piatok, 27. marca 2015

Regulátor globálnej klímy začína mať problémy

Rýchle topenie ľadovcov v Grónsku bude mať závažnejšie dôsledky než len rast hladiny oceánov – ohrozená je globálna cirkulácia vody v oceánoch a život v nich!

Príbeh, doslova ako vystrihnutý z Emmerichovho filmu „Deň potom“ (The Day After Tomorrow), v ktorom klimatológovia varujú pred príchodom katastrofálnej klimatickej zmeny a ďalšej ľadovej doby v dôsledku náhleho kolapsu Golfského prúdu (Obr. 1), sa podľa najnovších zistení začína tak trochu napĺňať (Rahmstorf et al. 2015). Aj keď Emmerichov film z roku 2004, ktorému nechýbala obligátna hollywoodská dramatizácia a vybičované napätie, v mnohom preháňa a dokonca je miestami až komický, základná myšlienka príbehu zostala napodiv správna.

Ak by v blízkej budúcnosti globálny systém oceánskeho prúdenia predsa len spomalil, či v horšom prípade sa úplne zastavil v dôsledku stále rýchlejšieho topenia ľadu v Grónsku či Antarktíde, globálne otepľovanie by to síce nezvrátilo, no niektoré oblasti by sa mohli prechodne a veľmi rýchlo ochladiť. Následky by pocítila aj Európa. Na Britských ostrovoch by sa mohlo ochladiť o 5 °C, v severnom Nórsku a na Špicbergoch dokonca až o 10 °C. Doby ľadovej sa aj napriek tomu obávať nemusíme. Máme pre to hneď niekoľko historických precedensov.

Čo by nás teda mohlo trápiť viac je zamyslenie sa nad nasledujúcou otázkou. Ak aj máme dnes už k dispozícii celkom vierohodné informácie o spomaľovaní Golfského prúdu a vieme tiež, že hlavnou príčinou je globálne otepľovanie, nakoľko je reálny scenár jeho kolapsu či zastavenia v prípade, že sa bude aj naďalej otepľovať? 


Obr. 1: Výrazne teplý a rýchly Golfský prúd pri východných brehoch Spojených štátov amerických (Zdroj)

Termohalinná cirkulácia a AMOC?
Oceány výrazne ovplyvňujú podnebie. Bez nich by atmosféra takmer nemala vodnú paru a obeh vody, ak by vôbec existoval, by bol úplne odlišný. Bez termoregulačnej schopnosti oceánov a ich veľkej tepelnej kapacity by rozdiely v teplote vzduchu medzi rovníkom a polárnymi oblasťami boli natoľko extrémne, že by sme na Zemi azda nenašli miesto, kde by sa dalo prežiť. Významným teplým a pomerne rýchlym prúdom v Atlantickom oceáne je Golfský prúd a jeho severné vetvy (Irmingerov, Nórsky a Severoatlantický prúd). Vzniká v Mexickom zálive a opúšťa ho cez Floridský prieliv. Ďalej sleduje východné pobrežie Severnej Ameriky až k mysu Hatteras, odkiaľ pokračuje k Európe.

V Atlantickom oceáne sa rozdeľuje na severnú vetvu, ktorá pokračuje k severnej Európe a južnú vetvu, ktorá sa stáča k západným brehom Afriky. Európska vetva Golfského prúdu sa nazýva Severoatlantický prúd, ktorý pokračuje až k Novej Zemlji (Severný ľadový oceán). Severoatlantický prúd má priaznivé účinky na klimatické pomery západnej a severozápadnej Európy. Zmierňuje teplotné výkyvy v tomto regióne počas celého roka a vďaka nemu v zime nezamŕzajú ani brehy severného Nórska (Obr. 3).


Obr. 2: (hore) Schéma globálnej termohalinnej cirkulácie: povrchové morské prúdy sú vyznačené červenou farbou, podpovrchové hlbinné prúdy modrou farbou, hlbinné dnové prúdy fialovou farbou; oblasti tvorby hlbinných prúdov "DWF" sú vyznačené oranžovými kruhmi ("Deep Water Formation") (Zdroj: Rahmstorf 2006); (dole) vertikálny poludníkový profil termohalinnej cirkulácie v Atlantickom oceáne, jednotlivé farebne odtiene predstavujú vodu rôznej hustoty (oranžová je najhustejšia; EQ - rovník; N - severný pól; S - južný pól) 


Cirkulácia vzduchu v atmosfére a vody v oceánoch sa vzájomne ovplyvňujú. Významnou hnacou silou morskej vody je však rozdiel v teplote a salinite morskej vody, preto aj miestne zmeny môžu spôsobiť nestabilitu oceánskeho prúdenia (preto sa aj nazýva termínom termohalinná cirkulácia, Obr. 2). Platí, že chladnejšia voda má vyššiu hustotu (najväčšiu hustotu má pri 4 °C, pri ďalšom ochladení hustota klesá). Platí aj to, že vyššiu hustotu má slanšia voda. Málo slaná voda teplá 2 °C teda môže mať rovnakú hustotu ako najslanšia morská voda teplá 20 °C. Ak by sa tieto vody stretli v priestore dotyku Labradorského a Golfského prúdu, Labradorský prúd by neklesal pod teplý Golfský ako teraz, ale odtlačil by ho na južnejšiu dráhu.

