PRIRODZENÉ ZMENY KLÍMY
A ANTROPOGÉNNE PODMIENENÁ KLIMATICKÁ ZMENA
Prof. RNDr. Milan Lapin, PhD., FMFI UK, www.milanlapin.estranky.sk
Na začiatok si zadefinujme základné pojmy, s ktorými sa budeme v tomto príspevku častejšie stretávať. Zmeny klímy (klimatické zmeny a premenlivosť/variabilita klímy) patria medzi dlhodobé výsledky zmien režimu meteorologických procesov v prírodnom prostredí Zeme, v odbornej literatúre sa toto prostredie nazýva Klimatický systém Zeme - KSZ (skladá sa z atmosféry (dôležitá je najmä jej dolná časť – troposféra (do výšky 8 km v polárnych oblastiach až do 18 km okolo rovníka), z hydrosféry (voda na Zemi), z kryosféry (sneh, permafrost a ľad na Zemi), z litosféry (vrchná časť zemskej kôry priamo pôsobiaca na procesy v prízemnej vrstve atmosféry), z biosféry a noosféry (človek a tie jeho aktivity, ktoré môžu nejakým spôsobom vplývať na klímu Zeme). V KSZ pôsobia astronomické, terestriálne (pochádzajúce zo Zeme), cirkulačné (pohyby atmosféry a oceánov) a antropogénne klimatotvorné faktory. Uvedené faktory podmieňujú klimatotvorné procesy v klimatickom systéme Zeme, ktorých výsledkom je jednak aktuálne počasie, ale aj dlhodobý režim počasia (podnebie, klíma, klimatické pomery), viac o KSZ a o terminológii je v Peixoto and Oort (1992)Lapin a Tomlain (2001), Lapin, 2005, Meteorologický slovník (1993).
Zmeny klímy - tento termín sa v minulosti používal pre všetky zmeny súvisiace s klímou (v súčasnosti sa podľa Medzivládneho panelu OSN pre zmenu klímy (IPCC, 1994, 2007) takto nazývajú už len zmeny klímy prirodzeného charakteru, teda tie, ktoré sú spôsobené zmenami slnečnej aktivity a inými astronomickými faktormi, sopečnými erupciami, zmenami cirkulácie atmosféry a oceánov, zmenami orbitálnych parametrov obehu Zeme okolo Slnka, zmenami tvaru a polohy kontinentov atď.). Musia sa prejaviť ako štatisticky významná zmena klimatických charakteristík vypočítaných z 30-ročných alebo dlhších období, kratšie trvajúce štatisticky významné zmeny sa nazývajú premenlivosť (variabilita) klímy.
Obr. 1: Odchýlky 10-ročných priemerov teploty vzduchu v °C na kontinentoch severnej pologule (NH Land), na celej Zemi (Global) a na oceánoch severnej pologule (SST NH) od dlhodobého priemeru z obdobia 1961-1990 (podľa HadCRUT3 a HadSST2 (CRU, 2013)).
Obr. 2: Odchýlky 10-ročných priemerov teploty vzduchu od dlhodobého priemeru 1961-1990 v °C a úhrny zrážok v % dlhodobého priemeru 1961-1990 na Slovensku (Rok - čierne, Leto - červené a Zima – modré, podľa SHMÚ, 2012)
Obr. 3: Časový priebeh dvoch prirodzených faktorov zmien klímy od roku 900 n.l. (sopečné erupcie, radiačné zosilnenie v rozsahu od +0,3 do –1,5 W.m-2, slnečná radiácia prichádzajúca k hornej hranici atmosféry, radiačné zosilnenie v rozsahu od –0,5 do +0,5 W.m-2) a postupne rastúci antropogénny faktor, radiačné zosilnenie v rozsahu do 1,6 (do 2,1) W.m-2 do roku 2000 (prevzaté z IPCC, 2007).
