Účinky změny klimatu na vodní cyklus - Effects of climate change on the water cycle

Roční průměrné rozdělení srážek minus odpařování. Obrázek ukazuje, jak oblasti kolem rovníku dominují srážky a v subtropech převládá hlavně vypařování.

Globální vodní cyklus popisuje pohyb vody v její kapalné, parní a pevné formě a její skladování v různých nádržích, jako jsou oceány, ledové příkrovy, atmosféra a povrch země. Koloběh vody je nezbytný pro život na Zemi a hraje velkou roli v globálním klimatu a oceánské cirkulaci .

Očekává se, že oteplování Země způsobí změny v koloběhu vody z různých důvodů. Teplejší atmosféra může obsahovat více vodní páry, která má vliv na odpařování a srážky . Velkou roli hrají také oceány, protože absorbují 93% nárůstu tepla od roku 1971. To má dopad na koloběh vody a na lidskou společnost, protože oteplování oceánu přímo vede ke zvýšení hladiny moře.

Změny ve vodním cyklu jsou těžko měřitelné. Změny slanosti oceánů jsou důležitými ukazateli měnícího se koloběhu vody. Pozoruje se zesílení vzorců slanosti oceánů, což je považováno za nejlepší důkaz zesilujícího koloběhu vody.

Příčiny zesílení koloběhu vody

Zvýšené množství skleníkových plynů vede k teplejší atmosféře. Tlak nasycených par vzduchu se zvyšuje s teplotou, což znamená, že teplejší vzduch může obsahovat více vodní páry. Protože vzduch může obsahovat více vlhkosti, je odpařování vylepšeno. V důsledku toho zvýšené množství vody v atmosféře vede k intenzivnějším srážkám.

Tento vztah mezi teplotou a tlakem nasycených par je popsán v Clausius-Clapeyronově rovnici , která uvádí, že saturační tlak by se měl zvýšit o 7%, když teplota stoupne o 1 ° C. To je viditelné při měření troposférických vodních par, které zajišťují satelity, radiosonda a povrchové stanice. IPCC AR5 dochází k závěru, že troposférická vodní pára se za posledních 40 let zvýšila o 3,5%, což je v souladu s pozorovaným nárůstem teploty o 0,5 ° C. Očekává se proto, že se koloběh vody zesiluje, ale k tomu je zapotřebí více důkazů.

Důkaz slanosti pro změny ve vodním cyklu

Základními procesy vodního cyklu jsou srážení a odpařování. Místní množství srážek minus odpařování (často označované jako PE) ukazuje místní vliv koloběhu vody. Změny ve velikosti PE se často používají k zobrazení změn ve vodním cyklu. Robustní závěry o změnách v množství srážek a odpařování jsou však složité. Asi 85% zemského odpařování a 78% srážek se odehrává na povrchu oceánu, kde je měření obtížné. Srážky na jedné straně mají pouze dlouhodobé přesné záznamy pozorování povrchů pevniny, kde lze množství srážek měřit lokálně (nazývá se in-situ ). Odpařování na druhé straně nemá vůbec žádné dlouhodobé přesné záznamy pozorování. To zakazuje přesvědčivé závěry o změnách od průmyslové revoluce. AR5 (Pátá hodnotící zpráva) z IPCC vytváří přehled dostupné literatury k tématu, a štítky na téma potom na vědeckém poznání. Změnám srážek před rokem 1951 přiřazují pouze nízkou spolehlivost a po roce 1951 střední spolehlivost kvůli nedostatku dat. Tyto změny jsou přičítány lidskému vlivu, ale také se střední jistotou.

Oceánská slanost

Další metodou pro sledování změn ve vodním cyklu je měření globální slanosti oceánského povrchu . Mořská voda se skládá ze sladké vody a soli a koncentrace soli v mořské vodě se nazývá slanost. Sůl se neodpařuje, takže srážení a odpařování sladké vody silně ovlivňuje slanost. Změny v koloběhu vody jsou proto silně viditelné při měření slanosti povrchů, což je uznáváno již od 30. let minulého století.

