Nepřímý a přímý termodynamický vliv mokřadů na klima. Odpovědi na otázky ke článku.

Autor

Jan Pokorný

Poznámka redakce

Z diskusí vím, že článek vzbudil zájem. Obrátil se na mě jeden uznávaný vodohospodář, který je však spíše čistírník, s otázkami pro autory. Napsal mimo jiné: „Cílem těchto otázek je získat více informací o problému, kterým jsem se zatím nezabýval. Domnívám se také, že by odpovědi mohly být zajímavé i pro širší laickou i odbornou veřejnost. Necítím se však být dostatečně fundován pro případnou odbornou polemiku. Nepřeji si proto, aby mé jméno jako tazatele bylo u otázek uvedeno. Za respektování této mé žádosti předem děkuji.“ Toto jeho přání mu rád plním a ani panu Pokornému tato skutečnost nevadila, ba naopak ji chápal.

Václav Stránský

Úvodem je nutno konstatovat, že příspěvek RNDr. Pokorného je zajímavý, inspirující, nepoChybně odborně fundovaný. Pokud jsem ho dobře poChopil, motto článku je: Mokřady působí na lokální klima tak, že během dne své okolí chladí výparem vody… Přesto, že nejsem v této oblasti odborník, dovoluji si autorovi položit několik dotazů.
Děkuji za dotazy. Efektu vegetace a vody na klima se věnuje malá pozornost. Dokonce se píše o „botany blindness“, klimatologie se soustředila na efekt skleníkových plynů na klima. V našem článku jsme chtěli upozornit na nutnost věnovat se přímé úloze vody a rostlin na distribuci sluneční energie, tedy na klima. Pokusím se odpovědět na otázky. Jsem si vědom svých omezených znalostí. Moje odpovědi jsou spíše dalším hledáním.

Jak velký je vliv mokřadů na větší území v krajině. Jaký by měl být optimální rozsah mokřadů v krajině ve vztahu k lesům a zemědělské půdě. Znají autoři odpovědi a mají je matematicky dokladovány?
Pokud jde o „chladicí“ efekt, potom lesy dobře zásobené vodou chladí více, nežli mokřady typu sečených mokrých luk nebo rašelinišť/vrchovišť, jejichž povrch v periodě sucha vysychá a přehřívá se. K mokřadům patří olšiny, vrbiny, lužní lesy i podmáčené horské smrčiny. V debatě o klimatu uvažujeme vegetaci dostatečně zásobenou vodou. Vzrostlý les utváří klima v porostu vysokém 30–40 m. Na satelitních snímcích, podobně jako na termosnímcích pořízených z letadla, vzducholodi a nyní i z dronu, je vidět zřetelný rozdíl povrchových teplot za slunného dne. Spolehlivě tedy můžeme kvantifikovat rozdíl teplot různého krajinného pokryvu a místně změřit distribuci slunečního záření a chladicí efekt vegetace vyjádřit ve wattech/m2. Protože toky zjevného tepla (teplota vzduchu se zvyšuje na ohřátém suchém povrchu) a toky latentního tepla výparu (energie spotřebovaná na výpar vody) se pohybují v řádu stovek W/m2, můžeme na základě znalostí z mnohaletých měření odhadnout poměr a rozsah těchto toků i z teplotních snímků. Je dáno, že 250 W.m-2 latentního tepla výparu je rovno výparu 100 mg z m2 za sekundu.

