Co víme o změně klimatu: Současné oteplení způsobily skleníkové plyny

V tomto díle seriálu o změně klimatu ověříme, že existuje dostatek důkazů spojujících současné globální oteplení a změnu klimatu se zvýšením koncentrací skleníkových plynů v atmosféře. To, že se významně otepluje, že se zvyšují koncentrace skleníkových plynů a že za toto zvýšení je zodpovědné lidstvo, jsme si již ukázali v předchozích dílech seriálu.

Na úvod krátké shrnutí: vědci díky teoretickým výpočtům i praktickým měřením znají, o kolik se zvýšilo množství energie přicházející k Zemi kvůli skleníkovým plynům. Také díky pozorování historických přirozených změn klimatu i díky klimatickým modelům přibližně vědí, o kolik se planeta oteplí, když se zvýší množství přicházející energie. Spojením těchto dvou postupů můžeme zjistit, jaké oteplení způsobilo pozorované zvýšení koncentrací skleníkových plynů – a zjistíme, že výsledek tohoto výpočtu se shoduje s pozorovaným oteplením. Pojďme se nyní na tento proces podívat detailně.

Vliv skleníkových plynů na tok energie mezi Zemí a okolním vesmírem (jinak řečeno radiační působení skleníkových plynů) lze nejenom vypočítat pomocí fyzikálních modelů, je možné jej i přímo změřit. Protože skleníkové plyny část infračerveného (dlouhovlnného) záření pohlcují a vyzařují zpět k Zemi, zesílení skleníkového efektu vede ke snížení množství infračerveného záření, které uniká do vesmíru, a naopak zvýšení množství infračerveného záření, které přichází k Zemi. Oba tyto jevy byly experimentálně změřeny a potvrzeny.

Satelity naměřené snížení množství infračerveného záření unikajícího do vesmíru mezi lety 1970 a 1996 je zobrazeno na grafu výše. Protože každý skleníkový plyn pohlcuje záření trochu jiných vlnových délek, snížení unikajícího záření na jednotlivých vlnových délkách je možné připsat na vrub jednotlivým skleníkovým plynům.

Zvýšení množství infračerveného záření přicházejícího k Zemi naopak bylo naměřeno pozemními stanicemi, jak je naznačeno na obrázku níže. Na většině světových stanic bylo naměřeno zvýšení množství infračerveného záření (oranžově, červeně). Na některých stanicích nedošlo k výrazné změně (zeleně) a na některých došlo ke snížení množství dopadajícího infračerveného záření (modře) – což lze vysvětlit snížením množství vodní páry v dané oblasti v důsledku změny klimatu (oblast je nyní sušší). Celkový globální trend dopadajícího infračerveného záření byl však mezi lety 1973 – 2008 postupné zvyšování o 2,2 W/m² za dekádu.

Toto zvýšení nemůže být způsobeno aktivitou Slunce, protože to vydává krátkovlnné záření, zatímco zde je měřeno infračervené (dlouhovlnné) záření, které vydává pouze zemský povrch a atmosféra (mimochodem, množství energie přicházející od Slunce se stejně v posledních 50 letech snižuje). Tato měření lze samozřejmě provádět i v noci, a to se stejným výsledkem. Jediné možné vysvětlení zesílení přicházejícího infračerveného záření je tak zesílení skleníkového jevu.

Určit, jak se na daném zvýšení množství energie podílejí jednotlivé skleníkové plyny, je pak opět možné zkoumáním spektra přicházejícího záření. Protože různé plyny vyzařují energii na různých vlnových délkách, můžeme v naměřeném spektru níže jednoduše rozpoznat příspěvky jednotlivých plynů.

Zvýšení množství infračerveného záření v důsledku zvýšení koncentrací jednotlivých skleníkových plynů tedy můžeme nejen teoreticky vypočítat, ale máme i měření, která tyto výpočty potvrzují.

