Príčiny klimatickej zmeny
Na dlhodobé zmeny klímy, ako aj krátkodobé kolísanie a premenlivosť majú významný vplyv tak prírodné a v poslednom období aj antropogénne vplyvy. Medzi významné prírodné faktory môžeme zaradiť (i) zmeny intenzity slnečného žiarenia, (ii) zmeny orbitálnych parametrov planéty Zeme, (iii) zmeny rozloženia kontinentov a oceánov, (iv) zemyn oceánskeho prúdenia, (v) intenzívnu vulkanickú činnosť a (vi) dopady veľký asteroidov alebo komét.
Prírodné faktory ovplyvňujúce zmeny klímy
(i) Intenzita slnečného žiarenia
Kľúčovým zdrojom energie pre Zem je
Slnko. Relatívne malé zmeny energie, ktorá dopadá zo Slnka na povrch
Zeme, môžu vyvolať zmeny klímy na Zemi. Jednou z najlepšie
zdokumentovaných prejavov slnečnej aktivity je tzv. 11-ročný slnečný
cyklus. V čase výskytu väčšieho množstva slnečných škvŕn stúpa množstvo
energie vyžiarenej Slnkom. Táto zmena je nezanedbateľná najmä v
spektrálnej oblasti s najkratšími vlnovými dĺžkami žiarenia (UV oblasť
spektra). Intenzita slnečného cyklu sa v čase mení. V období 1645 - 1715
na Slnku neboli pozorované takmer žiadne slnečné škvrny (Maunderovo
minimum slnečnej aktivity) a v tomto období bol zaznamenaný aj pokles
globálnej teploty Zeme (Malá doba ľadová). Mechanizmus, akým by dlhodobé
zmeny slnečnej aktivity mohli ovplyvniť klímu Zeme nie je zatiaľ známy.
(ii) Zmeny orbitálnych parametrov Zeme
Nebeská mechanika umožňuje presne
vypočítať, ako sa vzhľadom na usporiadanie planét v Slnečnej sústave
menia astronomické parametre Zeme - tvar jej obežnej dráhy okolo Slnka,
sklon osi rotácie a jej smerovanie v priestore. Vplyv periodických zmien
týchto parametrov na klímu Zeme si ako prvý uvedomil srbský vedec
Milutin Milankovič (Pribullová, 2004).
Zmena excentricity obežnej dráhy Zeme sa
mení s periódou asi 100 tisíc rokov. Počas jednej periódy sa obežná
dráha Zeme zmení z kruhovej dráhy na eliptickú s excentricitou 0,06. V
súčasnosti je obežná dráha Zeme veľmi podobná kruhovej (excentricita
dráhy Zeme je 0,01). Zem je najbližšie k Slnku v čase zimného slnovratu
(zima na severnej pologuli). To prispieva k miernejším zimám a nie
príliš horúcim letám na severnej pologuli. Množstvo energie dopadajúcej
na hornú hranicu atmosféry sa kvôli excentricite obežnej dráhy Zeme mení
o ±3,5%. Keby excentricita dráhy Zeme dosahovala najväčšiu hodnotu,
množstvo slnečnej energie dopadajúce na hornú hranicu atmosféry by sa
počas roka menilo v rozsahu ±10,0%. Zmena sklonu osi rotácie Zeme voči
ekliptike súvisí opäť s existenciou ročných období. V súčasnosti je os
rotácie Zeme sklonená voči ekliptike o 23,5º, s periódou cca 41 tisíc
rokov sa mení od 22,5 º do 24,5 º. Väčší uhol sklonu znamená výraznejšie
vyjadrené ročné obdobia vo vysokých zemepisných šírkach. Predpokladá
sa, že počas období s malým sklonom osi rotácie Zeme voči ekliptike by v
miernom a polárnom pásme prevládali miernejšie zimy, v teplejšom
vzduchu by sa udržalo väčšie množstvo vodnej pary, čo by malo za
následok viac snehových zrážok v polárnej oblasti a výraznejší rast
polárnych ľadovcov. Letá by boli v takomto prípade vo vysokých
zemepisných šírkach chladnejšie.
Zemská os vykazuje taktiež tzv. precesný
pohyb, čo spôsobuje periodické zmeny jej smerovania (perióda precesného
cyklu zemskej osi je cca 23 tisíc rokov). V súčasnosti je v januári
severná pologuľa vďaka precesnému cyklu bližšie k Slnku a v júli je
vzdialenejšia. Ak by sa nemenili ostatné astronomické parametre, tak o
11 tisíc rokov by sme na severnej pologuli boli v zime ďalej od Slnka,
čím by sa zvýšili rozdiely medzi zimou a letom. Zmeny všetkých
astronomických parametrov pôsobia súčasne. Terajšia konštelácia
Milankovičových parametrov praje skôr globálnemu ochladzovaniu
(Pribullová, 2007).
(iii) Zmeny rozloženia kontinentov a oceánov
Pri skúmaní klímy Zeme za jej geologické
obdobie je potrebné zohľadniť zmeny v rozložení oceánov a kontinentov,
ktoré v minulosti nastali a prebiehajú aj v súčasnosti. Teória tektoniky
kontinentálnych platní (teória kontinentálneho driftu) predpokladá, že
povrch Zeme je tvorený platňami pevniny, ktoré sa posúvajú po kvapalnom
podklade. Pri tomto pohybe sa niektoré dosky kontinentov od seba
vzďaľujú, iné sa pod seba podsúvajú. Sústredenie veľkých kontinentálnych
oblastí v polárnom a miernom pásme predstavuje lepšie podmienky pre
vznik globálneho zaľadnenia, rozloženie kontinentov tiež vplýva na
oceánsku cirkuláciu a tak nepriamo aj na klímu, vznik a zánik pohorí
ovplyvňuje regionálnu cirkuláciu atmosféry, čo sa môže odraziť aj na
globálnej klíme Zeme (vysoké pohoria v miernom a polárnom pásme tiež
umožňujú rýchlejšie vytvorenie kontinentálnych ľadovcov), rozhrania
medzi kontinentálnymi platňami sú oblasťami s intenzívnou sopečnou
činnosťou.
(iv) Zmena oceánskeho prúdenia
V oceánoch existujú po tisícročia
viac-menej stabilné povrchové a hlbokomorské prúdy, ktorých charakter
je určený mnohými faktormi. Výsledkom je charakteristické pole teploty
povrchu oceánu. V priestore dotyku studeného Labradorského a teplého
Golfského prúdu (ale aj inde v podobných prípadoch na Zemi) je dôležitý
vzťah hustoty studenej ale máloslanej a teplej ale viac slanej morskej
vody. Čím je voda chladnejšia, tým má väčšiu hustotu (najväčšiu hustotu
má ale pri 4 °C, pri ďalšom ochladení opäť jej hustota klesá), na
druhej strane aj čím je slanšia, tým má tiež väčšiu hustotu. Tak sa
môže stať, že máloslaná voda s teplotou 2 °C má rovnakú hustotu ako
najslanšia morská voda s teplotou 20 °C. Ak by k tomu došlo v priestore
dotyku Labradorského a Golfského prúdu, tak by Labradorský prúd neklesal
pod teplý Golfský ako teraz, ale by ho odtlačil na inú (južnejšiu)
dráhu. Teplý Golfský prúd by mohol smerovať k Portugalsku a otáčať sa
na juh, čo by malo za následok ochladenie Británie asi o 5 °C a severu
Nórskeho mora aj o viac ako 10 °C. Terajšie rozloženie plávajúceho
morského ľadu na konci zimy by sa dramaticky zmenilo (Nórske more by
bolo až po Island pokryté ľadom a aj v strednej Európe by mohlo byť
napriek globálnemu otepleniu o 2,5 °C o málo chladnejšie ako
v posledných desaťročiach). To isté sa môže stať aj na severe Pacifiku,
no vzhľadom na iné termo-halinné podmienky by bol konečný efekt oveľa
menší. Treba tiež dodať, že čím rýchlejšie bude rásť teplota morskej
vody okolo rovníka, tým bude tam aj väčší výpar a tým bude rýchlejšie
rásť aj salinita (koncentrácia soli) v teplých morských prúdoch.
Globálne oteplenie bude tiež znamenať rast úhrnov zrážok v polárnych
oblastiach (pri vyššej teplote je v atmosfére v stave nasýtenia viac
vodnej pary), pričom takmer všetky budú tam padať vo forme snehu a budú
znamenať rast objemu polárnych pevninských ľadovcov. Pevninské polárne
ľadovce postupne „stekajú" (putujú) k pobrežiu mora, tam sa roztápajú
a zmenšujú salinitu studených morských prúdov. Globálne oteplenie tak
môže urýchliť proces termo-halinného kolapsu morskej cirkulácie. Odozva
bude však trvať niekoľko desaťročí až storočí, lebo rýchlosť stekania
pevninských polárnych ľadovcov k pobrežiu morí je od niekoľkých metrov
do niekoľkých stoviek metrov za rok. K znižovaniu salinity morskej
vody v polárnych oblastiach prispievajú aj padajúce zrážky na morskú
hladinu, voda pritekajúca v riekach a nepriamo aj nepatrný výpar
v porovnaní s tropickým pásmom. Globálnu termo-halinnú cirkuláciu
ovplyvňuje teda predovšetkým po stáročia veľmi stabilný celkový režim
teploty a salinity morskej vody v polárnych a tropických šírkach. Za
kolaps tejto cirkulácie považujeme jej relatívne náhlu zmenu, náhle
spomalenie alebo aj zastavenie. Preto je vznik uvedeného kolapsu do roku
2020 veľmi málo pravdepodobný.
(v) Intenzívna sopečná činnosť
Spôsobila pravdepodobne tiež vymieranie
na konci prvohôr. K najväčším známym erupciám patrí zaplavenie západnej
časti Sibíri lávou s rozlohou asi 2,5 milióna km2. Vtedy
zahynulo asi 95 % druhov organizmov na Zemi. Na konci druhohôr to bola
zasa erupcia čadičov v Indii, ktorá zanechala za sebou 2 km hrubú vrstvu
čadiča s rozlohou asi 500 tisíc km2. Táto udalosť mohla
súvisieť s dopadom asteroidu v Mexiku, ktorý vyvolal napätie na opačnej
strane Zeme. Sopečné erupcie zasahovali i do histórie ľudstva. Pred 75
tisíc rokmi bola najmohutnejšia explózia počas štvrtohôr. Sopka Tumbo na
Sumatre vyvrhla asi 1 000 km3 popola a 2 000 km3
lávy. Erupcia zanechala kráter s priemerom 170 km. Znamenala výrazné
klimatické zmeny a teplota klesla o 5 °C na tisíc rokov. Táto udalosť
koinciduje s redukciou populácie človeka. 1600 rokov pred Kr. vybuchla
sopka Thera v Egejskom mori, ktorá pravdepodobne spôsobila zánik
minojskej civilizácie na Kréte. V roku 1783 sa odohrala trhlinová
erupcia Laki na Islande, ktorá vytvorila najväčší lávový prúd na Zemi
pozorovaný v historickom období. Táto udalosť pravdepodobne vyvolala
kruté zimy a veľké neúrody vo Francúzsku, čo mohlo viesť k Francúzskej
revolúcii. V roku 1815 vybuchla sopka Tambora v Indonézii, ktorá vyvrhla
50 km3 materiálu. Bola to najvýbušnejšia explózia za
posledných 10 tisíc rokov. Na tri dni nastala úplná tma v okruhu 300 km.
Nasledoval „rok bez leta". Priemerná globálna teplota klesla o 1 °C,
niekde až o 2,5 °C. V mnohých krajinách boli neprestávajúce dažde, sneh a
mráz aj v letných mesiacoch. V spoločnosti ľudí nasledovali hladové
búrky a nepokoje.
(vi) Dopady asteroidov a komét
V prvej fáze vývoja Zeme boli veľmi
časté. Pred 65 mil. rokov na rozhraní kriedy a treťohôr sa udiala
katastrofa, spôsobená dopadom kométy (asi 10 km v priemere) neďaleko
polostrova Yucatán v Mexiku. Materiál vymrštený pri dopade zatienil
Slnko, teplota klesla pod bod mrazu na niekoľko mesiacov a vznikli
obrovské vlny - tsunami. Spôsobilo to vyhynutie mnohých druhov
živočíchov.
Ľuďmi podmienené faktory
Zemský klimatický systém sa v posledných
rokoch výrazne mení a tieto zmeny sa pripisujú najmä vplyvu človeka -
osobitne zvýšeniu emisií skleníkových plynov - výsledkom je globálne
otepľovanie prízemných vrstiev atmosféry.
Atmosfére predstavuje zmes plynov,
ktorých relatívny podiel sa až do výšky 100 km nad zemským povrchom
takmer nemení. Niektoré z týchto plynov majú zásadný vplyv na tzv.
energetickú bilanciu zemskej atmosféry - sú to tzv. skleníkové plyny - svojimi fyzikálnymi vlastnosťami udržiavajú na Zemi teplo slnečného žiarenia - ide o tzv. skleníkový efekt.
Prirodzený skleníkový efekt
atmosféry tu bol od počiatku existencie Zeme. Funguje v zjednodušenej
interpretácii tak, že atmosféra prepúšťa prichádzajúce, prevažne
viditeľné slnečné žiarenie (s vlnovou dĺžkou okolo 460 nm) na zemský
povrch iba s malou absorpciou atmosférou, aerosólmi a oblačnosťou.
Podstatná časť slnečného žiarenia preto dopadá na zemský povrch, ten sa
zohrieva a vyžaruje smerom nahor tepelné žiarenie s väčšou vlnovou
dĺžkou (s maximom hustoty toku okolo vlnovej dĺžky 12 000 nm
v závislosti od teploty vyžarujúceho povrchu v súlade so
Stefan-Boltzmannovým zákonom). Toto odchádzajúce dlhovlnné žiarenie
skleníkové plyny v atmosfére takmer úplne pohlcujú, ohrievajú sa
a vyžarujú tiež tepelné žiarenie smerom k Zemi. Je zaujímavé, že
jednotlivé skleníkové plyny sa vzájomne dopĺňajú tak, že cez
atmosférické okno vodnej pary (vlnová dĺžka 8500 až 12 000 nm) uniká
priamo do kozmického priestoru iba malé množstvo vyžarovania zemského
povrchu (asi 40 W.m-2 z celkového toku 390 W.m-2).
Tak sa udržuje pri zemskom povrchu charakteristická priemerná teplota
vzduchu. Čím je v atmosfére skleníkových plynov viac, tým je pri
zemskom povrchu vyššia teplota vzduchu. Prirodzený skleníkový efekt
predstavuje oteplenie o 33 °C. Ak by vzrástlo iba množstvo oxidu
uhličitého (CO2) na dvojnásobok, zosilnel by skleníkový
efekt atmosféry na asi 35 °C, teda asi o 2 °C. Dôležité je teda
zosilňovanie skleníkového efektu atmosféry vplyvom emisie skleníkových
(radiačne aktívnych) plynov. Bez skleníkových plynov by bola teda
priemerná globálna teplota vzduchu pri zemskom povrchu o približne 33 °C
nižšia ako je dnes. Zem by pravdepodobne nebola vôbec vhodná pre život,
ako ho poznáme, bola vy pokrytá snehom a ľadom od rovníka až k pólom.
Skleníkový efekt je prirodzený jav,
ktorý umožňuje život na Zemi. Príčinou globálneho otepľovania teda nie
je existencia skleníkového efektu, ale jeho zosilnenie zvýšením koncentrácie skleníkových plynov v dôsledku ľudskej činnosti.
Uvoľnené skleníkové plyny zachytávajú a k zemskému povrchu vracajú
väčšiu časť emitovaného infračerveného žiarenia, ako v prípade
prirodzeného skleníkového efektu.
Aktivitou človeka sa zvyšuje množstvo plynov v atmosfére, najmä CO2,
metánu a oxidu dusného. Do atmosféry sa dostáva ročne takmer 10 miliárd
ton fosílneho uhlíka. Biosféra s takýmto prísunom nepočítala a nevie ho
rovnako rýchlo vrátiť späť do podzemných rezervoárov ako fosílie. To je
hlavná príčina, že koncentrácia CO2 a metánu rastie
v atmosfére v podstate paralelne s objemom spotreby fosílneho uhlíka
rôznymi ľudskými aktivitami (Obr. ). Ako pôsobia jednotlivé ľudské
činnosti na zvyšovanie koncentrácie CO2 v zemskej kôre?
Spaľovanie fosílnych palív pridávalo do ovzdušia v druhej polovici
90-tych rokov asi 6Gt uhlíka. Odvtedy neustále rastie.
Podľa správy Európskej environmentálnej
agentúry o stave životného prostredia (European Environment Agency,
2005) sa dnes uvoľňuje do atmosféry až 25 miliárd ton CO2
ročne (v súčasnosti je toto číslo ešte vyššie). Polovicu tohto množstva
dokážu zatiaľ odbúrať oceány. K zvyšovaniu koncentrácie CO2
prispievajú najmä vyspelé krajiny, z nich najviac USA ( viac ako 30%),
nasledujú západná a stredná Európa ( spolu takmer 28%), potom Ázia ( bez
Ruska) prispieva 14% a samotné Rusko 12%.