Pokud se voda vypařuje z velké ploChy, je taková ploCha chladná a vodní pára se pohybuje pomalu vzhůru, voda se vypařuje z rostlin do vzduchu, jehož relativní vlhkost se zvyšuje. Aktuální evapotranspirace (ET) je blízká potenciální ET. Nad lesem, mokřadem se tvoří mlha, případně oblačnost, která tlumí podstatně průchod slunečního záření. Existuje práce prokazující více mlhy a oblačnosti nad lesy v Evropě nežli nad otevřenou krajinou. Kdysi jsme byli vyzváni, abychom zhodnotili množství biomasy v tropických deštných lesích, „do lesa nebylo většinou vidět“ pro mlhu a oblačnost.
Vaše otázka směřuje přímočaře: jaký podíl mokřadů potřebujeme, abychom obnovili krátký oběh vody v krajině, vytvořili jste pro takový odhad nějaký model? Myslím, že není možné prohlásit například „30 %“. Záleží na okolí. V Turkmenistánu je krajina tak vyprahlá, že povrchová teplota hor nedaleko Ašchabádu dosahuje 60 oC, vegetace (mokřady) jsou vystaveny jak advekci suchého vzduchu, tak dlouhovlnnému záření odpovídajícímu 60 oC tedy dalším 200–300W/m2 (StefanBoltzmanův zákon). Nelze tedy uvažovat les, mokřady izolovaně, aniž bereme v úvahu teplotu okolí. Satelitní snímky ukazují, že zemědělské plodiny znatelně chladí krajinu v době svého intenzivního růstu. Jde ovšem jen o periodu nejvýše 3 měsíců, než zastaví růst a jsou posečeny a holá půda se ohřívá i u nás až na 50 oC. Mokřady, podobně jako lesy, trpí přísunem teplého suchého vzduchu z okolních vysušených ploCh. V Belgii jsme naměřili v umělých mokřadech konstruovaných pro čištění odpadních vody výpar až 20 litrů za den z m2. To odpovídá 14 kWh skupenského tepla. Sluneční energie přicházející na 1m2 může odpařit 5–6 litrů (4,2 kWh), protože část sluneční energie se odráží (20 %), část ohřívá půdu a porost a mění se na zjevné teplo a část se vyzáří jako dlouhovlnné záření. Na Mokrých loukách u Třeboně při periodě bez dešťů jsme naměřili maximální ET 5–6 mm. Projevil se efekt advekce suchého vzduchu z nedaleké městské zástavby. Nemusí to být mokřady z definice, které zlepší klima, pomůže vegetace dobře zásobená vodou – lesy, ovoCné stromy s podrostem. Známe příklady obnovy suché krajiny (Keňa, Austrálie, Indie, Portugalsko). Je pozoruhodné, že například Jospat Macharia v Keni dokáže zadržet dešťovou vodu na farmě o ploše 2,2 ha a při hustém zápoji vegetace (zelenina, ovoCné stromy, zemědělské plodiny) si udržel vysokou produkci i při několikaletém období nedostatku dešťových srážek. Na větším území to prokázal Australan Peter Andrews (autor postupu Natural Sequence Farming), zadržoval dešťovou vodu v mokřadech a v okolí měl dobrou pastvu pro závodní koně, dokonce se lokálně vytvářely mlhy. Matematicky se o vyhodnoCení efektu vegetace s vysokou ET snaží mezinárodní tým okolo Gorškova a Makarievy (Biotic pump). Jde spíše o formální popis dějů. Autoři si nedělají ambice na přesnější predikci, už samotná kondenzace vodní páry zpět na kapalnou vodu je katalyzována na hranách listů/jehlic (nad m2 vzrostlého lesa je na 400 000 jehlic, které mají délku hrany nejméně 8 km), vegetace produkuje volatilní organické látky, které působí jako kondenzační jádra (urychlují kondenzaci), věda se zabývá též úlohou bakterií na listech, které též stimulují kondenzaci vodní páry. Mezinárodní tým, jehož jsem členem, se pokusil poznatky shrnout například v článku: Ellison et al. 2017 (Trees, forests and water: Cool insights for a hot world, Global Environmental Change).
Lze navrhnout zastoupení různého typu krajinného pokryvu, které v určitém časovém období za slunného dne zajistí evapotranspiraci například v rozsahu 200 W/m2.

