Concerned Climatologist: metánové klatráty

Zobrazujú sa príspevky s označením metánové klatráty. Zobraziť všetky príspevky

nedeľa 10. augusta 2014

Antropocénna perspektíva Arktídy

Záhadné krátery na Sibíri sú len začiatkom veľkých zmien v Arktíde

Antropocén, toto zatiaľ veľmi krátke obdobie vývoja Zeme, spojené s ďalekosiahlym vplyvom človeka na prírodné prostredie planéty, nám okrem progresu v mnohých oblastiach ľudských aktivít priniesol, žiaľ, aj nie príliš príjemné poznanie o nezlučiteľnosti nášho exponenciálneho kvantitatívneho a kvalitatívneho rastu s bezpečnou a únosnou stabilitou globálnej klímy. Práve jej dlhodobá stabilita v období posledných asi 10 tisíc rokov umožnila ľudskému druhu vytvoriť súčasnú podobu modernej civilizácie a extenzívneho poľnohospodárstva, ktoré dnes dokáže nakŕmiť viac ako 7 miliárd ľudí. Nanešťastie, mnohé prírodné prostredia, dokonca aj tie najviac nedostupné, platia za našu rýchlu „kolonizáciu“ planéty dosť vysokú daň.

Nie sú už ani zďaleka len zdevastované lesy ochudobnené o svoju pôvodnú biologickú rozmanitosť, či znečistené rieky a oceány zavalené miliónmi ton toxického odpadu a plastu. Rýchlym zmenám dnes podliehajú aj donedávna najmenej dotknuté regióny sveta, menovite najmä Arktída, kde v posledných rokoch registrujeme veľmi rýchle zmeny prostredia a klímy. Tie sú spojené predovšetkým s dramatickým ústupom ľadu a snehu, bezprecedentným minimálne za posledných niekoľko tisíc rokov. To nás vedie nie len k nevyhnutnému záveru, že Arktída obdobie Antropocénu celkom určite „neprežije“ v podobe, v akej ju poznáme dnes alebo v nedávnej histórii, ale aj k určitým obavám z toho, že súčasný rýchly vývoj, na ktorý Arktída nastúpila, prinesie so sebou v už nie príliš vzdialenej budúcnosti celý rad nepríjemných dôsledkov či dokonca nečakaných prekvapení.

Obr. 1: Pravdepodobne "metánový" kráter, objavený v júli 2014 na polostrove Jamal v Rusku, vznikol podľa dostupných informácií ako následok rýchleho úniku metánu spod povrchu zeme do atmosféry (Zdroj)

Arktída na seba v posledných rokoch strháva čoraz väčšiu pozornosť tak médií, politikov, ako aj bežných ľudí. V roku 2012 zaujalo svetovú verejnosť extrémne rýchle topenie grónskeho ľadovca a rekordne malá plocha morského ľadu. Naposledy to boli záhadné krátery (Obr. 1) objavené v priebehu tohto leta na ruskom polostrove Jamal. Ich pôvod bol sprvoti, aj vďaka médiám, opradený rúškom tajomstva, no po opadnutí prvotného vzrušenia verejnosti na rad prišlo racionálne vedecké vysvetlenie pravdepodobného vzniku týchto mysterióznych dier v zemi. Za hlavného vinníka bol označený metán, alebo presnejšie povedané, jeho rýchly únik spod povrchu zeme, ktorý bol zrejme sprevádzaný explóziou, keďže ide o horľavinu (najmä v koncentráciách, pri ktorých sa vyskytuje pod zemou). Kde sa ale tak obrovské množstvo metánu zobralo, a k tomu navyše ešte v tak vysokých koncentráciách?

