utorok, 19. júla 2016

Vysušovanie krajiny vs. silnejúci skleníkový efekt

Je príčinou klimatickej zmeny a globálneho otepľovania vysušovanie krajiny?

V súvislosti s príčinami globálneho otepľovania a klimatickej zmeny sú klimatológovia v posledných rokoch vystavení neutíchajúcemu náporu otázok typu: "Je globálne otepľovanie spôsobené vysušovaním krajiny a odvodňovaním vnútrozemia kontinentov?", prípadne: "Ako je možné, že aj napriek prebiehajúcemu otepľovaniu sa vyššie vrstvy atmosféry ochladzujú?". Často krát sú to práve študenti stredných, prípadne vysokých škôl, ktorí [zdá sa] ešte nevedia celkom posúdiť, ktorá teória je správna a ktorá je, naopak, zjavným nezmyslom. 

Napríklad, pred asi mesiacom sme obdržali ďalšiu podobnú otázku od nemenovaného študenta gymnázia: "Zaujímam sa o problematiku životného prostredia a dostal som sa ku hydrológovi menom Michal Kravčík. Prečítal som si niektoré jeho publikácie a zúčastnil sa niekoľkých prednášok. Zaujímal by ma postoj SHMÚ a váš na jeho interpretáciu. Podľa jeho tvrdení je za súčasným klimatickým stavom odvodňovanie krajiny a znižovanie H2O v atmosfére, to spôsobuje prehrievanie atmosféry, výskyt veľkých horúčav a silných búrok, ako vidíme aj teraz v Európe, v širšom rámci je to jedna z príčin globálneho otepľovania. Môžete mi prosím povedať vaše odborné vyjadrenie k takejto interpretácii?" 

Tu je naše stanovisko k tejto veci:
Stanovisko celej odbornej hydrologickej a klimatologickej komunity k problematike príčin klimatickej zmeny je dlhodobo konzistentné s výsledkami medzinárodného výskumu, ktorého hlavné závery sú v pravidelných sedem ročných periódach prehľadne zhrnuté v obsiahlych správach IPCC. Naposledy boli uvedené závery prezentované v piatej správe IPPC [AR5: http://1url.cz/QtJP0] v roku 2013, resp. 2014, pričom podrobnejšie informácie o fyzikálnej podstate príčin a dôsledkov zmeny klímy boli predmetom hodnotenia Pracovnej skupiny I [WGI: http://www.ipcc.ch/report/ar5/wg1/]. Všeobecný vedecký konsenzus o tom, že hlavnou príčinou otepľovania klimatického systému (to znamená, nielen atmosféry Zeme) minimálne od polovice 20. storočia sú antropogenné emisie skleníkových plynov (predovšetkým potom CO2), je v súčasnosti prijímaný nielen inštitúciami ako Svetová meteorologická organizácia [http://1url.cz/FtJPX] a národnými meteorologickými službami, ale aj širšou, teda nielen klimatologickou vedeckou komunitou [Zdroj: http://1url.cz/LtJcF]. Základné informácie o klimatickej zmene a dlhodobej časovej premenlivosti klimatického systému preto ponúka aj oficiálna stránka SHMÚ [http://1url.cz/JtJPO], prípadne sa venovala aj ďalším, špecializovanejším okruhom, akými boli napr. priestorový a časový výskyt sucha na Slovensku, a nárast jeho extrémnosti v dôsledku otepľovania a rastu extrémnosti počasia [http://1url.cz/vtJPx]. K rizikám spojenými s prejavmi a dôsledkami klimatickej zmeny sa dlhodobo vyjadruje aj Svetová banka [Zdroj: http://1url.cz/wtJca].


