Cena předsedy Grantové agentury ČR se uděluje od roku 2003 a každoročně ji získá pouze pět vědců a vědkyň napříč technickými, přírodními i humanitními obory. Jubilejní ročník letos uzavřel symbolickou stovku oceněných, mezi něž se nově zařadil prof. Ing. Jiří Mikyška, Ph.D z katedry matematiky. K oceněnému projektu ho přivedla myšlenka, která je stále aktuálnější – co se děje s půdou, když taje permafrost? Na tuto a další zajímavé otázky odpověděl v rozhovoru.
Tání arktické půdy v arktické oblasti není jen příběh vzdálený tisíce kilometrů. Proč bychom se tím měli zabývat i tady v Česku?
Globální klimatická změna působí na celé planetě. V Arktidě vede k rozmrzání dříve trvale zamrzlé půdy. Kromě vody jsou v ní zamrzlé i další látky, mimo jiné i metan, který se potom může uvolňovat do atmosféry. V té působí jako skleníkový plyn, což přispívá k dalšímu oteplování planety.
Mluví se o uvolňování metanu z permafrostu. Proč je to tak velký problém pro planetu?
Podle dostupných informací způsobí metan v horizontu dvaceti let zhruba osmdesátkrát vyšší skleníkový efekt v porovnání s oxidem uhličitým, ve stoletém horizontu je zhruba třicetkrát vyšší. Ve srovnání s oxidem uhličitým je sice metanu v atmosféře daleko méně, ale dokáže absorbovat mnohem víc energie. Jeho účinek na globální oteplování na jednotku hmotnosti je tak podstatně silnější.
Jak byste jednoduše vysvětlil, co vlastně pomocí projektu zkoumáte a na co se snažíte přijít?
Projekt byl zaměřený na zkoumání proudění, transportu látek a tepla a změny struktury zeminy související se zamrzáním, respektive táním vody v porézním prostředí. Dívali jsme se například v detailu na to, jak probíhá zamrzání písku nasyceného vodou, kdy při tuhnutí vody dochází ke skokové změně hustoty. Led má totiž menší hustotu než voda. Cílem bylo prozkoumat, jak rozpínající se led působí na zrna horniny a jak se zrna písku pod vlivem rostoucího ledu deformují. Zajímavé bylo vidět, jak snadno led pohybuje zrny písku na povrchu porézního prostředí.
V další části projektu jsme se zabývali popisem transportu různých látek v rozmrzající zemině, kdy při změně podmínek, jako jsou teplota, tlak, se může plyn, který byl původně rozpuštěný ve vodě, uvolňovat a vytvářet plynnou fázi. V tomto případě je potřeba simulovat takzvané vícefázové proudění, kdy dochází k transportu látek v plynné fázi a kapalné fázi, přičemž obě fáze si mohou mezi sebou vyměňovat komponenty. Můžou tak vznikat a zanikat v průběhu experimentu v závislosti na okolních podmínkách.
Ve výzkumu jste kombinoval experimentální studii a matematické modelování. Proč je důležité nejen měřit, ale i počítat?
Měření je důležité, protože potřebujeme relevantní data pro kalibraci matematických modelů. Bez nich bychom mohli modelovat cokoliv a nebylo by zaručené, že výsledky budou ve shodě se skutečností. Laboratorní pokusy jsou ale náročné a neumožní testovat chování systému za všech možných podmínek. Některé pokusy jsou těžko proveditelné, nebo dokonce nebezpečné, takže je ani nechceme provádět. Zkuste si představit, jak experimentálně ověřit, co by se stalo, kdyby globální průměrná teplota na Zemi vzrostla o deset stupňů Celsia. Uměle vypouštět do atmosféry skleníkové plyny tak, abychom dosáhli tohoto oteplení a zažívat na vlastní kůži jeho účinky určitě nechceme. Na počítači takovéto scénáře můžeme nasimulovat i bez katastrofických následků, které by přinesl reálný experiment.
Co se díky Vašemu výzkumu lze dozvědět o tání permafrostu a jeho vlivu na klima?
Předně bych asi měl říct, že ani já, ani moji kolegové nejsme klimatologové. V oceněném projektu jsme se snažili popsat detaily transportu látek a tepla a mechaniku zamrzající či tající zeminy pro uměle vytvořené systémy zkoumané v malém laboratorním měřítku. Neřešili jsme situaci v konkrétní lokalitě, jednalo se o projekt základního výzkumu. Vytvořené modely se podařilo úspěšně nakalibrovat a zreprodukovat laboratorní data. Kromě transportních modelů vznikly i nové formulace termodynamických modelů, které popisují přestup látek mezi fázemi, například rozpouštění nebo uvolňování oxidu uhličitého. Metody byly publikovány a jsou k dispozici dalším vědcům, kteří je můžou využít ke zhodnocení vlivu tání permafrostu na klima.
