nedeľa, 1. septembra 2013

Dočkáme sa ďalšieho otepľovania (?)

Spomalenie otepľovania v období posledných 15 rokov je klimatologicky zatiaľ nevýznamné

Argumenty spojené s tvrdením, že od roku 1998 sa globálna teplota zásadnejšie nezvyšuje, možno síce prijať za vecné a korektné, no nič viac už nehovoria o tom, či pozorované spomalenie otepľovania je významné aj z pohľadu klimatológie a štatistickej analýzy, a tiež o tom, aké fyzikálne mechanizmy možno hľadať za týmto fenoménom. Vo svetle vedeckých faktov dokonca neobstojí ani tvrdenie, že predošlé správy IPCC sa v predpovediach budúceho vývoja globálnej teploty úplne mýlili, a teda, že otepľovanie atmosféry v posledných desiatich rokoch nesledovalo žiadny z predostretých scenárov klimatickej zmeny. Spomalenie tempa otepľovania spodných vrstiev troposféry v posledných 15 rokoch treba síce prijať ako objektívny fakt, no existuje celý rad dôvodov, prečo by sme mali považovať túto „pauzu“ v raste globálnej teploty za klimatologicky (štatisticky) nevýznamnú a z pohľadu času za dočasnú udalosť vo vývoji klimatického systému Zeme. Okrem toho, že poznáme hneď niekoľko fyzikálnych mechanizmov, ktoré k tomuto spomaleniu prispeli, jeho príchod predpovedalo hneď niekoľko klimatických modelov, a to aj napriek tomu, že počítali s ďalším zosilňovaním skleníkového efektu.


Obr. 1: (hore) Vývoj odchýlok globálnej teploty (kombinované pevniny - oceány) podľa troch svetových databáz GISS (vľavo), CRU (v strede) a NOAA (vpravo) v období 1880-2012 - sivé krížiky sú mesačné štandardizované hodnoty teploty, červená krivka predstavuje zhladenie pomocou 12-mesačného kĺzavého priemeru - veľkosť lineárneho trendu za dekádu je zobrazená v hornej časti grafu; (dole) vývoj odchýlok globálnej teploty podľa GISS (vľavo), CRU (v strede) a NCDC (vpravo) s odfiltrovaným vplyvom prirodzenej variability (ENSO, sopečné erupcie, slnečná aktivita, atď.) v období 1979-2011 (Zdroj)

Na úvod nebude na škodu sa zamyslieť nad nasledovnými faktami. V období od roku 2001 hlásilo viac ako 56 krajín sveta prekonanie národných historických rekordov maximálnej teploty vzduchu. Zaujímavosťou je aj to, že v rámci tejto periódy sa nevyskytol ani jeden mesiac, ktorý by bol na globálnej úrovni v porovnaní s dlhodobým teplotným priemerom podnormálny (taký sa de facto nevyskytol už od roku 1985). Okrem toho, sme v rámci poslednej dekády (2001-2010) zaznamenali dva najteplejšie roky v histórii meteorologických pozorovaní, a to rok 2005 a 2010 (nasledované sú rokom 1998). V čom sú ale tieto fakty pozoruhodné? Predovšetkým v tom, že k tomuto všetkému došlo v období s pomerne slabou slnečnou aktivitou, a predovšetkým s dominantným vplyvom chladnej fázy ENSO-Južnej oscilácie (La Niña), ktorá dokáže zraziť globálnu teplotu aj o viac ako 0,15 °C. Namiesto toho, aby globálna teplota teda poklesla o minimálne 0,1 °C, len spomalila tempo svojho rastu a vo svojom vývoji dosiahla tak akési „plató“. Ochladzujúci vplyv La Niñe a slabého Slnka musel byť teda niečím kompenzovaný. Tým niečím bol „otepľujúci“ radiačný účinok vyšších koncentrácií skleníkových plynov.