Zmena klímy - je len tá časť zo všetkých zmien klímy, ktorú spôsobuje človek zmenou skleníkového efektu atmosféry, najmä emisiou skleníkových plynov a aerosólov do atmosféry a zmenou využívania krajiny (ak ju dokážeme odlíšiť od prirodzených zmien (IPCC 2007, Climate Change, 2013)). Pod pojmom skleníkový efekt atmosféry rozumieme sumu vplyvu radiačne aktívnych plynov v atmosfére, ktoré prepúšťajú takmer všetko krátkovlnné slnečné žiarenie smerom k zemskému povrchu, no absorbujú dlhovlnné (tepelné) vyžarovanie zemského povrchu a atmosféry, čím sa zohrievajú, teplo odovzdávajú okolitej atmosfére, ktorá tiež emituje tepelné žiarenie (viac smerom k zemskému povrchu lebo tým smerom je atmosféra nielen hustejšia ale väčšinou aj teplejšia). Zmena klímy je teda spôsobená kladnou alebo zápornou odchýlkou v doterajšej radiačnej (energetickej) bilancii prízemnej vrstvy atmosféry a zemského povrchu celej Zeme v dlhodobom priemere, ktorá dosahuje v súčasnosti už takmer +2 W.m-2 od roku 1750 (obr. 3, zmeny toku slnečnej radiácie smerom k horizontálnej ploche hornej vrstvy atmosféry nedosahujú v posledných storočiach viac ako 0,5 W.m-2 v 11-ročnom priemere, no výsledný trend od roku 1750 je zrejme iba +0,2 W.m-2). Výsledkom silnejšieho skleníkového efektu atmosféry je stabilizácia vyššej teploty prízemnej atmosféry (IPCC, 2007). Na obr. 1 vidíme zmeny 10-ročných priemerných odchýlok globálnej a hemisférickej teploty v období 1851-2010 od dlhodobého priemeru (DP) z obdobia 1961-1990 (CRU, 2013). Tieto zmeny sú kombináciou vplyvu prirodzených faktorov a postupne zosilňujúceho antropogénneho faktora. Podrobnosti nájdeme napríklad v Climate Change (2013), kde je aj zoznam citovanej literatúry. Ak ale zobrazíme rovnaký priebeh teploty a úhrnov zrážok na malom území (napríklad na Slovensku, obr. 2), tak aj v 10-ročných priemeroch klimatických charakteristík hrá veľmi dôležitú úlohu náhodných faktor zmien klímy vyplývajúci predovšetkým z premenlivosti atmosférickej cirkulácie. Táto premenlivosť sa do značnej miery eliminuje (zhladí) aj v regionálnej mierke, ak použijeme 30-ročné alebo dlhšie kĺzavé priemery.
Premenlivosť klímy - klimatické pomery môžeme kvantitatívne opísať stredovými, rozptylovými, trendovými a cyklickými štatistickými charakteristikami (smerodajná odchýlka a koeficient variácie je príkladom charakteristík variability/premenlivosti). Vstupnými údajmi takejto analýzy môžu byť denné, mesačné, ročné a iné hodnoty klimatických prvkov v časovom rade najmenej 30 rokov, pričom musia byť tieto súbory časovo homogénne a zodpovedajúce nezávislému výberu (počet stupňov voľnosti je n-2, kde n je počet prvkov), Nosek (1972) a WMO (2013). Premenlivosť klímy sa dá odlíšiť od zmien klímy tak, že za zmeny klímy považujeme len tie odchýlky, ktoré sa prejavia štatisticky významne medzi po sebe nasledujúcimi 30-ročnými obdobiami.
Kolísanie klímy - prirodzené kolísanie klimatických charakteristík je dané predovšetkým solárnou klímou (denný a ročný chod, 11-ročný cyklus…). Tieto cykly nespôsobujú v KSZ veľké dlhodobé zmeny klímy, aj najväčšie odchýlky slnečnej aktivity neznamenajú väčšiu odchýlku priemerného TSI (celková slnečná radiácia) ako 0,1% medzi za sebou nasledujúcimi 11-ročnými cyklami. To sa prejavuje v odchýlkach globálnej teploty najviac o 0,1 °C. Vynechanie piatich 11-ročných cyklov slnečnej aktivity (ako napríklad počas Maunderovho minima v 17. st. (Solar variation, 2013)) ale môže znížiť globálnu teplotu až o 0,4 °C počas dlhšieho obdobia ako 30 rokov. Iné cykly súvisia s cyklickosťou niektorých klimatotvorných procesov (napr. 2-ročný cyklus výmeny medzi južnou a severnou pologuľou v stratosfére - QBO, ďalej oscilácie SO (južná oscilácia - kolísanie tlaku vzduchu v južnom Pacifiku), El Niňo (oscilácia teploty povrchu tropického oceánu v Pacifiku, SO+ElNiňo je ENSO, NAO (severoatlantická oscilácia tlaku vzduchu), AO (arktická oscilácia tlaku vzduchu) a rad iných regionálnych indexov cirkulačných oscilácií atmosféry a oceánov, podrobnosti a súvisiace telekonekcie sú v Teleconnection (2013).