Obr. 2: Metán unikajúci z morského dna v okrajových moriach Severného ľadového oceánu (Zdroj)

Vysvetlenie je v tomto prípade relatívne jednoduché. Pôda v subpolárnych oblastiach tajgy a tundry, či už v Rusku, v Škandinávii alebo v severnej Kanade, je veľmi bohatá na organickú hmotu, a hlavne uhlík. Ten sa v priebehu tisícov rokov hromadil zo spadnutého ihličia, suchej trávy alebo inej biomasy. Rozklad tejto hmoty nie je v dôsledku nízkych teplôt tak rýchly ako v miernom či tropickom podnebnom pásme. Navyše, nedostupnosť uhlíka pre rozkladné procesy a obmedzenosť následných únikov v podobe oxidu uhličitého alebo metánu do atmosféry podporuje aj prítomnosť permanentne zmrznutej pôdy – permafrostu. Nie je preto asi žiadnym prekvapením, že v súčasnosti je v takejto forme viazané približne dvojnásobné množstvo uhlíka než v atmosfére Zeme, odhadom asi 1 700 mld. ton.

Permafrost však v dôsledku globálneho otepľovania, ústupu snehovej pokrývky a ľadu a zvyšovania teploty vo vrchných vrstvách pôdneho profilu postupne mizne v takmer všetkých sledovaných oblastiach sveta. Uhlík v pôde sa tak stáva pre baktérie dostupnejší, čo sa okamžite odráža aj v rýchlejšej produkcii metánu. Ten sa buď priamo uvoľňuje do atmosféry, alebo sa hromadí pod povrchom v podobe „vzduchových bublín“. Z času na čas sa takáto bublina plná horľavého metánu vplyvom vysokého tlaku a teploty zapáli a vytvorí kráteru podobnú depresiu v teréne.

No nie sú to len priehlbiny či diery v zemi (odborne sa tento typ reliéfu označuje ako termokras), ktoré upozorňujú na metánové úniky. V posledných rokoch vedecké expedície križujúce Severný ľadový oceán stále častejšie registrujú vysoké koncentrácie metánu na povrchu oceánu. Ide o ďalší dôkaz toho, že metán neuniká len na súši, ale aj z morského dna (Obr. 2), kde stále teplejšia morská voda nahlodáva nestabilné sedimenty tzv. metanových klatrátov. V nich môže byť uložených ďalších viac ako 10 000 mld. ton uhlíka, teda asi päťnásobok množstva v permafroste na pevninách.

Obr. 3: Vývoj koncentrácie metánu v oblasti mesta Barrow na Aljaške za posledných 30 rokov poukazuje na pomerne častý a pravidelný výskyt metánových "outlierov" (zelená), ktoré pravdepodobne vznikajú ako následok veľmi rýchlych únikov metánu spod zemského povrchu alebo dna oceánu (Zdroj)

Závažnosť situácie v Arktíde tkvie v tom, že pokiaľ sa proces topenia permafrostu a klatrátov raz začne, neexistuje spôsob, ako tento proces zastaviť. Ide totižto o samopodporujúci sa proces. Vyššie teploty v Arktíde vedú k intenzívnejším únikom metánu a oxidu uhličitého do atmosféry a rastu ich koncentrácií (Obr. 3). Oba sú súčasne aj silné skleníkové plyny, najmä metán, ktorý je v horizonte 100 rokov asi 20 až 25 silnejší ako oxid uhličitý. Inak povedané, dokáže spôsobiť väčšie oteplenie. A takto môžeme pokračovať aj ďalej – čím rýchlejšie otepľovanie atmosféry v Arktíde, tým rýchlejší ústup permafrostu a snehu, tým rýchlejšie unikanie uhlíka do atmosféry, atď., atď.

V Arktíde tak pod povrchom zeme a hladinou Severného ľadového oceánu doslova tiká nebezpečná časovaná "metánová" bomba, ktorá v prípade, že by vybuchla, môže globálnu klímu dostať do pre nás nežiaduceho termálneho stavu, ktorému sa naša ekonomika a poľnohospodárstvo budú len ťažko vedieť prispôsobiť. Nie sa preto ani čomu čudovať, že jeden najpoprednejších klimatológov, Dr. James Box, študujúci klimatický systém Arktídy, svoje obavy z ďalšieho unikania metánu v dôsledku globálneho otepľovania, vyjadril slovami: „If even a small fraction of Arctic sea floor carbon is released to the atmosphere, we're f'd.“

