streda, 19. februára 2014

Nekontrolovateľný skleníkový efekt na Zemi – realita alebo science fiction?

Ako dlho bude planetárny termostat schopný podporovať život na Zemi?

V poslednom storočí pozorujeme na Zemi významné a z historického pohľadu aj veľmi rýchle otepľovanie atmosféry a oceánov. Toto otepľovanie, ktoré je v prevažnej miere výsledkom ľudskej činnosti a stalo sa dominantným znakom vývoja klimatického systému minimálne v posledných 60 rokoch, však nie je jediným dlhodobým trendom jasne rozpoznateľným v historicky rekonštruovaných radoch globálnej či hemisférickej teploty. Ak sa na vývoj teploty pozrieme zo širšej historickej perspektívy, napríklad za posledných ~ 65 miliónov rokov, zaujme nás skutočnosť, že v priebehu tohto dlhého obdobia Zem nastúpila na trajektóriu postupného, no vo všetkých smeroch dosť zásadného ochladzovania, čoho dôsledkom bolo nakoniec aj to, že pred približne 3 milión rokmi planéta vstúpila do „éry“ ľadových dôb (Obr. 1). 


Obr. 1: Vývoj globálnej teploty (hore) a koncentrácie oxidu uhličitého (dole) v období posledných 65 miliónov rokov na základe výskumu morských a jazerných sedimentov, ľadovcových jadier, atď.   (Zdroj)

Vďaka komplexnému paleoklimatologickému výskumu dnes už tušíme, prečo k tomuto dlhodobému ochladeniu došlo. Popri zmene konfigurácie oceánov a pevnín, ktorá do veľkej miery podmienila aj zmeny oceánskych prúdov a obmedzila tak transport tepla z oblasti rovníka k zemským pólom (predovšetkým na južnej pologuli), za jednu z hlavných príčin kenozoického ochladzovania možno označiť dlhodobý pokles koncentrácie oxidu uhličitého (CO2) v zemskej atmosfére. V dôsledku zvetrávania hornín a zvýšeného záchytu uhlíka biosférou sa jeho množstvo v priebehu posledných ~ 500 miliónov rokov znížilo z hodnoty ~ 5 000 ppmv na predindustriálnych 280 ppmv (detaily sú uvedené v článku: Posledné veľké otepľovania). 

Na mieste je teda otázka, akým smerom sa bude globálna klíma vyvíjať v horizonte ďalších desiatok až stoviek miliónov rokov, teda dlho po tom, ako odznejú aj posledné „stopy“ ľuďmi zosilneného hypertermálneho interglaciálu? Vráti sa Zem k dlhodobému ochladzovaniu, ktoré by eventuálne mohlo vyvrcholiť nejakou globálnou ľadovou dobou, alebo našu planétu čaká iný osud? 


Obr. 2: Umelecká predstava ďalekej budúcnosti - Slnko a povrch Zeme o niekoľko miliárd rokov (Zdroj)

Zatiaľ to síce so stopercentnou istotou povedať nedokážeme, no podľa toho, čo dnes vieme o vývoji slnečnej sústavy a jej centrálnej hviezdy zdá sa, že o osude našej planéty a života na jej povrchu rozhodne už o jednu miliardu rokov práve Slnko. To od doby svojho vzniku zvýšilo žiarivý výkon o približne 30 % a tempom 1 % za 100 miliónov rokov bude v tomto trende veľmi pravdepodobne pokračovať aj ďalej. Čo to teda znamená pre Zem? Vďaka svojim termoregulačným mechanizmom (oceány, biosféra, uhlíkový a hydrologický cyklus, globálna tektonika, atď.), si klimatický systém na Zemi zatiaľ dokázal poradiť so stále výkonnejším Slnkom, no ako sa hovorí, nič netrvá večne. Ako bude naša hviezda stále horúcejšia, globálna teplota atmosféry a oceánov porastie neustále vyššie a vyššie. Od určitého obdobia už oceány nebudú schopné ochladzovať Zem dostatočne efektívne, ale naopak intenzívnejším výparom vody zo svojho povrchu budú dotovať atmosféru obrovským množstvom vodnej pary, čím sa ešte viac zvýrazní skleníkový efekt atmosféry. Atmosféra sa tak začne doslova nekontrolovateľne otepľovať (čím vyššia teplota, tým intenzívnejší výpar a väčšie množstvo vodnej pary v atmosfére, ktoré bude podporovať ďalšie otepľovanie, atď.). Nakoniec dôjde k vypareniu všetkej vody v pozemských oceánoch a zo zemskej atmosféry sa stane hustá zmes plynov, v ktorej bude dominovať oxid uhličitý a vodná para. V tomto „super-skleníkovom“ svete už nebude priestor pre život a planéta Zem sa postupne zmení na planétu podobnú dnešnej Venuši (podrobnosti v článku Venušin syndróm).