Přicházející infračervené záření však není jediný jev, která má vliv na globální teplotu. Jak již bylo řečeno v předchozích dílech seriálu, v klimatu mohou hrát roli jak pozitivní zpětné vazby, které výsledné oteplení zesílí, tak negativní zpětné vazby, které výsledné oteplení zpomalí. Příkladem pozitivní zpětné vazby může být to, že roztaje Arktický led (který odráží část slunečního záření), což způsobí další zvýšení teploty. Příkladem negativní zpětné vazby je pak například zvýšená tvorba mraků kvůli zvýšení množství vodní páry, kdy tyto mraky odrazí část slunečního záření a tím způsobí ochlazení. Tyto zpětné vazby mohou výslednou teplotu výrazně ovlivnit. Jak přesně velký vliv má tedy toto zvýšení množství přicházející energie na globální teplotu a v konečném důsledku, na klima?

Odpovědí na tuto otázku je veličina, které se říká citlivost klimatu, a která vyjadřuje, jak se Země oteplí, když se zvýší množství energie přicházející k Zemi. Toto zvýšení energie může být jakéhokoliv původu, způsobené Sluncem, skleníkovými plyny, snížením množství mraků stínících Zemi apod. Citlivost klimatu na každý z těchto jevů se mírně liší, ale žádný z možných jevů nemá výrazně silnější vliv na klima než skleníkové plyny. Nás nejvíce zajímá citlivost na skleníkové plyny, ta se v současnosti nejčastěji číselně vyjadřuje jako globální oteplení v °C při zdvojnásobení atmosférické koncentrace CO₂.

Nejjednodušším způsobem odhadu citlivosti klimatu je výpočet toků energie mezi Zemí a vesmírem založený na základních fyzikálních principech; tedy díky znalosti síly skleníkového efektu CO₂ a znalosti jeho koncentrace a rozložení v atmosféře je možné vypočítat způsobený tok energie a z něj za pomoci základních fyzikálních vzorců vypočítat oteplení Země jako jednoduchého tělesa. Takový výpočet značně zjednodušuje situaci a nebere v potaz zmíněné zpětné vazby, ale historicky sloužil jako odrazový můstek pro složitější výpočty a modelování. Pokusy o první takové výpočty pochází již z 19. století (protože již tehdy byl znám skleníkový efekt). První detailní výpočet s přihlédnutím ke všem skleníkovým plynům byl za pomoci počítačů vytvořen v roce 1967 – výsledkem této průkopnické studie byl odhad klimatické citlivosti na 2 °C (tedy že při zdvojnásobení množství CO₂ se planeta ohřeje o 2 °C). I tato studie ovšem nebrala v potaz možné zpětné vazby.

V současnosti je již možné modelovat odezvu klimatu na zvýšení množství skleníkových plynů mnohem přesněji, než tomu bylo v 60. letech minulého století. Současné klimatické modely simulují všechny aspekty změny klimatu, včetně zpětných vazeb jako je zvýšení množství vodní páry, tání ledovců, růst vegetace atd. Tyto modely simulují stav klimatu na celé Zemi, a průběh změny klimatu vypočítávají s pomocí fyzikálních zákonů, kterými se klima řídí. Přesnost těchto modelů je pak ověřována na historických datech a používají se pouze ty, které dokáží věrně reprodukovat změny klimatu za poslední stovky, tisíce a někdy i desetitisíce let. Citlivost klimatu, která je vypočtena těmito modely, se pohybuje nejčastěji v rozsahu 1,5 – 4,5 °C.

Zvýšené množství skleníkových plynů působí na náš klimatický systém již více než 100 let, a tak je možné citlivost klimatu odhadnout i z přístroji naměřeného vývoje současné změny klimatu. Tento vývoj sice ještě neměl čas se ustálit, avšak získání znalostí o krátkodobých přechodových jevech v klimatu je také důležité. Podobným krátkodobým jevem, který vědcům umožňuje odhadnout krátkodobou citlivost klimatu, jsou sopečné erupce, které způsobí dočasné zastínění Země a tím krátkodobé ochlazení. Tyto studie krátkodobých jevů nejčastěji přichází s výsledkem klimatické citlivosti v rozsahu 2,1 – 4,4 °C.