Pochopiteľne, že nie všetci klimatológovia sa s týmto názorom celkom stotožňujú. Možné je argumentovať tým, že dokonca aj v prípade, že vyššie popísané procesy budú v budúcnosti prebiehať stále rýchlejšie a rýchlejšie, potrvá pravdepodobne niekoľko stáročí, kým sa všetok uhlík z permafrostu alebo klatrátov uvoľní do atmosféry. Súčasný výskum naznačuje, že do konca 21. storočia by sa z permafrostu mohlo uvoľniť maximálne 120 mld. ton uhlíka, čo by viedlo k otepleniu o približne 0,3 °C na globálnej úrovni. V porovnaní s tým, aké oteplenie očakávame v dôsledku pokračujúcich antropogénnych emisií oxidu uhličitého (stredný odhad: +3 °C, pesimistický odhad: +5-6 °C; pritom už oteplenie o menej ako 2 °C povedie pravdepodobne k mnohým nezvratným zmenám klimatického systému, čo môže ohroziť globálnu produkciu potravín či viesť mnohé národy v suchších oblastiach ku konfliktom o vodné zdroje, atď.) je oteplenie zo strany metánu takmer „zanedbateľne“. Na druhej strane treba ale pripustiť, že vo svetle pribúdajúcich vedeckých dôkazov o stále rýchlejších zmenách arktického klimatického systému, ide o veľmi konzervatívny odhad, ktorý veľmi pravdepodobne zásadne podhodnocuje dynamiku všetkých procesov spojených s únikom metánu do atmosféry. Ignorovanie vyjadrenia Dr. Boxa, aj keď je trochu expresívnejšie podané, by sa nám preto nemuselo vyplatiť.

Súvisiace články
Klimatická zmena v Arktíde prebieha doslova pred očami
Grónsko na prahu veľkých zmien (?)
Príbeh Arktídy živí "odborný" bulvár, ale aj naše obavy
Klíma v Európe smeruje k zásadným zmenám
Cena za život v Antropocéne

Zdroje
Mysterious Siberian crater attributed to methane
http://www.nature.com/news/mysterious-siberian-crater-attributed-to-methane-1.15649
Permafrost
http://www.wunderground.com/climate/permafrost.asp
Is the climate dragon awakening?
http://www.meltfactor.org/blog/?p=1329
Do these methane bubbles signal the start of rapid climate change?
http://www.rawstory.com/rs/2014/08/09/do-these-methane-bubbles-signal-the-start-of-rapid-climate-change/
Mysterious Craters Are Just the Beginning of Arctic Surprises
http://www.scientificamerican.com/article/mysterious-craters-are-just-the-beginning-of-arctic-surprises/?&WT.mc_id=SA_DD_20140805
The Arctic in the Anthropocene
http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=18726
The Arctic Methane Monster Exhales: Third Tundra Crater Found
http://robertscribbler.wordpress.com/2014/07/30/the-arctic-methane-monster-exhales-third-tundra-crater-found/

sobota 27. júla 2013

Príbeh Arktídy živí "odborný" bulvár, ale aj naše obavy

„Severný pól“ bez ľadu a metánová „bomba“ tikajúca pod povrchom

Média sa v interpretácii toho, čo sa skutočne na severnom póle deje naozaj trochu uponáhľali. Veď prečo neurobiť z už tak dosť dramatickej situácie v Arktíde ešte väčšie divadlo a senzáciu pre ľudí.

Arktída sa aj tento rok opäť dostala na titulné stránky svetových denníkov po tom, ako webové kamery na jednej z oceánskych bójí zaznamenali v oblasti severného pólu v posledných dvoch týždňoch veľmi rýchle topenie morského ľadu (Obr. 1). Podľa záberov zverejnených v médiách to na prvý pohľad pôsobilo skutočne dramaticky – morský ľad v priebehu necelých dvoch týždňov, počnúc 10. júlom, vystriedala otvorená voľná hladina oceánu (jazera). Po minuloročnom nezvyčajne rýchlom a rozsiahlom topení kontinentálneho ľadovca v Grónsku a rekordne malom rozsahu arktického morského ľadu to vyzerá na ďalší významný signál toho, že zmeny odohrávajúce sa v Arktíde prebiehajú skutočne až „šialene“ rýchlo. No ešte predtým, ako si o tejto záležitosti urobíte svoje vlastné závery, posúďte nasledujúce fakty.