Obr. 3: (vľavo) Priemerná globálna teplota a (vpravo) globálna radiačná bilancia pre prípad súčasného žiarového výkonu Slnka (a) a stavu pred spustením nekontrolovateľného skleníkového efektu zemskej atmosféry (b; Zdroj)

Problémom tohto scenára však nie je to, či k nemu dôjde, ale to, kedy sa tak stane. Zhoda v tomto ohľade neexistuje a odhad časového horizontu závisí najmä od toho, ako komplexný model budúceho vývoja atmosféry použijete. Nedávna štúdia autorského tímu Ravi Kopparapu z Pensylvánskej štátnej univerzity uviedla, že k naplneniu podobného scenára bude stačiť, ak sa slnečný výkon zvýši o ďalších 6 %, čo by znamenalo, že Zem by sa mohla začať nekontrolovateľne ohrievať už o 600 až 700 miliónov rokov. Autori pritom ale ďalej uvádzajú, že už približne o 150 miliónov rokov bude život na Zemi možný len v oceánoch (vzhľadom na vysoké teploty, deštrukciu ozonosféry, atď.). Ale nie tak rýchlo!

Ďalší výskum publikovaný na začiatku tohto roka zverejnil výsledky, ktoré takto rýchlemu vývoju zásadne odporujú. Komplexnejší model navrhnutý Ericom Wolfom z Colorádskej univerzity v Boulderi počíta s pomalšou odozvou klimatického systému na rast výkonnosti Slnka, a to najmä v dôsledku zakomponovania vplyvu globálnej oblačnosti a nerovnomerného zvyšovania vlhkosti atmosféry (v hre sú však aj ďalšie faktory). Podľa Erica Wolfa by tak Zem mohla podporovať život ešte ďalších 1 až 1,5 miliardy rokov. Tieto závery nakoniec podporuje ešte jedna štúdia z decembra 2013 (Leconte et al., 2013, Obr. 3), ktorá uvádza, že nekontrolovateľné otepľovanie by sa nemalo na Zemi objaviť skôr ako za jednu miliardu rokov. Jediným „menším“ problémom uvedených štúdií je ale to, že všetky scenáre počítajú s rovnakým (nemenným) množstvo CO2 v zemskej atmosfére, čo vzhľadom na predpoklad pomaly sa ohrievajúcej atmosféry nie je celkom reálne – zintenzívňovanie hydrologického cyklu a zvetrávania hornín bude mať za následok rýchlejší záchyt CO2 do hornín, čo nakoniec môže pôsobiť proti zrýchľovaniu otepľovania.  

Avšak je tu jedno veľké „ALE“. A tým je neodškriepiteľný vplyv človeka na súčasný vývoj globálnej klímy. Ďalšou otázkou teda je, či ľuďmi podmienené emisie CO2 (a ďalších skleníkových plynov) by mohli spustiť procesy vedúce až k nekontrolovateľnému otepľovaniu planéty?  Známy americký klimatológ, James Hansen, ktorý sa pôvodne  zaoberal  výskumom atmosféry Venuše a jej superskleníkového efektu si myslí, že určitá, pomerne veľká pravdepodobnosť existuje najmä v tom prípade, ak ľudia spália v priebehu nasledujúcich dvoch až troch storočí všetky fosílne palivá na Zemi (vrátane ropných pieskov, atď.). Sú jeho obavy ale na mieste? 

Spálením všetkých v súčasnosti známych rezerv fosílnych palív (podľa GEA, 2012) by sme dokázali zvýšiť koncentráciu CO2 o minimálne ďalších 1 400 ppmv (dnes je v atmosfére takmer 400 ppmv), pričom tento predpoklad nepočíta s príspevkom prírodných zdrojov CO2 a CH4 (metánu). Ak by sme brali do úvahy aj tie, celkom určite musíme počítať s ďalšími minimálne 1 400 ppmv. Dovedna je to teda viac ako 3 200 ppmv, čo je podľa Kastinga a Ackermana (1986) stále dosť málo na to, aby došlo k spusteniu nekontrolovateľného otepľovania (podľa ich predpokladov by muselo byť v atmosfére minimálne 10 000 ppmv CO2). 