Rozloženie plávajúceho morského ľadu na konci zimy by sa dramaticky zmenilo. To isté sa môže stať aj na severe Pacifiku, no vzhľadom na iné termohalinné podmienky by bol efekt oveľa menší. Treba tiež dodať, že čím rýchlejšie bude rásť teplota morskej vody okolo rovníka, tým bude aj vyššie tamojšie odparovanie a teda bude rýchlejšie rásť aj salinita (koncentrácia soli) v teplých morských prúdoch.

Globálne otepľovanie zvyšuje tiež úhrn zrážok v polárnych oblastiach, najmä vo forme snehu. Sneh „živí" polárne pevninské ľadovce, putujúce k pobrežiu, kde sa roztápajú a znižujú salinitu studených morských prúdov. Táto väzba je však pomerne pomalá. Okrem nej však existujú aj rýchlejšie mechanizmy znižovania slanosti morskej vody v priestore severozápadného Atlantiku. Popri intenzívnejších zrážkach, ktoré vypadávajú priamo na morskú hladinu, je to ďalej aj zvýšený prítok sladkej vody z riek, nižší výpar (v porovnaní s tropickými oblasťami) a nakoniec aj zrýchľujúca sa deštrukcia grónskeho ľadovca. A práve posledný menovaný mechanizmus autori nedávnej štúdie z Nature označili za najpravdepodobnejšiu príčinu možného zoslabenia Atlantickej meridionálnej cirkulácie, AMOC, ktorej súčasťou je aj Golfský prúd).


Obr. 3: Odchýlka regionálnej povrchovej teploty od zonálneho priemeru, teda teploty "priemerovanej" pre danú rovnobežku - výrazná kladná teplotná anomália v severnom Atlantickom oceáne je spôsobená prítomnosťou severných vetiev Golfského prúdu (Zdroj: Rahmstorf 2006)

Za kolaps tejto cirkulácie považujeme jej relatívne náhlu zmenu, náhle spomalenie alebo aj zastavenie. Úplný kolaps AMOC a Golfského prúdu je síce v najbližších desaťročiach len málo pravdepodobný (pravdepodobnosť nižšia ako 10 percent), treba si však uvedomiť, že väčšia časť týchto prognóz je založená na fyzikálnych a klimatických modeloch, ktoré nie vždy správne popisujú chovanie morskej cirkulácie. Treba mať tiež na pamäti, že spomalenie AMOC identifikované v Rahmstorf et al. 2015 klimatické modely nepredpokladali, rozhodne nie v takej miere.

Štúdia Rahmstorf et al. 2015 je unikátna aj v tom, že analyzovala chovanie Golfského prúdu v rámci dlhšieho historického obdobia (od roku 900 n.l.), čím výrazne presiahli časový rámec predošlých analýz. Doposiaľ sa preto nevedelo, či občasné zoslabenie alebo zosilnenie cirkulácie je prejavom dlhodobejšieho trendu alebo je spôsobené krátkodobou variabilitou. Analýza NASA, ktorá hodnotila údaje rýchlosti prúdenia morskej vody v rámci AMOC, získané zo satelitných meraní, nepotvrdili napríklad v posledných 15 rokov významné spomalenie Golfského prúdu. Naopak, v období 1993 - 2009 morský prúd zosilnel o približne 20 percent. Uvedené výsledky sú v rozpore so zisteniami britských vedcov z roku 2005. Podľa Britov v uplynulých 50 rokoch Golfský prúd zoslabol približne o 30 percent. Najnovšie výsledky však pohľad na dlhodobú dynamiku AMOC úplne zmenili.


Čo sa teda v severozápadnom Atlantiku skutočne deje? V oblasti južne od Grónska a Islandu, nachádzajúcej sa na polceste medzi kanadským Newfoundlandom a Írskom, dochádza k výraznému ochladzovaniu. Zatiaľ čo prevažná časť Atlantického oceánu a okolitých pevnín severnej pologule sa od začiatku minulého storočia rýchlo otepľujú, rozsiahla oblasť južne od Islandu ostáva akýmsi teplotným artefaktom z konca 19. storočia, kedy oceány mali teplotu približne o 0,5 až 1,0 °C nižšiu ako dnes (Obr. 4). Ochladenie sa pritom vyskytlo na najmenej vhodnom mieste celého Atlantického oceánu a poukazuje na dramatické zmeny prúdenia vody v oceánoch, ktoré môžu ovplyvniť globálne počasia na celej Zemi.


