Klimatická zmena - analýza súvislosti

Úvod

Tento článok sa pokúsi zhrnúť dôležité aspekty vývoja, príčin klimatických zmien na našej planéte. Téma je rozsiahla, preto nie je možné uviesť všetky veci dopodrobna. Táto téma je veľmi spolitizovaná dvoma tábormi. Na jednej strane sú tu extrémisti (katastrofisti), na druhej strane tábor skeptikov. Preto sa budem snažiť byť, čo najobjektívnejší v predkladaní argumentov, dôkazov. Mojím osobným názorom je to, že oteplenie je realita a tento fakt spôsobil hlavne antropogénny vplyv človeka (má aktuálne najsilnejšie momentum). Som presvedčený, že tábor skeptikov nepredkladá racionálne argumenty, ich argumentácia je pochybná, povedal by som priam pudová. Hlavne som si všimol nedostatok vedomosti pre rôzne tvrdenia. Klimatická zmena naväzuje na nesmierne množstvo súvislosti z rôznych oblasti prírodných vied (príklad. fyzika, astrofyzika, geológia, biológia, teória chaosu, atď.).

Veľmi dobrý odkaz na zhrnutie aj pre dôkazy antropog. vplyvu je tu:
https://en.wikipedia.org/wiki/Attribution_of_recent_climate_change

Klasifikácia

Klíma je výsledkom vzájomnej interakcie viacerých faktorov. Z najvýznamnejších je možné uviesť napríklad faktory mimozemské (slnečné žiarenie, zmeny parametrov orbitálnej dráhy Zeme), vlastnosti zemského povrchu (rozloženie pevnín a oceánov, sopečná činnosť, vegetácia) a samozrejme aj zmeny vo vnútri samotného klimatického systému (chemické zloženie, biologické procesy a zmeny, zmeny vo využívaní pôdy, emisie skleníkových plynov).

Klimatická zmena je termín používaný na označenie zmien v zemskej klíme, ktoré môžu mať globálne alebo regionálne prejavy. Pod zmenami klímy prirodzeného charakteru rozumieme zmeny v minulých geologických dobách Zeme . Od roku 1996 IPCC (Medzivládny panel pre klimatickú zmenu) pojem klimatické zmeny (v množnom čísle) používa len na označenie zmien klímy, ktoré majú prirodzený charakter.

Vývoj klímy je vývojom dynamického, nelineárneho systému s podivným atraktorom. Systém klasifikujeme ako komplexný systém. Pre pochopenie, čo táto klasifikácia znamená je potrebné si pozrieť teóriu chaosu, komplexných systémov, definície pojmov.
Pre zaujímavosť pre objasnenie komplexného systému planéty dokument:
https://www.youtube.com/watch?time_continue=5&v=ZU52k8vHSjk

Vývoj teploty

Dnes meriame vývoj teplôt sieťou pozemných meteorologických staníc po celej planéte a sieťou  družíc. V dávnych geologických dobách sme meracie zariadenia nemali a teplotu vyratúvame nepriamo z rôznych geofyzikálnych, paleontologických závislosti. 

All_palaeotempssvgpng

obr. 1 Vývoj teploty v geologických dobách, zdroj: internet

V minulosti Zeme sa striedali obdobia doby ľadovej s otepľovaním. Existujú rôzne dlhé cykly, rôznej úrovne. Ochladzovanie sa strieda s otepľovaním už veľmi dlho v minulosti Zeme. Z dlhšieho záznamu /geologického obdobia sme sa teplotne dostali z obdobia Holocénu, ktoré trvalo zhruba 10 tisíc rokov (mierne kolísanie teplôt - stabilné teplotné pásmo). Z tohto geologického pohľadu opúšťame v súčasnosti toto rovnovážne obdobie.

