Jan Pokorný: Odpověď Jiřímu Kopáčkovi na text Pohádky Jana Pokorného o Šumavě

Hraniční hřeben, cesta od Třístoličníku k Trojmezné (červenec 2019). Vzrostlý les byl povalen orkánem Kyril v lednu 2007 nebo podlehl kůrovci, proti kterému se nezasahovalo. Mladé smrky pocházejí převážně z přirozené obnovy z doby, kdy ještě existoval vzrostlý živý les. Další semenáčky zde nevzejdou, protože nejsou semenné stromy, půda je zarostlá travinami a v letním slunném dnu přesahuje povrchová teplota místy i 40 °C. Povrch se přehřívá a ohřátý vzduch stoupá vzhůru a vysušuje okolí (termika, zjevné teplo, turbulentní proudění). Sluneční energie se nespotřebovává na životní pochody vzrostlých stromů, ale pohání vzestupný proud vzduchu.

Co je tedy zdravým jádrem této pohádky? Lze s jistým omezením souhlasit s příkonem sluneční energie použitým ve výpočtu. Nesmíme jej však zaměňovat za výkon a zejména ne za rozdíl v množství energie, kterou vyzařují plochy s uschlými stromy na rozdíl od ploch živých, nebo za ztrátu chladicího efektu živých stromů, jak je nám podsouváno. Tento rozdíl je ve skutečnosti cca 6 W/m², tj. padesátkrát nižší, než použitá hodnota 300 W/m². V příběhu lze s trochou nadsázky souhlasit i s tím, že Temelín se skutečně poblíž Šumavy nachází. Zatím se tam však, na rozdíl od Černobylu, naštěstí nedostal.

Výklad: Za slunného dne přichází na metr čtverečný až 1000 W sluneční energie. Na kilometr čtverečný přichází milionkrát více, tedy 1000 MW. Abychom si uvědomili, o jak vysoké množství energie jde, srovnávám je s výkonem jednoho bloku Jaderné elektrárny Temelín (1000 MW = 1 GW).

Přečtěte si také |

Ladislav Metelka: Těžký omyl docenta Pokorného

Osud (distribuce) sluneční energie závisí na typu krajinného pokryvu (les, rybník, louka, sklizené pole, vydlážděná plocha). V lese, na mokré louce se většina sluneční energie spotřebuje na výpar vody a proto je v lese chládek a vlhká tráva je chladná. Suché plochy se nemohou chladit výparem vody, a proto se ohřívají. Za slunného letního dne je povrchová teplota sklizeného pole, vydlážděného povrchu i vyšší než 50 °C, zatímco vlhká louka má povrchovou teplotu okolo 25 °C a v lese je teplota ještě nižší.

Distribuce sluneční energie v krajině je charakterizována zejména poměrem mezi výparem vody a ohřevem povrchu a následně ohřevem vzduchu; odborně řečeno poměrem mezi zjevným teplem (naměřený vzestup teploty vzduchu) a latentním/utajeným skupenským teplem výparu vody. Tento poměr definoval v roce v roce 1926 I. S. Bowen. Na výpar vody a na zjevné teplo se přeměňuje většina přicházející sluneční energie (například až 600 W.m-2).

Dalšími složkami přeměny sluneční energie jsou: odraz (v krajině okolo 20 %), tok tepla do půdy (až 10 %), dlouhovlnné záření vůči chladné obloze; fotosyntézou se do biomasy váže méně než 1 %, tedy několik W.m-2 přicházející sluneční energie.

Věda o distribuci sluneční energie se rozvíjela v polovině 20. století, jako základní práce se cituje Penman (1948). U nás se soustavně studiu „vodního provozu rostlin a porostů“ věnoval tým B. Slavíka, v lesnictví nedávno zesnulý V. Krečmer, já jsem se učil zejména od J. P. Ondoka ve skupině vedené J. Květem v Botanickém ústavu ČSAV, D. Dykyjová shrnula stav poznání v monografii Metody studia ekosystémů (1989).

Praktické měření distribuce slunečního energie v různých typech porostů v krajině je součástí výuky na vysokých školách od osmdesátých let minulého století. Osobně s podporou mladších spolupracovníků jsem tato praktika vedl mimo jiné pro mezinárodní kurzy pořádané Uni Bodenkultur Wien, UNESCO- IHE Delft a zejména pro Přírodovědeckou fakultu UK Praha (1991 – 2017, každoročně). Současné poznání o evapotranspiraci a jejím významu jsem shrnul v kapitole pro Encyclopedia of Ecology (Pokorný 2019), efekt evapotranspirace mokřadů a živého vzrostlého lesa na klima s využitím klasické i nové literatury rozebírá Hesslerová a kol. (2019).

