Fyzikálne príčiny „spomalenia“ atmosférického otepľovania

Zvýšený tok tepla do hlbších častí oceánov sa čoraz viac ukazuje ako hlavná príčina spomalenia otepľovania

Koncom septembra tohto roku vyšla zatiaľ posledná správa IPCC. Na viac ako dve tisíc stránkach sa môžete dočítate napríklad o tom, že naša planéta sa v súčasnosti stále viac a viac otepľuje, ľadovce sa bezprecedentným tempom roztápajú a hladina oceánov rastie rýchlejšie, než kedykoľvek v ľudskej histórii. Pozorný čitateľ si dokonca všimne aj to, že medzivládny panel mierne znížil odhady budúceho vývoja globálnej teploty. Možno kvôli tomu, aby v očiach verejnosti pôsobil serióznejšie, a možno aj preto, aby jeho predstavitelia neboli vnímaní ako alarmisti, ponúkajúci výhradne len katastrofické vízie  najbližšej budúcnosti. Média však odbornému obsahu správy venovali len minimálnu pozornosť. Upriamili ju zato na iný, trochu kontroverznejší problém. A to, prečo sa globálne otepľovanie v posledných asi 15 rokoch "spomalilo". 

Žiaľ kvôli hlbokému nepochopeniu fyzikálnym príčin tohto javu, informácia poslúžila mnohým skeptikom ako pádny argument pre absolútne chybné tvrdenie, že klimatická zmena sa zastavila. Faktom je, že rast globálnej teploty sa v poslednom desaťročí skutočne spomalil (Obr. 1 a 2), nie však tak zásadne ako sa pôvodne predpokladalo. (Problémom je aj to, že "spomalenie" je vizuálne umocnené hlavne veľmi teplým rokom 1998) Ako ukazuje aj jedna z posledných štúdií (Cowtan a Way 2013), rýchlosť otepľovania od roku 1997 stále zásadne podhodnocujeme, a to najmä kvôli absencii meraní povrchovej teploty v oblasti Arktídy, ktorá sa v období posledných dvoch desaťročí otepľuje minimálne dvoj až trojnásobným tempom v porovnaní s globálnym priemerom. (Cowtan a Way vo svojom príspevku navrhli vylepšené spôsoby priestorovej extrapolácie údajov pomocou družicových odhadov teploty aj v oblastiach, z ktorých nemáme žiadne spoľahlivé merania povrchovej teploty, zvlásť v oblastiach oceánov)

Obr. 1: Dlhodobý vývoj priemernej globálnej teploty atmosféry nad pevninami (červená; CRUTEM4), oceánmi (modrá; HadSST3) a pevninami & oceánmi kombinovane (čierna; HadCRUT4) v období 1880-2012 - ako odchýlky od normálu 1961-1990; zelená krivka predstavuje vývoj obsahu tepla v oceánoch vo vrstve 0-800 m v období 1951-2012 - ako odchýlky od priemeru 1951-2006; modrá krivka reprezentuje rast hladiny oceánov (podľa Church & White 2011), krivky v dolnej časti predstavujú 9-ročný kĺzavý priemer globálnej teploty a obsahu tepla v oceánoch (Zdroj: Met Office)

Ako napríklad uvádza aj Cowtan a Way, toto pomerne nevýrazné spomalenie sa týka zatiaľ len krátkeho obdobia (zatiaľ štatisticky nevýznamné) a obmedzuje sa len na atmosféru, v ktorej sme schopní registrovať asi len 2 % celkového oteplenia klimatického systému Zeme. Naproti tomu, oceány v otepľovaní nepoľavili, práve naopak, akumulujú teplo stále rýchlejšie, čo je dôkazom toho, že otepľovania stále pokračuje, dokonca sa dá povedať, že sa od roku 2000 zrýchľuje. Vzhľadom na krátkosť obdobia, nevýraznosť spomalenia, ako aj jeho štatistickú nevýznamnosť, je obdobie po roku 1998 možné vnímať len akúsi krátkodobú fluktuáciu (kolísanie) globálnej teploty, ktorá zatiaľ o zmene rýchlosti otepľovania a klimatickej zmeny nevypovedá nič podstatné. Ako však uvedieme aj ďalej, veľmi zaujímavé sú príčiny tejto fluktuácie, ktorých podstatou sú fyzikálne procesy výmeny tepla medzi atmosférou a oceánmi. 

O tom, že globálne oceány, a predovšetkým tropický Pacifik, zohrali pri spomalení atmosférického otepľovania zásadnú úlohu, máme dnes čoraz viac konkrétnych indícií. Tie poukazujú napríklad aj na to, že kvôli intenzívnejšej atmosférickej cirkulácii nad tropickým Pacifikom (hlavným prejavom je častejší výskyt chladnej fázy ENSO – La Niña od roku 1998) a negatívnej fáze Pacifickej dekádnej oscilácie (PDO) sa približne 30 % „prebytočného“ tepla, generovaného silnejším skleníkovým efektom atmosféry, zabudovalo v poslednom desaťročí do hlbších častí oceánov (v hĺbkach viac ako 700 metrov). Ak teda niekto hovorí o spomalení klimatickej zmeny, dopúšťa sa tak zásadnej „nepresnosti“, keďže jednoducho ignoruje 98 % oteplenia, ktoré je možné v súčasnosti pozorovať nielen v oceánoch, ale napríklad aj v Arktíde. Okrem toho, na globálne a regionálnej úrovni bolo možné v poslednom desaťročí pozorovať aj celý rad ďalších varovných signálov potvrdzujúcich fakt, že klimatická zmena v žiadnom prípade nespomalila. Rýchlejší ústup polárneho morského zaľadnenia v Arktíde, akcelerácia stúpania hladiny oceánov, ale nakoniec aj objektívny fakt, že v poslednej dekáde sme stále viacej konfrontovaní s väčšou extremitou počasia, sú len zlomkami z veľkého rozsahu týchto prejavov.