Aktuálny vývoj priemernej teploty:


Prediction_2018png

Obr. 2 Aktuálny vývoj teploty, zdroj: internet

Z grafu vývoja priemernej teploty je zjavné, že tu máme trend zhruba po roku 1920. Nárast je strmejší po roku 2000, čo je možné vidieť tu na oscilácii teploty od roku 1880 po 2016 (názorná simulácia):

http://www.shmu.sk/sk/?page=2049&id=975%C2%A0

Čo je teda pravda? Je otepľovanie skutočné? Pravda je ta, že globálne otepľovanie je skutočne (je to naša realita). Z dostupných dát ide o nesporne zmenu a nastolenie trendu rastu teploty.
Dôležité, čo nechápe veľa ľudí je rozdiel medzi priemernou teplotou a teplotným výkyvom. Priemerná teplota je aritmetický priemer teplôt z rôznych oblasti po planéte, kde prevádzame meranie. Teplotný výkyv v nejakej lokalite je rozdiel medzi najvyššou teplotou a najnižšou teplotou. To znamená, že zhruba 1 stupeň nárastu globálnej, priemernej teploty spôsobí lokálne v nejakej oblasti aj 3 stupne. Dobrý príklad je Arktída, kde oteplenie je jedno z najväčších, zhruba tie tri stupne. Tabuľa lokálnych nárastov, viď:
http://berkeleyearth.org/wp-content/uploads/2019/01/CountryTable_2018.png

Z meraní sa dá teda usúdiť, že vývoj teploty nad kontinentami je nad priemernou teplotnou zmenou, v oceánoch pod priemernou teplotnou zmenou. To nie je žiadna náhoda. Vychádza to priamo z radiačnej, tepelnej bilancie, zo základného vzťahu pre žiarenie čierneho telesa :  Stefanov-Boltzmannov zákonTento zákon vyjadruje ako veľmi bude zahriate teleso žiariť. Teda koľko energie bude vyžarovať spať do kozmu. Toto môžeme ľudovo chápať, ako odraz elektromagnetického žiarenia, aj keď sa vlastne o žiaden odraz nejedná.

Video ako sa prevádzajú merania z družíc:

https://www.youtube.com/watch?v=13W8RJXHRrU

Skleníkový efekt

sklenikovy-efektpng

Obr. 3 Skleníkový efekt, zdroj : internet

Skleníkový efekt je názov pre jav spôsobujúci ohriatie nižších vrstiev atmosféry v dôsledku toho, že atmosféra cez deň prepúšťa krátkovlnné slnečné žiarenie k zemskému povrchu a v noci pomerne efektívne pohlcuje dlhovlnné žiarenie Zeme a otepľuje sa. Tepelné žiarenie s väčšou vlnovou dĺžkou spätne vyžarované z povrchu planéty Zem účinne absorbuje a bráni tak jeho okamžitému úniku do priestoru vesmíru. Medzi najvýznamnejšie skleníkové plyny patrí vodná para, oxid uhličitý, metán, oxid dusný, ozón (v takomto poradí).
Vďaka skleníkovému efektu v atmosfére tu môže existovať stabilný život. Pre zaujímavosť na Venuši je skleníkový efekt výrazne väčší z dôvodu vysokej koncentrácie skleníkových plynov, hustejšej atmosfére, a bližšej vzdialenosti k slnku. Teplota tam dosahuje aj cez 500 stupňov, koncentrácia CO2 je 96,5%.

