Klimatické modely

Klimatický systém Země je velmi složitý nelineární systém. Atmosféra, hydrosféra, kryosféra, zemský povrch, biosféra a antroposféra se stále vyvíjejí a interagují spolu. Je zjevné, že to vše nemůžeme reprodukovat v laboratoři. Pokud tedy chceme zkoumat vlastnosti klimatického systému, porozumět klimatickým změnám v minulosti nebo odhadovat možný budoucí vývoj podnebí, jedinou možností se zdají numerické modely založené na fyzikálních principech.

Už od začátku 20. století je známo, že předpověď počasí, a tedy i simulace klimatu, je problém zejména matematiky a fyziky. Matematická reprezentace klimatického systému je založena na rovnicích popisujících dynamiku atmosféry a oceánů a opírajících se o základní zákony zachování hmoty, energie a hybnosti.

Za nejjednodušší klimatické modely můžeme považovat takové, které uvažují Zemi jako jeden celek a studují vztahy mezi přicházející energií ze Slunce (což je jediný relevantní zdroj energie pro Zemi jako planetu), odraženou částí slunečního záření závisející na odrazivosti zemského povrchu (albedu) a výslednou rovnovážnou teplotou této vrcholně zjednodušené Země. Například při změřené hodnotě solární konstanty 1361 wattů na metr čtvereční a odhadovaném celkovém albedu Země 0,31 by rovnovážná teplota činila –18 °C. (Za to, že skutečná průměrná teplota u zemského povrchu je o 33 °C vyšší, jsou zodpovědné skleníkové plyny v atmosféře.) Už takto jednoduché modely energetické bilance slouží ke studiu vlivu i nepatrných změn ve slunečním příkonu (zapříčiněných parametry dráhy Země nebo cykly sluneční aktivity) či albedu (daných např. stupněm zalednění planety).

Postupně se modely atmosféry stávaly složitějšími. Zahrnovaly více vertikálních vrstev, zvyšovalo se horizontální rozlišení (v prvním kroku se uvažoval přenos energie v poledníkovém směru) a přidávaly se další procesy probíhající v atmosféře a na jejích hranicích. Ale až rozvoj počítačové techniky v druhé polovině 20. století umožnil simulovat globální cirkulaci atmosféry. Současné globální klimatické modely jsou tvořeny 3D modely atmosféry a oceánů a zahrnují i simulaci uhlíkového cyklu, mořského ledu, dynamické popsání vegetačních typů, další biochemické cykly a chemické procesy v atmosféře (obr. 1). Z toho je zjevné, že se jedná o interdisciplinární problematiku.