Concerned Climatologist

streda 15. mája 2013

Citlivosť klímy – dôležitý pojem našej budúcnosti

Veľkosť odozvy globálneho klimatického systému na vysokú koncentráciu CO₂

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

Problém silnejšieho skleníkového efektu

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

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

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

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

Čo je to citlivosť klimatického systému?

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

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

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

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

Najsilnejšie spätné väzby klimatického systému

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

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

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

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

Konsenzus v odhadoch klimatickej citlivosti

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

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

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

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

Čo to znamená pre našu budúcnosť?

Dnešná koncentrácia CO₂v zemskej atmosfére je 400 ppm, čo znamená, že od predindustrálnej koncentrácie k jej zdvojnásobeniu sme zatiaľ urazili menšiu polovicu cesty. Pri súčasnom tempe vypúšťania skleníkových plynov sa však k tomuto stavu prepracujeme pomerne rýchlo. Trvalo nám asi 250 rokov než sme obsah CO₂v atmosfére zvýšili z 280 na 400 ppm. Ako sa zdá, na dosiahnutie 560 ppm nebudeme potrebovať ani šestinu tohto času (!) – je teda veľmi pravdepodobné, že hodnotu 2 × CO₂dosiahneme niekedy v polovici tohto storočia. Súčasný vedecký konsenzus ohľadom budúcej zmeny klímy hovorí aj o tom, že oteplenie o viac ako 2 °C v priebehu tohto storočia sa nezaobíde bez veľmi negatívnych (nebezpečných) dôsledkov.

Ak teda aj po započítaní všetkých neistôt súvisiacich s odhadom klimatickej citlivosti prijmeme fakt, že jej hodnota leží kdesi medzi 2 a 4,5 °C a že tento scenár nárastu teploty môže pri súčasnom tempe emitovania CO₂nastať už v druhej polovici tohto storočia, celkom isto nás to musí priviesť k jedinému závažnému záveru. To, do akej zásadnej a zničujúcej miery súčasná moderná civilizácia ovplyvňuje globálnu klímu, nie je v žiadnom prípade z dlhodobého pohľadu bezpečné. Ide v každom prípade o neakceptovateľný a hrubo podceňovaný hazard so životom na tejto planéte!

Súvisiace články

Návrat do predhistorickej atmosféry

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

Oceány "maskujú" skutočný rozsah globálneho otepľovania

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

Záhada (ne)pokračujúceho globálneho otepľovania leží hlboko v oceánoch

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

Klimatická zmena v Arktíde prebieha doslova pred očami

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

Posledné veľké otepľovanie

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

Literatúra

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

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

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

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

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

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

Oceány „maskujú“ skutočný rozsah globálneho otepľovania

Na stále rýchlejšie ukladanie tepla do oceánov poukazuje aj ďalšia štúdia

Nielen mnohí klimaskeptici, popierajúci skutočné prejavy a príčiny klimatickej zmeny, ale dokonca už aj niektoré spravodajské agentúry sa nazdávajú, že klimatológovia majú veľké ťažkosti s vysvetlením toho, prečo otepľovanie troposféry v poslednom desaťročí spomalilo svoje tempo (Obr. 1).

Nie je tomu tak. Atmosféra totižto nie je jediným článkom klimatického systému Zeme, ktorý sa ohrieva. Okrem kryosféry (ľadovce), biosféry či pevninskej časti hydrosféry je tu ešte jeden veľmi dôležitý subsystém, ktorý v stále väčšej miere akumuluje teplo – oceány. Ako sme o tomto probléme písali už v jednom z predošlých blogov, a koniec koncov potvrdzuje to aj najnovšia štúdia, spomalenie rastu globálnej teploty je možné vysvetliť práve prostredníctvom zrýchleného ukladania tepla do oceánov. Vedecký výskum o tom prináša presvedčivé dôkazy!

