piatok, 22. marca 2013

Klimatická zmena v Arktíde prebieha doslova pred očami

Metán z Arktídy je časovanou bombou klimatickej zmeny


Arktída ma za sebou nielen zaujímavý rok (2012), ale celkom určite aj ešte zaujímavejšiu zimu. Bola opäť nielen teplejšia ako dlhodobý normál, ale k jej koncu sme v mnohých častiach Arktídy zaznamenali niekoľko pozoruhodných fenoménov, ktoré nasvedčujú tomu, že klimatická zmena sa tu dostáva do svojej ďalšej fázy. Povedzme, že tej rýchlejšej. Podľa niektorých klimatológov a environmentalistov sa v Arktíde začínajú vypĺňať tie najhoršie možné scenáre, ktoré počítajú so zapojením všetkých doposiaľ známych pozitívnych spätných väzieb (ide o odozvy klimatického systému, ktoré majú tendenciu iniciálne otepľovanie zosilňovať). Najväčšie obavy v tomto smere vzbudzuje plyn, ktorý vzniká nielen pri topení permafrostu v tundre, ale, a to je ešte horšie, začína vo veľkých množstvách unikať aj z podmorských sedimentov klatrátov (hydrátov). Reč je samozrejme o metáne (CH4). Na okraj len poznamenajme, že v prvej polovici marca 2013 dosiahlo množstvo unikajúceho metánu z kontinentálneho šelfu na euroázijskej strane Arktídy rekordné hodnoty. 


Obr. 1: Horiaci metán unikajúci spod ľadu jazera v sibírskej tajge (Foto: Todd Paris, Zdroj)


Obr. 2: Na konci februára a v priebehu marca 2013 došlo v oblasti severne od Aljašky a Kanady k rozsiahlemu odlamovaniu morského ľadu (Zdroj: NSIDC a Climate Central)

 
Rýchly ústup arktického zaľadnenia
S metánom, a nielen s ním, však súvisí aj ďalší problém, ktorého prejavy bolo možné na konci arktickej zimy sledovať doslova v „priamom prenose“ z meteorologických družíc. V druhej polovici februára a na začiatku marca 2013 začal inokedy kompaktný a solídny povrch morského ľadu praskať v celej rozsiahlej oblasti Beaufortovho mora severne od Aljašky a Kanady. Poviete si, náhoda. V priebehu marca sa však rozlamovanie rozšírilo na takmer celú zimnú plochu zaľadnenia, čo viedlo nakoniec k tomu, že celý obrovský blok siahajúci od pobrežia Kanady a Grónska až po náprotivnú stranu pri brehoch Sibíri sa začal otáčať v smere pohybu hodinových ručičiek, čo v tomto ročnom období nie je zvykom. Takto rozsiahle rozlamovanie ľadu, ešte pred samotným príchodom jari, nebolo doteraz v Arktíde pozorované, minimálne nie v období 1979-2012.


Obr. 3: K situácii v Beaufortovom mori (červený krúžok) došlo pravdepodobne aj kvôli absencii viacročného ľadu v blízkosti pobrežia severnej Aljašky - ten je jasne identifikovateľný počas troch predošlých zím (v modrých rámčekoch) - viacročný ľad v tejto oblasti vytváral nárazníkovú zónu pre teplejšie morské prúdy prichádzajúce z oblasti Pacifiku (Beringovho mora; Zdroj)


Obr. 4: Plocha morského zaľadnenia v septembri (mil. km2) podľa klimatických predpovedných modelov (CMIP-3) a skutočnosti (červená línia; Zdroj)

A prečo k tomu došlo? Odpoveď je celkom jednoduchá. Ak si odmyslíme cirkulačné alebo iné, skôr poveternostné faktory, rozhodujúcou mierou k tomu prispela najmä celková „kondícia“, alebo inak povedané, stabilita plávajúcej ľadovej masy, a tá je dosť závislá od veku ľadu. Čím je ľad starší, teda spravidla aj objemnejší a hrubší, tým má na vlniacej sa morskej hladine väčšiu stabilitu. Nedokážu ho rozbiť ani silné zimné cyklóny. Viacročného ľadu však v Arktíde rýchlo ubúda, a nahradzuje ho menej stabilný jedno, v najlepšom prípade dvojročný ľad. 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 detekovateľný. Väčšiu časť súčasnej Arktídy tak tvorí pomerné tenký a menej stabilný ľad, ktorý dokáže popraskať už po prechode prvej intenzívnejšej cyklóny.