Nech už úmysly klimaskeptikov sú akékoľvek, spomalenie atmosférických prejavov otepľovania predstavujú veľmi zaujímavý fyzikálny „problém“, ktorého podstatu sa pokúsila vysvetliť aj dvojica autorov – Kevin E. Trenberth a John T. Fasullo – vo svojom najnovšom príspevku zverejnenom v špeciálnom čísle časopisu Americkej geofyzikálnej únie (AGU Earth´s future; An apparent hiatus in global warming?). Ich závery o možných príčinách tohto javu sú pritom konzistentné so zisteniami a oficiálnymi vyjadreniami britskej Met Office publikovanými už skôr v priebehu tohto roka.

Obr. 2: (hore) Vývoj globálnej teploty vyjadrený ako odchýlka ročnej T [°C] od dlhodobého priemeru 1900-1949 podľa viacerých zdrojov: NOAA, GISS NASA, HadCRU a ERA-I (Zdroj: Trenberth & Way 2013); (dole) aj takto by mohol vyzerať vývoj globálnej teploty v priebehu 21. storočia - ide o výsledok simulácie pomocou modelu MRI (ide o jeden z ensemblových členov CMIP3 modelov použitých v rámci 4. správy IPCC z roku 2007) - ako vidieť aj modely počítajú v rámci dlhodobejšieho scenára s krátkodobými obdobiami, kedy globálna teplota rastie len minimálne (Zdroj)

Poďme ale k základným faktom. Na Obr. 1 je možné vidieť súčasné spomalenie otepľovania v historickom kontexte vývoja globálnej teploty, obsahu tepla a výšky hladiny oceánov od roku 1880 (obdobie spomalenia je zvýraznené sivým vertikálnym pruhom). Ako vidieť z priebehu globálnej teploty v hornej časti obrázku, spomalenie je výraznejšie nad oceánmi ako nad pevninami, a súčasne je sprevádzané „masívnym“ nárastom obsahu tepla oceánov v hornej 800-metrovej vrstve. Ako ale ukazuje aj Obr. 3, v hlbších častiach oceánov je tento nárast dokonca ešte výraznejší a rýchlejší (v hĺbkach pod 700 m). (Na okraj len pripomínam, že podobné obdobie spomalenia rastu globálnej teploty možno vidieť aj medzi rokmi 1940 a 1970, ktoré bolo výsledkom nielen rastúcej prašnosti atmosféry v dôsledku veľkého priemyselného znečistenia tuhými aerosólmi, ale aj negatívnej fázy PDO) Všimnite si pritom, že výsledný priemer globálnej teploty (čierna) je výraznejšie ovplyvnený vývojom teploty nad oceánmi, a zmeny vývoja teploty pevnín reflektuje len minimálne (Obr. 1).

Obr. 3: Vývoj obsahu tepla v hĺbkach do 700 metrov a hlbšie podľa reanalýzy ORAS4 [10²² J] v období 1980-2010 - nárast akumulácie tepla vo väčších hĺbkach je zjavný najmä po roku 2000  (Zdroj: Trenberth & Way 2013)

Ako je teda možné, že o vývoji globálnej teploty rozhodujú viacej procesy odohrávajúce sa v oceánoch ako na pevninách? Odpoveď je v tomto prípade veľmi jednoduchá a vyplýva z prostého faktu, že oceány tvoria viac ako 70 % plochy planéty, a tropický Pacifik je jednou z jej najrozsiahlejších oblastí (~30 %). Akonáhle sa teda zmení priestorové pole teploty povrchových vrstiev oceánu tejto oblasti, okamžite sa to prejaví nielen v ostatných častiach sveta (výskyt poveternostných anomálií), ale v konečnom dôsledku to vplyvní aj výsledný pokles alebo nárast globálneho priemeru teploty. Zvlášť zjavné to je pri veľmi silných fenoménoch El Niña, resp. La Niñe, ktoré majú tendenciu zvyšovať, resp. znižovať globálnu teplotu (pozri časť o atmosférických osciláciách v rámčeku pod textom).

