Problém zatím ještě pod obzorem: Oslabení ozónové vrstvy stratosférickou leteckou dopravou

Oslabování ozónové vrstvy utlumil Montreálský protokol. Ukazuje se ale, že pokud by měl nastat rozmach letecké dopravy ve stratosféře ve výškách kolem 20 km, mohly by tam uvolňované spaliny vést k oživení problémů s úbytkem ozónu.

Dneska už o ozónové díře, kterou si ovšem pletou se skleníkovým efektem a průmyslovým smogem, vědí i někteří čeští politici. Nicméně na otázku kdy a kde se vlastně ta ozónová díra, resp. zeslabování ozónové vrstvy, objevuje, zatím dokáže s jistotou odpověď jen málokdo. A také jen málokdo si uvědomuje, že ozónová díra, která by se začala razantně šířit nad celým povrchem naší planety, by představovala vážné ohrožení samotné naší existence. A ještě menší část populace má ponětí o tom, že tato tikající geofyzikální časovaná bomba je v zásadě zatím pod kontrolou čistě zásluhou původně zcela 'nezajímavé' oblasti základního výzkumu, od které by těžko někdo nějaký profit pro lidstvo očekával. Pod kontrolou je ale ozónová díra zatím jen podmíněně, lidstvo má totiž možnost ji nejméně dvěma dalšími kanály zase přiživit.

Nejprve se zmiňme, jak se ozón měří. To je důležitá položka ve fyzikální chemii atmosféry a také se kolem ní dají dobře tvořit příklady do testu pro studenty. U nás k takovým případům ještě nedochází, ale ve světě se vám může snadno stát, že vám uloží přednášet něco, na co ještě ani neexistují učebnice. Mne taková konstelace potkala už třikrát, a pak si holt musíte příklady do testu vymyslet sami. Tak ty Dobsonovy jednotky, DU, v zásadě mají rozměr délky, a jmenovitě se vyjadřují v setinách milimetrů. Vezme se myšlený sloupec vzduchu, od povrchu či od hladiny až někam do volného vesmíru. Z tohoto sloupce vzduchu se myšleně vyjmou všechny ostatní početné komponenty, hlavně samozřejmě N2 a O2, a nechá se tam jen čistý O3. Načež se v tom sloupci ten zbylý ozón zkomprimuje přesně na 1 atm, a též ohřeje na 0 stupňů Celsia (ohřeje, neb většina O3 je ve stratosféře, a tam je vždy pěkně pod nulou). A nyní se konečně změří výška tohoto čistě ozónového sloupce, a vyjádří v těch setinách milimetrů. Taková typická průměrná hodnota je 300 DU, což je množství ozónu, které máme nad hlavami, a které nás chrání před tím škodlivým přívalem ultrafialového záření, které by způsobilo masový výskyt rakoviny kůže, záněty oka, pokles planktonu, a asi by vyhubilo živočichy, co nemají srst, a nepříznivě ovlivnilo pěstování kulturních plodin. Před těmito a dalšími pohromami nás chrání ta ozónová vrstva, která by za těch standardních podmínek byla tlustá tak 3 mm, a jinak je rozptýlená hlavně někde 15-20 km nad našimi hlavami.

Hojnost ozónu v atmosféře začal měřit již ve dvacátých letech britský meteorolog G. M. B. Dobson, který se mylně domníval, že ze změn hojnosti ozónu bude moci předvídat vývoj počasí. Ta domněnka se nenaplnila, nicméně vznikla síť stanic na měření ozónu, byť zatím byla viditelně bez praktického použití. A tak celkem přirozeně se začala měřit hojnost ozónu také na geofyzikálních stanicích umístěných tam dole hluboko na jihu, tedy v Antarktidě neboli šestém kontinentu. A zase nic zajímavého se nenašlo, ale měřilo se. A v polovině osmdesátých let se to najednou změnilo skokem, a zjistilo se něco, co nikdo, ani ti co to během polární noci měřili, nepředpokládal. Jmenovitě každý říjen od roku 1985 to najednou bylo jen 200 DU, a pak v r. 1993 v říjnu už jen 90 DU. Ale jenom v té Antarktidě, a jenom v říjnu, pak se to vždycky zase zahojilo až do dalšího příštího října. A tento pokles hojnosti ozónu se nazývá ozónová díra a dnes už je vysvětleno proč je zatím tak zvláštně prostorově i časově lokalizována. Zatímco něco tak dramatického a lokalizovaného věda nepředpokládala, naopak dlouhodobě varovala před globálním oslabováním ozónového pláště vzhledem k vypouštění rozpouštědel obsahujících chlór (částečně též brómovaných derivátů) do atmosféry. Tato varování dost dlouho a úspěšně bagatelizovala zainteresovaná průmyslová lobby. Od okamžiku vzniku ozónové díry ovšem odpor průmyslu začal opadat, částečně ovšem též proto, že dřívější investice se již amortizovaly a bylo tak jak tak na čase pomýšlet na nové technologie, nejlépe se státním příspěvkem.

