Nebezpečná rýchlosť klimatickej zmeny

Čaká nás najrýchlejšia klimatická zmena za posledných 65 miliónov rokov?

Súčasná globálna klimatická zmena je jednou z najrýchlejších, aké dokážeme vôbec v historických a geologických záznamoch identifikovať. Nelineárnosť odozvy všetkých komponentov klimatického systému na iniciálne otepľovanie atmosféry a oceánov je zdrojom nielen veľkých neistôt, ale aj stále väčších obáv z toho, že klimatická zmena, ktorá nás v priebehu nasledujúceho storočia čaká, môže byť až príliš rýchla na to, aby sme sa jej dokázali prispôsobiť. A nielen my, ľudia. Veľkému ohrozeniu bude pravdepodobne čeliť aj celá planetárna biosféra. Problémom pritom nie je len samotná zmena klímy, ale aj bariéry, ktoré živým organizmom staviame do cesty. Zem je totiž dnes úplne iným miestom, než akým bola pred niekoľkými storočiami či tisícročiami – nie je to už ani zďaleka planéta, na ktorej by sa život dokázal rýchlym zmenám efektívne prispôsobiť, napríklad migráciou. Globálny rozsah našej civilizácie a environmentálne problémy z toho vyplývajúce sa stávajú čoraz väčšou prekážkou pre udržateľnosť vhodných životných podmienok na tejto planéte.

Obr. 1: (hore) Odchýlka globálnej teploty vzduchu v roku 2012 od priemeru 1981-2010 (Zdroj: NOAA); (dole) vývoj globálnej teploty prízemných vrstiev troposféry v období 1880-2012 (Zdroj)

"Planéte Zem sa aj naďalej otepľuje, pričom v akumulácii tepla pokračujú predovšetkým oceány. Snehová pokrývka na severnej pologuli a plávajúci morský ľad v Arktíde zmenšujú svoj rozsah, spodná stratosféra pokračuje v ochladzovaní a koncentrácie všetkých hlavných skleníkových plynov aj naďalej rastú". To sú len niektoré zo záverov zatiaľ poslednej výročnej správy Americkej meteorologickej spoločnosti (AMS) o stave globálnej klímy za rok 2012, pripravenej v spolupráci s 384 vedcami z 52 krajín sveta. Aj keď rok 2012 nepatril medzi rekordne teplé, zaradil sa medzi 10 najteplejších rokov v rámci obdobia 1880-2012 (Obr. 1). Po prvý krát za niekoľko posledných rokov neovplyvňoval globálnu teplotu atmosféricko-oceánsky fenomén El Niño alebo La Niña. 

Obr. 2: (hore) Vývoj tepelného obsahu oceánov vo vrchných 700 metroch vodného stĺpca v roku 2012 podľa údajov NOAA - porovnanie s priemerom za obdobie 1993-2012 (oranžové a modré odtiene indikujú rast alebo pokles tepelného obsahu o minimálne 4 gigajoule na meter štvorcový - ide o množstvo energie, ktoré by dokázalo 100-wattovú žiarovku napájať jeden rok); (dole) odchýlky povrchovej teploty oceánov v roku 2012 [°F] v porovnaní s priemerom za obdobie 1981-2010 na základe údajov NOAA (Zdroj)

Minulý rok bol z pohľadu meteorológie a klimatológie plný zaujímavých, a žiaľ aj extrémnych fenoménov a situácií, ktoré však veľmi dobre korešpondujú s dlhodobými trendmi sledovaných indikátorov atmosféry, kryosféry, hydrosféry či oceánov a vytvárajú tak konzistentný obraz o prebiehajúcej zmene klímy. Atypickosť či mimoriadnosť stavu globálnej klímy z pohľadu výskytu extrémnych poveternostných a klimatických extrémov v poslednom desaťročí (2001-2010) nedávno potvrdila aj ďalšia správa, zverejnená tento krát Svetovou meteorologickou organizáciou (WMO). 

A aby toho nebolo málo, nedávno vyšla ďalšia štúdia, ktorá priniesla rozsiahle zhrnutie najnovšieho výskumu projekcií budúcej globálnej klímy. Výsledky a interpretácie zverejnené v uvedenej štúdií rozhodne nemožno považovať za optimistické, keďže, ako sa uvádza v príspevku, pokračujúce emisie CO₂ môžu planétu Zem doviesť k najrýchlejšej klimatickej zmene za posledných 65 miliónov rokov. Vedci taktiež už niekoľko desaťročí diskutujú o možnosti kedysi čisto hypotetickou, a to, či by očakávaná klimatická zmena mohla v budúcnosti viesť až k nekontrolovateľnému otepľovaniu planéty (tzv. „runaway greenhouse effect“).