Znamená to tedy, že dokážeme lépe předpovědět, jak rychle a v jakém množství se uvolní metan?
Ano, je to možná aplikace našich modelů.
Jak mohou Vaše výsledky pomoci třeba klimatologům nebo dalším vědcům, kteří se snaží modelovat či předpovídat budoucí vývoj?
Protože dokážeme nasimulovat detaily transportu látek a tepla v zamrzající či tající zemině, můžeme studovat například významnost jednotlivých transportních procesů v konkrétních případech a porozumět, co je v dané situaci důležité více a co méně. Vyhodnocení dopadu uvolňování metanu z tajícího permafrostu bych však přenechal klimatologům.
Co plánujete s výzkumem dál?
Metody lze uplatnit i v dalších oblastech. V současné době řeším další projekt GAČR týkající se získávání geotermální energie. V tomto případě je potřeba simulovat současně několik fyzikálních jevů – přestup tepla z horninového masivu do tekutiny, která je v hornině přítomna, proudění tekutiny a transport tepla v porézním a puklinovém prostředí a v neposlední řadě i růst puklin vlivem hydraulického štěpení, což je původně metoda vyvinutá ke zvyšování výtěžnosti ropy z nekonvenčních rezervoárů. Zde je ale využita pro zvýšení výtěžnosti energie z geotermálního zdroje. Další oblastí, na kterou bych se chtěl v budoucnu zaměřit, je ukládání vodíku v podzemí.
Výzkum se odehrával na naší fakultě. Spolupracujete i s dalšími vědeckými institucemi nebo týmy, například v zahraničí?
Výzkum probíhal na katedře matematiky a katedře inženýrství pevných látek ve spolupráci s kolegy z katedry hydromeliorací a krajinného hospodářství Fakulty stavební ČVUT. Na pracovištích se připravovaly experimentální vzorky, které byly testovány na dalších spolupracujících institucích. Měření probíhala na urychlovači ÚJF v Řeži u Prahy a na magnetické rezonanci v Juelichu v Německu. Vývoj souvisejících matematických modelů byl možný díky spolupráci s předními americkými výzkumnými institucemi. Spolupracovali jsme například s Colorado School of Mines v Goldenu v Coloradu, nebo s Reservoir Engineering Research Institute v Palo Alto v Kalifornii.
Na Jaderce působíte na katedře matematiky. Jaká je zde Vaše role?
Kromě výzkumu garantuji výuku několika matematických předmětů ve všech stupních studia. Vedu bakalářské, diplomové i dizertační práce, podílím se na propagaci katedry při organizaci Dnů otevřených dveří, administruji studentskou anketu, jsem členem oborových rad doktorských studijních programů Aplikovaná informatika na FJFI a Numerická a výpočtová matematika na MFF UK. K tomu všemu dělám posuzovatele projektů panelu P105 Grantové agentury ČR.
Za svůj výzkum jste získal významné a prestižní ocenění GAČR. Co to pro Vás osobně znamená?
Ocenění si nesmírně vážím. Ocenění chápu jako poděkování patřící všem členům řešitelského týmu, kteří na projektu spolupracovali. Bez fungující spolupráce expertů z několika oborů by nebylo možné těchto výsledků vůbec dosáhnout.
Co Vás na zvoleném tématu nejvíc fascinuje?
Nepřestává mě fascinovat, když se podaří úspěšně využít matematiku k simulaci procesů probíhajících v reálném světě.
A jak jste se k tomuto tématu dostal?
Při svém studiu na Jaderce. Ve třetím ročníku jsem si vybral téma, tehdy to byla takzvaná rešeršní práce, u profesora Michala Beneše, se kterým jsem se zabýval transportem tepla v okolí zdrojů geotermální energie. Později mě seznámil s profesorem Tissou Illangasekarem z Colorado School Mines v Goldenu, který byl mým školitelem specialistou na doktorském studiu. Zabývali jsme se numerickou simulací dvoufázového proudění v porézním prostředí, simulující například únik ropných látek do podzemní vody. Obnášelo to pravidelné návštěvy coloradského pracoviště. Po doktorátu jsem se seznámil s profesorem Abbasem Firoozabadim z Reservoir Engineering Research Institute v Palo Alto, kde tou dobou řešili podobné problémy. Tak jsem se dostal k termodynamice směsí, fázovým přechodům a jejich využití při simulaci transportu látek v podzemí. Postupem času jsem se dostával ke stále složitějším problémům, až to dospělo k zamrzání a tání.
Jakou radu byste dal mladým lidem, kteří uvažují o kariéře ve vědě?
Studujte obor, který vás zajímá a vyjeďte do zahraničí. Zjistíte, že v některých oborech jsme na světové úrovni, zatímco v jiných oblastech máme co dohánět. V zahraničí udělejte díru do světa a nezapomeňte se pak vrátit a tu zkušenost přivést domu.
Foto: David Březina, FJFI ČVUT