Obr. 4: Pacifická dekádna oscilácia v poli priemernej teploty oceánov a dlhodobý vývoj jej štandardizovaného indexu v období 1900-2013 (Zdroj: Trenberth & Way 2013)

Obr. 5: (hore) Rozdiel priemernej povrchovej teploty pevnín a oceánov medzi obdobiami 1999-2012 a 1976-1998 - pole teploty signalizuje výrazne ochladzovanie v oblasti centrálneho a východného Pacifiku (Zdroj: Trenberth & Way 2013); (dole) simulované (HadCM3, HadGEM1, HadGEM2) a pozorované trendy povrchovej teploty v priebehu obdobia 2002-2011 (Zdroj: Met Office)

Podľa Trenberth & Fusallo 2013 sa celý Pacifik po veľmi silnom El Niñu z rokov 1997-98 dostal do nového cirkulačného režimu, v ktorom veľmi nápadne dominuje chladná fáza ENSO (La Niña) fungujúca na pozadí negatívnej fázy PDO (Obr. 4). (Veľmi pravdepodobné je aj to, že El Niño v rokoch 1997-98 nakoniec viedlo aj k zmene PDO režimu, z pozitívnej do negatívnej fázy) Synchrónny výskyt oboch oscilačných módov mal za následok jeden veľmi pozoruhodný, no predvídateľný dôsledok – východný a centrálny Pacifik boli jedinými oblasťami na Zemi, ktoré sa v období rokov 1999-2012 neotepľovali (Obr. 5). 

Ako ukazuje aj ďalší Obr. 6, hlavnou príčinou bola v tomto období intenzívnejšia pasátová cirkulácia, ktorá prispela k výraznej akumulácii teplej tropickej vody v západnom Pacifiku, pri východných brehoch Ázie a Indonézie. V dôsledku tohto prúdenia prenikli do centrálnej a východnej časti Tichého oceánu chladnejšie hlbinné vody, čoho následkom bolo výrazné zníženie teploty povrchu oceánu v tomto regióne. To však nie je všetko. Intenzívnejšia cirkulácia pasátov mala nakoniec za následok (okrem zmeny priestorového poľa teploty) aj v to, že v celej západnej časti Pacifiku sa teplá povrchová voda začala „ponárať“ do väčších hĺbok (čoho prejavom bol aj pokles termoklíny). Tým sa do hlbších vrstiev oceánu dostávalo viac tepla (energie), ktoré sa tu akumulovalo. Na Obr. 7 je to každopádne vidieť v podobe vyšších hodnôt obsahu tepla v hĺbkach 0-700 metrov východne od Filipín či ostrova Papua Nová Guinea (podobne aj v severnom Atlantiku). Zdá sa tiež, že silnejšia tropická cirkulácia nakoniec prispela aj k nápadným zmenám cirkulačných podmienok v miernych šírkach na severnej pologuli, kde v uvedenom období výrazne dominovala, najmä v zime, negatívna fáza Severoatlantickej oscilácie (NAO; tá je spojená s výskytom relatívne vyššieho tlaku vzduchu v oblasti Arktídy, Obr. 6 dole).   

Obr. 6: Rozdiel ročného priemerného tlaku na hladine mora medzi obdobiami 1999-2012 a 1976-1998 v hPa (farebná škála) a vektory prízemného vetra (šípky) pre oblasť Tichého oceánu (hore) a severnej pologule (dole) - v období rokov 1999-2012 je v oblasti centrálneho a východného Pacifiku, ako aj v oblasti Arktídy nápadná výrazná anomália vyššie tlaku vzduchu spojená s negatívnou fázou PDO a NAO (Zdroj: Trenberth & Way 2013)        

Zdá sa teda, že zmeny režimu atmosférickej a oceánskej cirkulácie v rozsiahlej oblasti tropického Pacifiku dokážu vysvetliť najväčšiu časť pozorovaného spomalenia atmosférického otepľovania po roku 1998. Čo ale ostatné prirodzené faktory, ktoré by mohli mať potenciálne rovnaký ochladzujúci efekt na globálnu klímu – menovite najmä nižšia slnečná aktivita (Obr. 8) a častejšie sopečné erupcie? Trenberth & Fusallo 2013, ako aj oficiálna správa Met Office, zhodne uvádzajú, že tak modelové simulácie, ako aj empirické pozorovania z atmosféry dominantné pôsobenie oboch faktorov vylučujú – zdôvodnenie je jednoduché, no trochu to rozpíšeme. 

 

Obr. 7: Rozdiel obsahu tepla [10⁸ J] v hĺbkach 0-100 m, 0-700 m a celej vrstve oceánu medzi obdobiami 1999-2012 a 1976-1998 (Zdroj: Trenberth & Way 2013)

Aby si Zem zachovala relatívne stabilnú teplotu, je potrebné, aby bilancia prichádzajúceho krátkovlnného žiarenia zo Slnka a unikajúceho dlhovlnného žiarenia zo Zeme bola v dlhodobej rovnováhe (0 W/m^-2). V dôsledku silnejšie skleníkového efektu atmosféry sú toky tepla smerujúce zo zemskej atmosféry pohlcované, čo sa prejavuje tým, že Zem opúšťa o 0,5 až 1 W/m^-2 menej energie (tepla), než by za normálnych podmienok malo. Keďže súčasné oteplenia je „zmiernené“ o približne rovnakú hodnotu akú vykazoval trend globálnej teploty z predošlých dvoch desaťročí – teda približne 0,2 °C/desaťročie, v prípade, že by sme uvažovali len s faktormi zníženej slnečnej aktivity a silnejšej sopečnej činnosti (obe sú v poslednej dekáde pozorované), musel by byť ich podiel na súčasnom (ne)oteplovaní takmer 100 % (inak povedané, museli by znížiť intenzitu prichádzajúceho žiarenia o už spomínaných 0,5 až 1 W/m^-2). No z pozorovaní vieme, že ich kombinovaný podiel na ochladzovaní nedokáže ani v extrémnych prípadoch presiahnuť 20 %. Príčina súčasného spomalenia otepľovania teda musí pochádza z iného zdroja, a tým pravdepodobne je vnútorná premenlivosť klimatického systému, ktorú ovplyvňujú predovšetkým procesy výmeny tepla a energie medzi atmosférou a oceánmi. A ako sme už spomenuli vyššie, tými hlavnými „žolíkmi“ sú v tomto zmysle oscilačné módy ENSO a PDO, ktoré dokážu v časových škálach mesiacov, rokov ale aj celých desaťročí utlmiť alebo naopak zrýchliť tok tepla nielen z oceánov alebo aj naopak, do oceánov. 