Otázka tlakových výší a níží ve vztahu k mokřadům je myslím též dost podstatná. Oba tlakové stavy jsou většinou mohutné a domnívám se, že nedávají malým mokřadům moC šanci. Voda se vypařuje směrem vertikálním. Za tlakové výše, pokud nefouká vítr, nasycená pára odchází směrem do nenasyceného prostoru, kde se rozptyluje, aniž by, předpokládám, vytvářela koncen­trovaný komínový efekt. Od určité rychlosti větru nestoupá přímo vertikálně, ale šikmo vzhůru a opět se rozptyluje do okolního prostoru.
Měřili jsme délku periody rosného bodu na posečené louce a v nedalekém (200 m vzdáleném) mokřadním porostu nesečené chrastice a ostřic. Délka období rosného bodu v mokřadním porostu byla několik hodin, tedy násobně vyšší nežli v pokosené a již mírně odrostlé trávě. Odvodněné ploChy (posekaný trávník) se přehřívají, ohřátý vzduch stoupá a rozpouští oblačnost, na zem potom přichází více slunečního záření, stoupá i podíl přímého slunečního záření. Malé mokřady ztrácí více vody. Za extrémních podmínek sucha vegetace tlumí výdej vody, uzavře průduchy, otevřená hladina „se ovšem bránit nemůže“ a vypařuje se více vody. Malé mokřady v odvodněné zemědělské krajině a urbánních zónách jsou vystaveny advekci horkého vzduchu o nízké relativní vlhkosti a dlouhovlnnému záření o teplotě 50 oC. Malé mokřady klima nenapraví, protože zaujímají malou ploChu ve srovnání s přehřátým odvodněným okolím. Zní to paradoxně, avšak ohřáté povrchy o nízké ET fungují jako donory vody a chladné povrchy o vysoké ET jako akceptory vlhkosti, protože „přitahují“ vzdušnou vlhkost, která se nad nimi sráží. Souhlasím, že ostrůvky malých mokřadů na tlakovou výši nemají podstatný vliv.

Jak velký by musel být mokřad, aby ovlivnil lokální území za tlakové výše?
Tuto otázku nedokáži zodpovědět. Na úrovni poradního sboru pro „Koncepci oChrany před následky sucha v ČR“ převládal spíše názor, že mokřady ztrácejí příliš mnoho vody výparem a rybníky ještě více, takže není vhodné je podporovat v oblastech se srážkovým deficitem. Odborníci mají tedy na úlohu mokřadů a obecně na úlohu vegetace v klimatu zcela protichůdné názory. Je fakt, že dlouhodobě nejnižší srážky jsou u nás v odvodněných zemědělských oblastech jižní Moravy a Polabí. Od druhé poloviny 20. století ubývá srážek v odvodněných nížinách a přibývá srážek spíše na horách a na úrovni Evropy ve Skandinávii. V Indii v Darewadi (Herman Bacher, WOTR) po 12 letech zadržování vody a obnově vegetace se dešťové srážky začaly zvyšovat na revitalizovaném území cca 1 500 ha. Snažíme se získávat informace o podobných úspěšných projektech revitalizace vyschlé krajiny, kde se podařilo obnovit malý oběh vody. Obecně jde o souběh obnovy mokřadů a kulturních plodin. Jsou návrhy, jak zadržet na půdním bloku například o ploše 100 ha srážku 30 mm: zasakovací travní pás s hradítkem vedoucím dešťovou vodu do rybníka o rozloze 3 ha přes mokřad, musela by se přitom upravit i část odvodnění. Myslím, že takový zásah by už mikroklima změnil, tedy ztlumil teplotní výkyvy a zvýšil relativní vlhkost vzduchu.

Mikroklima obydlí, tedy snížení teploty, zvýšení relativní vlhkosti vzduchu a snížení extrémů teplot, ovlivní positivně již několik stromů a vlhká louka na sluncem exponované straně.