Takže shrnuto k „Pohádce první o Temelínech na Šumavě“. Za slunného dne se v lesním porostu většina sluneční energie váže do vodní páry, porosty se chladí výparem vody, tento proces výparu vody přes rostlinu (transpirace) a výparu z půdy (evaporace) se nazývá evapotranspirace a přeměňuje se v něm několik set wattů sluneční energie na metru čtverečném; budeme uvažovat 300 W.m-2. Porost tak ochlazuje sebe a své okolí, výsledkem je poměrně nízká teplota.

Pokud živé vzrostlé stromy uschnou, nemohou se chladit výparem vody, neboť uhynuly. Uschlé větve a kmen se ohřívají sluneční energií, která prochází až ke dříve zastíněnému spodnímu patru lesa. Kam dříve přicházelo méně než 100 W.m-2, přichází nyní plný sluneční svit. Dříve zastíněné kapradiny, borůvky a menší stromy jsou stresovány plným slunečním svitem, proto listy borůvek červenají. Povrchová teplota slunci vystaveného spodního patra lesa dosahuje 40 °C i více, protože se nechladí vodou.

Odborně řečeno, Bowenův poměr se obrací, tok zjevného tepla převažuje nad výparem. Namísto 300 W.m-2 chlazení výparem vody se uvolňuje zjevné teplo, krajina se ohřívá výkonem 300 W.m-2. Taková změna z chlazení na ohřev (600 W.m-2) představuje na 1 km2 změnu 600 MW. Tato energie pohání potom vzestupné turbulentní proudění ohřátého vzduchu z 1 km2 (100 ha), který cloumá letadly a unáší rogalisty vzhůru.

Profesor Kopáček doslova píše: „Transpirace postižených ploch po ztrátě vzrostlých stromů výrazně klesá, ale na druhé straně vzrůstá odpar z povrchu půd (díky její vyšší povrchové teplotě, ale i vyšší vlhkosti pod uschlými než živými stromy [3]“). Zásadní omyl, pane profesore: a) teplota povrchu půdy je vysoká, protože se půda nechladí výparem, b) pod živými stromy je vysoká vlhkost a proto v živém vzrostlém lese padlé kmeny porůstají mechem, kapradinami, podléhají vlhkému rozkladu nižšími houbami a stávají se domovem bezpočtu bezobratlých. V uschlém lese na hřebenech Šumavy leží desítky tisíc uschlých kmenů na přímém slunečním svitu, jejich povrchová teplota za slunného dne dosahuje i 60 °C. Opakuji: výše uvedený popis distribuce sluneční energie v živém a uschlém lese vychází z mnohokrát ověřených učebnicových znalostí.

Průměry odtoků a celoroční bilance změny toku sluneční energie, jak je profesor Kopáček uvádí (6 W.m-2 na místo 300 W.m-2) odvádějí pozornost od problému. Zásadní je distribuce sluneční energie při jejím vysokém příkonu, jinými slovy: co porost udělá s příkonem 1000 W.m-2 za slunného dne. Průměry reálně neexistují. Eskamotáž převodu reálných 300 W.m-2 na zprůměrovaných 6 W.m-2 si dovolím přirovnat následovně: dostanu pořádnou facku a stěžuji si, advokát útočníka mi doporučí, ať si sílu vložené do facky vydělím 50x a dostane se mi tak padesáti příjemných pohlazení.

Pohádka druhá, ta "O výparu ze sklizených polí"

Pan profesor Kopáček popírá, že vzduch ohřátý nad suchým polem (přehřátou plochou, která se nechladí výparem vody) stoupá vzhůru a odnáší vlhkost vysoko do atmosféry.

Podávám vysvětlení: vzestupné proudění vzduchu z ohřátých ploch dosahuje rychlosti několika metrů za sekundu a tak i při nízké relativní vlhkosti ohřátého vzduchu odchází vysoko do atmosféry velké množství vody. Plochy ohřáté sluncem jsou radiátorem pohánějícím vzduch vzhůru. Abychom si udělali představu o rychlosti transportu vody do atmosféry, uvedl jsem příklad rychlosti 1m.s-1 a obsah vody 10 gramů v m3 (například 20 % vlhkost vzduchu o teplotě 40 °C).

