Obsah
Globální oteplování, změna klimatu, globální klimatický rozvrat
Skleníkový jev, skleníkové plyny, proč se otepluje, radiační působení
je v úzkém smyslu růst teploty přízemního vzduchu (ve výšce 2 m nad povrchem), braný jako průměr přes celý zemský povrch. V posledních dekádách činí dvě desetiny kelvinu (kelvin je totéž jako Celsiův stupeň) za desetiletí. Jelikož platí zákon zachování energie, růst globální teploty může mít jen tu příčinu, že Země do vesmíru vyzařuje v průměru menší výkon, než je příkon (slunečního) záření, které pohlcuje – že radiační bilance Země je nevyrovnaná. Teplo, které si „Země ponechá“, které neunikne do vesmíru, se z devíti desetin projeví nárůstem teploty oceánů. Jen několik procent z něj se projeví nárůstem teploty ovzduší. (celkem už o 1 K). Současná nerovnováha zářivé bilance Země činí jeden watt na metr čtvereční zemského povrchu.
Klima v užším smyslu je obvykle definováno jako průměrné počasí nebo přesněji jako statistický popis v pojmech střední hodnoty a proměnlivosti relevantních veličin přes časové období v rozmezí od měsíců po tisíce nebo milióny let. Klasické období pro průměrování těchto veličin je 30 let podle definice Světové meteorologické organizace (WMO). Relevantní veličiny jsou nejčastěji povrchové proměnné jako teplota, srážky nebo vítr. Klima v širším smyslu je stav klimatického systému zahrnující statistický popis.
Klimatický systém je vysoce složitý systém sestávající z pěti hlavních složek: atmosféry, hydrosféry, kryosféry, povrchu země a biosféry, a vzájemných vztahů mezi nimi. Klimatický systém se vyvíjí v čase vlivem své vlastní vnitřní dynamiky a v důsledku vnějšího působení, jako jsou vulkanické erupce, sluneční změny a antropogenní působení zahrnující změny složení atmosféry a změnu využití půdy.
Proměnlivost klimatu označuje kolísání průměrného stavu a dalších statistik (jako standardní odchylky, výskytu extrémů atd.) klimatu na všech prostorových a časových měřítkách delších než jednotlivé povětrnostní události. Proměnlivost může být dána přirozenými vnitřními procesy v klimatickém systému (vnitřní proměnlivost), nebo změnami v přirozeném nebo antropogenním vnějším působení (vnější proměnlivost).
je sousloví legislativně definované v Rámcové úmluvě OSN o změně klimatu (UNFCCC): „taková změna klimatu, která je vázána přímo nebo nepřímo na lidskou činnost měnící složení globální atmosféry a která je vedle přirozené variability klimatu pozorována za srovnatelný časový úsek“. V češtině se pro tuto změnu, jejímž původcem je lidstvo, lze setkat i s delším označením „globální klimatická změna“.
Obecně fyzikálně vzato si ale pod dvouslovným označením v nadpisu můžeme představit to, co uvádí Glosář čtvrtého dílu Čtvrté hodnotící zprávy IPCC Změna klimatu 2007, z něhož jsou převzata i výše uvedená hesla: Změna klimatu označuje změnu stavu klimatu, kterou lze rozpoznat (např. využitím statistických testů) ve změnách průměru a/nebo proměnlivosti jeho vlastností a která přetrvává po dosti dlouhé období, typicky desítek let nebo déle. Změna klimatu může být následkem přirozených vnitřních procesů nebo vnějších sil nebo důsledkem trvalých antropogenních změn ve složení atmosféry nebo ve využití půdy. Všimněte si, že Rámcová úmluva OSN o změně klimatu (UNFCCC) v článku 1 definuje změnu klimatu takto: „změna klimatu, která je přisuzována přímo nebo nepřímo lidské aktivitě, jež mění složení globální atmosféry, a která je navíc k přirozené klimatické proměnlivosti pozorována po srovnatelné časové období“. UNFCCC tedy rozlišuje mezi změnou klimatu, již lze připsat lidským aktivitám měnícím složení atmosféry, a proměnlivostí klimatu odpovídající přirozeným příčinám.
