toky sluneční energie v krajině energie v biomase. příčiny...
TRANSCRIPT
Toky sluneční energie v krajině -
energie v biomase. Příčiny změny
klimatu
doc. RNDr. Jan Pokorný, CSc. a kol.
ENKI, o.p.s. Třeboň
XXX. Seminář energetiků 21.-23. leden 2020
SINE SOLE NIHIL SUM bez Slunce nejsem nic
• Slunce ohřívá Zemi o 290 oC
• bez Slunce by bylo na Zemi 10 K (-263 oC)
• Co děláme v krajině se sluneční energií
prostřednictvím vody a rostlin?
• Zemědělec a lesník, územní plánovač ovlivňují
distribuci sluneční energie i množství a kvalitu
odtékající vody a ovlivňují místní klima
Vlhkost vzduchu, teplota
Sluneční
záření
Meteostanice
Shortwave radiation
Sensor (Rs)
Long wave radiation
Sensor (RL)
Solar energy panel
Air Temperature
&
Relative Humidity
Data logger
Soil Temperature
Computer
Sluneční záření při jasné a zatažené obloze
Denní průběhy přicházejícího slunečního záření
Odražené sluneční záření z vodní hladiny,
betonového povrchu atd.
Denní průběh hodnot zjevného tepla a latentního tepla
výparu (evapotranspirace) na betonovém povrchu, poli,
louce a mokré louce (stovky wattů na m2
.
Stáří 5 mld. let
SLUNCE
Uvolňovaná energie
3,8 x 1026 J / sec.
180 000 TW
10 TW
Tok sluneční energie k Zemi
Tok energie v ekonomice – co
si platíme
Slunce ohřívá planetu o c. 290 K
Bez sluneční energie by atmosféra byla tuhá!
Sluneční energie přicházející na
vnější vrstvu atmosféry
• V průběhu roku:
1351 Wm-2 až 1431 Wm-2
(+,- 3%) eliptická trajektorie
• Dlouhodobě stabilní výkyvy několik Wm-2
• (0.1%)
• Solární konstanta = 1367 W m-2
• (v konstatntní vzdálenosti od Slunce)
Zjevné teplo (ohřátý vzduch), které se uvolňuje z
několika km2 je srovnatelné s výkonem JETE
2000MW.
Výrazně ovlivňujeme teploty a proudění vzduchu a
vodní páry hospodařením v krajině
ENERGIE V BIOMASE
Roční produkce biomasy (tedy i uhlí)
0,5 %
z celkového množství energie přicházející za rok
Maximální produkce: 1 kg sušiny z 1 m2
1 kg obsahuje 5 kWh (18MJ) Počítána 100 % sušina
Sluneční energie přicházející na hranici atmosféry a radiační zesílení
působené skleníkovými plyny (podle IPCC)
Intergovernmental Panel on Climate
Change (IPCC)
Charakteristika klimatické změny:
• Střídání sucha a povodní
• Vichřice
• Přívalové srážky
• Extrémy a nepravidelnost (období sucha a záplav), sníh v Saudské Arábii, chlad v noci u Viktorina jezera.
• Vzestup teplot v korelaci se skleníkovými plyny
• Ubývání ledovců, zejména horských
Dačicko
Průměrné teploty ve vegetačním období (1901 – 2018);
(ČHMÚ, 2018). .
Dlouhodobé roční srážky se dříve pohybovaly podle Atlasu podnebí ČSR
(1958)
mezi 600 – 750mm .
http://www.ferdinand-engelbeen.be/klimaat/co2_measurements.html
Vztah/korelace mezi koncentrací CO2 a teplotou
povýšen na kauzalitu
• Mezivládní panel klimatické změny
(IPCC) vysvětluje změnu klimatu
výhradně skleníkovým efektem
působeným nárůstem koncentrace
skleníkových plynů (oxid uhličitý,
metan, oxidy dusíku).
