Začarovaný kruh extrémneho počasia a klimatickej zmeny

Sucho, vlny horúčav a silné búrky znižujú záchyt atmosférického uhlíka rastlinami

Nápadne častý výskyt extrémnych vĺn horúčav, priestorovo rozsiahlych a dlhých období sucha či silných búrok v posledných dvoch desaťročiach sa často krát hodnotí ako jeden z dôsledkov globálneho otepľovania. Ale čo ak samotné meteorologické a klimatologické extrémy spätne vedú k zosilňovaniu svojich prejavov a dôsledkov tým, že nepriamo podporujú globálne otepľovanie? 

Obr. 1: Vplyv vybraných typov extrémneho počasia na uhlíkový cyklus - vlny horúčav, sucho, silné búrky, či extrémne zrážky majú rôzny dopad na záchyt a únik uhlíka z/do atmosféry - šípky smerujúce hore predstavujú únik CO₂ do atmosféry (šípky smerom nadol jeho záchyt; Zdroj:  Reichstein, M. et al. 2013)

Zvyšujúce sa množstvo skleníkových plynov, a najmä CO₂, v zemskej atmosfére vedie nielen k rastu globálnej teploty, ale, čo je ešte horšie, prispieva k častejšiemu výskytu extrémneho počasia. Vlny horúčav, sucho, povodne, extrémne zrážky a nakoniec aj intenzívne búrky nadobúdajú v posledných desaťročiach extrémnejší charakter, čoho dôsledku sú aj čoraz vyššie materiálne škody v obývaných oblastiach sveta. Ako ale naznačuje aj posledný výskum kolektívu autorov z Max Planckovho inštitútu, nie sú to len ľudia, ktorí začínajú pociťovať dôsledky abnormálnych poveternostných situácií v neustále väčšej miere. Autorský kolektív okolo Markusa Reichsteina totiž prišiel s výsledkami, ktoré podporujú už dávnejšie „tušený“ predpoklad o tom, že extrémne počasie významne znižuje schopnosť pevninských ekosystémov zachytávať uhlík z atmosféry (Obr. 1). Na základe satelitných a pozemných meraní intenzity fotosyntézy a primárnej produkcie biomasy rastlín prišli k záveru, že ekosystémy absorbujú ročne o 11 mld. ton CO₂ menej (11 Gt CO₂), a to priamo v dôsledku extrémneho počasia, najmä sucha. Pritom toto množstvo nie je ani zďaleka zanedbateľné – ide o celú jednu tretinu ročných antropogénnych emisií CO₂.   

Obr. 2: (vľavo) Vývoj globálnej teploty pevnín a oceánov v jednotlivých dekádach obdobia 1881-2010 podľa troch svetových databáz (HadCRU, NCDC, NASA GISS); (vpravo) ochýlky globálnej teploty v rokoch 1950-2010 (od priemeru 1961-1990) - zvýraznené sú roky s výskytom fenoménov La Niña (modrá) a El Niño (červená; Zdroj: WMO)

Desaťročie extrémov

Podľa poslednej správy WMO, desaťročie 2001-2010 bolo na globálnej úrovni nielen najteplejšie v období meteorologických pozorovaní (1880-2010, Obr. 2), ale celkom určite patrilo aj medzi dekády s najvyšším počtom dokumentovaných extrémov, tak teploty vzduchu ako aj atmosférických zrážok. Údaje hovoria za všetko – 44 % všetkých krajín sveta zaznamenalo prekonanie historických rekordov maximálnej teploty vzduchu práve v období 2001-2010. Posledné desaťročie bolo mimoriadne najmä z pohľadu výskytu extrémnych vĺn horúčav v rôznych častiach sveta (India v rokoch 2002 a 2003, Európa a Rusko v rokoch 2003 a 2010, Austrália v roku 2008-2009). Zvlášť pozoruhodná bola aj extremita hydrologického cyklu – po desaťročí 1951-1960 bolo obdobie 2001-2010 globálne druhé najdaždivejšie, pričom rok 2010 bol vôbec najdaždivejší v histórii meteorologických meraní. Abnormálnu extrémnosť a frekvenciu dosiahli predovšetkým regionálne a lokálne povodne. Tento trend je v súlade s nárastom intenzity extrémnych denných aj viac denných zrážok. Medzi extrémy s najväčším dopadom pre ľudské aktivity patrilo sucho (Obr. 3). Mimoriadne extrémne prípady sucha sa vyskytli napríklad v Amazónii v rokoch 2005 a 2010, Austrálii v období 2002-2009, v Európe a na Slovensku v roku 2003, či prípadne vo východnej Afrike v rokoch 2004 a 2005. Nadnormálnou aktivitou sa v tomto období vyznačovali aj tropické cyklóny v Atlantickom oceáne – išlo o najaktívnejšiu dekádu od roku 1855 a rok 2005 zaznamenal najvyšší počet tropických búrok v histórii (27). Vo zvyšných regiónoch bol počet tropických cyklón blízky skôr dlhodobému normálu. 