Obr. 1: Porovnanie pozorovanej globálnej teploty (čierna krivka) s rozsahom teplotných scenárov (sivé banery) 38 klimatických modelov projektu CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5; tmavšia sivá - 25-75 % rozsah neistoty odhadu, bledá sivá - 5-95 % rozsah neistoty odhadu; Zdroj)

Oceány – najdôležitejší regulátor globálnej teploty

Oceány ovplyvňujú podnebie na Zemi veľmi zásadným spôsobom. Klimatické podmienky našej planéty by sa bez prítomnosti oceánov líšili od súčasných vo všetkých podstatných znakoch. Bez tohto obrovského rezervoára vody by zemská atmosféra neobsahovala takmer žiadnu vodnú paru a obeh vody, ak by vôbec existoval, by bol úplne odlišný. Bez termoregulačnej schopnosti oceánov a nebyť ich veľkej tepelnej kapacity, by rozdiely v teplote vzduchu medzi rovníkom a polárnymi oblasťami boli tak extrémne, že by sme len sotva našli na Zemi miesto, kde by sa dalo v týchto neznesiteľných podmienkach prežiť. Oceány pokrývajú takmer tri štvrtiny povrchu Zeme a pri svojej priemernej hĺbke 4 km obsahujú 300-krát viac hmoty, majú 1000-krát väčšiu tepelnú kapacitu a obsahujú 80-krát viac oxidu uhličitého ako celá atmosféra.

Obr. 2: Oceány, v dôsledku intenzívej výmeny tepla a vlhkosti medzi atmosférou a oceánom, sú zdrojom najväčšej prirodzenej medziročnej a dekádnej variability globálnej teploty atmosféry (Zdroj: Wikipedia)

Nedocenenie úlohy oceánov pri genéze a zmene globálnej klímy vyplýva aj z toho, že my, ľudia, posudzujeme súčasné otepľovanie predovšetkým z pohľadu zmien v našom okolí, teda zmien teploty vzduchu nad pevninami. Pritom len približne 2 % tepla globálneho otepľovania sa premietajú do ohrievania atmosféry. Takmer celý zvyšok, teda viac ako 93 %, smeruje do oceánov. Teda aj keď sa zdá, že globálna teplota povrchu Zeme v posledných 15 rokoch mierne spomalila vo svojom raste, treba si uvedomiť, že to nie je celkom presný a úplný obraz súčasného otepľovania. V tom istom období sme totiž v oceánskej časti planetárneho systému zaznamenali významné zrýchlenie ukladania tepla – ide o presvedčivý dôkaz toho, že planéta sa ako celok otepľuje stále rýchlejšie.

Stále viac tepla smeruje do oceánov

Toto je záver jednej z nedávnych analýz, o ktorej sme písali už v texte: Záhada (ne)pokračujúceho globálneho otepľovania leží hlboko v oceánoch – jej autori dospeli k záveru, že globálny klimatický systém v priebehu posledných 15 rokov sa ohrieval rýchlejšie než počas predošlého obdobia, a to najmä kvôli rýchlejšiemu rastu teploty oceánov (Nuccitelli et al. 2012). Ďalší výskum zverejnený v časopise Geophysical Research priniesol informáciu o tom, že otepľovanie hlbších častí oceánov (pod 700 m) v období posledných 50 rokov je v historickej perspektíve skutočne bezprecedentné. Analýza tiež zistila, že z celkového množstva tepla globálneho otepľovania sa spotrebovalo v sledovanom období až 30 % na ohrev oceánov v hĺbkach pod 700 metrov.

Obr. 3: Dekádne lineárne trendy globálnej povrchovej teploty (SAT_g) v období posledných dvoch desaťročí (1991-2000, 2001-2010 a 2003-2012). Krížiky reprezentujú trendy pozorovanej teploty prízemnej atmosféry, zatiaľ čo farebné boxploty predstavujú rozsah trendov piatich ensemblových modelov CMIP5 (každý s viac ako 10 členmi; Zdroj: Watanabe et al., 2013) - dekádne trendy potvrdzujú spomalenie atmosférického otepľovania v poslednom desaťročí

