Citlivosť klímy – dôležitý pojem našej budúcnosti

Veľkosť odozvy globálneho klimatického systému na vysokú koncentráciu CO₂

V médiách sa občas stretávame s pojmom citlivosť klímy, prípadne citlivosť klimatického systému alebo zjednodušene tiež klimatická citlivosť. Čo tento pojem presne označuje a aký má z pohľadu vývoja budúcej klímy význam?  

Problém silnejšieho skleníkového efektu

Už vieme, že ľudské aktivity súvisiace najmä s produkciou energie, dopravou či odlesňovaním výraznou mierou prispievajú k rastu koncentrácie skleníkových plynov (hlavne CO₂) v zemskej atmosfére. Vyššia koncentrácia CO₂ v troposfére vedie k intenzívnejšiemu záchytu (absorbcii) dlhovlnného tepelného žiarenia zemského povrchu. Ak by sme teda spočítali všetky energetické toky – krátkovlnné a dlhovlnné žiarenie – smerujúce k zemskému povrchu a naopak (Obr. 1), smerujúce do atmosféry a kozmického priestoru, dospeli by sme nesúladu. Aby sa planéta udržala v teplotnej rovnováhe, množstvo energie prichádzajúce na Zem v podobe krátkovlnného žiarenia (radiácie) musí byť zhodné s množstvom energie, ktoré Zem stráca prostredníctvom vyžarovania dlhovlnnej radiácie (tepla). Rozdiel týchto dvoch zložiek musí byť 0 W/m^-2. 

Obr. 1: Veľkosť odrazeného (vľavo) a vyžiareného - emitovaného (vpravo) žiarenia [W/m^-2] zo zemského povrchu v určitom časovom období (Zdroj)

Obr. 2: Jednoduchá schéma zosilneného skleníkového efektu (Zdroj)

V prípade Zeme to ale dnes neplatí. Kvôli silnejšiemu skleníkovému efektu a teda intenzívnejšiemu spätnému vyžarovaniu atmosféry sú toky energie smerujúce k zemskému povrchu silnejšie – tento stav potvrdzujú koniec koncov aj meteorologické družice, ktoré od roku 1970 nepretržite zaznamenávajú pokles intenzity tepelného vyžarovania Zeme na hornej hranici atmosféry (predovšetkým v absorpčných pásoch oxidu uhličitého a metánu). Radiačná nerovnováha sa prejavuje v stabilizácii vyššej priemernej teploty prízemných vrstiev atmosféry – a ako už tiež vieme, prevažná časť tohto „prebytočného“ tepla nakoniec vstupuje do oceánov, kde sa akumuluje. Klimatický systém Zeme sa bude zohrievať dovtedy, kým nebude medzi prichádzajúcou a odchádzajúcou radiáciou nastolená nová rovnováha (ekvilibrium), povedzme aj pri vyššej koncentrácii CO₂ a vyššej povrchovej teplote (Obr. 2).

Čo je to citlivosť klimatického systému?

Pojmom „citlivosť klímy“ sa najčastejšie označuje kvantifikovateľná odozva klimatického systému (prejavujúca sa buď oteplením alebo ochladením) na zmenu bilancie tokov energie smerujúcich k a od zemského povrchu. Aby to však bolo dostatočne zrozumiteľné a ľahko zapamätateľné, klimatickú citlivosť väčšinou určujeme pre dvojnásobné množstvo CO₂ v porovnaní s predindustriálnou hodnotou (teda 2 × 280 ppm). Ak by sme teda počítali len s radiačným účinkom CO₂, pri jeho dvojnásobnej koncentrácii by sa zemský povrch ohrial o približne 1,2 °C v globálnom priemere. Tento nárast sa nezdá byť veľký, no spomeňme si na to, že rozdiel globálnej teploty medzi súčasným teplým obdobím Holocénu a najchladnejším obdobím poslednej doby ľadovej je „len“ 5 °C.

Ako sme ale už spomenuli, hodnota 1,2 °C odpovedá len radiačnému účinku pre koncentráciu 2 × CO₂ (560 ppm). Ak by sme zobrali do úvahy aj vplyv ostatných skleníkových plynov a ďalej aj účinok všetkých známych pozitívnych (zosilňujúce iniciálne oteplenie) a negatívnych (utlmujúce iniciálne oteplenie) spätných väzieb, hodnota klimatickej citlivosti by bola celkom určite vyššia. V klimatickom systéme Zeme totiž funguje celý rad, najmä pozitívnych spätných väzieb, ktoré prvotné oteplenie zo strany silnejšieho skleníkového efektu ešte viac zosilňujú. Pekným príkladom je napríklad väzba zo strany úbytku snehovej pokrývky a ľadu. Sneh alebo ľad majú prirodzené vysoké albedo, to znamená, že prevažnú časť (> 90 %) prichádzajúceho slnečného žiarenia odrážajú späť do kozmického priestoru. Keď ale sneh vplyvom vyšších teplôt zo zemského povrchu zmizne, slnečné žiarenia dopadá na povrch s nižším albedom. Väčšia časť slnečného žiarenia sa tak využije na ohrev povrchu a prízemnej atmosféry, čo sa automaticky prejaví vo väčšom náraste teploty vzduchu. Ďalším príkladom veľmi silnej pozitívnej väzby je väzba zo strany vodnej pary, ktorá patrí podobne ako CO₂ k skleníkovým plynom. Teplejšia atmosféra obsiahne väčšie množstvo vodnej pary (na každý 1 °C ide o nárast o 6-7 %), čo skleníkový efekt ešte viac prehlbuje. 

Ak teda chceme odhadnúť celkovú citlivosť klimatického systému (klímy), musíme okrem radiačnej účinnosti skleníkových plynov uvažovať aj o účinku spätných väzieb (pozn.: pri ich účinku je vždy potrebné uvažovať aj o čase, za ktorý sa účinok konkrétnej väzby prejaví, Obr. 3).      

Obr. 3: Časová odozva (aktivácia) vybraných spätných väzieb a odhad ich príspevku k celkovému otepleniu (Zdroj)

Najsilnejšie spätné väzby klimatického systému

Pravdepodobne najsilnejšia a svojim účinkom takmer okamžitá pozitívna spätná väzba pochádza zo strany vodnej pary. Nedávna štúdia z roku 2009 (Dessler a Scherwood, 2009) naznačila, že zosilňujúci účinok zvýšeného množstva vodnej pary v atmosfére by mohol byť približne tak veľký, ako zo strany samotného CO₂ (teda 1,2 °C). S účinkom spätnej väzby topiaceho sa ľadu sa nespája len pokles albeda zemského povrchu (ako sme uviedli vyššie), ale aj potenciálny únik ďalšieho významného skleníkového plynu (metán) z depozitov permafrostu v oblasti Arktídy, severnej Kanady a Sibíri. Ako sme každopádne spomenuli už v článku o prebiehajúcej zmene klímy v Arktíde, zdrojom metánu sú aj podmorské sedimenty klatrátov (metánhydrát).

Existujú však ak spätné väzby, ktoré svojim účinkom môžu iniciálne oteplenie zo strany CO₂ utlmovať – o ich účinnosti zatiaľ toho veľa ale nevieme. Najdôležitejšia negatívna väzba prichádza zo strany vegetácie. Vieme, že vyššie koncentrácie CO₂, ako aj vyššie priemerné teploty (najmä v miernych šírkach), vedú k intenzívnejšej tvorbe biomasy – rastliny rastú rýchlejšie a spotrebovávajú väčšie množstvo CO₂. Táto väzba má však svoje limity, predovšetkým z pohľadu dostatku vody, živín, ale nakoniec aj teploty. Už dnes možno v mnohých regiónoch pozorovať pustošivé následky vysokých extrémnych teplôt ako aj sucha na vegetáciu (požiare napokon do atmosféry uvoľňujú CO₂ viazané v biomase).

Obr. 4: Odhad celkového účinku oblakov (oblačnosti) na rast globálnej teploty vzduchu je ovplyvnený značnými neistotami - v priemere by však nemali významne prispievať ani k ochladzovaniu, ani k ďalšiemu ohrievaniu zemského povrchu; (hore) priemerné pokrytie povrchu Zeme oblačnosťou v %

A čo oblačnosť? Mohli by nám oblaky v budúcnosti pomôcť zvládnuť rýchle tempo otepľovania? Žiaľ zdá sa, že nie. Klimatický efekt oblakov závisí od ich typu. Vysoké oblaky (cirrus) prízemnú teplotu skôr zvyšujú, nízke (cumulus) naopak znižujú. Pri predpoklade vyššej vlhkosti atmosféry sa očakáva aj väčšie priemerné pokrytie povrchu Zeme oblačnosťou. Dôležité však bude, ktoré typy oblačnosti budú v teplejšej atmosfére prevládať. Tento aspekt oblačnosti dnes ešte predpovedať nevieme, no nech to bude už tak či onak, podľa Desslerovej štúdie nebude celkový účinok oblakov veľký (či už pozitívny alebo negatívny, Obr. 4).

Konsenzus v odhadoch klimatickej citlivosti

Klimatickú citlivosť dnes vieme odhadovať použitím troch rôznych metodických prístupov, a to buď využitím detailných a sofistikovaných fyzikálnych (klimatických) modelov, alebo kombinácie klimatologických meraní a jednoduchších klimatických modelov, prípadne údajov o historických zmenách klímy (klimatické analógy). Prevažná časť vedeckých štúdií využívajúca niektorý z uvedených prístupov pri odhade klimatickej citlivosti prináša celkom jednoznačný záver. Klimatická citlivosť pre stav 2 × CO₂ so započítaním všetkých známych pozitívnych aj negatívnych spätných väzieb s veľkou pravdepodobnosťou leží niekde medzi 2 a 4,5 °C (Obr. 5), s najlepším odhadom 3 °C. Tento kvantifikovaný rozsah potvrdila nedávno aj štúdia v časopise Nature, ktorá analyzovala výstupy viac ako 20 odborných článkov zaoberajúcich sa príkladmi rýchlych klimatických zmien v geologickej histórii Zeme za posledných 65 miliónov rokov.  

Obr. 5: Distribučné krivky pravdepodobnosti výskytu určitej hodnoty klimatickej citlivosti pre stav 2 × CO₂ (Zdroj) - podľa štyroch vybraných publikácií je vidieť, že najpravdepodobnejšie sú hodnoty v intervale od 2 do 4,5 °C

Pochopiteľne, že všetky prístupy majú svoje obmedzenia a neistoty. Analýzy založené na historických zmenách klímy nám síce hovoria niečo o citlivosti klímy pred miliónmi rokov, no bez adekvátneho kritického rozboru ich výstupy nemožno automaticky aplikovať pre obdobie, ktoré nás ešte len čaká. Zem bola pred miliónmi rokov úplne iným miestom, akým je dnes (rozloženie pevnín a oceánov, charakter morského prúdenia, atď.). To isté platí aj o príspevkoch, výsledky ktorých pochádzajú z detailných klimatických modelov. Fyzikálne sú síce konzistentné, ale stále sú to len simulácie budúcej klímy. Ale aj napriek neistotám, ktoré uvedené metódy majú, konsenzus výsledkov, ktoré prinášajú je zatiaľ celkom jasný. Pri zdvojnásobení obsahu CO₂ v atmosfére na hodnotu 560 ppm nás pravdepodobne čaká oteplenie v rozsahu od 2 do 4,5 °C. Akákoľvek nová štúdia prinášajúca iný obraz by musela najskôr dokázať, že všetky predošlé výsledky desiatok a desiatok štúdií boli nekorektné a chybné. 

Obr. 6: Odhady klimatickej citlivosti [°C] z rôznych údajových zdrojov a pri použití rôznych metodických prístupov (najpravdepodobnejšia hodnota je vyznačená prázdnym krúžkom; Zdroj)

Čo to znamená pre našu budúcnosť?

Dnešná koncentrácia CO₂ v zemskej atmosfére je 400 ppm, čo znamená, že od predindustrálnej koncentrácie k jej zdvojnásobeniu sme zatiaľ urazili menšiu polovicu cesty. Pri súčasnom tempe vypúšťania skleníkových plynov sa však k tomuto stavu prepracujeme pomerne rýchlo. Trvalo nám asi 250 rokov než sme obsah CO₂ v atmosfére zvýšili z 280 na 400 ppm. Ako sa zdá, na dosiahnutie 560 ppm nebudeme potrebovať ani šestinu tohto času (!) – je teda veľmi pravdepodobné, že hodnotu 2 × CO₂ dosiahneme niekedy v polovici tohto storočia. Súčasný vedecký konsenzus ohľadom budúcej zmeny klímy hovorí aj o tom, že oteplenie o viac ako 2 °C v priebehu tohto storočia sa nezaobíde bez veľmi negatívnych (nebezpečných) dôsledkov.

Ak teda aj po započítaní všetkých neistôt súvisiacich s odhadom klimatickej citlivosti prijmeme fakt, že jej hodnota leží kdesi medzi 2 a 4,5 °C a že tento scenár nárastu teploty môže pri súčasnom tempe emitovania CO₂ nastať už v druhej polovici tohto storočia, celkom isto nás to musí priviesť k jedinému závažnému záveru. To, do akej zásadnej a zničujúcej miery súčasná moderná civilizácia ovplyvňuje globálnu klímu, nie je v žiadnom prípade z dlhodobého pohľadu bezpečné. Ide v každom prípade o neakceptovateľný a hrubo podceňovaný hazard so životom na tejto planéte!

Súvisiace články

Návrat do predhistorickej atmosféry

http://climatemap.blogspot.sk/2013/05/navrat-do-predhistorickej-atmosfery.html

Oceány "maskujú" skutočný rozsah globálneho otepľovania

http://climatemap.blogspot.sk/2013/05/oceany-maskuju-skutocny-rozsah.html

Záhada (ne)pokračujúceho globálneho otepľovania leží hlboko v oceánoch

http://climatemap.blogspot.sk/2013/03/zahada-nepokracujuceho-globalneho.html

Klimatická zmena v Arktíde prebieha doslova pred očami

http://climatemap.blogspot.sk/2013/03/klimaticka-zmena-v-arktide-prebieha.html

Posledné veľké otepľovanie

http://climatemap.blogspot.sk/2013/03/posledne-velke-oteplovanie.html

 
Literatúra

J.C. Hargreaves, J.D. Annan, M. Yoshimori, A. Abe-Ouchi (2012). Can the Last Glacial Maximum constrain climate sensitivity?, Geophysical Research Letters, vol. 39, pp. n/a-n/a.

P. Köhler, R. Bintanja, H. Fischer, F. Joos, R. Knutti, G. Lohmann, V. Masson-Delmotte (2010). What caused Earth's temperature variations during the last 800,000 years? Data-based evidence on radiative forcing and constraints on climate sensitivity, Quaternary Science Reviews, vol. 29, pp. 129-145.

A. Schmittner, N.M. Urban, J.D. Shakun, N.M. Mahowald, P.U. Clark, P.J. Bartlein, A.C. Mix, A. Rosell-Mele (2011). Climate Sensitivity Estimated from Temperature Reconstructions of the Last Glacial Maximum, Science, vol. 334, pp. 1385-1388.

J.T. Fasullo, K.E. Trenberth (2012). A Less Cloudy Future: The Role of Subtropical Subsidence in Climate Sensitivity, Science, vol. 338, pp. 792-794.

E.J. Rohling, E.J. Rohling, A. Sluijs, H.A. Dijkstra, P. Köhler, R.S.W. van de Wal, A.S. von der Heydt, D.J. Beerling, A. Berger, P.K. Bijl, M. Crucifix, R. DeConto, S.S. Drijfhout, A. Fedorov, G.L. Foster, A. Ganopolski, J. Hansen, B. Hönisch, H. Hooghiemstra, M. Huber, P. Huybers, R. Knutti, D.W. Lea, L.J. Lourens, D. Lunt, V. Masson-Demotte, M. Medina-Elizalde, B. Otto-Bliesner, M. Pagani, H. Pälike, H. Renssen, D.L. Royer, M. Siddall, P. Valdes, J.C. Zachos R.E. Zeebe (2012) "Making sense of palaeoclimate sensitivity", Nature, vol. 491, pp. 683-691.

Zdroje
http://www.abc.net.au/environment/articles/2013/04/12/3735095.htm
http://www.nature.com/nature/journal/v491/n7426/full/nature11574.html
http://www.sciencemag.org/content/323/5917/1020.summary
http://pubs.giss.nasa.gov/abs/ha00410c.html
http://www.skepticalscience.com/arg_sensitivity_cz.htm
http://www.pik-potsdam.de/~stefan/Publications/Book_chapters/Rahmstorf_Zedillo_2008.pdf
http://www.economist.com/news/science-and-technology/21574461-climate-may-be-heating-up-less-response-greenhouse-gas-emissions
http://www.realclimate.org/index.php/archives/2011/11/ice-age-constraints-on-climate-sensitivity/
http://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/en/ch2s2-8-5.html
http://www.ipcc.ch/publications_and_data/publications_ipcc_fourth_assessment_report_synthesis_report.htm
http://www.realclimate.org/index.php/archives/2005/04/water-vapour-feedback-or-forcing/
http://en.wikipedia.org/wiki/Climate_sensitivity#Other_estimates
http://www.nature.com/ngeo/journal/v2/n8/abs/ngeo578.html