Klimatický systém Zeme

#1: Globálny a regionálny klimatický systém

Klimatický systém Zeme sa skladá z atmosféry, hydrosféry, kryosféry, litosféry, biosféry a noosféry (aktivity človeka), preto aj prejavy zmeny klímy sú veľmi komplexné a podieľa sa na nich viacero činiteľov a faktorov (synergický efekt). Pojem globálny klimatický systém v sebe zahŕňa všetky tieto podsystémy a komplexné väzby medzi nimi. 
Regionálny klimatický systém sa zaoberá klimatickými pomermi vymedzených území rôznej veľkosti, napr. oblasť Tatier, Slovenska, strednej Európy, Stredomoria, Európy, atď.

Klíma určitej oblasti je výsledkom vzájomnej interakcie viacerých faktorov. Z najvýznamnejších je možné uviesť napríklad faktory mimozemské (slnečné žiarenie, zmeny parametrov orbitálnej dráhy Zeme), vlastnosti zemského povrchu (rozloženie pevnín a oceánov, vulkanická činnosť, vegetácia) a samozrejme aj zmeny vo vnútri samotného klimatického systému (chemické zloženie, biologické procesy a zmeny, zmeny vo využívaní pôdy, emisie skleníkových plynov). Prírodné faktory sa v priebehu 20. storočia podieľali asi len 40 % na globálnom náraste teploty vzduchu (približne 0,3 °C z celkového nárastu 0,8 °C za posledné storočie možno vysvetliť pôsobením prírodných faktorov).
Viac o tom, aké faktory ovplyvňovali klímu Zeme v minulosti, či ovplyvňujú klímu súčasnosti sa môžete dočítať v kapitole Prirodzené zmeny klímy vs. Človekom spôsobená zmena klímy.
Viac o tom, aké prírodné faktory ovplyvňujú klímu nášho regiónu si môžete prečítať v časti Klimatické pomery Slovenskej republiky.
Dôležitou vlastnosťou klimatického systému Zeme sú tzv. spätné väzby, v dôsledku ktorých sa môžu niektoré počiatočné poruchy zosilňovať (kladné spätné väzby) alebo naopak zoslabovať (záporné spätné väzby). Klasickým príkladom pozitívnej spätnej väzby je vzťah medzi teplotou vzduchu a rozsahom polárneho zaľadnenia. Pokles teploty vzduchu môže znamenať zväčšenie rozsahu snehovej a ľadovej pokrývky, čo vedie k výraznejšej schopnosti zemského povrchu odrážať slnečné žiarenie, a teda k ďalšiemu poklesu teploty vzduchu v okolí. Naopak, príkladom negatívnej spätnej väzby môže byť väzba medzi teplotou vzduchu a vývojom kopovitej oblačnosti v lete v našich zemepisných šírkach. Slnečné žiarenie dopadajúce na zemský povrch spôsobuje ohrievanie prízemných vrstiev vzduchu a vznik výstupného prúdenia (konvekcie), čo vedie k tvorbe kopovitej oblačnosti. Kopovitá oblačnosť však po svojom vzniku začne časť dopadajúceho slnečného žiarenia odrážať, a tým preniká k zemskému povrchu menej slnečného žiarenia. Ohrievanie prízemných vrstiev vzduchu sa tým zmierni, čo utlmí aj samotný proces vzniku kopovitej oblačnosti. Všeobecne sa dá povedať, že pozitívne spätné väzby podporujú nestabilitu klimatického systému, negatívne naopak jeho stabilitu zvyšujú. Miera pôsobenia pozitívnych a negatívnych spätných väzieb sa v klimatickom systéme v priebehu dňa a roka, ako aj od miesta k miestu, neustále mení. Z tohto dôvodu je správanie klimatického systému veľmi zložité.
Viac o spätných väzbách v klimatickom systéme v súvislosti so zmenou klímy sa môžete dočítať v časti o spätných väzbách.

Použitá a odporúčaná literatúra k danej tematike: 
Lapin, M. a Tomlain, J., 2001: Všeobecná a regionálna klimatológia. UK, Bratislava, 184 s
Meteorologický slovník (online): Meteorologický slovník výkladový a terminologický. [Odkaz]
TAR Climate Change 2001: The Scientific Basis. The Climate system: An Overview. [Odkaz]

#2: Zmena klímy – základná terminológia

Počasie vs. klíma

Treba zdôrazniť, že podnebie alebo klíma nie je to isté ako počasie. Pod pojmom počasie rozumieme aktuálny stav atmosféry charakterizovaný súborom vybraných meteorologických prvkov (teplota vzduchu, oblačnosť, tlak vzduchu a jeho vlhkosť, smer a rýchlosť vetra, atď.). Na rozdiel od počasia je klíma (podnebie) charakteristický režim počasia v danej oblasti hodnotený v rámci dlhšieho obdobia. Za účelom charakterizovať klímu daného regiónu sa pre celý rad meteorologických prvkov (teplota vzduchu, atmosférické zrážky, vlhkosť vzduchu, tlak vzduchu, smer a rýchlosť vetra, snehová pokrývka a pod.) počítajú štatistické charakteristiky (priemery, extrémy, denný a ročný chod, premenlivosť, početnosť dní a pod.) za dostatočne dlhé obdobie, spravidla za najmenej 30 rokov. Premenlivosť klímy, teda dlhodobých charakteristík, je podstatne menšia ako premenlivosť počasia.

Aký je rozdiel medzi pojmami zmena klímy a zmeny klímy?