Závery o väčšej miere ukladania tepla do oceánov navyše potvrdzuje aj úplne nová štúdia publikovaná v Geophysical Research Letters (Watanabe et al. 2013). Watanabe so svojim tímom porovnal výstupy piatich globálnych cirkulačných modelov GCMs (CanCM4, CNRM-CM5, CSIRO Mk-3.6, HadCM3, a MIROC5) s pozorovanými zmenami teploty oceánov a atmosféry a zistil, že súčasné spomalenie atmosférického otepľovania je zapríčinené prirodzenou variabilitou klimatického systému, a predovšetkým rýchlejším ukladaním prebytočného tepla do oceánov, v dôsledku zmien oceánskeho prúdenia a dominancie La Niña fázy v tropickej oblasti Pacifiku. Z možných príčin tak vylúčili tie, ktoré by súviseli so zníženou aktivitou Slnka alebo výraznejším ochladzovaním zo strany atmosférických aerosólov. Watanabe v závere štúdie tiež uvádza, že efekt zmierňovania atmosférického otepľovania oceánmi bude mať pravdepodobne len dočasné trvanie a v nasledujúcich rokoch bude veľmi záležať od prirodzenej variability celého klimatického systému. V prípade, že by v nasledujúcom období prešlo ENSO do častejšej fázy El Niña, doteraz akumulované teplo v oceánoch by sa začalo vo väčšej miere uvoľňovať do atmosféry, čo by sa okamžite prejavilo v akcelerácii atmosférického otepľovania. Zdá sa tak, že oceány skutočne maskujú podstatnú časť globálneho otepľovania (istú časť však majú na svedomí aj atmosférické aerosóly).

Štyri hirošimské bomby každú sekundu

Aby sme si ale vedeli vytvoriť predstavu o tom, s akým veľkým „balíkom“ energie (tepla) klimatický systém pri globálnom otepľovaní pracuje, použijeme jednoduchú analógiu. Zatiaľ posledná hodnotiaca správa IPCC z roku 2007 (AR4) predstavila celkom jednoznačný obraz o prebiehajúcom otepľovaní globálnej klímy. Za posledných 25 rokov je teplotný trend v rámci obdobia 1981-2006 0,177 °C ±0,052 °C za desaťročie. Ak toto obdobie aktualizujeme o roky 2007 a 2008, získame trend 0,187 °C ±0,052 °C za desaťročie. V posledných troch desaťročiach globálna teplota rastie približne 10-násobne rýchlejšie ako počas najrýchlejších globálnych klimatických zmien z histórie Zeme (napr. PETM, Stredoveké teplotné optimum - MWP, koniec poslednej doby ľadovej, atď.). Len pre doplnenie celkového obrazu, na tejto stranke možno nájsť pozorované trendy akumulácie tepla v rôznych hĺbkach oceánov pre vybrané obdobia (Tab. 1; Zdroj Nuccitelli et al., 2012).

V priebehu poslednej dekády oceány, spolu s atmosférou a ďalšími subsystémami, akumulovali teplo ekvivalentné množstvu energie, ktoré by sa uvoľnilo pri výbuchu štyroch atómových bômb „hirošimské hotypu“ v priebehu jednej sekundy. Inak povedané, nechajte vybuchnúť každú sekundu 4 hirošimské bomby v priebehu 10 rokov a získate celkové množstvo energie (tepla), ktoré globálny klimatický systém počas posledného desaťročia zhromaždil, aby sa ohrial o necelých 0,2 °C!

Zdroje

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/grl.50541/abstract
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0375960112010389
http://www.skepticalscience.com/new-research-confirms-global-warming-has-accelerated.html
http://skepticalscience.com/nuccitelli-et-al-2012.html
http://www.skepticalscience.com/david-rose-hides-rise-global-warming.html