Obr. 3: Vývoj výšky hladiny svetových oceánov na základe meraní troch satelitov - TOPEX/Poseidon (od roku 1992), Jason-1 (od roku 2001) a Jason-2 (od roku 2008) - v období rokov 1993-2013 (Zdroj)

Stav globálnej klímy v roku 2012
Globálne bol minulý rok 8. až 9. najteplejší od roku 1880. Medzi desiatimi najteplejšími rokmi sa  umiestnil aj v prípade, ak uvažujeme len o teplote pevnín. Teploty povrchu oceánov síce nevykazovali v období 2000-2012 žiadny významnejší trend, čo je pravdepodobne dôsledkom dominantného vplyvu fenoménu La Niña, no hlbšie časti oceánov (hlavne v hĺbkach pod 700 metrov) pokračujú v bezprecedentne rýchlej akumulácii tepla. Hladina svetových oceánov pokračuje, po kratšej prestávke na začiatku roka 2011, vo svojom raste (Obr. 3). Aj napriek skôr priemernej aktivite tropických cyklón, v roku 2012 sa vyskytli dve pozoruhodné tropické cyklóny – hurikán Sandy a super tajfún Bopha. Oba si vyžiadali nielen obrovské materiálne škody (65 mld., USD v prípade Sandy), ale aj značné straty na ľudských životoch (Bopha zanechal na Filipínach za sebou viac ako 1000 mŕtvych). Pozornosť svetových médií v minulom roku však zaujala predovšetkým rekordne nízka plocha morského ľadu v Arktíde (Obr. 4) a nezvyčajne rýchle a veľkoplošné topenie grónskeho ľadovca v júli 2012. Zaujímavé novinky však prišli aj z ďalekej Antarktídy. V septembri 2012 dosiahla plocha morského ľadu okolo ľadového kontinentu rekordne najvyššiu hodnotu od roku 1978 a stratosférická ozónová diera bola druhá najmenšia v období posledných dvoch desaťročí. 

Obr. 4: Hustota (koncentrácia) morského ľadu (v %) a minimum rozsahu zaľadnenie v septembri 2012 - v porovnaní s rozsahom v roku 2007 (žltá) a priemernym rozsahom v období 1979-2000 (čierna; Zdroj)

Žiaľ, nové historické maximá dosiahli aj antropogénne emisie CO₂ pochádzajúce zo spaľovania fosílnych palív a produkcie cementu. Po miernom spomalení v rokoch 2009-2010, spôsobenom globálnou hospodárskou recesiou, sa emisie CO₂ opäť dostali do svojich pôvodných „koľají“, pričom v posledných dvoch rokoch dosiahli nové rekordné hodnoty (množstvá vyjadrené v mld. ton čistého uhlíka: 9,5 ± 0,5 Gt C v roku 2011 a 9,7 ± 0,5 Gt C v roku 2012). V roku 2012 stúpla priemerná koncentrácia CO₂ v atmosfére o 2,1 ppmv a dosiahla tak hodnotu 392,6 ppmv. (Len na okraj pripomíname, že v tomto roku sa na krátky čas koncentrácia dostala slabo nad úroveň 400 ppmv).  

 

Obr. 5: Vývoj odchýlok teploty vzduchu v spodnej stratosfére v období 1958-2012 s vyznačením troch veľkých sopečných erupcií v uvedenom období (Zdroj)

Predpoklady vývoja klímy v 21. storočí
Už vieme, že globálna teplota od začiatku 20. storočia vzrástla o necelý 1 °C (~ 0,8 °C; len na okraj pripomíname, že rozdiel medzi najchladnejšími obdobiami doby ľadovej a súčasnou príjemnou klímou je len "nepatrných" 5 °C) a približne od konca 70. rokov rastie teplota nad pevninami dvojnásobne rýchlejšie ako nad oceánmi. Klimatologický výskum tiež prináša stále presvedčivejšie dôkazy o tom, že oteplenie za posledných minimálne 60 rokov je z viac ako 80 % zapríčinené zvyšujúcimi sa emisiam skleníkových plynov. To, ako sa v najbližšom storočí globálna teplota bude nakoniec vyvíjať, nebude ale závisieť len od budúcich emisií CO₂. Už teraz je v zemskej atmosfére dostatok CO₂ na to, aby sa v najbližších desaťročiach oteplilo o ďalších minimálne 0,5 až 0,8 °C. Inak povedané, budúce oteplenie bude podmienené aj celkovou citlivosťou klimatického systému Zeme na už existujúcu radiačnú nerovnováhu v zemskej atmosfére. Potrebné je však poznamenať, že veľkou neznámou stále zostáva zhodnotenie príspevku zo strany spätných väzieb ostatných skleníkových plynov, predovšetkým metánu a vodnej pary (predovšetkým zo strany oblačnosti). 

Obr. 6: Pozorované a modelované (projektované) zmeny teploty vzduchu a množstva atmosférických zrážok v období 1956-2005 (podľa údajov CRU, hore), resp. pre obdobia 2046-2065 (v strede) a 2081-2100 (dole): (úplne hore) dlhodobé zmeny teploty (vľavo) a zrážok (vpravo) počítané ako rozdiel medzi obdobiami 1956-1975 a 1986-2005; (v strede) projektované zmeny teploty a zrážok pre emisný scenár RCP8.5 v období 2046-2065 v porovnaní s období 1986-2005; (dole) to isté, len pre obdobie 2081-2100 (Zdroj: Diffenbaugh a Field, 2013)

Výstupy najnovšej generácie ensemblových globálnych modelov CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project), ktorých jednotlivé behy sa uskutočňujú v predpokladanom rozsahu emisných scenárov RCPs (Representative Concentration Pathways), ponúkajú rôzne alternatívy vývoja globálnej klímy v 21. storočí – najčastejšie ale podľa emisného scenára RCP8.5, ktorý veľmi dobre vystihuje vývoj emisií CO₂ od roku 2000 a ktorý do budúcnosti (r. 2100) počíta so zosilnením radiačného účinku skleníkových plynov (vrátane aerosólov) zo súčasných ~ 1,6 W.m^-2 na 8,5 W.m^-2 (RCP8.5 predpokladá globálnu koncentráciu CO₂ v roku 2100 na úrovni 925 ppmv). 