Pri posudzovaní a hodnotení zmien klímy treba odlišovať prirodzené zmeny klímy a ľuďmi podmienenú zmenu klímy. Zmenami klímy nazývame len zmeny prirodzeného charakteru, teda najmä zmeny v minulých geologických dobách Zeme, ľadové doby, sekulárne zmeny, niekedy aj nízkofrekvenčné kolísanie klímy. V minulosti však prebiehali za podstatne dlhšie obdobia ako dnes. V súčasnosti pozorujeme nezvyčajné a extrémne počasie, ako horúce letá a teplé zimy. Tieto anomálie počasia s najväčšou pravdepodobnosťou súvisia so zmenou klímy, resp. globálnym otepľovaním. Pod pojmom "zmena klímy" rozumieme iba tie zmeny v klimatických pomeroch, ktoré súvisia s antropogénne podmieneným rastom skleníkového efektu atmosféry od začiatku priemyselnej revolúcie (asi od r. 1750), ak ich vieme odlíšiť od zmien prirodzených.

Použitá a odporúčaná literatúra k danej tematike: 

Meteorologický slovník (online): Meteorologický slovník výkladový a terminologický. [Odkaz]
Slovník klimatologických pojmov (online): Kolektív autorov SHMÚ. [Odkaz]
EPA: Glossary of Climate Change Terms (online). [Odkaz]
The Climate Reality Project: Key Terms You need to know to understand climate change (online). [Odkaz]

#3: Prirodzené zmeny klímy vs. človekom spôsobená zmena klímy

Klimatotvorné faktory sú činitele podieľajúce sa na tvorbe klimatických podmienok na globálnej, regionálnej, či lokálnej úrovni. Niektoré klimatotvorné faktory sú prirodzeného charakteru, kým iné sú ovplyvnené ľudskou činnosťou. V ďalšom texte uvedieme najvýznamnejšie faktory ovplyvňujúce globálnu klímu. Pre lepšie pochopenie ich rozdelíme do 4 skupín: 

1. Astronomické faktory

a. Intenzita slnečného žiarenia

Kľúčovým zdrojom energie pre Zem je Slnko. Relatívne malé zmeny energie, ktorá dopadá zo Slnka na povrch Zeme, môžu vyvolať zmeny klímy na Zemi. V čase výskytu väčšieho množstva slnečných škvŕn stúpa množstvo energie vyžiarenej Slnkom. Jednou z najlepšie zdokumentovaných prejavov slnečnej aktivity sú krátkodobé periodické fluktuácie slnečnej aktivity s periódou približne 11 rokov. Počas 11 rokov sa teda vyskytne maximum aj minimum tohto cyklu. Celkové množstvo energie zo Slnka, ktoré dopadá na hornú hranicu atmosféry je počas maxima tohto cyklu zhruba o 0,25 W/m2 vyššie v porovnaní s minimom. Takéto zvýšenie môže byť zodpovedné za nárast globálnej teploty maximálne o 0,2 °C. Okrem toho je možné sledovať aj postupné dlhodobejšie zmeny solárnej aktivity. V období 1645 - 1715 na Slnku neboli pozorované takmer žiadne slnečné škvrny (Maunderovo minimum slnečnej aktivity) a v tomto období bol zaznamenaný aj pokles globálnej teploty Zeme (Malá doba ľadová). Na začiatku 20. storočia bol pozorovaný postupný nárast solárnej aktivity, kým po roku 1970 pozorujeme pokles. Vzhľadom na to, že globálna teplota v 20. storočí nezačala klesať po roku 1970, je zrejmé, že na nárast teploty v poslednom období majú vplyv aj iné faktory.

b. Zmeny orbitálnych parametrov Zeme - Milankovićove cykly

i.    Excentricita - zmeny tvaru dráhy, po ktorej obieha Zem Slnko (perióda 100 000 rokov) 
ii.    Zmeny sklonu Zemskej osi rotácie oproti rovine ekliptiky, tzv. oblikvita (perióda 41000 rokov)
iii.    Precesia - zmeny v nasmerovaní rotácie Zeme (perióda 26 000 rokov)

Nebeská mechanika umožňuje presne vypočítať, ako sa vzhľadom na usporiadanie planét v Slnečnej sústave menia astronomické parametre Zeme - tvar jej obežnej dráhy okolo Slnka, sklon osi rotácie a jej smerovanie v priestore. Vplyv periodických zmien týchto parametrov na klímu Zeme si ako prvý uvedomil srbský vedec Milutin Milanković, podľa ktorého tieto cykly aj dostali pomenovanie. 
Zmena excentricity obežnej dráhy Zeme sa mení s periódou asi 100 tisíc rokov. Počas jednej periódy sa obežná dráha Zeme zmení z kruhovej dráhy na eliptickú s excentricitou 0,06. V súčasnosti je obežná dráha Zeme veľmi podobná kruhovej (excentricita dráhy Zeme je 0,01). Zem je najbližšie k Slnku v čase zimného slnovratu (zima na severnej pologuli). To prispieva k miernejším zimám a nie príliš horúcim letám na severnej pologuli.
Zmena sklonu osi rotácie Zeme voči ekliptike súvisí opäť s existenciou ročných období. V súčasnosti je os rotácie Zeme sklonená voči ekliptike o 23,5º, s periódou cca 41 tisíc rokov sa mení od 22,5 º do 24,5 º. Väčší uhol sklonu znamená výraznejšie vyjadrené ročné obdobia vo vysokých zemepisných šírkach. Predpokladá sa, že počas období s malým sklonom osi rotácie Zeme voči ekliptike by v miernom a polárnom pásme prevládali miernejšie zimy, v teplejšom vzduchu by sa udržalo väčšie množstvo vodnej pary, čo by malo za následok viac snehových zrážok v polárnej oblasti a výraznejší rast polárnych ľadovcov. Letá by boli v takomto prípade vo vysokých zemepisných šírkach chladnejšie.
Zemská os vykazuje taktiež tzv. precesný pohyb (ako pri detskej hračke vĺčik), čo spôsobuje periodické zmeny jej smerovania (perióda precesného cyklu zemskej osi je cca 26 tisíc rokov). V súčasnosti je v januári severná pologuľa vďaka precesnému cyklu bližšie k Slnku a v júli je vzdialenejšia.
Pokiaľ by nastala súhra chladnejších fáz všetkých 3 cyklov naraz, Zem by absorbovala menej slnečného žiarenia, čo by predstavovalo vhodné podmienky na ochladenie. Zmeny klímy spôsobené v dôsledku Milankovićových cyklov sú dlhodobé procesy, ktoré vedú k ochladeniu, či otepleniu v priebehu desiatok tisíc rokov. Pokiaľ by boli tieto zmeny jediným faktorom určujúcim klímu, momentálne by sme boli v procese ochladzovania a približne o 50 000 rokov by sme mali zažiť vrchol ľadovej doby. Na konci poslednej doby ľadovej, ktorá súvisela aj s týmito cyklami, pred 11 000 rokmi, bola priemerná globálna teplota približne o 4 °C nižšia ako dnes. Prechod z ľadovej do medziľadovej doby však trval niekoľko tisíc rokov.

2. Geografické faktory

a. Rozloženie oceánov a pevnín

Oceány a pevniny majú odlišné fyzikálne vlastnosti a je preto zrejmé, že pri popise klímy určitého regiónu bude zohrávať dôležitú úlohu, či sa daný región nachádza v blízkosti pobrežia alebo skôr vo vnútrozemí kontinentu. Blízkosť mora (vodnej plochy) spôsobuje napríklad zníženie teplotných extrémov (chladných aj teplých), či vyššiu vlhkosť vzduchu. Rozloženie oceánov a pevnín má však vplyv aj na globálnu klímu.  
Pri skúmaní klímy Zeme za jej geologické obdobie je potrebné zohľadniť zmeny v rozložení oceánov a kontinentov, ktoré v minulosti nastali a prebiehajú aj v súčasnosti. V období holocénu (posledných 11 700 rokov) sú však tieto zmeny takmer nebadateľné. Teória tektoniky kontinentálnych platní (teória kontinentálneho driftu) predpokladá, že povrch Zeme je tvorený platňami pevniny, ktoré sa posúvajú po kvapalnom podklade. Pri tomto pohybe sa niektoré dosky kontinentov od seba vzďaľujú, iné sa pod seba podsúvajú. Sústredenie veľkých kontinentálnych oblastí v polárnom a miernom pásme predstavuje lepšie podmienky pre vznik globálneho zaľadnenia. Oceány z polárnych oblastí transportujú chladný vzduch, či prípadné kusy ľadu. Na pevnine sa naopak sneh akumuluje a postupne vzniká ľadovec (čo zároveň zvýši albedo a zníži tým globálnu teplotu - viac o tomto efekte v časti o spätných väzbách). Rozloženie kontinentov tiež vplýva na oceánsku cirkuláciu, a tak nepriamo aj na klímu. Vznik a zánik pohorí ovplyvňuje regionálnu cirkuláciu atmosféry, čo sa môže odraziť aj na globálnej klíme Zeme (vysoké pohoria v miernom a polárnom pásme tiež umožňujú rýchlejšie vytvorenie kontinentálnych ľadovcov).

b. Typ pokrytia povrchu 

Ako sme uviedli aj v prechádzajúcej časti (a môžete sa o tom dočítať aj v časti o spätných väzbách), typ povrchu môže zohrávať podstatnú rolu pri tvorbe klimatických podmienok. V prvom rade ide o odlišné radiačné vlastnosti rôznych typov povrchov. Zamrznutý povrch napríklad odráža viac slnečného žiarenia, tým pádom ochladzuje atmosféru. Podobne aj odlesňovanie, urbanizácia, či šírenie alebo zmenšovanie púští môže vplývať (najmä) na lokálnu klímu, hydrologický cyklus, či ekologické podmienky v oblasti týchto zmien. 

3. Cirkulačné (cirkulácie v atmosfére a oceánoch) faktory

a. Všeobecná cirkulácia atmosféry

V dôsledku nerovnomerného zahrievania rovníka a pólov, rotácie Zeme, či rozloženia kontinentov a oceánov existujú v atmosfére určité typy prúdenia. Keďže všetky z uvedených faktorov sa vyznačujú relatívnou stálosťou, tak aj prúdenie, ktoré je nimi vyvolané, bude mať približne ustálený charakter. Ide napríklad o pasáty v okolí rovníka, rovníkové pásmo nízkeho tlaku vzduchu - intertropickú zónu konvergencie, monzúnové prúdenie, subtropické pásmo vysokého tlaku, prevládajúce západné/východné prúdenie v stredných zemepisných šírkach na severnej/južnej pologuli, atď. Tieto základné prúdenia v atmosfére jedným slovom nazývame všeobecná cirkulácia atmosféry a sú zodpovedné za dotvorenie niektorých špecifík klímy na Zemi (2 dažďové obdobia za rok v rovníkovej oblasti).

b. Atmosférické oscilácie (ENSO, PDO, NAO, AO)

• Jedným z najvýznamnejších prirodzených faktorov ovplyvňujúcich krátkodobé (spravidla 2 až 7-ročné) zmeny globálnej a hemisférickej teploty je ENSO - EL Niňo južná osciálácia (kladná fáza otepľovania mora sa nazýva El Niňo a záporná fáza ochladzovania mora zase La Niňa). El Niňo je periodický jav vyskytujúci sa raz za 3-7 rokov, ktorý sa prejavuje zvýšením teploty vody vo východnej časti Tichého oceánu v okolí rovníka po dobu približne jedného roka. Za normálnych podmienok je prúdenie v rovníkovom Tichom oceáne späté s východnými pasátmi. Znamená to, že teplá voda na povrchu oceánskej hladiny z okolia Južnej Ameriky prúdi smerom k juhovýchodnej Ázii a Austrálii, pričom pri pobreží južnej Ameriky sa ku povrchu dostáva chladnejšia voda z hlbších vrstiev oceánu. Počas fázy El Niňo sa naopak vďaka zoslabeniu juhovýchodných pasátov toto prúdenie otočí a teplá morská voda zo západného Tichého oceánu sa môže dostať až k pobrežiu Južnej Ameriky. V dôsledku toho, že v priebehu teplej fázy ENSO sa na rozsiahlych plochách Tichého oceánu (niekoľko desiatok miliónov km2) zvýši teplota povrchových vrstiev oceánu na obdobie niekoľkých mesiacov aj o viac ako 2 °C sa môže globálna teplota zvýšiť pri silnej epizóde El Niňa aj o 0,15 až 0,3 °C. Fázy El Niňo sú zvyčajne spojené s nárastom atmosférických zrážok v oblastiach Južnej Ameriky, juhu Spojených štátov amerických, Afrického rohu a strednej Ázie. Naopak, El Niño môže spôsobiť rozsiahle a intenzívne sucho v Austrálii, Indonézii a v niektorých regiónoch južnej Ázie. V Európe sa El Niňo zväčša spája so suchšími a chladnejšími zimami na severe a vlhkejšími zimami na juhu kontinentu. Záporná fáza, La Niňa, je naopak spätá so zosilnením juhovýchodných pasátov a ochladením povrchových vrstiev vody východného Tichého oceánu, čo vedie k výraznejšiemu poklesu celkovej vlhkosti vzduchu a množstva zrážok v pobrežných oblastiach Severnej a Južnej Ameriky. Teplota vody v západnej časti Tichého oceánu sa v tejto fáze zvyšuje vzhľadom na priemer. Počas fázy La Niňa zväčša môžeme pozorovať pokles globálnej teploty, čo súvisí s tým, že veľké množstvo energie z radiačnej bilancie sa spotrebuje na ohrievanie oceánov (tok tepla do morskej vody) v Tichom oceáne, a tým pádom zostane menej na ohrievanie kontinentov. Absorbované teplo sa ale pritom ukladá v hlbších vrstvách oceánu, čo sa následne prejaví pri niektorej z budúcich epizód La Niňa. Pre lepšie pochopenie javu ENSO odporúčame video s vysvetlením tohto fenoménu: https://www.youtube.com/watch?v=WPA-KpldDVc&t=2s. Podobne ako ENSO cyklus, globálnu teplotu môžu ovplyvniť aj ďalšie podobné cyklické zmeny vo veľkopriestorovej cirkulácii: 
• Pacifická dekádna oscilácia (PDO): zhruba desaťročný cyklus so striedaním teplejších a chladnejších plôch povrchu morskej vody v Pacifiku. 
• NAO - Severoatlantická oscilácia: rozdiel tlaku medzi tlakovou nížou v oblasti Islandu a výšou v oblasti Azorských ostrovov. Kladná fáza NAO je spätá so znížením tlakového rozdielu medzi týmito útvarmi, čo zaisťuje vhodné podmienky na preniknutie teplého a vlhkého vzduchu z oblasti Atlantického oceánu nad severnú Európu. V severnej Európe preto počas kladnej fázy NAO môžeme pozorovať teplé a vlhké počasie a na juhu Európy naopak relatívne suché. Pri zápornej fáze NAO je zase tlakový rozdiel medzi spomínanými tlakovými útvarmi zosilnený, vďaka čomu vlhký atlantický vzduch prenikne do Stredomoria. Počas zápornej fázy teda sever Európy zažíva suchšie počasie a juh Európy zase vlhkejšie podmienky. 
• AO - Arktická oscilácia: negatívna fáza arktickej oscilácie sa prejavuje zvýšeným tlakov v porovnaní s normálnymi podmienkami v polárnej oblasti a znížením prízemného tlaku v stredných zemepisných šírkach. Systém polárnej tlakovej níže je tým pádom zoslabený, ako aj výškové západné prúdenie. Zoslabený polárny vortex umožňuje prienik chladného arktického vzduchu južnejšie do oblastí stredných zemepisných šírok. Kladná fáza arktickej oscilácie predstavuje opačné podmienky. 
• Ďalšie oscilácie (po anglicky teleconnections)

c. Morské prúdy

V oceánoch existujú po tisícročia viac-menej stabilné povrchové a hlbokomorské prúdy, ktorých charakter je určený mnohými faktormi. Výsledkom je charakteristické pole teploty povrchu oceánu. V priestore dotyku studeného Labradorského a teplého Golfského prúdu (ale aj inde v podobných prípadoch na Zemi), je dôležitý vzťah hustoty studenej, ale málo slanej a teplej, ale viac slanej morskej vody. Čím je voda chladnejšia, tým má väčšiu hustotu (najväčšiu hustotu má pri 4 °C, pri ďalšom ochladení opäť jej hustota klesá). Na druhej strane, aj čím je slanšia, tým má tiež väčšiu hustotu. Tak sa môže stať, že málo slaná voda s teplotou 2 °C má rovnakú hustotu ako najslanšia morská voda s teplotou 20 °C. Ak by k tomu došlo v priestore dotyku Labradorského a Golfského prúdu, tak by Labradorský prúd neklesal pod teplý Golfský ako teraz, ale by ho odtlačil na inú (južnejšiu) dráhu. Teplý Golfský prúd by mohol smerovať k Portugalsku a otáčať sa na juh, čo by malo za následok ochladenie Británie asi o 5 °C a severu Nórskeho mora aj o viac ako 10 °C. Terajšie rozloženie plávajúceho morského ľadu na konci zimy by sa dramaticky zmenilo (Nórske more by bolo až po Island pokryté ľadom a aj v strednej Európe by mohlo byť napriek globálnemu otepleniu o 2,5 °C chladnejšie ako v posledných desaťročiach). To isté sa môže stať aj na severe Pacifiku, ale vzhľadom na iné termohalinné podmienky by bol konečný efekt oveľa menší. Treba tiež dodať, že čím rýchlejšie bude rásť teplota morskej vody okolo rovníka, tým tam bude aj väčší výpar a tým bude rýchlejšie rásť aj salinita (koncentrácia soli) v teplých morských prúdoch. Globálne oteplenie bude tiež znamenať nárast úhrnov zrážok v polárnych oblastiach (pri vyššej teplote vzduchu je v atmosfére v stave nasýtenia viac vodnej pary), pričom takmer všetky budú tam padať vo forme snehu a budú znamenať rast objemu polárnych pevninských ľadovcov. Pevninské polárne ľadovce postupne „stekajú" (putujú) k pobrežiu mora, tam sa roztápajú a zmenšujú salinitu studených morských prúdov. Globálne oteplenie tak môže urýchliť proces termohalinného kolapsu morskej cirkulácie. Odozva bude však trvať niekoľko desaťročí až storočí, lebo rýchlosť stekania pevninských polárnych ľadovcov k pobrežiu morí je od niekoľkých metrov do niekoľkých stoviek metrov za rok. K znižovaniu salinity morskej vody v polárnych oblastiach prispievajú aj padajúce zrážky na morskú hladinu, voda pritekajúca v riekach a nepriamo aj nepatrný výpar v porovnaní s tropickým pásmom. Globálnu termohalinnú cirkuláciu ovplyvňuje teda predovšetkým po stáročia veľmi stabilný celkový režim teploty a salinity morskej vody v polárnych a tropických šírkach. Za kolaps tejto cirkulácie považujeme jej relatívne náhlu zmenu, náhle spomalenie alebo aj zastavenie. Preto je vznik uvedeného kolapsu v priebehu ďalších desaťročí veľmi málo pravdepodobný.

4. Prirodzené zmeny zloženia atmosféry

Zloženie atmosféry môže vplývať na radiačné, a tým aj klimatické podmienky cez 3 procesy: odrazením slnečného žiarenia od častíc v ovzduší (na povrch dopadne toto žiarenie už zoslabené), absorpciou solárneho žiarenia (čo má tiež zoslabujúci efekt na solárne žiarenie, ktoré dopadá na zemský povrch) a absorpciou žiarenia zo zemského povrchu (čo spôsobuje opačný efekt ako v predchádzajúcich dvoch prípadoch - žiarenie je zadržiavané v atmosfére a spôsobuje to ohrev - viac o tomto procese sa môžete dočítať v časti o skleníkovom efekte). 

a.    Skleníkové plyny a vodná para 

V období od začiatku aktuálnej medziľadovej doby (zhruba pred 12 000 rokmi) po priemyselnú revolúciu v 18. storočí sa globálne koncentrácie skleníkových plynov menili len nepatrne (pri CO2 to bolo v rozmedzí 260 až 280 ppm a pri CH4 medzi 580 a 720 ppb). Lokálne sa koncentrácie skleníkových plynov menili v závislosti od ročného obdobia (keďže prirodzené emisie, či absorbovanie skleníkových plynov zemským povrchom súvisí s fotosyntézou a teplotou povrchu pôdy, či oceánu). 
Vodná para je najvýznamnejším skleníkovým plynom. Je zodpovedná za približne 2/3 prirodzeného skleníkového efektu. V podmienkach vyššej globálnej teploty vzduchu obsahuje atmosféra viac vodnej pary, čím sa skleníkový efekt ešte viac zosilňuje. Je však potrebné uvedomiť si, že zvýšené množstvo vodnej pary nie je spúšťačom nárastu teploty vzduchu v posledných desaťročiach, ale iba dôsledkom (pozitívnou spätnou väzbou) vyššej globálnej teploty vzduchu, pričom spúšťačom je nárast antropogénnych skleníkových plynov. 

b. Vulkanické erupcie

Pri vulkanických erupciách sa do ovzdušia dostávajú prachové častice plynov (najmä sulfáty), ktoré môžu zakaliť atmosféru a znížiť tým množstvo slnečného žiarenia, ktoré dopadá na zemský povrch. Okrem toho, pri veľmi silných sopečných erupciách sa tieto častice môžu dostať aj do vyššej vrstvy atmosféry - stratosféry. Pre stratosféru je príznačné, že je to stabilne zvrstvená zóna, čo znamená, že časticiam, ktoré sa sem dostanú potrvá dlhšiu dobu, kým z nej uniknú napríklad do ešte vyšších vrstiev atmosféry. Vďaka tomu môže sopečný prach pri intenzívnych erupciách v tejto vrstve zostať aj 2-3 roky, čo je dostatočne dlhý čas na to, aby sa z miesta výbuchu sopky rozptýlili v rámci stratosféry pozdĺž celej Zeme. Takýmto spôsobom môže aj lokálny výbuch sopky, pokiaľ je dostatočne silný, ovplyvniť globálnu klímu. Ochladzujúci efekt by za takýchto okolností spôsobil ochladenie globálnej teploty vzduchu o niekoľko desatín stupňa až pár stupňov, pričom trvanie tohto efektu by bolo časovo limitované na zhruba 1-3 roky.  

c.    Oblaky 

Oblaky môžu jednak prispievať k ohrevu atmosféry v dôsledku ich príspevku k zosilneniu skleníkového efektu, ale na druhej strane aj ochladzovať v dôsledku odrazenia solárneho žiarenia. Rôzne typy oblakov však môžu mať iné radiačné vlastnosti. Vysoké oblaky (cirry) zväčša súvisia s ohrevom povrchu, kým nízke a hustejšie oblaky (stratus, cumulus) naopak môžu byť späté s ochladzovaním povrchu. Zároveň, kým cez deň môžu niektoré typy oblakov znemožňovať prienik slnečného žiarenia k povrchu a tým spôsobovať ochladenie, v noci môžu naopak pôsobiť ako „prikrývka“ a nedovoliť teplu, ktoré sa počas noci vyžaruje z povrchu, aby uniklo z prízemnej vrstvy. Bezoblačné noci teda môžu byť chladnejšie, ako tie oblačné. Vzhľadom na uvedené fakty, celkový efekt oblačnosti na klímu môže byť komplexný. 

d.    Pád asteroidu

Materiál vymrštený pri dopade veľkého asteroidu môže zatieniť Slnko. Okrem toho môžu pri dopade asteroidu nastať aj veľké vlny tsunami. Takýto scenár pri páde kométy s priemerom približne 10 km pred 65 mil. rokmi neďaleko polostrova Yucatán v Mexiku, spôsobil vyhynutie mnohých druhov živočíchov.

5. Antropogénne faktory 

Človek dokázal v posledných približne 250 rokoch zásadne zmeniť množstvo, na prvý pohľad bezvýznamných, ale radiačne aktívnych plynných zložiek zemskej atmosféry (ide o tzv. skleníkové plyny ako CO2 - oxid uhličitý, CH4 - metán, N2O - oxid dusný, atď.). Od začiatku priemyselnej revolúcie sme spaľovaním uhlia, ropy, zemného plynu, odlesňovaním, či zmenou využívania krajiny dokázali do atmosféry vypustiť viac ako 600 Gt čistého uhlíka, čo je niečo viac ako 2 250 Gt CO2. Necelá polovica tohto množstva bola dodnes pohltená pevninskou biosférou (~1/4) alebo bola absorbovaná oceánmi (~1/4), čo sa žiaľ prejavuje vo zvyšovaní kyslosti morskej vody a napríklad aj destabilizácii ekosystémov koralových útesov. Druhá, väčšia polovica antropogénnych emisií uhlíka, zostáva aj naďalej v atmosfére a prispieva k veľmi rýchlemu rastu koncentrácie nielen CO2 (uhlík v tejto podobe má dlhé zotrvanie v zemskej atmosfére, časový horizont 300 až 5000 rokov).
S pokrokom monitorovania všetkých zložiek klimatického systému Zeme, predovšetkým z obežnej dráhy Zeme, stále viac pribúdajú dôkazy o tom, že ľudské aktivity sú nesporne hlavnou, aj keď nie jedinou, príčinou veľmi rýchleho otepľovania planéty.
 
Na základe analýzy chemického rozboru vzduchových bubliniek zo starých vrstiev ľadovcov v Antarktíde a Grónsku dnes vieme, že koncentrácie CO2 za posledných minimálne 800 tisíc rokov nikdy neboli na Zemi tak vysoké, ako sú dnes. V správe WMO z roku 2019 sa dokonca uvádza, že naposledy zemská atmosféra obsahovala 400 ppm CO2 (priemerná ročná hodnota koncentrácie CO2 v roku 2023 bola 419 ppm) pred približne 3 až 5 miliónmi rokov, kedy priemerná globálna teplota bola o 2 až 3 ° C vyššia ako dnes a hladina svetových oceánov a morí bola o približne 10 až 20 metrov vyššia v porovnaní so súčasnosťou. 
Paleoklimatologický výskum ešte starších geologických období nám ukazuje dokonca aj to, že náš zásah do globálneho uhlíkového cyklu predstavuje najzásadnejšiu (v tomto zmysle najrýchlejšiu) zmenu chemizmu atmosféry za posledných minimálne 55 miliónov rokov. 

Prostredníctvom laboratórnych, ako aj satelitných meraní vieme, že vyššie koncentrácie uvedených skleníkových plynov vedú k intenzívnejšiemu zadržiavaniu dlhovlnnej radiácie (tepla) v prízemných vrstvách atmosféry (viac o tom v ďalšej kapitole o fyzike skleníkového efektu).
Dnes medzi klimatológmi panuje všeobecný konsenzus (> 97 %) o tom, že za posledných 150 rokov je vplyv rastúcich koncentrácií skleníkových plynov na globálnu klímu nepopierateľný (AR6 IPCC, 2022 - 2023).

Jeden z najrukolapnejších dôkazov nám ponúkajú satelitné merania množstva dlhovlnnej radiácie (tepla), ktoré opúšťa zemskú atmosféru a uniká do medziplanetárneho priestoru. Toky tepla smerujúce do kozmu sa nielen zmenšujú, ale najviac sú pohlcované práve na vlnových dĺžkach 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, akým dnes dokážeme zmeny tokov dlhovlnnej radiácie a zvyšovanie troposférickej teploty vysvetliť. Uvedenú teóriu nakoniec potvrdzujú aj trendy teploty vzduchu v stratosfére (pokles teploty).
 
Analýzy vplyvu slnečnej činnosti a sopečných erupcií na režim meteorologických prvkov a ich dlhodobú premenlivosť nepotvrdili ich príčinnú súvislosť s celkovým globálnym rastom teploty vzduchu za posledných 150 rokov - prírodné faktory, ako Slnko a vulkanická činnosť, síce ovplyvňujú krátkodobú premenlivosť, nevysvetľujú však dlhodobý trend rastu globálnej teploty. 

Použitá a odporúčaná literatúra k danej tematike:

Earth´s climate system (online, Caro). [Odkaz]
Energy Education: Natural vs anthropogenic climate change (online). [Odkaz]
EPA: Causes of climate change (online). [Odkaz]
Hartmann, D.L. 1994: Global Physical Climatology. Academic Press, San Diego, CA
Lapin, M. (online): Prirodzené zmeny klímy a antropogénne podmienená klimatická zmena. [Odkaz]
Mélières, M.A. and Maréchal, CH. 2015: Climate change: Past, present and future. John Wiley & Sons, Chicester, UK. 
NASA: Global Climate Change: Vital Signs of the Planet → The Causes of Climate Change (online). [Odkaz]
TAR Climate Change 2001: The Scientific Basis. The Climate system: An Overview. [Odkaz]

#4: Fyzika prirodzeného skleníkového efektu zemskej atmosféry vs. človekom zosilneného skleníkového efektu 