http://www.guardian.co.uk/environment/climate-consensus-97-per-cent/2013/apr/24/reuters-puzzled-global-warming-acceleration
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/grl.50382/abstract
http://climatemap.blogspot.sk/2013/03/zahada-nepokracujuceho-globalneho.html
http://skepticalscience.com/graphics.php?g=12
http://skepticalscience.com/graphics.php?g=67
http://cmip-pcmdi.llnl.gov/cmip5/
http://www.climate-lab-book.ac.uk/2013/updated-comparison-of-simulations-and-observations/
http://www.ncdc.noaa.gov/paleo/globalwarming/medieval.html
http://www.skepticalscience.com/Kevin-Trenberth-travesty-cant-account-for-the-lack-of-warming-advanced.htm
http://www.skepticalscience.com/docs/Comment_on_DK12.pdf

pondelok 13. mája 2013

Návrat do predhistorickej atmosféry

Za posledné 3 milióny rokov Zem nezažila tak vysoké koncentrácie CO₂ ako dnes

Keď v roku 1958 mladý doktor chémie, Charles David Keeling, prvýkrát zmeral na havajskom observatóriu pod vrcholom sopky Mauna Loa množstvo oxidu uhličitého vo vzduchu, pravdepodobne mu ani nenapadlo, že o 55 rokov neskôr bude jeho koncentrácia atakovať predhistorické hodnoty z doby pred 3 až 5 milión rokmi. Spektroskopické senzory, a to nielen na Havajských ostrovoch, totiž na začiatku mája 2013 zaregistrovali, že denné a hodinové koncentrácie tohto skleníkového plynu prvýkrát v histórii prekročili „magickú“ hodnotu 400 ppm (Obr. 2).

Obr. 1: (vľavo) Dr. Charles David Keeling (1928-2005, Zdroj); (vpravo) atmosférické (meteorologické) observatórium NOAA na hlavnom havajskom ostrove v nadmorskej výške 3397 metrov - miesto, na ktorom sa od roku 1958 vykonávajú najdlhšie nepretržité merania atmosférickej koncentrácie CO₂ na Zemi (Zdroj)

Oxid uhličitý (CO₂) patrí spolu s metánom (CH₄) a oxidom dusným (N₂O) k tým plynným zložkám atmosféry, ktoré sú schopné zadržiavať teplo emitované zemským povrchom, ktoré by inak bez úžitku uniklo späť do kozmického priestoru. Všetko by bolo v poriadku, keby ich koncentrácie boli dlhodobo viac-menej stabilné. Ale nie sú! Od roku 1958, kedy NOAA zriadila na havajskej sopke malé atmosférické observatórium, množstvo CO₂dodnes vzrástlo o celých 83 ppm (parts per million – 83 molekúl na milión molekúl vzduchu), pričom v období od roku 2003 rastie jeho koncentrácia o 2,07 ppm ročne. Teda približne 100-krát tak rýchlo ako na konci poslednej doby ľadovej. Čo vlastne znamená pre nás tá „symbolická“ hodnota 400 ppm? Mali by nás tieto číslo vôbec znepokojovať?

Obr. 2: (hore) Denné a týždenné priemery koncentrácie CO₂ dosiahli začiatkom mája 2013 hodnotu 400 ppm - graf zachytáva hodnoty za posledný rok (Zdroj); (dole vľavo) koncentrácia CO₂ v období rokov 1958-2013 meraná na observatóriu na Mauna Loa (podľa CH. D. Keelinga, Zdroj); (dole vpavo) mesačné a sezónne priemery koncentrácie CO₂ za obdobie rokov 2009-2013 (Zdroj)

Určite mali! A to nielen kvôli tomu, že vyššia koncentrácia skleníkových plynov zásadne prispieva, a to najmä od druhej polovice 20. storočia, k nárastu globálnej teploty atmosféry a oceánov. Vyššie množstvo CO₂ v atmosfére začína totiž negatívne, ovplyvňovať aj samotnú biosféru a potravové reťazce na celej Zemi, prevažne v oceánoch. Nie je tiež dnes už žiadnym tajomstvom, a potvrdzuje to nakoniec aj výskum, že príčinou jeho rýchleho rastu je nielen spaľovanie fosílnych palív, ako ropy a uhlia, ale aj odlesňovanie a zmeny využívania krajiny. Ľudské aktivity ročne dopravia do atmosféry viac ako 36 miliárd ton (Gt) CO₂ (čo je asi 10 Gt čistého uhlíka), pričom od začiatku priemyselnej revolúcie, teda za posledných asi 250 rokov, sme celkovo do atmosféry vypustili približne také množstvo uhlíka, aké uchováva všetka vegetácia na našej planéte, teda približne 500 Gt. Len na okraj pripomíname, že viac ako polovica z tohto množstva je stále prítomná v atmosfére.