Změna klimatu nebo klimatická změna? Oba překlady z anglického Climate change jsou možné. Druhý ale naznačuje, že nejde jen o to, že se mění klima samotné, ale že je to změna různých věcí, způsobená měnícím se klimatem nebo klima ovlivňující. Přívlastek globální pak upřesňuje, že se tak děje po celé Zemi.
„Změny v globálním životním prostředí (zahrnující proměny klimatu, produktivity krajiny, oceánů nebo jiných vodních zdrojů, chemie ovzduší a ekologických systémů), které mohou pozměnit schopnost Země podporovat život“ (citace z Global Change Research Act). Jde tedy „o široké spektrum biofyzikálních a socioekonomických změn, které mění fungování Země jako systému v planetárním měřítku. Pojem v podstatě označuje ohromnou změnu ve vztahu lidstvo – životní prostředí, která započala před několika staletími“ (citace z Abrupt Changes). Zahrnuje populaci, klima, hospodářství, užívání zdrojů surovin a energie, dopravu, využívání krajiny a její pokryv, urbanizaci, globalizaci, cirkulaci ovzduší a oceánů, koloběh uhlíku, dusíku, vody atd., úbytek mořského ledu, stoupání hladiny moře, potravní řetězce, biodiverzitu, znečištění, zdraví, příliš intenzivní rybolov, růst kyselosti oceánů... (dle hesla Global Change na wikipedii). V 21. století se lidmi způsobená změna složení ovzduší vedoucí k narušení radiační rovnováhy Země stala již hlavní složkou a hybatelem globální změny. Nebezpečí změněného složení ovzduší spočívá též v tom, že vlivem zesilujících zpětných vazeb by v budoucnu další oteplování a s ním související klimatické změny mohly dále a zrychleně probíhat i tehdy, kdyby lidstvo přestalo emitovat skleníkové plyny a aerosoly (viz např. film WakeUpFreakOut, české titulky k němu viz zde).
(Dále k pojmu zde.)
je pojem doposud málo běžný, ale pro výstižné vyjadřování nezbytně potřebný.
Jakkoliv je pojem globální oteplování fyzikálně přesný, není to pojem, který by naznačoval, co všechno se přitom vlastně děje. Naznačuje jen to, že vyrovnanost příjmu a výdeje záření Zemí, která byla v posledních tisíciletích velmi dobrá, již přestala platit – což samozřejmě musí mít nějaké fyzikální příčiny. Ještě méně výstižný je pojem změna klimatu – ten už vůbec nenaznačuje příčiny ani povahu změn, leckdo tak může mít dojem, že jde o přirozené, vždy probíhající proměny dané dynamikou klimatického systému. Není náhodou, že největší firmy profitující z užívání fosilních paliv (a politici, kteří je reprezentují), kdysi důrazně propagovaly užívání tohoto sousloví namísto konkrétnějšího obratu globální oteplování. Změní se klima? To je toho, když odjedeme o dvě sta kilometrů jižněji, je ta změna větší... Citujme ale volně Johna P. Holdrena, vědeckého poradce prezidenta Obamy a ředitele jeho Úřadu politik vědy a technologie:
Pojem globální oteplování může dokonce vyvolávat dojem, že
Jenže změny jsou doopravdy
Průměrná globální teplota je jen základní, nejprostší, a přitom velmi užitečný ukazatel stavu klimatu. Je to něco podobného jako teplota těla. Máte-li zvýšenou teplotu nebo horečku, je to signál, že je něco v nepořádku. Zvýšení teploty o „pouhé dva stupně“ je závažná věc. Jde pak o to, co za tím vězí, co to přináší a jak by se to mohlo vyvíjet.
Klima je totiž kromě průměrů charakterizováno i extrémy, dobou výskytu, prostorovým uspořádáním
Změna klimatu znamená rozvrat doposud existujících charakteristik. Malá změna ukazatele (průměrné teploty) znamená velké změny výskytu různých typů počasí. Pro lidská i přírodní společenství, která se vyvinula za podmínek značné stability klimatu, panující od konce doby ledové, to leckde již nyní znamená ohrožení, poškození, ne-li přímo zkázu. Jde o dostupnost vody, o produktivitu zemědělství, lesů a rybářství, o výskyt přílišného vedra nebo vlhkosti, o tvorbu a šíření jedovatého znečištění ovzduší, o geografické rozšíření chorob, o škody z vichřic, záplav, povodní, sucha a požárů, hmyzích kalamit likvidujících lesy. Události roku 2010 (horka a požáry v Rusku, jaké tam nebyly ještě nikdy a jaké by za někdejšího přirozeného stavu klimatu nemohly nastat – a v souvislosti s tím i teplotní rekordy, ale také ohromné povodně a záplavy v Pákistánu a v okolí, záplavy v australském Queenslandu, nehledě na katastrofy menšího rozsahu jinde po světě, vč. českých povodní nebo přívalů sněhu v Evropě i Spojených státech znemožňujících leteckou dopravu a ztěžujících dopravu vůbec) jsou ilustrací stavů počasí, jaké lze očekávat stále hojněji.
Do budoucna jde též o ztrátu území, kterou lze očekávat vlivem stoupání hladiny moře, o výdaje na to, aby naše technické systémy dokázaly fungovat i v dříve nevídaných podmínkách, o nové „stěhování národů“, o zrychlené vymírání druhů a mizení celých ekosystémů (které je již dnes stokrát rychlejší než by bylo v přírodě, zatím hlavně vlivem jiných lidských tlaků než je změna klimatu), o geochemický rozvrat oceánu.
Rozvrat klimatických charakteristik, na nichž jsou dnešní území, často zalidněná až po samou hranici své únosnosti, zcela závislá, s sebou přináší rozvrat spousty dalších věcí. Destabilizace klimatu a rozvrat jí způsobený se odehrává a zejména bude odehrávat po celém světě, tedy globálně. Zhroucení Somálska či ještě spíše genocida v Dárfúru jsou pravděpodobně vyvolány tím, že se tam změnou klimatu snížila dostupnost vody...
vzniká tehdy, když je mezi dvěma tělesy různých teplot prostředí, které propouští záření teplejšího tělesa lépe než záření tělesa chladnějšího – které pohlcuje dlouhovlnné záření více než záření krátkovlnné. Takové prostředí je jak sklo, tak i zemská atmosféra.