Už pre obdobie 2046-2065 počítajú modely CMIP5 (Obr. 6) s veľmi významným oteplením všetkých pevnín, a to v priemere o minimálne 2 °C v porovnaní s referenčným obdobím (RO) 1986-2005 (teda o ~ 3 °C v porovnaní s predindustrálnou hodnotou). Výraznejšie sa pritom oteplí predovšetkým na severnej pologuli (Európa, Severná Amerika, atď.), resp. v Arktíde, a to o 3 °C, resp. 4 °C v porovnaní s RO. Do konca 21. storočia by sa v Európe mohlo ďalej otepliť až o 5-6 °C (niektoré oblasti Arktídy aj o viac ako 10 °C) v porovnaní s RO. Pre Slovensko to bude znamenať asi to, že napríklad taký Poprad sa o necelých 100 rokov bude môcť "tešiť" z podobných klimatických podmienok, aké majú teraz niekde v južnom Maďarsku. 

Z pohľadu atmosférických zrážok by k podstatným zmenám v Európe malo dôjsť hlavne v regióne Stredomoria, kde sa očakáva ich výraznejší pokles (aj o viac ako 40 % do roku 2100). V strednej Európe k zásadnejším zmenám ročného množstva zrážok pravdepodobne nedôjde, prípadne sa očakáva len mierny nárast (do 10 %). Z globálneho pohľadu sa rast zrážok predpokladá najmä v polárnych oblastiach a v niektorých kontinentálnych regiónoch Ázie a Afriky (Obr. 6). Dnes vlhké oblasti sa stanú ešte vlhkejšími a suché ešte suchšími.  

Obr. 7: (vľavo hore) Frekvencia [% rokov] výskytu sezónnej maximálne teploty (extrémy z obdobia 1986-2005) v letnom období (Jún-Júl-August: JJA) projektovaná pre obdobie 2046-2065; (vľavo dole) frekvencia [% rokov] výskytu sezónnych miním zrážok - suché obdobia - v období JJA projektovaná pre obdobie 2080-2099; (vpravo dole) frekvencia [% rokov] výskytu miním vodného ekvivalentu snehovej pokrývky v marci na severnej pologuli projektovaná pre obdobie 2070-2099 a emisný scenár RCP8.5; (vpravo hore) podiel územia severnej časti Južnej Ameriky postihnutý nadnormálnymi teplotami v sezóne JJA v období 1970-2009 (Zdroj: Diffenbaugh a Field, 2013)

Klimatické extrémy budúcnosti
Ako uvádza aj štúdia Diffenbaugh a Field 2013, v novom teplotnom režime bude potrebné počítať s častejším výskytom extrémneho počasia. Najextrémnejšie vlny horúčav z posledných 20 rokov (najmä z rokov 2003 a 2010) sa pravdepodobne už koncom tohto storočia stanú novým normálom pre väčšiu časť kontinentálnej Európy (pre viac ako 80 % rokov v období 2080-2099, Obr. 7). Modelové projekcie tiež počítajú s významným nárastom výskytu sucha, a to predovšetkým v južne časti Európy, ako aj výrazným poklesom množstva snehu na jar v prevažnej časti severnej Európy. Očakávajú sa tiež zásadnejšie zmeny výskytu extrémov hydrologického cyklu – a to predovšetkým rast intenzity extrémnych zrážok, ktoré môžu v kombinácii s predlžovaním obdobia sucha prehlbovať v mnohých vnútrozemských regiónoch zrážkový deficit (navyše podporený aj zvyšujúcou sa teplotou a intenzívnejšou evapotranspiráciou).

Akokoľvek sa zdajú byť uvádzané scenáre budúcich extrémov nereálne, mnohé z nich už čiastočne možno doložiť pozorovanými údajmi z mnohých oblastí sveta. V priebehu posledných troch desaťročí významne vzrástol počet a extremita vĺn horúčav, a to prevažne v letnom období. Rovnako rastie aj intenzita a frekvencia extrémnych zrážok, aj keď globálny obraz už nie je tak „kompaktný“ ako v prípade teplotných extrémov. Globálne taktiež dochádza k častejšiemu výskytu sucha a rastie aj jeho extrémnosť.