Obr. 3: (hore) Paleoklimatologická rekonštrukcia atmosférických koncentrácii CO₂ získaná z vrtných ľadových jadier z oblasti Dome C vo východnej Antarktíde za posledných 800 tisíc rokov (Zdroj) - súčasná koncentrácia je vyznačená v pravom hornom rohu grafu; (dole) koncentrácia CO₂ v období 1700-2013 (Zdroj)

Ak súčasné tempo zvyšovania koncentrácie CO₂ bude pokračovať aj v nasledujúcich desaťročiach, ďalší významný medzník, teda 450 ppm, dosiahneme ešte pred rokom 2040. Ide o hodnotu, ktorú by sme podľa mnohých vedcov a politikov nemali presiahnuť, ak sa chceme vyhnúť otepleniu o 2 °C do konca tohto storočia. Máme tak priestor na vypustenie ďalších približne 250 Gt uhlíka. Lenže, ako vieme, dosiahnutie akýchkoľvek dohôd o redukcii vypúšťaného CO₂ na globálnej úrovni je zatiaľ hudbou vzdialenejšej budúcnosti a je preto veľmi pravdepodobné, že budeme mať čo robiť, aby sme nepresiahli dokonca ešte vyššiu hranicu, teda 500 ppm a oteplenie o 3-4 °C do konca 21. storočia.

Globálna teplota je pritom na obsah CO2 v atmosfére veľmi citlivá. Nepotvrdzujú to len fyzikálne modely, ale aj paleoklimatologické analýzy. Tie poukazujú stále častejšie na skutočnosť, že pri podobne vysokých množstvách CO₂ bola Zem minimálne o 3 °C teplejšia a morská hladina bola vyššia aspoň o 5 metrov. Moderný človek druhu Homo sapiens sapiens takéto podmienky zatiaľ ešte nezažil. Aby sme sa mohli nadýchnuť vzduchu z približne rovnakej atmosféry, museli by sme sa vybrať v čase o nejakých 3 až 5 milión rokov naspäť, do obdobia tzv. pliocénu (presnejšie stredný pliocén). Grónsky ľadovec vtedy neexistoval, ten antarktický bol značne zredukovaný a lesy na severnej pologuli siahali až k pobrežiu Severného ľadového oceánu (dnes tu nájdeme len tundru). Podnebie bolo iné aj u nás, v strednej Európe. Rozkladali sa tu vlhké subtropické lesy, podobné tým aké by ste našli na Floride či v Louisiane pri Mexickom zálive. (Obraz o tom, ako to s teplotami počas tohto obdobia mohlo vyzerať si možno vytvoriť na základe rekonštrukcie teploty povrchu oceánov v rôznych regiónoch sveta, ktorú vidieť na Obr. 4, ide o výsledok spracovania viacerých geochemických proxy údajov z morského prostredia za posledných 5 miliónov rokov)

Obr. 4: Dlhodobé zmeny teploty povrchových vrstiev oceánov vo vybraných regiónoch za obdobie posledných 5 miliónov rokov (plné čiary predstavujú 400-ročné kĺzavé priemery, prerušované sú 600-ročné priemery T; Zdroj)

Poviete si, že je to celkom príjemná predstava. Nemali by sme však zabúdať na to, že cesta k nej bude pre nás a celú planétu veľmi ťažká, pretože v nasledujúcich desaťročiach a storočiach nás veľmi pravdepodobne čaká jedna z najrýchlejších klimatických zmien, akú kedy naša Zem zažila. A kľúčom k jej pochopeniu a koniec koncov aj zvládnutiu je fosílny uhlík, ktorý sme sa pred približne 250 rokmi rozhodli využívať!