Bude mokřad ovlivňovat místní klima i při tlakové níži, kdy je nasycení vzduchu na 100 % relativní vlhkosti? A jak ho bude ovlivňovat?
Při tlakové níži je vysoká oblačnost a příkon sluneční energie je několikanásobně nižší nežli při jasné obloze. Teploty v krajině jsou v podstatě vyrovnané. Chladnější povrchy se „ohřály“ sraženou vodní párou, celkový příkon sluneční energie je nízký. Myslím, že mokřad v takové situaci místní klima neovlivňuje.

Jaký bude vliv mokřadů v zimním období na klima, komunikace, rostlinstvo, blízké i vzdálenější okolí? Je to vyhodnoceno?
Dovolte pouze několik dílčích odpovědí, spíše myšlenek: nyní v listopadu ještě nezamrzlý mokřad/rybník sousedící se silnicí bývá zdrojem námrazy na chladné silnici po ránu. Naopak na jaře bude mokřad vítaným sousedem sadu (i borůvčí), protože při vyšší relativní vlhkosti vzduchu se může vytvořit mlha bránící výdeji tepla vůči chladné obloze, květy nezmrznou. Obecně, mokřad bude tlumit stepní efekt, tedy extrémy teplot, nejenom teplotní kapacitou vody, ale i přeměnou skupenského tepla. Záleží na množství a charakteru vegetace. V mokřadu s vysokými stromy budou menší mrazy nežli v mokřadu bez zápoje stromů.

Jak velký vliv mají na „chladicí“ funkci mokřadů geomorfologické parametry území? Budou mokřady působit na lokální úrovni i tam, kde není velký rozdíl nadmořských výšek? Např. v Polabí, kde je rovina s velmi omezenými terénními nerovnostmi.
Přikládám termovizní snímek (obr. 1) rovinatého okolí obce Domanín nedaleko Třeboně pořízený za slunného letního dne.

VH2017-12_mokrady_01

Obr. 1. Termovizní snímek letní krajiny s různými typy pokryvu (archiv ENKI, o.p.s.)

Olšina, mokrá louka, hladina vody mají povrchovou teplotu 28–30 oC, posečená louka 42,5 oC, asfalt 49 oC. V následujícím grafu (obr. 2) jsou potom denní průběhy povrchových teplot na různém krajinném povrchu téže lokality.

VH2017-12_mokrady_02

Obr. 2. Denní průběhy povrchových teplot na různém krajinném pokryvu téže lokality jako na obr. 1. V poledních hodinách teploty posečené louky a asfaltu dosahují téměř 50 stupňů Celsia, povrchu s vegetací a vodou (les, mokrá louka, olšina) nepřesahují 30 stupňů Celsia

V rovinatém terénu v Keni jsme naměřili rozdíly teplot až 50 stupňů Celsia mezi povrchem holé půdy a porostem šáchoru a akácií. Rostliny dobře zásobené vodou se chladí výkonem několika set wattů na metr čtverečný. To je exaktně měřitelné a postupy jsou známy od poloviny 20. století. Mokřady v údolí by mohly mít větší šanci na uzavření krátkého oběhu vody, vodní páry by měly kondenzovat na okolních svazích.

Předpokládám, že u místně výrazných nerovností, např. Čertovy stěny na Šumavě, může být efekt výrazný. Jsou známa (naměřena a vyhodnoCena) experimentální data umožňující stanovit, kdy klimatizační efekt funguje, v jakém období nefunguje a jak dlouho tento „chladicí“ efekt funguje?
Rostliny reagují rychle na měnící se příkon sluneční energie. Za každou molekulu přijatého oxidu uhličitého vyloučí i několik set molekul vody. Pokud měříme rychlost odezvy fotosyntézy a transpirace na úrovni listu, jsou to desítky vteřin, pokud měříme rychlost transpiračního proudu v kmeni stromu, je odezva se zpožděním desítek minut, záleží na hmotnosti stromu. Pokud je mokřad v zastíněném údolí, neprojeví se rozdíly teplot, protože nepřichází dostatek sluneční energie.