Obr. 1: (hore) Zábery webových kamier Polárneho observatória Washingtonskej univerzity (údajne v oblasti severného pólu) na vznikajúce jazero vody v období od 30. júna do 25. júla 2013 (jazero sa začalo vytvárať 10. júla; Zdroj); (dole) záber z 25. júla 2013 (Zdroj: NSF´s North Pole Environmental Observatory)

Ľad v pohybe

Po prvé, zábery, ktoré údajne popisujú zmeny na severnom póle, v skutočnosti z tejto oblasti vôbec nepochádzajú. Ako to? Bója, ktorá je každoročne na jar od roku 2002 umiestňovaná presne na miesto geografického severného pólu, nie je žiaľ pevne ukotvená na morské dno, ale pohybuje sa spolu s plávajúcim ľadom. Ten vplyvom morského prúdenia neustále putuje – najviac práve v letnom polroku, a to predovšetkým smerom na juh. Podľa mapky na Obr. 2 je jasne vidieť, že súčasná poloha bóje, z ktorej pochádzajú zverejnené zábery, je stovky kilometrov vzdialená od severného pólu, kdesi na 85. stupni s.š. Očakáva sa, že v priebehu niekoľkých nasledujúcich týždňov až mesiacov bója opustí oblasť Arktídy cez Dánsky prieliv (Fram Strait), oddeľujúci Island od Grónska. Je teda celkom prirodzené, že svojim postupom smerom na juh sa bója dostáva do stále teplejších oblastí, kde dochádza k rýchlejšiemu topeniu ľadu a vytváraniu jazier roztopenej vody na jeho povrchu.

Obr. 2: Mapa zachytávajúca pohyb bójí Polárneho environmentálneho observatória v roku 2013 - trajektória bóje, z ktorej pochádzajú zábery, je vyznačená tmavou zelenou farbou - v súčasnosti sa nachádza SV od pobrežia Grónska (Zdroj: NSF´s North Pole Environmental Observatory)

Po druhé, keby sa bója stále na severnom póle aj nachádzala, situácia na záberoch by nebola ničím nezvyčajná dokonca ani v tejto chladnej oblasti Arktídy. Údaje zo satelitov, vojenských a výskumných ponoriek, ako aj zo samotných webkamier (od roku 2002) potvrdzujú, že k roztápaniu ľadu dochádza pomerne často, takmer každoročne, aj v oblasti 90. stupňa s.š. Situácia nie je teda neobvyklá. To, čo by nás ale malo rozhodne na celej tejto záležitosti znepokojovať je, že rozsah a rýchlosť vzniku otvorených vodných plôch, či už na severnom póle alebo v iných oblastiach Arktídy, sa v posledných rokoch skutočne povážlivo zväčšuje a zrýchľuje. Aj tento rok rýchlosť tohto procesu odborníkov prekvapila. Rovnako tak prekvapilo aj nezvyčajné zrýchlenie topenia arktického ľadu a pokles jeho plochy v celej Arktíde v posledných týždňoch (zdá sa, že najmä vplyvom cirkulačných podmienok, sa celý proces výrazne urýchlil najmä od polovice júna 2013 (Obr. 3), čo možno súviselo aj s tým, že tento mesiac sa zaradil medzi päť najteplejších júnov od roku 1880, podľa NASA aj NOAA).