Pre vývoj klímy sú z dlhodobejšieho pohľadu dôležitejšie skleníkové plyny ako je CO2, pretože metán nie je stabilný a po zhruba 20 rokoch sa rozpadá. Metán je nárazový faktor, prípadne ak je do atmosféry dlhodobejšie odbúravaný (napr. z permafrostu), teda postupne, stane sa významný faktor na krátkodobé, až strednodobé obdobie. Vodné pary sú síce najdominantnejší faktor, no zvyšovaním ich koncentrácie vzniká oblačnosť, ktorá prichádzajúce, slnečné žiarenie odráža do kozmu, čím sa efekt začne neutralizovať. No v rámci istého intervalu pôsobí ako kladná spätná väzba, pri zvyšovaní priemernej teploty planéty.
Medzi najvýznamnejšie skleníkové plyny na našej planéte môžeme považovať CO2 a metán. Metánu je menej no má výrazne silnejší účinok,  20 násobne väčší ako CO2. Veľké zásoby metánu sú na oceánskom dne (metánový ľad) a v permafroste (zamrznutá zem)

Pre CO2 platí približný vzťah, že zdvojnásobovaním koncentrácie CO2 narastie teplota o 1 stupeň, pri zanedbaní spätných väzieb. Ak započítame kladné spätné väzby, tak to môže byť aj 3-5 násobok.

Kľúčovým momentom okrem antropogenného vplyvu vypúšťania skleníkových plynov sú aj spätné, kladné väzby topenia permafrostu (obsahuje veľké zásoby metánu a CO2).  Spätné kladné väzby umocnia efekt otepľovania nelineárne, teda aj skokovito, náhle.  To je dôsledok nelineárnych systémov s podivným atraktorom.
Video topenie permafrostu:
https://www.youtube.com/watch?v=hOaJvVpFPaU

Albedo

Ďalším dôležitým pojmom pre faktor vývoja klímy je albedo. Albedo je miera odrazivosti elektromagnetického žiarenia telesa, resp. jeho povrchu. Ľadovce a snehová pokrývka má vyššie albedo ako nezamrznutý povrch. To znamená, že roztápanie ľadovcov napomáha ako kladná, spätná väzba k ďalšiemu otepleniu planéty.

Teória chaosu a predikcia vývoja klímy

To samozrejme je jedna z najdôležitejších otázok, čo sa bude ďalej diať. Z hľadiska teórie chaosu nie je možné predpovedať  dynamický, nelineárny systém s podivným atraktorom presne a to najmä z dôvodu motýlieho efektu. Motýlí efekt znamená, že aj pri malých zmenách vstupných parametrov (klimatických modelov) sa po určitej dobe rozbehne predpoveď úplne. To je principiálny problém nemožnosti predpovede na dlhší vývoj. 

Klimatoskeptici často hovoria, že modely sa rozchádzajú s realitou. To znamená nemajú žiadnu vedomosť o tom, prečo je tomu tak. Predpovedať sa dá iba rámcovo, pričom predpovede na krátke obdobie sú spoľahlivejšie. Pokiaľ však prevažujú vplyvy pre rast teploty, bude teplota rásť. Lenže pre klímu je 50 -100 rokov krátkodobá predpoveď. Ten vplyv pre rast je práve antropogénny faktor.

Čo sa ďalej môže udiať, keď bude trvať trend aj naďalej do konca storočia? Okrem spomínaného nárastu teploty zhruba predpoklad 2-3 stupne do konca storočia. V dynamických systémoch pri prudkom raste dochádza k nestabilite atraktora. Atraktor vývoja klímy sa môže dočasne vychýliť, kým nenájde nový, rovnovážny stav. To by vyvolalo celú sériu neštandardných anomálii (extrémy v počasí). Vtedy je stav systému chaotický, nepredvídateľný.

Okrem toho oteplenie o 3 stupne v priemere, lokálne ( v nejakej lokalite na Zemi) môže byť aj 12-15 stupňov. To nie je žiadne prijateľné oteplenie (za relatívne krátky, časový úsek).
Nejdem rozoberať tie katastrofické scenáre, to už urobili mnohí (pokiaľ systém naberie silne momentum vývoja). Len v krátkosti to ilustrujem na Fermiho paradoxe.

Fermiho paradox

Kde sú všetky tie civilizácie, keď je vesmír tak veľký?
Skúsme sa troška zahrať na prorokov budúcnosti. Naša civilizácia je nestabilný, citlivý systém ...Civilizácia rastie neudržateľným tempom. Minimálne dôjde ku veľkej korekcii..

Okrem ekonomických problémov, to vedie na problémy s adaptáciou všetkého živého na planéte, od čoho je naša civilizácia závislá. No a potom odpoveď na Fermiho paradox môže byť jednoducho tá, že okrem veľkej vzdialenosti, veľa civilizácii nakoniec dospeje skôr, či neskôr k zániku...

Korelácia CO2 a teploty

Naša civilizácia sa nachádza v novej teplotnej ére, pásmo Holocénu teplotne opúšťame. Je zjavné, aj keď to väčšina klimatoskeptikov popiera, že za rast teploty od začiatku priemyselnej revolúcie môžu skleníkové plyny, hlavne CO2. Nárast CO2 je naozaj masívny. Viď. graf.

paleo_keelinginset_lrgjpg

Obr. 4 Vývoj C02, zdroj: internet

Z dát v tomto odkaze tu. Môžeme nájsť spoločnú závislosť teploty a CO2. Z analýzy korelácie napr. tu:

GlobalTemperatureCO2CorrelationHansengif

Obr. 5 Korelácia teploty a C02, zdroj: internet

Z vypočítaných dát vychádza korelácia:

post-2515-0-54981600-1535743815_thumbjpg

Obr.6 Korelácia z dostupných dát

CO2 a teplota je vo významnej korelácii. To znamená, že to tesne súvisí a navzájom sa ovplyvňuje. Pri konšpiračných debatách rôznych klimatoskeptikov sa objavujú otázky, že ak je príčinou rastu teploty zvyšujúci sa obsah skleníkových plynov, potom ako je možné, že v určitých úsekoch ešte stúpa CO2, ale teplota už klesá? To mal byť hlavný argument, že to bude opačne, teplota vplýva na CO2 a nie naopak. Často sa to zahmlieva a nejak stiera, pretože nemáme presné dáta z dávnej minulosti.

Vysvetlenie:

Predovšetkým treba povedať, že skleníkové plyny verzus teplota sú vo vzájomnej interakcii spätných väzieb. Takže to  je vedecký fakt, teplota a skleníkové plyny sú vo vzájomnej väzbe a ovplyvňujú sa. Z toho teda plynie odpoveď taká, že funguje proces kde skleníkové plyny vplývajú na rast teploty tým, že sa odbúravajú do atmosféry. No funguje aj opačná väzba, kde pokles teploty z nejakých iných príčin spôsobuje pokles skleníkových plynov a naviazanie na (pôdu, horniny, ľadovec, oceány).

Hypotéza príčin vzniku glaciálu, interglaciálu

Príčiny zmeny trendu vývoja teplôt (prvotná príčina aktivácia zmeny) by mohla byť kombinácia faktorov, pričom najvýznamnejšie faktory budú:

  1. Vulkanická činnosť (sopky, výlev lávy na povrch)
  2. Slnečná aktivita (zmena v intenzite Slnka)
  3. Pád asteroidov
  4. Milankovičov cyklus
  5. Drift kontinetov
  6. Iné faktory (kozmické žiarenie, zmeny magnetizmu, ďalšie)
  7. Kombinácia faktorov