Obr. 3: Odchýlky zrážok v období rokov 2001-2010 (v porovnaní s dlhodobým priemerom 1951-2000) - výrazný nedostatok zrážok bol zaznamenaný hlavne v tropických častiach Afriky a Južnej Ameriky, prípadne v severnej Indii (žltá a červená; Zdroj: WMO)

Extrémny príklad z roku 2003

V roku 2003 zasiahla Európu dovtedy jedna z najextrémnejších vĺn horúčav za posledné storočie, ktorá bola navyše sprevádzaná mimoriadnym suchom (najmä v strednej Európe išlo o najhoršie sucho za posledných minimálna 40 rokov). Extrémny rok 2003 nakoniec poslúžil vedcom ako dobrý príklad toho, že dlhotrvajúce extrémneho počasia (hlavne sucho) môže zásadne znížiť absorpciu atmosférického uhlíka rastlinami. Extrémne vysoké teploty v kombinácii s nedostatkom vody (sucho) pôsobia ako stresový faktor, ktorý nielenže znižuje intenzitu a efektívnosť fotosyntézy, ale v extrémnych prípadoch dokonca vedie až k odumieraniu celých rastlinných spoločenstiev, čoho dôsledkom je aj uvoľňovanie uhlíka späť do atmosféry. Namiesto toho, aby les zachytával CO₂ z atmosféry, stáva sa jeho zdrojom. Sucho v Európe v roku 2003 viedlo k zníženiu primárnej produkcie lesov až o 30%, a k uvoľneniu asi 2 Gt CO₂ do atmosféry. Je to rovnaké množstvo, ako tieto ekosystémy pohltia za približne 4 roky (Zdroj: Nature). 

Ďalším príkladom takejto spätnej väzby sú aj mimoriadne suchá z rokov 2005 a 2010, ktoré postihli na rozsiahlej ploche amazonský dažďový prales – v dôsledku rozšírenia požiarov prales v konečnej ročnej bilancii viac uhlíka vyprodukoval ako ho pohltil. Za normálnych podmienok pohltí amazonský les približne 2 Gt CO₂ za rok. Sucho v roku 2005 spôsobilo priame straty (úniky do atmosféry) CO₂ vo výške 3 Gt CO₂ (to predstavuje kombinované ročné emisie Európy a Japonska; Zdroj: Science Daily). Sucho v roku 2010 malo ešte horšie následky. Do atmosféry sa uvoľnilo viac ako 5 Gt CO₂, čo je len o niečo menej, ako sú ročné emisie CO₂ v USA. (Zdroj: ClimateProgress)

Obr. 4: Mapka ukazuje do akej miery sucho (modrá) a extrémne vysoké teploty (červená), prípadne oboje (fialová), dokážu zabrániť absorbcii atmosférického uhlíka rastlinami (Zdroj: Reichstein, M. et al. 2013)

Sucho znižuje absorpciu CO₂ najviac

Aj napriek tomu, že mimoriadne extrémne vysoké teploty či zrážky sa vyskytujú v porovnaní s normálnymi hodnotami stále relatívne zriedkavo, ich evidentne častejší výskyt v posledných dvoch až troch desaťročiach sa už značne prejavil v tokoch uhlíka medzi pevninskými ekosystémami a atmosférou. Nemeckí odborníci z Max Plancovho inštitútu, využijúc údaje z diaľkového prieskumu Zeme z obdobia rokov 1982-2011 a pozemných meraní koncentrácií CO₂ v porastoch a nad nimi (celkovo použili údaje z asi 500 meracích staníc), dospeli k záveru, že pevninské ekosystémy v dôsledku extrémov absorbujú za rok z atmosféry o 11 Gt CO₂ menej ako v podmienkach s normálnym režimom počasia. Ide pritom o množstvo porovnateľné s priemerným množstvom CO₂ pohlteným za rok všetkými pevninskými ekosystémami na Zemi. Výskum tiež poukazuje na to, že je to práve sucho (Obr. 4), ktoré oveľa viac ako iné extrémy, znižuje schopnosť rastlín absorbovať vzdušný CO₂ – je to preto, že sucho neznižuje len samotnú absorpciu uhlíka, ale zvyšuje aj riziko požiarov, pri ktorých sa lesné spoločenstvá stávajú veľkým zdrojom CO₂. 

