Jak změny vodní páry ovlivňují oteplování?

Jak si vysvětlujeme přibývání páry a její vliv na teplotu

Družicová měření nad nezamrzlými oceány ukazují, že v letech 1988–2017 přibývalo ve sloupci atmosféry průměrně 0,436 kilogramu vodní páry na metr čtvereční za deset let. To odpovídá růstu o 1,49 % za desetiletí. Pozemní měření současně zachycují více páry i v oblastech, kde klesá relativní vlhkost. Výsledky a jejich rozsah rozebírá pozorování vlhkosti atmosféry. (Mears a kol. 2018) (Byrne a O’Gorman 2018)

Jak tyto změny souvisejí s oteplováním a co pak pára udělá s teplotou? Pro odpověď potřebujeme sledovat i troposféru, nejnižší část atmosféry, ve které se odehrává většina počasí. Zejména množství páry v jejích chladných horních vrstvách ovlivňuje, kolik tepelného záření unikne do vesmíru. Právě o vývoj této páry se vedl spor, který můžeme sledovat prostřednictvím konkrétních předpovědí a měření. (Held a Soden 2000)

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.

Množství vodní páry říká, kolik vody je ve vzduchu jako plyn. Relativní vlhkost vyjadřuje míru jeho nasycení při dané teplotě. Zesilující neboli kladná zpětná vazba zvětšuje původní změnu. Může tedy zesilovat oteplení i ochlazení. (Bell 2013) (Soden a kol. 2002)

Výstup vzduchu horní troposféru vysušíPřečíst příběh ↓
Jedinečná předpověď
Při oteplování tropického povrchu má v horní troposféře ubývat páry. Její menší množství má usnadnit únik tepelného záření a oteplování tlumit.
Jak hypotézu testujeme
Porovnáme změny množství páry ve výšce s teplotou tropického oceánu. Odděleně sledujeme relativní vlhkost, která závisí také na teplotě vzduchu.
Výsledek testů
Družicový test na hladině 215 hPa v letech 1993–1999 ukázal při teplejších obdobích více páry. Růst páry potvrzuje také dlouhodobý radiační záznam z let 1979–2005.
Dnešní hodnocení
Předpověď vysušování neobstálaKondenzace a sestup vzduch skutečně vysušují. Pozorovaná odezva na oteplení má však v těchto testech opačné znaménko než navržený úbytek páry.
Přibývající pára změnu teploty zesílíPřečíst příběh ↓
Jedinečná předpověď
Oteplení doprovodí více páry a silnější zadržování energie. Při ochlazení se směr obrátí: páry ubude a slabší skleníkový účinek ochlazení zesílí.
Jak hypotézu testujeme
Po Pinatubu porovnáme měření s výpočtem se zapnutou a potlačenou radiační odezvou páry. Z družicových profilů pak samostatně vypočteme její radiační účinek.
Výsledek testů
Model s odezvou páry lépe vystihl ochlazení v letech 1991–1995. Profily AIRS z let 2003–2008 dávají kladný radiační účinek vlhkostních změn.
Dnešní hodnocení
Podpořené vysvětleníPozorování i výpočty podporují zesilující zpětnou vazbu. Přibližně stálá relativní vlhkost je užitečný globální popis, nikoli pravidlo pro každé místo.

Porovnáváme znaménko vlhkostní odezvy a jejího radiačního účinku. Místní suché sestupné proudy se vyskytují v obou vysvětleních. Rozhoduje, jak se jejich výsledné působení změní při oteplování. (Minschwaner a Dessler 2004)

Jak se hledalo vysvětlení

Hypotéza 1 Výstup vzduchu horní troposféru vysuší

Richard Lindzen v roce 1990 upozornil na skutečný vysušující účinek hlubokých kupovitých oblaků. Vzduch v nich stoupá, rozpíná se a chladne. Část páry zkondenzuje na kapky nebo přejde v led a srážky vodu odnesou. Vzduch vytékající nahoře z oblaku proto obsahuje méně páry než při vstupu dole. Rozlévá se do okolí a pomalu sestupuje. Tím může vysušovat rozsáhlé oblasti mimo samotný oblak. (Lindzen 1990, s. 296–297)