Rýchle otepľovanie kontinentálnych okrajov Arktídy a výrazný úbytok podielu viacročného ľadu majú za následok aj ďalší, stále sa zrýchľujúci a oveľa nápadnejší trend - plošný ústup polárneho zaľadnenia. Satelitné merania od roku 1979 potvrdzujú, že plocha morského ľadu klesá rýchlosťou 12-13% za desaťročie a tento pokles sa stále zrýchľuje. Pritom rýchlosť s akou sa tak deje v posledných rokoch prekvapuje dokonca aj samotných vedcov. Ako sme uviedli už v jednom z predošlých textov bilancujúcich klimatické pomery minulého roku, plocha plávajúceho morského ľadu sa začiatkom septembra 2012 dostala na nové historické minimum (tou históriou sa myslí opäť obdobie 1979-2012). V porovnaní s uvedeným obdobím sa plocha zaľadnenie znížila o viac ako 50%, na 3,41 mil. km2. K tomuto poklesu neprispeli len nadnormálne vysoké teploty v Arktíde, ale aj vcelku neštandardné cirkulačné podmienky v priebehu leta 2012.


Obr. 5: Arktický morský ľad v oblasti ostrova Ellsmere v severnej Kanade (Zdroj) 


Obr. 6: Satelitné zábery pohybu morského ľadu ukazujú, že ľad opúšťa Arkídu najmä cez Dánsky prieliv v priestore medzi Islandom a východným pobrežím Grónska (Zdroj)

Dlhodobé zmeny zaľadnenia v Arktíde

S pomerne vysokou istotou vieme povedať, že arktický plávajúci ľad v lete bol pomerne stabilný najmenej od začiatku minulého storočia. Priemerný rozsah ľadu v období leta (jún-september) bol približne 11 miliónov km2 a v druhej polovici minulého storočia s pokračujúcim otepľovaním začala plocha ľadu klesať na dnešných približne 5-6 miliónov km2. Výskum analyzujúci rozsah zaľadnenia za posledných 1450 rokov ukazuje, že plocha zaľadnenia sa v lete v tomto období pohybovala v rozmedzí 9 až 11 miliónov km2 a tiež, že súčasný úbytok ľadu je minimálne za toto obdobie najrýchlejší a bezprecedentný. Okrem indikátorov, ktoré nám poskytujú informácie o zaľadnení Arktídy v minulosti, ako sú sedimenty na morskom dne a pri pobrežiach Arktídy a Grónska, pobrežná vegetácia, či samotné ľadovce, nepriamu informáciu o zaľadnení nám poskytujú aj teploty vzduchu v tejto oblasti. Posledná rekonštrukcia teploty v Arktíde ukazuje, že súčasné teploty sú o viac ako 1-1,51 °C vyššie, ako kedykoľvek v období za posledných najmenej 2 tisíc rokov.


Obr. 7: (a) Rekonštrukcie globálnej teploty podľa viacerých zdrojov pre obdobie Holocénu v rámci obdobia posledných 12 000 rokov (Zdroj); (b) odchýlky priemernej ročnej teploty vzduchu v oblasti severného Atlantiku od roku 1805 (Zdroj: Wood et al. 2010)

Najbližším kandidátom, kedy Arktída mohla byť v lete dlhodobejšie takmer bez zaľadnenia, sa zdá byť obdobie pred približne 6-7 tisíc rokmi. Analýza sedimentov na pobreží severného Grónska poukazuje na to, že v tomto období bolo teplejšie ako dnes a pobrežie obmývala v tom čase morská voda. Stále to však neposkytuje definitívny dôkaz o tom, že celá oblasť Arktídy bola v lete bez zaľadnenia. Ďalším najbližším kandidátom mohlo byť obdobie začiatku Holocénu, teda obdobie pred asi 10 tisíc rokmi, kedy bola v letnom období vyššia slnečná aktivita, ako dnes, avšak v zime bolo naopak chladnejšie.

Pri pokračovaní výpravnej cesty do minulosti sa najbližším kandidátom stáva posledná doba medziľadová pred približne 125 tisíc rokmi (Eemián), kedy boli globálne teploty vyššie približne o 1-2 °C a hladiny svetových oceánov boli vyššie približne o 4 až 8 metrov. Teploty v Severnom Grónsku boli v priemere o 5-8 °C vyššie. Ani tu však vedci zatiaľ nemajú definitívny dôkaz, že Arktída bola naozaj bez zaľadnenia. A ak by sme chceli hľadať ďalšieho najbližšieho kandidáta, museli by sme ísť až milión rokov do minulosti, keď doby medziľadové boli v priemere chladnejšie, ako počas Eemiánu. V istotou však vieme, že Arktída bola príliš teplá v strednom Pliocéne, teplom období pred 3,3 a 3 milión rokmi, kedy bol Severný ľadový oceán v letnom období teplejší o 10 až 18 °C. Ak sa vám tieto teploty zdajú so súčasnosťou neporovnateľné, opak je pravdou. Takéto teploty totiž môžu v Arktíde znovu panovať už do konca tohto storočia, ak bude pokračovať trend nárastu obsahu skleníkových plynov v atmosfére.