Vzhľadom na predpoklad, že v súvislosti s pokračujúcim otepľovaním planéty v tomto storočí storočí sa zvýši aj pravdepodobnosť výskytu extrémnych vĺn horúceho počasia a sucha (prípadne aj ďalších extrémov), výsledky uvedeného výskumu sú skutočne znepokojujúce. Rast koncentrácií CO₂ spôsobený antropogénnymi emisiami môže byť tak v budúcnosti výrazne podporený aj zo strany pevninských ekosystémov, čo v konečnom dôsledku klimatickú zmenu ešte viac urýchli.

Obr. 5 : Modelové simulácie očakávaných zmien sezónnych priemerov teploty vzduchu [v K], vyjadrených ako rozdiel medzi T v období 2021-2050 a referenčným obdobím 1961-1990 pre sezóny: a - zima (DJF), b - jar (MAM), c - leto (JJA), d - jeseň (SON; Zdroj: Heinrich G, Gobiet A. 2012)

Očakávané zmeny výskytu sucha v Európe 

Jedna z nedávnych štúdií tiež priniesla veľmi konzistentný obraz o predpokladaných zmenách výskytu a extrémnosti sucha v Európy v časovom horizonte do polovice 21. storočia, aplikovaním emisného scenára A1B (Heinrich a Gobiet, 2013). Použitím výstupov z regionálnych klimatických modelov (RCMs projektu ENSEMBLES), autori analyzovali dlhodobé zmeny teploty vzduchu, atmosférických zrážok a vybraných indexov sucha (spomedzi najviac používaných: SPI – štandardizovaný dažďový index a PDSI – Palmerov index extremity sucha, atď.), pričom sa zamerali na výskyt období s prebytkom, ako aj nedostatkom zrážok (meteorologické sucho). Výsledky priniesli viac-menej očakávané zmeny pre 9 sub-regiónov Európy, ktoré podporujú už predošlé výskumy v tejto oblasti.

Obr. 6: Modelové simulácie očakávaných zmien sezónnych úhrnov atmosférických zrážok [v %], vyjadrených ako rozdiel medzi R v období 2021-2050 a referenčným obdobím 1961-1990 pre sezóny: a - zima (DJF), b - jar (MAM), c - leto (JJA), d - jeseň (SON; Zdroj: Heinrich G, Gobiet A. 2012)

Najvýraznejšie zmeny výskytu sucha – zvyšovania jeho frekvencie, priestorového rozšírenia, ako aj extrémnosti – možno do polovice tohto storočia očakávať predovšetkým v oblasti južnej Európy (Obr. 7), a to hlavne v na jar a v lete (podľa oboch indexov sucha: SPI aj PDSI). Ako ukazujú aj Obr. 5 a 6, uvedené zmeny budú dôsledkom tak rýchleho rastu teploty vzduchu, ako aj výrazného sezónneho poklesu zrážok (až o 20 % v lete), predovšetkým na Pyrenejskom polostrove a v juhovýchodnej Európe (Grécko). Naopak, s vlhkejšími podmienkami bude potrebné počítať v severnej Európe, hlavne v zime a na jar (Island, Škandinávia, atď.). Dá sa očakávať, že vyššie teploty v tomto regióne povedú k rastu vlhkosti vzduchu (obsah vodnej pary vo vzduchu), čo by sa malo prejaviť vo vyšších úhrnoch tak denných, ako aj sezónnych zrážok. 

Obr. 7: Modelové simulácie očakávaných zmien sezónnych indexov PDSI, vyjadrených ako rozdiel medzi PDSI v období 2021-2050 a referenčným obdobím 1961-1990 pre sezóny: a - zima (DJF), b - jar (MAM), c - leto (JJA), d - jeseň (SON; Zdroj: Heinrich G, Gobiet A. 2012)

O niečo komplikovanejší obraz ponúkajú výsledky pre región strednej Európy. Modely napríklad pre územie Slovenska predpokladajú najrýchlejší rast teploty vzduchu a zrážok v zime (o viac ako 2 °C pre T a o približne +15 % pre zrážky – najmä na severe SR). V ostatných sezónach nie sú zmeny až tak výrazné, aj keď treba poznamenať, že teplota, najmä v lete, bude rásť o niečo rýchlejšie ako zrážky. Táto situácia bude mať pravdepodobne za následok (kvôli zvýšenému výparu) prehlbovanie zrážkového deficitu a intenzifikáciu sucha (v časovom horizonte mesiacov a celých sezón). Na nárast sucha v južných oblastiach Slovenska poukazuje hlavne index PDSI, ktorý neberie do úvahy len zrážky, ale aj teplotu a evapotranspiráciu. V súvislosti s týmto očakávaným vývojom sa bude potrebné na Slovensku pripraviť na podmienky rastúcej aridizácie klímy, čo veľmi pravdepodobne povedia k rastu extremality všetkých komponentov hydrologického cyklu (extrémny zrážky, zrážkový deficit, extrémne vysoké ale aj nízke prietoky, pokles hladiny podzemných vôd, atď.).

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

Heinrich G, Gobiet A. 2012: The future of dry and wet spells in Europe: a comprehensive study based on the ENSEMBLES regional climate models. Int. J. Climatol. 32: 1951–1970.

Beniston M, Stephenson DB, Christensen OB, Ferro CAT, Frei C, Goyette S, Halsnaes K, Holt T, Jylha K, Koffi B, Palutikof J, Scholl R, Semmler T, Woth K. 2007: Future extreme events in European climate: an exploration of regional climate model projections. Climatic Change 81: 71–95, DOI: 10.1007/s10584-006-9226-z.

Briffa KR, van der Schrier G, Jones PD. 2009: Wet and dry summers in Europe since 1750: evidence of increasing drought. International Journal of Climatology 29: 1894–1905, DOI: 10.1002/joc.1836.

Dubrovsky M, Svoboda MD, Trnka M, Hayes MJ, Wilhite DA, Zalud Z, Hlavinka P. 2008: Application of relative drought indices in assessing climate-change impacts on drought conditions in Czechia. Theoretical and Applied Climatology 96: 155–171, DOI: 10.1007/s00704-008-0020-x.

Giorgi F, Coppola E. 2009. Projections of 21st century climate over Europe. European Physical Journal Conferences 1: 29–46, DOI: 10.1140/epjconf/e2009-00908-9.

Lehner B, Doll P, Alcamo J, Henrichs T, Kaspar F. 2006: Estimating the Impact of Global Change on Flood and Drought Risks in Europe: A Continental, Integrated Analysis. Climatic Change 75: 273–299, DOI: 10.1007/s10584-006-6338-4.

Lloyd-Hughes B, Saunders MA. 2002: A drought climatology for Europe. International Journal of Climatology 22: 1571–1592, DOI: 10.1002/joc.846.

Lopez-Moreno JI, Beniston M. 2009: Daily precipitation intensity projected for the 21st century: seasonal changes over the Pyrenees. Theoretical and Applied Climatology 95: 375–384, DOI: 10.1007/s00704-008-0015-7.

Reichstein, M. et al. 2013: Climate extremes and the carbon cycle. Nature. doi:10.1038/nature12350.

Sheffield J, Wood EF. 2008: Projected changes in drought occurrenceunder future global warming from multi-model, multi-scenario,IPCC AR4 simulations. Climate Dynamics 31: 79–105, DOI: 10.1007/s00382-007-0340-z.

Zdroje
http://www.mpg.de/7501454/weather-extreme_carbon-cycle_cimate-change
http://www.nature.com/nature/journal/v500/n7462/full/nature12350.html 
http://www.nature.com/nclimate/journal/v2/n7/full/nclimate1452.html
http://climatemap.blogspot.cz/2013/04/extremne-pocasie-meniaca-sa-tvar-matky.html
http://climatemap.blogspot.cz/2013/03/extremne-klimaticke-anomalie-ako-priamy.html
http://www.climatecentral.org/news/can-extreme-weather-make-climate-change-worse-16345
http://library.wmo.int/opac/index.php?lvl=notice_display&id=15110
http://thinkprogress.org/climate/2011/02/08/207462/science-amazon-drought-co2-emissions-source-sink-simon-lewis/