V ďalšom texte tohto príspevku vyberieme iba dva často citované prirodzené faktory veľkopriestorovej premenlivosti klímy (ale aj aktuálneho počasia v rôznych regiónoch). Tieto faktory sa v súčasnosti dosť často spomínajú v odbornej a vedeckej literatúre a viaceré vedecké tímy sa venujú ich podrobnému a všestrannému výskumu (Newman et al., 2003, Vimont, 2005, Schneider et al., 2005, Kumar et al., 2013).
Vzťah ElNiňo/LaNiňa (ONI - oceánický Niňo index) a globálnej teploty vzduchu
Jedným z najvýznamnejších prirodzených faktorov ovplyvňujúcich krátkodobé (spravidla 2 až 7-ročné) zmeny globálnej a hemisférickej teploty je Oceánický Niňo Index (ONI, 2013, kladná fáza je ElNiňo a záporná LaNiňa). Na obr. 4 uvádzame priebeh 12-mesačných kĺzavých priemerov ONI a odchýlok globálnej teploty od DP 1961-1990 podľa CRU (2013). Všimnúť si treba hlavne významný rast globálnej teploty v prípade silného ElNiňo (1998). Súvisí to najmä s tým, že v prípade javu LaNiňa (záporné hodnoty ONI) sa veľa energie z radiačnej bilancie spotrebuje na ohrievanie oceánov (tok tepla do morskej vody) v Pacifiku, čím zostane menej na ohrievanie kontinentov a globálna teplota klesá, pri jave ElNiňo (kladné hodnoty ONI) je to naopak. Od roku 2007 prevažuje studená fáza LaNiňa, preto aj zdanlivo stagnuje globálna teplota. Absorbované teplo sa ale ukladá v hlbších vrstvách oceánu, čo sa určite prejaví na zosilnení niektorej z budúcich epizód ElNiňo. Akonáhle nastúpi iba priemerný jav ElNiňo (s ONI okolo 1,0 °C), tak globálna teplota vzápätí stúpne najmenej o 0,2 °C. Viacerí vedci skúmajú možné zmeny v režime ONI vplyvom rastu globálnej teploty. V niektorých prípadoch komplikujú vplyv javov ElNiňo a LaNiňa silné sopečné erupcie (žlté krúžky v obr. 4), ktoré môžu znížiť globálnu teplotu aj o viac ako 0,3 °C. Je to iba v tých prípadoch, ak sopečný popol dosiahne výšku nad tropopauzou (výška 8 až 18 km nad zemským povrchom). V obidvoch prípadoch ide o veľmi významný klimatotvorný faktor s rýchlou reakciou, no iba s krátkym trvaním (1-2 roky), ktorý môže dočasne modifikovať vplyv zosilňujúceho skleníkového efektu atmosféry aj na klesajúci trend globálnej teploty. Inými významnými vplyvmi na globálnu teplotu sú PDO (pacifická dekádna oscilácia), NAO (severoatlantická oscilácia), AO (arktická oscilácia) a niekoľko ďalších (teleconnection, 2013). Všetky tieto oscilácie majú vplyv tak na priebeh počasia (aj v strednej Európe) ako aj na dlhodobý režim počasia, teda na zmeny klímy (tiež aj v strednej Európe). Niektoré krátkodobé zmeny regionálnych klimatických charakteristík sú ale spôsobené iba premenlivosťou atmosférického prúdenia, ktoré môže mať aj náhodný charakter a vplyv náhodnosti sa vykompenzuje až pri dlhodobom sledovaní (viac ako 30 rokov).
Obr. 4: 12-mesačné kĺzavé odchýlky globálnej teploty (dT) od dlhodobého priemeru 1961-1990, indexy ONI (oceánické ElNiňo indexy zmenšené 5-krát) a 3 najväčšie sopečné erupcie (žlté krúžky - St Helens, El Chichon a Pinatubo), je vidieť, že odchýlky globálnej teploty mierne zaostávajú za odchýlkami ONI (ONI, CRU a Volcanoes , 2013).