Obr. 8: Rekonštrukcia rozsahu morského zaľadnenia (červená) a povrchovej teploty v Arktíde v období posledných 1450 rokov podľa Kinnnard et al. 2011 (Zdroj)

Rýchlosťou, akou ubúda Arktický ľad dnes, sa každým rokom dostávame ďalej a ďalej do menej známej geologickej minulosti Zeme, s ktorou nemá druh Homo Sapiens skúsenosť. Ale nielen to. Rýchlosť, akou súčasné zmeny prebiehajú, takisto nemajú paralelu v známej minulosti Zeme.


Prečo sa Arktída otepľuje rýchlejšie
Vráťme sa ale na chvíľu ešte k samotnému nárastu teplôt. Jedným z hlavných problémom arktického klimatické systému je, že sa otepľuje rýchlejšie ako zvyšok sveta (Obr. 9). V priebehu druhej polovice 20. storočia sa niektorého jeho regióny, ako napr. severné pobrežie Aljašky, oteplili aj o viac ako 2 °C. A prečo tomu tak je? Môže za to jav známy tiež pod odborným označením Arktický/ Polárny zosilňujúci efekt (Arctic/Polar amplification effect - APAE), pri ktorom výsledný nárast priemernej teploty, na ktorého začiatku stojí iniciálne otepľovanie v dôsledku vyššej koncentrácie oxidu uhličitého (CO2) v atmosfére, urýchľujú aj ďalšie fyzikálne mechanizmy, ako napríklad „albedo-efekt“ zemského povrchu (vysvetlíme nižšie). Klimatické modely všeobecnej cirkulácie atmosféry (GCMs) počítajú s tým, že po započítaní účinku APAE efektu sa prevažná časť Arktídy bude v 21. storočí aj naďalej otepľovať, a to dokonca ešte rýchlejšie ako doposiaľ. Stredný odhad predpokladá zvýšenie priemernej ročnej teploty až o 8°C


Obr. 9: (hore) Odchýlky ročnej priemernej teploty vzduchu vo vybraných regiónov Zeme za obdobie 1880-2012 podľa údajov GISS NASA (odchýlka priemernej T pre oblasť Arktídy podlieha najväčšej variabilite, no vykazuje aj najvýraznejší trend otepľovania; (dole) priemerná ročná teplota v Arktíde podľa GISTEMP a UAH

Len pre zaujímavosť pripomíname, že súčasné otepľovanie ukončilo v Arktíde asi 2000 rokov dlhé obdobie ochladzovania. A pre úplnosť ešte dodáme, že podobne výrazne otepľovanie bolo hlavne v euroatlantickom sektore Arktídy pozorované už v 20. rokoch minulého storočia (oteplenie bolo najvýraznejšie v oblasti Špicbergov). Jeho príčiny nie sú dodnes celkom uspokojivo vysvetlené, no výskum zatiaľ poukazuje na významnejšiu úlohu meniacej sa cirkulácie v priestore severného Atlantiku, ako radiačného pôsobenia CO2


Obr. 10: Jedoduchá schéma jednej z pozitívnych spätných väzieb (Albedo-efekt; Zdroj)

Čo sa teda v Arktíde skutočne deje? Zdá sa, že okrem iniciálneho otepľovania kvôli rastúcej intenzite skleníkového efektu, tu pôsobia aj nejaké ďalšie fyzikálne procesy, ktoré zvyšovanie teploty urýchľujú (zosilňujú). Medzi najznámejšie zosilňujúce väzby patrí už spomínaný „albedo-effect (Obr. 10), ktorý možno jednoducho vysvetliť asi takto: otepľovanie vzduchu vedie k roztápaniu/ústupu snehu a ľadu. V prípade, že sneh alebo ľad pokrýva zemský povrch, jeho prirodzene vysoké albedo zabezpečuje, že prevažná časť slnečného žiarenia sa odrazí späť do atmosféry a kozmického priestoru bez toho, aby prispel k ohrievaniu povrchu či atmosféry (pri čerstvom snehu to môže byť aj viac ako 90-95 % žiarenia). V prípade, že sneh alebo ľad na zemskom povrchu chýba – a to najmä v teplejšej časti roka, pri väčšom uhle dopadu slnečného žiarenia – a nahradí ho tmavší povrch pôdy alebo morskej vody (v závislosti od povrchu menej ako 30 %, pri vode aj menej ako 10 %), zemský povrchu absorbuje väčšie množstvo žiarenia a to znamená, že sa aj viac ohreje. Ohriaty povrch výraznejšie zohrieva prízemné vrstvy vzduchu a dochádza tak k rýchlejšiemu nárastu jeho teploty. Zatiaľ najnovší výskum naznačuje (A Decomposition of Feedback Contributions to Polar Warming Amplification), že spätná väzba zo strany albeda zemského povrchu (albedo feedback) je najvýznamnejším príspevkom k polárnemu zosilňujúcemu efektu - rýchlemu arktickému otepľovaniu.

