Dialog mezi mořem a větrem

Zásadní posun ve vnímání globálního klimatického systému nastal jednak s novými pracemi o severoatlantické oscilaci, jednak tím, že W. Broecker nalezl srdce oceánického výměníku v systému antarktických proudů a propojil tak systém jižní a severoatlantické oscilace (viz Vesmír 74, 257, 1995/5 a 74, 488, 1995/9) do jedné velké nervatury oceánu.

 

Do NAO jsme vstoupili již v holocénu

Dobře známý scénář epizody El Niño (viz rámeček 1 ) byl v poslední době doplněn velmi důležitým modelem, který ukazuje, že Tichý oceán zpomaluje globální oteplování, a to možná až o polovinu předpovězené hodnoty. V teplejších obdobích (i ve skleníkovém světě) je jižní oscilace silnější, takže v tropickém Tichém oceánu se objevuje víc chladných vod vzestupného proudění. Mezi povrchem oceánu a atmosférou dojde k výměně tepla, které je díky vzdušné cirkulaci odváděno na sever i na jih, kde se snadněji vyzáří do prostoru a tím ochladí celý zemský systém a částečně eliminuje globální oteplování.

 

U klimatických změn je často obtížné hovořit o příčině a následku. Obojí je do sebe zakousnuto jako had Uroboros hryzající svůj ocas. Přesnější je představa neuronové sítě. Ta je obvykle znázorňována jako systém bodů spojených vztahy. Informace o tom, co se děje v jednom bodu, je společná celé síti, ale stav bodu ovlivňuje nejvíc své sousedy a dál vyznívá. Mechanizmus příčina-následek si obvykle představujeme mechanicky: něco se stane, pak je jakási pauza, pak následuje reakce. Chování klimatu i neuronových sítí je odlišné: něco málo se stane, ještě nedojde k průběhu „celé“ příčiny a okolí již reaguje, zesiluje či zeslabuje původní signál. Mezitím pokračuje působení původní příčiny, na což okamžitě reagují okolní body a svou proměnou vtahují do hry širší okolí. To se buď přidá a přiloží ruku k dílu (pozitivní zpětná vazba), anebo je více ovlivněno ještě vzdálenějšími body, pracujícími v jiném režimu (ty sice dobře vědí, co se děje, ale sledují své vlastní cíle), které akci zbrzdí (negativní zpětná vazba). Nejsou tu žádné pauzy, dělítko mezí akcí a reakcí se stírá. Spíš než příčinu a následek tady máme spouštěč změn a jejich proměnlivou intenzitu. Umíme si to představit, ale těžko vyjadřujeme svět neuronové sítě, protože i jazyk pracuje se slovy, s nespojitými kvanty informací.

Vzhledem k počasí severní polokoule je velmi důležitá míra ovlivnění. Systém jižní oscilace-El Niño odpovídá asi 15 % za rozptyl zimních teplot severní polokoule a jeho dopad je poměrně vysoký na západním pobřeží USA, ale nízký ve střední Evropě. Pomocí severoatlantické oscilace můžeme vysvětlit rozptyl asi 30 % zimních teplot severní polokoule a její dopad je ve střední Evropě značný. Patnáct a třicet procent (jsou to jen přibližná čísla závislá na definici podmínek) nedává dohromady ani polovinu ročních teplotních anomálií. 55 % tedy náleží buď náhodnému šumu, anebo (ale jen zčásti) nějakému neznámému klimatickému mechanizmu, např. systému zimní sibiřské tlakové výše. Znamená to, že i kdybychom přesně poznali a dokázali předpovědět funkci ENSO a NAO (zkratky jsou vysvětleny v rámečku 1 ), stejně zůstane velký prostor pro „náhodu a obvyklý klimatický chaos motýlího efektu“.

 

Atlantická houpačka

Rovněž severoatlantická oscilace je založena na rozdílu tlaků, a to tentokrát na pověstné azorské výši a islandské níži, o které často slýcháme v televizních předpovědích počasí. Smluvně se za krajní body houpačky považují meteorologické stanice Lisabon v Portugalsku a Stykkisholmur na Islandu. Z řady měření je dobře patrná šestiletá perioda změn atmosférických tlaků a směru větrů, která se projevuje zejména v zimním období, kdy je rozdíl teplot mezi severním Atlantikem a rovníkem největší. Rovněž složení izotopů uhlíku v jednotlivých přírůstkových lamelách korálů by mělo sledovat Suessův efekt – tedy postupný pokles poměru ¹⁴C a ¹²C, který je od roku 1870 dobře detegovatelný díky spalování fosilních paliv. Ta totiž neobsahují žádný radiokarbon a tím ředí atmosférický zásobník radioaktivního izotopu ¹⁴C průmyslovými emisemi. Místo toho koráli indikují náhlé, několikaleté izotopové pulzy, které je možné vysvětlit jen rozdíly mořské cirkulace.

 

Izotopové složení vody z grónských ledovců vykazuje asi desetileté oscilace a krátkodobé cykly trvající něco mezi 10–30 lety se postupně daří prokázat v tropických mořských sedimentech a jezerních sedimentech západní Evropy. Ukazuje se, že Atlantický oceán se proměňuje řádově v desetiletích. Během jednoho století se kdekoliv na severní polokouli vystřídají dvě či tři delší klimatické oscilace a mnoho kratších, ale jejich dopady jsou zmírňovány či zesilovány lokálními faktory.

V Atlantickém oceánu se cirkulace odehrává přibližně ve třech patrech, která jsou na různých místech propojena „výtahy“ – místy výstupů či poklesů různě teplých a slaných vod. Jako první patro můžeme označit povrchovou, větrem podmíněnou cirkulaci, jež se odehrává do hloubek okolo 1000 m a jejímž typickým představitelem je Golfský proud. Druhé patro tvoří střední cirkulace, která byla dlouho považována za jednotvárnou, pomalou a nudnou, než se v posledních letech ukázalo, že právě zde dochází ke zkratům mezi povrchovým a hlubokým prouděním. Spodní patro pak vytváří oceánický výměník termohalinní cirkulace (Vesmír 74, 488, 1995/9), který propojuje atlantickou a tichomořskou cirkulaci a představuje tak hlavní globální rozvod původně sluneční energie zachycené oceánem. Tato nervatura oceánu se neustále proměňuje. Povrchové mořské proudy v průběhu roku slábnou, sílí, nebo dokonce mění směr. „Zdviže“ do nižších pater zanikají nebo se obnovují v periodě trvající několik měsíců i několik desetiletí. Jsou roky, kdy Golfský proud proniká hluboko na sever, a roky, kdy se jeho tvar mění z trojúhelníku (s vyšším cípem na severu) na ovál. A podobně jsou i hluboké slané proudy syceny tu teplejší, tu chladnější vodou podle toho, kolik srážek odteče do moře řekami nebo se uvolní z ledovců. Pokud oceánografy, navyklé žít v údivu nad obrovitostí a složitostí globálních proudů, vůbec něco překvapuje, tak je to velmi dynamická homeostáze celého oceánického systému. I jinak velmi střízliví badatelé používají v soukromí výrazy jako div, zázrak, nepochopitelná záležitost.

Může to být dáno i tím, že máme málo přímých detailních měření oceánické cirkulace. Definovat průběh nejznámějšího ze všech oceánských proudů – toho Golfského – není jednoduché a různé moderní práce v respektovaných časopisech jej zachycují – a to nikoliv v detailech – poněkud různým způsobem. Počátek Golfského proudu leží v tropickém Atlantiku, odkud teplé vody o kapacitě až 30 milionů m³/s proudí do Karibské oblasti, odtud Floridským průlivem podél pobřeží USA až k mysu Hatteras, načež se stáčí k Evropě zhruba pod úrovní Anglie a odtud zpět k jihu ke svému začátku. Golfský proud tak zdánlivě vytváří uzavřený ovál na povrchu Atlantiku. V jeho nejsevernějším bodu však směrem ke Skandinávii vytéká teplý Severoatlantický proud, který se na severu (zde se jeho pokračování říká Norský proud) ochlazuje a klesá do hlubších vrstev. Síla Golfského proudu se periodicky proměňuje v závislosti na síle větrů a rovněž jeho dráha severním Atlantikem osciluje až o stovky kilometrů.

Klimatická slepice a klimatické vejce

Nicméně, jak už je to v klimatologii obvyklé, neexistuje jednoduchý vztah mezi průběhem Golfského proudu a počasím v Evropě. Klimatický systém má – alespoň v tomto dělení – tři části. Řídícím mechanizmem je množství slunečního záření, které závisí jednak na vnitřní dynamice Slunce (zejména 22letý cyklus), jednak na pozici Slunce a Země (180letý cyklus a delší Milankovičovy cykly). Druhou úrovní je ukládání tohoto tepla oceány a třetí úrovní je přenos oceánského, původně solárního tepla na pevninu. Pro klima střední Evropy je stejně důležitá teplota oceánu jako intenzita západních větrů, které k nám toto teplo (a vlhko) přinášejí. Na to se dá okamžitě namítnout, že síla větrů pochopitelně závisí na teplotě mořské hladiny, ale tím opět vstoupíme do světa kauzálních vztahů, na který jsme chtěli zapomenout. Otázku, zda dřív byla klimatická slepice, nebo klimatické vejce, řešit nebudeme.