Obr. 8: Zmeny veľkosti solárnej konštanty v období posledných štyroch slnečných cyklov podľa viacerých zdrojov meraní - posuny sú dané zmeny meracích prístrojov (Zdroj: www.acrim.com)

Záver
Ako sme uviedli aj v jedno z predošlých článkov, krátkodobá fluktuácia globálnej teploty po roku 1998, ktorá nabáda k označeniu "pauza" alebo "spomalenie" globálneho otepľovania, je z pohľadu štatistickej analýzy dlhodobých trendov zatiaľ nevýznamná (čo znamená, že dlhodobý trend globálnej teploty významne nemení), a nemala by preto viesť k absolútne chybnej interpretácii, že dochádza k nejakému zásadnému spomaľovaniu, či dokonca zastaveniu klimatickej zmeny. O to viac by sme si v tomto tvrdení mal byť istí, keďže dnes už začíname rozumieť aj fyzikálnemu pozadiu toho, čo sa s globálnou teplotou po roku 1998 skutočne deje.

Atmosférické oscilácie (úvod)

Klíma alebo podnebie sa najčastejšie definuje ako priemerný stav počasia, v rámci ktorého je možné očakávať určitý rozsah štatistických charakteristík teploty, tlaku a vlhkosti vzduchu, zrážok, vetra, oblačnosti a ďalších meteorologických prvkov. Cieľom takého priemerovania hodnôt je, nielen získať ucelený obraz o dlhodobých klimatických pomeroch a podmienkach na danom mieste alebo v určitom regióne, ale aj popísať dlhodobé zmeny klímy, či už cyklického alebo necyklického charakteru. Aby sme však z časových radov odfiltrovali vplyv krátkodobých, nízkofrekvenčných zmien podmienených synoptickými príčinami (medzidenné zmeny v „počasí“), je vždy nevyhnutné počítať priemery za dostatočne dlhé a podľa odporúčaní WMO teda za minimálne 30-ročné obdobie. V závislosti od účelu klimatologickej analýzy je však možné použiť priemery a iné štatistické charakteristiky aj za kratšie obdobia (napr. 11 rokov, atď.).

Obr. 9: Meteorologické a klimatické prejavy najvýraznejšej atmosférickej oscilácie na Zemi, ENSO (Zdroj: NOAA) 

Charakter a dlhodobé zmeny globálnej a regionálnej klímy ovplyvňuje celý rad faktorov. Niektoré majú svoj pôvod na Zemi (biosféra, vulkanizmus, pohyby kontinentov, atď.), iné majú výlučne extraterestriálnu povahu (zmeny orbitálnych parametrov Zeme, slnečná aktivita, dopady asteroidov alebo komét, atď.). Ich synergickým spolupôsobením dochádza ku genéze konkrétnych klimatických podmienok na danom mieste. Treba si však uvedomiť, že jednotlivé klimatotvorné faktory podliehajú rôznym dlhodobým alebo krátkodobým zmenám (napr. pohyb kontinentov vedie k zmenám zastúpenia pevnín a oceánov v konkrétnych geografických šírkach), ktoré sa navyše vzájomné kombinujú so zmenami ostatných faktorov prebiehajúcich zväčša v iných časových škálach. Vzniká tak veľmi zložitý priebeh zmien klímy, v rámci ktorého je možné identifikovať buď viac-menej pravidelne sa opakujúce cykly, resp. kolísania (na úrovni rokov, desaťročí či storočí) alebo dlhodobé progresívne, zväčša neperiodické zmeny odrážajúce zásadné zmeny charakteru celého klimatického systému Zeme na úrovni stoviek tisícov až miliónov rokov. Pod pojem premenlivosť alebo variabilita klímy však možno zahrnúť aj iné krátkodobé kolísania klimatických podmienok, ktoré spravidla nemajú periodický charakter (napríklad ochladenia, spôsobené veľkými erupciami sopiek).

V klimatologickej terminológie sa navyše zaužíval ešte jeden pojem, používaný pre fenomény, ktoré majú tendenciu významne kolísať okolo určitej priemernej hodnoty, pričom sa viac či menej pravidelne pohybujú od jedného extrému k druhému. Ide o oscilácie (Obr. 9), ktoré môžu mať buď cyklickú povahu a v takom prípade je možné ich príchod relatívne ľahko predpovedať, alebo naopak necyklickú. Väčšina oscilácií vzniká ako prejav interne podmienenej premenlivosti klimatické systému Zeme, avšak sú aj také, ktorých načasovanie súvisí so zmenou extraterestrických činiteľov (napr. 11-ročným cyklom slnečnej aktivity). 

