Sláva! Po přednášce o změnách klimatu a klimatických modelech konečně rozhoupal napsat článek Je to dost složitý problém a já přitom chtěl o tom psát jednoduše, ale pořádně, tj. nic neopomenout. Výsledkem jsou tak dva kratší články místo jednoho nepřehledného. Tento se zabývá samotnými metodami zkoumání změn klimatu a jejich modely. A v článku jsou obrázky :)

Téma globálních změn klimatu, často zjednodušované jako globální oteplování plní denně stránky novin. Často v nich různí lidé prezentují katastrofické scénáře a jiní je pro změnu popírají. V článku toto dělení neprovádím, spíše chci poukázat na další aspekty výzkumu, které jsou neméně důležité, ale v médiích se jim tolik prostoru nevěnuje neboť nezní tak senzačně.

Jednou z nejcitovanějších zpráv v poslední době je zpráva klimatického panelu při OSN (IPCC) z roku 2007. Tato zpráva má tři části.
První část tvoří výsledky samotného výzkumu, rešerše, modely atd. Má asi tisíc stran a je vybavena obrovským množstvím odkazů na zdroje a vědecké práce. Nepředpokládá se, že by ji kdokoli krom klimatologů četl, proto je vybavena druhou a třetí částí. Druhá část zvaná „Summary for technicians“ neboli shrnutí pro techniky obsahuje zjednodušené závěry této studie a konečně třetí část „Summary for policy-makers“ můžeme nazvat jako shrnutí pro politiky a toto shrnutí je ještě více zjednodušené. (Ukážeme si dále)

Co se z této zprávy dovíme?
Např. tyto závěry:

Dvanáct z posledních třinácti let (1995–2007) se řadí mezi 13 nejteplejších let za dobu přístrojových „pozorování“ globální teploty vzduchu při zemském povrchu (od roku 1850), výjimka – rok 1996
Rok 2007 byl osmým nejteplejším rokem (1998, 2005, 2003, 2002, 2004, 2006 a 2001)
Devadesátá léta byla nejteplejším desetiletím této řady
Období 2001-2007 bylo 0,21 °C teplejší než desetiletí 1991-2000
Lineární trend za 100 let (1906–2005) představuje 0,74 [0,56 až 0,92] °C
Lineární trend růstu teplot za posledních 50 let je téměř dvojnásobný ve srovnání s trendem za posledních sto let
Celkový příspěvek k růstu hladiny oceánů způsobený táním ledovců v letech 1993 – 2003 je 0,6 – 1,8 mm za rok.

Ještě názornější představu si uděláme z Obrázku 1 kde vidíme trend změny teploty na různých místech na Zemi za posledních 25 let.

Obrázek 1: Lineární trendy sezónních teplot pro období 1979 to 2005 (°C za 10 let). Šedé oblasti – nedostatečná data , statisticky významné trendy (hladina 5%) – bílé značky
Data – NCDC, Smith and Reynolds (2005). IPCC 2007

Z obrázku vidíme jednu důležitou věc. Země se otepluje a to nerovnoměrně. Číslo o kolik se Země oteplí za 100 let nám podává nějakou základní představu o problému, ale popisuje takto složitý problém příliš jednoduše. Na regionální úrovni je tento údaj naprosto nepoužitelný, neboť některá místa se dokonce ochlazují. Na rozumné zhodnocení je potřeba více dat, pojďme tedy dále k Obrázku 2., který zobrazuje rozložení srážek a zde je ještě patrnější, že nevystačíme ani s jednou křivkou průběhu srážek pro celou zemi.

Obrázek 2: Rozložení srážek (Převzato z IPCC 2007)

Jak se zkoumají stav (teplota) země v minulosti?

Všelijak. Dat je nedostatek, proto se získávají kde to jen jde, analyzují se stovky časových řad, informace jsou odvozené z letokruhů, korálů, ledovců, historických záznamů atd.

Výsledkem jsem různé rekonstrukce. Např.

Obrázek 3. Teplotní změny za posledních 400 000 let (bráno oproti současnosti)


Obrázek 4: Teplota v Grónsku za posledních 18 000 let. Naznačena je malá doba ledová, středověké teplé období a další úkazy.

Vidíme, že klima se mění na různých časových i teplotních měřítkách. Závažný úkaz (objevující se nezávisle na sobě v několika rekonstrukcích) je výskyt náhlých změn teploty a to až 10 stupňů za desetiletí. Tím nechci tvrdit, že právě teď se naše Země nachází v takovém období (celkově bych byl velmi opatrný s tvrzeními, že právě teď dojde k nějakému zvratu). Bohužel zatím není známé s čím tyto náhlé změny teploty souvisí ani co je spouští, tedy nemůžeme se proti nim nijak případně bránit. Nevíme kdy a zda tyto změny přijdou, jsme však přesvědčeni, že v minulosti přišly. Tolik ve zkratce, jak se zkoumá minulost a co o minulosti víme, pojďme se podívat na to, jak jsme na tom s budoucností.