Přidá li se nad osluněnou dutinu sada utěsněných skel oddělených vzduchovými mezerami, dutina se ohřeje na teplotu mnohem vyšší, než má okolní vzduch. Pod každým sklem je teplota o něco vyšší, dole v dutině je nejvyšší. Příčinou je to, že sluneční záření skly valnou většinou prochází, čímž je do dutiny dodáváno teplo, ale z dutiny teplo ven skrz skla teplo snadno odcházet nemůže. Až při velkém teplotním rozdílu mezi dutinou a okolním vzduchem se tok tepla ven může vyrovnat toku tepla dovnitř. Takový sluneční vařič se třemi skly (mezery mezi nimi činily asi 4 cm, teplota ve vařiči dosahovala 110 stupňů) zkonstruoval r. 1767 Horace-Bénédict de Saussure. Roku 1824 pak Jean Baptiste Joseph Fourier (ano, ten co objevil Fourierovu transformaci) jeho funkci vysvětlil a dodal, že podobně funguje ovzduší – sluneční záření (s vlnovými délkami desetin mikrometru – světlo – až tří mikrometrů) většinou propouští, zatímco sálání zemského povrchu (je to, jak dnes víme, dlouhovlnné infračervené záření s vlnovými délkami od tří do stovek mikrometrů) vzhůru valnou většinou pohlcuje. Jen proto není Země zmrzlá na kost, je tepelně izolovaná od studeného vesmíru svou průhlednou atmosférou. Rozdíl oproti několikanásobnému zasklení je v tom, že když je zemský povrch už tak teplý, že spád teploty směrem nahoru ovzduším dosáhne 10 K/km (deseti stupňů na kilometr), začne se vzduch promíchávat, teplo se šíří vzhůru i prouděním (zatímco skrze skla vzduch proudit nemůže, konvekce čili proudění vzduchu se odehrává jen v jednotlivých dutinách ohraničených skly). A pak také v tom, že vzduch přece jen nějaké sálání látek s teplotou 250 K až 300 K (tedy kolem nuly Celsia) propouští, zatímco sklo vůbec ne. (Jiný popis s hypertextovými odkazy viz http://amper.ped.muni.cz/gw/ipcc_cz/gloss_en_cz.html#skleníkový_efekt.)
Plyny, které pohlcují dlouhovlnné infračervené záření (s vlnovou délkou přes 3 μm) a vyskytují se v zemském ovzduší. Mluvíme-li o jejich emisích, máme na mysli ty, jejichž koncentrace prakticky nezávisí na teplotě: i dříve se vyskytující CO2, CH4, N2O, O3 a nově přidané halogenované uhlovodíky a SF6.
V roce 1859 změřil John Tyndall pohlcování dlouhovlnného infračerveného záření vydávaného předměty běžných teplot (užíval zejména nádoby s vroucí vodou) různými plyny. Zjistil tak, že skleníkový jev není působen dusíkem a kyslíkem, ale především vodní parou, dále oxidem uhličitým, ale také oxidem dusným. Spolu s metanem a ozónem jsou to přírodní skleníkové plyny, které skleníkový jev způsobují. Tyndall upozorňoval na běžně známý jev, kdy v oblastech se suchým vzduchem za jasného počasí kolísá teplota mezi dnem a nocí mnohem více, než v oblastech se vzduchem vlhkým, se skleníkovým jevem mnohem silnějším.
Dnes víme, že díky silnému pozemskému skleníkovému jevu získává zemský povrch dvakrát více sálavého tepla z ovzduší (asi 333 W/m2) než ze Slunce (asi 161 W/m2). Jen proto může být tak teplý. Nebýt skleníkových plynů, klesla by jeho teplota postupně o asi 34 K, kdyby zůstal stejně tmavý – samozřejmě by nezůstal, ale zamrzl by a zbělal, takže by teplota klesla ještě mnohem více.
Jak se intenzita skleníkového jevu mění s koncentrací oxidu uhličitého v ovzduší, spočítal a v roce 1896 publikoval Svante Arrhenius. Vysvětlil tím, jak je možné, že v dobách ledových byla Země o tolik chladnější. Současně také poznamenal, že spalování fosilních paliv povede časem k oteplení. Jeho tehdejší výsledek, že zdvojnásobení koncentrace CO2 (z tehdejších 280 ppm čili milióntin na 560 ppm) by vedlo ke zvýšení globální teploty o pět až šest stupňů, náhodou odpovídá posledním poznatkům. Dnes víme, že tak velká změna nastává, až se ke zvýšení tepelně-izolační schopnosti ovzduší přidá ztmavnutí moře úbytkem sněhu a ledu a po delší době i ztmavnutí krajiny odledněním a nástupem vegetace do dříve příliš chladných oblastí.
