Grónsko na prahu veľkých zmien (?)

Mimoriadny rok 2012 v Grónsku - náznak nového normálu?

Rok 2012 bol pre Grónsko a jeho rozsiahly kontinentálny ľadovec celkom určite výnimočný. Ako uvádza jedna z najnovších analýz situácie v Grónsku v roku 2012, viaceré zdroj údajov, od diaľkového prieskumu Zeme cez výstupy regionálnych modelov až po reanalýzy údajov pre Grónsko, nasvedčujú tomu, že v priebehu minulého roka dosiahli viaceré indikátory stavu kontinentálneho ľadovca rekordné hodnoty. Extrémne nízke hodnoty dosiahlo nielen povrchové albedo ľadovca, ale novým rekordom sa môže „pochváliť“ aj ukazovateľ plošného rozsahu povrchového topenia, ako aj celková ročná strata ľadu, ktorá viedla k rekordnému odtoku vody do oceánu. Podrobnosti tejto analýzy je možné nájsť v publikácii: M. Tedesco, X. Fettweis, T Mote, J. Wahr, P.Alexander, J. Box, and B. Wouters: Evidence and analysis of 2012 Greenlandrecords from spaceborne observations, a regional climate model and reanalysis [PDF].

Obr. 1-2: Topenie povrchových vrstiev ľadovca vedie k hromadeniu vody v rozsiahlych akumulačných bazénoch, ktoré samotné topenie ďalej urýchľujú (Zdroj) 

Povrchové topenie ľadovcovej masy bolo najrozsiahlejšie, aké sme pozorovali minimálne od roku 1979. V dôsledku netypických poveternostných podmienok a abnormálne vysokých teplôt v priebehu leta 2012 došlo po veľmi dlhej dobe k situácii, kedy roztápanie povrchového ľadu postihlo aj najvyššie položené oblasti ostrova, nachádzajúce sa v nadmorských výškach cez 3000 metrov. V období vrcholiaceho leta satelity dokonca zaznamenali udalosť, ktorá sa v najbližších desaťročiach veľmi pravdepodobne stane novým „normálom“ – v priebehu obdobia od 8. do 12. júla 2012 zasiahlo povrchové topenie ľadu približne 97 % rozlohy grónskeho ľadovca. Voda na povrchu síce v ďalších dňoch opäť zmrzla, no už samotný fakt, že k tejto situácii v tak obrovskom rozsahu vôbec došlo, znepokojil aj vedcov, zaoberajúcich sa dlhodobo výskumom dynamiky ľadovcového štítu. Rok 2012 nám totiž ukázal, že globálne otepľovanie v kombinácii s príhodnými poveternostným podmienkami môže viesť v Grónsku k stavu, kedy na abnormálne teplé počasie reagujú dokonca aj tie časti ľadovca, o ktorých sme si doposiaľ mysleli, že sú pred vplyvom klimatickej zmeny zatiaľ uchránené a vykazujú vysokú mieru stability.  

Obr. 3: Celkový počet dní s povrchovým topením ľadovca v roku 2012 (vľavo) a priemer za obdobie 1979-2007 (vpravo; Zdroj: National Snow and Ice Data Center)

Mimoriadny rok 2012

Minuloročné bezprecedentne rozsiahle topenie grónskeho ľadovca mali na svedomí netypické poveternostné podmienky, ktoré sa nad väčšou časťou ostrova stabilizovali v priebehu takmer celého letného obdobia. Blokujúca (perzistentná) tlaková výš (Obr. 4) so stredom nad centrálnou časťou južného Grónska, viedla k tomu, že už od mája prúdil nad západnú časť ostrova veľmi teplý vzduch od juhozápadu, ktorý v kombinácii s bezoblačným, suchým a málo veterným počasím tlačil teploty vzduchu vysoko nad normál, a to dokonca aj v najvyššie položených oblastiach ľadovca. V období od júna do augusta tak dosahovali teplotné odchýlky aj viac ako 2 °C nad približne 60 % povrchu Grónska, prevažne na západe a juhu. Pritom je zrejmé, že práve poveternostné podmienky podobné tým z roku 2012 z dlhodobého hľadiska asi najviac prispievajú k výraznému otepľovaniu klímy na ostrove v priebehu posledných 20 rokov. Od roku 1991 sa priemerné letné teploty zvýšili o 2 až 4 °C, pričom v zime je tento trend ešte výraznejší (až do 10 °C). Pozorované trendy sú najnápadnejšie najmä v západnej časti Grónska (Hanna et al. 2012). 

