Čo majú spoločné struny, splachovače, permafrost a naša budúcnosť

Spätnú väzbu poznáte asi všetci, čo ste niekedy boli na nie najlepšie nazvučenom koncerte. Alebo tí, ktorí hráte na gitare alebo ste aspoň videli hrať Jimiho Hendrixa (https://www.youtube.com/watch?v=53JpbrxM7O0). Pri hre na gitare vzniká spätná väzba vtedy, keď máte reproduktor tak nahlas, že zvukové vibrácie vychádzajúce z reproduktora rozvibrujú struny, čo zachytia snímače, ktoré vedú vibrácie do reproduktora, čím vytvárajú zvukové vibrácie, ktoré rozvibrujú struny a tie vibrácie zachytia snímače…

Áno, presne tak, ide to dookola ako nekonečná slučka. Stačí na začiatku malý podnet, jeden doznievajúci tón, uvoľnené struny a spätná väzba z vás spraví Hendrixa. Teda vlastne nie Hendrixa, na to by ste museli byť najlepším gitaristom histórie (to je fakt, ktorý uznal aj Eric Clapton a to je gitarový boh!). Ale aspoň môžete vyludzovať po chvíli neskutočne nepríjemný zvuk, ak sa s ním neviete hrať ako Jimi. Ale našťastie je recept na zastavenie spätnej väzby jednoduchý, treba stíšiť gitaru alebo pridržať struny.

Takto sa dá na praktickom príklade vysvetliť jeden extrémne dôležitý jav, ktorý hrá veľkú úlohu od prírodných vied, cez vedy spoločenské až po techniku. Existujú rôzne typy spätnej väzby, pre nás je dôležité základné rozdelenie na pozitívnu a negatívnu.

Pozitívnu spätnú väzbu som vysvetlil na príklade Hendrixa a jeho gitary, teraz ešte k tej negatívnej, pozitívnej sa ešte budem venovať. Príkladom negatívnej spätnej väzby, s ktorým sa stretávate asi dennodenne, teda pokiaľ nie ste Turek alebo nepoužívate latrínu, je splachovač. To by ste nepovedali, aký príklad dôležitého javu sa skrýva vo vašom byte alebo dome. Negatívna spätná väzba v splachovači, teda aspoň v tom klasickom, do ktorého som mal česť strkať prsty, funguje takto:

Voda priteká otvoreným potrubím (je tam síce ventil, ale ten uzavriete iba vtedy, keď idete splachovač opravovať) do nádoby splachovača. Za normálnych okolností by samozrejme pretiekla, keby tam nebol dômyselný uzatvárací mechanizmus. Ten bol v starých splachovačoch (nový som ešte neotváral, ale asi to nebude iné) zložený z príklopky, ktorá je cez páku napojená na plavák. Ten si pláva na povrchu vody, takže keď spláchnete, plavák klesne. Keďže je napojený pákou na príklopku, pohyb plaváka odtiahne príklopku z ústia potrubia a uvoľní prítok vody. Ten je samozrejme výrazne pomalší ako rýchlosť vody vypustenej zo splachovača, takže natečenie vody trvá dlhšie ako vypustenie. Práve to je dôvodom, prečo keď v noci spláchnete, otravuje to rodinu alebo susedov ešte nejakú tú minútku navyše – dostatočnú na to, aby ste im zničili spánok. Keď sa teda uzavrie výpust (na to stačí gravitácia), nádrž sa znova začne napĺňať a voda stúpať a zdvíhať plavák. V okamihu, keď je plavák tak vysoko, že cez páku znovu uzavrie príklopkou prívodné potrubie, napúšťanie vody sa zastaví. A to je negatívna spätná väzba.

A prečo je spätná väzba taká dôležitá, prečo je pozitívna spätná väzba pre nás často vlastne negatívna a čo to má s horúčavami, suchom a dokonca aj s klimatickou zmenou?