Otepľovanie planéty a klimatickú zmenu celkom isto dnes už zvrátiť alebo úplne zastaviť nedokážeme. Jediné, čo môžeme a nevyhnutne aj musíme urobiť, aby sme aspoň znížili rýchlosť otepľovania a dokázali sa tak vyhnúť negatívnym dôsledkom rýchlej zmeny klímy, je prijať také opatrenia na národnej, komunálnej, ale aj osobnej úrovni, ktoré povedú k obmedzeniu produkcie skleníkových plynov. Dnes už vieme, ako na to (ďalší zdroj: Klimatická zmena - výzva pre lokálny rozvoj na Slovensku). Netreba ale pritom zabúdať, že každý systém, teda aj ten klimatický, má svoju zotrvačnosť. Čo to znamená?

Aj keby sme hneď zajtra zastavili všetky emisie CO₂, metánu a niektorých ďalších skleníkových plynov, potrvá ešte niekoľko dlhých desaťročí, kým sa súčasná globálna teplota dostane do radiačnej rovnováhy s dnešnou koncentráciou skleníkových plynov, čo sa prejaví v tom, že otepľovanie bude pokračovať aj nasledujúcich storočiach (minimálne o 0,5 °C v priebehu nasledujúcich dvoch storočí). Otepľovanie by v takomto prípade bolo navyše podporené aj tepelnou zotrvačnosťou oceánov, ktoré sa v súčasnosti otepľujú dokonca rýchlejšie než samotná atmosféra. Nakoniec netreba zabúdať ani na účinok pozitívnych spätných väzieb, najmä tých zo strany ďalšieho silného skleníkového plynu, metánu, ktorý sa začína vo veľkých množstvách uvoľňovať z permafrostu a morských klatrátových sedimentov v Arktíde. Čím skôr však pochopíme, čo môžeme pre budúcu klímu a pre nás urobiť, tým lepšie a efektívnejšie zvládneme aj následnú adaptáciu na zmeny, ktoré nás čakajú.

Na záver odporúčam pozrieť video s rozhovorom s Dr. Maureen Raymo, špecialistkou na výskum premenlivosti klimatického systému v historických dobách: http://1url.cz/qRXK.

Lietartúra
Allen, M. R., D. J. Frame, C. Huntingford, C. D. Jones, J. A. Lowe, M. Meinshausen, N. Meinshausen (2009). "Warming caused by cumulative carbon emissions towards the trillionth tonne." Nature 458(7242): 1163.
Schneider von Deimling, T., M. Meinshausen, A. Levermann, V. Huber, K. Frieler, D. M. Lawrence, V. Brovkin (2012). "Estimating the near-surface permafrost-carbon feedback on global warming." Biogeosciences 9(2): 649-665.
Matthews, H. D., Solomon, S., Pierrehumbert, R. (2012) Cumulative carbon as a policy framework for achieving climate stabilization. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 370, 4365-4379.
Solomon, S., Pierrehumbert, R., Matthews, H. D., Daniel, J. S. (2013). Atmospheric composition, irreversible climate change, and mitigation policy. WRCP Community White Paper, in press.

Zdroje
http://co2now.org/Current-CO2/CO2-Trend/
http://www.iac.ethz.ch/people/knuttir/papers/allen09nat.pdf
http://www.newscientist.com/article/dn17051-humanitys-carbon-budget-set-at-one-trillion-tonnes.html
http://cdiac.ornl.gov/epubs/ndp/global_carbon/carbon_documentation.html
http://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/en/ch6s6-3-2.html
http://www.carbonbrief.org/blog/2013/05/new-study-tells-three-million-year-old-story-of-the-arctic
http://cdiac.ornl.gov/trends/co2/ice_core_co2.html
http://www.csmonitor.com/Science/2013/0509/Ancient-Arctic-was-warm-wet-and-green.-What-that-says-about-the-future
http://www.guardian.co.uk/environment/2013/may/10/carbon-dioxide-highest-level-greenhouse-gas
http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/weekly.html
http://researchmatters.noaa.gov/news/Pages/CarbonDioxideatMaunaLoareaches400ppm.aspx
http://www.sciencemag.org/content/340/6131/438.full.pdf?keytype=ref&siteid=sci&ijkey=X0PL7KHfd9%2FH6
http://skepticalscience.com/global-warming-not-reversible-but-stoppable.html
http://www.sciencemag.org/content/340/6131/438.short
http://www.carbonbrief.org/blog/2013/05/scientists-thoughts-on-400-parts-per-million
http://www.nature.com/nature/journal/v496/n7443/full/nature12003.html
http://www.skepticalscience.com/what-you-need-to-know-about-climate-sensitivity.html

