Jaké jsou problémy s využitím starých chemických měření oxidu uhličitého

Sopečné plyny na Maona Loa a problémy s využitím starých chemických měření oxidu uhličitého.

Vladimír Wagner

O tom, jaký je vývoj klimatu a případný vliv lidské civilizace na něj mohou rozhodnout jen co nejpřesnější a nejspolehlivější data. A znalost skutečného stavu vývoje různých důležitých parametrů může být pro naši civilizaci velmi důležitá. Je proto nutné se umět kriticky podívat a zhodnotit míru přesnosti a spolehlivosti různě získaných experimentálních dat.

Na přelomu roku jsem se dostal do sporu s panem Igorem Turečkem ohledně spolehlivosti měření zastoupení oxidu uhličitého v atmosféře a hlavně jeho vývoje v dlouhodobém měřítku. Stalo se tak po mé reakci na jeho článek, který kritizuje výsledky měření množství oxidu uhličitého na Observatoři v Maona Loa. Ve svých článcích jsem se snažil rozebrat měření vývoje množství oxidu uhličitého na pozemních stanicích i pomocí vesmírných družic. Zvláště první z mých článků pana Igora Turečka velice pobouřil, takže se jej rozhodl v diskuzi po větách rozcupovat. Nechci se pouštět do osobních sporů a určitě by to nebylo zajímavé ani pro čtenáře Osla.

Ovšem kritické poznámky mě přivedly k tomu, že by přece jen bylo záhodno některé aspekty lépe objasnit. Jedná se hlavně o posuzování přesnosti měření. Je jasné, že při psaní populárnějšího článku pro širší veřejnost se vždy dopustíme jistých nepřesností a zjednodušení. Určitě jsem se jich dopustil i já a proto se pokusím osvětlit některé nejasnosti, které pan Tureček zmiňuje. Omezím se na ty faktické, které mohou zajímat i další čtenáře.

Nejdříve je třeba osvětlit dva pojmy. Jde o chyby měření a pravidla pro měření globálních charakteristik. Při měření vznikají dva druhy chyb. První jsou chyby statistické (náhodné). Jsou způsobeny nepravidelnými, proměnnými vlivy, které jsou prakticky nekontrolovatelné a způsobují, že při opakování téhož měření nedostaneme přesně stejné výsledky. Chyby tohoto druhu tedy mají v podstatě náhodný charakter, projevují se náhodnými fluktuacemi výsledku měření a jejich velikost lze ocenit z velikosti těchto fluktuací v dostatečně velkém souboru měření. Druhým typem jsou systematické (soustavné) chyby. Ty se projevují v měření soustavně a ovlivňují jeho výsledek pravidelným způsobem, takže způsobují odchylku ve stejném směru a zhruba stejné velikosti. Jejich určení je mnohem náročnější.

Věž pro získávání vzorků vzduchu z různých výšek na Observatoři v Maono Loa. Umožňuje získat vzorky ovlivněné sopečným plynem v malé výšce a vzorky neovlivněné ve větší výšce (zdroj NOAA).

Jestliže se snažíme určit relativní průběh změn nějaké veličiny v čase a máme dlouhou sérii měření jednou metodou na jednom pracovišti, ovlivňují přesnost určení těchto změn jedině statistické chyby, protože systematická chyba je stále stejná. Proto je důraz při měření nejen oxidu uhličitého na dlouhodobé série měření.

Při určování vývoje globálních charakteristik atmosféry se neměří příspěvek jednotlivých konkrétních zdrojů, ale celková charakteristika. Tedy pro množství oxidu uhličitého po důkladném promíchání vzduchu v atmosféře. Proto potřebujeme měření v místech vzdálených od lokálních konkrétních přírodních nebo umělých zdrojů tohoto plynu. Zároveň je třeba mít měření v různých místech, aby se potvrdilo, že ukazují opravdu globální charakteristiku. Proto se v tomto případě provádí měření na řadě velmi vzdálených míst. V případě měření oxidu uhličitého jsou nyní měření prováděná na desítkách observatoří. Měření s Maona Loa se jak průběhem sezónních změn, tak dlouhodobými trendy velmi dobře s těmito měřeními shodují. Myslel jsem, že toto je dostatečně přesvědčivý argument pro správnost těchto měření a spolehlivosti separování vlivu sopky (což pochopitelně je i zdroj oxidu uhličitého). Ale asi není.