Inicializácia pre glaciál

Veľké sopky tiež nazývané spiace supervulkány (napr. v Yellowstone) v náhodnej kombinácii výbuchom dostanú do atmosféry veľké množstvo sopečného popola, areosoly. Máme dokázané, že areosoly významne ochladzujú atmosféru, po čase zas spadnú na povrch. No dočasne a tým sa myslí dostatočne dlho odštartujú ochladenie planéty. Ochladzovaním planéty sa objavia negativné väzby, ktoré znamenajú to, že sa CO2 začne viazať na oceány, horniny a pôdu. Toto oneskorenie je dané tým, že viazanie C02 z atmosféry nejaký ten čas trvá. To je to oneskorenie z dát a analýzy. Pokiaľ existujú aj významnejšie cykly slnečnej aktivity, známe sú len Milankovičové cykly. Vieme z minulosti, že intenzita slnečného žiarenia bola pred par miliardami rokov menšia aj o 20%. To znamená, že tu je niekoľko miliárd rokov trend, kde intenzita slnka stúpa, okrem spomenutého Milankovičového cyklu (Súvis s precesiou zeme atď.). No našťastie sa vzďaľuje aj Zem od Slnka (Antropický princíp).

Inicializácia pre interglaciál

Pre aktiváciu doby medziľadovej môže byť rozsiahla vulkanická činnosť s vylievaním lávy po zlomových pásmách, centrálne rifty. Výron lávy dostáva do atmosféry pomerne dosť skleníkových plynov v podobe CO2 a ďalších. Ďalší faktor (menší) môže byť ten, že usadenie popola na veľkých zaľadnených plochách znižuje albedo. A ako posledný významný faktor môže byť ešte aj zvýšená aktivita slnka v tom období, opačne pôsobiaci Milankovičov cyklus. Tento proces v kombinácii je dostatočne silný aj časovo , aby odštartoval spätné väzby uvoľňovania CO2 z oceánov, hornín, pôdy, zamrznutej pôdy (permafrostu). Tento proces uvoľňovanie sa zdá byť rýchlejší, čo znova naznačujú data, nemešká CO2 za teplotou.

CO2 tu v oboch prípadoch pôsobí ako akcelerátor (v prípade interglaciálu) moderátor v prípade glaciálu. Skleníkové plyny sú významné spätné väzby pre trendové úseky! Ďalší dôležitý faktor, vplyv na doby ľadové a medzi ľadové je Milankovičov cyklus ( stredne dobom horizonte).

Vplyv života na planéte na vývoj klímy

Ďalší významný faktor, ktorý reguluje uhlíkový cyklus, teda množstvo uhlíka v atmosfére je sám život. Komplexný život na planéte reguluje tento uhlík v základnej logike. Pokiaľ sa život rozširuje darí sa mu znižuje jeho koncentrácie v atmosfére, viaže ho do svojich biologických schránok, pokiaľ začne hromadne vymierať, uvoľňuje zase späť tento uhlík do atmosféry. Je to ďalšia významná väzba, ktorá takto cyklicky „kontroluje“ - utlmuje/uvoľňuje uhlík.

Krátkodobé, cyklické faktory

Medzi tieto faktory patrí hlavne El- Niňo, La - Niňa.

El_Nino_Photojpg

Obr.7 El- Niňo, zdroj: internet

El Niňo je periodicky sa opakujúca odchýlka v systéme morského prúdenia v Tichom oceáne, keď sa výrazne zvyšuje prísun povrchovej teplej vody smerom zo západnej časti Tichého oceánu po západné pobrežie Južnej Ameriky.
La Niňa je opačný jav k El Niňo. Tieto sa navzájom po čase kompenzujú. Pre trendy však nezohrávajú žiadnu úlohu, pretože sú krátkodobé a vzájomne sa kompenzujú. 

Záver

Skleníkové plyny prispievajú významne  k modelovaniu klímy. Ak pripustíme dlhšie cykly: 500, 1000 rokov, napr. dlhodobe vplyvy oceánskych prúdov, či slnečné cykly s takouto periódou, potom tu máme možný ďalší faktor, ktorý alebo prispeje k otepleniu, alebo ak sa obráti jeho perióda bude prispievať k ochladeniu (kompenzovať rast skleníkových plynov). Odhliadnuc od otepľovania musíme v rozumnom horizonte prejsť na udržateľné zdroje energie. Zároveň musíme prejsť na technológie, ktoré minimalizujú dopad na životné prostredie.