piatok, 30. augusta 2013

Vlny horúčav častejšie a plošne rozsiahlejšie

Budúci výskyt vĺn extrémne vysokých teplôt do roku 2040 už pravdepodobne neovplyvníme


Zatiaľ čo v prípade niektorých typov extrémneho počasia (tornáda, konvektívne búrky, atď.) je spojitosť ich výskytu a intenzity s klimatickou zmenou stále otázna a je predmetom intenzívneho výskumu, v prípade vĺn horúčav je toto prepojenie celkom jasné, a dnes už aj veľmi dobre zdokumentované početnými odbornými publikáciami. Tie ponúkajú celkom jasný obraz o tom, že už oteplenie o približne 0,5 °C od roku 1970 na globálnej úrovni významne prispelo k zvýšeniu pravdepodobnosti výskytu dlhých periód extrémne vysokých teplôt nad pevninami. Len v období posledného desaťročia sa v rôznych regiónoch sveta vyskytlo niekoľko pozoruhodných vĺn horúčav: západná Európa v roku 2003, stredná Európa v rokoch 2006 a 2007, Grécko v roku 2007, Austrália v roku 2009, Rusko v roku 2010, Texas v roku 2011, či Spojené štáty americké v roku 2012.


Obr. 1: Frekvencia výskytu 3-sigma (hore) a 5-sigma (dole) udalostí - vĺn horúčav počas letných mesiacov (jún-august) podľa výstupov modelov CMIP5 pre emisné scenáre RCP2.6 (vľavo) a RCP8.5 (vpravo) pre obdobie 2071-2099 (Zdroj)

Uvedené príklady boli extrémne nielen svojimi dôsledkami na úmrtnosť populácie či značné ekonomické straty, ale aj tým, že z pohľadu štatistiky teplotných charakteristík dosiahli priemerné teploty mesiacov, v ktorých sa vyskytli, extrémne vysoké odchýlky od dlhodobých priemerov (3-sigma a viac; 3-sigma je hodnota mesačnej teploty zodpovedajúca 3-násobku smerodajnej odchýlky od dlhodobého normálu, pričom z hľadiska pravdepodobnosti výskytu ide o 1 prípad z 370). A práve na takéto extrémne vlny horúčav (3-sigma a 5-sigma udalosti), trvajúce až niekoľko týždňov, sa zameral aj najnovší príspevok publikovaný v Environmental Research Letters. Autori v článku dospeli na základe porovnania viacerých modelových simulácií (použitím dvoch krajných emisných scenárov: RCP2.6 – optimistický a RCP8.5 – pesimistický scenár) k záveru, že situácie podobné tým zo západnej Európy v roku 2003 alebo z Rusku v roku 2010 môžu postihovať na pevninách už do roku 2020, resp. 2040 dvojnásobne, resp. štvornásobne väčšiu plochu než tomu je v súčasnosti.   


Obr. 2: Frekvencia výskytu mesačných teplotných extrémov zodpovedajúcich 1-, 2- a 3-sigma udalostí v kontrolnom období 2000-2012 podľa reálnych pozorovaní (vľavo) a modelových výstupov CMIP5 (vpravo; Zdroj)

Pozorované trendy
Štatistické analýzy hodnotiace extrémnosť a výskyt dlhotrvajúcich vĺn horúceho počasia poukazujú na to, že významné zvýšenie výskytu teplých periód nad prevažnou časťou pevnín súvisí s pozorovaným rastúcim trendom globálnej teploty v období posledných aspoň 50 rokov. Extrémne letné horúčavy (3-sigma), ktoré sa napríklad ešte začiatkom 60. rokov vyskytovali skutočne zriedkavo a postihovali spravidla len 1 % plochy pevnín, sa v súčasnosti vyskytujú už pravidelnejšie a zasahujú aj väčšie územie (~ 5-10 % plochy; Obr. 2). Medzi odbornými príspevkami dnes už nechýbajú ani analýzy poukazujúce na antropogénne príčiny tohto trendu (Jones et al 2008,  Stott et al 2011, Stott et al 2004 alebo Schär et al 2004, a ďalšie). Otázkou preto zostáva ako zásadne sa bude v podmienkach teplejšej globálnej klímy meniť aj frekvencia, ale najmä priestorový rozsah veľmi teplých periód (napr. 3- a 5-sigma udalostí). Pre tento účel autori použili výstupy mesačných odchýlok teploty vzduchu z 29 simulácií CMIP5 modelov pre dva krajné emisné scenáre (RCP2.6 a RCP8.5), pričom porovnávaná teplotná amplitúda 1-, 2-, 3- až 5-sigma udalostí bola počítaná z obdobia posledných 60 rokov (1951-2010). Viac informácií k metodike modelovania je možné nájsť v pôvodnom príspevku.


Obr. 3: Vývoj plochy pevnín [%] postihnutej 1-, 2-, 3- a 5-sigma udalosťami v období rokov 1951-2012 (vľavo) a v období rokov 2012-2100 (v strede a vpravo; Zdroj)

Scenáre do roku 2020 a 2040
Výsledky modelových simulácií sú konzistentné nielen s očakávaným rastom globálnej teploty, ale aj s už publikovanými prácami v minulosti. Modely predpokladajú v prípade udalostí na úrovni 3-sigma (ako napr. vlna horúčav z Ruska v roku 2010) rast priestorového rozsahu do roku 2020 na dvojnásobok (~ 10 % plochy pevnín) a do roku 2040 na štvornásobok (~  20 % plochy; Obr. 3) v porovnaní so súčasnosťou, a to bez ohľadu na to, ktorý emisný scenár zvolíme. Tento výsledok možno interpretovať aj tak, že dokonca aj v prípade výraznejšieho zníženia globálnych emisií CO2 do roku 2020, na priestorový výskyt vĺn horúčav to bude mať len málo významný vplyv

Zásadnejší rozdiel medzi emisnými scenármi však badať po roku 2040, kedy by malo v prípade optimistickejšieho RCP2.6 scenára dôjsť k stabilizácii výskytu 3-sigma periód na úrovni približne 20 % zasiahnutej plochy pevnín (v roku). Naopak, scenár RCP8.5 počíta s ďalším výrazným rastom, a to až do 90 % plochy pevnín do konca tohto storočia. Vlny horúčav podobné tým z roku 2010 (Rusko) sa tak podľa pesimistickejšieho výhľadu stanú do konca tohto storočia pomerne častým „letným“ javom nad prevažnou časťou pevnín, najmä v tropických oblastiach. RCP8.5 scenár dokonca počíta s tým, že 3-sigma periódy by sa v tropických regiónoch Afriky, Južnej a Strednej Ameriky či Indonézie mohli ku koncu 21. storočia vyskytovať takmer každý rok (Obr. 1). Zmeny však neobídu ani Európu. Pre obdobie letných mesiacov jún-august (JJA) počíta pesimistickejší výhľad so zvýšením frekvencie 3-sigma udalostí z 10 % (obdobie 2000-2012) na ~ 60-80 % (2071-2099). Znamená to asi toľko, že udalosti, ktoré sa v súčasnosti vyskytujú asi raz za 10 rokov, sa ku koncu storočia môžu vyskytnúť približne každý druhý rok. Tento nárast je zvlášť nápadný v južných regiónoch Európy (oblasť Stredozemného mora). 

Pochopiteľne, vyššie uvedené scenáre sú len jedným z možných variantov budúceho vývoja periód s extrémne vysokými teplotami, pričom treba do úvahy zobrať aj fakt, že použité modely CMIP5 v rámci kontrolnej klímy priestorový výskyt vĺn horúčav mierne podhodnocujú (hlavne v prípade menej extrémnych periód 1- a 2-sigma). Aj napriek tejto skutočnosti je obraz predpokladaných zmien veľmi zreteľný a jasný, a vo veľkej miere podporuje aj závery doposiaľ publikovaného výskumu vĺn horúčav.   


Literatúra
Coumou D, Rahmstorf S, 2012: A decade of weather extremes. Nature Clim. Change, 2, 491–6.
Coumou D, Robinson A, 2013: Historic and future increase in the global land area affected by monthly heat extremes. Environ. Res. Lett. 8 (2013) 034018 (6pp). doi:10.1088/1748-9326/8/3/034018
Coumou D, Robinson A, Rahmstorf S, 2013: Global increase in record-breaking monthly-mean temperatures Clim. Change, 118, 771–82.
Rahmstorf S, Coumou D, 2011: Increase of extreme events in a warming world Proc. Natl Acad. Sci. USA, 108, 17905–9.

Zdroje

piatok, 16. augusta 2013

Začarovaný kruh extrémneho počasia a klimatickej zmeny

Sucho, vlny horúčav a silné búrky znižujú záchyt atmosférického uhlíka rastlinami

Nápadne častý výskyt extrémnych vĺn horúčav, priestorovo rozsiahlych a dlhých období sucha či silných búrok v posledných dvoch desaťročiach sa často krát hodnotí ako jeden z dôsledkov globálneho otepľovania. Ale čo ak samotné meteorologické a klimatologické extrémy spätne vedú k zosilňovaniu svojich prejavov a dôsledkov tým, že nepriamo podporujú globálne otepľovanie? 


Obr. 1: Vplyv vybraných typov extrémneho počasia na uhlíkový cyklus - vlny horúčav, sucho, silné búrky, či extrémne zrážky majú rôzny dopad na záchyt a únik uhlíka z/do atmosféry - šípky smerujúce hore predstavujú únik CO2 do atmosféry (šípky smerom nadol jeho záchyt; Zdroj:  Reichstein, M. et al. 2013)

Zvyšujúce sa množstvo skleníkových plynov, a najmä CO2, v zemskej atmosfére vedie nielen k rastu globálnej teploty, ale, čo je ešte horšie, prispieva k častejšiemu výskytu extrémneho počasia. Vlny horúčav, sucho, povodne, extrémne zrážky a nakoniec aj intenzívne búrky nadobúdajú v posledných desaťročiach extrémnejší charakter, čoho dôsledku sú aj čoraz vyššie materiálne škody v obývaných oblastiach sveta. Ako ale naznačuje aj posledný výskum kolektívu autorov z Max Planckovho inštitútu, nie sú to len ľudia, ktorí začínajú pociťovať dôsledky abnormálnych poveternostných situácií v neustále väčšej miere. Autorský kolektív okolo Markusa Reichsteina totiž prišiel s výsledkami, ktoré podporujú už dávnejšie „tušený“ predpoklad o tom, že extrémne počasie významne znižuje schopnosť pevninských ekosystémov zachytávať uhlík z atmosféry (Obr. 1). Na základe satelitných a pozemných meraní intenzity fotosyntézy a primárnej produkcie biomasy rastlín prišli k záveru, že ekosystémy absorbujú ročne o 11 mld. ton CO2 menej (11 Gt CO2), a to priamo v dôsledku extrémneho počasia, najmä sucha. Pritom toto množstvo nie je ani zďaleka zanedbateľné – ide o celú jednu tretinu ročných antropogénnych emisií CO2.   


Obr. 2: (vľavo) Vývoj globálnej teploty pevnín a oceánov v jednotlivých dekádach obdobia 1881-2010 podľa troch svetových databáz (HadCRU, NCDC, NASA GISS); (vpravo) ochýlky globálnej teploty v rokoch 1950-2010 (od priemeru 1961-1990) - zvýraznené sú roky s výskytom fenoménov La Niña (modrá) a El Niño (červená; Zdroj: WMO)

Desaťročie extrémov
Podľa poslednej správy WMO, desaťročie 2001-2010 bolo na globálnej úrovni nielen najteplejšie v období meteorologických pozorovaní (1880-2010, Obr. 2), ale celkom určite patrilo aj medzi dekády s najvyšším počtom dokumentovaných extrémov, tak teploty vzduchu ako aj atmosférických zrážok. Údaje hovoria za všetko – 44 % všetkých krajín sveta zaznamenalo prekonanie historických rekordov maximálnej teploty vzduchu práve v období 2001-2010. Posledné desaťročie bolo mimoriadne najmä z pohľadu výskytu extrémnych vĺn horúčav v rôznych častiach sveta (India v rokoch 2002 a 2003, Európa a Rusko v rokoch 2003 a 2010, Austrália v roku 2008-2009). Zvlášť pozoruhodná bola aj extremita hydrologického cyklu – po desaťročí 1951-1960 bolo obdobie 2001-2010 globálne druhé najdaždivejšie, pričom rok 2010 bol vôbec najdaždivejší v histórii meteorologických meraní. Abnormálnu extrémnosť a frekvenciu dosiahli predovšetkým regionálne a lokálne povodne. Tento trend je v súlade s nárastom intenzity extrémnych denných aj viac denných zrážok. Medzi extrémy s najväčším dopadom pre ľudské aktivity patrilo sucho (Obr. 3). Mimoriadne extrémne prípady sucha sa vyskytli napríklad v Amazónii v rokoch 2005 a 2010, Austrálii v období 2002-2009, v Európe a na Slovensku v roku 2003, či prípadne vo východnej Afrike v rokoch 2004 a 2005. Nadnormálnou aktivitou sa v tomto období vyznačovali aj tropické cyklóny v Atlantickom oceáne – išlo o najaktívnejšiu dekádu od roku 1855 a rok 2005 zaznamenal najvyšší počet tropických búrok v histórii (27). Vo zvyšných regiónoch bol počet tropických cyklón blízky skôr dlhodobému normálu. 


Obr. 3: Odchýlky zrážok v období rokov 2001-2010 (v porovnaní s dlhodobým priemerom 1951-2000) - výrazný nedostatok zrážok bol zaznamenaný hlavne v tropických častiach Afriky a Južnej Ameriky, prípadne v severnej Indii (žltá a červená; Zdroj: WMO)

Extrémny príklad z roku 2003
V roku 2003 zasiahla Európu dovtedy jedna z najextrémnejších vĺn horúčav za posledné storočie, ktorá bola navyše sprevádzaná mimoriadnym suchom (najmä v strednej Európe išlo o najhoršie sucho za posledných minimálna 40 rokov). Extrémny rok 2003 nakoniec poslúžil vedcom ako dobrý príklad toho, že dlhotrvajúce extrémneho počasia (hlavne sucho) môže zásadne znížiť absorpciu atmosférického uhlíka rastlinami. Extrémne vysoké teploty v kombinácii s nedostatkom vody (sucho) pôsobia ako stresový faktor, ktorý nielenže znižuje intenzitu a efektívnosť fotosyntézy, ale v extrémnych prípadoch dokonca vedie až k odumieraniu celých rastlinných spoločenstiev, čoho dôsledkom je aj uvoľňovanie uhlíka späť do atmosféry. Namiesto toho, aby les zachytával CO2 z atmosféry, stáva sa jeho zdrojom. Sucho v Európe v roku 2003 viedlo k zníženiu primárnej produkcie lesov až o 30%, a k uvoľneniu asi 2 Gt CO2 do atmosféry. Je to rovnaké množstvo, ako tieto ekosystémy pohltia za približne 4 roky (Zdroj: Nature). 

Ďalším príkladom takejto spätnej väzby sú aj mimoriadne suchá z rokov 2005 a 2010, ktoré postihli na rozsiahlej ploche amazonský dažďový prales – v dôsledku rozšírenia požiarov prales v konečnej ročnej bilancii viac uhlíka vyprodukoval ako ho pohltil. Za normálnych podmienok pohltí amazonský les približne 2 Gt CO2 za rok. Sucho v roku 2005 spôsobilo priame straty (úniky do atmosféry) CO2 vo výške 3 Gt CO2 (to predstavuje kombinované ročné emisie Európy a Japonska; Zdroj: Science Daily). Sucho v roku 2010 malo ešte horšie následky. Do atmosféry sa uvoľnilo viac ako 5 Gt CO2, čo je len o niečo menej, ako sú ročné emisie CO2 v USA. (Zdroj: ClimateProgress)


Obr. 4: Mapka ukazuje do akej miery sucho (modrá) a extrémne vysoké teploty (červená), prípadne oboje (fialová), dokážu zabrániť absorbcii atmosférického uhlíka rastlinami (Zdroj: Reichstein, M. et al. 2013)

Sucho znižuje absorpciu CO2 najviac
Aj napriek tomu, že mimoriadne extrémne vysoké teploty či zrážky sa vyskytujú v porovnaní s normálnymi hodnotami stále relatívne zriedkavo, ich evidentne častejší výskyt v posledných dvoch až troch desaťročiach sa už značne prejavil v tokoch uhlíka medzi pevninskými ekosystémami a atmosférou. Nemeckí odborníci z Max Plancovho inštitútu, využijúc údaje z diaľkového prieskumu Zeme z obdobia rokov 1982-2011 a pozemných meraní koncentrácií CO2 v porastoch a nad nimi (celkovo použili údaje z asi 500 meracích staníc), dospeli k záveru, že pevninské ekosystémy v dôsledku extrémov absorbujú za rok z atmosféry o 11 Gt CO2 menej ako v podmienkach s normálnym režimom počasia. Ide pritom o množstvo porovnateľné s priemerným množstvom CO2 pohlteným za rok všetkými pevninskými ekosystémami na Zemi. Výskum tiež poukazuje na to, že je to práve sucho (Obr. 4), ktoré oveľa viac ako iné extrémy, znižuje schopnosť rastlín absorbovať vzdušný CO2 – je to preto, že sucho neznižuje len samotnú absorpciu uhlíka, ale zvyšuje aj riziko požiarov, pri ktorých sa lesné spoločenstvá stávajú veľkým zdrojom CO2

Vzhľadom na predpoklad, že v súvislosti s pokračujúcim otepľovaním planéty v tomto storočí storočí sa zvýši aj pravdepodobnosť výskytu extrémnych vĺn horúceho počasia a sucha (prípadne aj ďalších extrémov), výsledky uvedeného výskumu sú skutočne znepokojujúce. Rast koncentrácií CO2 spôsobený antropogénnymi emisiami môže byť tak v budúcnosti výrazne podporený aj zo strany pevninských ekosystémov, čo v konečnom dôsledku klimatickú zmenu ešte viac urýchli.


Obr. 5 : Modelové simulácie očakávaných zmien sezónnych priemerov teploty vzduchu [v K], vyjadrených ako rozdiel medzi T v období 2021-2050 a referenčným obdobím 1961-1990 pre sezóny: a - zima (DJF), b - jar (MAM), c - leto (JJA), d - jeseň (SON; Zdroj: Heinrich G, Gobiet A. 2012)

Očakávané zmeny výskytu sucha v Európe 
Jedna z nedávnych štúdií tiež priniesla veľmi konzistentný obraz o predpokladaných zmenách výskytu a extrémnosti sucha v Európy v časovom horizonte do polovice 21. storočia, aplikovaním emisného scenára A1B (Heinrich a Gobiet, 2013). Použitím výstupov z regionálnych klimatických modelov (RCMs projektu ENSEMBLES), autori analyzovali dlhodobé zmeny teploty vzduchu, atmosférických zrážok a vybraných indexov sucha (spomedzi najviac používaných: SPI – štandardizovaný dažďový index a PDSI – Palmerov index extremity sucha, atď.), pričom sa zamerali na výskyt období s prebytkom, ako aj nedostatkom zrážok (meteorologické sucho). Výsledky priniesli viac-menej očakávané zmeny pre 9 sub-regiónov Európy, ktoré podporujú už predošlé výskumy v tejto oblasti.


Obr. 6: Modelové simulácie očakávaných zmien sezónnych úhrnov atmosférických zrážok [v %], vyjadrených ako rozdiel medzi R v období 2021-2050 a referenčným obdobím 1961-1990 pre sezóny: a - zima (DJF), b - jar (MAM), c - leto (JJA), d - jeseň (SON; Zdroj: Heinrich G, Gobiet A. 2012)

Najvýraznejšie zmeny výskytu sucha – zvyšovania jeho frekvencie, priestorového rozšírenia, ako aj extrémnosti – možno do polovice tohto storočia očakávať predovšetkým v oblasti južnej Európy (Obr. 7), a to hlavne v na jar a v lete (podľa oboch indexov sucha: SPI aj PDSI). Ako ukazujú aj Obr. 5 a 6, uvedené zmeny budú dôsledkom tak rýchleho rastu teploty vzduchu, ako aj výrazného sezónneho poklesu zrážok (až o 20 % v lete), predovšetkým na Pyrenejskom polostrove a v juhovýchodnej Európe (Grécko). Naopak, s vlhkejšími podmienkami bude potrebné počítať v severnej Európe, hlavne v zime a na jar (Island, Škandinávia, atď.). Dá sa očakávať, že vyššie teploty v tomto regióne povedú k rastu vlhkosti vzduchu (obsah vodnej pary vo vzduchu), čo by sa malo prejaviť vo vyšších úhrnoch tak denných, ako aj sezónnych zrážok. 


Obr. 7: Modelové simulácie očakávaných zmien sezónnych indexov PDSI, vyjadrených ako rozdiel medzi PDSI v období 2021-2050 a referenčným obdobím 1961-1990 pre sezóny: a - zima (DJF), b - jar (MAM), c - leto (JJA), d - jeseň (SON; Zdroj: Heinrich G, Gobiet A. 2012)

O niečo komplikovanejší obraz ponúkajú výsledky pre región strednej Európy. Modely napríklad pre územie Slovenska predpokladajú najrýchlejší rast teploty vzduchu a zrážok v zime (o viac ako 2 °C pre T a o približne +15 % pre zrážky – najmä na severe SR). V ostatných sezónach nie sú zmeny až tak výrazné, aj keď treba poznamenať, že teplota, najmä v lete, bude rásť o niečo rýchlejšie ako zrážky. Táto situácia bude mať pravdepodobne za následok (kvôli zvýšenému výparu) prehlbovanie zrážkového deficitu a intenzifikáciu sucha (v časovom horizonte mesiacov a celých sezón). Na nárast sucha v južných oblastiach Slovenska poukazuje hlavne index PDSI, ktorý neberie do úvahy len zrážky, ale aj teplotu a evapotranspiráciu. V súvislosti s týmto očakávaným vývojom sa bude potrebné na Slovensku pripraviť na podmienky rastúcej aridizácie klímy, čo veľmi pravdepodobne povedia k rastu extremality všetkých komponentov hydrologického cyklu (extrémny zrážky, zrážkový deficit, extrémne vysoké ale aj nízke prietoky, pokles hladiny podzemných vôd, atď.).


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
Heinrich G, Gobiet A. 2012: The future of dry and wet spells in Europe: a comprehensive study based on the ENSEMBLES regional climate models. Int. J. Climatol. 32: 1951–1970.
Beniston M, Stephenson DB, Christensen OB, Ferro CAT, Frei C, Goyette S, Halsnaes K, Holt T, Jylha K, Koffi B, Palutikof J, Scholl R, Semmler T, Woth K. 2007: Future extreme events in European climate: an exploration of regional climate model projections. Climatic Change 81: 71–95, DOI: 10.1007/s10584-006-9226-z.
Briffa KR, van der Schrier G, Jones PD. 2009: Wet and dry summers in Europe since 1750: evidence of increasing drought. International Journal of Climatology 29: 1894–1905, DOI: 10.1002/joc.1836.
Dubrovsky M, Svoboda MD, Trnka M, Hayes MJ, Wilhite DA, Zalud Z, Hlavinka P. 2008: Application of relative drought indices in assessing climate-change impacts on drought conditions in Czechia. Theoretical and Applied Climatology 96: 155–171, DOI: 10.1007/s00704-008-0020-x.
Giorgi F, Coppola E. 2009. Projections of 21st century climate over Europe. European Physical Journal Conferences 1: 29–46, DOI: 10.1140/epjconf/e2009-00908-9.
Lehner B, Doll P, Alcamo J, Henrichs T, Kaspar F. 2006: Estimating the Impact of Global Change on Flood and Drought Risks in Europe: A Continental, Integrated Analysis. Climatic Change 75: 273–299, DOI: 10.1007/s10584-006-6338-4.
Lloyd-Hughes B, Saunders MA. 2002: A drought climatology for Europe. International Journal of Climatology 22: 1571–1592, DOI: 10.1002/joc.846.
Lopez-Moreno JI, Beniston M. 2009: Daily precipitation intensity projected for the 21st century: seasonal changes over the Pyrenees. Theoretical and Applied Climatology 95: 375–384, DOI: 10.1007/s00704-008-0015-7.
Reichstein, M. et al. 2013: Climate extremes and the carbon cycle. Nature. doi:10.1038/nature12350.

pondelok, 12. augusta 2013

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 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/

Vysušovanie krajiny vs. silnejúci skleníkový efekt

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