Třetím způsobem odhadu citlivosti klimatu je srovnávání historických změn klimatu. Vzhledem k tomu, že díky ledovcovým vrtům známe historické teploty i koncentrace skleníkových plynů až 2 miliony let nazpět a dokážeme vypočítat historické změny oběžné dráhy Země, můžeme zjistit, jak moc se kdysi měnila teplota v závislosti na přirozených změnách. Výhoda těchto měření je, že zachytávají celkovou dlouhodobou odezvu klimatu, včetně všech zpětných vazeb. Většina těchto měření přichází s výsledkem klimatické citlivosti v rozsahu v rozsahu 2,2 – 4,8 °C.

Tento rozsah je víceméně očekávaný vzhledem k velikosti minulých změn klimatu (střídání dob ledových a meziledových). Pokud by totiž existovaly silné negativní zpětné vazby, které by snížily citlivost klimatu na hodnotu blízkou nule, nemohlo by zmíněné střídání dob ledových a meziledových proběhnout a na Zemi by byla stále přibližně stejná teplota. Pokud by naopak existovaly silné pozitivní zpětné vazby, kvůli kterým by citlivost klimatu byla mnohem vyšší, rozdíl mezi dobou ledovou a meziledovou by také byl mnohem vyšší. Tato fakta prakticky vylučují možnost, že by se skutečná citlivost klimatu velmi lišila od současných odhadů.

Po sloučení výsledků těchto různých metod tedy můžeme dojít k závěru, že s vysokou pravděpodobností je reálná hodnota citlivosti klimatu v rozsahu 1,5 – 4,5 °C, s nejvíce pravděpodobnou hodnotou v okolí 3 °C.

Spojením znalosti radiačního působení skleníkových plynů (o kolik se zvýšilo množství infračerveného záření přicházejícího k Zemi) a znalosti citlivosti klimatu tedy konečně můžeme dospět k vyjádření, jak velké oteplení bylo způsobeno lidmi vypuštěnými skleníkovými plyny. Toto oteplení, jehož velikost je pro rozsah let 1951 – 2010 zhruba 0,9 °C, je zobrazeno na grafu níže jako zelený pruh. Žlutě jsou na grafu naznačeny další lidské vlivy, jako je třeba vypouštění sazí a aerosolů do vzduchu, které mají převážně ochlazující účinek na atmosféru a působí proti oteplení způsobenému skleníkovými plyny. Oranžový pruh je pak součet všech lidských vlivů na teplotu Země, kladných i záporných. Černě je nakonec zobrazeno skutečně naměřené globální oteplení.  V tomto grafu můžeme shledat, že vypočtené oteplení způsobené lidskou aktivitou souhlasí s pozorovaným oteplením za toto období.

Podle poslední IPCC zprávy z roku 2013 z těchto poznatků vyplývá, že "je extrémně pravděpodobné, že lidská aktivita způsobila více než polovinu pozorovaného oteplení mezi lety 1951 – 2010". Novější zpráva z roku 2017 od U.S. Global Change Research Program potvrzuje závěr IPCC a upřesňuje, že v tomto období "lidská aktivita pravděpodobně způsobila 93 – 123 % pozorovaného oteplení". Důvod, proč tento podíl může přesáhnout 100 % je, že samotné přirozené vlivy mohly v tomto období vést k mírnému ochlazení, příspěvky lidské aktivity by tedy musely překonat toto ochlazení a poté způsobit pozorované oteplení.

V grafu výše můžeme vidět i velikost přirozených vlivů (jako je sluneční aktivita či sopečné erupce) a přirozené vnitřní nestability klimatu. Ani jeden z těchto vlivů zdaleka nedosahuje pozorovaného oteplení a nedokáže současné oteplení vysvětlit. Jak známe velikost přirozených jevů a jak víme, že jejich vliv na současnou změnu klimatu je malý? To si popíšeme v příštím díle seriálu, kde se budeme věnovat ostatním možným vlivům na klima.