Globální vzor slanosti oceánského povrchu. Je vidět, jak jsou subtropy ovládané vypařováním relativně slané. Tropy a vyšší zeměpisné šířky jsou méně slané. Při srovnání s výše uvedeným obrázkem je vidět, jak se oblasti s vysokou slaností shodují s oblastmi dominujícími odpařováním a oblasti s nižší salinitou s oblastmi s převahou srážek. Na základě údajů GODAS poskytnutých společností NOAA/OAR/ESRL PSL, Boulder, Colorado, USA, z jejich webových stránek https://www.psl.noaa.gov/data/gridded/data.godas.htm

Výhodou využití slanosti povrchu je, že je za posledních 50 let dobře zdokumentována, například u systémů měření in-situ jako ARGO . Další výhodou je, že slanost oceánů je stabilní ve velmi dlouhých časových měřítcích, což usnadňuje sledování malých změn v důsledku antropogenního působení. Oceánská slanost není homogenně rozložena po celém světě, existují regionální rozdíly, které ukazují jasný vzorec. Oblasti tropů jsou relativně čerstvé, protože v těchto oblastech převládají srážky. Subtropy jsou slanější, protože v těchto oblastech převládá odpařování, tyto oblasti jsou také známé jako „pouštní zeměpisné šířky“. Zeměpisné šířky v blízkosti polárních oblastí jsou pak opět méně slané, přičemž v těchto oblastech se nacházejí nejnižší hodnoty slanosti. Je to proto, že v této oblasti dochází k malému odpařování a do oceánu vstupuje velké množství čerstvé tavené vody.

Záznamy dlouhodobých pozorování ukazují jasný trend: vzorce globální salinity se v tomto období zesilují. To znamená, že oblasti s vysokým obsahem soli se staly více fyziologickým roztokem a oblasti s nízkou slaností se staly méně solnými. V oblastech s vysokou salinitou dominuje odpařování a nárůst slanosti ukazuje, že se odpařování ještě zvyšuje. Totéž platí pro oblasti s nízkou salinitou, které jsou stále méně slané, což naznačuje, že srážky se jen více zesilují. Tento prostorový vzor je podobný prostorovému vzoru odpařování minus srážky. Amplifikace vzorců slanosti je tedy nepřímým důkazem pro zesilující koloběh vody.

Pro další zkoumání vztahu mezi slaností oceánů a koloběhem vody hrají v současném výzkumu velkou roli modely. Obecné cirkulační modely (GCM) a v poslední době Atmosféra-oceánské obecné cirkulační modely (AOGCM) simulují globální cirkulaci a efekty změn, jako je zesilující koloběh vody. Výsledek více studií založených na takových modelech podporuje vztah mezi změnami povrchové slanosti a zesilujícími srážkovými mínusovými vzory odpařování.

Metrika zachycující rozdíl v slanosti mezi oblastmi s vysokou a nízkou slaností v horních 2000 metrech oceánu je zachycena v metrice SC2000. Pozorovaný nárůst této metriky je 5,2% (± 0,6%) od roku 1960 do roku 2017. Tento trend se však zrychluje, protože od roku 1960 do roku 1990 vzrostl o 1,9% (± 0,6%) a od roku 1991 o 3,3% (± 0,4%) do roku 2017. Zesílení pod povrchem je slabší. Důvodem je, že oteplování oceánů zvyšuje stratifikaci blízko povrchu, podpovrchová vrstva je stále v rovnováze s chladnějším podnebím. To způsobí, že zesílení povrchu bude silnější, než předpokládaly starší modely.

Účinky na oceánskou cirkulaci

Přehled globálního oběhu termohalin. Ukazuje, jak v Atlantickém oceánu probíhá povrchové proudění na sever, které se v Arktidě potápí a mění směr. Osvěžení povrchových vod Arktidy tavnou vodou by mohlo vést k bodu zvratu. To by mělo velký vliv na sílu a směr AMOC, což by mělo devastující důsledky pro přírodu a lidskou společnost.

V blízkosti pólů vyvolává změna klimatu další vliv na koloběh vody. Nárůst atmosférických teplot vede k vyšší rychlosti tání pevninského a mořského ledu. To vytváří velký příliv sladké vody do oceánu, což lokálně snižuje slanost povrchových vod. Cirkulace thermohaline obecně, a AMOC konkrétně, je závislá na aktuálním vysokým povrchovým obsahem soli v Arktidě. Studená a slaná voda má vysokou hustotu (jak ji popisuje stavová rovnice ), a proto klesá ke dnu oceánu. Na dně se pak vrací na jih, to je takzvané převrácení. Velký tok tavené vody do arktických pánví snižuje slanost povrchu a tím i převrácení. Jak je popsáno v modelu Stommel Box , bodu převrácení lze dosáhnout, když slanost arktického povrchu stále klesá tavnou vodou, což vede k zastavení AMOC nebo změně jeho směru. To by mělo velký dopad na globální klima a lidské společnosti.

To by bylo prakticky nevratné, protože systém má hysterezní smyčku. To znamená, že obrácení systému do starého stavu by vyžadovalo mnohem vyšší hodnoty slanosti, než jaké jsou naše současné zkušenosti, což je důvodem velkých obav z dosažení bodu zvratu.

Reference