Proč se teplo v Jižním oceánu ukládá jinde, než přichází?

Jak si vysvětlujeme nerovnoměrné oteplování Jižního oceánu

Voda kolem Antarktidy se neoteplovala stejně rychle jako oceán severněji. V rozboru let 1950–2012 rostla povrchová teplota jižně od 50° jižní šířky v průměru o 0,02 °C za deset let. V pásu mezi 40° a 50° jižní šířky to bylo 0,11 °C. Podrobnější porovnání let 1982–2012 navíc ukázalo, že příjem tepla přes hladinu a jeho ukládání do oceánu neměly stejné prostorové rozložení. Měření a jejich zpracování popisuje pozorování obsahu tepla v Jižním oceánu. (Armour a kol. 2016)

Jak může oceán přijímat teplo a přitom se jeho hladina ohřívat jen pomalu? Teplo se může rozdělit do velkého objemu vody pod stejným místem. Voda je také může odnést jinam. Porovnáme, který z těchto procesů vysvětluje pozorované rozložení změn. Příčině celkového přibývání energie na Zemi se věnuje samostatný mechanismus.

Dvě hypotézy a jejich předpovědi

Diagram ukazuje, čím se od sebe hypotézy liší a jak dopadly jejich testy. Porovnává to, co bychom podle každého vysvětlení měli pozorovat, s tím, co vědci skutečně zjistili. Kliknutím na název hypotézy přejdete k příběhu jejího zkoumání.

Jižní šířka roste směrem k jižnímu pólu. Pás 40–50° j. š. tedy leží severněji než vody blíže Antarktidě. „Příjem tepla“ znamená energii vstupující přes hladinu, „ukládání“ její přibývání ve sledovaném objemu vody.

Jak se hledalo vysvětlení

Hypotéza 1 Teplo se ukládá pod místem příjmu

Sbalit ↑Rozbalit ↓

Už v roce 1989 Ronald Stouffer, Syukuro Manabe a Kirk Bryan zkoumali, jak se oteplí spojený model atmosféry a oceánu při růstu CO₂. Porovnali dvě stoletá období výpočtu. V jednom koncentrace rostla o 1 % ročně, v druhém zůstala stejná. Voda a vzduch kolem Antarktidy reagovaly mnohem pomaleji než většina severní polokoule. Autoři tuto odlišnost spojovali s velkou účinnou tepelnou kapacitou jižního oceánu. Tu zvětšovalo hluboké promíchávání i cirkulace, které jejich model už zahrnoval. (Stouffer a kol. 1989)

Tepelná kapacita vyjadřuje, kolik energie musíme dodat, aby se těleso ohřálo o jeden stupeň. U vody záleží také na tom, jak velký objem se společně ohřívá. Vítr a ochlazování hladiny promíchávají horní část oceánu. Vzniká vrstva, ve které se teplota a slanost s hloubkou mění poměrně málo. Když se přijatá energie rozloží do silnější vrstvy, připadne na stejné množství vody menší přírůstek a teplota stoupne méně. (Stewart 2006, oddíly 5.1 a 6.4)

Toto vysvětlení je fyzikálně správné. Pro Jižní oceán ale obsahuje ověřitelnou prostorovou předpověď: pokud pomalé oteplování určuje hlavně místní hloubka promíchání, mají se nejpomaleji ohřívat oblasti s nejhlubší promíchanou vrstvou. Obrázek porovnává toto očekávání se skutečným uspořádáním oceánu. (Armour a kol. 2016, úvod)

Test: překrývá se hluboké promíchávání s pomalým ohřevem?

Jean-Baptiste Sallée a kolegové v roce 2013 porovnali klimatické modely s profily z lodí a plováků Argo. Z teploty a slanosti určili hustotu vody a sledovali, do jaké hloubky se od povrchu výrazně nemění. Stejné kritérium použili pro modely i měření. Nejhlubší zimní vrstvy našli v pásu při severním okraji Antarktického cirkumpolárního proudu, který obtéká Antarktidu. V některých místech přesahoval sezónní rozdíl hloubky promíchání 400 metrů. (Sallée a kol. 2013, oddíly 2 a 3)

Právě v tomto severnějším pásu se však povrch oteploval rychleji. Pomalý ohřev jižněji se tedy nekryje s největším místním promíchaným objemem. To je důvod, proč samotné místní ukládání tepla nepovažujeme za dostatečné vysvětlení. Promíchávání zůstává důležité, ale potřebujeme sledovat také vodu a energii, které danou oblastí protékají. (Armour a kol. 2016)

Sbalit hypotézu a vrátit se k nadpisu ↑

Hypotéza 2 Proudění odnáší přijaté teplo

Sbalit ↑Rozbalit ↓

Oceánské proudy přenášejí vodu i její energii. Už Stoufferova práce popisovala povrchový pohyb na sever, výstup hlubinné vody jižněji a zanořování severněji. Pozdější otázka proto zněla přesněji: musí se přijaté teplo ukládat především pod místem vstupu, nebo může hlavní rozložení oteplování vzniknout tímto přenosem? (Stouffer a kol. 1989, s. 662)

John Marshall a kolegové v roce 2014 tuto úlohu oceánu oddělili zjednodušeným pokusem. Modelu oceánu přidali na nezamrzlou hladinu stejný tepelný příkon 4 W/m². Hodnota 4 W/m² znamená čtyři jouly za sekundu na každý metr čtvereční hladiny. Vnější vítr a přísun sladké vody neměnili. S rostoucí povrchovou teplotou nechali dodatečný příjem energie slábnout. I při takto jednoduchém zadání vzniklo po sto letech pomalé oteplování kolem Antarktidy a rychlejší severněji. Rozdílné atmosférické podmínky pro každou oblast tedy nebyly k vytvoření hlavního vzoru nutné. (Marshall a kol. 2014, oddíl 2)

Vysvětlení vychází z vody, která u Antarktidy vystupuje z hloubky a přináší málo tepla z nedávného oteplování. U hladiny získá další energii, potom ji proudění odnáší na sever. Tam se část vody dostává pod povrchovou vrstvu. Vzniká tak předpověď odlišná od místního ukládání: hlavní příjem energie přes hladinu a její hromadění v oceánu mají být prostorově oddělené. (Marshall a kol. 2014, obrázek 4)

První test: kde teplo vstupuje a kde přibývá?

Pro tento test potřebujeme dvě různé veličiny. Povrchové toky říkají, kolik energie přechází mezi oceánem a atmosférou. Teplotní profily umožňují zjistit, kolik jí přibylo ve vodním sloupci. Pokud se přijaté teplo odnáší, nemusí se jejich mapy překrývat. Rozdíl mezi příjmem a ukládáním pak musí vyrovnat přenos přes hranice oblasti. (Stewart 2006, oddíly 5.1 a 5.7)

Armourův tým v roce 2016 spojil vyhodnocení povrchových toků s teplotními údaji za roky 1982–2012. Pásy rychlejšího oteplování a ukládání tepla ležely severněji. V těchto místech přitom změna toku přes hladinu směřovala spíše k větším ztrátám energie. Jižněji, kde se hladina ohřívala pomaleji nebo chladla, se příjem přes hladinu naopak zvětšoval. Takové rozložení odpovídá přenosu tepla mezi oblastmi. (Armour a kol. 2016, obrázek 1)

Velikost přenosu autoři vyčíslili v souboru dvanácti klimatických modelů. Pro období 1982–2012 vyšlo, že se na sever odneslo přibližně 68 ± 11 % dodatečného tepla přijatého přes hladinu jižně od 50° jižní šířky. Rozmezí je jedna směrodatná odchylka mezi modely, tedy údaj o jejich vzájemném rozptylu. Nejde o přímo naměřené procento ani o podíl pro celý svět. Většina modelového přírůstku v této oblasti se tak ukládala jinde. (Armour a kol. 2016, obrázek 2 a metody)

Druhý test: musí proudění zesílit?

Proud může odnášet více tepla i při stejné rychlosti, jestliže voda, kterou přenáší, získala další energii. Tuto možnost lze v modelu oddělit od zrychlení proudu. Armourův tým použil sledovanou veličinu, která se přenášela a mísila jako teplota, ale nemohla změnit hustotu vody ani proudění. Přidávaný povrchový příkon a jeho slábnutí s ohřevem zadal stejně jako v pokusu s tepelnou odezvou oceánu. (Armour a kol. 2016, metody)

I bez změny proudění se objevilo základní rozložení pomalého jižního oteplování a ukládání tepla severněji. Zesílení cirkulace tedy není podmínkou vzniku tohoto vzoru. Pokus podporuje konkrétní příčinný krok: dosavadní proudění umí přidanou energii odnášet. Ve skutečném oceánu se proudění měnit může a tuto odpověď dále upravovat. (Armour a kol. 2016, rozbor pasivně přenášené veličiny)

Nezávislý modelový rozbor provedli v témže roce Adele Morrisonová a kolegové. Použili jemnější model CM2.6, který v hlavní oblasti ukládání tepla přímo zachycoval i oceánské víry. Při růstu CO₂ o 1 % ročně porovnali posledních dvacet let osmdesátiletého pokusu s kontrolním výpočtem. Také zde odnášelo přírůstek tepla z jižní oblasti především dosavadní průměrné proudění. Zesílení výstupu hlubinné vody přispívalo k tamní změně severního přenosu zhruba 20 %. (Morrisonová a kol. 2016, oddíly 2 a 5)

Jemnější model současně ukázal, proč oceán nestačí kreslit jako jediný hladký proud. Severně od hlubokých promíchaných vrstev měly významnou úlohu víry. Jejich dosavadní přenos tepla zpět k jihu zeslábl, a tím pomáhaly udržet větší přírůstek severněji. Výsledek zpřesňuje cestu tepla a podporuje vysvětlení, ve kterém se příjem a ukládání odehrávají na různých místech. (Morrisonová a kol. 2016, oddíly 4 a 6)

Sbalit hypotézu a vrátit se k nadpisu ↑

Jak oceán přijaté teplo přemísťuje

Hluboké promíchávání zvětšuje objem, do kterého se energie rozděluje, ale samo nevysvětluje pomalý ohřev jižně od hlavních hlubokých zimních vrstev. Lépe obstálo vysvětlení prouděním: odpovídá oddělení příjmu a ukládání tepla a vytváří stejný základní vzor i v řízených modelových pokusech. Jeho součástí zůstává promíchávání a působení vírů. Nyní projdeme celou cestu od změny výměny energie přes hladinu po její uložení uvnitř oceánu.

Jak se změní příjem přes hladinu

Oceánský přenos tepla je pohyb energie spolu s vodou a její rozdělování promícháváním. Nejdříve se ale musí změnit energetická bilance hladiny. Voda přijímá sluneční záření a tepelné záření atmosféry, sama tepelné záření vyzařuje. Odpařováním energii ztrácí. Další část si vyměňuje s přilehlým vzduchem podle jejich teplotního rozdílu. Součet těchto toků určuje, zda přes hladinu energie přibývá, nebo ubývá. (Stewart 2006, kapitola 5)

Dodatečný příjem může vzniknout také zeslabením dřívější ztráty. V pokusu Morrisonové byl nad velkou částí Jižního oceánu vzduch chladnější než hladina, takže mu voda předávala teplo. Vzduch se však oteploval rychleji než voda. Teplotní rozdíl se zmenšoval a oceán tímto způsobem ztrácel méně energie. Proti původnímu stavu mu tedy více zůstávalo. (Morrisonová a kol. 2016, oddíl 3)

Proč u Antarktidy dál přichází voda z hloubky

Nad Jižním oceánem převládají západní větry, které vanou směrem na východ. Působí na povrchovou vodu třením. Rotace Země stáčí výsledný přenos v horní vrstvě na jižní polokouli doleva od směru větru, tedy k severu. Část vody odnášené od jižní oblasti nahrazuje voda vystupující z hloubky. To je jedna větev rozsáhlé oceánské cirkulace. (Stewart 2006, oddíly 9.3 a 13.5)

Hlubinná voda byla dlouho oddělená od atmosféry, a proto v ní dosud není tak velký přírůstek z novějšího oteplování. Její výstup udržuje pomalou povrchovou odezvu. Voda u hladiny přijímá dodatečnou energii a povrchová větev ji odnáší na sever. Dokud přichází voda s menším tepelným přírůstkem a odchází voda s větším, může se přes oblast přenášet mnoho energie, aniž by se v ní všechna nahromadila. (Marshall a kol. 2014, oddíl 2)

Jak se voda dostane pod hladinu severněji

Severněji se voda v zimě hluboce promíchává. Ochlazování zvyšuje její hustotu. Tu ovlivňuje také slanost. Proudění ji může odvést z této oblasti pod lehčí povrchovou vodu, podél vrstev podobné hustoty. Tomuto vstupu povrchové vody do nitra oceánu říkáme zanořování neboli subdukce. Voda přitom může být teplejší než před několika desetiletími a současně hustší než povrchová voda, pod kterou se dostává. (Sallée a kol. 2013, úvod a oddíl 3) (Stewart 2006, oddíly 6.4–6.5)

Takto vznikají velké objemy vody s podobnými vlastnostmi, kterým oceánografové říkají vodní hmoty. Subantarktická modální voda a antarktická intermediální voda propojují povrch Jižního oceánu přibližně s horním kilometrem jižních subtropických oceánů. Hodnocení IPCC z roku 2021 označuje přenos a promíchávání přijatého tepla spolu s těmito vodními hmotami za závěr s vysokou mírou jistoty. Ta vyjadřuje sílu a shodu důkazů, není sama číselnou pravděpodobností. (IPCC 2021, oddíl 9.2.3.2)

Proč teplotní mapa není mapou příjmu energie

Pro celou hloubku vymezené oceánské oblasti musí platit zachování energie. Od změny povrchového příjmu odečteme změnu množství tepla, které z oblasti prouděním odchází. Zbytek odpovídá tomu, co se v ní dodatečně uloží. Proto se severnější oblast může výrazně ohřívat i tehdy, když její vlastní hladina předává atmosféře více energie. Rozhoduje také přísun z okolního oceánu. (Stewart 2006, oddíly 5.1 a 5.7)

Rozdíl mezi uloženou energií a teplotou vyjadřuje vztah:

Změna energie $\Delta E$ v joulech se rovná součinu hmotnosti vody $m$ v kilogramech, měrné tepelné kapacity $c_p$ a změny průměrné teploty $\Delta T$. Měrná tepelná kapacita říká, kolik joulů potřebuje jeden kilogram na ohřátí o jeden kelvin. Rozdíl jednoho kelvinu má stejnou velikost jako rozdíl jednoho stupně Celsia. Pro malý teplotní rozdíl můžeme tepelnou kapacitu přibližně zachovat. (Stewart 2006, oddíl 5.1)

Stejná energie rozdělená do desetkrát větší hmotnosti vody pak zvýší průměrnou teplotu desetkrát méně. Změřit samotnou hladinu tedy nestačí. Potřebujeme teplotu v jednotlivých hloubkách a pro určení hustoty také slanost odvozenou z vodivosti. (Stewart 2006, oddíly 5.1 a 6.5–6.7)

Přenos vody a energie je dobře ověřený. Přesná velikost jednotlivých příspěvků se hůře určuje, zvláště pod mořským ledem. Popsané vysvětlení zachycuje základní dlouhodobé rozložení oteplování Jižního oceánu. Vývoj konkrétního desetiletí navíc mění vítr, sladká voda, led a přirozené kolísání. (IPCC 2021, oddíly 9.2.1–9.2.3)

Shrnutí

Prameny, veřejná data a grafiky

• Stouffer, Manabe a Bryan 1989: původní výpočet rozdílné odezvy polokoulí, včetně proudění a promíchávání.
• Sallée a kol. 2013: zimní promíchané vrstvy, porovnání profilů z lodí a Argo s modely.
• Marshall a kol. 2014: odezva oceánu na prostorově stejné přidané působení.
• Armour a kol. 2016: pozorované rozložení změn, bilance dvanácti modelů a pokus s nezměněným prouděním.
• Morrisonová a kol. 2016: nezávislý model zachycující oceánské víry a rozdělení přenosu mezi procesy.
• IPCC 2021, kapitola 9: souhrnné hodnocení změn oceánu a přenosu tepla.
• Stewart: Introduction to Physical Oceanography, vydání 2006: otevřená učebnice, zejména kapitoly 5, 6, 9 a 13.
• NOAA ERSST v3b: archiv původní verze povrchových teplot pro porovnání 1950–2012. EN4: profily teploty a slanosti a jejich mřížková vyhodnocení. WHOI OAFlux: odhady povrchových energetických toků.
• Podklady Klimatologie.eu: publikované teplotní trendy v CSV, skript pozorovacího grafu, zadání ilustrací a zadání opravy. Číselné výsledky přebíráme z prací, ne z nového zpracování původních měření.

Armourova práce odkazuje také na veřejný kód MITgcm a modelová data CMIP5. Vlastní soubory výsledků této práce nabízí na vyžádání u autora. Zde zpřístupněný CSV proto obsahuje pouze tři publikované, zaokrouhlené povrchové trendy, nikoli výstup modelového pokusu. (Armour a kol. 2016, dostupnost dat a kódu)