Obr. 8: Rekonštrukcie koncentrácie CO₂ v atmosfére za posledných 22 miliónov rokov (úplne vľavo); za posledných 800 tisíc rokov na základe analýzy ľadových jadier v Antarktíde (vľavo v strede); scenáre koncentrácie CO₂ pre jednotlivé RCPs do konca 21. storočia (vpravo v strede); scenáre koncentrácie CO₂ v časovom horizonte najbližších 1000 rokov v prípade spálenia všetkých rezerv fosílnych palív (úplne vpravo; zdroj: Diffenbaugh a Field, 2013)

Rýchlosť klimatickej zmeny
Čo je však oveľa dôležitejšie než absolútna veľkosť samotného oteplenia, je rýchlosť klimatickej zmeny do konca 21. storočia (prípadne aj ďalej). Veľmi pravdepodobne pôjde o najrýchlejšiu zmenu globálnej klímy za posledných 65 miliónov rokov. A to dokonca aj pre prípad, že sa naplní „len“ najmenej pesimistický scenár vývoja globálnej teploty (podľa emisného scenára RCP2.6 s úrovňou koncentrácie CO₂ v roku 2100 okolo 450 ppmv, Obr. 8). Očakávané oteplenie do roku 2100 podľa RCP2.6 by bolo približne 10-krát rýchlejšie ako počas PETM (oteplenie o ~ 5 °C za menej ako 10 000 rokov), v prípade scenára RCP8.5 by išlo dokonca o zmenu 100-krát rýchlejšiu. A aby nezostali nepovšimnuté ani významne klimatické zmeny v posledných približne 20 000 rokoch, na okraj možno uviesť, že oteplenie pozorované v rokoch 1880-2005 je niekoľkonásobne rýchlejšie než napríklad to, ktoré ukončilo poslednú dobu ľadovú alebo „naštartovalo“ Stredoveké teplotné optimum (MCA – Medieval Climate Anomaly).

Zrejme ani netreba veľmi dlho uvažovať nad tým, ako zásadne táto bezprecedentne rýchla zmena klímy môže ovplyvniť stabilitu a biodiverzitu rastlinných a živočíšnych spoločenstiev na pevninách a v oceánoch už v priebehu nasledujúcich desaťročí. Približnú predstavu o rozsahu týchto dôsledkov možno vidieť na planéte už dnes. Teplomilné spoločenstvá migrujú do vyššie položených oblastí alebo bližšie k zemským pólom. Rýchlosť, s akou druhy migrujú a ako sa prispôsobujú novým klimatickým podmienkam, bude pritom postupne narastať (Obr. 9). Aj napriek očakávanej mimoriadnej rýchlosti zmeny klímy, väčšia časť druhov má potenciál sa jej prispôsobiť. Avšak, ako vieme, potenciál ani zďaleka ešte neznamená úspech. Globálna biosféra je dnes vystavená aj ďalším stresujúcim faktorom, ktoré môžu v budúcnosti jej celkovú adaptačnú schopnosť výrazne limitovať.

Obr. 9: (hore) Rýchlosť klimatickej zmeny [v km/rok] pre CMIP5 RCP8.5 scenár a pre obdobie 2081-2100 počítaná metódou identifikácie najbližšej lokality s budúcou teplotou porovnateľnou s referenčným stavom (starou klímou); (dole) rýchlosť klimatickej zmeny [km/rok] pre staršiu generáciu modelov CMIP3 a scenár SRES A1B počítaná metódou teplotných gradientov a trendov  (Zdroj: Diffenbaugh a Field, 2013)

Ľudstvo prinieslo na Zem fenomény, s ktorými sa planetárna biosféra vyrovnáva len s veľkými problémami. Znečisťovanie ovzdušia a oceánov, degradácia pôdneho fondu, odlesňovanie, strata vody v krajine, ničenie ekosystémov, rozširovanie technickej infraštruktúry, úbytok prírodného prostredia a v konečnom dôsledku aj samotné globálne otepľovania nútia všetky ostatné životné formy k ústupu do krajne izolovaných prírodných enkláv, odkiaľ už nieto takmer úniku. Dnes už vieme, že v minulosti sa živočíšne ale aj rastlinné druhy dokázali prispôsobiť aj pomerne rýchlym klimatickým zmenám (napr. počas udalosti PETM spred 55 milión rokmi), a to najmä vďaka migrácii. Dnes je takýto spôsob adaptácie, zvlášť pre suchozemské živočíchy, omnoho ťažší – žiaľ, vďaka všadeprítomnej ľudskej infraštruktúre – diaľnice, cesty, urbanizované oblasti, apod. Jediným prostredím, kde migrácia je zatiaľ ako-tak možná, je oceán (no vzhľadom na jeho značné znečistenie je aj táto skutočnosť trochu diskutabilná).

Rýchla zmena klímy v kombinácii s celým radom veľmi vážnych ekologických problémov už dnes vedie k vymieraniu, ktoré je približne 10 000-krát rýchlejšie než „dlhodobý normál“. A ako ukazuje výskum, najrýchlejšie je práve v izolovaných ostrovoch dosiaľ zachovanej prírodnej biosféry (napr. tropické pralesy v Kostarike či v JV Brazílii, atď.). Áno, hádate správne – komplexné formy života by si dokázali poradiť aj dnešnou mimoriadne rýchlou zmenou globálnej klímy, no už nie vo svete, ktorý sme tak zásadné pretvorili my, ľudia.

Literatúra

Diffenbaugh NS, Field CHB, 2013: Changes in Ecologically Critical Terrestrial Climate Conditions. Science, vol. 341, no. 6145, pp. 486-492. DOI: 10.1126/science.1237123. 
IPCC, in Climate Change 2007: The Physical Science Basis: Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, S. Solomon et al., Eds. (Cambridge Univ. Press, Cambridge, UK and New York, 2007), pp. 1–21.