• Ignoruje úlohu vody a rostlin
Temperature (°C)
Wat
er v
apour
conce
ntr
atio
n (
g.m
-3)
Wat
er v
apor
conce
ntr
atio
n (
ppm
)
Relative humidity 100%
Relative humidity 50 %
Koncentrace CO2 400 ppm
metan 1.5 ppm
Vodní pára několik tisíc ppm
až několik desítek tisíc ppm
several thousands up to
hundred thousands ppm
Koncentrace vodní páry ve vzduchu je proměnlivá a
mnohonásobně vyšší nežli koncentrace ostatních skleníkových
plynů, které se nákladně monitorují. Obrat vodní páry ve vzduchu
je rychlý
Obsah vodní páry a CO2 ve vzduchu Obsah vodní páry je vysoký a proměnlivý,
například při 21°C obsahuje vzduch nasycený
vodou 22 400 ppm (18 gramů v m3)
Vzduch nasycený vodou při 40°C obsahuje
62 200 ppm.
Obsah CO2 se zvýšil z 280 na 400 ppm od
roku 1750
Obsah metanu se zvýšil z 0.6 na 1.5 ppm
1,37 x 10-5 W.m-2 ppb CO2
z těchto hodnot se vychází při výpočtu globálního efektu
LATENTNÍ TEPLO se spotřebovává při výparu vody a uvolňuje při
kondenzaci
ochlazení ohřev
Energie ve vodní
páře
Objem vodní páry!!
Více než 1000 litrů kondenzace
Mírné změny tlaku vzduchu
Vyrovnávání teplot na Zemi
Teplý povrch Chladný povrch
Rn=J+P+G+H+L*E od poloviny 20. století
základní kurz
Zásadní je poměr mezi
H (zjevné teplo) a
LE (evapotranspirací)
Rozdíl v příkonu sluneční energie za
oblačného a jasného dne
• Sluneční energie za jasného dne
• cca 8 kW m−2
• maximální tok:1000 W m–2
je řádově vyšší nežli při zatažené obloze
• např. 0.78 kWh m–2
• maximální tok 100 W m–2)
Termovizní kamera nesená vzducholodí
Heliem plněná vzducholoď, délka 8m. Vybavená řídícím a naváděcím systémem,
výškoměrem a GPS naváděcím systémem. Elektromotor poháněný z akumulátoru. Pracovní
rychlost 5 m/s; výška do 1000 m, maximální doba letu 30 minut. Závěs na gondole udržuje
termovizi v pravém úhlu k povrchu zemskému. Frekvence snímání se řídí rychlostí letu.
Užitný vzor Jirka a kol 2011 (NPV 2B06023)
ChKO Třeboňsko, okolí obce Domanín
rovinatá kulturní krajina je ideální pro
dálkový průzkum země
16x snímkování během
9.7.2010
od 4:50 do 20:10
Krajinný pokryv ovlivňuje povrchové teploty
877 W/m2
51 °C
82 W/m2
26,9 °C
Transpirační proud
20 litrů za hodinu
14kW chlazení
Fotosyntéza 0,2kW
50 – 100 průduchů na mm2
Každý průduch působí
jako ventil,
reaguje na teplotu,
vlhkost vzduchu
a množství vody v rostlině.
Průduchy odpařují vodu a
přijímají oxid uhličitý
vydávají kyslík
Slunce Stín stromu a stín slunečníku
Klimatizační jednotka na obrázku má příkon
3,4 kW. Kam odevzdává teplo strom?
Ekosystémová služba stromu
• Strom transpiruje/vypaří např. 200 litrů za den
• 0.7 kWh/l skupenské teplo výparu vody
• 200 x 0.7 = 140 kWh
• 140 kWh se neuvolnilo jako zjevné teplo. Strom „uchladil“ 140kWh.
• Kolik bychom zaplatili za elektrickou energii 140kWh spotřebované klimatizačním zařízením? (c.420 Kč)
• Strom má dvojí klimatizační efekt (a) chladí, b) ohřívá mísa chladná
• Odvodnění a odstraňování vegetace má za
následek vzrůst povrchových teplot v letních
dnech s nízkou oblačností. Tento vzestup
teplot není zaznamenán standardním
měřením teploty v meteorologické budce.