Je statisticky vyhodnoCeno, kolik dní v roCe, a to v rozdílných stanovištních podmínkách (hory, vrchoviny, nížiny) by mokřady měly „chladicí“ efekt na místní krajinu? A je to odvozeno alespoň teoreticky pro území ČR? Je vyhodnoCeno, jaký počet, velikost a rozmístění mokřadů by bylo nutné pro různá zadání k zajištění požadovaného „chladicího“ efektu pro území ČR.
Nevím o takovém výzkumu a poChybuji, že existuje ve světě, natož u nás. Přímý efekt mokřadů a obecně vegetace zásobené vodou na klima se v posledních 25 letech téměř nestuduje. Efekt vegetace na klima byl redukován na albedo/odraz a na schopnost vázat/produkovat skleníkové plyny. Skleníkový efekt přitom způsobil od roku 1750 nárůst dlouhovlnné radiace 1–3 W/m2 (podle IPCC), to je hodnota neměřitelná, vždyť na hranici zemské atmosféry přichází v průběhu roku 1 320–1 410 W/m2, přičemž chyba měření je vyšší než 1 %.

Pozoruhodná je v této souvislosti role horských (často podmáčených) smrčin. Smrk tlumí teploty v březnu a do poloviny dubna, kdy ještě není funkční (olistěna) jiná vegetace. Mezi intenzitou slunečního záření je přímá vazba. Vegetace zrychluje růst a výdej vody s rostoucím příkonem sluneční energie. Margalef ukázal, kolik biomasy (rostlinné živé hmoty) má klimaxový porost v rovníkových oblastech, kam přichází na 2 500 kWh/m2.rok a o kolik méně jí má tundra (pod 1 000 kWh/m2.rok). V zimě přichází v mírném pásmu 5x méně sluneční energie nežli v létě. Rostliny reagují růstem a chlazením (klimatizací), jakmile by se povrch přehříval. V pojmech nerovnovážné termodynamiky, rostliny likvidují gradient teploty mezi Sluncem a Zemí a rostou, rozvíjejí se díky tomu. Obecně v mírném pásmu vysoké teploty následkem nedostatku vegetace a vody mohou nastat ve vegetační sezuně od dubna do konce září (obr. 3).

VH2017-12_mokrady_03

Obr. 3. Benešovsko, 26. 8. 2017, c. 650 Wm-2. Ohřátý vzduch vysušuje krajinu. Teplota sklizeného pole (48,3 oC) je jako teplota asfatu (49,1 oC)

Všechny otázky zde položené se týkají i malého oběhu vody v krajině. Opravdu funguje, a za jakých podmínek? Jsou naměřena data potvrzující tento oběh?
Kolumbus napsal do svého deníku (volně přepsáno): Na lesnatých ostrovech Karibiku každé odpoledne prší, takové deště byly také na ostrovech u Španělska, než jsme je odlesnili.

Máme nedávnou zkušenost z východní Afriky: vesničané v oblasti Mau Forest v Keni brání horský les v nadmořské výšce 2 800 m. Tam kde se odlesnilo, přestaly mlhy a drobný déšť a nastaly ranní mrazíky, které znemožňují pěstování zeleniny.
Na Třeboňsku jsme prokázali prodlužování period bez deště a ústup drobných dešťů. Velká část Třeboňska byla odvodněna, mokré louky přeměněny v pole.
Z chladných ploCh pokrytých vegetací se zvolna zvedá vodní pára, vystupuje vzhůru, oChlazuje se, sráží se, směrem vzhůru se uvolní skupenské teplo, poklesne mírně tlak (22 400 ml vodní páry se srazí na 18 ml kapalné vody), kapky padají dolů a nasaje se vzduch horizontálně z okolí. Tento malý vodní oběh, patrný zejména ve zdravém horském lese, recykluje vodu a nasává vzduch z okolí. Na velkých ploChách jde o ohromné množství přeměňované energie slunce a do toho „šťouchá“ coriolisova síla. Antonio Nobre o tom píše v souvislosti s Amazonií (atmospheric rivers), Willhelm Ripl popsal fungování horského pralesa v Alpách v krátkém oběhu vody. Věda se tomu věnuje v posledních dekádách málo. Klimatologové zaměření na skleníkový efekt jsou vůči krátkému oběhu vody skeptičtí. V historii můžeme najít více příkladů narušení krátkého oběhu a méně příkladů jeho obnovy.