Měření sopečného oxidu uhličitého na Maona Loa

Takže první věc, o které se mi nepodařilo pana Turečka a možná i další čtenáře přesvědčit, je zanedbatelný vliv sopkou produkovaných plynů na měření v Mauna Loa. Igor Tureček tak píše: „ To je logika jen co je pravda. A proto se měřící stanice umístila na ostrov, který se skládá z pěti sopek a navíc ještě na sopku, která je aktivní. Naposledy vybuchla 25. března 1984. To je věda jako řemen. Naprosto logická a racionální. Ale abychom se drželi faktů, tak se podívejte na tabulku výbuchů na Mauna Loa . Od počátku měření CO2 v roce 1958 sopka jako z udělání již dvakrát vybuchla. Přečtěte si celou stránku http://www.mlo.noaa.gov/programs/esrl/volcanicco2/volcanicco2.html. Tam se dočtete, že množství sopečného CO2 emitovaného v roce 1984 dosáhlo velikosti 40,000 města.“

Kráter sopky Maono Loa (zdroj NOAA).

Proto bych si dovolil shrnout podrobněji fakta o měření oxidu uhličitého ze sopečných erupcí na Maono Loa právě ze zmiňovaných stránek a článků Steva Ryana, který je hlavní autor v této oblasti. Zachytit vliv oxidu uhličitého ze sopky lze jen za určitých speciálních povětrnostních podmínek, kdy se v noci vytvoří teplotní inverze blízko povrchu a zachytí vulkanické emise z Mauna Loa ve vrstvě zhruba v řádu desítek metrů tlusté. Pokud vanou větry vhodným způsobem, mohou tuto vrstvu přivanout až do šest kilometrů vzdálené observatoře. V té době dojde k jistému zvýšení normální hladiny (bez vlivu sopečného oxidu uhličitého) právě o oxid uhličitý ze sopky. Abychom si udělali představu jak velké toto zvýšení je, připomeňme si, že střední úroveň množství oxidu uhličitého je nyní zhruba 380 ppm (tj. 0,038 % - připomínám, že ppm je jedna miliontina a 1 % je tak 10000 ppm). Zvýšení je v době krátce po erupci sopky, kdy je největší, v řádu desítek ppm. Navíc exponenciálně klesá a například, jestliže po erupci v roce 1984 sopka působila jako zdroj oxidu uhličitého odpovídající zmíněnému americkému městu s 40000 obyvatel a její vliv způsobil zmíněné zvýšení hladiny oxidu uhličitého v observatoři, tak v roce 2005 už byla produkce oxidu uhličitého sopkou stokrát menší. A lze jistě uznat, že „město“ se 400 obyvateli ve vzdálenosti šesti kilometrů už dlouhodobá měření na observatoři ovlivní minimálně. Jak jsem psal, tak sopečný oxid uhličitý se dostává k observatoři jen za přesně daných atmosférických podmínek a projevuje se jen nízko u povrchu (jeho množství velice rychle klesá s výškou). Bez problémů se tak dá vybrat čas nebo umístění měřidla takové, aby měření nebylo sopečným plynem ovlivněno. Taková měření jsou nutná nejen pro měření globálních charakteristik, ale i z důvodu, že pro studium sopky a její produkce oxidu uhličitého musíme znát původní hladinu oxidu uhličitého, abychom příspěvek sopky přesně určili.

Stará chemická měření oxidu uhličitého

A teď se dostávám k druhému problému, u kterého jsem Igora Turečka ve svém článku nepřesvědčil. Nepřesvědčil jsem ho, že stará chemická měření jsou nedostatečně přesná. Takže píše:

“Ad "daleko méně přesná" - příspěvek Wagnera trpí značnou povrchností. Proč ony nepřesnosti neuvádí, aby si to čtenář mohl porovnat?
Například Scholander v Point Barrow na Aljašce používal tzv. Micro Scholander, Scholander.“ … „Měřil v letech 1947-48 během své vojenské služby a naměřil v těch letech 420 ppm. Takové hodnoty nejsou tedy omezeny jenom na měření Kreutzera v Giessenu. I když se čtenářům prezentují údaje doslova pod nos, tak je, jako např. Wagner, nečtou.“

„Wagner se odvolává na práci Arnold Court "Oxygen deficiency in Antarctic air." (with Earl E. Lockhart) Monthly Weather Review, 70(5):93-96, 1942.
Z názvu je zřejmé, že se primárně nezkoumal oxid uhličitý, ale kyslík. Autoři zjišťovali, zda je na jižní polokouli - zejména Antarktidě - skutečně méně kyslíku než na severní. Experimentálně zjistili, že tomu tak je. Dále zjistili, že průměrná koncentrace CO2 je 199,7 ppm. Chyba pro oxid uhličitý byla 3 %, což odpovídá vědeckému standardu. Wagnerem uváděná tabulka s hodnotami od 200 ppm do 1700 ppm nebude zřejmě reprezentativní. Pokud Wagner článek četl, tak průměrnou hodnotu musel vynechat zcela záměrně, což je selekce dat a ta je ve vědě nepřípustná. Hodnotí se jako podvod.“