Všetky telesá, ktoré majú teplotu vyššiu ako absolútna nula (-273,16 °C alebo 0 °K - najnižšia teplota, ktorú možno dosiahnuť), vyžarujú do okolia elektromagnetické vlny (elektromagnetickú vlnu si môžeme predstaviť ako periodicky sa opakujúcu zmenu elektrického a magnetického poľa v priestore). Vyžaruje teda Slnko, Zem, ľudia, zvieratá a všetky predmety s teplotou > 0 °K. Elektromagnetické žiarenie môže mať rôzne vlnové dĺžky, resp. frekvencie, v závislosti od čoho potom môže ísť o rôzne typy elektromagnetického žiarenia (rádiové vlny majú napríklad vlnovú dĺžku v 10-tkách metrov, meteorologické radary a wifi routery niekoľko cm, infračervené žiarenie od 700 nm po 1 mm, viditeľné svetlo od 380 do 700 nm, ultrafialové žiarenie od 100 po 380 nm a ešte kratšie vlnové dĺžky majú röntgenové a gamma žiarenie). Telesá vyžarujú celé spektrum vlnových dĺžok, avšak čím vyššia je teplota telesa, tým bude maximum a zároveň aj stred tohto spektra posunuté ku kratším vlnovým dĺžkam. Slnko má teplotu približne 5 600 °C a maximum jeho žiarenia je práve v oblasti viditeľného svetla (preto vidíme, že Slnko svieti). Na druhej strane, priemerná teplota Zeme je približne 15 °C a maximum žiarenia Zeme je v oblasti infračerveného žiarenia, ktoré voľným okom nevidíme.
Po vyžiarení zo Slnka elektromagnetické žiarenie putuje smerom k Zemi. Častice tvoriace zemskú atmosféru interagujú s týmto žiarením - môžu ho rozptyľovať (oblohu vidíme na modro, lebo práve vlnová dĺžka modrého svetla je najviac rozptyľovaná) a absorbovať. Molekuly plynov však neabsorbujú celé spektrum elektromagnetického žiarenia, ale iba určité vlnové dĺžky, ktoré zodpovedajú stavbe danej molekuly. Ultrafialové žiarenie, ktoré prichádza zo Slnka, je napríklad vo veľkej miere absorbované ozónom. Väčšina častíc tvoriacich atmosféru je však pre krátkovlnné slnečné žiarenie priepustná. Po prechode atmosférou sa slnečné lúče dostanú na zemský povrch a ohrejú ho. Zem následne vyžiari žiarenie v oblasti dlhších vlnových dĺžok (v oblasti infračerveného žiarenia). Molekuly plynov ako vodná para, oxid uhličitý, metán, či oxid dusný absorbujú práve žiarenie v tomto dlhovlnnom spektre. Po absorpcii fotónu (elementárnej častice elektromagnetického žiarenia) ho môžu spätne vyžiariť ľubovoľným smerom, aj späť k Zemi. Takýmto spôsobom je žiarenie Zeme zadržiavané a „otáčané späť“ predtým, ako sa mu podarí uniknúť zo zemskej atmosféry do medziplanetárneho prostredia. Práve uvedené plyny, ktoré absorbujú dlhovlnné zemské žiarenie, poznáme pod názvom skleníkové plyny. Skleníkovým efektom nazývame oteplenie atmosféry v dôsledku jej schopnosti prepúšťať krátkovlnné slnečné žiarenie k zemskému povrchu a následne absorbovať dlhovlnné žiarenie zemského povrchu.
Bez skleníkového efektu by priemerná teplota na Zemi bola menej než -18 °C. Väčšina skleníkových plynov sú totiž plyny, ktoré sa prirodzene vyskytujú v atmosfére, pochádzajú z prirodzených procesov na Zemi a vyskytovali sa v atmosfére vo väčšej, či menšej miere aj v minulosti. Vďaka týmto skleníkovým plynom máme prirodzený skleníkový efekt, ktorý ohrieva našu planétu o 32 °C (z -18 °C na +14 °C) a umožňuje podmienky ideálne na život. Na druhej strane, ľudstvo v poslednej dobe „umelo“ pridáva niektoré zo skleníkových plynov do atmosféry. Tento jav sa nazýva antropogénny skleníkový efekt a je zodpovedný za ohrev atmosféry o ďalších 1,1 °C.
Príčinou globálneho otepľovania teda nie je existencia skleníkového efektu, ale jeho zosilnenie zvýšením koncentrácie skleníkových plynov v dôsledku ľudskej činnosti. 

Použitá a odporúčaná literatúra k danej tematike:

Hartmann, D.L. 1994: Global Physical Climatology. Academic Press, San Diego, CA.
IPCC: What is the Greenhouse Effect (online). [Odkaz]
Krauss, L. M. 2021: The Physics of Climate Change. Bloomsbury Publishing PLC. 208 pp.
Meteorologický slovník (online): Meteorologický slovník výkladový a terminologický. [Odkaz]
NASA: Global Climate Change: Vital Signs of the Planet → What is the greenhouse effect? [Odkaz]

#5: Spätné väzby v klimatickom systéme Zeme

Dôležitou vlastnosťou klimatického systému Zeme sú tzv. spätné väzby, v dôsledku ktorých sa môžu niektoré počiatočné poruchy zosilňovať (kladné spätné väzby) alebo naopak zoslabovať (záporné spätné väzby). Celkovo v histórii zemskej klímy prevládali záporné spätné väzby, ktoré udržiavali klímu v dlhodobej rovnováhe. 
V súvislosti s aktuálnou zmenou klímy dnes však pozorujeme viaceré kladné spätné väzby, ktoré sa v konečnom dôsledku môžu stať hrozbou a narušiť stabilitu klimatického systému. 
Príklady niektorých spätných väzieb v súvislosti so zmenou klímy:

• Roztápanie permafrostu:

Permafrost je trvalo zamrznutá pôda, ktorá sa nachádza v Rusku na Sibíri, ale aj v iných chladných oblastiach našej planéty. V dôsledku globálneho otepľovania pozorujeme v tejto oblasti teplejšie zimy a dlhšie letá. 
To spôsobuje rozmŕzanie zamrznutej pôdy. Postupne, ako permafrost vznikal, ukladal do seba aj viac metánu, ktorého zdrojom boli rastlinné a iné organické zvyšky prítomné v pôde. Okrem toho sa v permafroste ukrývajú aj neznáme mikroorganizmy a vírusy z minulosti. Keď sa permafrost roztápa vo väčšej miere, uvoľňuje sa aj metán a potenciálne sa môžu do ovzdušia dostať aj nebezpečné vírusy, či baktérie. 

• V teplejšej atmosfére sa zvýši aj množstvo vodnej pary v ovzduší: 

Z fyzikálnych zákonov vyplýva, že teplejší vzduch môže obsahovať viac vodnej pary, kým chladný vzduch menej. Všeobecne platí, že vzduch teplejší o jeden stupeň Celzia môže obsahovať o šesť percent viac vodnej pary. Keď sa vo vzduchu naplnia kapacity vodnej pary, tak sa para začne kondenzovať (skvapalňovať). 
V chladnejšom vzduchu sú maximálne kapacity vodnej pary nižšie, a tak para začne kondenzovať už pri nižšom množstve vodnej pary vo vzduchu.
Vodná para je najvýznamnejším skleníkovým plynom v atmosfére, je zodpovedná za 2/3 celkového skleníkového efektu. Vodná para však nie je spúšťačom súčasného globálneho otepľovania. Na to, aby sa začalo vyparovať zvýšené množstvo vodnej pary (ktorá ako skleníkový plyn môže spôsobiť ďalšie zosilnenie skleníkového efektu) bolo potrebné tento proces naštartovať inými skleníkovými plynmi - v prvom rade oxidom uhličitým a metánom. 

• Zmenšenie rozsahu ľadovej a snehovej pokrývky: 

Čerstvý sneh, či ľadové povrchy odrážajú niečo medzi 50 % až 90 % žiarenia prichádzajúceho zo Slnka. Naopak, kontinentálne časti Zeme, ktoré nie sú pokryté snehom, či ľadom odrážajú 10 % až 30 % žiarenia a oceány iba 5 % až 10 %. Pokiaľ sa teda z nejakého dôvodu zväčší povrch pokrytý snehom, či ľadom, zvýši sa aj množstvo žiarenia, ktoré je odrazené zemským povrchom. Zvyšná neodrazená časť žiarenia je potom pohltená zemským povrchom. Zmena typu povrchu z bieleho zasneženého, či zľadovateného povrchu na holú pôdu, či oceán teda môže prispieť k ďalšiemu otepleniu v dôsledku zvýšenej absorpcie slnečného žiarenia. Rovnaký efekt môže mať aj pokrytie bieleho povrchu tmavým aerosólom. 

• Lesné požiare: 

Dlhodobé sucho a vysoké teploty vzduchu predstavujú ideálne podmienky na vznik požiarov, veterné počasie zase môže zintenzívniť jeho šírenie. Požiare v prvom rade spôsobujú škody na majetkoch, či prírode, avšak zároveň sa pri horení uvoľňuje aj väčšie množstvo oxidu uhličitého, či iných skleníkových plynov.

• Úbytok biodiverzity: 

Vplyv klímy na biodiverzitu je zjavný a nepopierateľný, avšak aj biodiverzita ovplyvňuje klímu. Pokiaľ je napríklad zemský povrch pokrytý vegetáciou, odrazí sa väčšie množstvo slnečného žiarenia ako v prípade holej pôdy. Pôda bez rastlinstva teda prispieva k intenzívnejšiemu ohrevu planéty. Okrem toho rastliny zvyšujú množstvo odparenej vody z pôdy a uskladňujú uhlík z atmosféry do organickej hmoty.

• Nárast teploty morskej vody: 

Významná časť (cca 25 %) oxidu uhličitého vypusteného do atmosféry je pohltená oceánmi (absorpcia uhlíka do oceánov sa žiaľ prejavuje vo zvyšovaní kyslosti morskej vody a napríklad aj destabilizácii ekosystémov koralových útesov). Takýmto spôsobom sa oceán stáva akýmsi skladiskom uhlíka, ktorý sa však ale zároveň z oceánu aj postupne uvoľňuje. A teplejšie oceány predstavujú aj viac uvoľneného oxidu uhličitého z nich, ktorý dodatočne zahrieva planétu a oceány, čím sa uzatvára slučka pozitívnej spätnej väzby.
Ako príklad negatívnej spätnej väzby v súvislosti s teplotou morskej vody môžeme uviesť rozsah plávajúceho ľadu v okolí Antarktídy. V dôsledku teplejšej klímy ľadovce z vnútrozemia Antarktického kontinentu postupne stekajú smerom k pobrežiu a nakoniec aj do okolitých vôd. Tým pádom je v okolí Antarktídy viac bielej plochy, čo môže v konečnom dôsledku odraziť viac slnečného žiarenia a spôsobiť tým chladnejšie podmienky. 

• Sucho: 

Príkladom pozitívnej spätnej väzby pri výskyte sucha môže byť napríklad, že suchá pôda sa zahreje ľahšie než vlhká a prispieva tým k dodatočnému otepleniu a ďalšiemu vysušovaniu. V prípade dostatočne zavlaženej pôdy však naopak môže ísť o negatívnu spätnú väzbu. Ohrev nasýtenej pôdy a následný výpar z nej môže mať ochladzujúci efekt na okolitú atmosféru. Tým sa jednak zníži ďalší výpar a riziko vzniku sucha, ale zároveň sa môže predísť aj vzniku extrémnych horúčav.  

V súvislosti so spätnými zmenami sa často hovorí aj o pojme “bod zlomu”. Ide o hypotetický bod, v ktorom sa naštartujú spätné väzby, ktoré nebude možné tak jednoducho zvrátiť, a tým pádom sa zmena klímy úplne vymkne spod kontroly.

Použitá a odporúčaná literatúra k danej tematike:
Carbon Brief: Understanding climate feedbacks (online). [Odkaz][Odkaz]
IPCC (AR6): The Earth’s Energy Budget, Climate Feedbacks, and Climate Sensitivity (online). [Odkaz]
Heinze, Ch. et al. 2019: ESD Reviews: Climate feedbacks in the Earth system and prospects for their evaluation (online). [Odkaz]