Jednotlivé oscilácie sa prejavujú v rôznych časových škálach a v prípade cyklického charakteru môžu nadobúdať konkrétne fázy svojho vývoja v určitých periódach. Uplatnením tohto kritéria môžeme oscilácie rozdeliť do niekoľkých kategórií. Najkratšie oscilácie možno identifikovať už v rámci jediného roka, kedy oscilácia dokáže prejsť z jednej fázy do druhej v rámci napríklad jednej sezóny (napr. Madden-Julianska oscilácia (MJO) s periodicitou 60-90 dní) – ide o príklad tzv. medzisezónnych oscilácií. Ďalšie, ako napríklad Kvázi dvojročná oscilácia (QBO) sa objavujú s periodicitou približne 2 roky, zatiaľ čo asi najznámejšia kvázi-cyklická oscilácia, známa pod označením El-Niño-Južná oscilácia (ENSO), funguje s periodicitou 3 až 5 rokov. Takéto kolísania označujeme pojmom medziročné oscilácie. O úroveň vyššie sú tzv. interdekádne oscilácia s periodicitou presahujúcou minimálne jedno desaťročie (napr. Pacifická dekádna oscilácia – PDO, Obr. 10). Najvyššie stoja multidekádne a dlhodobejšie oscilácie, ktoré je možné identifikovať na úrovni niekoľkých desaťročí až storočí, prípadne tisícročí. Tie najdlhšie trvajúce sú už spravidla podmienené zmenami orbitálnych parametrov Zeme, ktoré sa menia cyklicky každých 20 až 100 tisíc rokov.

Obr. 10: Prejavy atmosférických oscilácií ENSO (hore) a PDO (dole) v poli odchýlok teploty povrchu oceánu vo svojich jednotlivých fázach - pozitívnej a negatívnej; šípky naznačujú charakter a smer cirkulácie vzduchu (Zdroj: NOAA) 

S pojmom atmosférické oscilácie sa úzko viaže aj ďalší termín, a to telekonekcie (teleconnections), alebo inak povedané, vzdialené prepojenia. Vyjadruje tendenciu veľkých cirkulačných systémov Zeme a teda aj oscilačných zmien ovplyvňovať sa navzájom, a to aj na veľké vzdialenosti. Priekopníkom myšlienky, že zmeny v počasí na jednom mieste planéty môžu ovplyvniť vývoj počasia v regióne vzdialenom tisíce kilometrov, bol Gilbert Walker, ktorý objavil aj najvýznamnejší oscilačný fenomén planéty, Južnú osciláciu (SO). Identifikácia vzájomných prepojení medzi osciláciami je možná len na základe dostupnosti kvalitných zdrojových údajov z celého sveta (napr. tlaku vzduchu prepočítaného na hladinu mora), na ktorých sa uplatňujú korelačné metódy, analýza hlavných komponentov, prípadne iné.

Trochu z histórie

Základný koncept atmosférických oscilácií sa zrodil už na konci 19. storočia v súvislosti s výskumom ázijských monzúnov, ktorý začal byť podporovaný po katastrofálnych následkoch veľkého sucha, ktoré zasiahlo Indiu v roku 1877. Pod vedením H. F. Blanforda sa na Indickom meteorologickom ústave rozbehol výskum toho, či je vôbec možné predpovedať začiatok monzúnoveho obdobia. Bol to však až už spomínaný G. Walker, ktorý v 20. rokoch minulého storočia objavil na základe štúdia polí prízemného tlaku vzduchu v indo-pacifickej oblasti (nadviazal tak na predošlé výskumy, ktoré započal H. H. Hildebrandsson ešte v roku 1897). Walker objavil, že v rozsiahlej oblasti medzi Indickým a Tichým oceánov, vrátane západného pobrežia Južnej Ameriky, existuje pravidelné kolísanie tlaku vzduchu na medziročnej úrovni, ktoré sa prejavuje najmä na južnej pologuli (z toho dôvodu nazval tento fenomén Južnou osciláciou – SO). Na základe poznatku, že ak v južnom Pacifiku tlak vzduchu rastie, potom v Indickom oceáne klesá, Walker odvodil jednoduchý index južnej oscilácie (SOI). V neskoršom období boli objavené aj ďalšie regionálne oscilačné systémy, ako napríklad NAO a NPO. Avšak komplexné vysvetlenie toho, že fenomén, vtedy už známy ako El Niño, je úzko prepojený s SO podal až v polovici 60. rokov Jacob Bjerknes (1966). Bjerknes priniesol presne vysvetlenie vzájomného ovplyvňovania atmosférickej a oceánskej cirkulácie v Tichom oceáne. Bol to práve Bjerknes, ktorý po prvýkrát uznal prínos výskumu G. Walkera a na jeho počesť nazval celý cirkulačný systém v Indo-pacifickej oblasti Walkerovou cirkuláciou (dnes súhrnne označovaná ako ENSO).