Obr. 3: Plošný rozsah plávajúceho morského ľadu v Arktíde v roku 2013 (stav 26. júla 2013) v porovnaní s dlhodobým priemerom 1980-2010 (Zdroj)

Obr. 4: Vývoj plochy a hrúbky morského ľadu (v metroch) na severnej hemisfére v období od 28. júna do 25. júla 2013 (Zdroj)

Trendy morského ľadu v kontexte

Situáciu „na severnom póle“ je preto potrebné brať v kontexte dlhodobých zmien stavu a rozsahu morského zaľadnenia. A tie vypovedajú len o jednom. Vplyvom klimatickej zmeny, rastu teploty atmosféry a oceánov, ako aj zmeny cirkulačných podmienok v oblasti Arktídy sa rozsah zaľadnenia zmenšuje. Od roku 1979 poklesla rozloha letného ľadu o takmer celú polovicu a v minulom roku – 2012 – dosiahol rekordne nízku úroveň (3,41 mil. km²). Ako sme uviedli už v predošlom blogu (Klimatická zmena v Arktíde prebieha doslova pred očami), satelitné merania od roku 1979 potvrdzujú, že plocha morského ľadu klesá rýchlosťou 12-13% za desaťročie a tento pokles sa stále zrýchľuje. Rýchla degradácia plochy ľadu súvisí s ešte rýchlejším poklesom jeho objemu a veku. V roku 1979 dosahovalo letné minimum objemu hodnotu 16 855 km³, no v roku 2012 to bolo len 3 261 km³ (pokles o 80 %; Obr. 5). Malý objem ľadovej hmoty je nakoniec aj priamym dôsledkom toho, že viacročný a teda objemnejší ľad nahradzuje jedno alebo dvojročný ľad, ktorý je na hladine oceánu navyše aj menej stabilný. Fakty sú v tomto zmysle neúprosné. Ešte v roku 1987 tvoril ľad s minimálnym vekom 5 rokov viac ako polovicu celého objemu morského ľadu (57 %). V roku 2007 to bolo už len 7 %, pričom, napríklad 9-ročný ľad nebol z družíc už takmer vôbec zaznamenaný.

Obr. 5: Celkový objem morského ľadu v Arktíde v rokoch 1979 a 2012 monitorovaný družicou CryoSat-2 (Zdroj)

Kedy bude Arktída v lete bez ľadu?

Pokračujúce otepľovanie Arktídy celkom určite povedie k ďalšiemu ústupu morského zaľadnenia a k situácii, kedy nebude väčšia časť Severného ľadového oceánu v letnom období pokrytá žiadnym ľadom. Podľa poslednej správy IPCC by k tomuto scenáru malo dôjsť až v druhej polovici 21. storočia (jedna z posledných štúdií odhaduje tento stav na obdobie okolo rokov 2054-2058). Nájdu sa však aj odborníci (Prof. Peter Wadhams), ktorí s týmito predpokladmi nesúhlasia a domnievajú sa, že táto situácia môže nastať už v tomto desaťročí (okolo roku 2015).

Nech už k tomu dôjde kedykoľvek v priebehu nasledujúcich desaťročí, letná Arktída bez ľadu skrýva v sebe viac, než len výhodu z otvorenia námorných ciest pre lodnú dopravu alebo prístupu k zatiaľ nevyužívaným ložiskám ropy alebo zemného plynu (Obr. 6). Na morskom dne a na priľahlých pevninách (Rusko, Kanada) sa totiž ukrývajú miliardy a miliardy ton metánu a organického uhlíka, uložené v depozitoch klatrátov metánu a permafroste (Obr. 7). Výrazný ústup morského ľadu vedie bezprostredne k zvyšovaniu teploty morskej vody, ako aj podmorských a pevninských vrstiev permafrostu, čo zvyšuje riziko úniku metánu a uhlíka (v podobe CO₂) do atmosféry. Pokiaľ by k tomu došlo, samotná spätná väzba zo strany metánu by do roku 2100 zvýšila globálnu teplotu minimálne o 1,5 °C. Ako vidieť, ide o veľmi silnú spätnú väzbu otepľovania, ktorá by nám mohla priniesť nielen obrovské ekonomické škody, ale navyše by viedla aj k nezvratným zmenám globálnej klímy.