Nuž, začnime s tým suchom. Spätná väzba v prípade sucha funguje takto – krajina pre svoje fungovanie potrebuje vodu. Vodu najlepšie udržuje, nech si vodohospodári myslia, čo len chcú, flóra. Rastliny. A z nich úplne najlepšie stromy. Takže ak máme jeden rok sucho viazané na nejakú klimatickú zmenu (nemusí to byť len tá aktuálna), uschne veľa rastlín. Ak ich uschne priveľa, na druhý rok je rastlín v krajine menej, takže udržia ešte menej vody ako pred rokom. Navyše sa tým odkryje pôda, ktorá dokáže udržať oveľa viac vody ako horninové podložie, a je rýchlejšie denudovaná, teda odvievaná, prípadne odnášaná prívalovými dažďami. To je veľmi nepríjemné, pretože najrýchlejšie sú odnášané ílové minerály, ktoré majú najvyššiu schopnosť udržať vodu a zostávajú kremeň, živce, prípadne karbonáty, teda piesok. A piesok síce dokáže pohltiť do medzizrnových priestorov veľa vody, ale udržať ju veľmi nedokáže. Tým ešte viac klesne schopnosť krajiny udržať vodu. Tak sa teda prejavuje pozitívna spätná väzba, dôsledky sucha jeden rok zväčšujú dôsledky sucha nasledujúci rok. A keď to trvá dosť veľa rokov, zo zelenej krajiny sa môže stať púšť. Stalo sa to aj Sahare a bolo to také rýchle práve pre efekt spätnej väzby.

Podobne aj v prípade otepľovania spätná väzba urýchľuje efekty klimatickej zmeny. Nájdeme ju napríklad pri roztápaní ľadovcov. Pri ich roztopení sa znižuje albedo povrchu, pretože biely ľad zachytáva výrazne menej slnečného svetla ako povrch vody alebo čierna zem. A následne sa roztápa viac ľadovcov, keďže je teplejšie a to zas zrýchľuje otepľovanie.

Je tu však asi ešte väčší problém, ktorý si málokto uvedomuje, ale pritom to pokojne môže byť najdôležitejšia udalosť našej doby. A nemyslím tým našu covidovú dobu, ani dobu od poslednej svetovej vojny. Myslím našu geologickú dobu. Pretože spätná väzba už spôsobila nejedno vymieranie. A dokonca aj to najväčšie, permské, keď pred 250 miliónmi rokov vymrelo asi až vyše 80 % druhov na súši, ale dokonca aj v mori.

Všetko sa to začalo tam, kde sa to možno deje aj dnes – na Sibíri. Pred 250 miliónmi rokov sa začala etapa najväčších známych erupcií v histórii planéty (asi boli aj väčšie a dávnejšie, ale o tých už nemáme geologický záznam). Geologické procesy spojené s prísunom obrovského množstva horúceho materiálu od zemského jadra až do vrchného plášťa prostredníctvom tzv. plášťového chochola spustili vulkanické erupcii na ploche 7 miliónov kilometrov štvorcových trvajúce zhruba 2 milióny rokov. To sú nepredstaviteľné čísla, preto je úplne jasné, že dopad týchto erupcií na život na Zemi musel byť extrémny. Najmä preto, že im pomohla práve spätná väzba.

Erupcie sibírskych trapov (tak sa nazýva táto vulkanická formácia) najprv spôsobili niekoľkoročnú vulkanickú zimu, keďže do atmosféry vyvrhli nepredstaviteľné množstvo popola, ktoré zaclonili slnečný svit. Postupne však popol posadal na zem a začal pôsobiť ďalší efekt erupcií – oheň. Rozsiahle požiare sibírskych lesov spôsobili zvýšenie obsahu oxidu uhličitého v atmosfére. Čo robí tento plyn, asi už viete. A to, čo robí, teda zachytávanie tepla v podobe infračerveného žiarenia, rozbehlo spätnú väzbu globálnych rozmerov.