Někde jsem viděl informaci, že souhrnný výpar vody se v ČR za posledních 20 let zvýšil z 68 % na cca 74–78 % celkové srážkové bilance. Napadá mi proto, že je třeba náš „příděl“ vody ze srážek prioritně dostat tam, kde výpar vody nehrozí – tj. zasakovat do podzemních vod, jejichž zásoba se nám tenčí.
Výborná otázka na zakončení, děkuji za ni. Začnu otázkou: čím je určen náš příděl dešťových srážek? (ovlivňujeme tento příděl krajinným pokryvem?) Jdeme správným směrem, když omezujeme výpar z velkých ploCh? Neměníme tím krajinu ve step, na kterou v létě neprší, vždyť srážek ubývá zejména v létě a v odvodněných, přehřátých oblastech? Všechny předchozí civilizace vyschly, neopakujeme jejich chyby – pěstujeme plodiny, jejichž kořeny nesnesou zatopení, takže pro ně upravujeme půdu (meliorujeme = odvodňujeme)?

Příklad: v dubnu za jasného dne stojíme na Karlově mostě a Vltavou pod námi protéká 100 m3 za sekundu, ploCha povodí, ze kterého Vltava sbírá vodu, je 27 000 km2. Pokud se průměrně spotřebovává na výpar vody 250W/m2, vypařuje se z celé ploChy povodí 2 700 m3 za sekundu (250W = výpar 100 mg/s). Za hodinu se tedy ve vegetační sezoně vypaří tolik, co proteče řekou za celý den. Pokud chceme pěstovat plodiny, les a trávu, měli bychom si klást otázku, kdy se vypařená voda z polí, lesa, luk vrací a za jakých okolností se naopak nevrací a z krajiny (z uzavřeného oběhu) mizí do atmosféry. Na chladná místa se voda vrací, na „suché pole“ neprší. Zemědělský výzkum obecně šlechtí plodiny s nízkým transpiračním koeficientem, na kilogram vypěstované biomasy spotřebují méně vody. Zavlažování v aridních oblastech se zaměřuje na efektivní dodávku vody plodině a hubí plevele a podrost, který „ubírá vodu“ plodinám. Dovoluji si namítnout: neohříváme tímto způsobem krajinu a neposíláme vodní páru pryč? Úspěšné revitalizace vyschlé krajiny se drží spíše zásady „každá kapka vody než odteče, nechť je využita rostlinou“.
Známe tzv. „vodní stopu“, tedy množství vody použité na určitý výrobek. Čím více vody se spotřebuje, tím hůře pro výrobek. Myslím, že v průmyslu to má smysl. Podle mne je proti smyslu věci zavádět „vodní stopu“ pro dřevo (což se údajně chystá). Strom, který má 500 kg suché biomasy, „spotřeboval“ na tvorbu této biomasy 150 000 litrů vody. Měli bychom stromu spíše poděkovat za to, že vyčistil 150 m3 vody, zlikvidoval gradient teplot a tlaků v rozsahu 0,7 x 150 = 105 MWh, který by se „vyřádil jako vítr a třeba i přívalový déšť.
Nemám velké zkušenosti se zvyšováním zásaku do podzemních vod. Pokud jsem se s tím sešel, bylo to na základě znalosti hydrogeologie a přes mokřad. Měli bychom využít různých způsobů, jak zadržet vodu na našem území, včetně obohacování podzemních vod.

doc. RNDr. Jan Pokorný, CSc.
a spoluautoři
ENKI, o.p.s.
Dukelská 145
379 01 Třeboň
pokorny@enki.cz

Admin
Typy vodních tokůRNDr. Petr Blabolil, Ph.D. (*1987)