Zdroje

http://news.stanford.edu/news/2013/august/climate-change-speed-080113.html
http://library.wmo.int/opac/index.php?lvl=notice_display&id=15110
http://www.metoffice.gov.uk/news/releases/archive/2012/global-temperatures-2012
http://www.noaanews.noaa.gov/stories2013/20130806_stateoftheclimate.html
http://www.upi.com/Science_News/2013/07/29/New-study-highlights-possibility-of-runaway-greenhouse-effect-on-Earth/UPI-71421375131058/

Smrť v Jurskom parku

Príbeh veľkého vymierania v jurskom období

Ak ste niekedy mali doma akvárium s rybičkami, určite veľmi dobre viete, aké dôležité pre tento domáci vodný zverinec je udržanie optimálnej úrovne kyslíka vo vode. Skúsili ste niekedy vypnúť vodnú pumpičku, ktorá zabezpečuje nielen samotné okysličovanie, ale aj rozvod na kyslík bohatej vody po celej nádržke? Síce vám to nedoporučujem, ale ak sa k tomuto kroku predsa len odhodláte, do 24 hodín vám nezostane nič iné, len sa poobzerať po novom akváriovom osadenstve. Aj bez tohto nákladného experimentu s úbohými rybkami, musí byť asi každému rozumnému človeku jasné, že úroveň obsahu rozpusteného kyslíka vo vode je pre život vo vodnom prostredí skutočne kľúčová. A platí to aj pre morské prostredie. Akonáhle obsah kyslíka klesne pod kritickú úroveň a dôjde k tzv. hypoxii, všetky vodné živočíchy (s výnimkou tých, ktoré dýchajú atmosférický kyslík), od najmenších červov až po žraloky, začnú bojovať o svoj život a tie viac citlivé na nízky obsah kyslíka začnú hynúť alebo odumierať. Aj bez hĺbavejšieho premýšľania si vieme asi všetci predstaviť, čo by sa stalo, ak by množstvo kyslíka kleslo na nulu (anoxia). Žiaľ, rozsiahle a mŕtve anoxické zóny v oceánoch a moriach poznáme aj z dnešnej doby. Dobrým príkladom sú pobrežné oblasti Mexického zálivu alebo Severného, Baltského alebo Čierneho mora (Obr. 2-3). 

Obr. 1: Mŕtve zóny v pobrežných oblastiach sú často krát spôsobené premnožením morských rias a siníc a ich následným odumieraním; príklad podobného premnoženia z oblasti La Jolla neďaleko San Diega v Kalifornii (Zdroj) 

A prečo o tom hovoríme? Nedávno bol publikovaný článok, ktorý prináša zaujímavý pohľad na doposiaľ málo známy rozsah dôsledkov globálneho otepľovania v období spodnej jury. V priebehu jurského stupňa Toark (pred 183 – 174 milión rokmi) došlo k významnému otepľovaniu svetových oceánov, ktoré bolo doprevádzané vznikom rozsiahlych hypoxických a anoxických zón a masovým vymieraním morského života na celej planéte. Toto obdobie, podobne ako aj o niečo neskoršia perióda na prelome paleocénu a eocénu (PETM) v treťohorách, by pre nás malo byť varovným príkladom toho, ako súčasné a veľmi rýchle otepľovanie planéty môže morský život priviesť až na pokraj úplného kolapsu.  

Obr. 2: Červené krúžky na mape znázorňujú mŕtve zóny so známou veľkosťou, naopak čierne body predstavujú zóny, o veľkosti ktorých nemáme žiadne bližšie informácie (Zdroj)  

Obr. 3: Plošný rozsah zóny hypoxie a anoxie v Čiernom mori neďaleko ústia rieky Dunaj v období 1973 až 1990 (Zdroj)  

Vývoj klímy v druhohorách

Ešte predtým, ako sa dostaneme k popisu samotnej udalosti počas spodnojurskej periódy, nie je na škodu si pripomenúť celkový obraz globálnych klimatických pomerov a ich zmien počas jurského, ale aj celého druhohorného obdobia (250 – 65 mil. rokov).

Obdobie jury (200 – 145 mil. rokov) bolo spolu so skorším obdobím triasu (250 – 200 mil. rokov) a neskoršou kriedou (145 – 65 mil. rokov) súčasťou druhohorného obdobia (Mezozoikum), ktoré sa v priemere vyznačovalo veľmi teplou klímou. Globálne teploty (GT), či už na pevninách alebo v oceánoch, boli o 7 až 12 °C vyššie ako v súčasnosti. Takto vysoké GT boli výsledkom nielen odlišnej geografie oceánov a pevnín, ale predovšetkým vysokej koncentrácie CO₂ v atmosfére – počas väčšiny mezozoika presahovala hodnotu 1500 ppm, a na konci triasu a v prvej polovici kriedy dokonca 2000 ppm (dnešná hodnota je 392 ppm). Na počiatku druhohôr existoval rozsiahly superkontinent Pangea, ktorý sa v priebehu triasu a jury začal rozpadať na menšie pevninské fragmenty, aby do konca kriedy nadobudlo rozloženie pevnín takmer dnešných kontúr. 