Obr. 4: Lineárny trend ročnej priemernej teploty na Zemi (a) a v oblasti centrálneho severného Atlantiku (b) v období rokov 1901-2013 podľa údajov GISS NASA (Zdroj: Rahmstorf et al. 2015)

Ide totiž o oblasť stretu teplej a na soľ bohatej vody Golfského prúdu s chladnejšími a teda aj hustejšími vodami, ktoré sem pritekajú z Arktídy, a najmä Grónska. Tie za normálnych okolností klesajú pod Golfský prúd a formujú tak hlbokomorskú vetvu termohalinnej cirkulácie (Obr. 2; hore), ktorá funguje vo všetkých oceánoch predovšetkým na základe rozdielu teploty a obsahu soli morskej vody [treba tiež pripomenúť, že v tejto oblasti klesá ku dnu aj určitá časť Golfského prúdu]. Okrem toho, že táto cirkulácia odvádza časť tepla z atmosféry do hlbín oceánu, dopravuje na dno aj značné množstvo kyslíka, čím udržuje podmienky pre život aj v hĺbkach okolo šesť tisíc metrov. Dôsledky kolapsu termohalinného oceánskeho dopravníku by tak ohrozili život vo všetkých oceánoch


Obr. 5: Predpokladané scenáre zmien teploty pre prípad "kolapsu" západnej vetvy Golfského prúdu v priestore južne od Grónska (vľavo) a severnej vetvy v priestore Severného ľadového oceánu (vpravo; Zdroj: Rahmstorf 2006)

Ak by teda z nejakého dôvodu hustota vody Golfského prúdu vzrástla, prípadne by poklesla rýchlosť jeho prúdenia v severnom Atlantiku, veľká časť teplej vody by sa ponárala do hlbších častí oceánu v oblasti južne od Grónska, prípadne by mohlo dôjsť aj k tomu, že celý prúd by bol rastúcim prítokom vody z Arktídy presmerovaný na južnejšiu dráhu. Efekt by bol pritom dvojaký. Namiesto toho, aby Golfský prúd pokračoval k Britským ostrovom a pobrežiu Nórska, v novom režime by končil kdesi na úrovni Portugalska. Veľká časť severozápadnej Európy by sa tak výrazne ochladila (Obr. 5). To ale nie je ani zďaleka všetko. 


Obr. 6: Historická rekonštrukcia teploty v oblasti "chladnej anomálie" v priestore južne od Islandu v období od roku 900 do začiatku 20. storočia. Od roku 1901 sú k dispozícii prístrojové merania teploty (Zdroj: Rahmstorf et al. 2015)

Veľká časť chladnejšej vody z Arktídy a Grónska by sa rozlievala po povrchu teplejšej vody a prestala by sa tam ponárať do hĺbok, čím by sa formovanie termohalinnej cirkulácie prerušilo. Tento kolaps by mal ďalekosiahle globálne následky a neobmedzoval by sa len na Európu či severný Atlantik. Termohalinny tepelný dopravník je totiž najdôležitejším termoregulátorom planéty, reguluje teplotu nielen v oceánoch, ale aj v atmosfére. Významne napríklad pomáha tropickým oblastiach zbavovať sa prebytočného tepla, ktoré je morskými prúdmi, ale nakoniec aj atmosférickým prúdením dopravované bližšie k zemským pólom. Bez jeho správneho fungovania môže dôjsť k situácii, kedy teplotné rozdiely medzi jednotlivými regiónmi Zeme budú príliš veľké na to, aby sa v nich dalo existovať.

Aj keď s kolapsom podobných rozmerov zatiaľ nepočítajú ani tie najpesimistickejšie scenáre budúceho vývoja (IPCC počíta maximálne s 54 % zoslabením Golfského prúdu do roku 2100), najnovšia štúdia z Nature poukazuje na fakt, že situácia v severnom Atlantiku sa mení predsa len oveľa rýchlejšie, než sme pôvodne očakávali. 