Klimatické modely.
Při studiu klimatu si nemůžeme pomoci experimentem, kde bychom si postavili malou Zemi ve výloze a koukali se, co se s ní děje. Můžeme, a dnes se tak děje prakticky při všech předpovědích, si pomoci počítačovým modelováním.Modelem se rozumí počítačový program, který řeší soustavu rovnic řídících fyzikální procesy.

Obrázek 5: Faktory ovlivňující klima a vazby mezi nimi.

Zemi pokryjeme sítí uzlových bodů a řešíme v nich tyto rovnice s určitým časovým krokem. Přidáme počáteční podmínky (vstupní data) a můžeme začít počítat.
Přesnost modelu závisí na množství procesů, které zahrneme do modelu (tj. množství rovnic, které řešíme), hustotě sítě v nichž rovnici řešíme, velikosti časového kroku a přesnosti vstupních dat. Přesnější modely a kratší časový krok znamenají delší čas výpočtu. Klimatický systém je velmi složitý nelineární systém, pravděpodobně jde o chaotický systém, což znamená, že je silně závislý na počátečních podmínkách.
Z toho plyne několik závažných omezení pro modely:

1) Modely mají v sobě nejistotu, která je dána samotnými matematickými metodami, časovým krokem a přesnotí vstupních dat.
2) Jde o nelineární systém, který je silně závislý na počátečních podmínkách, proto je potřeba jej modelovat mnohokrát s náhodnými počátečními podmínkami. Výsledkem je skupina scénářů (tzb. ensemble), z nichž každý je pravě tak pravděpodobný jako kterýkoli jiný ze stejné skupiny. Můžeme je různě průměrovat či uvažovat všechny naráz nezávisle na sobě.
3) Chceme modelovat dlouhodobé předpovědi, v nichž musíme zahrnout dopady budoucího vývoje. Budoucí vývoj je nejistý, proto existuje mnoho scénářů, z nichž základní dělení je podle důrazu na ekonomi (scénáře A) nebo ekologii (scénáře B) a podle toho, zda převládá globální řešení problémů (A1 a B1) nebo lokální řešení (A2 a B2).

Modely se pak spouští v tzv. kontrolním běhu, tzn. že je srovnáme s minulými daty a vyřadíme, ty které se evidentně rozchází s naměřenými daty. Další nejistoty se vyskytují při samotné konstrukci modelů neboť víme velmi málo, jak některé procesy fungují a jak ovlivňují klima.
Ještě bych rád poukázal na jeden fakt: Klimatický systém je nelineární systém, z čehož plynou další nepříjemnosti. Pokud změníme jeden parametr, můžeme modelovat, jak bude systém reagovat na změnu daného parametru, pokud budou osatní parametry konstantní. Totéž můžeme po jednom udělat s dalšími paramtery. Nelze však tyto výsledky sečíst. Tím se zvyšuje problematičnost modelování. Scénáře (jak zdůrazňuje IPCC) nejsou předpovědi, nýbrž ukazují alternaticní stavy klimatu, které mohou za daných podmínek nastat. Je zřejmé, že předpoklad konstantnosti všech parametrů krom jednoho je nerealistický.
Výsledkem je tak několik scénářů, vezměme např. tolik diskutované závěry IPCC.


Obrázek 6: Růst ročního globálního průměru teploty vzduchu při zemském povrchu (ve srovnání s obdobím 1980-99) vypočítaný z mnoha klimatických modelů pro scénáře A2, A1B a B1 a znázorněné jako prodloužení simulací pro 20. století. Vybarvená oblast odpovídá rozsahu plus minus jedné směrodatné odchylky vypočítané z ročních průměrů pro jednotlivé modely. Oranžová čára představuje experiment, při kterém byly koncentrace udržovány konstantní na úrovni roku 2000. Upraveno z IPCC 2007.

Všimněme si několika věcí: Scénáře mají velkou míru nejistoty. Jde o jisté zjednodušené a limitní varianty budoucího vývoje, v budoucnosti se skoro určitě neuskuteční přímo žádný z nich, avšak nejspíše nějaká jejich kombinace. Připomínám, že křivka nezobrazuje jeden chod modelu, ale jde o průměry z několika chodů (celý ensemble). A v neposlední řadě si všimněme, že jde o globální průměrnou teplotu; obrázek tak neříká nic o teplotních rozdílech během roku ani o geografickcýh teplotních změnách.