Tento vývoj byl tehdy závažný hlavně pro obyvatele Jižní Ameriky, Falklandských ostrovů, jižní Austrálie, nebo Nového Zélandu. Nicméně, malé změny se začaly objevovat i nad severní polokoulí - za pět let činil tehdy úbytek ozónu nad Spojenými státy 4 až 5%. Některé odhady předpokládají, že s každým procentem poklesu ozónu by se mělo očekávat zvýšení výskytu rakoviny kůže třeba až o čtyři procenta. Existují též evidence o přímých biologickych škodách v antarktických vodách v důsledku zvýšení ultrafialového záření. Důvod, proč zatím nemáme ozónovou díru nad severní polární oblastí je, ve zkratce řečeno, ten, že na jihu je pod ledem pevnina, na severu pevnina není, je tam jenom moře (a proto se dá Severní pól podplout v ponorce). Led v kontaktu s kapalnou vodou se nemůže podchladit tolik, jako led v kontaktu s pevninou. Atmosféra nad Severním pólem je proto na konci polární zimy teplejší než nad Jižním pólem při konci tamní polární zimy.

Asi 75% úbytku ozónu se přisuzuje mechanismům zahrnujícím dimer kyslíkaté sloučeniny chlóru ClO. Zdrojem chlóru v atmosféře jsou především freony, chloro-fluoro-deriváty jednoduchých uhlovodíků. Známá dohoda na vládní úrovni, Montrealský protokol, prosadila proto utlumení jejich produkce, zvláště rozvinutými zeměmi. Nicméně i v případě plné účinnosti této dohody dojde k návratu do stavu před vznikem ozónové díry možná až koncem tohoto století. Očekává se totiž, že v průběhu tohoto století bude pokles atmosférického chlóru činit jen asi 1% ročně. Pokud by se ale v nadcházejících letech bilance ozónu ještě pronikavěji zhoršila, bylo by třeba sáhnout k agresivnějším strategiím, uvažuje se o tzv. globálním inženýrství prostředí. Jeden takový návrh předpokládá použít jednoduché nasycené uhlovodíky (etan, propan) jako substrát, s kterým by aktivní atomy chlóru reagovaly přednostně. K tomu by bylo třeba během poměrně krátké doby dopravit do kritické oblasti atmosféry tisíce tun těchto uhlovodíků. Návrh vyvolal živou diskusi v odborných kruzích. Bylo ale upozorněno na některé jeho slabiny. Pod-dávkování injektovaného množství uhlovodíků by mohlo např. vést i k zhoršení ozónové bilance. A některé modely atmosféry dokonce vůbec nepodporují účinnost tohoto kroku. Byla též vznesena otázka, zda existují nějaká mezinárodní ujednání, která by jasně vymezovala či regulovala takové operace ve stratosféře Antarktidy, jakou by byla uvažovaná možnost injektáže velkého objemu uhlovodíků.

Z významného německého pracoviště atmosférické chemie na Ústavu Maxe Plancka v Mohuči, na kterém jsem přes rok působil, vzešlo ale zajímavé varování před netradičním rizikovým faktorem, který by mohl v blízkých letech začít přispívat k úbytku atmosférického ozónu. Studii vypracoval tým vedený profesorem Crutzenem, významnou postavou věd o atmosféře. Prof. Crutzen byl časopisem Time označen mužem roku už v r. 1988, a to za své výzkumy o důsledcích tzv. 'nukleární zimy' na životní prostředí. Za vyřešení fundamentálních otázek kolem molekulárních a meteorologických mechanismů vedoucích k oslabování ozónového pláště a k ozónové díře obdržel Paul Crutzen, Mario Molina z MIT, a Sherwood Rowland z UC Irvine Nobelovu cenu za chemii v r. 1995 (detailní výklad tehdy pohotově vyšel třeba v LN 16.12.1995, str. 4).