Južná oscilácia (SO) a El Niño-Južná oscilácia (ENSO)

Približne každých 3 až 5 rokov v období okolo Vianoc dochádza pri západnom pobreží Južnej Ameriky k pozoruhodnému fenoménu. Od severného pobrežia Peru a Ekvádoru smerom na juh začína prúdiť obrovská masa pre túto oblasť neobvykle teplej vody, ktorá tak nahrádza chladnejší Peruánsky (tiež Humboldtov) prúd prichádzajúci pozdĺž pobrežia z juhu. S teplou vodou však prichádzajú aj problémy, ktoré majú takmer vždy pre miestnych obyvateľov katastrofálne následky. Od zdecimovaného rybárskeho priemyslu až po krajinu spustošenú rozsiahlymi povodňami. Miestni obyvatelia dali tomuto fenoménu príznačný názov, El Niño (v španielčine to znamená „dieťa“ alebo „malý chlapec“), podľa toho, že prichádza vždy na konci roka, v období Vianoc. 

Za všetko môže výrazne zoslabnutie pasátov, vetrov, ktoré obyčajne prúdia nad tropickým Pacifikom smerom na západ (presnejšie od severovýchod, resp. juhovýchodu na severnej, resp. južnej pologuli) a tlačia tak obrovské masy vody k brehom JV Ázie, Indonézie a Austrálie. Tá sa v tomto priestore hromadí a vytvára tak obrovský bazén veľmi teplej vody, ktorý podmieňuje vysoký výpar, a preto aj výdatne zrážky v oblasti západného Pacifiku. Z doteraz nie celkom objasnených príčin táto vcelku stabilná cirkulácia v priemere každých 5 rokov kolabuje, čo sa prejavuje vo výraznej zmene sily a smeru prúdenia pasátov, ktoré v niektorých častiach Pacifiku dokonca začínajú prúdiť opačným smerom, teda od západu na východ, smerom k pobrežiu Južnej Ameriky. Bazén teplej vody sa tak začína pomaly presúvať najskôr do centrálnych častí tropického Pacifiku a neskôr dosahuje aj vzdialenejšie pobrežie juhoamerického kontinentu. Pásmo výdatných dažďov tak s plnou razanciou udrie na inak suché púštne pobrežia Peru a severného Čile, kde vedie k vzniku extrémnych zrážok a náhlych povodní. Na druhom konci Tichého oceánu, v Austrálii a Indonézii, spôsobuje „teplá fáza“ ENSO opačný extrém – mimoriadne sucho (Obr. 9), ktoré tvrdo postihuje najmä na biodiverzitu bohaté ekosystémy tropických dažďových pralesov v podobe rozsiahlych lesných požiarov.

Najvýraznejšie prípady El Niña sú dokumentované z rokov 1891, 1925, 1953, 1972, 1982, 1986, 1992, 1993, 1997 a naposledy z roku 2009. ENSO však nie je ani zďaleka fenomén ovplyvňujúci len región Tichého oceánu. V dôsledku toho, že v priebehu teplej fázy ENSO sa na rozsiahlych plochách Pacifiku (niekoľko desiatok miliónov km²) zvýši teplota povrchových vrstiev oceánu na obdobie niekoľkých mesiacov aj o viac ako 2 °C, je jav El Niño zdrojom najväčšej medziročnej premenlivosti globálnej teploty vzduchu. Tá môže v prípade silného El Niña vyskočiť aj o viac ako 0,3 °C nad dlhodobý priemer (v regióne tropického Pacifiku dosahuje teplotná odchýlka zvyčajne hodnoty od +0,5 do 1,0 °C). Vplyv El Niña na teplotné pomery môže byť regionálne aj opačný, a to napríklad v miernych šírkach, ktoré sa zvyknú ochladiť aj o 0,5 °C. 

El Niño je však len jedna z dvoch častí oscilačného systému ENSO. Tou druhou je La Niña (špan. „dievčatko“), ktorá predstavuje jeho chladnejšiu fázu a vzniká, na rozdiel od El Niña, v dôsledku zosilnenia pasátovej cirkulácie. Teplotné rozdiely Tichého oceánu sa tam medzi jeho západnou a východnou časťou v porovnaní s normálom ešte viac zvýrazňujú. Zatiaľ posledný jav La Niña z prelomu rokov 2010/11 nám v plnom rozsahu demonštroval, že dokáže byť podobne extrémny ako jeho náprotivok, El Niño. Katastrofálne povodne v Austrálii (december 2010/január 2011), mimoriadne silný cyklón Yasi, ako aj výrazne sucho v Amazónii a v JZ časti USA sú len niektoré z dôsledkov jeho pôsobenia. Vplyv La Niña na globálnu teplotu vzduchu je presne opačný ako v prípade El Niño, ochladzujúci účinok je však zväčša menej výrazný.

Literatúra

Trenberth, K. E. 2009. An imperative for adapting to climate change: Tracking Earth’s global energy, Curr. Opin. Environ. Sustain., 1, 19–27. 

Trenberth, K. E., Fasullo, J. T. 2010. Tracking Earth’s energy, Science, 328, 316–317. 

Trenberth, K. E., Hurrell, J. W. 1994. Decadal atmosphere–ocean variations in the Pacific, Clim. Dyn., 9, 303–319. 

Trenberth, K. E., Shea, D. J. 2006. Atlantic hurricanes and natural variability in 2005, Geophys. Res. Lett., 33, L12704, doi:10.1029/2006GL026894. 