Obr. 2: Vývoj odchýlok globálnej teploty podľa satelitných meraní RSS (vľavo) a UAH (vpravo) s odfiltrovaním prirodzenej variability (ENSO, sopečné erupcie, slnečná aktivita, atď.) v období 1979-2011 - veľkosť lineárneho trendu za dekádu je zobrazená v hornej časti grafu (Zdroj)


Obr. 3: Vývoj odchýlok globálnej teploty podľa piatich svetových databáz GISS, NOAA, NCDC, RSS a UAH v období 1979-2010 s/bez uvažovaného vplyvu prirodzených faktorov (ENSO, sopečné erupcie, slnečná aktivita; Zdroj)

Štatistika hovorí jasnou rečou
Ako možno vidieť aj na grafoch Obr. 1 a 2, globálna teplota, či už je získaná prostredníctvom družicového monitoringu (UAH, RSS) alebo interpoláciou pozemných staničných meraní (GISS, NOAA, CRU), v rámci svojho vývoja od roku 1880 podliehala rôznym krátkodobým a dlhodobým zmenám. Tie sú výsledkom vzájomného spolupôsobenia prírodných a antropogénnych faktorov, ktoré vnášajú do časových radov zdanlivo chaotické medziročné a interdekádne kolísanie okolo dlhodobej strednej hodnoty. Po odfiltrovaní vplyvov prírodných faktorov (Obr. 3), akými sú slnečná aktivita, sopečné erupcie či vplyv atmosférických oscilácií (ENSO, atď.), nám v časovom rade zostane signál tzv. náhodnej zložky (klimatický šum) a dlhodobý trend, ktorý má pozoruhodne stabilný vývoj v období posledných aspoň 40 rokov. Tento dlhodobo rastúci trend globálnej teploty nemožno v súčasnosti vysvetliť inými, ako antropogénnymi príčinami. Zaujímavé je tiež aj to, že pozaďový trend zosilneného skleníkového efektu možno identifikovať aj v obdobiach, kedy globálna teplota sa významne nezvyšovala (obdobie po roku 1998) alebo dokonca klesala (napr. 50. a 60. roky 20. storočia). Vplyv radiačne aktívnych plynov pôsobí síce permanentne, no jeho pôsobenie na globálnu teplotu môže byť z času na čas prekryté ochladzujúcim efektom silnej La Nine (r. 2011) alebo významnej vulkanickej erupcie (r. 1991).


Obr. 4: Vývoj odchýlok globálnej teploty podľa CRU (modrá) a GISS (červená) zhladený 30-ročným kĺzavým priemerom v období 1850-2012 (Zdroj)

A teraz trochu teórie zo štatistiky časových radov a trendovej analýzy. Aby bol akýkoľvek dlhodobý trend, zbavený medziročného či iného krátkodobého kolísania, nielen jednoznačne identifikovateľný, ale hlavne štatisticky významný, musí prejsť minimálne 15 rokov (niektorí dokonca uvádzajú obdobie 17 rokov, Santer et al 2011). Ako sme už uviedli vyššie, obdobie po roku 1998, ktorý bol navyše ovplyvnený veľmi silných javom El Niño (preto patrí medzi najteplejšie roky v histórii), sa vyznačuje v porovnaní s 80. a 90. rokmi o poznanie miernejším rastom globálnej teploty, ktorý je pravdepodobne z väčšej časti spôsobený rýchlejším ukladaním tepla do oceánov. Vzhľadom na krátkosť obdobia (15 rokov) je síce trend po roku 1998 zreteľný, no zatiaľ je štatisticky nevýznamný

A okrem toho, analyzovať ktorékoľvek 15-ročné obdobie stráca aj z pohľadu klimatológie akýkoľvek zmysel. V klimatológii sa štandardne pracuje s minimálne 30-ročnými časovými obdobiami. A prečo? Tento údaje nám nespadol len tak z neba. Vychádza z reálnych pozorovaní prírodných spoločenstiev a systémov, ktoré potrebujú na to, aby sa dokázali konkrétnym klimatickým podmienkam prispôsobiť aspoň 30 rokov. Ak zahrnieme tento fakt to ďalšej analýzy, a namiesto ročných či dekádnych priemerov aplikujeme 30-ročné kĺzavé priemery (napr. pre rok 1998 sa počíta obdobie začínajúce rokom 1983 a končiace rokom 2012), dostaneme krivku na Obr. 4, ktorá jasne ukazuje, že krivka globálnej teploty nevykazuje ani pri svojom pravom konci žiadny náznak zníženia tempa rastu (a to aj napriek tomu, že končí rokom 1998, ktorý použitím kĺzavého priemeru zohľadňuje aj obdobie 1998-2012). Budeme si musieť počkať teda na ďalších 15 rokov, aby sme dokázali do grafu zakresliť zmeny vývoja teploty až po rok 2012.