Okrajově asi lze též poznamenat, že i u nás se už na přelomu osmdesátých a devadesátých let na problémech souvisících s ozónovou vrstvou pracovalo. Mimochodem (a to seskakujeme ze stratosféry do českých kalných vod akademických) - je to také ukázka výzkumů, které byly u nás uťaty s příchodem post-totality (takže pak pokračovaly v Pacifiku, stejně jako třeba studium  nekonvenčních absorbérů energie ve skleníkovém efektu, či studie nanouhlíků). Dělo se tak z jediného důvodu - bylo třeba vytěsnit nehodící se svědky lidských a odborných selhání jednoho prolhaného totalitního kariérního denuncianta. A současně tak zastrašit další, aby je zavčas přešla chuť nevhodné pravdy říkat. Podobně byly tehdy i uťaty nadějné výzkumy Dr. I. Haslingerové, Doc. J. Pancíře, Dr. M. Svrčka, a dalších. Akademie, ve které může vůbec k takovým deformacím docházet, je systémově špatně nastavena. Nemůže a nesmí se tam říkat nehodící se pravda. A absurdnost akademických poměrů ještě navyšuje, že ten totalitní kariérní denunciant - jak už to u kariéristů přichází - sám nikdy nic objevného v tom oboru neučinil a učinit ani nemoh, neb neovládal jeho řemeslo. Např. výpočty pro jeho DrSc. práci mu hlavně prováděl Doc. Pancíř, neb ten člověk na počítač ani nesáhl, natož aby někdy napsal nějaký program nebo odvodil rovnici. Jinými slovy - příspěvek akademického vedení k řešení problémů ozónové vrstvy byl ten, že se znemožňovala práce produktivním lidem, kteří přispět mohli, a to jenom proto, aby nevyšla najevo pravda o jednom (neproduktivním) hodnostáři. Absurdní? Jistě, ale nikdo se to tam ani dneska nemůže odvážit říct. Akademie, kde se perzekují whistlebloweři, má zásadní vadu na kráse. Ve světě podle etických pravidel pro vědeckou práci platí, že instituce mají whistleblowerům poskytovat ochranu a podporu. U nás se děje pravý opak:
https://osf.cz/wp-content/uploads/2015/08/TIC_whistleblowers_2009.pdf
Leč zpět z bahnitých vod českého akademického močálu vzhůru do stratosféry. Oním netradičním rizikovým faktorem by mohlo být masivní nasazení proponované nové generace supersonických dopravních letadel. Tyto budoucí stroje by měly létat ve vyšších výškách a ovšem vyššími rychlostmi než je běžné u dnešní letecké dopravy. Tato tzv. stratosférická letadla by se tak dostala do oblasti atmosféry, kde je lokalizována ozónová vrstva. Tuto otázku jako první otevřel už v r. 1971 Harold S. Johnston, který se zabýval kysličníky dusíku a i jejich vztahem k ozónové vrstvě. Pokud by bylo Nobelovu cenu možné udělit ne nejvýše třem nýbrž čtyřem badatelům, byl by Johnston tím čtvrtým. 
Na první pohled není zřejmá souvislost mezi úbytkem ozónu a leteckým provozem. Skutečně, spalování benzínu vede pouze ku kysličníku uhličitému, vodě, kysličníkům dusíku. Žádný chlór by zde ve hře být neměl, letecký benzín jsou jen uhlovodíky. Pro pochopení souvislosti se musíme zmínit o tzv. polárních stratosférických mracích. Prvotní výpočty poklesu ozónu nebyly sto zreprodukovat jeho pozorované rychlé úbytky. Bylo zřejmé, že jsou opomenuty některé důležité reakce. Těmito byly reakce na povrchu částic ledu přítomných v mracích, které se tvoří nad Antarktidou v průběhu zimy. Předpokládá se, že tyto částice se tvoří kondensaci na tzv. sulfátovém aerosolu. Ten je běžně přítomen ve stratosféře a je tvořen kyselinou sírovou a vodou. Za hlavní zdroj síry pro tvorbu tohoto sulfátového aerosolu se považují vulkanické erupce. Jeden typ polárních stratosférických mraků obsahuje částice s povrchem tvořeným ledem. Jiný typ mraků obsahuje částice s nakondensovanou kyselinou dusičnou (ta je z těch kysličníku dusíku, ty vzniknou nejen při spalování, ale třeba i při elektrickém výboji v atmosféře). Podle současných znalostí právě během reakcí na povrchu těchto částic dochází k uvolňování chlóru a k vázání kysličníků dusíku. Tyto stratosférické mraky se tak ukazují být velmi významným faktorem v ubývání ozónu. Stratosférické mraky nejsou něco velmi běžného, stratosféra je relativně suchá a tak mohou vzniknout je po dosažení dostatečně nízkých teplot. Nebo, pokud by se stratosféra nějak umělé zvlhčila.