Trenberth, K. E., Stepaniak, D. P. 2004. The flow of energy through the Earth’s climate system, Q. J. R. Meteorol. Soc., 130, 2677–2701. 

Trenberth, K. E., Caron, J. M., Stepaniak, D. P., Worley, S. 2002. The evolution of ENSO and global atmospheric surface temperatures, J. Geophys. Res., 107(4065), D8, doi:10.1029/2000JD000298. 

Trenberth, K. E., Fasullo, J. T., Kiehl, J. 2009. Earth’s global energy budget, Bull. Am. Meteorol. Soc., 90, 311–323.

Zdroje 
Recent global-warming hiatus tied to equatorial Pacific surface cooling
http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature12534.html
Coverage bias in the HadCRUT4 temperature series and its impact on recent temperature trends
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/qj.2297/abstract 
An apparent hiatus in global warming?
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2013EF000165/abstract 
A recent pause in global warming (2) - Met Office
http://www.metoffice.gov.uk/media/pdf/q/0/Paper2_recent_pause_in_global_warming.PDF 
Pacific Decadal Oscillation (PDO)
http://www.nwfsc.noaa.gov/research/divisions/fe/estuarine/oeip/ca-pdo.cfm
The global temperature jigsaw
http://www.realclimate.org/index.php/archives/2013/12/the-global-temperature-jigsaw/
Construction of a Composite Total Solar Irradiance (TSI) Time Series from 1978 to present
http://www.pmodwrc.ch/pmod.php?topic=tsi/composite/SolarConstant

Bol prekonaný rekord najnižšej teploty na Zemi?

Americkí vedci z Národného centra pre výskum snehu a ľadu (NSIDC) v Boulderi oznámili na začiatku tohto týždňa, že v jednej z najvyššie položených a najodľahlejších oblastí Antarktídy zaregistrovali v priebehu zimy 2010 a 2013 doteraz najnižšiu teplotu na Zemi, a to mínus 93,2 °C (Obr. 1 a 2). Medzi predstaviteľmi Svetovej meteorologickej organizácie (WMO) však táto senzácia žiadne veľké vzrušenie nevyvolala, rozhodne nie dostatočné na to, aby sa okamžite rozbehli prepisovať tabuľku s doteraz platným a oficiálnym rekordom, ktorý bol zaznamenaný v takmer identickej oblasti bieleho kontinentu pred viac ako 30 rokmi (mínus 89,2 °C; ruská polárna stanica Vostok, 21. júla 1983; Obr. 3).

Obr. 1: Oblasť, v ktorej bola v priebehu zím 2010 a 2013 zaznamenaná dištančnými meraniami extrémne nízka povrchová teplota, pripomína rozsiahlu plochú tabuľu, s minimálnymi terénnymi nerovnosťami (Zdroj) 

Zdržanlivý postoj WMO je celkom právom na mieste – „nové“ teplotné minimum bolo totiž zmerané odlišným spôsobom ako to v roku 1983, a to dištančným satelitným odhadom pomocou družíc AQUA a novšieho Landsatu 8, ktorý bol vypustený len tento rok. WMO, riadiaca sa všeobecne platnými a záväznými normami, v prípade rekordných teplôt „uznáva“ len teploty registrované klasickými staničnými prístrojmi (teplomermi), ktoré sú umiestnené v štandardnej dvojmetrovej výške nad zemským povrchom. Aby nie, veď pri prekonávaní teplotných rekordov ide niekedy len o desatinky stupňa Celzia, a takúto presnosť možno očakávať len od klasických teplomeroch, ku ktorej sa družicové odhady zatiaľ ani zďaleka nepriblížili.

Obr. 2: (hore) Obrázok z družice AQUA, zobrazujúci termálny profil Antarktídy, bol vykonaný pomocou spektrometra MODIS v období 2003-2013 - tmavšia sivá farba reprezentuje nižšie povrchové teploty. Detailnejšie snímkovanie uskutočnené satelitom Landsat 8 v júli a auguste 2013 (purpurové štvorce) prinieslo presnejšiu lokalizáciu dvoch regiónov s výskytom teploty nižšej ako mínus 93 °C - červené body. Na obrázku je aj lokalizácia výskumnej stanice Vostok s doteraz platným rekordom minimálnej teploty vzduchu (Zdroj); (dole) fyzicko-geografická mapa Antarktídy s označením hlavných regiónov a významných orientačných bodov (Zdroj: Wikipedia)  

Satelitné merania povrchovej teploty, aj keď prinášajú v porovnaní s bodovými meraniami „in situ“ nesporné výhody (globálny rozsah merania, a to hlavne v odľahlých častiam Zeme – Antarktída, oceány, atď.), nemožno zatiaľ v žiadnom prípade považovať za úplne rovnocenné s meraniami v meteorologických búdkach (upresňujú len priestorový obraz priemerných teplotných pomerov). Dôvodov je hneď niekoľko. Detektory snímajúce unikajúce dlhovlnné žiarenie zemského povrchu, a to najmä v pásmach atmosférického „okna“ 10-12 μm, sú nielen že umiestnené vysoko na zemskej orbite vo výške okolo 700 km, ale okrem toho merajú buď to len teplotu samotného povrchu alebo len určitej, pomernej hrubej vrstvy vzduchu nad ním (1-3 km), a to ku všetkému ešte nepriamo. To znamená, že teplota nie je priamym výstupom meraní, ale musí sa stanoviť pomocou prevodného algoritmu z hodnôt intenzity IR žiarenia (dlhovlnné žiarenie). Veľkosť chyby nakoniec zvyšuje aj pomerne malé priestorové rozlíšenie družicového snímania povrchu, ktoré je v prípade satelitu AQUA 1000 metrov a Landsatu(8) 100 metrov. Konečná chyba merania teploty tak môže v konkrétnych termínoch presiahnuť aj viac ako 3 °C.