Obr. 5: Porovnanie vývoja globálnej teploty (ružová - s vplyvom prirodzených a antropogénnych faktorov, a červená - s vplyvom len antropogénnych faktorov) s projekciami IPCC podľa tretej (modrá oblať) a štvrtej správy (zelená oblasť; Zdroj)

Scenáre IPCC vs. realita
Zatiaľ čo spomalenie otepľovania po roku 1998 je zatiaľ nevýznamné, otázkou zostáva, či tento vývoj predpokladali modely a scenáre IPCC ešte predtým, než k tomuto zlomu došlo. Celkom určite áno, a nielen to. Ako vidieť aj z Obr. 5, scenáre globálnej teploty prezentované tak v 3. ako aj 4. správe IPCC veľmi dobre odhadli vývoj teploty v poslednom desaťročí. Ak sa vám na prvý pohľad zdá, že globálna teplota (ružová krivka na Obr. 3) nadobúda pomerne často hodnoty mimo rozsah uvádzaných scenárov, je to tým, že projekcie IPPC nezohľadňujú vplyv prírodných faktorov (Slnko, ENSO, sopky, atď.), ale naopak zahŕňajú len vplyvy antropogénne a náhodné. Veľké kolísanie ružovej krivky (Obr. 5) je prejavom prirodzenej variability globálneho klimatického systému – vysoká hodnota teploty v roku 1998 je spôsobená silným javom El Niño, naopak výrazný pokles po roku 1991 je výsledkom erupcie Mt. Pinatuba. Ak tieto vplyv odfiltrujeme, dostaneme červenú krivku, ktorá už veľmi dobre odpovedá rozsahu scenárov IPCC. Určite ste si tiež všimli, že po odstránení vplyv prírodných faktorov sa červená krivka vyznačuje pozoruhodne stabilným vývojom aj po roku 1998 – ide to ďalší objektívny dôkaz toho, že vplyv zosilneného skleníkového efektu sa ani v období posledných 15 rokov nezmenil (nezoslabol), a permanentne prispieva k rastu globálnej teploty (aj napriek ochladzujúcemu efektu ENSO či slabšej slnečnej aktivity).


Obr. 6: (a) Porovnanie pozorovanej globálnej teploty (čierna krivka) so simulovanou teplotou pomocou klimatického modelu (oranžová krivka) v období 1980-2009, modelovaná teplota pokračuje do roku 2030; (b) vplyv vybraných faktorov na vývoj globálnej teploty [°C] (Zdroj: Lean a Rind 2009)

Pochopiteľne, že budúci vývoj globálnej teploty nebude ovplyvnený len obsahom skleníkových plynov v atmosfére. Zatiaľ čo, scenáre na Obr. 5, pozostávajúce z výstupov mnohých modelových simulácií, brali z určitých dôvodov a pre názornosť do úvahy len vplyvy antropogénne a náhodné, konkrétne klimatické modely zohľadňujú aj ostatné faktory. Obr. 6 prináša výstup jedného konkrétneho modelu a scenáru globálnej teploty do roku 2030 (Lean & Rind 2009). Ako si možno všimnúť z priebehu simulovanej globálnej teploty (a), model dokázal v období 1980-2009 veľmi úspešne replikovať otepľujúci vplyv ENSO (El Niño), ochladzujúci efekt sopečných aerosólov, vplyv slnečnej aktivity ako aj pozaďový vplyv antropogénne zosilneného skleníkového efektu atmosféry (veľkosť jednotlivých faktorov na odchýlky globálnej teploty je možné vidieť na Obr. 6b). Ako ale vidieť z obrázku ďalej, vývoj simulovanej teploty po roku 2009 je významnejšie riadený predovšetkým rastúcim antropogénnym vplyvom, ktorý je prerušený dvomi náhodným udalosťami (A – sopečná erupcia, B – El Niño) a slabo ovplyvnený miernym kolísaním slnečnej aktivity. Z tohto vyplýva jedna, dosť podstatná skutočnosť, a to, že aj napriek pokračujúcemu otepľovaniu podmieneného radiačným efektom skleníkových plynov, klimatické modely sú schopné celkom úspešne simulovať aj prípady, kedy sa vplyvom náhodných a prírodných faktorov nemusí globálna teplota v danom roku vždy len zvyšovať o určitú hodnotu °C (získanú z dlhodobého trendu, napr. °C/dekádu). 

Pochopiteľne, že v tomto prípade treba zobrať do úvahy aj fakt, že pôsobenie väčšiny prírodných faktorov má výrazne stochastický (náhodný) charakter, čo samozrejme načasovanie jednotlivých „ochladení“ alebo „náhlych oteplení“ v modelových simuláciách zaťažuje značnou neistotou a chybou. Na záver tohto bloku možno ešte spomenúť to, že už predošlé správy IPCC dokázali celkom úspešne „predpovedať“ nástup niektorých periód s výraznejším oteplením alebo stagnáciou globálnej teploty (Obr. 7).


Obr. 7: Príklady projekcií vývoja globálnej teploty podľa troch zvolených emisných scenárov (vľavo) zo 4. správy IPCC a podľa autorov (Easterling & Wehner 2009 - hore vpravo a Meehl et al 2011 - dole vpravo; Zdroj) poukazujú na výskyt dočasných poklesov alebo stagnácií globálnej teploty (napr. 2001-2010, atď.)

Tepo preniká hlbšie do oceánov 
Aké konkrétne fyzikálne mechanizmy stoja za spomalením otepľovania po roku 1998 je predmetom intenzívneho výskumu, no z toho, čo už dnes vieme zatiaľ vyplýva, že k nemu významnou mierou prispel fenomén ENSO a slabšia slnečná aktivita. Dominantný vplyv chladnej fázy La Niña v období 2000-2011 v kombinácii s intenzívnejšou cirkuláciou oceánskych prúdov (najmä v severnom Pacifiku) podmienili rýchlejšie ukladanie tepla do hlbších častí oceánov, čoho dôkazom sú aj reálne merania teploty vody v rôznych hĺbkach oceánov (napr.: Obr. 8). Ďalším mechanizmom môže byť aj zmena obsahu vodnej pary v zemskej atmosfére (Solomon et al. 2010).


Obr. 8: Rast obsahu tepla v oceánoch v úrovni 0-700 metrov je očividný hlavne po roku 1998 (Zdroj)

Kedy možno očakávať ďalšie otepľovania?
Na takto položenú otázku sa síce odpovedá veľmi ťažko, no z vyššie uvedeného textu by malo byť jasné to, že k ďalšiemu výraznejšiemu nástupu otepľovanie pravdepodobne nedôjde skôr ako suma všetkých uvažovaných faktorov nebude mať výrazne otepľujúci účinok. Je teda len otázkou času, kedy k tejto situácii reálne dôjde. Stačí, aby sa skombinoval účinok silnejšieho El Niña, ďalšieho maxima slnečnej aktivity a pozaďového efektu koncentrácií skleníkových plynov, a celkom určite sa dočkáme ďalšieho obdobia s rekordne vysokými globálnymi teplotami. Či k tomu dôjde napríklad už budúci rok alebo v niektorých ďalších rokoch, s istotou povedať nevieme. Zatiaľ máme v rukách len dve indície - (1) nástup ďalšieho El Niña je v najbližších mesiacoch pravdepodobne nereálny a (2) 24. cyklus slnečnej aktivity patrí medzi najslabšie za posledných minimálne 100 rokov. Pokiaľ do hry v nasledujúcom roku nevstúpi ďalší náhodný faktor – významná sopečná erupcia – je možné predpokladať, že na „naštartovanie“ ďalšej fázy otepľovania si budeme musieť ešte minimálne jeden rok počkať.


Literatúra
IPCC second assessment report (over 50 MB PDF file, the graph shown here is on the PDF page 314, page 300 of the report).
Rahmstorf S. et al 2012: Comparing climate projections to observations up to 2011, Environ. Res. Lett. 7 044035 doi:10.1088/1748-9326/7/4/044035.
Santer, B.D., C. Mears, C. Doutriaux, P. Caldwell, P. J. Gleckler, T. M. L. Wigley, S. Solomon, N. P. Gillett, D. Ivanova, T. R. Karl, J. R. Lanzante, G. A. Meehl, P. A. Stott, K. E. Taylor, P. W. Thorne, M. F. Wehner, F. J. Wentz, 2011: Separating signal and noise in atmospheric temperature changes: The importance of timescale, Journal of Geophysical Research: Atmospheres (1984–2012), Volume 116, Issue D22, November 2011, DOI: 10.1029/2011JD016263.
Solomon, S., Karen H. Rosenlof, Robert W. Portmann, John S. Daniel, Sean M. Davis, Todd J. Sanford, Gian-Kasper Plattner, 2010: Contributions of Stratospheric Water Vapor to Decadal Changes in the Rate of Global Warming, Science 5 March 2010: Vol. 327 no. 5970 pp. 1219-1223, DOI: 10.1126/science.1182488.


Zdroje
http://www.skepticalscience.com/tung-amo-defense-part2.html
https://skepticalscience.com/anthropogenic-global-warming-rate-Is-it-steady-for-last-100-years.html
http://www.skepticalscience.com/global_warming_still_happening.html
http://www.skepticalscience.com/trend.php
http://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/en/figure-10-5.html
http://www.nature.com/nclimate/journal/v3/n7/full/nclimate1863.html
http://www.esrl.noaa.gov/psd/csi/images/GRL2009_ClimateWarming.pdf
http://www.oco.noaa.gov/resources/Documents/Lyman_OceanHeat_Nature2010.pdf
http://www.nature.com/nclimate/journal/v1/n7/abs/nclimate1229.html
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/grl.50541/abstract
http://www.skepticalscience.com/happer-spencer-global-warming-continues.html
http://www.skepticalscience.com/foster-and-rahmstorf-measure-global-warming-signal.html
http://tamino.wordpress.com/2011/12/06/the-real-global-warming-signal/
http://www.skepticalscience.com/solar-activity-sunspots-global-warming-advanced.htm

2 komentáre:

  1. Co keby sme sa pozreli na tieto grafy z "vyssej perspektivy"... povedzme poslednych 100.000 rokov. V ktorej slnecnej faze a oteplovania, ci schladzovania sa nachadzame?
    Netvrdia samotni vedci, ze nie je nepravdepodobne, ze oteplovanie je iba cast obrovskej periody, ktoru my ako ludstvo ovplyvnujeme minimalne?

    OdpovedaťOdstrániť
  2. Zdravim,

    toto klimatologovia rozhodne netvrdia, urcite nie ti, ktorych poznam a ktori pravidelne publikuju v tejto oblasti. Ak by ste sa na vyvoj globalnej teploty pozreli z dlhodobejsej perspektivy, napriklad za poslednych 20 000 rokov, zistili by ste, ze vplyvom prirodnych faktorov, ale najma Milankovicovych cyklov by sme sa mali nachadzat v obdobi pomaleho ochladzovania.

    Viac mozno najst napriklad tu: http://tamino.wordpress.com/2013/03/22/global-temperature-change-the-big-picture/ alebo tu: http://www.sciencemag.org/content/339/6124/1198. Dlhodobejsi vyvoj teploty vramci poslednych glacialov mozno najst napr. aj tu: http://www.laprogressive.com/shift-state-atmosphere/.

    Pekny den. J

    OdpovedaťOdstrániť

Vysušovanie krajiny vs. silnejúci skleníkový efekt

Je príčinou klimatickej zmeny a globálneho otepľovania vysušovanie krajiny? V súvislosti s príčinami globálneho otepľovania a klimatick...