Vplyv Pacifickej dekádnej oscilácie (PDO) na zmeny globálnej teploty
Niektoré zmeny globálnej a hemisférickej teploty sa dajú vysvetliť aj inými charakteristickými a rozsiahlymi zmenami vo veľkopriestorovej cirkulácii teplejších a chladnejších plôch povrchu morskej vody v oceánoch na Zemi, predovšetkým v najväčšom z nich, v Pacifiku, čo zrejme súvisí aj s výmenou medzi hlbokomorskými a povrchovými masami vody. Takým dôležitým prirodzeným faktorom, ktorý ovplyvňuje počasie a klímu najmä na severnej pologuli, je pacifická dekádna oscilácia (PDO). Analýza globálnej a hemisférickej teploty prízemnej atmosféry zreteľne potvrdila vplyv dlhých cyklov zmien indexov PDO prakticky na celej Zemi, strednú Európu nevynímajúc, podrobnosti sú dostupné aj na webových stránkach: PDO (2013). Tento faktor sa v súčasnosti považujú za jednu z dôležitých príčin medziročných a aj dlhodobých (viac ako 11-ročných) fluktuácií globálnej a hemisférických priemerov prízemnej teploty vzduchu. Na obr. 5 vidíme ukážku uvedených vplyvov na príklade najnovších radov teploty vzduchu na celej Zemi a na severnej pologuli podľa CRU (2013). Korelačná analýza (obr. 5 a 6) ale naznačuje, že táto závislosť nie je rovnako významná v celom časovom rozsahu pozorovaní, v niektorých obdobiach zrejme prevažujú iné vplyvy. PDO funguje v klimatickom systéme Zeme podobne ako ElNiňo, v prípade kladnej fázy PDO sa vytvoria v severnom Pacifiku veľké plochy relatívne teplej morskej vody na povrchu oceánu, čo zvyšuje teplotu širokého okolia a tým prispieva aj k rastu globálnej teploty. Na podrobnejšej interpretácii vplyvu PDO na odchýlky globálnej a hemisférickej teploty pracuje niekoľko vedeckých tímov vo viacerých krajinách. Zaujímavé bude najmä sledovanie odozvy rýchlejšieho otepľovania Arktídy ako trópov v zmene atmosférickej cirkulácie na severnej pologuli.
Obr. 5: Ročné odchýlky globálnej teploty (GL) a teploty na severnej pologuli (NH) od dlhodobého priemeru z obdobia 1961-1990 podľa HadCRUT4 a indexy PDO (indexy Pacifickej dekádnej oscilácie zmenšené 5-krát), podľa CRU (2013) a PDO (2013). V posledných 27 rokoch sa napriek významnému poklesu PDO odchýlky GL a NH najprv významne zvyšovali a neskôr iba stagnovali, musia tu teda spolupôsobiť aj iné faktory meniace globálnu a hemisférickú klímu.
Obr. 6: Korelácia ročných odchýlok globálnej teploty (GLT) ako aj teploty na severnej pologuli (NHT) od dlhodobého priemeru z obdobia 1961-1990 podľa HadCRUT4 a indexov PDO (indexy pacifickej dekádnej oscilácie) v 21-ročných kĺzavých obdobiach (podľa CRU, 2013 a PDO, 2013). Je vidieť, že niektoré zmeny globálnej a hemisférickej teploty môžu byť značne ovplyvnené veľkopriestorovou cirkuláciou morskej vody v severnom Pacifiku (Cor nad 0,4), inokedy zrejme prevažujú iné vplyvy (po roku 1985 nastúpil pravdepodobne odlišný režim ovplyvňovania globálnej a hemisférickej teploty rôznymi klimatotvornými faktormi ako v predchádzajúcich obdobiach).
Záver
V klimatickom systéme Zeme existujú aj veľmi dlhé cykly zmien, ktoré súvisia najmä s Milankovičovými cyklami orbitálnych zmien dráhy obehu Zeme okolo Slnka po kvázi eliptickej orbite (trvajúce desiatky tisíc až 400 tisíc rokov), ďalej s významnejším driftom kontinentov (v horizonte miliónov rokov) a s niektorými astronomickými vplyvmi s dlhším vývojom ako milióny rokov. Tieto cykly nemajú pri hodnotení klímy v historickom období posledného tisícročia merateľný význam (Milankovitch Cycles, 2013 a Climate Change, 2013). To je aj zrejmým dôvodom, prečo nie je potrebné zaoberať sa takýmito dlhodobými zmenami klímy pri analýze klimatickej zmeny v rámci jedného až dvoch storočí.