Ako však uvádza aj Colin Goldblatt vo svojej štúdii, Hansenov scenár, nech je už akokoľvek pesimistický, nie je celkom nereálny. A to z jednoduchého dôvodu. Zatiaľ nám nie sú známe všetky pozitívne a teda zosilňujúce spätné väzby, ktoré môžu do atmosféry „dopraviť“ ďaleko väčšie množstvá skleníkových plynov, než len tie, o ktorých uvažujeme pri fosílnych palivách či prírodnom metáne. A okrem toho, o fyzike „vlhkej“ atmosféry toho vieme dosť málo na to, aby sme s istotou mohli Hansenov scenár úplne zavrhnúť. Predstavuje teda existencia nekontrolovateľného skleníkového efektu na Zemi reálnu hrozbu, alebo ide len o teoretický scenár veľmi vzdialenej budúcnosti?


Zdroje

The Runaway Greenhouse: implications for future climate change, geoengineering and planetary atmospheres 
http://arxiv.org/pdf/1201.1593v1.pdf
How Likely Is a Runaway Greenhouse Effect on Earth?  
http://www.technologyreview.com/view/426608/how-likely-is-a-runaway-greenhouse-effect-on-earth/
What If We Burn All The Fossil Fuels?  
http://mahb.stanford.edu/library-item/what-if-we-burn-all-the-fossil-fuels/
Increased insolation threshold for runaway greenhouse processes on Earth-like planets  
http://www.nature.com/nature/journal/v504/n7479/full/nature12827.html
Habitable zones around main-sequence starts: new estimates
http://iopscience.iop.org/0004-637X/765/2/131/
Earth Won't Die as Soon as Thought  
http://news.sciencemag.org/climate/2014/01/earth-wont-die-soon-thought
Delayed onset of runaway and moist greenhouse climates for Earth
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2013GL058376/abstract
Venušin syndróm  
http://climatemap.blogspot.cz/2013/03/venusin-syndrom.html
Tropical runaway greenhouse provides insight to Venus
http://www.nasa.gov/centers/ames/news/releases/2002/02_60AR.html
Tropical Thermostats and Global Warming
http://www.skepticalscience.com/tropical_thermostat.html
Venus doesn't have a runaway greenhouse effect  
http://www.skepticalscience.com/Venus-runaway-greenhouse-effect.htm

2 komentáre:

  1. Velice zajímavý článek. Rovněž zajímavé bude sledovat, co naše Sluníčko bude dělat v následujících letech a desetiletích. Poslední sluneční cyklus základní 11-leté periody se vyznačoval nepříliš vysokou aktivitou, ten současný je na tom ještě o poznání hůř. Už se objevily první nesmělé dohady, zda se Slunce nedostává do stavu podobného tomu v 17. století známého jako Maunderovo minimum nebo v poněkud menší formě na přelomu 18. a 19. století (Daltonovo minimum). To by s našimi teplotami pohnulo směrem dolů a je otázka jak by na to zareagovalo naše "zničené" klima. Samozřejmě by to bylo asi jen dočasné (několik desetiletí), načež, po skončení této periody by mohly teploty vyletět kdoví kam.

    Taady jsou dva grafy ukazující současné sluneční maximum ve srovnání s dalšími. Parametr "sunspot number" odráží celkovou aktivitu Slunce velice dobře

    http://solarscience.msfc.nasa.gov/images/Zurich_Color_Small.jpg
    http://www.solen.info/solar/images/comparison_recent_cycles.png

    OdpovedaťOdstrániť
  2. Zdravim Vas, Roman, dakujem opat za reakciu aj odkazy na zaujimave zdroje. Ohladom predpovedania dalsieho vyvoja slnecnej aktivity sa stale pohybujeme na tenkom lade, no existuju uz analyzy, ktore simulovali vplyv pripadneho utlmu aktivity Slnka v priebehu tohto storocia, podobneho tomu, ktore sme tu mali v priebehu 17. storočia. Odkazy na niektore z nich najdete tu: http://www.skepticalscience.com/heading-into-new-little-ice-age-intermediate.htm alebo http://www.skepticalscience.com/grand-solar-minimum-barely-dent-AGW.html. Este raz dakujem za zaujem a podnetnu diskusiu :)

    OdpovedaťOdstrániť

Vysušovanie krajiny vs. silnejúci skleníkový efekt

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