově stovku ppm. Navíc lze předpokládat, že blízkost Giessenu vedla k systematickému zvýšení hodnot. Problém je, že se zase jedná relativně krátké měření, u kterého se nedá spolehlivě absolutní škála navázat na měření jiná.

 

Další práce byla provedena E. E. Lockhartem a A. Courtem v roce 1940 v Antarktidě, tedy v místě, které je vzdáleno od civilizace. Ovšem v tomto případě mohlo být vybavení vědců pouze omezené a tak jejich měření mají přesnost v řádu setiny procenta (tedy 100 ppm) a jejich měřená množství oxidu uhličitého oscilují mezi hodnotami 200 až 1700 ppm. Je tedy jasné, že nelze získané vysoké průměrné hodnoty brát vážně.

Takové fluktuace a problémy se objevují ve většině historických prací s chemickými měřeními a případné jejich využití pro určení globálního výskytu oxidu uhličitého v atmosféře musí být opatrné. Každá práce musí být podrobena kritickému rozboru možných systematických chyb.  Ovšem Ernst-Georg Beck si zakládá právě na opačném postupu. Tedy, že bez kritického zhodnocení udělal průměr ze všech dostupných hodnot.

 

Zvětšit obrázek
Obr. 12) Tabulka z práce E. E. Lockharta a A. Courta v Mounthly Weather Review vol. 70, no. 5 p. 93Obr.

To, že je patrně tento přístup nevhodný, ukazuje i to, že průběh změn před rokem 1957, získaný E-G. Beckem z chemických měření, se svými relativně rychlými změnami drasticky liší od výsledků moderních, získaných za posledních šedesát let. I to ukazuje, že jsou jim získané změny artefaktem nepřesnosti měření.

 

Jak využít led?

 Další možností, jak získat historické údaje o obsahu oxidu uhličitého v atmosféře je zkoumání ledu, který vzniká postupně ze sněhu v oblastech ledovců. V něm jsou i bublinky vzduchu, které nám uchovávají informaci o jeho složení v době, kdy led vznikal. Výhodou je, že pro určování obsahu oxidu uhličitého lze využít moderní metody jeho měření s využitím všech současných znalostí. Problémem mohou být otazníky kolem změn složení vzduchu během dlouhého pobytu v ledu, rizika změny složení během získávání a zpracovávání vzorku a přesnosti datování. Vzhledem k tomu, že je snaha získávat informace z historického ledu hodně rozvinutá, je podle mého názoru otázka datování řešena na dobré úrovni. Dobře spolu souhlasí i data z různých vrtů. Je tak celkem přirozené, že jsou tato data považována za věrohodná a spolu s daty získanými moderními metodami využívajícími infračervené analyzátory jsou považována za spolehlivou informaci o historickém vývoji obsahu oxidu uhličitého v atmosféře. Pro podporu tohoto názoru hovoří i to, že trendy a hlavně rychlost (tedy vlastně pomalost) změn si odpovídá a křivky z obou metod na sebe navazují.

  

Zvětšit obrázek
Obr. 13) Vývoj obsahu oxidu uhličitého v atmosféře, červená data jso měření z Mauna Loa a modrá analýza ledového vrtu (zdroj MLO).

Co na závěr?

 Pochopitelně, že má analýza současných dat o obsahu oxidu uhličitého nemohla být nijak hluboká. Alespoň mě však stačila k tomu, abych si vytvořil názor o nich. Data o globálním zastoupeni oxidu uhličitého z Mauno Loa jsou potvrzována řadou dalších měření po celé zeměkouli. Přítomnost okolních sopek nemá vliv na spolehlivost měření. Stará chemická měření jsou bohužel pro účely určení globálního obsahu oxidu uhličitého nedostatečně přesná a při jejich využití je třeba být velmi opatrný. Výsledky určování obsahu oxidu uhličitého v historickém ledu se zdají být dostatečně přesné a spolehlivé, i když je třeba testovat nadále všechny možné zdroje systematických chyb. Pochopitelně se mohou najít zádrhele a věda je na oponentuře a kritice založena a je pro ni nutná, takže ji provádějme. Ale s přehledem a nezaujatě. Řekl jsem v úvodu, že nebudu diskutovat možný zdroj změn množství oxidu uhličitého. Přesto si dovolím se k tomu vyslovit. Mně osobně se teorie o civilizačním původu pozorovaného vzrůstu množství oxidu uhličitého jeví při pohledu na danou závislost jako velmi pravděpodobná. Jen bych ještě, stejně jako v úvodu, zdůraznil, že to nic neříká o existenci globálního oteplování, jeho případného původu a kladných či záporných důsledcích.

 

  Je jasné, že je třeba stále velmi kriticky zkoumat všechny možné zdroje nepřesností a případných chyb ve všech dostupných možnostech určování obsahu oxidu uhličitého. Je třeba hlavně získat co nejvíce nezávislých měření. A vždy k nim přistupovat se stejnou pokorou, jakou má jeden z mých kolegů, který se zabývá určováním hmotnosti neutrin. Na otázku novinářky, jakou si myslí, že by neutrino mělo mít hmotnost nebo jakou by si ji přál, odpověděl, že to není věc, kterou by řešil. On pouze svým experimentálním úsilím klade přírodě pokornou otázku a je pouze na ní, jak odpoví. On tu odpověď příjme, ať je jakákoliv. Mám dojem, že  Ernst-Georg Beck a Igor Tureček už jsou hodně za hranicemi této pokorné otázky. Ale možná se mýlím.
 

Datum: 22.12.2008 00:06
Tisk článku

Zničí nás klima, nebo boj s klimatem? - Klaus Václav
 
 
cena původní: 299 Kč
cena: 254 Kč
Zničí nás klima, nebo boj s klimatem?
Klaus Václav

Diskuze:




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace