Explainer dynamika klimatu

_explainers/dynamika-klimatu.md

@@ -0,0 +1,99 @@
+---
+layout:      explainer
+title:       "Jaké faktory ovlivňují klima?"
+slug:        "dynamika-klimatu"
+published:   2022-05-05
+author:      "Ondráš Přibyla"
+weight:      50
+tags-scopes: [ svet ]
+tags-topics: [ klima ]
+cover-source-author: "Qimono"
+cover-source-license: ""
+cover-source-license-url: ""
+cover-source-text: "Photo by Qimono on Pixnio"
+cover-source-url: "https://pixnio.com/space/planet-earth-universe-galaxy"
+perex:       "TODO: zarámování článku"
+
+---
+
+## Eneregická rovnováha
+
+Snadno si dokážeme představit, že teplota na planetě Merkur bude mnohem vyšší než na Zemi, protože Merkur je blíže ke Slunci. Naopak na takovém Plutu se teploty pohybují okolo -230 °C [^Pluto] , protože je od Slunce velmi daleko. Planety přijímají od Slunce energii ve formě záření, zejména ve viditelné a infračervené části spektra. Ty, které jsou slunci blíže, přijímají více záření a jsou proto teplejší. Zároveň každá planeta energii vyzařuje v pro naše oči neviditelné dlouhovlnné infračervené oblasti spektra ("tepelné záření"). Planety jsou obklopeny vesmírným vakuem, ve kterém se energie nemůže šířit jinými způsoby - a tedy teplotu planety určuje pouze rovnováha mezi přijatou a vyzářenou energií. Přesněji **v ustáleném stavu je množství záření přijatého od Slunce je stejné jako množství záření, které planeta sama vyzáří.** To vyplývá ze zákonů termodynamiky. Celoplanetární klimatické změny jsou vlastně nerovnovážnými stavy a souvisí právě s narušením této energetické rovnováhy.  
+
+Hrubý výpočet této energetické rovnováhy je snadné provést (viz poznámka dole [^1]) - je potřeba potřeba znát intenzitu slunečního záření[^2]. Aby výpočet odpovídal reálné teplotě na povrchu planety, je potřeba započítat dva významné efekty: 
+
+1. **Skleníkový efekt atmosféry**: Atmosféra může způsobit rozdíl mezi tepelným zářením, které vyzařuje povrch planety, a tepelným zářením vycházejícím z horní vrstvy atmosféry (TOA, *top-of-atmosphere*) tím, že část záření pohltí a odrazí zpět k povrchu. Teplota povrchu planety se pak ustálí na vyšší hodnotě, než jakou by planeta měla bez atmosféry. Tomuto mechanismu se říká *skleníkový efekt* a jeho síla závisí na koncentraci skleníkových plynů v atmosféře. Pro představu: současné koncentrace skleníkových plynů způsobují, že Země je asi o 18°C teplejší, než by byla bez skleníkových plynů v atmosféře.
+
+2. **Odrazivost povrchu planety**, neboli **Albedo**. Planeta nepohltí všechno sluneční záření, které na ni dopadne část odrazí do vesmírného prostoru. Míře odrazivosti povrchu se říká albedo - dokonale bílý povrch by měl albedo 1 (tedy odrazí 100% záření),  čerstvě napadlý sníh má albedo mezi  0,6 a 0,8 (tedy odrazí 60 - 80 % záření, které na něj dopadne) a lesy nebo oceány mají albedo okolo 0,1 (tedy odrazí asi jen 10% záření, které na ně dopadne a 90% záření pohltí). Určující pro albedo planety není jen povrch, ale také oblačnost a množství prachu nebo aerosolů v atmosféře.  Průměrné Albedo panety Země je okolo 0,3.
+
+Rovnováha mezi přijatým a vyzářeným zářením, spolu se skleníkovým efektem a albedem, způsobuje, že průměrná teplota planety je dnes zhruba 14 °C[^EarthTemp]. V dobách, kdy byl na Zemi jiný ustálený klimatický stav, byly energetické toky také v rovnováze, ale kvůli jinému albedu a jiné síle skleníkového efektu se rovnováha ustálila na jiných teplotách:  
+
+ * Během dob ledových byly velké části povrchu pokryté sněhem a ledem a Země více slunečního záření odrážela. Zároveň v dobách ledových byly výrazně nižší koncentrace CO2 a tedy byl slabší skleníkový efekt. Atmosféra Země tedy více svého tepelného záření propouštěla do vesmírného prostoru. Průměrná teplota planety se ustálila na výrazně nižších hodnotách, okolo 8°C[^IceAge].    
+ * V průběhu teplého období třetihor koncentrace CO2 přesahovaly 1000 ppm a silnější skleníkový efekt více bránil unikání infračerveného záření do vesmírného prostoru. Navíc severní i jižní pól byly zcela bez ledu a planeta odrážela méně slunečního záření do vesmíru. Průměrná teplota planety se ustálila na hodnotách okolo 24°C. 
+
+
+Ice albedo feedback
+Dissolved CO2 feedback
+Water vapour feedback
+
+### Radiative forcing a měnící se klima
+
+Efekt planetárního albeda a skleníkových plynů na toky záření se popisuje veličinou zvanou **Radiative forcing**. (to se do češtiny někdy překládá jako radiační působení, nicméně necháváme v angličtině). Má jednotku W/m2 a vyjadřuje velikost rozdílu zářivých toků od jejich hodnot v referenčním období (v souvislosti s klimatickou změnou zpravidla se jako referenční období používá zpavidla "pre-industriál" tedy 1850-1900 nebo 1750)
+
+Jak si radiative forcing představit? Měnící se klima souvisí s energetickou nerovnováhou podobně, jako zrychlení auta jedoucího po dálnici souvisí s tím, jak moc je sešlápnutý plyn. V ustáleném stavu jede auto stálou rychlostí (protože odporové síly vyrovnávají tah motoru). Když sešlápneme plyn, začne auto zrychlovat (tah motoru je větší než odporové síly), ale po nějaké době se rychlost auta znovu ustálí na vyšší hodnotě. Analogií sešlápnutí pedálu je právě Radiative forcing, zrychlení auta pak odpovídá nerovnováze mezi energetickými toky (EEI, Earth Energy Imbalance ) 
+
+Obrázek - ilustrace - Rohde
+
+
+## Distribuční mechanismy:
+
+V předchozích odstavcích jsme se dívali na planetu jako na jeden celek, který má nějakou průměrnou teplotu. Víme však, že různé oblasti na planetě mají různé klima, které se zároveň mění v průběhu roku (a někdy ve víceletých cyklech, např El Nino). Jaké mechanismy určují lokální klima a jeho průběh během roku? 
+
+### Atmosférická proudění 
+ V hrubých rysech by se dalo říci, že vzduch se zpravidla v tropech ohřívá o povrch země nebo oceánu, stoupá a v horních vrstvách atmosféry proudí od rovníku směrem k pólům a roznáší tak teplo po planetě. V detailnějším pohledu  jsou atmosférická proudění mnohem komplikovanější. Nejden jen o teplotu vzduchu, ale také o jeho vlkost (která může kondenzovat a vytvářet mraky či srážky). Oblasti vysokého a nízkého tlaku vzduchu vytvářejí "fronty", jejichž putování nad kontinenty zásadně ovlivňuje tryskové proudění (*Jet stream*) ve vyšších vrstvách atmosféry. Koneckonců modelování atmosférických proudění pro dlouhodobé a přesné předpovědi počasí je matematicky nesmírně obtížný problém - ten hlavní rys však zůstává: **atmosférická proudění distribuují teplo a srážky po planetě**. 
+
+### Oceánská proudění (termohalinní cirkulace)
+ Oceánská proudění jsou mnohem pomalejší než ta atmosférická. Zatímco rychlosti větru mohou dosahovat stovek kilometrů za hodinu, rychlosti oceánských proudů jsou typicky v jednotkách km/h. Z hlediska transportu tepla je však voda mnohem efektivnější médium než vzduch. Metr krychlový vody ohřátý o 1°C nese XXX krát více tepla, než metr krychlový vzduchu. Nejznámějším oceánským "dopravníkem" tepla je golfský proud, který může za to, že severní oblasti Evropy jsou mnohem teplejší než třeba stejné zeměpisné šířky na Aljašce. Voda Golfského proudu v severních zeměpisných šířkách klesá ke dnu a putuje po dně Atlantského oceánu k jihu kde se napojuje... dohromady tvoří povrchové a hlubokomořské proudy uzavřený systém, v jehož dynamice hraje podstatnou roli nejen teplota, ale i hustota vody. Ta závisí na salinitě, neboli množství rozpuštěných solí. Tento systém mořských proudů se nazývá termohalinní cirkulace (vysvětlit etymologii)
+
+###  Sezónní výkyvy neboli roční období 
+ Roční období máme na Zemi proto, že sluneční záření nedopadá v průběhu roku stejně na všechna místa. V zimě dopadá na severní polokouli méně slunečního záření, protože je odvrácená od slunce. Konkrétně třeba v Praze, v den zimního slunovratu, přijme jeden metr čtvereční XX J za den. V létě naopak dostává severní polokloule více záření - o letním slunovratu je to pro Prahu YYY J.  Atmosférické a oceánské proudy pak dotvářejí charakteristické průběhy léta či zimy, případně monzunů a suchých období. Efekt oslunění je pro sezónní výkyvy dominantní, ale skládá se s efektem eliptičnosti oběžné dráhy. Země je slunci nejblíže (*v perihelu*) začátkem ledna, a nejdále (*v apohelu*) začátkem července. V perihelu dostává celá planeta asi o 7 % více slunečního záření než v apohelu (konkrétně 1.412 kW/m2 začátkem ledna a 1321 kW/m2 začátkem července). Parametry oběžné dráhy se ve škálách desítek tisíc let pomalu mění v tzv. Milankovičových cyklech (podrobněji viz níže) a mění se tak průběh oslunění zeměpisných šířek během roku. Tyto změny jsou sice malé, ale v interakci s atmosférickými a oceánskými proudy a zejména zpětnovazebními smyčkami mohou spouštět rozsáhlé klimatické změny.  
+
+
+### Víceleté oscilace
+
+  - Rozložení kontinentů: V souvislosti s klimatem v druhohorách nebo třetihorách se někdy zmiňuje také rozložení kontinentů. To samozřejmě zásadně ovlivňuje nejen atmosférická proudění a albedo, ale také oceánské proudy. 
+
+## Zpětné vazby (zpětnovazební smyčky)
+
+- Water Vapour feedback. Čím vyšší je teplota v atmosféře, tím více je v ní vodní páry. To znamená nejen silnější vodní cyklus (tedy v průměru více prší, ale ne všude), ale především silnější skleníkový efekt. Vodní pára je totiž silný skleníkový plyn. Od CO2, CH4, N2O a dalších skleníkových plynů se její působení podstatně liší ve dvou aspektech:
+   1. Zatímco CO2, CH4 či N2O jsou v atmosféře velmi dobře promíchány až do cca 80 km, koncentrace vodní páry je místně velmi proměnlivá a ve významných množstvích se H2O vyskytuje jen ve spodních 10 km atmosféry.  
+   2. Množství vodní páry je určeno především dostupností vodní hladiny, která by mohla odpoařovat (70% povrchu země jsou oceány) a teplotou vzduchu.  
+
+- Ice Albedo Feedback. Teplejší planeta znamená méně ledovců (a pomalá dynamika ledovců - odkrývá velké oblasti pobřeží, může zasáhnout do dynamiky mořských proudů )https://solarsystem.nasa.gov/planets/dwarf-planets/pluto/in-depth/
+![Untitled](https://s3-us-west-2.amazonaws.com/secure.notion-static.com/880bb2f5-43ee-4081-99c4-6862d36c15f6/Untitled.png)
+
+- Dissolved CO2 feedback. CO2 je hodně rozpuštěný v mořské vodě. Teplejší mořská voda pojme méně CO2. 
+
+## Skleníkový efekt a uhlíkový cyklus
+
+- interakci atmosféry s oceánem jsme zmínili v dissolved CO2 feedback
+- Rock weathering a sopky
+- vegetace, požáry a carbon burial (a fosilní paliva)
+
+## Orbital forcing:
+
+- planeta absorbuje stále stejné množství záření za rok (protože zákon zachování momentu hybnosti)
+- orbital forcing vlastně pouze mění seasonalitu
+- Milankovičovy cykly (moho usloužit jako trigger pro zpětné vazby) 
+[https://biocycle.atmos.colostate.edu/shiny/Milankovitch/](https://biocycle.atmos.colostate.edu/shiny/Milankovitch/)
+
+Jak se uvedené prvky modelují?
+
+
+## Poznámky a zdroje
+
+[^Pluto]: Teplota Pluta viz [NASA Science: Solar system Exploration](https://solarsystem.nasa.gov/planets/dwarf-planets/pluto/in-depth/)
+
+[^1]: Tady bude komentovaný výpočet nebo odkaz na něj. 
+[^2]: Ve vzdálenosti, ve které Země obíhá Slunce, je intenzita slunečního záření 1365 W/m2.  Tato hodnota nepatrně kolísá spolu se slueční aktivitou asi v jedenáctiletých cyklech, ale kdybychom se proměnlivost intenzity slunečního záření pokusili zohlednit ve výpočtech, zjistíme že by hrála roli méně než desetinu °C.[https://www.pmodwrc.ch/en/research-development/solar-physics/tsi-composite/](https://www.pmodwrc.ch/en/research-development/solar-physics/tsi-composite/) , [https://www.pmodwrc.ch/en/research-development/space/soho/#VIRGO](https://www.pmodwrc.ch/en/research-development/space/soho/#VIRGO))
+[^EarthTemp]: Průměrná teplota Země viz [NOAA Climate.gov: Global Temperature](https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/climate-change-global-temperature)