Rýchly ústup nielen morského zaľadnenia, ale aj snehovej pokrývky v jarnom období vedie k zásadným zmenám (rastu) veľkosti toku tepla zo zemského povrchu do atmosféry, a tým aj k rýchlejšiemu otepľovaniu, ako napríklad v iných častiach sveta. Takto nejako funguje „Arctic/Polar amplification effect“ v tvrdej realite. Nie je to však ani zďaleka jediný príklad silnej pozitívnej spätnej väzby v oblasti Arktídy.



Obr. 11: Zmeny pohlcovania (absorbcie) priameho slnečného žiarenia povrchom morského ľadu a oceánom v rokoch 1980 a 2010. Tenší ľad s početnejšími jazierkami roztopenej vody úrýchľuje oteplovanie vody pod ním (Zdroj); dole - jazierka roztopenej vody pokrývajúce súvislý povrch morského ľadu (Foto: Don Perovich; Zdroj)



Fyzikálny mechanizmus jednej z novšie objavených bol prednedávnom odhalený (kvantifikovaný) priamo na povrchu plávajúceho morského ľadu (Obr. 11). A o čo ide? Teplejší vzduch nad povrchom ľadu vedie k jeho topeniu. Voda z topenia však neodteká priamo do oceánu, ale po istú dobu zotrváva na povrchu ľadu a sústreďuje sa do menších alebo väčších jazierok. Nedávny výskum, ktorý sa zameral na meranie toku tepla a dlhovlnnej radiácie pod morským ľadom naznačil, že práve kvôli prítomnosti vody na povrchu ľadu sa samotný ľad topí nielen rýchlejšie (zvyšovaním absorbcie tepla z priameho slnečného žiarenia), ale okrem toho je aj schopný prepúšťať väčšie množstvo tepla smerom do oceánu. Vedci si doposiaľ mysleli, že pozitívna väzba otepľovania zo strany oceánu (oceán má totižto výrazne nižšie albedo ako plávajúci ľad a je teda schopný prijať viac tepla zo slnečného žiarenia) funguje najmä vtedy, ak je plávajúci ľad takmer 100-percentne nahradený voľnou hladinou. Teraz sa ale zdá, že uvedený efekt zosilňujúci otepľovanie vstupuje do hry oveľa skôr. Dôsledky tohto procesu sú alarmujúce – viac prepusteného tepla cez ľadovú masu neznamená len viac tepla a energie v oceáne, ale aj rýchlejšie topenie ľadu odspodu.


Obr. 12: Odchýlky teploty vzduchu v období od októbra 2011 do septembra 2012 v porovnaní s normálom 1981-2010; ako vidieť k najväčším pozitívnym teplotným anomáliam dochádza v oblastiach Severného ľadového oceánu v priestore s dlhodobou absenciou morského ľadu počas teplého polroku (Zdroj)

Ako vidieť, rýchlejší ústup morského ľadu nie je len dôsledkom rastúcej teploty morských prúdov, privádzajúcich teplejšiu vodu z trópov a miernych šírok, alebo zvyšujúcej sa teploty vzduchu, ale aj procesov, ktoré sa odohrávajú priamo na jeho povrchu. Nie je asi žiadnym prekvapením, že fyzikálne obdobný mechanizmus bol pred niekoľkými rokmi identifikovaný aj na povrchu grónskeho kontinentálneho ľadovca, kde sa podobne ako na povrchu morského ľadu, vytvárajú jazerá roztopenej vody. Rozdiel je len v ich veľkosti. Na povrchu Grónska dosahujú jazerá plochu aj niekoľkých km2 a hĺbku niekoľkých desiatok metrov. V prípade Grónska je však situácia ešte komplikovanejšia. Jazerá nielenže urýchľujú topenie ľadu na jeho povrchu, ale tým, že voda ďalej prúdi aj do útrob ľadovca, zrýchľuje sa jeho deštrukcia aj hlboko pod povrchom. Voda má však aj ďalší dynamizujúci efekt – pri báze ľadovca pôsobí ako lubrigačný gel, ktorý pohyb ľadovej masy smerom k oceánu urýchľuje.