Lindzen navrhl, že v teplejším klimatu by mohly oblačné výstupy sahat výše, odvádět vodu účinněji a zásobovat okolí ještě sušším vzduchem. Méně páry ve výšce by znamenalo slabší pohlcování tepelného záření. Tato odezva by původní oteplení tlumila. Byla to rozumná otázka k testování: vyšší teplota u hladiny sama neříká, kolik vody přežije cestu vzhůru a následné proudění. Předpovědí tohoto návrhu je ovšem úbytek samotné páry, nikoli jen pokles procentního údaje relativní vlhkosti. (Lindzen 1990, obrázky 7 a 8)

Obrázek ukazuje navržený vysušující děj a měření, podle kterého můžeme jeho předpověď posoudit. Modré šipky označují rozlévání a sestup vzduchu. Oranžové šipky uvnitř oblaku znamenají vzestup teplého vzduchu, samostatná šipka nad oblakem očekávaný snazší únik tepelného záření.

Historická hypotéza: teplejší oceán zesílí hluboké výstupy, kondenzace a srážky odeberou vodu a sušší vzduch ve výšce usnadní únik záření. Test HALOE v letech 1993–1999 ale našel v teplejších obdobích více páry. — Horní panel představuje hypotézu. Spodní výsledek se týká uvedeného družicového testu v tropech, nikoli každého sestupného proudu. (Lindzen 1990) (Minschwaner a Dessler 2004) Vlastní ilustrace vytvořená pomocí AI, CC BY 4.0. Výšky, počty teček a šířky šipek jsou schematické. Podklady a zadání grafik.

Test: ubývá při oteplení skutečně vodní pára?

Ken Minschwaner a Andrew Dessler v roce 2004 sestavili model, který společně počítal přísun vlhkosti z oblaků, sestup okolního vzduchu a radiační ochlazování. V teplejším stavu vystupoval vzduch z oblaků výše, ale také při vyšší teplotě. Do okolí tak přinášel více páry. Výpočet ukázal, proč vyšší oblak automaticky neznamená sušší vzduch: mění se i teplota prostředí, do kterého oblak vyrůstá. (Minschwaner a Dessler 2004, oddíly 3 a 6)

Autoři porovnali výsledek s družicovým přístrojem HALOE. Mezi 20° jižní a 20° severní šířky v letech 1993–1999 zjistili, že teplejší oceán v oblastech výstupů doprovázelo více páry na tlakové hladině 215 hPa, přibližně 11 kilometrů vysoko. Samostatné měření relativní vlhkosti přístrojem MLS přitom ukazovalo její pokles. Množství páry rostlo pomaleji než množství odpovídající nasycení. Zjištění tedy podpořilo zesilující vazbu, ale opravilo představu, že relativní vlhkost musí zůstat všude stejná. (Minschwaner a Dessler 2004, oddíl 5)

Pozdější dlouhodobý test Chunga a kolegů z roku 2014 sledoval záření atmosféry v letech 1979–2005. Kombinoval pásmo citlivé na vodní páru s mikrovlnným měřením teploty. Princip prvního měření vysvětluje infračervená radiometrie. Rozdíl obou signálů rostl. Výpočty se stejnými teplotními profily tento vývoj zachytily při rostoucím množství páry, zatímco při jejím umělém zachování nikoli. Naměřené změny a jejich nejistoty uvádíme v pozorování horní troposféry. (Chung a kol. 2014, obrázek 1)

Vysušování při kondenzaci a sestupu tedy zůstává součástí vysvětlení dnešní atmosféry. Neobstála předpověď, že tyto děje při oteplování povedou k převládajícímu úbytku páry ve vysoké troposféře a k obrácení znaménka její zpětné vazby. Krátkodobé i dlouhodobé testy místo toho zachycují přibývání páry. (IPCC 2021, oddíl 7.4.2.2)

Hypotéza 2 Přibývající pára změnu teploty zesílí

Zesilující vysvětlení se rozvíjelo už dlouho před sporem o vysušování horní troposféry. Jeho první oporou byly laboratorní pokusy. John Tyndall v roce 1861 měnil složení plynů v laboratorní trubici a měřil, kolik tepelného záření jí projde. Vlhký vzduch pohlcoval více než vysušený. Tím bylo možné oddělit účinek páry od účinku hlavních složek vzduchu. Princip podobných zkoušek vysvětluje absorpční spektroskopie. (Tyndall 1861)

Syukuro Manabe a Richard Wetherald v roce 1967 spojili přenos záření s vertikálním přenosem tepla v modelu jednoho atmosférického sloupce. Při zdvojnásobení CO₂ a zachování relativní vlhkosti dostali oteplení povrchu přibližně o 2,3 °C. Když zachovali množství páry, vyšlo přibližně 1,3 °C. Rozdíl vyjadřoval účinek dodatečné vody, kterou první varianta připustila. Tehdy šlo o podmíněný výpočet s předepsaným rozložením vlhkosti, nikoli o důkaz, že skutečná atmosféra tuto podmínku dodrží. (Manabe a Wetherald 1967, závěr 4)

Návrh poskytl předpověď pro oba směry změny. Oteplení má doprovázet více páry a zesílení skleníkového účinku. Ochlazení má páry ubrat, tím uvolnit více energie do vesmíru a původní ochlazení prohloubit. Velká sopečná erupce tak nabídla příležitost zkoumat tentýž vztah při poklesu teploty. Grafika propojuje fyzikální děj s touto zkouškou a s pozdějšími družicovými profily. (Soden a kol. 2002)

Přibývající vodní pára mění výšku, ze které uniká tepelné záření, a při stejném teplotním profilu snižuje výdej energie. Dva testy porovnávají ochlazení po Pinatubu a radiační účinek družicových vlhkostních profilů. — Tečky označují neviditelnou vodní páru. Ve středních panelech ponecháváme stejný průběh teploty s výškou, abychom oddělili samotný radiační účinek přidané páry. Modré oblasti jsou chladnější, oranžové teplejší. Čárkované čáry představují orientační hladiny úniku záření v pásmech páry. (Held a Soden 2000) (Soden a kol. 2002) (Dessler a kol. 2008) Vlastní ilustrace vytvořená pomocí AI, CC BY 4.0. Výšky, počty teček a šířky šipek jsou schematické. Podklady a zadání grafik.

První test: zesílil úbytek páry ochlazení po Pinatubu?

Brian Soden a kolegové v roce 2002 porovnali družicová měření s modelem atmosféry spojeným s promíchanou vrstvou oceánu. Účinek sopečných aerosolů zadali podle pozorování. Potom pokus zopakovali a potlačili v něm vliv změn páry na dlouhovlnné záření. Rozdíl obou výpočtů tak ukázal, co tato část vazby přidává k ochlazení. V období od června 1991 do prosince 1995 vyšlo průměrné ochlazení 0,31 °C s vazbou a 0,19 °C bez ní. Družicový odhad činil 0,30 °C. (Soden a kol. 2002, obrázek 4)

Graf porovnává velikost ochlazení dolní troposféry, tedy vrstvy vzduchu nad povrchem. Delší sloupec znamená větší ochlazení. Modrý sloupec je pozorování, ostatní dva modelové pokusy. Čísla jsou průměry za uvedené období, nikoli nejhlubší jednotlivý teplotní pokles.

Průměrná velikost ochlazení dolní troposféry od června 1991 do prosince 1995: družicový odhad 0,30 °C, model s vlhkostní zpětnou vazbou 0,31 °C a model s potlačenou dlouhovlnnou odezvou páry 0,19 °C. — Vlastní přepis tří souhrnných hodnot z textu Sodena a kol. (2002, s. 729). Pozorování používá odchylku vůči lednu až květnu 1991, model rozdíl sopečného a kontrolního pokusu. Zobrazený pozorovací odhad nemá odstraněný vliv El Niño. Pro tuto trojici článek neuvádí společné intervaly nejistoty, proto je do grafu nedoplňujeme. CSV · reprodukční skript. Graf CC BY 4.0.

Samotná shoda teplot by nestačila určit, která zpětná vazba zabrala. Proto autoři kontrolovali také sloupcovou páru a záření citlivé na horní troposféru. Obě měření odpovídala vysoušení při ochlazení. Teplotní a vlhkostní výsledek tak podpíraly stejný děj. (Soden a kol. 2002, obrázky 2 a 3)

Druhý test: jaký radiační účinek mají změřené změny páry?

Andrew Dessler a kolegové v roce 2008 použili přístroj AIRS na družici Aqua. Ten poskytuje odhady teploty a vlhkosti v různých výškách. Autoři porovnali jednotlivé ledny 2003–2007 s chladnějším lednem 2008. Pro každou část atmosféry znali změnu množství páry a pomocí výpočtu přenosu záření určili její příspěvek k energetické bilanci. Součet pak vydělili rozdílem globální povrchové teploty. Měření tedy dodalo vlhkostní změnu, radiační model její energetický účinek. (Dessler a kol. 2008, oddíly 2 a 4)

Průměr pěti porovnání byl kladný: 2,04 wattu na metr čtvereční na jeden stupeň oteplení. Vyjadřuje, o kolik změna páry posunula bilanci celé Země směrem k příjmu energie při přepočtu na 1 °C globálního oteplení. Jednotlivá porovnání dala 0,94 až 2,69. Tento rozsah je rozdílem mezi zkoumanými ledny, nikoli intervalem spolehlivosti. Přehled hodnot je dostupný v CSV přepisu tabulky 1. (Dessler a kol. 2008)

Krátké kolísání samo neurčuje velikost vazby za celé století. Dlouhodobou návaznost prověřil Chungův tým porovnáním historických výpočtů, přirozených vlivů a růstu skleníkových plynů. Pozorované přibývání páry v horní troposféře odpovídalo pokusům zahrnujícím lidské působení. Samotné přirozené vlivy obdobný trend nevystihly. Tento test rozšířil argument z jednotlivé erupce a meziročního kolísání také na několik desetiletí. (Chung a kol. 2014, obrázky 2 a 3)

Jak se vlhkostní zpětná vazba uzavírá

Hypotéza převládajícího vysušování nevystihla pozorované přibývání páry ve výšce. Zesilující vazba naopak obstála v porovnání vlhkostních profilů, radiačních výpočtů i ochlazení po Pinatubu. Dnešní vysvětlení proto spojuje oteplování s větším množstvím vodní páry a s jejím dalším radiačním působením. Nyní si projdeme, jak tuto vazbu vytvářejí vypařování, kondenzace, proudění a přenos energie.

Teplota mění podmínky nasycení

Vodní pára vzniká vypařováním a mizí kondenzací nebo přechodem v led. Nad vodní hladinou probíhají současně dva děje: molekuly opouštějí kapalinu a jiné se do ní z páry vracejí. Při nasycení se oba proudy vyrovnávají. Když se voda oteplí, molekuly z ní unikají rychleji. Nová rovnováha proto nastane při větším množství páry a vyšším tlaku, kterým pára působí. Závislost tohoto tlaku na teplotě popisuje Clausiova–Clapeyronova rovnice. V teplejší atmosféře proto může být před dosažením nasycení více páry. Skutečné množství dodají výpar a přenos vzduchu, jejich účinek průběžně vyvažuje kondenzace. (Held a Soden 2000, s. 443–445) (Bell 2013, oddíl 3)

Relativní vlhkost porovnává skutečný tlak vodní páry s tlakem při nasycení. Tlak páry vyjadřuje příspěvek jejích molekul k tlaku celé směsi vzduchu. Oba tlaky měříme ve stejných jednotkách, například v pascalech. Podíl nemá jednotku a vynásobením stem získáme procenta. (Bell 2013, oddíl 3.2)

\mathrm{RH}=100\,\frac{e}{e_{\mathrm{s}}(T)}\,\%

Zde $e$ znamená skutečný tlak páry a $e_{\mathrm{s}}(T)$ tlak při nasycení za teploty $T$ . Pokud druhý tlak roste rychleji než první, relativní vlhkost klesá i při přibývání vody. Jak obě veličiny zjistíme z měření, vysvětluje hygrometrie. (Bell 2013)

Proč nad souší může relativní vlhkost klesat

Významná část vlhkosti nad pevninou přichází se vzduchem z oceánu. Její přísun tedy souvisí i s teplotou moře. Pevnina se přitom může oteplovat rychleji. Množství páry přinesené z pomaleji se ohřívajícího oceánu pak nestačí udržet stejnou míru nasycení nad teplejší souší. Páry přibývá, ale relativní vlhkost klesá. Místní výpar z půdy a rostlin tento vztah dále ovlivňuje. (Byrne a O’Gorman 2018)

Byrne a O’Gorman toto vysvětlení v roce 2018 prověřili pro pozorování z let 1979–2016. Jejich teorie spojovala výměnu energie mezi souší a oceánem s přenosem vlhkosti. Z oceánského oteplování a vlhkosti odhadovali změny nad pevninou a porovnali je se staničními údaji. Zachytili dlouhodobý směr změn teploty i vlhkosti. Kratší kolísání relativní vlhkosti bylo výraznější, než jednoduchý výpočet vysvětlil. (Byrne a O’Gorman 2018)

Jak další pára mění výdej energie

Molekuly vody pohlcují a vyzařují infračervené záření v určitých pásmech vlnových délek. Když páry přibude, záření v těchto pásmech prochází atmosférou obtížněji. Větší část energie unikající do vesmíru pak pochází z vyšších vrstev, které jsou v troposféře zpravidla chladnější. Při zachovaném teplotním profilu vyzáří méně energie. Tento účinek přidané páry tak posouvá celkovou bilanci směrem k ohřevu. Při následném oteplování povrch i vzduch svůj výdej záření zase zvyšují. (Held a Soden 2000, s. 445–449)

Síla této vazby závisí na tom, kde páry přibývá. Stejný přírůstek v různých výškách nevyvolá stejnou změnu záření, protože se liší teploty i průhlednost atmosféry. Proto radiační výpočty používají celé profily a samostatně mění páru při zachování ostatních veličin. Tím oddělují její účinek od účinku současného oteplení, oblaků a dalších změn. (Soden a kol. 2008)

Souhrn IPCC z roku 2021 uvádí pro samotnou troposférickou vodní páru v modelech dvou generací průměr 1,77 ± 0,20 W/m² na 1 °C, kde ± označuje jednu směrodatnou odchylku modelových výsledků. Jde o dlouhodobou modelovou odezvu, nikoli o totéž porovnání jako pět lednů z družice AIRS. Shoda v kladném znaménku spolu s pozorovaným přibýváním páry podpírá závěr o zesilující vazbě. Změna rozložení teploty s výškou část tohoto účinku tlumí, a proto se ve výsledné klimatické citlivosti posuzují obě odezvy společně. (IPCC 2021, oddíl 7.4.2.2)

Nejistoty se týkají především velikosti a prostorového rozložení odezvy. Družice nesledují všechny výšky a oblačné podmínky stejně a krátkodobé kolísání se liší od dlouhodobého oteplování. Současný závěr by významně oslabil vzájemně ověřený dlouhodobý záznam úbytku páry v radiačně důležitých vrstvách při oteplování, doprovázený odpovídajícím růstem úniku energie po oddělení teploty a oblaků. Dosavadní rozebrané testy ukazují opačným směrem. (Chung a kol. 2014) (IPCC 2021)

Nejistoty a rozsah platnosti testů

Studie z roku 2004 využila měření HALOE, jehož vzorkování horní troposféry upřednostňovalo sušší bezoblačné oblasti. Odstranění několika silných odchylek spojených s El Niño zmenšilo zjištěný vztah mezi párou a teplotou oceánu. Proto tento jednotlivý test neurčuje přesnou globální sílu vazby. Jeho hlavní přínos spočívá v rozlišení změny množství vody od změny relativní vlhkosti. (Minschwaner a Dessler 2004)

Po Pinatubu se současně projevovalo El Niño. Jeho odstranění různými postupy dalo v použité teplotní analýze průměrné ochlazení 0,29 až 0,36 °C. Srovnání tedy nestojí na přesné rovnosti jedné dvojice čísel. Model měl navíc zjednodušený oceán a vypnutí vazby měnilo pouze dlouhovlnnou radiační odezvu páry. Erupce zkouší mechanismus, ale sama nenahrazuje dlouhodobý pokus se skleníkovými plyny. (Soden a kol. 2002, poznámky 26, 42 a 43)

Dlouhé družicové záznamy vyžadují propojení přístrojů a opravy změn jejich citlivosti. Radiační účinek se odvozuje výpočtem, který využívá změřené profily a vlastnosti molekul. Větší váhu než opakované zpracování stejného signálu má shoda rozdílných měření a testů. Studie přitom nejsou zcela nezávislé: některé sdílejí přístroje, modely nebo výpočty přenosu záření. (Chung a kol. 2014) (Dessler a kol. 2008)

Shrnutí

Při oteplování se mění vypařování, proudění a kondenzace tak, že v globálním měřítku přibývá vodní páry i ve vysoké troposféře. Přidaná pára mění přenos záření a zesiluje původní oteplení. Při ochlazení se směr obrací: páry ubývá a její slabší skleníkový účinek ochlazení zesiluje. Tento vztah podporují družicové profily, dlouhodobá radiační měření i test po erupci Pinatuba.

Relativní vlhkost přitom nemusí růst. Pokud se podmínky nasycení mění rychleji než skutečné množství vody, může klesat i při přibývání páry. Právě rozlišení těchto dvou veličin umožňuje společně pochopit vlhčí atmosféru a klesající relativní vlhkost nad částí pevniny.

Prameny, data a podklady

Tyndall 1861: původní laboratorní měření pohlcování tepelného záření.
Manabe a Wetherald 1967: modelové porovnání zachovaného množství páry a relativní vlhkosti.
Lindzen 1990: původní vysušující hypotéza, s. 296–297 a obrázky 7–8.
Held a Soden 2000: fyzikální základ, historie a porovnání argumentů.
Soden a kol. 2002: ochlazení po Pinatubu a potlačení radiační odezvy páry.
Minschwaner a Dessler 2004: výstupy z oblaků, model a družicové testy.
Dessler a kol. 2008: AIRS, radiační odezva a tabulka pěti porovnání. Karta odkazuje na veřejnou kopii původního článku.
Soden a kol. 2008: oddělení radiačních příspěvků jednotlivých změn.
Chung a kol. 2014: dlouhodobý signál horní troposféry a modelové zkoušky jeho původu.
Byrne a O’Gorman 2018: propojení teploty a vlhkosti nad souší s oceánem.
Mears a kol. 2018: dlouhodobá sloupcová pára nad oceány. RSS zpřístupňuje navazující měsíční data.
Bell 2013, NPL: definice, nasycení a převody vlhkostních veličin.
IPCC 2021, kapitola 7: současná odborná syntéza, zejména oddíl 7.4.2.2.
NOAA IR Sounder UTH v4: veřejná měsíční data a dokumentace. Současná verze rozšiřuje původní záznam, není totožná s verzí použitou v roce 2014.
Obrazové a číselné podklady článku: ochlazení po Pinatubu, pět odhadů AIRS, družicové trendy, skript grafu a zadání AI ilustrací. CSV přepisují publikované souhrny, ne jednotlivá původní měření.