Oteplenie o niekoľko stupňov spôsobilo rozklad zlúčeniny nazývanej klatrát metánu alebo hydrát metánu. To je biela kryštalická látka, ktorá je vlastne niečo ako ementál zložený z ľadu, ktorý má v dierach molekuly metánu. Pôvodne sme si mysleli, že takéto čudo sa nachádza len v chladných častiach Slnečnej sústavy, ale ukázalo sa, že ho je veľmi veľa na chladnom oceánskom dne a v permafroste (to je stále zamrznutá pôda v arktických oblastiach). Rozpad klatrátu metánu na vodu a metán nastáva v závislosti od tlaku pri niekoľkých stupňoch Celzia. Teda teplotný rozdiel, ktorý na konci permu dokázal zabezpečiť oxid uhličitý z lesných požiarov.

Keď sa uvoľnil metán z oceánskeho dna, spôsobilo to skutočnú katastrofu. Priemerná teplota na planéte v krátkom období stúpla až o 10 stupňov. Ďalšia spätná väzba spôsobila zvýšený výpar vody, takže k superskleníkovému plynu metánu sa pridal ten najhorší „otepľovač“ planéty – vodná para. Zároveň so zvýšeným výparom vody sa zvýšila aj salinita (slanosť) morí, takže život v mori, ktorý ušiel nástrahám vulkanickej zimy, požiarov aj globálneho oteplenia, už nemal šancu uniknúť tejto spätnej väzbe. Trvalo asi až desať miliónov rokov, kým sa život vrátil do pôvodných koľají, len to bol už úplne iný život a úplne iné koľaje. Cesta pre dinosaury, hoci tiež tŕnistá a zďaleka nie priamočiara, bola otvorená.

A čo to znamená pre nás? Spätná väzba funguje aj pri rozmrazovaní permafrostu na severe Severnej Ameriky, Európy a Ázie. Pri každom rozmrazení sa totiž uvoľní množstvo metánu, ktorý ako skleníkový plyn zrýchľuje otepľovanie a teda aj ďalšie rozmrazovanie permafrostu a uvoľňovanie metánu. A tak ako s tou strunou to pôjde, kým sa spätná väzba nezastaví. Strunu zastavíme rukou, rozmrazovanie permafrostu a potom aj klatrátu metánu na oceánskom dne, ak sa už naozaj naplno rozbehne, zastaví iba to, keď sa už uvoľní všetok metán, ktorý sa uvoľniť bude môcť. My však pri tom asi už nebudeme, pre našu civilizáciu by bola tragická aj polovica z tých permských 10 stupňov.

Otázka je, či sa už struna rozozvučala a či ju ešte budeme vedieť zastaviť. Pretože sa zdá, že toto leto opäť prekonáva rekordy. Pred pár dňami v obci Lytton teplota dosiahla pre nás na Slovensku zatiaľ nepredstaviteľných 49,5 stupňa Celzia. Dobre, je to nejaký teplotný rekord, poviete si, raz za čas také padajú. Lenže toto je teplotný rekord pre Kanadu a Lytton leží na 50°13′52″ severnej šírky. Teda na presne takej istej zemepisnej šírke ako Letňany, mestská časť na severe Prahy. A práve v tejto chvíli (8. júla 2021 o 12:20) je v európskej časti Ruska za polárnym kruhom na brehoch Bieleho a Barentsovho mora teplota na opaľovanie – okolo 30 °C 5 cm nad zemou. Kúpať sa tam asi tak pohodlne nedá, predsa len sú to vody Severného ľadového oceána. A táto vlna horúčav si obieha pekne okolo celej Zeme tam, kde je práve popoludnie.

Samozrejme, jedno teplé leto permafrost neroztopí. Problémom sa to stane, keď sa takéto horúce letá na ďalekom severe začnú opakovať. A vyzerá to tak, že sa to deje, každé leto prekonáva rekordy predošlých rokov. Takže je naozaj najvyšší čas toto začať riešiť ako asi najväčší problém, s akým sa naša civilizácia stretla. Prekonať to môže len erupcia supersopky alebo pád asteroidy, ale na to radšej ani nepomyslieť…

 

Autor je zamestnancom Katedry mineralógie a petrológie Prírodovedeckej fakulty Univerzity Komenského v Bratislave a Oddelenia fyziky atmosféry Ústavu vied o Zemi Slovenskej akadémie vied.