Tento vývoj zásadne ovplyvnil charakter globálnej a regionálnej klímy. Vzhľadom na prítomnosť jedinej celistvej pevninskej masy, klíma v triase bola nielen veľmi teplá, ale aj mimoriadne suchá (GT bola vyššia o ~ 7 °C ako dnes, priemerné teplotné maximá vo vnútrozemí Pangei presahovali vysoko 45 °C). Vlhké enklávy vznikali len pri pobreží oceánu, ktoré bolo pravidelne „zalievané“ výdatnými monzúnovými dažďami. Pozvoľný rozpad superkontinentu, ktorý začal už v samotnom triase a zrýchlil svoje tempo v nasledujúcom období druhohôr viedol k tomu, že podnebie v jure bolo o niečo vlhšie, no stále rovnako teplé ako v triase. Na perifériách Pangei začali vznikal rozsiahle zálivy a vnútorné alebo do pevniny hlboko vrezané okrajové moria (najväčšie z nich bolo Tethys, Obr. 4). Nová konfigurácia pevniny síce oslabila globálne monzúnové prúdenie, no na druhú stranu priviedla oceánickú vlhkosť hlbšie do vnútrozemia Pangei (pozn.: v tomto čase už Pangea pozostávala z dvoch kontinentov, na severe ležiacej Laurázie a južnejšej Gondwany). 

Obr. 4: Geografické rozloženie pevnín a oceánov v priebehu jury; 200-145 mil. rokov (Zdroj)  

Druhohorný „hothouse“

Tektonické pohyby litosférických dosiek, sprevádzané rozsiahlym a veľmi intenzívnym vulkanizmom, dosiahli svoj vrchol v poslednom období mezozoika, v kriede. Laurázia sa posunula viac na sever, medzi americkým, euroázijským a africkým kontinentom sa definitívne otvoril Atlantický oceán a od Gondwany sa začala v „horúčkovitom“ tempe vzďaľovať India. Na rozsiahlych plochách pevnín sa postupne rozlievalo more a vulkanizmus tlačil koncentrácie atmosférického CO₂ do stále vyšších úrovní. Len na margo pripomíname, že vulkanizmus dosahoval maximum najmä v období medzi 135 až 115 mil. rokmi, čo celkom dobre korešponduje s obdobím maximálnych koncentrácií atmosférického CO₂. Zvetrávanie hornín na pevninách v dôsledku ich malej plochy výrazne pokleslo, čím sa znížil záchyt CO₂ z atmosféry. 

Toto všetko prispelo k tomu, že v období kriedy, pred ~ 90 mil. rokmi, dosiahla GT svoje druhohorné teplotné maximum (vyššia o ~ 12 °C v porovnaní so súčasnosťou).  Ako ale vidieť, zhoda v načasovaní vrcholu koncentrácií CO₂ s mezozoickým teplotným maximom je veľkým otáznikom paleoklimatologického výskumu ešte aj dnes. Rovnako otáznym zostáva aj dôkaz existencie významnejšieho zaľadnenia v priebehu celého mezozoika. Berúc do úvahy všetky relevantné indikátory súdobej klímy zdá sa, že druhohorné polárne oblasti boli veľmi pravdepodobne bez trvalej prítomnosti rozsiahlejších ľadovcov, aj keď výrazná sezónnosť v teplote vzduchu tu existovať musela. Naznačuje to výskum zo Sibíri a Antarktídy, ktorých vnútrozemia pripomínali z pohľadu režimu počasia dnešné kontinentálne oblasti miernych šírok (napr.: východnú Európu). Vyskytovali sa tu tak horúce letá ako aj chladné zimy, a to aj so snehom. Priemerná ročná teplota však bola vyššia. Dôkazom toho je prítomnosť fosílií subtropickej fauny a flóry.

Obr. 5: Umelecká predstava jurskej krajiny (Zdroj) 

Jurské hypertermálne obdobie v Toarku

Ako vidieť z textu vyššie, jura bola obdobím, ktoré sa nijako zvlášť nevymykalo z druhohorného priemeru. Podnebie na rozsiahlych plochách planéty, a to aj v polárnych šírkach, bolo veľmi teplé a prevažne aj dosť vlhké. S výnimkou strednej jury, bola GT v priemere o minimálne 5-6 °C vyššia ako dnes. Okrem toho však dochádzalo aj k udalostiam, kedy sa GT posunula ešte o „kúsok“ vyššie. Jednou z týchto udalostí bol rýchly nárast GT v období najvrchnejšieho stupňa spodnej jury (Toark) pred približne 183 milión rokmi, ktoré nápadne pripomína súčasné globálne otepľovanie. Priemerné teploty v subtropických oblastiach vzrástli o 2-3,5 °C a o 6-8 °C v polárnych šírkach. Zdajú sa vám tieto hodnoty nejako povedomé? Niet divu. Podobné cifry ste si zrejme všimli v poslednej správe IPCC panelu o klimatickej zmene. V prípade, že ľudstvo bude pokračovať v 21. storočí vo vývoji ako doposiaľ (podľa scenára „business as usual“), odhady rastu teploty do konca tohoto storočia sa budú pohybovať vo veľmi podobných intervaloch ako počas Toarku. Podobnosť sa však skrýva aj niečom inom. Zdá sa totiž, že otepľovanie v spodnej jure vyvolala tá istá príčina, ktorá stojí nielen za súčasnou klimatickou zmenou, ale napríklad aj za udalosťou PETM spred 55 milión rokmi. Ako inak, je ňou rýchlo rastúca koncentrácia CO₂ v zemskej atmosfére.