Obr. 7: Bilancia hmoty grónskeho ľadovcového štítu v období rokov 1840-2013 - modrá krivka predstavuje celkové kumulatívne straty ľadu [v km3] prostredníctvom odtoku vody a telenia ľadovcov do mora (odlamovanie ľadu do mora); červená krivka je celková akumulácia snehu na povrchu Grónska - výrazné zrýchlenia straty ľadu možno pozorovať hlavne po roku 1920 a 2000 (Zdroj: Rahmstorf et al. 2015)

Autori štúdie zistili na základe paleoklimatologických rekonštrukcií a modelových simulácií úzku súvislosť medzi ochladzovaním oblasti južne od Islandu a rýchlosťou prúdenia Golfského prúdu. Okrem toho, že ochladzovanie je najrýchlejšie za posledných 1100 rokov (Obr. 6), výsledky ukazujú aj na najpravdepodobnejšiu príčinu významného zoslabenia morskej cirkulácie v Atlantickom oceáne. Keďže obdobie jej výrazného spomalenia a súčasne aj najrýchlejšieho ochladenia severozápadného Atlantiku po roku 1970 nápadne korešponduje s nárastom množstva sladkej vody pritekajúcej zo severu, hlavnú príčinu autori vidia v rýchlom topení polárnych ľadovcov v Arktíde a Grónsku (Obr. 7).

V období rokov 1961-1995 sa množstvo sladšej ľadovcovej vody v severnom Atlantiku zvýšilo v porovnaní s prvou polovicou 20. storočia o celých 19 tisíc kilometrov kubických, pričom Grónsko prispelo asi 10 percentami tohto objemu. Podiel Grónska však od roku 2000 prudko rastie, a odhaduje sa, že už do roku 2025 sa do Atlantického oceánu rozleje viac ako 10 tisíc kilometrov kubických sladkej vody. Je preto možno len otázkou času, kedy Golfský prúd a s ním aj celý termohalinný cirkulačný systém na takto obrovské množstvo vody znovu zareaguje svojim ďalším spomalením. 


Obr. 8: Odchýlka priemernej teploty v zime 2014/2015 vyjadrená v percentiloch podľa NOAA (Zdroj)

Určitý náznak toho sme zrejme zaregistrovali už v priebehu tejto zimy (2014/2015), kedy teplota v oblasti južne od Islandu dosiahla svoje nové historické minimum (Obr. 8). Aj keď kolapsu Grónskeho prúdu a výrazného ochladenia v niektorých častiach Európy sa zatiaľ obávať nemusíme, treba ale na druhú stranu počítať s tým, že už mierne zoslabnutie termohalinnej cirkulácie môže mať v priebehu najbližších desaťročí závažné následky. Rýchlejší nárast hladiny oceánov na oboch stranách Atlantiku (na východnom pobreží USA aj o viac ako 80 cm), prudšie a intenzívnejšie zimné cyklóny a nakoniec aj ekologické dôsledky narušenia potravinových reťazcov v oceánoch.


Literatúra
Ahrens, C. D., 2007. Meteorology Today: An Introduction to Weather, Climate, and the Environment. 8.vydanie, Thomson Brooks/Cole, Belmont, 2007.
Bridgman, H. A., Oliver, J. E., 2006. The Global Climate System: Patterns, Processes, and Teleconnections. Prvé vydanie, Cambridge University Press, New York, 2006.
Burroughs, W. J., 2007. Climate Change: A Multidisciplinary Approach. Cambridge University Press, New York, 2007.
Hartmann, D. L., 1992. Global Physical Climatology. Academic Press, 1994. Peixoto, J. P., Oort, A. H.: Physics of Climate. Springer-Verlag, New York, 1992.
Rahmstorf, S., 2006. Thermohaline Ocean Circulation. In: Encyclopedia of Quaternary Sciences, Edited by S. A. Elias. Elsevier, Amsterdam 2006
Willis, J. K., 2010. Can in situ floats and satellite altimeters detect long-term changes in Atlantic Ocean overturning? GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 37. 2010.



Zdroje
Exceptional twentieth-century slowdown in Atlantic Ocean overturning circulation
http://www.nature.com/nclimate/journal/vaop/ncurrent/full/nclimate2554.htmlThe Gulf Stream system may already be weakening. That's not good
http://www.vox.com/2015/3/23/8277345/atlantic-overturning-circulation
World Ocean Heartbeat Fading? ‘Nasty’ Signs North Atlantic Thermohaline Circulation is Weakening
http://1url.cz/rSgI
What´s going on in the North Atlantic?
http://www.realclimate.org/index.php/archives/2015/03/whats-going-on-in-the-north-atlantic/
Atlantic Circulation Weaker Than In Last Thousand Years
http://www.climatecentral.org/news/climate-change-jamming-critical-heat-conveyor-18810
Gulf Stream is slowing down faster than ever, scientists say 
http://www.independent.co.uk/environment/gulf-stream-is-slowing-down-faster-than-ever-scientists-say-10128700.html
A Nasty Surprise in the Greenhouse. New Paper, New Video
http://climatecrocks.com/2015/03/23/a-nasty-surprise-in-the-greenhouse-new-paper-new-video/

Žiadne komentáre:

Zverejnenie komentára

Vysušovanie krajiny vs. silnejúci skleníkový efekt

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