Obr. 13: Schéma (hore) znázorňujúca mechanizmus unikania metánu z dna šelfových morí v dôsledku nárastu teploty atmosféry a oceánov (Zdroj); (dole) - záber podmorského radaru zachytáva unikajúce bubliny metánu na dne Nórskeho mora (Zdroj)



Metán - časovaná bomba globálneho otepľovania
Ako sme ale spomenuli už v úvodnej časti tohto textu, ďalšiu a možno ešte silnejšiu pozitívnu spätnú väzbu predstavuje metán unikajúci z morského dna kontinentálnych šelfov (Obr. 13). Na rozdiel od predošlých spätných väzieb, ide v tomto prípade o odozvu, ktorej dôsledky celkom určite pocíti nielen Arktída, ale aj zvyšok sveta. Unikajúci metán je, podobne ako CO2, skleníkový plyn, ktorý zadržiava teplo unikajúce zo zemského povrchu do kozmického priestoru. Problémom je ale to, že metán je v časovom horizonte 100 rokov približne 20 až 25-krát silnejší ako CO2. A okrem toho, samotný metán sa v atmosfére pomerne rýchlo (do 7 až 10 rokov) „rozpadá“ na oxid uhličitý, takže či už si to prajeme alebo nie, v konečnom dôsledku metánové emisie vedú k nárastu koncentrácií CO2 na celom svete, bez rozdielu hemisfér. Problém unikajúceho metánu nie je ale len problémom Arktídy, obdobný fenomén bol pozorovaný už aj v pobrežných oblastiach Antarktídy.
 

Obr. 14: Koncentrácie metánu v ppbv na tlakovej úrovni 600 hPa (4000 m nad povrchom) zachytené interferometrom IASI družice EUMETSAT Metop v priebehu januára 2013 (hore) a 10-dňového obdobia od 1 do 10. marca 2013 (dole) nad severnou pologuľou; nápadné zvýšenie koncentrácií je výrazné najmä v oblasti Barentsovho a Nórskeho mora (Zdroj)


Obr. 15: Oblasť s dramatickým nárastom koncentrácií metánu v priebehu obdobia od januára do marca 2013 sa nápadne prekrýva s regiónom, kde prevládala v priebehu zimy 2012-13 absencia morského ľadu (Zdroj)


A prečo okolo metánu vzniká v poslednom období taký huriavk? Metánové sedimenty nachádzajúce sa v kontinentálnych sedimentoch šelfových okrajov pevnín sa sústreďujú predovšetkým do klatrátov, alebo inak povedané metánhydrátov. Ide o veľmi nestabilnú formu CH4, ktorá je stabilizovaná v tuhom skupenstve len pomocou vysokého tlaku, a najmä nízkej teploty. Pokiaľ teplota okolitého prostredia a nadložnej morskej vody vzrastie nad kritickú úroveň, klatráty začnú uvoľňovať plynný metán, ktorý sa potom najkratšou cestou dostáva priamo do atmosféry. Že k takémuto uvoľňovaniu metánu už priamo dochádza, potvrdzujú aj satelitné merania koncentrácií CH4 nad voľnou hladinou oceánu a kontinentálnymi časťami Euroázie a Severnej Ameriky. Ďalším problémom metánhydrátu je aj to, že jeho uloženiny predstavujú obrovský potenciálny zdroj uhlíku – odhaduje sa, že v tejto forme je na morskom dne uložených od 500 do 10 000 Gt uhlíku (v permafroste ďalších približne 400 Gt; Obr. 16) – dolný odhad je približným ekvivalentom množstva C, ktoré sme do atmosféry doposiaľ vypustili spaľovaním fosílnych palív. Metán z Arktídy, ako sa zdá, sa dostal do pohybu a je len otázkou času, kedy začne výraznejšie prispievať k otepľovaniu planéty. Dokladajú to aj posledné družicové merania zo začiatku marca 2013, kedy jeho priemerné 10-dňové koncentrácie nad rozsiahlymi nezaľadnenými časťami Severného ľadového oceánu, ale predovšetkým nad Barentsovým a Nórskym morom, dosiahli rekordné hodnoty (Obr. 14).


Obr. 16: Oblasti najvýznamnejších depozitov podmorských metánhydrátov na Zemi a vyjadrenie ich odhadovaného množstva v Gt uhlíku


Obr. 17: Japonsko začalo v priebehu januára 2013 s prvými pokusnými vrtmi metánových sedimentov na dnes Tichého oceánu v obalsti južne od polostrova Atsumi (Zdroj)

Vzhľadom na značnú nestabilitu metánhydrátov, ktoré sú citlivé už na sebamenšie mechanické či teplotné zaťaženie, pôsobia až ironicky najnovšie pokusy Japonska o naštartovanie komerčnej ťažby metánu z hĺbky asi 1000 metrov pod hladinou Pacifiku (oblasť sa nachádza asi 80 km južne od polostrova Atsumi v strednom Japonsku (Obr. 17).