Za hodinu se tak z 1 m2 ohřáté plochy může vynést vzhůru 36 kg vody. Zdůrazňuji: na místo vzduchu, který vystoupal vzhůru, je nasáván vzduch z okolí. Zrychluje se tak výpar vody z okolních polí, rybníků a vysychají okraje lesů, mimo jiné se tak snižuje odolnost smrku vůči kůrovci. Svědectví o síle termiky, v souvislosti s úvahami o vysychání, mi laskavě poslal a na fotkách přístrojové desky doložil doc. Petr Dolejš: popisuje, jak ho stoupák (termika) s letadlem zvedl o 150 metrů a dopřednou rychlost zvýšil o 15 km/hod. Teplota klesla z 16 °C na 15 °C (takže 0,6 °C na 100 m). Letadlo s pilotem váží 500 kg, rychlost stoupání poháněná termikou odpovídala rychlosti při vzletu na plný plyn. Podobnou situaci prožil kolega V. Jirka, když před léty snímali termovizní kamerou a multispektrálním analyzátorem uschlý les na hřebenech Šumavy a ohřátý vzduch cloumal letadlem nesoucím dvě osoby.

Není pochyb o síle a rychlosti vzestupného proudění vzduchu nad suchými ohřátými plochami. Z ohřátého povrchu stoupá vzduch turbulentně v bublinách, které se postupně spojují ve vzestupný proud, letci nazývaný komín. Hnací síla je mohutná, jsou to stovky MW zjevného tepla uvolňovaného z 1 km2.

Když v červenci sklidíme řepku a obilí na 18 000 km2 polí, uvolňuje se z nově vzniklých ohřátých ploch zjevné teplo okolo 6000 GW (pro srovnání: instalovaný výkon všech našich elektráren je c. 14 GW). Takovým množstvím uvolněného tepla se zvýší tlak vzduchu a blokuje se přísun vlhkého vzduchu z Atlantiku. Vzpomeňme, jak v létě předpověď počasí avizuje příchod dešťových srážek, za několik dnů se však „fronta rozpadne, nepřijde“. Vytvořili jsme příliš odvodněných ploch bez funkční vegetace a nevědomky jsme tak „poručili větru dešti“. Namísto větru západního a jihozápadního trvá vysoký tlak, případně proudění z vnitrozemí.

Zásadní je, že voda vypařovaná vzrostlým lesem má šanci se vrátit zpět ve formě odpoledního deště, noční mlhy a rosy, protože se vypařuje z chladných stromů a vzduch nad lesem má vysokou relativní vlhkost. Vodní pára odnášená z přehřátých ploch odchází s ohřátým vzduchem o nízké relativní vlhkosti; pokud ohřáté plochy převládají, odchází vzdušná vlhkost vzduchem vysoko do atmosféry a následně do oceánu a kontinent vysychá. Jde o vážnou věc. Historické civilizace vyschly, aniž zvyšovaly obsah oxidu uhličitého v atmosféře, nevyužívaly fosilních paliv. Vyschly, protože postupně odlesňovaly a vysušovaly krajinu. Pokud jde o „třetinové pravidlo“ zmíněné profesorem Kopáčkem, je nutné rozlišovat, za jakých podmínek se vypařená voda vrací krátkým oběhem zpět a kdy odchází nevratně do oceánu. Podrobněji viz například: www.bioticregulation.ru, heslo „atmospheric rivers (A.D. Nobre)“, Ellison a kol. 2017.

Pohádka třetí, ta „O hodném oxidu uhličitém“

Na takový závěr se těžko odpovídá, věcně podstatu tohoto výkladu profesora Kopáčka shrnuji následovně: Příkon slunečního záření dopadajícího na povrch zemské atmosféry činí přibližně 1360 W/m². Toto množství energie je víceméně stabilní a dlouhodobě kolísá pouze v řádu procent. Za podstatné považuje radiační zesílení 1–3 W/m² způsobené od roku 1750 zvýšenou koncentrací skleníkových plynů.

Výklad: satelity měří na vnější vrstvě atmosféry v průběhu roku 1320 – 1410 W.m-2 přicházející sluneční energie, podle polohy Země na její eliptické dráze kolem slunce. Přesnost měření je 1% (tedy +, - 13 W.m-2). Profesor Kopáček píše, že hodnota sluneční konstanty (1360 W.m-2) kolísá dlouhodobě v řádu procent, tedy v řádu desítek W.m-2. Následkem zvýšené koncentrace skleníkových plynů stoupl skleníkový efekt, tzv. radiační zesílení od roku 1750 (tedy za 270 let) o 1 – 3 W.m-2. Uznáte, že je to neměřitelná hodnota vzhledem k přesnosti měření a kolísání sluneční konstanty? Zásadním pravidlem vědy je možnost opakovat měření, přesvědčit se. Marně se snažím dopátrat, kde se exaktně vzala hodnota radiačního zesílení 1 – 3 W.m-2. V materiálech IPCC je citována práce Myhre a kol. (2013) a hodnota radiačního zesílení pro CO2 1,37 x 10-5 .ppb. Přičemž ppb je 10-9, tedy například mikrolitr v m3. Z této hodnoty se potom počítá efekt zvýšené koncentrace oxidu uhličitého na vzrůst průměrné globální teploty celé naší planety? Na tom je založena daňová politika, emisní limity, kvůli tomu dováží Nizozemsko dřevo ze Sibiře a spaluje ho, a proto zavíráme uhelné elektrárny, Volkswagen prodělává dieselgate?

Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) ve své zprávě píše, že změna krajinného pokryvu nemá vliv na množství vodní páry ve vzduchu (Myhre a kol. 2013, str 666), to ovšem není pravda. Dokonce píší, že vzestup teploty je působen zvýšeným skleníkovým efektem, nikoli změnou krajinného pokryvu, tedy odlesněním a odvodněním. Vždyť tvorba mraků je značně ovlivňována krajinným pokryvem. Nad lesy je více mraků nežli nad odlesněnými oblastmi nebo nad městskými tepelnými ostrovy. Mraky redukují přísun sluneční energie mnohonásobně, snižuje se tak teplota, mraky nejenom absorbují sluneční energii, též jí odrážejí.

V projektu SIM4NEXUS (Horizon 2020) smluvně spolupracujeme s Ústavem pro studium klimatické změny v Postupimi a UNESCO IHE Delft, jsou to přední ústavy studia a modelování klimatu. Kolegové přiznávají, že spolehlivé modely pro hodnocení změny krajinného pokryvu na klima neexistují. Kvůli tomu, že nedokážeme reálně existující procesy modelovat, je přeci nemůžeme ignorovat! Podrobněji jsme tuto otázku rozebrali v pracích: Pokorný a kol. (2017a,b,c).

Příklady: po odlesnění části Mau Forest v Keni nastaly ranní mrazíky a vesničanům mrzla zelenina, snaží se proto o zachování horského lesa. U nás jarní mrazy, které ničí úrodu vína a ovoce, přicházejí za jasných nocí, kdy mraky necloní chladnou oblohu. Proč se neprojevuje zvýšený skleníkový efekt CO2 a dalších plynů při ranním mrazu? Rozhodující je přítomnost vody a vodní páry. Judith Schwartz tyto zkušenosti a funkci lesa popsala srozumitelně ve Scientific American. Ostatně A. Humboldt popisuje úlohu lesa před dvěma sty roky a varoval před odlesněním.

Pohádka čtvrtá, ta „O saharských můrách na Třeboňsku a českém kůrovci“

Takže i v této pohádce zůstává jediná (snad) pravdivá věc, a to, že na Třeboňsku byly nalezeny můry ze Sahary. Jakákoli spojitost s rozšířením kůrovce do zbytku ČR je básnická licence.

Profesor Kopáček píše: Nejpodstatnější ale je, že dosud žádná studie věrohodně neprokázala, že by nad plochami s uschlými stromy vznikaly měřitelně vyšší vzestupné proudy vzduchu, než je tomu nad okolními zdravými porosty.

Jak zmíněno výše, kolega Vladimír Jirka zažil silné vzestupné proudy nad uschlým lesem Šumavy. Výsledky jsme publikovali v Lesnické práci (Pokorný a kol. 2011), teploty uschlého lesa snímané termokamerou z letadla byly o 10 °C vyšší nežli teploty živého lesa.

Profesor Kopáček nepřesně interpretuje výsledky naší práce (Hesslerová a kol 2018) o postupném zvyšování povrchových teplot území, kde uhynul živý vzrostlý les. Hodnotili jsme časovou řadu satelitních snímků od roku 1991 do 2016.

Jediná dosažitelná data jsou z družice Landsat, která snímá teploty kolem desáté hodiny dopoledne, kdy se extrémy teplot teprve začínají vytvářet. I tak je oteplení uschlého lesa na satelitních snímcích jednoznačné.

Vysoké povrchové teploty v uschlém lese jsou zřejmé z obrázku pořízeném termokamerou, pro srovnání uvádíme teploty v nedalekém živém lese.

Profesor Kopáček píše: „skutečné teploty vzduchu ve 2 m nad terénem jsou pod uschlými smrky v průměru pouze 1–2 °C vyšší než v živém lese“. Pokud je mi známo, profesor Kopáček prováděl měření v karu Plešného jezera, který má severovýchodní expozici a výsledky potom vztahuje na slunci exponované hřebeny Šumavy.