Obr. 4: Priemerné sezónne odchýlky tlaku vzduchu prepočítané na úroveň morskej hladiny v období od júna do augusta 2012 [v mb, tiež hPa] poukazujú na oblasť perzistentnej tlakovej výše nad Grónskom, podľa údajov NCEP/NCAR (Zdroj)

 

Obr. 5: Odchýlka priemernej teploty vzduchu za obdobie jún-august 2012 od priemeru 1981-2010 (vľavo; Zdroj: National Snow and Ice Data Center, from NOAA/ESRL Physical Sciences Division); denný rozsah povrchového topenia ľadovce v % rozlohy Grónska v roku 2012 (červená; Zdroj: National Snow and Ice Data Center/Thomas Mote, University of Georgia

V dôsledku dlhodobo stabilného a teplého počasia sa úhrnný počet dní s povrchovým topením na mnohých miestach vyšplhal vysoko nad 100 dní (na juhozápade aj viac ako 120; Obr. 3) – v priemere bolo toto obdobie približne o dva mesiace dlhšie ako za normálnych podmienok (priemer 1979-2010). Ako sme uviedli už vyššie, pozoruhodný bol nevídaný plošný rozsah topenia. Na niekoľko dní dokonca zasiahlo aj najvyššie oblasti ľadovcovej klenby, kde podobné udalosti sú mimoriadne zriedkavé dokonca aj z hľadiska historického obdobia (v ľadových vrtných jadrách bolo za posledných 1000 rokov takýchto situácií identifikovaných len niekoľko). V priebehu vrcholiaceho leta, začiatkom júla a neskôr opäť začiatkom augusta 2012, topenie postihlo viac ako 70 % povrchu ľadovca, pričom vrchol dosiahlo dňa 10. a 11. júla, kedy zasiahlo takmer celý povrch (Obr. 5).  V tomto období bol v okrajových častiach ľadovca pozorovaný veľmi intenzívny povrchový odtok roztopenej vody, a najmä v osídlených oblastiach na západe spôsobil nemalé problémy (zničené mosty, erózia pôdy, atď.). 

Obr. 6: Zmeny výšky povrchu ľadovca v cm (modrá - nárast; červená - pokles) v období 1992-2005 (vľavo; Zdroj: European Space Agency); rozdiel počtu dní s povrchovým topením ľadovca medzi rokom 2007 a obdobím 1988-2006 (vpravo; Zdroj: NASA/Earth Observatory)

Potenciál zmien v Grónsku je ohromný

Grónsky kontinentálny ľadovec pokrýva približne 85% rozlohy ostrova a jeho priemerná nadmorská výška je 2,3 km. Vo svojej najvyššej časti sa povrch ľadovca nachádza vo výške 3200 m n.m., pričom hrúbka ľadu tu dosahuje mocnosť aj viac ako 3 kilometre. Samotná hmotnosť ľadovca je pritom natoľko obrovská, že centrálna časť ostrova je v dôsledku jeho tiaže stlačená o celých 300 metrov pod úroveň hladiny oceánu. Rozsah, ale predovšetkým stabilita zaľadnenie v Grónsku, ako aj vo zvyšku Arktídy, je významným klimatickým indikátorom stavu globálnej klímy. Jeho dlhodobé  zmeny jedným alebo druhým smerom (ústup alebo nárast) poukazujú na zásadnejšie zmeny globálneho klimatického systému a môžu byť predzvesťou ďalekosiahlych dopadov na poveternostné, klimatické alebo ekologické podmienky celej planéty. 

Najväčšie obavy sú pochopiteľne spojené s dôsledkami topenia kontinentálneho ľadovca na hladinu svetových oceánov. A niet divu. Grónsky ľadovec je po antarktickom druhý najväčší na Zemi, obsahuje takmer 3 milióny km³ ľadu (asi jedna desatina toho, čo je v Antarktíde), teda dosť na to, aby sa po jeho roztopení zdvihla hladina oceánov o celých 7 metrov. Tento scenár samozrejme v najbližších desaťročiach nehrozí, no príspevok Grónska k rastu hladiny oceánov sa bude aj naďalej zvyšovať. V roku 2007 sa grónsky ľadovec podieľal na raste morskej hladiny asi z 10-15 %, no už v roku 2012 bol tento podiel dvojnásobný (20-25 %; 0,7 mm ročne z celkových 3,1 mm). Pre koniec tohto storočia sa predpokladá príspevok Grónska v pomerne širokom intervale hodnôt, a to od 9,3 cm (Moon et al. 2012) až do 46,7 cm (Pfeffer at al., 2008), pričom horný odhad počíta s nárastom hladiny oceánov do roku 2100 v rozsahu od 0,8 až do 2,0 metra. Na margo treba ešte pripomenúť, že maximálne odhady tiež predpokladajú výrazný rast dynamiky pohybu ľadovcov (10-násobný nárast rýchlosti odtokových ľadovcov v porovnaní so súčasnosťou).   

Obr. 7: Denné odchýlky povrchového albeda podľa údajov z MODIS pre (a) 19. júl 2012, (b) 3. august 2012, a (c) 23. august 2012 v porovnaní s priemerom za obdobie 2000-2011; (d) sezónna odchýlka pre obdobie júna až augusta 2012 v porovnaní s obdobím 1958-2011; (d) vývoj denných hodnôt albeda v období od mája do septembra 2012 (Zdroj)

Grónsko a cirkulácia atmosféry

Vplyv topenia grónskeho ľadovca sa však neobmedzuje len na stabilitu a zmeny hladiny oceánov. Prítok zvýšeného množstva sladkej vody do severného a severozápadného Atlantiku môže v dlhšom časovom horizonte viest k destabilizácii globálnej cirkulácie morskej vody, ktorá zabezpečuje plynulý transport a výmenu tepla a energie medzi rovníkom a polárnymi oblasťami (známa tiež pod označením Meridional Overturning Circulation – MOC). Tento globálny tepelný výmenník, presúvajúci teplo v množstvách niekoľkonásobne väčších ako samotná atmosféra, zabraňuje prehriatiu planéty v oblasti rovníka, ale aj tomu, aby  póly doslova nezmrzli v extrémnom mraze. MOC funguje vďaka „jemným“ rozdielom salinity a hustoty medzi oceánskou vodou pritekajúcou z Grónska a vodou dopravovanou Golfským prúdom z tropických oblastí. Ak sa bude aj naďalej zvyšovať prítok menej hustej (menej slanej) a teplejšej vody z Grónska, môže to celý systém MOC destabilizovať. Prípadne zoslabenie MOC by ovplyvnilo počasie a klímu na celej Zemi bez výnimky, a to veľmi zásadne. Zmeny, ktoré sa momentálne odohrávajú v Grónsku a v celej Arktíde majú tak potenciál ovplyvňovať nielen regionálnu, prípadne hemisférickú klímu na severnej pologuli, ale podmieňovať trendy meteorologických prvkov aj vo vzdialenejších oblastiach planéty. 

V hre však ani zďaleka nie je len možný kolaps oceánskej cirkulácie. Tým, že v Grónsku a v Arktíde stúpa teplota približne dvojnásobne rýchlejšie ako v miernych a tropických šírkach, teplotný rozdiel medzi rovníkom a severným pólom klesá aj v samotnej atmosfére, čo sa môže prejaviť (a už sa pravdepodobne aj prejavuje) poklesom intenzity atmosférické cirkulácie. Väčší teplotný kontrast medzi dvomi miestami generuje aj väčší tlakový rozdiel v prízemnej vrstve atmosféry, čo je kompenzované rýchlejšou a intenzívnejšou cirkuláciou (prúdením) vzduchu. Prúdenie vzduchu vzniknuté tlakové rozdiely vyrovnáva, a nielen tie. Ako sme už uviedli vyššie, cirkulácia vzduchu napomáha k efektívnejšiemu miešaniu vzduchových hmôt s odlišnými fyzikálnym vlastnosťami a vedie tak k zmierňovaniu teplotných a iných extrémov v počasí. Atmosférická cirkulácia teda, podobne ako tá oceánska, prispieva v nemalej miere k vyrovnávaniu klimatických extrémov na planetárnej úrovni.   

O koľko ľadu Grónsko v skutočnosti prichádza?

Ešte donedávna si vedci neboli celkom istí tým, či grónsky ľadovec v priemere ľadovcovú hmotu stráca alebo naopak získava. Aj napriek určitým neistotám, spojeným s družicovým odhadom celkovej bilancie ľadu, dnes už prevláda všeobecný konsenzus v tom, že Grónsko o svoj ľad prichádza, a to v stále rýchlejšom tempe. Posledná správa IPCC z roku 2007 napríklad uvádza, že priemerná ročná strata ľadu sa v období rokov 1961-2003 pohybovala niekde okolo hodnoty 60 Gt (miliárd ton), pričom v poslednom desaťročí tohto obdobia (1993-2003) vzrástla až na hodnotu 100 Gt. Gravimetrické merania hmotnosti grónskeho ľadovca v rokoch 2003-2005 dospeli k veľmi podobnému úbytku ľadovca (prírastok vďaka zrážkam: 55 Gt/rok, úbytok v dôsledku topenia a výparu: 156 Gt/rok; bilancia: -56Gt/rok). Ak sa pozrieme na novšie spracované obdobie (2002-2008), priemerný ročný úbytok ľadu sa v Grónsku mierne zvýšil na 104 Gt za rok. Len pre porovnanie, v Antarktíde je priemerný ročný úbytok ľadu topením a „telením“ ľadovcov o niečo nižší, približne 87 Gt/rok. Podľa najnovších údajov sa v priebehu minulého roku roztopilo a odtieklo do oceánu takmer 575 Gt ľadu (v rámci hydrologického roku 2011-2012). Bol tak prekonaný rekord z roku 2010, kedy sa roztopilo približne 422 Gt ľadu (Zdroj).

Obr. 8: Schematické znázornenie odvodňovacieho systému vodných kanálov v grónskom ľadovci (vľavo, Zdroj: http://www.aber.ac.uk/greenland/Russell.shtml); ľadovec Kangerdlugssuaq (vpravo; Zdroj: http://news.cnet.com/2300-11395_3-6041160.html)

Fenomén dynamického stenčovania ľadovca

Menšie neistoty ako v prípade odhadu celkovej bilancie ľadu panujú už v tom, ako je na tom pobrežie v porovnaní s vnútrozemím Grónska. Vďaka nárastu tuhých zrážok v zimnom období je v centrálnom a južnom Grónsku pozorovaný trend prírastku hmoty ľadovca. Potvrdzujú to aj družicové altimetrické merania výšky povrchu ľadu, ktorý sa od roku 1992 zvyšuje v priemere o 5 cm za rok (Obr. 6). Ako však vidieť, ani nárast tuhých zrážok nedokáže vykompenzovať celkovú stratu, ku ktorej dochádza predovšetkým v okrajových pobrežných častiach ostrova v dôsledku rýchlejšieho pohybu odtokových ľadovcov. Dobrým príkladom je jeden z najrýchlejšie sa pohybujúcich ľadovcov na svete, ľadovec Kangerdlugssuaq, ktorým preteká zhruba 4 % celkovej ľadovcovej hmoty Grónska. V roku 2001 postupoval do mora rýchlosťou 5 km/rok, no v roku 2005 to už bolo 14 km/rok, pričom v tom istom období ustúpilo jeho čelo o celých 10 km. (Poznámka: rýchly ústup ablačných terminálnych častí ľadovcov, pozorovaný takmer v celom Grónsku, je spôsobený nárastom teploty morskej vody o 1-2 °C v období 1990-2011, ktorá v zvýšenej miere eroduje a narušuje hmotu teliacich sa ľadovcových zplazov zospodu). 

Okrem zvýšenej dynamiky odtekajúcich ľadovcov je ďalším významným mechanizmom podporujúcim stratu ľadu tzv. dynamické stenčovane (dynamic thinning), ktoré v istom zmysle pôsobí ako pozitívna spätná väzba – nie je teda priamym dôsledkom otepľovania. Princíp tohto procesu je vcelku jednoduchý. Teplejší vzduch a intenzívne slnečné žiarenie roztápa na povrchu najvrchnejšie vrstvy ľadu. Voda, tým že nemá kde bezprostredne odtekať, sa hromadí na jeho povrchu vo forme rozsiahlych jazier alebo prúdi v dlhých vodných kanáloch smerom k pobrežiu. V prípade, že takýto kanál narazí na ľadovcovú trhlinu, voda okamžite preniká do hlbších útrob ľadovca. Okrem toho, že voda pôsobí na ľad erozívne kvôli svojmu veľkému mechanickému tlaku, transportuje do hlbších časti ľadovca aj teplo. Takýmto spôsobom sa ľadovec doslova mení zo solídnej hmoty na niečo čo sa podobá skôr ementálu. Nielenže sa znižuje jeho stabilita, ale vďaka vode, ktorá účinkuje ako lubrikačný gél, sa zvyšuje aj jeho rýchlosť v smere gravitácie, teda k pobrežiu. V roku 2003 sa napríklad kombináciou dynamického stenčovania a rýchlejšieho topenia kvôli extrémne vysokým teplotám zvýšila strata hmoty ľadovce o celých 35 % v porovnaní s obdobím 1993-1999 (Zdroj: NASA).

Príklad z Eému hovorí za všetko!

Výsledky historických údajov síce naznačujú, že grónsky ľadovcový štít podobnú mieru topenia zažil aj relatívne nedávno, v priebehu 30. rokov 20. storočia (napr. Chylek et al., 2007) – platí to predovšetkým pre tie ľadovce, ktorých terminálne časti neústili do mora – no v súčasnosti sa nachádzame v trochu odlišných podmienkach a je lepšie, ak sa po vhodnom analógu pre súčasnosť poobhliadneme do trochu vzdialenejšej minulosti. Príkladom takéhoto analógu môže byť napríklad aj predposledná doba medziľadová – eémsky interglaciál, ktorý začal pred približne 130 tisíc rokmi. V jeho najteplejších obdobiach (približne 120 tisíc rokov dozadu) veľmi pravdepodobne zmizla z povrchu Grónska celá jedna polovica hmoty kontinentálneho ľadovca, čo viedlo k nárastu hladiny oceánov o 2,2-3,4 metra (z celkových 4-8 metrov). Teplotné podmienky počas Eému boli podobné tomu, čo predpokladáme v Grónsku pri strednom odhade nárastu ročnej priemernej teploty na konci 21. storočia (nárast o minimálne 3 °C v porovnaní so súčasnosťou). Aj napriek neistotám, ktoré v odhadoch teploty, ale aj dynamiky ľadovcového štítu Grónska stále existujú, je dnes viac ako zjavné, že zmeny, ktoré momentálne pozorujeme v celom Grónsku neostanú bez následkov – tak z pohľadu hladiny oceánov ako aj cirkulácie atmosféry, či extrémnosti počasia. Obzvlášť by to malo zaujímať práve Európanov, pretože práve v Grónsku a jeho periférii sa odohrávajú najdôležitejšie procesy, ktoré ovplyvňujú počasia u nás!

Literatúra

Hanna, E., Mernild, S.H., Cappelen, J., K. Steffen. 2012. Recent warming in Greenland in a long-term instrumental (1881–2012) climatic context: I. Evaluation of surface air temperature records. Environmental Research Letters 7, no. 4, doi:10.1088/1748-9326/7/4/045404.

Chylek, P., M., McCabe, M.K., Dubey, M. K., Dozier, J. 2007, "Remote sensing of Greenland ice sheet using multispectral near-infrared and visible radiances", J. Geophysical Res. 112, D24S20, doi:10.1029/2007JD008742, 2007.

Moon et al., 2012, 21st-Century Evolution of Greenland Outlet Glacier Velocities, Science, 4 May 2012: Vol. 336 no. 6081 pp. 576-578 DOI: 10.1126/science.1219985

Pfeffer, W.T., J.T. Harper, J. T., O'Neel, S. 2008, "Kinematic Constraints on Glacier Contributions to 21st-Century Sea-Level Rise", Science 321 no. 5894, pp. 1340-1343, 5 September 2008. DOI: 10.1126/science.1159099.

Tedesco, M., Fettweis, X., Mote, T., Wahr, J., Alexander, P., Box, J., Wouters. B. 2012. Evidence and analysis of 2012 Greenland records from spaceborne observations, a regional climate model and reanalysis data. The Cryosphere Discuss., 6, 4939–4976, doi:10.5194/tcd-6-4939-2012.

Wu, X., et al., 2010. Simultaneous estimation of global present-day water treansport and glacial isostatic adjustment. Nature Geoscience, published on-line August 15, 2010, doi: 10.1038/NGE0938.

Intergovernmental Panel on Climate Change, Fourth Assessment Report, Climate Change 2007: Synthesis Report Summary for Policymakers, 8.

Zdroje

An intense Greenland melt season: 2012 in review:http://nsidc.org/greenland-today/

Greenland: http://www.wunderground.com/climate/greenland.asp?MR=1

http://www.wunderground.com/blog/JeffMasters/comment.html?entrynum=2160

http://www.wunderground.com/blog/JeffMasters/comment.html?entrynum=2156

Recent Greenland Ice Mass Loss by Drainage System from Satellite Gravity Observations: http://www.sciencemag.org/content/314/5803/1286.abstract
http://dosbat.blogspot.co.at/2012/09/summer-daze-2012.html 
http://www.the-cryosphere-discuss.net/6/4939/2012/tcd-6-4939-2012.pdf
http://www.the-cryosphere.net/7/615/2013/tc-7-615-2013.html