Obr. 3: Ruská výskumná stanica Vostok, nachádzajúca vo Východnej Antarktíde v nadmorskej výške 3 488 metrov, bola v prevádzke v rokoch 1957 až 1994 (Zdroj) 

Ako sme uviedli aj vyššie, problémom je aj to, že družice nedokážu priamo merať teplotu vo výške 2 metre nad povrchom – v opačnom prípade by bola teplota ľahko porovnateľná z meraniami na stanici Vostok. Keďže ide „len“ o teplotu zemského povrchu, je porovnanie nemysliteľné, pretože v podstate ide o odlišnú fyzikálnu veličinu, nevzťahujúcu sa k teplote vzduchu. Porovnávali by sme tak hrušky s jablkami, a to sa v meteorológii nevypláca. Okrem toho, hodnoty teploty, ktoré zaznamenal Landsat a AQUA sú v lepšom prípade až o 5 °C nižšie ako teplota samotného vzduchu (v tom horšom môže byť tento rozdiel aj väčší; rozdiel vyplýva z fyzikálnej podstaty ochladzovania zemského povrchu a vzduchu v období so zápornou bilanciou žiarenia - povrch sa ochladzuje rýchlejšie ako vzduch, v noci je preto povrch chladnejší). Niet teda pochýb o tom, že družice zaregistrovali skôr teploty, ktoré boli minimálne tak nízke ako v roku 1983, no veľmi pravdepodobne nie nižšie.

Obr. 4: Antarktída je najchladnejším a najsuchším kontinentom na Zemi - 98 % jeho povrchu pokrýva ľadovec s hrúbkou minimálnej 1,6 kilometra (Zdroj: Wikipedia)

Nakoniec, ako uvádzajú aj samotní predstavitelia výskumného tímu, družicové merania povrchovej teploty sú zatiaľ len predbežnými odhadmi, ktoré pomohli presnejšie lokalizovať regióny s pravdepodobným výskytom veľmi nízkych teplôt na povrchu antarktického ľadovca. Do týchto oblastí budú následne umiestnené klasické staničné prístroje, ktoré minimálnu teplotu v najbližších rokoch viacej spresnia. Na prekonanie oficiálneho rekordu si preto budeme musieť ešte niekoľko rokov počkať. Či k tomu nakoniec aj skutočne dôjde je otázne, no nie nemožné, keďže oblasť, do ktorej a výskumný tím vydá, sa nachádza, v porovnaní s výskumnou stanicou Vostok (3488 m n.m.), predsa len o niekoľko stoviek metrov vyššie. Nie je nakoniec ani vylúčené, že staničné merania namerajú v oblasti ešte nižšie teploty, ako družice.

V každom prípade je ale predpoklad amerických vedcov o nájdení jednej z najchladnejších oblastí sveta celkom určite správny. Ide totiž o región, ktorý sa nielenže nachádza takpovediac na samotnej streche Antarktídy vo výške okolo 4000 m n.m., ale oplýva aj zaujímavými terénnymi prvkami – ľadovcovými úvalinami (niekoľko desiatok metrov širokými, niekoľko kilometrov dlhými a max. 5 metrov hlbokými dolinami, vyhĺbených erozívnym pôsobením silného vetra) – v ktorých sa za jasného počasia v priebehu polárnej noci hromadí veľmi studený a suchý vzduch. V dôsledku stáleho anticyklonálneho počasia, suchého vzduchu s malým množstvom vodnej pary a dokonca aj oxidu uhličitého, neexistuje nič, čo by teplo pri zemskom povrchu zadržiavalo. Pokles teploty v týchto meteorologických podmienkach je preto nevyhnutný a extrémny.

Niet sa preto čomu čudovať, že o možnostiach poklesu teploty v Antarktíde počas polárnej noci pod mínus 90 °C sa medzi odborníkmi diskutuje už celé desaťročia – je teda len otázkou času, kedy takto nízka teplota bude aj reálne zaregistrovaná a oficiálne uznaná WMO. V minulosti tomu bránilo len jedno – malý počet meteorologických staníc vo vnútrozemí ľadového kontinentu.

Zdroje 

Press Release: Landsat 8 helps unveil the coldest place on Earth 

http://nsidc.org/news/press/2013_ColdestPlace_PR.html

Brrrr! -135.8°F Measured at Earth's New Coldest Spot
http://www.wunderground.com/blog/JeffMasters/comment.html?entrynum=2596
Climate Variability and Extremes (WMO)
https://www.wmo.int/pages/themes/climate/climate_variability_extremes.php 
Station Vostok

http://www.aari.nw.ru/projects/Antarctic/stations/vostok/vostok_en.html