Ako je to s kyslíkom v morskej vode?

Teraz si na chvíľku odskočíme k problematike vzniku mŕtvych zón v oceánoch. Molekulárny kyslík, ktorý morská fauna a flóra nevyhnutne potrebuje pre svoju existenciu, sa do morskej vody dostáva dvoma hlavnými spôsobmi. Jednak je to pomocou fotosyntézy vodných rastlín, morských rias a fytoplanktónu, alebo prostredníctvom miešania morskej vody a vzduchu na hladine oceánov (výrazne tomuto napomáha najmä vlnenie). Celkové množstvo rozpusteného kyslíka vo vode však nezávisí len od intenzity fotosystézy či sily morského príboja, ale ako vidieť na Obr. 6 a 7, aj od teploty vody. V teplejšej vode sa ho rozpustí menej ako v chladnej. A keďže teplota morskej vody, až na menšie odchýlky spôsobené morskými prúdmi, všeobecne klesá od rovníka (obratníkov) smerom k pólom, obrátená zonálnosť existuje v množstve rozpusteného kyslíka (v mol na liter vody). V najteplejší oblastiach oceánov tak koncentrácia kyslíka klesá niekedy až pod 4 ml/l, zatiaľ čo v polárnych oblastiach siaha takmer až k 10 ml/l (Obr. 7). 

Obr. 6: Globálne rozloženie priemernej ročnej teploty morskej vody do hĺbky 10 metrov v roku 2009 (Zdroj: NOAA) 

Obr. 7: Globálne rozloženie priemerného ročného množstva rozpusteného kyslíka [v mol/l] do hĺbky 10 metrov v roku 2009 (Zdroj: NOAA)

Vo vertikálnom profile je priebeh množstva kyslíka vo vode trochu komplikovanejší a závisí nielen od teploty, ale aj biologickej aktivity. V povrchových vrstvách oceánov dosahuje spravidla maximum a do hĺbky približne 1000 metrov klesá na svoje absolútne minimum, potom opäť stúpa a pri dne dosahuje druhotné maximum. V hĺbke okolo 1000 metrov sa v závislosti od podmienok často krát vytvárajú známe „anoxické“ (mŕtve) zóny s takmer nulovou koncentráciou kyslíka. Je to výsledok metabolizmu aeróbnych baktérií, ktoré sa v tejto hĺbke koncentrujú vo väčších množstvách, živia sa pritom biologickým odpadom padajúcim z povrchových vrstiev oceánu dole ku dnu. Baktérie pre svoj metabolizmus potrebujú kyslík, ktorý sa v týchto vrstvách dopĺňa len veľmi pomaly, a to z vody klesajúcej z povrchu oceánu. K vytváraniu mŕtvych zón však v poslednej dobe významne prispieva najmä človek, a to tým, že znečisťuje pobrežné oblasti chemickými látkami a nutrientmi pochádzajúcimi napríklad z poľnohospodárstva alebo miestnej kanalizácie. Tieto látky stimulujú rast siníc, morských rias a fytoplanktónu v povrchových pobrežných vodách. Po odumretí klesajú ich zvyšky do hlbších vrstiev, kde sú potravou pre aeróbne baktérie. Tie v podmienkach prebytku organického „materiálu“ spotrebovávajú veľké množstvá kyslíka až na úroveň, kedy dochádza k hypoxii, či dokonca až k anoxii. Príkladom najznámejšej mŕtvej zóny je anoxická zóna v Mexickom zálive, ktorý je výdatne živený nutrientmi rieky Mississippi (pravidelne dosahuje rozlohu viac ako 10 tisíc km²).     

Globálne otepľovanie a anoxické zóny v spodnej jure

Na základe nedávno zverejneného výskumu fosílnych kolónií bentických organizmov (organizmy žijúce na morskom dne – kôrovce, červy, atď.) a ich druhovej rozmanitosti v spodnojurských čiernych bridliciach z rôznych lokalít na Zemi, autori poukázali na existenciu rozsiahlych anoxických zón v časovom intervale s dĺžkou asi 900 tisíc rokov v období Toarku (Obr. 8). Skúmané súvrstvia tmavých bridlíc boli nielen veľmi chudobné na akékoľvek fosílie organizmov, teda nielen bentity, ale obsahovali aj vysoký podiel organického uhlíka a sulfidu železnatého (FeS). To samo o sebe už niečo vypovedá o tom, že morský život musel byť v tomto období druhovo veľmi chudobný a podmienky v oceánoch boli blízke anoxickým. Zhodou okolností sa toto obdobie celkom dobre kryje s periódou, v ktorej nastali významné zmeny množstva atmosférického CO₂ (nárast), nasledované rýchlym rastom GT a hladiny svetových oceánov (na základe rozsahu vytvárania morských sedimentov). Ako sa však uvádza aj v samotnej štúdii, vytváranie anoxických zón nebolo jedinou príčinou masového vymierania morského života, ktoré je zreteľné z geologických vrstiev. Tou druhou bola veľmi pravdepodobne acidifikácia (okysľovanie) morskej vody, spôsobená vysokými koncentráciami vzdušného CO₂. 