• aneb
• změny teplot jsou mnohonásobně vyšší nežli
zaznamená teploměr „v meteorologické
budce“
Třeboňské náměstí s pohledem do parku
Slunný den – teploty na střechách, na dláždění
a teplota stromů v parku
Shrnutí: odvodněním, odlesněním
měníme zásadně toky sluneční energie
ve stovkách wattů na metr čtverečný.
Suché plochy se ohřívají stoupá z
nich teplý vzduch (zjevné teplo).
Vegetace zásobená vodou se
chladí výparem vody (latentní,
skupenské teplo)
• Suché plochy se ohřívají, od nich se
ohřívá vzduch, který unáší vodní páru
vysoko do atmosféry a vysušuje okolí.
• Porosty se neohřívají, vodní pára se může
v noci vracet kondenzací na rosu.
Vyrovnávají se tak teploty mezi dne a nocí
• Vytváříme z krajiny step a poušť a divíme se, že se krajina tak chová
• Stromy jsou exponovány vysoké povrchové teplotě a ohřátému suchému vzduchu. Usychají
• Potřebujeme ochladit krajinu zadržením vody a podporou trvalé vegetace, která chladí
• Nárůst koncentrace skleníkových plynů způsobil navýšení toku tepla o 1- 3W.m-2, vysušením zvyšujeme tok tepla o stovky W.m-2
• Na suché pole neprší
• Suchý vzduch stoupající z přehřátých
ploch vysušuje okolí a brání přísunu
vlhkého vzduchu
• Stromy a les se chladí výparem vody a
udržují krátký oběh vody. Velké lesní celky
přitahují vodu z oceánu
Zásadní rozpor v chápání výparu vody z
rostlinných porostů (evapotranspirace)
Evapotranspiraci je třeba omezit, je to
„plýtvání vodou“ (cíl: nízký transpirační
koeficient, co nejnižší spotřeba vody)
X
Evapotranspirace chladí, vyrovnává teploty
v čase a prostoru a přitahuje vodu
Zrychlený výpar vody
Ohřátý vzduch vysušuje
• Mokřady a lesy se chladí výparem vody, vodní pára pomalu stoupá vzhůru, relativní vlhkost vzduchu je vysoká (aktuální evapotranspirace (ET) je blízká potenciální ET). ET = několik mm za den
• Odvodněné plochy se ohřívají, ohřátý vzduch stoupá vzhůru a nedosahuje rosného bodu. Vzduch 40 oC obsahuje 50g vody v m3 (při 20% vlhkosti 10g). Při rychlosti 1,0m/s se „z m2 “ za 1hodinu transportuje vzhůru 36000g vody (36 litru) = mechanismus vysychání krajiny, tedy až stovky litrů za den
ČVUT Praha,Fakulta dopravní Mgr. I. Kameníková
ČVUT Praha, Fakulta dopravní, Mgr. I. Kameníková
ČVUT Praha Fakulta dopravní, Mgr. I. Kameníková
ČVUT Praha Fakulta dopravní, Mgr. I. Kameníková
Inverze teplot
ve dne v lese
udržuje vodu
v porostu
V korunách 31 C
Při zemi 21 C
31 C
21,3 C
Teplota na povrchu porostu 33 C, teplota půdy až 49 C
Teplý vzduch unáší vodní páru vzhůru – porost se vysušuje
33 C
41 – 49 C
Zásadní úloha lesa
• Biotic pump – Makarieva, Gorshkov
• Mechanizmus „nasávání“ vody lesem z
oceánů.
• Souvislé lesní porosty udržují vysoké
dešťové srážky hluboko do vnitrozemí
• a) inverze teplot
• b) pokles tlaku nad lesy po kondenzaci
vodní páry
How does precipitation vary in space and time in
world’s forested versus unforested regions?
Red numbered arrows: transects from Fig. 2 of Makarieva, Gorshkov, Li (2009) Ecol. Complexity 6: 302
White arrows: transects from Fig. 6 of Makarieva, Gorshkov, Li (2013) Theor. Appl. Climatol. 111: 79
KONGO
OB
AMAZONKA
MACKENZIE
S. AMERIKA
JENISEJ
LENA
Z. AFRIKA ↑
Z. AFRIKA ↓
J. AMERIKA
S. AUSTRÁLIE
V. ASIE
• Na pevnině je málo vody, odtekla by během několika let
• Voda na pevnině se doplňuje z oceánu vzdušným prouděním v nižší troposféře
• Vítr přináší vodu odpařovanou v oceánu
• Vlhký vzduch stoupá nad pevninu, ochlazuje se vodní pára kondenzuje, prší
•(„na suché pole neprší“)
Pevnina je
nad
mořskou
hladinou a
gravitací z
ní voda
odtéká
Přetahování o vodu Nad chladnou vegetací je nižší tlak vzduchu a proudí nad
ní vzduch. Pokud je pevnina suchá, bez vegetace, tak
odevzdává vodu oceánu a vysychá
PRINCIP BIOTICKÉ PUMPY
(Makarieva, Gorškov)
• Intenzivní výpar nad lesími porosty → zvýšená kondenzace →
snížení tlaku → pokles vertikálního tlakového gradientu →
pohyb vzduchu mimo lesy → nasátí vzduchu od oceánů
• Vzduch od oceánů je vlhký → podpora procesů biotické
pumpy
• Po vypadnutí srážky → suchý vzduch zpět nad oceány
Chceme vodu přijímat nebo odevzdávat?
• Vznik AKCEPTORSKÝCH (nízký tlak vzduchu, převládá vzestupné adiabatické proudění) a DONORSKÝCH (vysoký tlak, převládá sestupné adiabatické proudění) oblastí
• Rozdíl teploty mezi oblastmi se vzestupným a sestupným prouděním (až 3C)
• Rozdělení atmosféry do oblastí se srážkami a bez srážek
• DONORSKÉ a AKCEPTORSKÉ oblasti jsou spojeny horizontálním prouděním
PŘÍKLADY
• Sibiřské lesy – Zdroj vlhkosti: Severní ledový, Atlantický a Tichý oceán
– Zničení evropských lesů
– Dost vlhkosti, přetrvání těchto lesů díky dostatečné dotaci vody z oceánů
– Biotická pumpa „chrání“ klima v Evropě i přes likvidaci evropských lesů
– Odlesnění na Sibiři → znepravidelnění západních větrů přes Evropu → 2010 extrémní vedra na Sibiři, povodně v Evropských a Asijských státech
• Dnes dezertifikované oblasti Austrálie, Sahara, Arábie – V důsledku eliminace příbřežní lesní zóny
Toky sluneční energie v ekosystémech
• Fotosyntéza (primární produkce): až 10 W m-2
• Evapotranspirace : stovky W m-2
• Rozklad organických látek/dekompozice: desítky W m-2
• Ohřev porostu: nejvýše desítky W m-2
• Radiační zesílení od roku 1750: 1 – 3 W m-2
• Sluneční energie na vnější hranici atmosféry během roku 1321 W m-2 - 1413 W m-2
• Sluneční energie na za slunného dne až 1000W m-2
Schéma využití sluneční energie v podmínkách ČR.
Za rok dopadne na m2 vodorovné plochy přibližně 1100 kWh.
Přibližně 20% se odrazí (z vodní hladiny pouze 5 -7%,
z betonové plochy 25%). Fotosyntézou do biomasy se naváže
méně než 1% sluneční energie, fotovoltaické panely využijí
okolo 13% na výrobu elektrické energie, termální kolektory až
30% (záleží na požadované teplotě a možnosti využití v létě).
Do 10% sluneční energie ohřívá půdu. Největší podíl sluneční
energie se uplatní při výparu vody. Pokud schází voda a rostliny,
sluneční energie se nespotřebovává na výpar vody, ale ohřívá
povrch a od ohřátého povrchu se ohřívá vzduch, který stoupá
do atmosféry.
Distribuce sluneční energie za slunného dne: na m2
vodorovné plochy přichází až 1000W, fotosyntézou do
biomasy se váže několik wattů, FV panel vyrábí na
130W.m-2, fototermální panel váže několik set W.m-2.
Voda a vegetace dobře zásobená vodou váží několik
set W.m-2 na výpar vody. Pokud je povrch suchý,
několik set W.m-2 se spotřebovává na ohřev povrchu,
od kterého se ohřívá vzduch, který stoupá do
atmosféry. Část přicházející sluneční energie ohřívá
půdu (do 100 W.m-2), část se odráží (50 W.m-2 z vodní
hladiny, 250 W.m-2 z betonového povrchu, 170 - 200
W.m-2 z vegetace)
Trnobranský 2015, dipl práce, FŽP ČZU, vedoucí práce J. Pokorný
Bioplyn a štěpku lze skladovat – kolik by stála baterie?
K úvaze • Na vytvoření 1kg biomasy spotřebuje
rostlina/strom 5kWh sluneční energie a vznikne
5 – 10kg živé hmotnosti rostliny (obsahuje
vodu), která za rok vypaří 500 kg vody, což
představuje 350kWh chlazení a 350kWh ohřevu;
vyrovnávání teplot + biotická pumpa 700kWh.
• Jsou tu rostliny na to, abychom je přednostně
pálily?
• Energie z uhlí poháněla průmyslovou revoluci a
dosavadní rozvoj a šetřila lesy/klima. V
zatopených lomech je kvalitní voda
O. Hermann Bacher : „Ak to pôjde v Darewadi,
tak to pôjde kdekoľvek...“
• - náklady v Darewadi (1500 ha)
boli len 12 miliónov rupií (cca
270.000 € v kurzoch v r. 1996)
• Výnosy z poľnohospodárstva
stúpli približne 6x a dosiahli 56
miliónov rupií (cca 850.000 €)
• Počet studní stúpol 20x, plocha
poľnohospodársky obrábanej
pôdy 2x, vlastníci televízorov
40x, motorky z 0 na 83. Objavili
sa i prvé štyri traktory.
• obyvateľstvo sa začalo vracať
späť z miest
Darewadi v r. 1996
...a v r. 2009
Zvyšovanie hladiny podzemnej vody
(Darewadi)
increase of underground water level
• V ČR v dnešní postfaktické době
(Postfaktumzeitalter) je rozvíjeno
několik protichůdných tezí o funkci
lesa (vegetace) ve vodním režimu
krajiny a klimatu.
Neshody, kontraverze: (Poradní sbor
„Koncepce sucho“, schváleno vládou 28.7.
2017) • Rybníky mají otevřenou hladinu vody, vypařují mnoho vody,
nebudeme je stavět (K)
• Mokřady nemohou zadržovat vodu, jsou jí plné. Vypařují mnoho vody. Nepodporovat (P)
• Stromy vypařují mnoho vody, kazí hydrologickou bilanci. Uschlý les vypařuje méně než živý
• Uschlý les na Šumavě nemá podstaný vliv na hydrologii. Přízemní vegetace les nahradí (JH, profesoři UK)
• Odpověď: krajina vysychá ohřátým vzduchem z odvodněných ploch. Stali jsme se donorem vody (vodní páry), vysycháme progresivně.
• Trvalá vegetace a voda ochlazují krajinu a přitahují vodu
Les chladí sebe a své okolí, tlumí extrémy teplot a
tlumí extrémy vodního režimu evapotranspirací
• Odlesnění vede k vysychání krajiny, extrémům teplot, zrychluje se odtok vody. Zkušenost historických civilizací prokázala opakovaně positivní úlohu lesa v klimatu, proto je tato funkce zakotvena v Lesním zákonu od počátku.
• Alexander von Humboldt, G.P. Marsh 1864 (Man and Nature), mostem k moderní vědě o klimatu lesa jsou postupná vydání monografie R.Geigera (Climate near the Ground), 4 vydání Environmental Physics (Monteith, Unsworth). V. Úlehla (Napojme prameny – O utrpení našich lesů, 1947). Funkce lesa shrnuty v PolicyBrief pro COP21 v Paříži 2015.
Obnovou lesa v degradované krajině lze vrátit srážky,
vodu, obnovit úrodnost a ztlumit extrémy počasí.
• Napodobování vertikální struktury lesa v kulturní krajině je strategií jejího setrvalého užívání, obnovený krátký oběh vody zaručuje distribuci sluneční energie přes výpar, vyrovnávání teplot, recyklaci živin, primární produkci, obnovu půdy (ukládání uhlíku): -
• Rajastan v Indii, zakládání terasovitých drobných vodních nádrží na dešťovou vodu, obnova lesa ze 7% na 40% pokryvu, 1000km2 (Bhatacharya, 2015).
• Darewadi, Indie, na 1500ha aridní půdy byla obnovena trvalá vegetace, zadržování dešťové vody, zvýšila se hladina vody ve studních, obnovena zemědělská produkce, (Rao, Mathur 2012).
• Tamera (Portugalsko), Natural Sequence Farming Austrálie (Peter Andrews), Keňa (Macharia, Oserian Farm).
• Vykácej les (Sci Am), FG review, INTECOL 2018)
• Připravují se rozsáhlé projekty na Arabském poloostrově
• V srpnu 2015 byla sklizena řepka a obilí na
1 800 000ha polí, do atmosféry z nich proudilo teplo cca 9000GW (12 GW je instalovaný výkon elektráren v ČR, z toho JE Temelín má 2GW).
V Severní Americe se následkem odvodnění mokřadů uvolňuje na 180 000GW.
Ve východní Africe pokrýval v polovině 20. století les 50% území, nyní 2%. Jak taje ledovec na Kilimandžáru?
Doporučení IPCC pro politiky a decisní sféru
- co se platí?
• sekvestrace GHG (skleníkové plyny, zejména oxid
uhličitý, metan
• geosekvestrace
• snižování produkce metanu v žaludku přežvýkavců
• V doporučení IPCC pro politiky není
zmíněn přímý efekt vegetace a vody na
regionální klima. IPCC redukuje úlohu
vegetace na albedo a sink/source of CO2 • (osobní jednání JanP s DG Environment)
Zastavit desertifikaci a vrátit zpět
funkční vegetaci:
Zlepšení klimatu a dostatek vody
Více biomasy, více potravy
Zvýšení biodiverzity
Sekvestrace uhlíku
Recyklace a zadržení živin, úrodnost půdy
zaměstnanost
Nějaký negativní efekt??
Kravčík, M., Pokorný, J., Kohutiar, J. et al: 2009, Water for Recovery of Climate
www.waterparadigm.org
Eiseltová, M., Pokorný, J., Hesslerová, P., Ripl, W. 2011 Evapotranspiration – A
Driving Force in Landscape Sustainability In: Ayse Irmak (ed.)Evapotranspiration –
Remote Sensing and Modeling, InTechopen, pp 305 – 328, Rijeka, Croatia
Program na podporu aplikovaného
společenskovědního a humanitního výzkumu,
experimentálního vývoje a inovací
TAČR ETA
• Sluneční energie, voda v krajině,
vegetace: nová metodika vzdělávání
pracovníků městských úřadů a inovace
školní výuky k tématu efektu
hospodářských zásahů na regionální klima
• Jihočeská univerzita v Českých
Budějovicích ENKI, o.p.s., Město
Dačice
Vegetace chladí: Porost akacie: 20 C
holá půda, písek: až 70 C
Uschlý les na Šumavě, povrchová teplota
kmenů dosahuje 70 oC (Třístoličník)
V živém, vzrostlém lese povrchová teplota
nepřesahuje 36 oC, takový les vyčesává
vodu z mraků.