Fosilní paliva jsou hlavním zdrojem rostoucích koncentrací přírodních skleníkových plynů, dalším zdrojem je odlesňování, degradace půd a zemědělství vůbec. Atmosféra nyní obsahuje také plyny nepřírodní, halogenované uhlovodíky (např. freony). Skleníkové plyny se od hlavních složek ovzduší (N2, O2, Ar) liší tím, že jejich molekuly se skládají alespoň ze tří atomů a mohou pohlcovat a vyzařovat dlouhovlnné infračervené záření tím, že mění svůj rotační nebo vibrační stav.
Kromě vodní páry jsou všechny skleníkové plyny takové, že ani za nízkých teplot nekondenzují na kapalinu či nevytváří led. Kromě přízemního ozónu činí navíc jejich životnost v ovzduší ne dny, jako u vodní páry, ale léta až tisíciletí, takže jsou jejich koncentrace podobné po celé zemi a v celé tloušťce ovzduší. Vodní páry je naproti tomu velmi málo v ovzduší chladném – v polárních oblastech, ve velkých výškách, v zimě.
V ustáleném stavu, jaký panoval prakticky ještě v devatenáctém století, vyzařovala Země do vesmíru z horních chladných vrstev troposféry tolik tepla, jako pohlcovala ze Slunce, asi 240 W/m2. Nyní vlivem přidaných skleníkových plynů do vesmíru sálají až vyšší, a tedy chladnější vrstvy vzduchu (nebo jinak, z vesmíru není ve většině vlnových délek dlouhovlnného infračerveného záření „vidět“ tak hluboko do atmosféry), sálají proto méně. Na druhé straně Země také pohlcuje méně slunečního záření, vinou zakalení ovzduší aerosoly vznikajícími z oxidů síry a dusíku, jedovatých produktů spalování fosilních paliv. Vliv přidaných skleníkových plynů ale v posledních desetiletích už převažuje (CO2 je již 390 ppm), a vyzařování Země do vesmíru je tak o půl až jeden a půl wattu na metr čtvereční menší než pohlcované sluneční teplo. Teplota oceánů, pevnin a v důsledku toho i ovzduší proto roste. S rostoucí teplotou ovzduší v něm i přibývá vodní páry, čímž se skleníkový jev dále zesiluje a zesilovat bude.
Tok tepla do oceánů, jen do svrchních dvou kilometrů jejich
tloušťky (další teplo jde do dolních 2 km). Zdroj: von
Schuckmann, K., F. Gaillard, and P.-Y. Le Traon (2009), Global
hydrographic variability patterns during 2003–2008, J.
Geophys. Res., 114, C09007, doi:10.1029/2008JC005237.
Schémata, která naznačují funkci skleníkových plynů a toky energie na Zemi a z ní jsou zde, zde a na str. 4 zde a podrobněji na konci této práce.
je pojem poměrně složitý, popisující vliv změněného složení ovzduší jakožto „poruchu“, která působí na klimatický systém. Je to změna netto měrného zářivého toku skrze tropopauzu vlivem nového vnějšího působení na klimatický systém, pokud by vlastnosti troposféry a povrchu planety zůstaly nezměněny. Kladné radiační působení znamená, že jde o vliv planetu oteplující.
Touto veličinou, vyjadřovanou ve wattech na metr čtvereční, se charakterizují zejména vlivy změny koncentrace (oproti době před průmyslovou revolucí) skleníkových plynů s dlouhou životností v ovzduší. V češtině viz podrobnější definici v glosáři Souhrnné zprávy Změna klimatu 2007 a grafické znázornění v české verzi obrázku ze Změny klimatu 2007. Detailní popis pak viz Kapitolu 2 prvního dílu Změny klimatu 2007, Fyzikální základy.
Radiační působení není totéž jako momentální přebytek záření pohlcovaného Zemí oproti tomu, které vyzařuje. Ten je poněkud menší vlivem toho, že se Země již oteplila. Ale zase ne o tolik menší, protože v teplejším ovzduší je více vodní páry, čímž se skleníkový jev zesiluje. Grafické znázornění současné radiační nevyrovnanosti viz str. 5 zde.