Arktické otepľovanie a extrémne počasie v Európe
Z dnešného pohľadu ale trochu závažnejším problémom je zistenie, že rýchle otepľovanie Arktídy a nakoniec aj rýchly ústup morského zaľadnenia, najmä v lete a na jeseň, sa začínajú prejavovať aj v charaktere počasia na celej severnej pologuli. Ak to zoberiem komplexne a do všetkých dôsledkov, vývoj v Arktíde veľmi pravdepodobne ovplyvnil charakter takmer všetkých zím počnúc obdobím 2008/2009. A čo nás vedie k takémuto záveru? Ako sme uviedli už v jednom z predošlých textov, teplejšia Arktída a klesajúci horizontálny gradient teploty a tlaku vzduchu medzi severným pólom a miernymi šírkami výrazne modifikuje cirkuláciu vzduchu na severnej pologuli – zo zonálnej sa stáva meridionálna, ktorá v konkrétnych situáciách môže znamenať rýchlejšie premiešavanie polárnych a tropických vzduchových hmôt nad Európou. Výsledok je častokrát jediný – väčšia extremita počasia, a to aj v dôsledku rastúcej perzistencie tlakových útvarov (tzv. atmosférické blokovanie). Vzájomné prepojenie týchto zdanlivo nesúvisiacich fenoménov (otepľovanie Arktídy a extremita počasia v miernych šírkach severnej pologule) je náplňou veľmi intenzívneho výskumu (odkaz1 a odkaz2).


Obr. 18: Animácie zachytávajúce vývoj polárneho vortexu (PV) na severnej pologuli v období decembra-januára 1988/89 (vľavo) a januára-februára 2010 (vpravo; Zdroj); situácia zo zimy 1988/89 reprezentuje silný a stabilný PV, zatiaľ čo v roku 2010 bol PV destabilizovaný teplým vzduchom pochádzajúcim z kontinentálnych častí Euroázie.


Polárny vortex a jet stream
Fyzika za týmto fenoménom je pomerne zložitá, ale v krátkosti sa ju pokúsime vysvetliť asi takto: zmenšenie zonálneho gradientu teploty vzduchu medzi miernymi šírkami a Arktídou vytvára v zime podmienky pre zoslabenie tzv. Polárneho vortexu („PV“). Ide o oblasť trvalo nízkeho tlaku vzduchu nad severným pólom (zvýraznená najmä v zime; Obr. 18) a priľahlými subarktickými oblasťami, ktorá udržuje studený arktický vzduch dokonca aj zime prevažne len nad Arktídou (občas však dôjde k situácii, kedy naprúdi táto studená vzduchová hmota aj do nášho regiónu). V situácii, kedy dochádza k rýchlemu otepľovaniu prízemnej atmosféry (ale aj oceánu), je PV alternovaný výraznou a vo výške aj veľmi teplou tlakovou výšou, ktorá dokáže celý vortex destabilizovať a rozdeliť na niekoľko častí, čoho dôsledkom je potom to, že studený arktický vzduch je zo svojho pôvodného regiónu vytláčaný teplým vzduchom smerom do miernych šírok. Väčšinou sa pri týchto situáciách „vyleje“ buď nad kontinentálnu oblasť Severnej Ameriky alebo „vpáli“ priamo do Európy či Ázie (Rusko, Sibír). A ak vám to niečo pripomína, určite sa nemýlite, ak si v prvom okamihu spomeniete opäť na článok (tiež tu), v ktorom sme analyzovali možnú spojitosť otepľovania Arktídy s netypickým chovaním jet streamu a Rossbyho vĺn. Hranice PV sú totižto určené práve prúdením jet streamu – destabilizácia a rozdelenie PV teda znamená len jedno – jet stream nadobúda vlnitejší charakter, čo vedie k rastu aplitúdy Rossbyho vĺn.

Zonálne západné prúdenie vzduchu na severnej pologuli je tak z veľkej časti vystriedané meridionálnym, čo vedie k väčšej extremite teploty a všeobecne aj počasia v miernych šírkach, teda aj na Slovensku. Pekným príkladom tohto režimu sú aj nedávne zimy z roku 2009/10, 2010/11 či naposledy 2012/13. Ako sme uviedli už v tejto správe, december 2012 a január 2013 boli v Rusku teplotne výrazne podnormálne, naopak Spojené štáty výrazne nadnormálne. Neštandardný charakter poslednej zimy na Slovensku je taktiež odrazom tohto vývoja. To, že za nie celkom štandardných vývojom zimy na severnej pologuli veľmi pravdepodobne stojí nestabilita a nekorší rozpad PV, je vidieť aj na Obr. 19, ktorý ukazuje vývoj výšky geopotenciálu na hladine 50 hPa v priebehu prvej polovice januára 2013 - aj v dôsledku náhleho stratosférického oteplenia, ktoré začalo ešte v priebehu decembra 2012, sa PV rozpadol na dve samostatné časti. Tie následne viedli k mimoriadne chladnému počasiu v Rusku a v niektorých častiach Severnej Ameriky (sev. Kanady a neskôr aj Aljašky). Netreba však zabúdať ani na to, že uvedené atmosférické podmienky značne ovplyvňujú nielen oceánsku časť Arktídy a priľahlé kontinenty, ale aj grónsky kontinentálny ľadovec, v prípade ktorého sme zaznamenali v roku 2012 hneď niekoľko zaujímavých extrémov: viac v článku: Grónsko na prahu veľkých zmien (?).


Obr. 19: Vývoj výšky geopotenciálu na hladine 50 hPa v priebehu januára 2013 (Zdroj), dole - odchýlky teploty vzduchu v stratosfére na hladine 30 hPa vykazovali v oblasti nad Arktídou v období od konca decembra 2012 výrazne pozitívne hodnoty - ide o jav známy ako náhle stratosférické oteplenie


Vplyv Arktickej a Severoatlantickej oscilácie
Ako sme už uviedli s vývojom PV a charakteru jet streamu úzko súvisí veľkosť tlakového gradientu medzi Arktídou a miernymi šírkami. Jeho veľkosť sa v meteorológii používa pre analýzu dvoch hlavných oscilačných módov vyskytujúcich sa nad severnou pologuľou – tzv. Arktickej oceilácie (AO) a Severoatlantickej oscilácie (NAO; Obr. 21-22). Prvá z nich je v tlakových poliach (najmä v zime) jasne identifikovateľná na celej severnej pologuli, zatiaľ čo NAO sa prejavuje prevažne len v euroatlantickom priestore. Z 90 % sú obe oscilácie vzájomne prepojené. V prípade, že AO a NAO indexy zhodne vykazujú záporné hodnoty (negatívna fáza), prejavuje sa to slabším a menej výraznym PV, ako aj slabším a vlnitejším jet streamom. Platí to aj opačne, silnejší PV a zonálnejšie prebiehajúci jet stream je skôr spojený s pozitívnou fázou AO a NAO. Prejavy oboch oscilačných fenoménov možno každopádne vidieť aj v charaktere súčasného počasia, kedy sa časté vpády studeného arktického vzduchu v Európe, striedajú s obdobiami výraznejšej teplej advekcie. Niet sa ale čomu čudovať, veď v súčasnosti dosahuje AO index takmer rekordne nízke marcové hodnoty (20.3.2013 dosiahol -5,2, čo je druhá najnižšia hodnota pre marec od roku 1948, Obr. 20). Pochopiteľne, nie všetky prejavy extrémneho počasia na severnej pologuli môžu byť spájané s otepľovaním Arktídy, príkladom je aj mimoriadne extrémne počasie v USA v priebehu februára 2011, kedy AO a NAO indexy nedosahovali žiadne extrémne nízke hodnoty. Do úvahy je niekedy potrebné brať aj iné faktory, ako napríklad charakter zmien stratosféry nad Arktídou, snehovej pokrývky či dokonca aj také vplyvy ako El Niño.


Obr. 20: Odchýlky výšky geopotenciálu na 17 tlakových hladinách v období od 20.11.2012 do 19.3.2013 priemerovaných nad oblasťou severne od 65. stupňa severnej geografickej šírky (odchýlky sú počítané od dlhodobého priemeru 1979-2000) - záporné, resp. kladné odchýlky (modré, resp. červené) poukazujú na silný (stabilný), resp. slabý (nestabilný) PV (Zdroj); na spodnom grafe sú vynesené hodnoty indexu Arktickej oscilácie (AO) za rovnaké obdobie, ktoré po rozpade PV následne začali nadobúdať výrazne negatívne hodnoty


Obr. 21: Index Severoatlantickej oscilácie v zimnom období (december-február) počítaný na základe rozdielu normalizovaného tlaku vzduchu medzi Gibraltarom a Islandom (údaje podľa Jones et al. 1997) v období 1823-2012 (Zdroj) - ako vidieť zima 2009/2010 mala najnižšiu hodnotu indexu za posledných takmer 190 rokov
 

Obr. 22: Index Severoatlantickej oscilácie podľa údajov NOAA v období 1950-2012 v letnom období (jún - modrá; júl - červená, august - zelená; Zdroj: NOAA)


Ako je ale možné vidieť aj z tohto textu, či iných početných zdrojov, Arktída v súčasnosti prechádza zásadnými a veľmi rýchlymi zmenami a je veľmi pravdepodobné, že stojíme na prahu obdobia rýchlych klimatických zmien, ktorých dôsledky sa nebudú obmedzovať len na oblasť tohto polárneho regiónu. "Čo sa deje v Arktíde, nezostane iba v Arktíde," hovorí slogan zavesený kdesi nad frekventovanou diaľnicou v USA.


