Concerned Climatologist: Posledné veľké otepľovanie

sobota 9. marca 2013

Posledné veľké otepľovanie

Pred 55 miliónmi rokmi, na sklonku treťohornej epochy zvanej paleocén, sa doslova v priebehu nepatrného zlomku geologického času odohrala jedna najrýchlejších globálnych klimatickej zmien, akú kedy naša planéta zažila. Odohrala sa približne 10 miliónov rokov po možno ešte väčšej globálnej kataklizme, ktorá pred približne 65 miliónmi rokov vyhladila zo zemského povrchu dinosaury a ukončila tak dlhé, 185 milión rokov trvajúce, zväčša veľmi teplé obdobie druhohôr. Pre toto hypertermálne obdobie sa v paleoklimatológii zaužívalo označenie „Paleocénno-eocénne termálne maximum“ (skrátene PETM). Globálny priemer teploty vtedy v priebehu necelých 20 tisíc rokov vyskočil o úctyhodných 5 až 9°C. Čo je však ešte zaujímavejšie, zásadnú teplotnú zmenu prekonali oceány, a to dokonca vo veľkých hĺbkach, kde sa oteplilo o 6 až 8°C. Väčšina vtedy existujúcich ekosystémov síce bola schopná sa tejto rýchlej zmene prispôsobiť – tropická fauna a flóra migrovala do Severnej Ameriky a Európy a tropické druhy rýb sa rozšírili bližšie k zemským pólom – no udalosť PETM sprevádzalo aj niekoľko veľmi negatívnych dôsledkov, ktorých paralely a prvotné signály môžeme na Zemi vidieť aj v súčasnosti.

Jedným z nich bol rozsiahly kolaps morského života a vymieranie drobného zooplanktónu v dôsledku zvýšenia kyslosti (pokles pH) a teploty morskej vody. Žiaľ, podobností medzi PETM a súčasnou zmenou klímy je ďaleko viac. Prudké oteplenie počas PETM bolo totiž pravdepodobne spôsobené tou istou príčinou, o akej sa najčastejšie hovorí v spojitosti s globálnym otepľovaním v posledných 150 rokoch – masívnym nárastom koncentrácií skleníkových plynov v zemskej atmosfére, predovšetkým oxidu uhličitého a metánu. Záujem klimatológov o udalosť PETM je preto veľmi dobre zdôvodniteľný. Práve podrobnejšie a presnejšie informácie o udalosti PETM nám celkom určite môžu poslúžiť k tomu, aby sme si o rozsahu globálnych zmien, ktoré možno očakávať v nasledujúcich storočiach, mohli vytvoriť aspoň približnú predstavu. Ako však naznačujú novšie paleoklimatologické štúdie, je tu jedno veľké „ALE“. Zdá sa, že dokonca aj v porovnaní s PETM je súčasné otepľovanie mimoriadne rýchle a v prípade, že sa splní stredný a najlepší odhad rastu globálnej teploty, teda o približne 4 °C do roku 2100, pôjde o klimatickú zmenu s rýchlosťou 100-násobne prevyšujúcou kataklizmatické obdobie z prelomu paleocénu a eocénu.

Obr. 1: Rozsah oteplenia počas PETM na úrovni dlhodobého priemeru ročnej teploty vzduchu v niektorých vybraných regiónoch sveta (Zdroj: http://www.carbonvirgin.com/content/show/popup/url/petm)

PETM – príčiny otepľovania

Naša planéta prešla počas svojho dlhého vývoja početnými epizódami prirodzeného otepľovania a ochladzovania. Príčin týchto zmien bolo mnoho, no najčastejšícm mechanizmom, alebo inak povedané, ich primárnym impulzom boli tzv. Milankovičove cykly, ktoré súvisia s dlhodobými zmenami parametrov zemskej orbity. Tie v priebehu určitých, pravidelne sa opakujúcich periód (v posledných aspoň 450 tisíc rokov ide o periódy s trvaním 21, 41 a 100 tisíc rokov) zásadne podmieňujú zmeny pozície a vzdialenosti Zeme od Slnka v zimnom a letnom období, a tým aj celkovú intenzitu slnečného žiarenia dopadajúceho na zemský povrch severnej pologule. Vo vedeckej komunite prevláda zhoda v tom, že mechanizmus týchto zmien vedie k štartovaniu ale aj ukončovaniu dôb ľadových, ako aj teplejších interglaciálov. Okrem toho však poznáme aj skupinu klimatických zmien, ktorých pôvod nemožno spájať výlučne s Milankovičovými cyklami, ale s faktormi, stojacími napríklad aj za súčasným globálnym otepľovaním. Exemplárnym príkladom takéhoto klimatického „skoku“ je práve udalosť PETM.

Obr. 2: Porovnanie tempa rastu globálnej teploty dnes (červená) a v priebehu PETM (modrá)

Celkové oteplenie počas udalosti PETM nebolo všade rovnaké. Povrchové vrstvy oceánov vzrástli najviac vo vysokých zemepisných šírkach, a to o ~ 6-9 °C, menej v trópoch (~ 4 °C). Ešte viac sa však zvýšili teploty vo väčších hĺbkach, v miernych a polárnych šírkach o ~ 8 °C, bližšie k rovníku o ~ 6 °C. Na pevninách, v porovnaní s oceánmi boli teplotné zmeny o niečo menej výrazne, aj keď stále veľmi veľké. V miernych šírkach sa oteplilo o ~ 5 °C, pri rovníku o ~ 3 °C. Dôsledky na zmeny rozloženia zrážok a ich veľkosť pravdepodobne záviseli od regiónu. Niektoré štúdie naznačujú suchšie podmienky (globálne rozšírenie sucha) v priebehu PETM, iné poukazujú na to, že niektoré regióny mali významne vyššie ročné úhrny zrážok. Na základe paleoklimatologického výskumu globálny obraz o klimatických zmenách počas PETM je dnes už síce jasnejší, no značné neistoty stále pretrvávajú ohľadom presnejšieho označenie zdroja a pôvodu obrovských emisií uhlíka do zemskej atmosféry.

Podľa toho, čo doteraz vieme, v období medzi 55 a 54,5 miliónmi rokmi došlo vo fosíliách k významnému nárastu zastúpenia ľahkého izotopu uhlíka 12C, ktorý je pri fotosyntéze rastlín uprednostňovaný pred ťažším uhlíkom 13C. Čo to znamená? Poukazuje to na masívny nárast koncentrácií uhlíka v zemskej atmosfére, a to najmä vo forme CO2, ktorého pôvodom mohla buď samotná biosféra (horenie biomasy) alebo sedimenty bohaté na ľahší izotop uhlíka, teda uhlie alebo tiež ropa (do úvahy pripadajú aj metánové hydráty alebo permafrost). Izotopové analýzy geologických vrstiev na pevninách a v oceánoch, ako aj dôkazy o rozsahu a veľkosti samotného otepľovania naznačujú, že pri udalosti PETM sa v priebehu necelých 10 tisíc rokov muselo do atmosféry dostať približne 3 až 10 biliónov ton čistého uhlíka (najlepší odhad 5 biliónov ton), s horným odhadom rýchlosti emisie max. 2 Gt C za rok (2 mld. ton uhlíka). Len pre porovnanie, ľudstvo dnes vypúšťa do atmosféry takmer 5-násobne väčšie množstvo uhlíka – ročná antropogénna emisia je takmer 10 Gt C (cca 35 Gt CO2).

Dnes presne nevieme, odkiaľ sa tak obrovské množstvo uhlíka v priebehu PETM zobralo (je asi 3-násobné v porovnaní s tým, aké je dnes uložené v biosfére), no najpravdepodobnejšia hypotéza hovorí o tom, že v iniciálnom štádiu jeho zdrojom boli už spomínané sedimenty uhlia a ropy, do ktorých prenikala roztavená magma v dôsledku veľmi intenzívneho vulkanizmu v priestore rodiaceho sa Atlantického oceánu. Vulkanizmus a horenie uhlia viedlo k prvotnému nárastu koncentrácií CO2, ktorého radiačný efekt zvýšil globálnu teplotu o približne 2 až 4°C. Vzhľadom na tak výrazne oteplenie, hypotéza ďalej počíta so zapojením silných pozitívnych väzieb zo strany ďalšieho, veľmi silného skleníkového plynu – metánu. Jeho pôvod možno vystopovať hlboko na dne oceánov. Signál otepľovania atmosféry sa totižto pomocou morských prúdov dostal pomerne rýchlo aj do hlbších častí oceánov. Veľmi rýchle a razantné oteplenie hlbokomorského prostredia mohlo destabilizovať sedimenty metánhydrátov, ktorý nakoniec v podobe plynného metánu začal unikať do atmosféry a podporovať už tak vysokú koncentráciu CO2.

Obr. 3: Vývoj koncentrácie CO2 v období od začiatku fenerozoika (548 mil. rokov)

Do hry však veľmi pravdepodobne vstúpil aj ďalší veľký zdroj metánu – permafrost, a to predovšetkým v oblasti vtedajšej Antarktídy. Len pre zaujímavosť, dnes je na morskom dne vo forme metánhydrátu uložených približne 500 až 10 000 Gt C a v permafroste ďalších asi 400 Gt C. V dôsledku výraznej klimatickej zmeny sa v priebehu dlhšieho času stala významným zdrojom uhlíka aj samotná biosféra. Vyššie povrchové teploty a rozširujúce sa sucho na pevninách spôsobovali, podobne ako dnes, častejšie a rozsiahlejšie požiare suchozemskej vegetácie. Prevažnú časť oteplenie počas PETM nemožno nakoniec pripísať iniciálnemu otepleniu, ale naopak silným pozitívnym spätným väzbám (najmä zo strany metánu), ktoré pravdepodobne zohrajú dôležitú úlohu aj v najbližšej budúcnosti.

S obrovským nárastom koncentrácií CO2 si síce planéta dokázala poradiť, ale trvalo jej celých 200 tisíc rokov než nadbytočný uhlík z atmosféry zapracovala opäť do biosféry a zemskej kôry. PETM pravdepodobne predstavovalo sériu niekoľkých po sebe nasledujúcich náhlych oteplení, na ktoré sa paleocénna flóra a fauna síce dokázala adaptovať, no konečná klimatická zmena bola nakoniec tak výrazná, že stála za zrodom novej geologickej epochy – eocénu.

Skleníkový eocén

Udalosť PETM pravdepodobne do istej miery ovplyvnila aj prvú tretinu nasledujúceho geologického obdobia – eocénu (obdobie pred 55 až 34 mil. rokmi). Týmto obdobím vyvrcholila a skončila jedna z najteplejších periód v známej geologickej histórii Zeme. Globálna teplota síce už nebola tak vysoká ako počas druhohôr alebo PETM, no bola dostatočne vysoká na to, aby znemožnila akékoľvek trvalejšie zaľadnenie polárnych oblasti, zvlášť Antarktídy. Takmer na celej planéte panovalo veľmi teplé a aj vlhké podnebie. Oveľa teplejšie ako dnes boli predovšetkým polárne oblasti, kde priemerná ročná teplota bola o celých 30°C vyššia ako v súčasnosti. Na globálnej úrovni bolo teplejšie o približne 6 až 8 °C. V niektorých oblastiach Grónska a Aljašky mala klíma takmer subtropický charakter. Potvrdzujú to nálezy fosílnych zvyškov paliem, či dokonca krokodílov, napríklad z Ellesmerovho ostrova v severnej Kanade. Geografická konfigurácia kontinentov a oceánov bola, až na menšie „drobnosti“, takmer totožná s tou súčasnou. Európa, Severná či Južná Amerika sa už viac-menej nachádzali vo svojich súčasných polohách. Avšak tie „drobnosti“, ktoré sme v predošlej vete bez povšimnutia preskočili, zohrali pri formovaní eocénnej klímy zásadnú úlohu. Okrem vysokých koncentrácií CO2, ktoré sa v prvej polovici Eocénu pohybovali vysoko nad úrovňou 1000 ppm, to bola predovšetkým podstatne odlišná konfigurácia morských prúdov a teda aj intenzívnejšia výmena tepla medzi trópmi a polárnymi oblasťami, čo z Eocénu vytvorilo doslova saunu.

Obr. 4: Najzávažnejším dôsledkom PETM bolo hromadné vymieranie morského života - najviac postihnutou skupinou živočíchov boli mikroskopické organizmy radu Foraminifera (Dierkavce) - vymrelo až 50% druhov

Pred 55 mil. rokmi bola Antarktída spojená kontinentálnymi mostami s ďalšími dvoma veľkými pevninskými blokmi – Austráliou a Južnou Amerikou. Toto prepojenie umožňovalo, aby sa k Antarktíde dostávala teplá povrchová voda z tropických oblasti južnej pologule. Výsledkom boli teploty v priemere o minimálne 30°C vyššie aké panujú v Antarktíde v súčasnosti. Celý kontinent bol pokrytý lesmi mierneho podnebného pásma a zaľadnenie, ak vôbec v tomto období existovalo, sa obmedzovalo len na najvyššie horské oblasti (treba však pripomenúť, že Antarktída v tejto dobe pripomínala skôr rozsiahle súostrovie ako kompaktný kontinent). V dôsledku absencie kontinentálneho zaľadnenia Grónska a Antarktídy siahala hladina svetových oceánov o 50 metrov vyššie ako dnes. Dôkazy o horúcom podnebí z prvej polovice Eocénu sú k dispozícii aj z hlbokomorských vrtov. Tie naznačujú, že oceány boli prehriate až ku dnu. V porovnaní so súčasnou teplotou na dne oceánov (priemerne okolo 0-2°C) boli teploty v Eocéne skutočne extrémne vysoké – 14 až 16°C (!). Zohľadniac vtedajší objem všetkých morí a oceánov ako aj existenciu minimálneho vertikálneho a horizontálneho gradientu teploty vody, je asi len veľmi ťažké si predstaviť, aké ohromné množstvo energie v podobe tepla bolo v eocénnych oceánoch „uložené“.

PETM vs. súčasná zmena klímy

Aby sme však uviedli udalosť PETM do kontextu so súčasným otepľovaním, dobré je si uvedomiť, že doposiaľ pozorované otepľovanie v 20. storočí je zatiaľ približne 10-krát tak rýchle ako to, ktoré vieme doložiť z geologických záznamov spred 55 miliónov rokov. Celkové globálne oteplenie v priebehu PETM pravdepodobne dosahovalo až k 9°C za obdobie dlhé asi 20 tisíc rokov, čo je v prepočte na 100 rokov otepľovanie s rýchlosťou 0,025°C/storočie. Planéta sa v poslednom storočí otepľovala rýchlosťou asi 1 až 4°C (v závislosti od regiónu). Je však veľmi pravdepodobné, že toto tempo sa bude naďalej zvyšovať. V prípade, že sa splní stredný a najlepší odhad rastu globálnej teploty, teda o približne 4 °C do roku 2100, pôjde o klimatickú zmenu s rýchlosťou 100-násobne prevyšujúcou kataklizmatické obdobie z prelomu paleocénu a eocénu. PETM však bledne v porovnaní so súčasnou zmenou klímy aj iných parametroch. Ako sme už uviedli vyššie, maximálny odhad ročnej emisie čistého uhlíka počas PETM bola približne 2 Gt C (niekedy sa uvádza maximálne 1,7 Gt C), pričom dnes celková antropogénna emisia sa pohybuje až na úrovni 9-10 Gt C s predpokladom rastu až k hodnotám 25-30 Gt C v polovici tohto storočia (len pre porovnanie, ročná emisia čistého uhlíka vulkanizmom je približne 0,06 Gt C). Od počiatku priemyselnej revolúcie, pred 250 rokmi, dokázali ľudia zvýšiť koncentráciu skleníkových plynov na úroveň, aká panovala na Zemi naposledy pred približne 15 až 20 mil. rokmi. Zemi trvalo 40 miliónov rokov, kým za pomoci vlastnej autoregulácie a globálneho teplotného termostatu znížila úroveň CO2 zo 700 ppm na predindustrálnych 280 ppm.

Obr. 5: Simulácie povrchovej teploty modelom CCSM3 (NCAR) pre 6 vybraných periód, pred 250 mil., 55 mil. (PETM), 21 tis. (LGM) rokmi, v 19. a 20. storočí a pre koniec 21. storočia (Zdroj: http://www.ncar.ucar.edu/feature/fieldguides/paleoclimate/)

Návrat do eocénu?

Podľa dokonca aj toho najpravdepodobnejšieho emisného scenára IPCC (SRES A1B), by celkové koncentrácie CO2 mohli do roku 2100 dosiahnuť úroveň 700 ppm, teda hodnotu, ktorá sa naposledy na Zemi vyskytovala práve v období Eocénu, ešte pred zaľadnením Antarktídy. Dokonca aj keď zoberieme do úvahy o niečo optimistickejší scenár SRES B1, ktorý je v prípade absencie akýchkoľvek mitigačných opatrení a redukcií emisií CO2 skôr nereálny, predpokladané koncentrácie CO2 v roku 2100 budú pravdepodobne stále vyššie než v období posledných 30 mil. rokov (500 ppm). Keďže však vývoj emisií CO2 v poslednom desaťročí skôr konvergoval k pesimistickejším scenárom IPCC, treba zobrať do úvahy aj možnosť, že by koncentrácie v roku 2100 mohli dosiahnuť hodnotu okolo 1000 ppm (scenár A1Fl), čo je už hodnota príznačná pre prvú a najteplejšiu fázu Eocénu.

V prípade, že by sa tak skutočne stalo, je veľmi pravdepodobné, že do roku 2300 by mohla globálna teplota vzduchu vzrásť o 8 až 10°C, čo by boli podmienky porovnateľné s najteplejšími periódami Eocénu. Ako sme už uviedli vyššie, Zemi trvalo 40 miliónov rokov než sa ochladila z eocénneho „skleníka“ na dnešné holocénne teplotné optimum. Ako sa však zdá, ľudia majú potenciál sa vrátiť do Eocénu asi 200 tisíc krát rýchlejšie. Pochopiteľne, je veľmi otázne, či dokonca aj v prípade, že vývoj pôjde cestou najpesimistickejších emisných a teplotných scenárov, sa globálne oteplí o spomínaných 10°C. Predsalen, globálna geografia oceánov a pevnín je v súčasnosti trochu iná ako tomu bolo v Eocéne a okrem toho, odozva antarktického kontinentálneho ľadovca bude relatívne pomalá (niekoľko tisíc rokov). Isté neistoty vyplývajú aj z použitia samotných emisných scenárov, a ešte väčšie z absencie fyzikálneho chápania a parametrizácie všetkých spätných väzieb v klimatickom systéme Zeme (niektoré globálne otepľovanie zosilnia, iné ho môžu potlačiť). Avšak argumentácia pomocou existujúcich neistôt, či už v klimatických modeloch alebo empirických údajoch, nie je z pohľadu riešenia globálnej klimatickej zmeny tým najšťastnejším krokom. Ako vieme veľmi dobre, neistoty takmer vždy hrajú v náš neprospech!

Neistoty zostávajú, ale ...

Aj napriek tomu, že udalosť PETM je pre nás zatiaľ nie celkom pochopená perióda vývoja globálnej klímy Zeme, neistoty vyplývajúce z obmedzených schopností používaných paleoklimatologických metód datovania a izotopových analýzy fosílnych zvyškov, by v žiadnom prípade nemali byť interpretované v zmysle nedostatočného/nekorektného pohľadu na citlivosť klimatického systému Zeme na takto výrazne zmeny fyzikálneho stavu atmosféry. Práve naopak, udalosť PETM nám ukazuje plný rozsah toho, ako dokáže celý planetárny systém komplexne reagovať na rýchlu zmenu chemizmu atmosféry. Skúsenosť s PETM, aj keď nie ešte celkom vyčerpávajúca a presná, nám ukazuje aj ďalšiu skutočnosť. Iniciálne oteplenie, ktoré sme v posledných približne 100-120 rokov započali v dôsledku spaľovania fosílnych palív je zdá sa len tou prvou, menšou časťou celkového otepľovania, ktoré nás veľmi pravdepodobne ešte len čaká. Dôležité v tomto zmysle bude, ako rýchlo a s akým rozsahom sa do celého procesu v najbližšom storočí zapoja pozitívne, prípadne negatívne spätné väzby, schopné prvotné oteplenie podporiť, resp. zoslabiť. Najväčšie obavy panujú okolo deštrukcie permafrostu v polárnych a subpolárnych oblastiach, ako aj nestabilné hlbokomorské sedimenty metán hydrátu, ktoré môžu byť obrovským zdrojom metánu.

Autori:

Mgr. Jozef Pecho (Ústav fyziky atmosféry AV ČR, v.v.i., Oddelenie klimatológie, Boční II 1401, 141 31 Praha 4, Česká republika),

Mgr. Alexander Ač, PhD. (Centrum výskumu globálnej zmeny AV ČR, v.v.i., Bělidla 986/4a, 603 00 Brno, Česká republika).

Literatúra

Archer, D. 2009. The Long Thaw. Princeton University Press. 2009. 180 p.

Aubry, M-P., Lucas, S. G., Berggren, W. A. 1999. Late Paleocene-Early Eocene Biotic and Climatic Events in the Marine and Terrestrial Records. New York: Columbia University Press. ISBN 978-0231102384

Burroughs, W. J. 2007. Climate Change: A Multidisciplinary Approach. Cambridge University Press, New York. 378 p.

Hartmann, D. L. 1994. Global Physical Climatology. Academic Press – Elsevier. 1994. 412 p.

Kump, L. R. 2011. The Last Great Global Warming. Scientific American, 2011, p. 56-61.

Ruddiman, W. F. 2008. Earth´s Climate: Past and Future. Druhé vydanie, V. H. Freeman & Com.

Zachos, J. C., Dickens, G. R., Zeebe, R. E. 2008. An early Cenozoic perspective on greenhouse warming and carbon-cycle dynamics. Nature 451, 279–283. (DOI 10.1038/nature06588).