Žiaľ, v niektorých slovenských, ale aj zahraničných médiách dostávajú priestor aj rôzne tzv. „alternatívne“ teórie alebo hypotézy, ktoré však nerešpektujú nielen výstupy vedeckého výskumu, ale aj fundamentálne fyzikálne zákony termodynamiky zemskej atmosféry a radiačnej bilancie klimatického systému. Medzi takéto osoby patrí aj Ing. Michal Kravčík, ktorý dlhodobo popiera a ignoruje konzistentný odborný názor slovenskej vedeckej obce na problematiku príčin, prejavov a dôsledkov klimatickej zmeny. Výsledkom jeho dezinterpretácií je nakoniec aj to, že si, pravdepodobne účelovo, zamieňa príčinu s následkom. [Presnejšie povedané, mylne sa domnieva, že otepľovanie klimatického systéme je spôsobené stratou vody v krajine a vysušovaním vnútrozemia kontinentov, teda aj poklesom obsahu vodnej pary v atmosfére - pričom vedecký výskum a empirické merania dokazujú pravý opak, a to, že rastúci rozsah sucha je bezprostredným následkom vyššej teploty atmosféry a teda aj intenzívnejšieho výparu zo zemského povrchu; následné rýchlejšie ohrievanie suchšieho povrchu kontinentov funguje ako tzv. spätná pozitívna väzba, ktorá následne ďalšie otepľovanie len urýchľuje; k rastu vlhkosti atmosféry sa vyjadrujeme nižšie.]. 

Len na okraj možno uviesť, že hypotézou Ing. Kravčíka by sme len sotva dokázali vysvetliť, prečo k najrýchlejšiemu otepľovaniu dochádza v oblastiach Zeme, kde je vody (alebo snehu) na zemskom povrchu dostatok v priebehu celého roka: Arktída, severná až severovýchodná Sibír, Grónsko a severná Kanada. Odborná hydrologická a klimatologická obec sa k mylným interpretáciám Ing. Kravčíka o vývoji klímy a podstate hydrologických procesov viac či menej pravidelne vyjadruje už viac ako 20 rokov. Jeden z oficiálnych postojov je zhrnutý aj na stránke Ekolistu.cz [Zdroj: http://1url.cz/4tJP7].  

Z tohto vyjadrenia vyberáme nasledovné: „V oblasti riadenia vodného hospodárstva a životného prostredia sa významným predstaviteľom alternatívnych teórií, návrhov a praktických riešení stal Ing. Michal Kravčík, CSc., predseda občianskeho združenia Ľudia a voda. Už niekoľko rokov prezentuje názory na vývoj klímy a hydrológie Slovenska, ako aj návrhy riadenia vodného hospodárstva v našej krajine. Tieto prezentuje ako serióznu alternatívu k doposiaľ známym vedeckým poznatkom a štandardným postupom v hospodárení s povrchovými a podpovrchovými vodami. S poľutovaním konštatujeme, že teórie Michala Kravčíka týkajúce sa pohybu vody v krajine a príčin vzniku mnohých extrémnych hydrologických a klimatických prírodných javov neprešli náročným procesom vedeckej diskusie na národných a medzinárodných vedeckých fórach, kde mali byť pred ich širokou medializáciou prezentované a obhájené, nie sú postavené na základných teoretických vedomostiach v oblasti matematiky, fyziky, ako aj ďalších prírodných vied, a považujeme ich za odborne a vedecky neobhájiteľné. Absolútne neprijateľné sú mnohé jeho závery v oblasti hydrológie, fyziky klímy a hydrologických procesov prebiehajúcich v krajinnom systéme, ktoré nerešpektujú medzinárodne prijaté výsledky a vedecké metódy výskumu. Je veľmi nebezpečné, že niektoré závery Michala Kravčíka sú postavené na nepravdivých údajoch, ktoré často vedú k účelovým interpretáciám. Michal Kravčík sa vyhýba účasti na vedeckých a odborných fórach v oblasti hydrológie a vodného hospodárstva, čím takmer znemožňuje verejne a transparentne konfrontovať jeho názory so súčasnými poznatkami a prístupmi. Technické riešenia protipovodňovej ochrany a princípy riadenia vodného hospodárstva prezentované Michalom Kravčíkom nepovažujeme za serióznu alternatívu k postupom uplatňovaným v modernej a technicky vyspelej civilizácii a v mnohom nie sú v súlade so zásadami starostlivosti o vodstvo deklarovanými Európskou úniou v rámcovej smernici o vode, ktorej princípy sa v blízkej budúcnosti budú zavádzať aj v našom vodnom hospodárstve. Sú v priamom rozpore so snahou vedeckej a odbornej obce o zabezpečenie efektívnej protipovodňovej ochrany nášho územia, kvality životného prostredia a trvalo udržateľného rozvoja kultúrnej slovenskej krajiny.“

K príčinám a prejavom klimatickej zmeny a otepľovania klimatického systému Zeme
S pokrokom monitorovania všetkých zložiek klimatického systému Zeme, predovšetkým z obežnej dráhy Zeme, stále viac pribúda dôkazov o tom, že ľudské aktivity sú nesporne hlavnou, aj keď nie jedinou, príčinou veľmi rýchleho otepľovania planéty za posledných aspoň 70 rokov (AR5 IPCC, 2013). Jeden z najrukolapnejších dôkazov nám ponúkajú práve satelitné merania množstva dlhovlnnej radiácie (tepla), ktoré opúšťa zemskú atmosféru a uniká do medziplanetárneho priestoru. Toky tepla smerujúce do kozmického priestoru sa nielen zmenšujú, ale navyše pohlcované sú práve v oblasti vlnových dĺžok absorpčných pásov CO2 a ďalších skleníkových plynov. Keďže intenzita slnečného žiarenia prichádzajúceho od Slnka sa dlhodobo nemení, či dokonca mierne klesá, fyzikálny mechanizmus zosilneného skleníkového efektu je jediný spôsob, ktorým dnes dokážeme zmeny tokov dlhovlnnej radiácie a zvyšovanie troposférickej teploty vysvetliť. Uvedenú teóriu nakoniec potvrdzujú aj trendy teploty vzduchu v stratosfére (pozri rámček).

Teória ľuďmi podmienenej klimatickej zmeny by nikdy nebola zmysluplnou teóriou nebyť detailných empirických meraní, pozorovaní, ale aj fyzikálnych experimentov a výstupov klimatických modelov, ktoré potvrdzujú jej správnosť a náležitý význam. Aby sme však dokázali odhadnúť a zhodnotiť približný rozsah a dôsledky klimatickej zmeny v najbližšej budúcnosti, pre tento účel je nevyhnutné rozpoznať a správne interpretovať trendy, ako aj fyzikálne mechanizmy identifikované na základe meraní základných stavových veličín klimatického systému Zeme. Kvôli prehľadnosti ich uvedieme v nasledujúcom zozname:

  1. Kontinuálne merania chemického zloženia atmosféry, ako aj analýzy vrtných ľadových jadier v Antarktíde a Grónsku poukazujú na významný rast koncentrácie skleníkových plynov, predovšetkým oxidu uhličitého (CO2) a metánu (CH4) v období posledných 200 až 250 rokov. [Zdroj: http://1url.cz/xtJPb].
  1. Prostredníctvom laboratórnych, ako aj satelitných meraní vieme, že vyššie koncentrácie uvedených  skleníkových plynov vedú k intenzívnejšiemu zadržiavaniu dlhovlnnej radiácie (tepla) v prízemných vrstvách atmosféry. [Zdroj: http://1url.cz/XtJP9 a http://1url.cz/ztJPP a http://1url.cz/PtJPc].
  1. Merania a analýzy globálnej troposférickej teploty a hladiny svetových oceánov poukazujú na významný nárast ich hodnôt počas 20. a 21. storočia; s veľkou istotou vieme povedať, že nárast je bezprecedentný za posledných minimálne 1500 rokov, na intenzívnejší skleníkový efekt ako hlavnú príčinu zvyšovania troposférickej teploty poukazuje aj jej významný pokles vo vyšších vrstvách atmosféry (hlavne spodná stratosféra). [Zdroj: http://1url.cz/etJPY a http://1url.cz/etJPn].
  1. Popri atmosfére, pozorujeme fyzikálne zmeny na úrovni všetkých ďalších subsystémov klimatického systému Zeme – kryosféry (zmenšovanie plochy morského ľadu v Arktíde, zmenšovanie objemu kontinentálnych a horských ľadovcov, zmenšovanie plochy výskytu trvalej snehovej pokrývky, topenie permafrostu); hydrosféry (zvyšovanie teploty oceánov – rast tepelného obsahu, rast kyslosti morskej vody, zintenzívňovanie a skracovanie hydrologického cyklu na pevninách), biosféry (posun rozšírenia rastlinných a živočíšnych druhov, vymieranie druhov, pokles biodiverzity v dôsledku globálneho otepľovania), pedosféry (pokles pôdnej vlhkosti v dôsledku zmien režimu zrážok a rastu teploty).
  1. V globálnom rozsahu pozorujeme zmeny režimu počasia, ale predovšetkým nárast jeho extrémnosti, významne zmeny výskytu extrémnych poveternostných fenoménov (silné búrky, tropické cyklóny, vlny horúčav, atď.), významné zmeny cirkulačných podmienok (monzúny, západné prúdenie v miernych geografických šírkach, expanzia tropickej cirkulácie, atď.), významný nárast intenzity zrážok za posledných 60 rokov, atď.
  1. Analýzy vplyvu slnečnej činnosti a sopečných erupcií na režim meteorologických prvkov a ich dlhodobú premenlivosť nepotvrdili ich príčinnú súvislosť s celkovým globálnym rastom teploty za posledných 150 rokovprírodné faktory, ako Slnko a vulkanická činnosť, významne síce ovplyvňujú krátkodobú premenlivosť, nevysvetľujú však dlhodobý trend globálnej teploty.   
K problematike teplejšej a vlhšej atmosféry
V posledných dvoch až troch dekádach registrujeme najmä v mimotropických oblastiach častejší výskyt extrémnych zrážok. Rastie nielen frekvencia ich výskytu, ale zvyšujú sa aj absolútne rekordy maximálnych denných a hodinových úhrnov. [S výnimkou monzúnovej oblasti Ázie a oblastí s častým výskytom tropických cyklón, extrémy zrážok v tropickom pásme nezaznamenali žiadne významnejšie zmeny – je to aj preto, že z týchto oblasti väčšinou chýbajú kvalitnejšie údaje.] Od polovice 20. storočia sa pritom intenzita krátkodobých zrážok zvýšila sa severnej pologuli o približne 7 %, čo je už veľmi podstatný nárast. V prípade zrážok konvektívneho pôvodu však krátkodobé úhrny rastú ešte rýchlejšie, a to až o 14 % na každý jeden stupeň Celzia (Berg et al., 2013).

Hlavnou príčinou tohto trendu je rastúci obsah vodnej pary v zemskej atmosfére, ktorý sa zvyšuje ako následok zvyšovania priemernej globálnej teploty atmosféry a povrchu oceánov. Tento fakt pritom potvrdzujú nielen pozemné či satelitné merania (najnovšie je to štúdia publikovaná v americkom časopise PNAS), ale konzistentný je aj s fyzikálnou teóriou, popisujúcou dynamické procesy spojené s tokmi vlhkosti v atmosfére. Teória je v tomto prípade až prekvapivo jednoduchá: teplejšia atmosféra, vyššia teplota povrchu oceánov a pevnín vedú nielen k vyššiemu výparu vody z ich povrchu, ale aj k schopnosti samotnej atmosféry zadržiavať väčšie množstvo vodnej pary. [Jednoduchá fyzikálna úvaha nad Clausius-Clapeyronovou rovnicou nás privedie k empiricky dokázateľnému predpokladu, podľa ktorého oteplenie o každý 1°C vedie k nárastu obsahu vodnej pary v atmosfére až o 7 %, čo zvyšuje nielen pravdepodobnosť výskytu extrémne vysokých úhrnov zrážok, ale prispieva aj k intenzívnejším procesom tvorby a vypadávania zrážok - tento poznatok vyplýva z exponenciálnej závislosti medzi teplotou vzduchu a parciálneho tlaku vodnej pary v stave nasýtenia. Vlhšia atmosféra je nositeľom väčšieho množstva latentnej energie, ktorá sa uvoľňuje pri skvapalňovaní vodnej pary. Konečným výsledkom môžu byť silnejšie a deštruktívnejšie búrky či hurikány.].

Klesá teplota v atmosfére vo výškach od 10 do 15 kilometrov?
Faktom je, že atmosféra vo výškach nad 10 až 12 kilometrov – v miernych šírkach už ide o stratosféru – sa v období posledných 30 rokov významne ochladzuje, a čím vyššie stúpame, tým je tento pokles razantnejší. Výskum v posledných rokoch čoraz častejšie prichádza k záverom, že za podstatnou časťou tohto ochladzovania stojí silnejúci skleníkový efekt atmosféry, spôsobený rastúcou koncentráciou skleníkových plynov v nižšie ležiacej troposfére. Druhým faktorom je deštrukcia stratosférického ozónu, obmedzujúca sa však len na polárne oblasti nad Antarktídou a v menšej miere aj Arktídou. Hoci je fyzika vysvetľujúca účinok zosilneného skleníkového efektu trochu zložitejšia, zjednodušene môžeme povedať, že sa zintenzívňuje zachytávanie tepla už v samotnej troposfére. Má to na svedomí vyššia koncentrácia oxidu uhličitého a iných radiačne aktívnych plynov, zachytávajúcich teplo, vyžarované zemským povrchom. Čím je teda týchto plynov v atmosfére viac, tým lepšie bránia úniku tepla zo zeme. Tepelné žiarenie s vlnovými dĺžkami okolo 15 μm, ktoré by sa za normálnych okolností šírilo do vyšších atmosférických hladín, sa tak do stratosféry dostáva v stále menších množstvách. Prejavuje sa to hlavne tým, že vrstvy atmosféry sa do výšky približne šesť kilometrov rýchlo otepľujú, zatiaľ čo vrstvy nad touto hranicou sa ochladzujú. Nesmieme zabudnúť na fakt, že vrstva vo výške približne šesť kilometrov sa nachádza v stave tzv. termodynamickej rovnováhy, čo znamená, že sa vplyvom silnejšieho skleníkového efektu neohrieva, ani neochladzuje.

Aké výrazné je ochladzovanie?
Priame merania pomocou meteorologických rádiosond, ako aj družicové merania potvrdzujú, že sa od roku 1979 napríklad spodná stratosféra, siahajúca od 11 do 25 kilometrov, ochladzovala o približne 0,5 až 0,7 °C za desaťročie (prízemná troposféra sa naopak otepľovala rýchlosťou o 0,2 až 0,4 °C za dekádu). Vybočením v tomto trende sú len neperiodické a výrazné oteplenia stratosféry, spôsobené silnými vulkanickými erupciami v rokoch 1982 a 1991. Tvrdenie, že za stratosférickým ochladzovaním možno vidieť najmä silnejší skleníkový efekt dokladajú aj vrstvy nad stratosférou, ktoré sa tiež ochladzujú. Napríklad mezosféra (50 až 80 kilometrov nad povrchom) sa v rovnakom období ochladila až o 5 až 10 °C. Vo výškach 350 kilometrov nad zemou klesla teplota dokonca až o 17 °C. Tieto zmeny majú aj celý rad závažných dôsledkov. Zatiaľ čo ohrievajúca sa troposféra sa rozpína a jej horná hranica v priemere stúpa, vrstvy nad stratosférou sa začínajú zmršťovať.

Je možné, aby ochladený vzduch prepadol k zemskému povrchu?
Na túto časť otázky existuje veľmi jednoduchá odpoveď: nie. Takýto scenár nie je reálny z jednoduchého dôvodu. Atmosféra sa vyznačuje veľmi nápadnou vrstevnatou štruktúrou. Vznikla pôsobením zemskej gravitácie a tiaže na vzdušný obal planéty. Aby sa však atmosféra doslova nezrútila na zemský povrch, pôsobí proti sile gravitácie tzv. vztlaková sila, ktorá udržuje atmosféru v stave hydrostatickej rovnováhy. To bezprostredne vedie aj k tomu, že stratosféra má v priemere významne menšiu hustotu než troposféra. Jej prienik do hustejších spodných vrstiev je teda energeticky veľmi náročný proces a deje sa len za veľmi špecifických dynamických podmienok na styku výrazne odlišných vzduchových hmôt (napr. na rozhraní tropickej a polárnej vzduchovej hmoty). Ďalší faktor, ktorý komplikuje prepad stratosférického vzduchu do troposféry je skutočnosť, že horné vrstvy troposféry sú výrazne chladnejšie než spodná stratosféra. Aby sme vysvetlili prečo to tak je, bude potrebné si niečo bližšie povedať aj o samotnej stratosfére (a troposfére).