nedeľa 12. mája 2013

Cyklonálne dvojičky – rarita alebo všednosť?

Nad tropickými oblasťami Indického oceánu došlo v tomto týždni k zaujímavej situácii. Satelitný záber zachytený v piatok o 12. hodine svetového času (UTC; Obr. 1 vľavo) ponúka spektakulárny pohľad na dvojicu vyvíjajúcich sa tropických cyklón, rotujúcich na oboch stranách rovníka v približne rovnakej geografickej dĺžke. Severne od rovníka išlo o cyklón Mahasen (Obr. 2 a 3), ktorý pomaly smeruje do oblasti Bengálskeho zálivu a podľa predpovedí hrozí, že by v najbližších dňoch mohol zasiahnuť pobrežie Bangladéša alebo Myanmaru (kedysi Barma). Aj napriek veľmi intenzívnej konvekcii a búrkovej činnosti v centrálnej časti systému, cyklón zatiaľ prejavuje len slabé náznaky rotácie a lepšej organizácie jednotlivých konvektívnych buniek. V najbližších dvoch dňoch sa však očakáva, že Mahasen postúpi do oblasti veľmi teplých povrchových vôd Bangálskeho zálivu (T ~ 31 °C, čo je približne 1 °C nad dlhodobým normálom), čo v kombinácii s menej výrazným strihom vetra a väčšej vzdialenosti od rovníka pravdepodobne zlepší podmienky pre zosilnenie tropickej cyklóny (TC), ktorá začne viditeľnejšie rotovať v podobe rozsiahlej oblačnej špirály (v protismere hodinových ručičiek).

Obr. 1: TC Mahasen (hore) a TC Jamala (dole) na záberoch z meteorologickej družice v piatok, 10. mája 2013 (Zdroj a Zdroj; a NASA)

Obr. 2: Satelitný záber zachytáva TC Mahasen v infračervenej oblasti spektra východne od pobrežia Indie a Srí Lanky dňa 12. mája 2013 - záber poukazuje na výskyt silnej konvekcie v centrálnej časti tropickej cyklóny (Zdroj)

Jeho dvojičkou, tentoraz ale na južnej pologuli, je cyklón Jamala. V porovnaní s Mahasenom ide o viditeľne menej rozsiahly búrkový systém, ktorý smeruje juhovýchodným smerom k pobrežiu severozápadnej Austrálie. Zatiaľ sa nepredpokladá, že by toto pobrežie v najbližších piatich dňoch zasiahol. Na rozdiel od Mahasena, Jamala nepredstavuje zatiaľ žiadnu reálnu hrozbu, a to aj napriek tomu, že sa očakáva postupný rast jeho intenzity až na prvú kategóriu tropickej cyklóny.

Ide z pohľadu klimatológie TC o netypickú situáciu? Napodiv nie. K výskytu „cyklónov-dvojičiek“ dochádza v oblasti Indického oceánu (IO) až prekvapujúco často, a to práve v máji, teda v období pred príchodom letného monzúnu (monzúnová cirkulácia, trvajúca zvyčajne od júna do októbra, všeobecne nepodporuje vznik TC nad IO). Druhým obdobím s pomerne častým výskytom uvedených situácií je mesiac november. Len pre zaujímavosť doplníme, že naposledy k vytvoreniu cyklonálnych dvojičiek nad IO došlo v decembri 2011 (cyklóny Thane a Benilde – oba búrkové systémy sa vyvinuli do plno rozvinutých cyklónov, pričom cyklón Thane 30. Decembra 2011 zasiahol juhovýchodné pobrežie Indie).

Obr. 3: Animácia zachytáva teplotu infračerveného vyžarovania horných vrstiev oblačnosti v priebehu obdobia od 9. do 12. mája 2013 (modré a červené odtiene poukazujú na extrémne nízke teploty najvrchnejších častí oblačnosti; červená tiež indikuje intenzívnu konvekciu v oblasti TC Mahasen a Jamala; ide o kompozit záberov z družíc METEOSAT-5, GMS, GOES 10, a GOES 8; Zdroj)

Z hľadiska dlhodobého výskytu cyklonálnych dvojičiek je možné si tiež všimnúť, že najčastejšie sa nad IO objavujú v období pôsobenia aktívnej fáze tzv. Madden-julianovej oscilácie (MJO, tiež sa označuje termínom 30 až 60- (40 až 50)-denná oscilácia, Obr. 4), ktorá v oblasti rovníka podporuje vznik intenzívnych konvektívnych búrok. Podobne ako poveternostné poruchy miernych šírok, viazané na pohyb tzv. Rossbyho vĺn, sú aj oblasti intenzívnej konvekcie v trópoch, a predovšetkým v Intertropickej zóne konvergencie (ITZK), spojené so západovýchodným šírením atmosférických vĺn vo vyšších vrstvách troposféry – tieto vlny vznikajú vzájomnou interakciou Kelvinových a Rossbyho vĺn. MJO oscilácia sa v prízemnom poli prejavuje predovšetkým zásadnou zmenou smeru prúdenia vzduchu. Ustálené pasátové prúdenie (severne od rovníka ide o severovýchodný, južne od rovníka o juhovýchodný pasát) je výrazne modifikované do zbiehavého prúdenia (konvergencie) na perifériách rodiacich sa konvektívnych buniek – to znamená, že prevažne východné prúdenie v prízemných hladinách v rámci ITZK sa lokálne mení na západné, čo vedie k silnej konvergencii a následnému vytváraniu intenzívnej konvekcie a zrážok. Viac je možné sa o dynamike a prejavoch MJO oscilácie dočítať tu: The Madden-Julian Oscillation.

Obr. 4: Hovmöllerov diagram zobrazujúci veľkosť 5-denných priemerov odchýlok množstva dlhovlnnej radiácie unikajúcej do kozmického priestoru v období od 16. novembra 2012 do 12. mája 2013 (časová os vľavo) - záporné odchýlky poukazujú na silne aktívnu fázu MJO a teda intenzívnu konvekciu a tvorbu búrkovej oblačnosti - kontúry orientované z horného ľavého okraja smerom k dolnému pravému naznačujú pohyb MJO od západu na východ (Zdroj)

Obr. 5: Nevšedný pohľad na dve dvojice tropických cyklón v oblasti západného (Kesiny - dole vľavo; Cyklón 01A - hore vľavo) a východného IO (Errol - dole pravo; Cyklón 02B - hore vpravo) dňa 9. mája 2002 (Zdroj)

Na záver len pre zaujímavosť uvedieme, že aj v prípade výskytu cyklonálnych dvojičiek sa môžu vyskytnúť nečakané rarity. K tej najzaujímavejšej došlo v máji 2002 (Obr. 5), kedy veľmi silná fáza MJO oscilácie pri svojom postupe na východ od pobrežia východnej Afriky až po Indonéziu a Austráliu prispela k vzniku hneď dvoch dvojíc tropických cyklón. Prvá dvojica TC vznikla v priestore západného IO v období od 1. do 3. mája (TC Kesiny a Cyklón 01A), druhá o necelý týždeň neskôr, a to 8. až 10. mája (TC Errol a Cyklón 02B). Oba západnejšie položene TC zasiahli pevninu a spôsobili závažne materiálne aj ľudské straty na ostrove Madagaskar (Kesiny) a v Ománe (Cyklón 01A).