Obr. 6: Možné varianty námorných ciest v oblasti Arktídy v prípade výrazného úbytku rozlohy plávajúceho ľadu (Zdroj)

Obr. 7: Oblasti výskytu trvalo zamrznutej pôdy - permafrostu - na severnej pologuli (Zdroj)

Časovaná metánová bomba

Jedna z posledných štúdií uverejnených v časopise Nature prišla s odhadom ekonomických škôd v prípade, že by k tomuto scenáru nakoniec došlo. Analýza uvádza, že ak by sa v priebehu desaťročia 2015-2025 uvoľnilo z podmorských permafrostových vrstiev približne 50 mld. ton metánu (v oblasti Východosibírskeho arktického šelfu, možný nárast globálnej teploty vplyvom metánového impulzu je vidieť na Obr. 9), škody by mohli dosiahnuť až 60 biliónov USD (ročné HDP všetkých štátov sveta bolo v roku 2012 70 biliónov USD), čím by mohli prevýšiť ekonomické benefity z ťažby ropy, zemného plynu, rybolovu a námornej dopravy až o niekoľko rádov. Pochopiteľne, medzi odborníkmi sa už našli aj kritici tohto odhadu, a napríklad klimatológ Gavin Schmidt argumentuje tým, že podobne vysoké úniky metánu do atmosféry v tak krátkom čase nie sú veľmi reálne.

Obr. 8: Satelitné zábery odhaľujúce topenie permafrostu v severnej Kanade - Liverpool Bay (Zdroj: NASA)

Uhlík viazaný v permafroste a klatrátoch metánu však pre planétu predstavuje aj dlhodobejší problém. Ten spočíva v tom, že jeho zásoby v permafroste sú jednoducho obrovské – len v samotných klatrátoch je podľa odhadov viazaných až 10 000 Gt čistého uhlíka, v permafroste to môže byť od 400 do 1 850 Gt (len pre porovnanie, od začiatku priemyselnej revolúcie človek vypustil do atmosféry spaľovaním fosílnych palív, produkciou cementu a odlesňovaním niečo viac ako 570 Gt uhlíka). V prípade samotného metánu je tu ďalší problém. V porovnaní s CO₂ ide o skleníkový plyn, ktorý má v časovom horizonte 100 rokov asi 22-25 násobne väčší otepľujúci potenciál (v horizonte 20 rokov je to dokonca 105 násobne viac), to znamená, že v budúcnosti môže podporiť otepľovanie planéty ešte výraznejšie ako naše emisie CO₂.

Metán z Arktídy sa už v súčasnosti uvoľňuje do atmosféry a je preto len otázkou času, kedy začne výraznejšie prispievať k jej otepľovaniu. Dokladajú to aj družicové merania jeho koncentrácií nad rozsiahlymi nezaľadnenými časťami Severného ľadového oceánu, predovšetkým v oblasti Barentsovho a Nórskeho mora.

Obr. 9: Scenáre rastu globálnej teploty s (červená) a bez (modrá) metánového impulzu 50 Gt v priebehu rokov 2015-2025 (Zdroj)

Čo sa stane v Arktíde, nezostane len v Arktíde

Z dnešného pohľadu je oveľa závažnejším problémom zistenie, že rýchle otepľovanie Arktídy a nakoniec aj rýchly ústup morského zaľadnenia začínajú zásadne ovplyvňovať charakter počasia a jeho extrémnosť na celej severnej pologuli. Nedávno sa dokonca objavila štúdia, ktorá uvádza, že neobvyklé cirkulačné podmienky na severnej pologuli vedúce k bezprecedentnému topeniu grónskeho kontinentálneho ľadovca v júli 2012 boli zapríčinené práve výrazným ústupom morského zaľadnenia (v tomto roku je topenie ľadovca v Grónsku pomalšie). Do súvisu s rýchlymi zmenami v Arktíde sa dáva aj výskyt extrémnych vĺn horúceho a suchého počasia (ale aj iných, najmä teplotných extrémov) na JZ Spojených štátov amerických, či iných regiónoch sveta, vrátane Európy. Viac sa o tomto probléme môžete dočítať napríklad aj v článku: Klimatická zmena v Arktíde prebieha doslova pred očami.

Na záver tohto blogu by som ešte veľmi vrelo doporučil výbornú prednášku Dr. Jennifer Francis o fyzikálnom mechanizme arktického zosilneného otepľovania (Arctic amplification) a jeho prepojení s výskytom extrémneho počasia na severnej pologuli. Tých 30 minút stojí za to!