Obr. 8: Porovnanie vývoja rekonštruovaných teplôt v toarkskom období (na základe izotopovej analýzy kyslíka δ¹⁸O) s vývojom úrovne hladiny oceánov a indexom nMDS2, ktorý odráža druhovú diverzitu bentických organizmov - záporné odchýlky reprezentujú pokles biodiverzity (Zdroj)

Kde ale vypátrať príčinu samotného otepľovania? Hľadanie nebolo síce jednoduché, no zdá sa, že iniciátorom bol opäť raz planetárny vulkanizmus, podobne ako počas udalosti PETM. Tesne pred samotným vymieraním došlo totiž v oblasti Antarktídy a južnej Afriky k mohutnému výronu bazaltových láv, ktorý navyše zrejme destabilizoval podmorské sedimenty klatrátov metánu. Následné unikanie uhlíka do atmosféry viedlo k zvýšeniu koncentrácií CO₂ a k rýchlemu otepľovaniu planéty. Ako inak, následky na seba nenechali dlho čakať. Intenzívnejší hydrologický cyklus na pevninách (podmienený hlavne intenzívnejšími zrážkami) a častejšie extrémy počasia mohli viesť k rýchlejšiemu splachovaniu organických zvyškov suchozemskej biosféry do pobrežných oblastí okrajových morí a zálivov a stimulovať tak rýchlejší rast fytoplanktónu. Konečným výsledkom mohol byť vznik rozsiahlych anoxických zón v oceánoch, ktoré sa postupne rozšírili až ku dnu a zasiahli tak kolónie bentických organizmov. Všetko nahráva teórii, že koincidencia planetárneho vulkanizmu, otepľovania a rozširovania anoxických zón tak nakoniec viedla k následnému a veľmi rozsiahlemu vymieraniu života v morskom prostredí.

Aký plynie z tohto príbehu záver?

Ak už žiadny iný, tak minimálne ten, že máme k dispozícii ďalší zaujímavý analóg pre situáciu, v ktorej sa momentálne nachádzame aj my v súčasnosti. Táto štúdia prináša ďalší pozoruhodný pohľad na to, k akým závažným a pre nás niekedy až nepredstaviteľným dôsledkom môže iniciálne zvýšovanie množstva CO₂ v atmosfére nakoniec viesť, nech už je jeho pôvod akýkoľvek. Niektoré následky súčasného otepľovania (napr. zvýšenie zrážok na pevninách, zväčšovanie rozsahu požiarov, atď.) sa môžu zdať na prvý pohľad podružné a nevýznamné, no ako nám ukazuje aj vyššie popísaný výskum, ich vzájomné pôsobenie môže viesť k extrémnym environmentálnym stresom, ktorým morské, ale aj suchozemské ekosystémy vzdorujú len s veľkými obtiažami, prípadne reagujú na ne úplnym kolapsom. Zostane po našej civilizácii v horninovom zázname rovnaký geologický otlačok ako po spodnojurskom globálnom otepľovaní spred 180 milión rokmi? Dúfajme, že nie. Ak áno, potom celkom určite nie sme hodní druhej a tretej časti latinského označenia nášho druhu (homo sapiens sapiens). Vrstvy čiernych bridlíc z toarkského obdobia by pre nás mali byť varovaním!  

Literatúra

Danise S, Twitchett RJ, Little CTS, Clémence M-E. 2013. The Impact of Global Warming and Anoxia on Marine Benthic Community Dynamics: an Example from the Toarcian (Early Jurassic). PLoS ONE 8(2): e56255. doi:10.1371/journal.pone.0056255.  
http://www.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0056255

Hallam, A., 1985. A review of Mesozoic climates. J. Geol. Soc. Lond., 142, 433–445.

Herman, A.B., Spicer, R.A., 1997. New quantitative palaeoclimate data for the Late Cretaceous Arctic: Evidence for a warm polar ocean. Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol., 128, 227–251.

Kutzbach, J.E., 1994. Idealized Pangean climates: Sensitivity to orbital change. In: Klein, G.D. (ed.), Pangea: Paleoclimate, Tectonics and Sedimentation during Accretion, Zenith and Breakup of a supercontinent. Geological Society of American Special Paper, 288, pp. 41–55.

Parrish, J.T., 1993. Climate of the supercontinent Pangea. J. Geol., 101, 215–233.

Price, G.D., 1999. The evidence and implications of polar-ice during the Mesozoic. Earth Sci. Rev., 48, 183–210.

Iné zdroje

http://www.skepticalscience.com/jurassic-global-warming.html

http://geology.gsapubs.org/content/28/8/747.abstract

http://131.91.162.18/nasa/module-3/temperature-trend-changes/past-climates

http://en.wikipedia.org/wiki/Oxygen_minimum_zone

http://en.wikipedia.org/wiki/Dead_zone_%28ecology%29
http://www.blacksea-commission.org/_publ-Newsletter07.asp