Z uvedených príčin je potrebné sústrediť sa pri analýze príčin zmien klímy v horizonte jedného až niekoľkých storočí predovšetkým na faktory s jednoznačným časovým trendom. Takým faktorom je rast koncentrácie skleníkových plynov v atmosfére a zväčšovanie rozsahu zmien vo využívaní krajiny. Ďalším možným zdrojom zmien klímy sú oneskorené spätné väzby, najmä tie, ktoré súvisia s výmenou tepla v svetovom oceáne a s polárnym zaľadnením. Týmto problémom budeme venovať niektorý z našich ďalších príspevkov. Je čím ďalej tým viac zrejmé, že za významnejšími zmenami klímy nestoja v posledných desaťročiach žiadne náhodné vplyvy, ktorých podstatu by sme nevedeli (alebo nemohli) fyzikálne interpretovať.
Poďakovanie: V tomto príspevku boli využité údaje Slovenského hydrometeorologického ústavu a aj výsledky riešenia projektov projekt VEGA 1/0992/12 a APVV-0303-11. Autor ďakuje za podporu výskumu.
LITERATÚRA
Kumar, A., Hui W., Wanqiu W., Yan X., Zeng-Zhen H., 2013: Does Knowing the Oceanic PDO Phase Help Predict the Atmospheric Anomalies in Subsequent Months?. J. Climate, 26, 1268–1285.
Lapin, M. a Tomlain, J., 2001: Všeobecná a regionálna klimatológia. Vydavateľstvo UK, Bratislava, 184 s.
Lapin, M., 2005: Stručne o teórii klimatického systému Zeme, najmä v súvislosti so zmenou klímy. Meteorologický časopis, Vol. 8, No. 1, 25-34.
Meteorologický slovník, 1993: Meteorologický slovník výkladový a terminologický. B. Sobíšek, ed. Československá meteorologická spoločnosť. Academia, Praha, 598 s.
Newman M., Gilbert P. C., Michael A. A., 2003: ENSO-Forced Variability of the Pacific Decadal Oscillation. J. Climate, 16, 3853–3857.
Nosek, M., 1972: Metody v klimatologii. Academia. Praha, 434 s.
Peixoto, J., P. and Oort, A., H., 1992: Physics of Climate. Springer, New York, Inc., 520 pp.
Schneider, N., Bruce D. C., 2005: The Forcing of the Pacific Decadal Oscillation*. J. Climate, 18, 4355–4373.
Vimont, D. J., 2005: The Contribution of the Interannual ENSO Cycle to the Spatial Pattern of Decadal ENSO-Like Variability*. J. Climate, 18, 2080–2092.
Zdroje dostupné na internete a údajové podklady:
CRU, 2013: http://www.cru.uea.ac.uk/cru/data/temperature/
Climate Change, 2013: http://en.wikipedia.org/wiki/Climate_change
IPCC, 1994: https://docs.google.com/file/d/0B1gFp6Ioo3akVUh0Qm9XVUVmSTQ/edit?usp=drive_web&pli=1
IPCC, 2007: http://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/en/contents.html
Klimatické zmeny, 2013: http://www.dmc.fmph.uniba.sk/public_html/main9.html
Milankovitch Cycles, 2013: http://en.wikipedia.org/wiki/Milankovitch_cycles
ONI, 2013: Oceanic Nino Index, http://en.wikipedia.org/wiki/El_Ni%C3%B1o%E2%80%93Southern_Oscillation a http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/analysis_monitoring/ensostuff/ensoyears.shtml
PDO, 2013: http://en.wikipedia.org/wiki/Pacific_decadal_oscillation a http://jisao.washington.edu/pdo/
SHMÚ, 2012: Podkladové klimatologické údaje z databanky Slovenského hydrometeorologického ústavu, Bratislava 2012.
Solar variation, 2013: http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_variation
Teleconection, 2013: http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/daily_ao_index/ao.shtml
Volcanoes, 2013: http://en.wikipedia.org/wiki/Lists_of_volcanoes
WMO, 2013: Guide to Climatological Practices, WMO No. 100. http://www.wmo.int/pages/prog/wcp/ccl/documents/WMO_100_en.pdf