Metan v přehradách se rodí i tam, kde bychom ho nehledali

Metan patří mezi nejvýznamnější skleníkové plyny současnosti. Přestože jeho koncentrace v atmosféře zůstává výrazně nižší než u oxidu uhličitého, v horizontu dvaceti let dokáže jedna molekula metanu zachytit přibližně osmdesátkrát více tepla než stejná molekula CO₂. Právě proto se v posledních letech výrazně zvýšil zájem o zdroje metanu v krajině, mezi nimiž hrají důležitou roli i přehradní nádrže.

Vodní nádrže byly dlouho považovány především za místa, kde se organická hmota ukládá do sedimentů a postupně rozkládá bez přístupu kyslíku. V takových podmínkách vzniká metan, který se následně hromadí u dna a odtud je transportován směrem k hladině. Tento „bottom-up“ model (model předpokládající, že metan vzniká hlavně u dna a postupně stoupá vzhůru) se stal základním vysvětlením metanového cyklu ve většině jezer a přehrad po celém světě.

Nová studie z Římovské nádrže v jižních Čechách však ukazuje, že skutečnost je podstatně složitější. Výzkumníci analyzovali jeden z nejrozsáhlejších souborů měření metanu, jaký byl kdy v evropské přehradě k dispozici. Během let 2016–2023 provedli stovky vertikálních profilů, tedy měření od hladiny až ke dnu v různých hloubkách a sledovali koncentrace rozpuštěného metanu v různých hloubkách i podél celé délky nádrže. Výsledkem je detailní trojrozměrná mapa metanové dynamiky (změn koncentrací a pohybu metanu v prostoru a čase), která odhaluje dosud přehlížené akumulační zóny a procesy probíhající napříč celým vodním sloupcem.

Nádrž není jednolitý prostor

Římovská nádrž je typickým příkladem údolní přehrady s výrazným podélným gradientem (postupnou změnou vlastností vody od říční části nádrže směrem k hrázi). U hráze připomíná hluboké jezero, zatímco v horní části má charakter pomalu tekoucí řeky. Právě tato kombinace vytváří mimořádně rozmanité prostředí, ve kterém se fyzikální, chemické a biologické procesy odehrávají různou rychlostí.

Analýza ukázala, že metan není rozložen rovnoměrně. Namísto jednoduchého nárůstu koncentrací směrem ke dnu vytváří soustavu opakovaně se objevujících „hotspotů“ (lokálních ohnisek s výrazně vyšší koncentrací metanu než v okolí). Tyto zóny se objevují v konkrétních částech nádrže a přetrvávají po řadu let, což naznačuje, že nejde o náhodné výkyvy, ale o důsledek dlouhodobě působících procesů.

Výzkumníci identifikovali dva hlavní hlubinné rezervoáry metanu (zásobní oblasti s dlouhodobě nahromaděným metanem). První se nachází v nejhlubší jezerní části poblíž hráze. Druhý překvapivě leží výše proti proudu v přechodové zóně mezi řekou a jezerem. Obě oblasti fungují jako dlouhodobá úložiště metanu vznikajícího v podmínkách bez kyslíku, přesto se jejich intenzita v průběhu roku výrazně mění.

Kyslík rozhoduje více, než se předpokládalo

Nejsilnějším faktorem podporujícím akumulaci metanu se ukázal být nedostatek kyslíku v hlubokých vrstvách. Během letní stratifikace (vrstevnatého uspořádání vody podle teploty a hustoty) se nádrž rozdělí na několik vrstev, mezi nimiž dochází jen k omezené výměně vody. Spodní hypolimnion (nejspodnější chladná vrstva vody oddělená od povrchu) je postupně izolován od atmosféry a zásoby kyslíku zde klesají až k anoxickým podmínkám (prostředí prakticky bez rozpuštěného kyslíku).

Právě tehdy nastupují metanogenní archea (jednobuněčné mikroorganismy produkující metan při rozkladu organické hmoty bez přístupu kyslíku), mikroorganismy schopné rozkládat organickou hmotu bez přítomnosti kyslíku. Produkce metanu prudce roste a plyn se začíná hromadit ve spodních vrstvách. Statistické modely použité ve studii ukázaly, že dostupnost kyslíku patří spolu se stářím vody, vodivostí (schopností vody vést elektrický proud, která nepřímo ukazuje množství rozpuštěných látek) a hloubkovou zónou mezi nejvýznamnější prediktory (ukazatele umožňující předpovídat určitý jev) prostorové variability (rozdílů mezi jednotlivými místy v nádrži) koncentrací metanu.

Překvapení těsně pod hladinou

Nejzajímavější výsledky ale nepřinesly hluboké vrstvy, nýbrž oblasti blízko hladiny. Autoři opakovaně zaznamenali zvýšené koncentrace metanu v epilimniu (horní prohřáté vrstvě vody v přímém kontaktu se vzduchem), tedy v povrchové vrstvě vody, která je v přímém kontaktu s atmosférou. Tyto epilimnetické akumulace (nahromadění metanu v povrchové vrstvě vody) se nejčastěji objevovaly v přechodové říční části nádrže a vytvářely stabilní emisní hotspoty (místa s mimořádně intenzivním únikem metanu do atmosféry). Právě zde totiž dochází k nejintenzivnější difuzi metanu (samovolnému přechodu metanu z vody do vzduchu vlivem rozdílu koncentrací) z vody do atmosféry.

Tento výsledek je významný, protože tradiční monitoring emisí z přehrad často předpokládá, že rozhodující zásoby metanu se nacházejí u dna. Římovská data však ukazují, že relativně malé množství metanu v povrchových vrstvách může mít pro výsledné emise větší význam než rozsáhlé zásoby uzavřené desítky metrů pod hladinou. Metan uložený blízko povrchu totiž nemusí překonávat dlouhou cestu vodním sloupcem a uniká do atmosféry mnohem efektivněji.

Metalimnion jako skrytá dopravní tepna

Dalším překvapivým zjištěním byly výrazné koncentrace metanu v metalimniu (přechodové vrstvě mezi teplou povrchovou a chladnou hlubinnou vodou, kde teplota rychle klesá s hloubkou). Tato vrstva představuje přechod mezi teplou povrchovou vodou a chladným hypolimniem a bývá charakteristická prudkým poklesem teploty.

Právě zde výzkumníci opakovaně pozorovali vznik metanových maxim (oblastí s nejvyššími koncentracemi metanu), která nebyla spojena přímo se sedimenty ani s povrchem. Studie naznačuje, že jde o důsledek tzv. hustotních intruzí (pronikání vodních mas o jiné hustotě do určité hloubky nádrže) a vnitřní cirkulace vody (pohybu vody uvnitř nádrže bez přímého vlivu přítoku či odtoku). Vodní masy s odlišnou hustotou se pohybují podél nádrže a přenášejí rozpuštěný metan na značné vzdálenosti. Výsledkem je vznik středně hlubokých akumulačních vrstev, které mohou obsahovat koncentrace srovnatelné s některými hlubinnými rezervoáry.

Tento mechanismus představuje zásadní odklon od klasické představy jednoduchého vertikálního gradientu (postupné změny koncentrace s rostoucí hloubkou), podle něhož koncentrace metanu pouze rostou směrem ke dnu.

Stáří vody jako nový klíč k pochopení metanu

Jedním z nejzajímavějších aspektů studie je využití modelovaného stáří vody. Tento parametr vyjadřuje dobu, po kterou se konkrétní vodní masa nachází v nádrži bez výraznější výměny s přítokem.

Ukázalo se, že stáří vody dokáže velmi dobře vysvětlit prostorové rozložení metanu. Starší vody v hlubokých částech nádrže mají více času na akumulaci rozpuštěných látek a současně bývají vystaveny delším obdobím nedostatku kyslíku. Naopak mladší vody v přechodových zónách vykazují vyšší dynamiku (rychlost změn a proměnlivost podmínek), rychlejší promíchávání a proměnlivější koncentrace.

Autoři dokonce porovnali stáří vody s dobou potřebnou k mikrobiální oxidaci metanu (procesu, při němž mikroorganismy přeměňují metan na oxid uhličitý). Tím vytvořili nový konceptuální rámec (teoretický model vysvětlující fungování systému), který umožňuje hodnotit, zda bude metan spíše spotřebován metanotrofními bakteriemi (bakteriemi využívajícími metan jako zdroj energie), nebo transportován do dalších částí nádrže a potenciálně unikne do atmosféry.

Souboj mezi producenty a konzumenty metanu

Metanový cyklus v nádrži není jednosměrný proces. Vedle mikroorganismů produkujících metan zde působí také metanotrofní bakterie (bakterie živící se metanem), které jej využívají jako zdroj energie a oxidují jej na oxid uhličitý.

Výzkumníci proto měřili také potenciál oxidace metanu (schopnost prostředí odbourávat metan prostřednictvím mikroorganismů). Výsledky ukázaly, že různé části nádrže fungují jako místa intenzivní produkce i spotřeby současně. Konečná koncentrace metanu tak představuje výsledek neustálého soupeření mezi biologickou produkcí, mikrobiální oxidací a fyzikálním transportem vody.

Důsledky pro odhady emisí

Zjištění z Římova mají význam daleko přesahující hranice jedné české přehrady. Vodní nádrže jsou dnes považovány za zdroj přibližně deseti procent globálních emisí metanu z vnitrozemských vod a jejich význam může s pokračujícím oteplováním dále růst.

Studie ukazuje, že zjednodušené modely založené pouze na měření u dna nebo na několika profilech nemusí zachytit nejvýznamnější emisní oblasti. Skutečné hotspoty se mohou nacházet v přechodových zónách, v povrchových vrstvách nebo ve středních hloubkách, kde je dosavadní monitoring často opomíjí.

Římovská nádrž tak představuje výjimečnou přírodní laboratoř, která ukazuje, že metan není pouze produktem anaerobních sedimentů (usazenin na dně bez přístupu kyslíku). Je součástí mnohem složitějšího systému zahrnujícího hydrodynamiku (pohyby a proudění vody v nádrži), vertikální stratifikaci (rozdělení vody do vrstev podle teploty a hustoty), stáří vody, mikrobiální procesy i podélný transport (přenos látek po délce nádrže od přítoku směrem k hrázi) podél celé nádrže.

Místo jednoduchého obrazu stoupajícího plynu z dna se před námi objevuje mnohovrstevnatá síť skrytých rezervoárů a transportních cest, které společně určují, kolik metanu nakonec skutečně unikne do atmosféry.