„Ernst Earl Lockhart byl v Antarktidě v roce 1940 s admirálem Byrdem. Při hledání na internetu jsem ale žádnou práci o Antarktidě publikovanou 1940 Lockhartem a Courtem nenalezl. Seznamte nás pane Wagnere s touto prací. Stačila by anotace a v které knihovně se nachází.“

„Vysoká maxima se objevila nejen u Kreutze v Giessenu (Německo), ale Beck má pro tato vysoká maxima 41 měření - od různých autorů. Vzpomenu jenom Scholandera v Point Barrow (420 ppm) na Aljašce. Ostatní jména uvádí Beck ve svých prezentacích a čtenář si je tam může najít. A znovu opakuji - přesnost měření chemickými metodami se pochybovala mezi 0,33 - 3 procenty a metody se používají ve vědě dosud.“

Podle pravdy přiznám, že jsem neprostudoval úplně všechny práce, které byly věnovány měření oxidu uhličitého. Z archívu E.-G. Becka jsem si stáhl a podrobněji pročetl hlavně ty, které se týkaly období, kde deklaruje velmi vysokou hodnotu pro množství oxidu uhličitého. Z nich jsem vybral jako ukázku ve svém populárním článku dvě. Jedna reprezentovala měření v dobře technicky vybavené laboratoři ale blízko civilizačních zdrojů oxidu uhličitého a druhá měření v místech od civilizace vzdálených, ale v podstatně složitějších polních podmínkách polární výpravy. Myslím, že opravdu nemá cenu v populárním povídání dělat rozbor všech prací, takže se omezím na tři, které ve své kritice zmiňuje Igor Tureček. Aby čtenář mohl zkontrolovat, zda se přesně držím výsledků publikovaných autory, dovoluji si uvést odkazy na soubory s kopiemi prací Von W. Kreutze z Giessenu, R.J. Hocka a P.F. Scholandera z Point Barrow a E.E. Lockharta z Antarktidy.

Obrázek z grafy zobrazujícími měření Kreutze jsem ukázal v předchozím článku. Jak jsem tam uvedl, je z nich vidět, že měřené hodnoty náhodně fluktuují mezi hodnotami 200 ppm až 600 ppm (0,02 % až 0,06 %). Je vidět, že statistická chyba nemůže být lepší než 100 ppm (0,01 %). Čtenář si může ověřit, že graf pochází opravdu ze zmiňované práce.

V tomto článku bych si dovolil uvést graf zobrazující měření P.F. Scholandera z Point Barrow, které zmiňuje Igor Tureček. Je vidět, že výsledky měření náhodně fluktuují mezi hodnotami 200 ppm až 600 ppm (0,02 % až 0,06 %). A tedy statistická chyba i přesnost měření nemůže být lepší než 100 ppm (0,01 %). To potvrzují i samotní autoři, kteří uvádí: „Průměrná hodnota množství oxidu uhličitého na Point Barrow je blízko hodnoty 0,04 procent (400 ppm), a tedy zdánlivě o 0,01 procenta (100 ppm) vyšší než standardní hodnota. Tento rozdíl však je v rozmezí chyby použité metody a nemusí být reálný.“ V závěru článku pak shrnují své výsledky: „V mezích nepřesnosti použité metody (+-0,015 procent a tedy +-150 ppm) byly nalezeny konstantní hodnoty koncentrace oxidu uhličitého a kyslíku, které odpovídaly hodnotám z mírného pásma a nebyly pozorovány sezónní změny.“ Zda cituji správně, si čtenář může ověřit. Je vidět, že i samotní autoři uvádějí přesnost svých měření 150 ppm, což je v souladu s tím, co vidíme v grafu. Tato přesnost je nedostatečná pro rozhodnutí, zda byla hodnota obsahu oxidu uhličitého v atmosféře v té době 400 ppm jak uvádí E.-G. Beck ve svém grafu nebo 300 ppm jak to plyne z analýzy jiných autorů. Nevím, jak Igor Tureček přišel k daleko vyšší přesnosti těchto měření, o které se zmiňuje.

Měření oxidu uhličitého provedená v roce 1948 P.F. Scholanderem v Point Barrow (zdroj Journal of Meteorology 9(1952)441).

