Klimatická změna

Klima a počasí mají nesporně zásadní vliv na lidské životy. Klimatické podmínky formují prostorové rozložení lidské populace na Zemi a stanovují možnosti zemědělské produkce. Zároveň také platí, že výrazné katastrofy postihující lidské populace v rozlehlých oblastech jsou obvykle spojeny s počasím nebo klimatem. Mezi takové extrémní jevy patří tropické cyklony (hurikány, tajfuny), výrazné záplavy nebo naopak delší období sucha, která jsou z dlouhodobého hlediska zřejmě nejnebezpečnějším jevem.

V posledních několika desetiletích je frekventovaným vědeckým a společenským tématem možná změna klimatu vyvolaná antropogenní činností. Tato změna má potenciál zásadně ovlivnit lidskou populaci v globálním měřítku, pro její potlačení by však bylo nutné podniknout kroky se závažnými ekonomickými následky. Takové kroky by navíc bylo nutné provést v současné době, kdy důsledky klimatických změn dosud nejsou přesně kvantifikovatelné. To má za následek ostrý spor mezi klimatologií na jedné straně a ekonomií na straně druhé. V následujících odstavcích se stručně seznámíme s pozadím klimatické změny a způsobem jejího výzkumu.

Přirozená a umělá změna klimatu

Klima se v čase a prostoru přirozeně mění. V minulosti docházelo k pravidelnému střídání chladných a teplejších období, tzv. dob ledových a meziledových. Údaje o klimatických poměrech v minulosti je možné odvodit např. z hloubkových vrtů do ledu v polárních oblastech nebo z analýzy hlubokomořských sedimentů. V současnosti se nacházíme v teplém (interglaciálním) období, přičemž doznívání poslední doby ledové datujeme do období zhruba před 12 000 lety. Hlavním mechanismem, přinášejícím střídání ledových a meziledových dob jsou zřejmě změny v oběhu Země kolem Slunce. Země rotuje po eliptické dráze, jejíž parametry se v čase periodicky mění a tyto změny mají za následek změny v distribuci slunečního záření na naší planetě. Tuto teorii vypracoval v první polovině 20. století srbský vědec Milutin Milankovič a analýza paleoklimatologických dat později potvrdila dobrou shodu mezi změnami globální teploty a změnami oběhové křivky Země (konkrétněji excentricity oběhové elipsy).

Přirozené změny klimatu probíhají z hlediska časových měřítek lidského života velmi pomalu, střídání dob ledových a meziledových probíhá v cyklech s délkou desítek tisíc let. Je tedy velmi pravděpodobné, že lidstvo by se na takto pomalé změny dokázalo adaptovat. Panuje však obava, že některé lidské aktivity mohou vyvolat výrazné změny klimatu v nesrovnatelně kratších časových měřítcích. Hlavní takovou aktivitou je spalování fosilních paliv.

Skleníkový efekt

Skleníkový efekt je přirozeným jevem, který umožňuje existenci života na Zemi. Sluneční záření ohřívá zemský povrch a atmosféru a je následně vyzařováno zpět do vesmíru ve formě dlouhovlnného tepelného záření. Atmosféra přirozeně obsahuje plyny, mající schopnost absorbovat teplo vyzařované ze Země a následně toto teplo vyzařovat zpět. Množství tepelné radiace, kterou je nějaký předmět schopen vyzařovat, záleží na jeho teplotě. Jelikož teplota atmosféry s výškou klesá, vyzařují molekuly těchto plynů na horní hranici atmosféry do vesmíru mnohem méně tepla, než kolik ho vyzařují molekuly nad zemským povrchem zpět do atmosféry. To je podstatou tzv. skleníkového efektu, plyny působí jako pokrývka nad zemským povrchem a navyšují atmosférickou teplotu. Prvním, kdo upozornil na účinek skleníkových plynů, byl francouzský matematik Jean Baptiste Fourier. Ten si také povšiml analogie mezi výše popsaným procesem v atmosféře a ději ve skleníku (odtud tady pochází název „skleníkový“efekt).

Hlavními skleníkovými plyny jsou CO2, metan a vodní pára, které se přirozeně nacházejí v zemské atmosféře. Bez jejich oteplujícího účinku by průměrná teplota atmosféry nad zemským povrchem byla hluboko pod bodem mrazu, skleníkové plyny tedy umožňují existenci života na Zemi v současné podobě. Od počátku průmyslové revoluce v 18. století však lidstvo začalo intenzivně využívat energii nashromážděnou během milionů let ve fosilních palivech, při jejichž spalování se do atmosféry uvolňuje značné množství CO2. Toto umělé a intenzivní navyšování jeho obsahu v atmosféře může vést k posilování přirozeného skleníkového efektu a tím k oteplování atmosféry rychlostí daleko překračující rychlost přirozených změn klimatu.

Zpětné vazby

Klimatický systém je mimořádně komplikovaný, mezi jeho jednotlivými složkami existuje celá řada vazeb. Zvyšování teploty atmosféry podněcuje řadu dalších dějů, které zpětně mohou další navyšování teploty akcelerovat (pozitivní zpětné vazby) nebo tlumit (negativní zpětné vazby).

  • Mezi nejdůležitější zpětné vazby patří vliv vodní páry v ovzduší. V teplejší atmosféře dochází k intenzivnějšímu výparu, přičemž vodní pára sama o sobě je silným skleníkovým plynem. Lze tedy předpokládat, že zvýšený obsah vodních par bude akcelerovat další oteplování.
  • Další zpětnou vazbu představuje vliv oblačnosti. Oblaka jednak snižují energetickou dotaci klimatického systému tím, že část dopadajícího slunečního záření odrážejí zpět do vesmíru. Zároveň ale mají schopnost pohlcovat tepelnou radiaci Země podobně jako skleníkové plyny. Který z těchto efektů převládne, závisí na typu oblaku a jeho výšce nad zemským povrchem.
  • Další důležitou roli v propočtu klimatických změn hraje odrazivost zemského povrchu. Vysokou odrazivost mají především sněžné a ledové plochy. Ty snižují tepelný příkon tím, že odrážejí velkou část dopadajícího slunečního záření. Lze předpokládat, že oteplování zredukuje ledové a sněhové plochy na povrchu planety, což napomůže dalšímu ohřívání systému.
  • Do úvah o vlivu oteplování je také nutno započítat vliv cirkulace světového oceánu, který je na jedné straně nejdůležitější zdrojem vodní páry, na straně druhé má ale velkou tepelnou kapacitu a dokáže značně tlumit výkyvy teplot. Oceány také díky své vnitřní cirkulaci distribuují teplo v rámci celého klimatického systému.

Kromě těchto nejdůležitějších vazeb existují další možné interakce, např. vliv metanu, uvolňovaného z mokřadů a tajícího permafrostu. V takto komplikovaném systému nelze jednoduše odhadovat, jaké oteplení přinese zvyšování obsahu skleníkových plynů a obzvláště jak se vliv oteplení projeví v různých částech světa.

Klimatické modely

Jediným způsobem, jak predikovat případné změny klimatického systému je podrobné modelování jeho vývoje. Použité modely přitom musí pracovat v souladu s fyzikální zákony popisujícími vývoj cirkulace atmosféry a oceánu a zahrnovat patřičný popis výše uvedených zpětných vazeb.

Klimatický model je počítačový program simulující vývoj klimatického systému Země ze zadaného počátečního stavu. Jde o systém interagujících komponent, z nichž každá simuluje část klimatického systému, přičemž struktura modelu zhruba odpovídá struktuře systému samotného. Čtyřmi základními komponentami jsou model cirkulace atmosféry, model cirkulace oceánu, model mořského ledu a model zemského povrchu. Od devadesátých let minulého století jsou klimatické modely doplňovány o modely chemické, zachycující vliv chemických sloučenin, které mají efekt na energetickou bilanci klimatického systému, především pak oxidu uhličitého.

Klimatické modelování není „módou“ posledních let. První pokusy o modelování klimatu byly učiněny již v 50. letech, nedlouho po etablování počítačů jako nástroje pro numerickou předpověď počasí. Kvalita klimatických predikcí je ale úzce spjata s dostupným výpočetním výkonem, plné využití atmosféricko-oceánských modelů tudíž nastalo až od 90. let. V současné době jsou projekce klimatických modelů fundamentálním zdrojem dat pro výzkum klimatického systému.

Výzkum na Ústavu pro hydrodynamiku

Výzkum na Ústavu pro hydrodynamiku je v současné době zaměřen především na zlepšení využitelnosti dat z klimatických modelů. Současné modely dobře simulují pohyby velkých atmosférických útvarů, z technických důvodů ale nemohou poskytovat podrobná data o vývoji meteorologických veličin v blízkosti zemského povrchu. Před jejich použitím v klimatických studiích je nutné podrobit výstupy modelů tzv. korekcím systematické chyby, této problematice je v současné klimatologii věnována značná pozornost. Uvedený problém se týká především predikcí srážkových dat, jež jsou zásadními údaji pro hodnocení klimatické změny z pohledu hydrologie, ale i dalších vědeckých disciplín. Na ústavu dlouhodobě probíhá vývoj metod umožňujících získávat z modelových výstupů podrobné informace o vlivu klimatické změny na hydrologický cyklus.

Publikace:

Hnilica, J., Hanel, M., Puš, V., (2017). Multisite bias correction of precipitation data from regional climate models. International Journal of Climatology 37(6), 2934-2946.

Hnilica, J., Puš, V., (2013). Linear methods for the statistical transformation of daily precipitation sums from regional climate models. Theoretical and Applied Climatology 111(1-2), 29-36.

Kategorie Dlaždice.