Autori:
Mgr. Jozef Pecho (Ústav fyziky atmosféry AV ČR, v.v.i., Oddelenie klimatológie, Boční II 1401, 141 31 Praha 4, Česká republika),
Mgr. Alexander Ač, PhD. (Centrum výskumu globálnej zmeny AV ČR, v.v.i., Bělidla 986/4a, 603 00 Brno, Česká republika).


Literatúra
Budikova, D. 2009. Role of Arctic sea ice in global atmospheric circulation: A review. Global Planet. Change, 68(3), 149–163.
Petoukhov, V., Semenov, V. 2010. A link between reduced Barents-Kara sea ice and cold winter extremes over northern continents. J. Geophys. Res.-Atmos., ISSN 0148-0227.
Overland, J. E., Wood, K. R., M. Wang, M. 2011. Warm Arctic–cold continents: Impacts of the newly open Arctic Sea. Polar Res., 30, 15787, doi: 10.3402/polar.v30i0.15787.
Wood K. R., Overland J. E. 2010. Early 20th century Arctic warming in retrospect. International Journal of Climatology, 1269–1279.
Liu, J., Curry, J. A., Wang, H., Song, M., Horton, R. M. 2012. Impact of declining Arctic sea ice on winter snowfall PNAS 2012, doi:10.1073/pnas.1114910109
Francis, J. A., Vavrus, S. J. 2012. Evidence linking Arctic amplification to extreme weather in mid-latitudes, Geophys. Res. Lett., 39, L06801, doi:10.1029/2012GL051000.
Duarte C. M., Lenton, T.M., Wadhams, P., Wassmann, P. 2012. Abrupt climate change in the Arctic. Nat Clim Chang. 2011;2:60–62.
Kincer J. 1933. Is our climate changing? Monthly Weather Review 6, 251–259.
Scherhag R. 1937. Die Erwärmung der Arktis. (The warming of the Arctic.). Journal du Conseil 12, 263–276.
Bjerknes J. 1963. Climatic change as an ocean–atmosphere problem. Changes of climate: proceedings of the Rome symposium organized by UNESCO and the World Meteorological Organization. Pp. 297–321. Rome: United National Educations, Scientific and Cultural Organization.
Hegerl G.C., Zwiers F.W., Braconnot P., Gillett N.P., Luo Y., Marengo Orsini J.A., Nicholls N., Penner J.E. & Stott P.A. 2007. Understanding and attributing climate change. In S. Solomon, et al. (eds.): Climate change 2007: the physical science basis. Contribution of Working Group I to the fourth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Pp. 663–745. New York: Cambridge University Press.
Rhines P. B., Häkkinen S., Josey S. A. 2008. Is oceanic heat transport significant in the climate system? In R.R. et al. (eds.): Arctic–subarctic ocean fluxes: defining the role of the northern seas in climate. Pp. 87–110. New York: Springer.
Wood K. R., Overland J. E., Jónsson T., Smoliak B. V. 2010. Air temperature variations on the Atlantic–Arctic boundary since 1802. Geophysical Research Letters 37, L17708, doi: 10.1029/2010GL044176.


Iné zdroje

5 komentárov:

  1. Joži, vyborny clanok aj grafy/animacie,

    presiel som este len grafy, pozriem podrobnejsie neskor aj text, dikes!!

    OdpovedaťOdstrániť
  2. Pripájam sa, super článok, veľký prínos :)

    OdpovedaťOdstrániť
  3. Dakujem Marek ... no zabudol si spomenut, ze okrem toho "super", je to predovsetkym "super dlhy clanok" :-D

    OdpovedaťOdstrániť
  4. http://tech.sme.sk/c/7313028/objasnili-povod-zahadneho-krateru-na-sibiri.html?ref=njct

    OdpovedaťOdstrániť

Vysušovanie krajiny vs. silnejúci skleníkový efekt

Je príčinou klimatickej zmeny a globálneho otepľovania vysušovanie krajiny? V súvislosti s príčinami globálneho otepľovania a klimatick...