 

Základem nejenom severoatlantické oscilace, ale obou hlavních krátkodobých mechanizmů globálních změn je oceánský výměník, který je též známý jako termohalinní výměník nebo jako hluboký slaný proud. Oceánský výměník v zásadě teče v nejhlubším patře oceánu, ale zároveň přibírá vody ze středního patra a také v dlouhých úsecích vystupuje na povrch a opět sestupuje dolů. Oceánský výměník má dvě velké větve, z nichž jedna probíhá Atlantikem a určuje severoatlantickou oscilaci a druhá prochází Tichým oceánem a ovlivňuje jižní oscilaci.

Srdcem výměníku je antarktická cirkulace. Antarktida je obklopena pásmem riftových hřbetů, které stáčejí hlubinné proudění do velkého oválu obepínajícího celý kontinent – jako by se při dně kolem Antarktidy točil obrovský vír. Z tohoto víru vycházejí dvě větve, kterým W. Broecker říká atlantický výměník (Atlantic Conveyor) a protivýměník Tichého a Indického oceánu (Pacific and Indian Anticonveyor). Činnost výměníku si můžeme představit následujícím způsobem: V subtropické oblasti jižního Atlantiku dochází k obrovskému odparu. Odpařená voda je nahrazována studenou vodou proudící středním patrem směrem od Antarktidy. Tato voda se v rovníkové atlantické oblasti rychle otepluje, ale díky odparu získává větší hustotu. Ponořuje se do hloubek okolo 800 m a směřuje dál k Islandu. Vinou silných západních větrů, které unášejí mořskou vlhkost dál do Euroasie, ztrácí severní Atlantik asi 0,18 milionu m³/s. Tato chybějící voda musí pochopitelně odněkud přitéct a tím je dán základní směr středního a hlubokého proudění v Atlantiku – směrem od Antarktidy. Tento proud však mezitím podešel rovník, smísil se s těžkými, slanými vodami ekvatoriálního pásma a je teplý. Na povrch vystupuje zejména v zimě, kdy od severu vanou silné polární větry (ne nepodobné těm, které odhrnují povrchové vody systému ENSO u peruánských břehů) v oblasti kolem Islandu.

Severoatlantický proud je nejasného původu a i když bývá kreslen jako odnož Golfského proudu, tak se soudí, že jeho tepelná kapacita je odvozena hlavně od atlantického výměníku středního oceánského patra. V každém případě dojde k oteplení severní Evropy a podle intenzity větrného proudění zasáhne oceánické klima dál na východ, kde vyzní zhruba na severojižní linii procházející Oděsou či Krymem. Dál na východ, a zejména na jihovýchod od hradby hor mezi Kavkazem a Tibetem, již hlavní proměny klimatu určuje sezonní či víceletý posun intratropické zóny konvergence a ta závisí na síle větrů jižní oscilace.

Ale vraťme se k Islandu. Antlantický výměník odevzdá teplo, voda ztratí určitou část objemu, ztěžkne a ponoří se. Putuje pak nazpátek podél dna Atlantiku, až konečně jižně od mysu Dobré naděje opět narazí na srdce výměníku – na cirkumantarktické proudění. Tím se dostane do onoho velkého víru, který je navíc sycen sladkými, ale velmi chladnými vodami padajícími z antarktického šelfu. Tato směs pak podél dna Tichého a Indického oceánu vstupuje do protivýměníku a účastní se systému ENSO.

Pro oba systémy ENSO i NAO je nesmírně důležitá funkce spojnic, které jsme pracovně označili jako „zdviže“ mezi jednotlivými patry výměníku. Víme o nich zatím velmi málo. Severoatlatnická oscilace má tyto zdviže nejméně tři – jsou to konvekční cely Sargasového, Labradorského a Grónského moře. Oceánické konvekční cely si představme jako víceméně ohraničené oblasti, ve kterých dochází k vertikálnímu mísení pomocí sestupujícího a vystupujícího proudění. Je zde homogenizována povrchová a hluboká voda, takže voda z povrchu může vstupovat do středního nebo spodního patra oceánického proudění a naopak. Konvekční cely jsou nestálé a vyvíjejí se desítky let – nejenom že se v nich vertikální proudění může úplně zastavit, ale cely se také prohlubují či změlčují.

Potrubí s různě teplou vodou

Tím se dostáváme ke klíčovému mechanizmu NAO, jímž je přenos klimatické paměti. Atmosféra je příliš nestálá a turbulentní, nemá dlouhodobou paměť. Dnešní vítr si už nevzpomíná, co dělal včera, a jen starci mezi větry – vysoké planetární vlny a tryskové proudy svrchní troposféry – vědí cosi o minulém jaru. Oceán je pomalý. Trvá to desetiletí, než voda z Antarktidy doteče k Islandu a zase se vrátí k srdci výměníku. Cestou narazí na několik životních křižovatek – konvekčních cel, které ji promísí a vtisknou jí poněkud jiné složení a odlišnou teplotu. Není nic vzdálenějšího představě oceánického proudění než jakýsi systém ocelových potrubí. Ale představme si pro názornost systém oceánských výměníků jako potrubí, ve kterém pomalu podél celé planety cirkuluje voda. Do tohoto potrubí je z konvekčních cel připouštěna voda jiné teploty, takže v potrubí se střídají úseky s teplejší vodou a úseky s chladnější vodou.

 

Než vyteče všechna chladná či teplá voda, tak to trvá asi 6 let, ale kromě toho jsou šestileté „balíčky vody“ uspořádány do většího balíku, obsahujícího vodu tak za 20–30, někdy i 50 let. Tato voda se cyklicky objevuje na povrchu oceánu a dlouhodobě mění jeho povrchovou teplotu. Tím se mění gradienty, směry větrů a celý ten výše popsaný klimatický příběh. Je-li rozdíl tlaků mezi Azorami a Islandem velký, pak NAO získává kladný index (0 je dlouhodobý průměr) a většina zim je mírných. Zeslábne-li gradient, pak je index NAO nízký či záporný a evropské zimní počasí je buď nepravidelné, anebo se začne víc uplatňovat sibiřská výše vysokého tlaku se svým suchým, ledovým prouděním. Poslední dvě desetiletí se pohybujeme v severoatlantické oscilaci s vysokým indexem. Převládají mírné zimy a celkové oteplování. Při zeslábnutí oceánické cirkulace je návrat do průměrných zim vnímán jako cosi extrémního, protože při vysokém indexu NAO jsou i klimatické kontrasty větší.

Podobně jako na pevnině existuje systém meteorologických stanic, tak je zřejmě jen otázkou času, kdy bude vybudován systém podmořských stanic monitorujících v různých hloubkách intenzitu oceánské cirkulace. To by mělo společně se superpočítačovým modelem pracujícím nejen jako spřažený model oceán-pevnina, ale také ENSO-NAO umožnit dlouhodobou předpověď počasí, či dokonce klimatických změn v měřítku prvních několika let. Samotná oceánská cirkulace je příliš složitý systém, než abychom ji v rámci tohoto článku dále komplikovali otázkou skleníkového jevu. Nicméně analýza W. Broeckera ukazuje, že při dosažení úrovně 700 ppm oxidu uhličitého v atmosféře, tj 700 mikrogramů na litr vzduchu (1 ppm = 10^–4 %), což je přibližně úroveň 22. století, dojde ke zhoršení, nebo dokonce kolapsu NAO. Modely ale také zároveň ukazují, že čím se koncentrace oxidu uhličitého budou zvyšovat pomaleji, tím je větší šance, že změny nebudou náhlé a katastrofické. Hlavně z toho důvodu vnímám omezování emisí jako potřebné a žádoucí.

Skutečným vnitřním šokem je pro mne skutečnost, že život globálního ekosystému závisí na něčem tak křehkém a pofiderním, jako je proudění jedné kapaliny v poněkud jiné kapalině, jež se od sebe navzájem liší rozdíly teplot často jen 3–4 °C a rozdíly slanosti sotva pár promile. A je mi velmi divné, že tento složitý teplotní stroj, na jehož stabilitu bych nevsadil ani svůj nulový čtrnáctý plat, nejenže funguje už tisíce let, ale vlastně pracuje téměř beze změn, protože nejvyšší průměrné teploty na území dnešní České republiky byly v holocénu sotva o 2 °C vyšší a nejnižší teploty v rámci studených výkyvů stěží přesáhly 1,5 °C od dlouhodobého normálu. A to je sice dost na člověka či společnost, ale málo na světový oceán.