Použiji ještě jednu citaci z práce P.F. Scholandera. Autoři zmiňují práci E.E. Lockharta: “Na rozdíl od našeho nálezu v podstatě normálního a stálého složení arktického vzduchu, Lockhart a Court (1942) hlásí značný nedostatek kyslíku v povrchové vrstvě v Antarktidě doprovázené znatelnými sezónními změnami. V sérii 37 analýz s přístrojem Haldana se množství kyslíku měnilo v rozmezí od 20,48 do 20,76 procent a hodnoty oxidu uhličitého se také znatelně odlišovaly od hodnot v normálním vzduchu (byly od 0,03 až po 0,17 procenta, tedy od 300 až po 1700 ppm)“. Je tedy vidět, že už tito autoři si všimli, že E.E. Lockart naměřil v roce 1940 (práce byla publikována v roce 1942) při svých měřeních i hodnotu 1700 ppm. Když se podíváte do tabulky, kterou jsem uvedl ve svém předchozím článku, tak je vidět, že je v ní uvedeno 37 analýz. Jedná se tedy o tabulku všech měření a ne o žádný výběr, jak mě obvinil Igor Tureček. To lze ostatně ověřit nahlédnutím do zmiňované práce. V každém případě je vidět, že přesnost měření byla v řádu stovek ppm. Což ostatně potvrzují autoři, kteří těsně před závěrem píší:“… různé analýzy stejných vzorků byly převzaty jako data pro tuto zprávu jen v případě, když spolu souhlasily v rozsahu daném experimentálními hranicemi chyby použitého přístroje, která je 0,03 procent (300 ppm) pro oxid uhličitý a 0,04 procent (400 ppm) pro kyslík. Tedy zase hodnota odpovídající rozptylu hodnot, ale neumožňující rozhodnout mezi hodnotami 300 ppm a 400 ppm.

Zaujalo mě, kde Igor Tureček přišel ke střední hodnotě 199,7 ppm, když nejmenší hodnota, kterou autoři naměřili, byla 200 ppm. Nakonec jsem to zjistil. V úvodu autoři popisují historii předchozích měření kyslíku a oxidu uhličitého jak v mírném pásmu tak v polárních oblastech. Zmiňují tam, že jediné měření vzduchu z antarktické oblasti bylo provedeno na deseti vzorcích získaných Charcotovou expedicí v letech 1908-10. Vzorky byly převezeny do laboratoře a chemickou metodou je analyzoval Muntz a Lainé. A ti právě obdrželi střední hodnotu 199,7 ppm, která je tak v historickém úvodu článku Lockharta a Courta zmiňována a kterou si s jejich výsledkem popletl Igor Tureček. Využití těchto měření je dost sporné, vzhledem k tomu, jak dlouho trvalo než se vzorky dostaly do laboratoře a byla provedena měření.

Podobně by se daly rozebírat i další práce. Je v nich vidět, že ve zmiňovaných měřeních se autoři jen velice těžko dostávali s přesností pod hodnotu 100 ppm. Problém nebyl asi tolik v samotné chemické analýze, ale spíše ve složitosti nabírání standardního vzorku, zajištění standardních podmínek a kalibraci. Velký problém je také v tom, že většina měření je relativně krátkodobá. V tomto případě je velká pravděpodobnost systematické chyby mezi jednotlivými různými sadami měření, což znesnadňuje určení vývojových trendů v obsahu oxidu uhličitého. To je také důvod, proč Ch.Keeling vybírá ve své analýze chemických měření pouze dlouhodobější sady měření, ve kterých jsou vidět sezónní změny s časovým průběhem, který se shoduje s dnes velmi dobře experimentálně prověřeným. A tato měření ukazují na nízké hodnoty oxidu uhličitého před rokem 1950 a jsou v souladu s měřeními z Maona Loa.

Široká škála dlouhodobých měření na různých místech na povrchu i z vesmíru, kterou jsem ve svých článcích popsal, mě přesvědčila, že zvyšující se nárůst množství oxidu uhličitého v atmosféře v posledních desetiletích je realitou. Pročtení a analýza původních článků mě přesvědčily, že kritika E-G. Becka měření v Maona Loa postavená na jeho velice zavádějící a nevědecké dezinterpretaci starých chemických měření je mylná. Pochopitelně si může každý čtenář utvořit názor vlastní. Ovšem připomínám, že důležité není prosadit ten nebo onen názor na věc, ale zjistit, jaké děje probíhají ve skutečnosti.

Omlouvám se čtenářům za příliš podrobný a nepříliš záživný rozbor, ale myslím, že by mohl být užitečnou ukázkou, jak opatrně je třeba přistupovat k některým příspěvkům a informacím na internetu. Zvláště když se týkají tak citlivých oblastí jakými bezesporu zkoumání charakteristik atmosféry a vývoje klimatu jsou.