S Pedagogickou fakultou Jihočeské univerzity řešíme projekt ETA TAČR: „Sluneční energie, voda v krajině, vegetace: nová metodika vzdělávání pracovníků městských úřadů a inovace školní výuky k tématu efektu hospodářských zásahů na regionální klima“. Zdokumentovali jsme hluboké a zásadní neznalosti tohoto tématu od základní školy, přes školy střední až na školy vysoké. Ještě v tomto roce zveřejníme výukové materiály a návody na praktická měření. Doufám, že se vrátí doba, kdy si opět uvědomíme a doceníme rozdíl stínu živého smrku a uschlého smrku a chládek v živém lese a horko v uschlém lese. Zatím rozhodují o osudu lesa na Šumavě lidé, kteří klimatickou funkci vzrostlého živého lesa popírají, někteří dokonce suchý les opěvují, protože teprve v něm prý nastávají ty pravé přírodní procesy.

Kde jsou ty doby, když jsme se učili, že les ve kterém jsou stromy několik set let staré, se může obnovit nejdříve za 500 let, těžko v něm ale již budou staleté smrky s rezonančím dřevem. Nastaly doby, kdy vysokoškolští profesoři hlásají, že živý vzrostlý les na horách nemá vliv na klima a oběh vody. Místo aby vysvětlovali pozorování praktiků, soutěží vědci o to, kdo je větším vědcem. Kdo má vyšší Hirschův index, je nositelem větší pravdy. Hospodáři v krajině (lesníci, rybáři, zemědělci) Hirschův index nemají, takže jejich praktickými poznatky jest opovrhováno. Jinou nedávnou tezí bylo, že je potřeba počkat, až odejde (rozuměj, vymře) stará generace lesníků, teprve potom prý umožníme lesům jejich spontánní vývoj. Děje se tak.

Literatura citovaná

Dykyjová D. a kol. 1989, Metody studia ekosystémů (Academia 1989), 690 stran
Ellison,D., Morris, C.E., Locatelli, B, Sheil D. a kol. (2017) Trees, forests and water: cool insights for a hot world, Global Environmental Change 43 (2017) 51–61 Contents lists available at ScienceDirect Global Environmental Change
Hesslerová, P., Huryna, H., Pokorný, J. and Procházka, J. (2018) The effect of forest disturbance on landscape temperature. Ecological Engineering 120, 345-354.
Hesslerová, P., Pokorný, J., Huryna, H., Harper, D. (2019) Wetlands and Forests Regulate Climate via Evapotranspiration., In, S.An, J.T.A. Verhoeven (eds.),Wetlands: Ecosystem Services, Restoration and Wise Use, Ecological Studies 238, pp.63 - 93
Myhre, G., Shindell, D., Bréon, F.-M., Collins, W., Fuglestvedt, J., Huang, J., Koch, D., Lamarque, J.-F., Lee, D., Mendoza, B., Nakajima, T., Robock, A., Stephens, G., Takemura T., Zhang, H.,2013: Anthropogenic and Natural Radiative Forcing. In: Climate Change (2013) The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment
Penman, H.L. (1948) Natural evaporation from open water, bare soil and grass. Proc of Royal Soc of London A 193, 120 - 146
Pokorný, J., Hesslerová, P., Jirka, V. (2011) Změny povrchové teploty lesa jako následek odvodnění a poklesu transpirace. Lesnická práce 12, 819 – 822
Pokorný, J., Hesslerová, P., Huryna, H., Harper, D, (2017a) Nepřímý a přímý termodynamický vliv mokřadů na klima – část 1., Vodní hospodářství, 67, 2 -5
Pokorný, J., Hesslerová, P., Huryna, H., Harper, D. (2017b Nepřímý a přímý termodynamický vliv mokřadů na klima – část 2., Vodní hospodářství, 67, 21 – 24
Pokorný, J., Hesslerová, P., Huryna, H., Harper, D. (2017c) Nepřímý a přímý termodynamický vliv mokřadů na klima – Diskuse., Vodní hospodářství, 67,
Pokorný, J., (2019) Evapotranspiration. In: Fath, B.D. (editor in chief) Encyclopedia of Ecology, 2nd edition, vol. 2, pp. 292–303. Oxford: Elsevier.© 2019 Elsevier B.V.
Schwartz, J.: http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=clearing-forests-may-transform-local-and-global-climate

Literatura doporučená:

Přečtěte si také |

Jiří Kopáček: Pohádky Jana Pokorného o Šumavě

Přečtěte si také |

Ladislav Metelka: Těžký omyl docenta Pokorného