K zvyšovaniu koncentrácie CO2 v ovzduší vedie aj postupné vypaľovanie lesov. Tým sa znižuje aj kapacita absorbérov CO2.
V miernom pásme sa rozloha lesov nezmenšuje, treba vedieť, že tropické
pralesy nie sú len biocentrami života, ale aj významné absorbéry CO2 a tým aj stabilizátormi klímy. Ich súčasné nivočenie 20- 24 mil. ha ročne teda nepriamo zvyšuje koncentráciu CO2 v atmosfére. Toto neustále zvyšovanie CO2
v ovzduší je podľa vedeckých odhadov zodpovedné asi za 70% rastu
teploty zemského povrchu. Významné sú aj ďalšie plyny, ktoré sú
v atmosfére v oveľa menších koncentráciách. Patria k nim metán, oxid
dusný a chlórfluórované uhľovodíky.
Metán je zodpovedný asi za 20% celkového
otepľovania. Je hlavnou zložkou zemného plynu, bol známy ako bahenný
plyn. Človek prispel k zvyšovaniu jeho koncentrácie v ovzduší najmä
ťažbou fosílnych palív, distribúciou ropy, zemného plynu, ďalej rozvojom
chovu hovädzieho dobytka - v jeho zažívacom trakte vzniká metán
fermentáciou. V menšej miere metán uniká z komunálnej kanalizácie a zo
skládok odpadu, uvoľňuje sa tiež pri pálení biomasy. V troposfére
ostáva 9 až 15 rokov, pričom jedna molekula CH4zachytáva až 23- násobne viac tepla ako molekula CO2. Oxid dusný (N2O)
môže vstúpiť až do stratosféry, kde poškodzuje ozónovú vrstvu.
V troposfére je účinným skleníkovým plynom, jeho životnosť v ovzduší je
asi 120 až 150 rokov. Jeho molekula zadržiava asi 296- násobne viac
tepla ako molekula CO2. Zdrojom tohto plynu je chemický priemysel,
poľnohospodárstvo, odpady z chovu dobytka, fosílne palivá bohaté na
dusík, dokonca katalytické konvertory v autách.
Významným skleníkovým plynom je aj ozón.
Od roku 1750 vzrástla jeho koncentrácia približne o jednu tretinu.
Produkcia prízemného ozónu vykazuje veľké regionálne rozdiely.
Syntetické skleníkové plyny - freóny sú látky poškodzujúce ozónovú
vrstvu a súčasne sú významnými skleníkovými plynmi. Sú to syntetické
látky, ktoré sa v prírode prirodzene nevyskytujú. Unikajú z chladiacich
náplní starých chladničiek a klimatizačných zariadení. Ich zdrojom je aj
vyparovanie čistiacich prostriedkov a rozpúšťadiel. V troposfére
zotrvajú 10 až 20 rokov, počas ktorých účinne zachytávajú infračervené
žiarenie emitované zemským povrchom. Jedna molekula freónu zachytí od
900 až po 8300 krát viac tepla ako molekula CO2. Globálne
otepľovanie je nehomogénny jav - severný a južný pól sa otepľujú
rýchlejšie ako rovníkové oblasti, pričom kontinenty sa otepľujú
rýchlejšie ako oceány.
Podľa IPCC existujú dôkazy o tom, že
klimatické zmeny sa už začali. Zemská klíma sa prirodzene mení, čo
sťažuje určenie účinku narastajúcej koncentrácie skleníkových plynov.
Avšak trend nárastu globálnej teploty sa zhoduje s trendom predpovedaným
na základe počítačového modelovania klímy. Zdá sa veľmi
nepravdepodobné, že nárast teploty by bol spôsobený výlučne prirodzenými
zmenami. Hoci tu zostáva viacero neistôt, klimatológovia veria, že váha
dôkazov podporuje teóriu vplyvu ľudskej činnosti na klímu.
Je evidentné, že uplynulé dve desaťročia
boli najteplejšími v uplynulom tisícročí, morská hladina stúpa a mení
sa charakter zrážkovej činnosti. Arktický ľad sa stenčuje a výskyt
a intenzita javu El-Niño narastá. Svet na mnohých miestach trpí vlnami
horúčav, sucha, záplav a extrémne výčiny počasia viedli k obrovským
škodám na ľudských životoch i na majetku. Hoci individuálne extrémne
javy nemôžu byť priamo spájané s človekom vyvolanými klimatickými
zmenami, výskyt a rozsah týchto javov sú pravdepodobnejšie počas
teplejšej klímy.