Ve svých počítačových simulacích se tým Prof. Crutzena snažil nalézt odpověď na otázku, zda budoucí možný masivní letecký provoz ve stratosféře ovlivní pravděpodobnost tvorby těch stratosférických mraků. Studií provedli pro podmínky na severní polokouli pro případ atmosféry, ve které bude v provozu 600 stratosférických letadel. Závěry potvrdily, že provoz těchto letadel, produkce vodní páry a kysličníků dusíku, by za podmínek severní zimy podporoval tvorbu polárních stratosférických mraků. Pro kritické období mezi prosincem a březnem při leteckém provozu ve výškách mezi 21-24 km vyšlo více jak zdvojnásobení výskytu stratosférických mraků oproti podmínkám neporušené atmosféry. Dokonce, i když se uvažoval provoz v nižších výškách (17-20 km), a s tím spojenou nižší rychlostí, ukazovaly výpočty stále ještě zvýšení pravděpodobnosti tvorby stratosférických mraků.
Jinými slovy, případný budoucí provoz stratosférických letadel by mohl být příčinou zhoršování ozónové bilance nikoliv primárně, nýbrž sekundárně. Pokud by v atmosféře nebylo už naakumulováno příliš mnoho chlóru, nebyla by zvýšená pravděpodobnost tvorby stratosférických mraků tak závažná. Protože však reakce na površích částic v těchto mracích hrají podle současných znalosti důležitou roli v aktivaci chlóru, je třeba hledat faktory, které k tvorbě stratosférických mraků přispívají. Zmíněná počítačová simulace vede k závěru, že studovaný model leteckého provozu ukazuje na zvýšení risika ubývání ozónu. Autoři připomínají Montrealský protokol, a připojují svůj názor, že nasazení uvažovaného typu letecké dopravy ve velkém měřítku by vlastně mohlo jít proti duchu takovýchto mezinárodních ujednání na ochranu ozónové vrstvy. Zainteresovaný průmysl zatím jenom rutinně ústy svých tiskových mluvčích hlásá, jak jeho výrobky jsou environmentally-friendly. Jenže podobně se choval před lety chemický průmysl ve věci chlorovaných rozpouštědel. Produkce a úbytek ozónu je velmi složitý mechanismus s mnoha faktory. Zatím se zda, že o případné stratosférické dopravě bude hlavně rozhodovat jen cena nafty a poptávka po ještě rychlejší letecké dopravě.

Nicméně ještě jeden faktor může i severní Evropu dostat do situace Falklandských ostrovů. Je jím nabíhající skleníkový efekt a oteplování. Fyzikální modely totiž ukazují, že pokud se bude atmosféra v nejnižších vrstvách oteplovat, stratosféra se bude ochlazovat. Pokud by toto ochlazení stratosféry bylo dostatečné, začaly by se stratosférické mraky běžněji vyskytovat i nad Severním pólem, bez ohledu na nasazení nebo vyloučení stratosférického leteckého provozu. Z toho hlediska je snížení produkce CO2 i příspěvkem k zlepšení situace ozónové vrstvy. Stává se tak i bilance ozónu dalším argumentem ve prospěch CO2 neprodukující jaderné energetiky.

Foto u perexu: Ilustrace měření výskytu ozónu nad Antarktidou a jejím okolí.

____________

IV. díl seriálu: 666@Sky - Je naprosto nezbytné, aby nebe bylo blankytné
[blankyt:666THz]
V. díl seriálu: http://zdenekslanina.blog.idnes.cz/blog.aspx?c=762565
III. díl seriálu: https://zdenekslanina.blog.idnes.cz/blog.aspx?c=703928

[hniloba@AVCR  neboli  Akademická špína v krystalicky čisté formě:  Část XVI.]
XV.  díl seriálu:  https://zdenekslanina.blog.idnes.cz/blog.aspx?c=658189
XVII. díl seriálu: https://zdenekslanina.blog.idnes.cz/blog.aspx?c=717498

This work is licensed under CC BY-NC-ND 4.0