Výsledky modelování zachycující geografické změny teploty vypadají např. takhle


Obrázek 7: Změny teploty vzduchu při zemském povrchu ve srovnání s obdobím 1980-1999. Panely ukazují průměr založený na modelech typu AOGCM pro scénáře B1 (nahoře), A1B (uprostřed) a A2 (dole), vypočítaný pro desetiletí 2020-2029 (vlevo) a 2090-2099 (vpravo). Upraveno z IPCC 2007.

Opět si projděme předchotí obrázek: Vidíme z něj předpovězené rozložení průměrné teploty za desetiletí. Nic nám tedy neříká o průběhu teploty na kratších časových měřítkách. Z tohoto obrázku také neurčíme jistotu, s jakou jsme určili předpovězené oteplení. Model ukazuje geografické rozdělení teploty, avšak jeho geografická rozlišovací schopnost je omezená hustotou sítě uzlových bodů. V modelu se neprojeví lokální procesy ovlivňující klima.

Scénáře a modely a náročnost
Zastavme se ještě na chvíli u modelů a scénářů, snad jsem v tom neudělal chaos. IPCC vydal 40 scénářů vývoje budoucnosti, z nichž žádný není více pravděpodobný, než tjiný z nich. V těchto scénářích je obsažený předpokládaný vývoj faktorů ovlivňujících zemi – např. množství emisí skleníkových plynů, množství lesa, světová populace atd. Jsou to tedy jakési vnější podmínky. To jsou možné scénáře. A ty je potřeba nějak propočítat. K tomu slouží modely. Modelem rozumíme počítačový program, který pomocí matematických rovnic a propočítá jak se bude vyvíjet Země (teplota na zemi, srážky, a další faktory). Modelů je celá řada a liší se hlavně v tom jaké vazby mezi vstupem (data ze scénáře) a výstupem (teplota, srážky apod.) zahrnují. Těch vazem existuje mnoho, některé přímé jiné nepřímě a v principu je není možné obsáhnout všechny. Čím více vazeb model zahrnuje, tím je výpočetně náročnější a měl by být také přesnější. Problémem je, že těžko určujeme přesnost, protože nic spolehlivého s čím model srovnat (jen kontrolní běh, který všechny současné modely modelují tak zhruba). Protože však tyto modely jsou nelineární závisí silně na okamžitých počátečních podmínkách (okamžitá teplota, tlak, vítr, apod.). Model se tedy spouští opakovaně několirát (cca 40x) , vznikne celá sada-ensemble vypočteného vývoje, která se par zprůměruje. Tedy myšlenka je taková: Modelovat více numerickými modely pro každý ze 40ti scénářů sadu-ansábl předpovědí, které následně zprůměrovat.
Problém v obrovské finanční a výpočetní/časové náročnosti, protože každý z běhů modelů modeluje vývoj celé země za 100 let s časovým krokem cca půl hodiny. Proto se IPCC podařilo namodelovat různými modely jen scénáře A2 a B2 (Viz obrázek 8).

Obrázek 8: Prognózy vývoje teploty za roky 1990 – 2100. Použito bylo devět různých modelů na scénáře A2 a B2 . Pro srovnání v grafu základní scénář A2 a B2.

Podívejme se na modelování těchto scénářů. Vidíme jak výběr numerického modelu ovlivňuje předpověď scénáře. Ve skutečnosti je rozpětí mezi numuerickými modely větší než mezi samotnými 40ti základními scénáři IPCC. To jen ukazuje jak málo si jsme jisti problematikou klimatických změn. Proto také IPCC zdůrazňuje, že scénáře nejsou předpovědi, nýbrž jen možné projekce.

Není třeba dále sypat grafy, tabulky a zavalit vás daty. Pro ukázku toho, jak se zkoumá a modeluje klima to, myslím, stačí. Vidíme, co vstupuje do klimatických modelů a co z nich vystupuje. Upozorňuji (stejně jako IPCC), že scénáře nejsou předpověci. Srovnáme-li to s tím, co se objevuje v médiích, vidíme, že v novinách se mnoho informací „ztratí“. Se scénáři se nakládá často jako s předpověďmi, zaměňují se maximální a průměrné teploty, rozsahy nejistoty se prakticky neuvádí. Místo grafu je často uvedeno jediné číslo. Není divu, že kolem klimatických změn a vědeckého bádání v této oblasti existuje mnoho rozšířených polopravd či evidentních nesmyslů. Jak jsme viděli, výsledkem výzkumu není jen číslo (či křivka), ale také doplňující informace (předpoklady modelu, přesnost, pravděpodobnost, použité metody atd.), tj. vesměs informace, které běžné lidi nezajímají a které zabírají místo senzačním titulkům. Bez nich však je často racionální intepretace výzkumu nemožná. V dalším článku se podíváme, jak se nakládá s informacemi získanými výzkumem.

Name

E-mail

URI

Your Comment

Security Code: