Klimatologie.eu

Co je stopa v oblaku

Lodní stopa je protáhlá oblast oblačnosti s odlišnými vlastnostmi, která sleduje pohyb lodních emisí v atmosféře. Často ji vidíme jako jasnější pruh v nízkém oblaku nad oceánem. Podobné pruhy a rozsáhlejší oblasti lze rozpoznat také po větru od některých průmyslových zdrojů. Vedle jejich jasu sledujeme počet a velikost kapek i množství kapalné vody. (Durkee a kol. 2000) (Toll a kol. 2019)

Počet kapek vyjadřujeme například na centimetr krychlový vzduchu. Jejich velikost udáváme v mikrometrech, tedy miliontinách metru. Družicové produkty často uvádějí efektivní poloměr: souhrnnou velikost, která při průměrování přikládá větším kapkám větší váhu podle jejich průřezu. Nejde o poloměr jediné vyfotografované kapky. (NASA: dokumentace CERES SSF)

Odrazivost neboli albedo je podíl dopadajícího slunečního záření, který se vrací vzhůru. Pozorování z vesmíru zahrnuje také vliv vzduchu nad oblakem. Níže proto pracujeme s odrazivostí oblačné oblasti, jak se jeví na horním okraji atmosféry. Rozdíl 1 procentního bodu by znamenal například změnu odrazivosti z 35 % na 36 %. (Diamond 2023, dodatek A1)

Družicový snímek Atlantiku západně od Portugalska a Španělska. Nízkou oblačnost protínají jasnější, zakřivené a vzájemně se křížící lodní stopy. — Atlantik západně od Pyrenejského poloostrova, 16. ledna 2018. Přístroj MODIS na družici Aqua, zobrazení v přirozených barvách. Jasné pruhy jsou změny oblačnosti, nikoli pěnové brázdy na hladině. Snímek sám neukazuje počet kapek ani velikost klimatického účinku. Jeff Schmaltz, LANCE/EOSDIS Rapid Response, NASA Earth Observatory. Snímek NASA je volně použitelný s uvedením původu. (NASA 2018)

Od oblačných čar k měření kapek

Neobvyklé čáry se objevovaly už na družicových snímcích v šedesátých letech. Samotné snímky ale neříkaly, jak se uvnitř pruhu změnily kapky. Přímá letecká měření tuto možnost rozšířila. V červnu 1994 se u Kalifornie uskutečnila kampaň MAST, která spojila lodě, letadla, vzducholoď a družice. Během sledování 42 lodí vznikla rozpoznatelná stopa u poloviny z nich. Soubor tak zahrnoval i důležité případy bez stopy. (Durkee a kol. 2000)

Družice později umožnily hledat stopy soustavně na velkých plochách. Yuan a kolegové zpracovali snímky přístroje MODIS na družici Aqua za roky 2003–2020 pomocí automatického rozpoznávání. Jejich ukazatelem je podíl obrazových bodů nízké oblačnosti přiřazených ke stopám. Tento podíl se liší od počtu lodí i od celkového podílu oblohy pokrytého oblaky. (Yuan a kol. 2022)

Jak z přístrojů získáme srovnatelné údaje

Letadlo může přímo protnout stopu a potom okolní oblak. Optické sondy zaznamenávají jednotlivé kapky procházející měřeným objemem vzduchu a rozdělují je podle velikosti. Další přístroje určují částice v emisích, množství kapalné vody, teplotu a vlhkost. Opakované průlety pomáhají odlišit úzkou stopu od proměn celého oblaku. (Hobbs a kol. 2000, přístroje a postup)

Družice jednotlivé kapky nerozliší. Zaznamenává záření v různých spektrálních pásmech. Některá pásma jsou citlivá především na množství rozptylující vody, jiná také na velikost kapek. Naměřené kombinace se porovnávají s výpočty průchodu záření oblakem. Tak vzniká odhad velikosti kapek pro celý obrazový bod. V produktech CERES se k němu využívají měření MODIS, zatímco radiační přístroj CERES přispívá měřením záření potřebným k určení energetických toků. Principy rozebírají metody multispektrálního snímkování a měření radiačních toků. (NASA: dokumentace CERES SSF)

Pro dlouhodobé porovnání je třeba sjednotit prostor i čas. Diamondova analýza používá měsíční produkt CERES SSF1deg Edition 4A v síti 1° × 1°. Sleduje oblast od 18° do 8° jižní šířky a od 13° západní do 8° východní délky. Zdejší lodní koridor prochází rozsáhlou nízkou oblačností. V grafu níže jsou vybrány měsíce září až listopad a tříleté průměry. (Diamond 2023)

Výsledek neporovnává jen průměr „před rokem 2020“ a „po něm“. Nejdříve se z okolí lodního koridoru odhadne, jaké by byly jeho oblaky bez místních lodních emisí. Statistický postup využívá polohu a podle zvoleného modelu také teplotu moře, vítr a uspořádání teploty ve spodní atmosféře. Teprve rozdíl mezi pozorovaným koridorem a tímto odhadem se porovnává mezi obdobími. Odhad bez lodí tedy není druhým přímým měřením. (Diamond 2023, dodatky A2–A4)

Která data lze otevřít

Diamondův veřejný archiv, verze 20230426, obsahuje zpracované vstupy CERES a výsledné mapy pro roky 2002–2022. Zvlášť ukládá pozorovanou hodnotu, odhad bez lodí a simulace používané k vyčíslení nejistoty. Soubory rozlišují celoroční průměr a září až listopad. Název s rokem 2020 znamená období 2020–2022, nikoli jediný rok. Kód analýzy zveřejňuje archiv verze příslušné k publikaci.

Pro zdejší graf zpřístupňujeme přepis čísel z doplňkové tabulky S1 a skript pro jeho vykreslení. Přepis obsahuje sedm tříletých odhadů pro každou ze dvou veličin a jejich 95% intervaly spolehlivosti. Není to původní řada jednotlivých družicových měření. Popis podkladů uvádí původ, výběr a význam sloupců. (Diamond 2023, doplněk)

Co měření ukazují

V jednotlivých stopách se počet kapek a jejich velikost mohou výrazně lišit od okolí. Například v jednom případu kampaně MAST se koncentrace zvýšila přibližně ze 70 na 150 kapek v cm³ a efektivní poloměr klesl z asi 9 na 4–6 µm. Jsou to místní hodnoty konkrétního oblaku, nikoli průměr všech lodních stop. (Durkee a kol. 2000, oddíl 4a5)

V atlantském koridoru byl během září až listopadu 2017–2019 efektivní poloměr o 0,46 µm menší než v odhadu bez lodí. V letech 2020–2022 byl menší už jen o 0,16 µm. Obě odhadovaná zmenšení mají 95% interval, který nezasahuje k nule. Rozdíl vůči okolním podmínkám tedy zůstal zachován, ale zeslábl. (Diamond 2023, tabulka S1)

Dva panely porovnávají lodní koridor s odhadem bez lodí v sedmi tříletých obdobích od 2002–2004 do 2020–2022. Zmenšení poloměru je ve všech obdobích nenulové a naposledy nejslabší. Zvýšení odrazivosti je v posledním období také nejmenší, jeho interval však zahrnuje nulu. — Září až listopad v jádru koridoru jihovýchodního Atlantiku, vymezeného v analýze mezi 18° a 8° jižní šířky. Body jsou publikované odhady rozdílu „koridor minus odhad bez lodí“, úsečky jejich 95% intervaly spolehlivosti. Vlevo záporná hodnota znamená menší kapky, vpravo kladná vyšší odrazivost. Oranžové období 2020–2022 následuje po změně pravidel pro palivo. Graf zobrazuje statisticky zpracované družicové údaje. Překreslení Klimatologie.eu podle tabulky S1, CC BY 4.0. (Diamond 2023)

Odhad zvýšení odrazivosti klesl mezi těmito obdobími z 0,83 na 0,36 procentního bodu. U druhé hodnoty je ale 95% interval od −0,004 do +0,71 procentního bodu, takže zahrnuje i nulový rozdíl. Pozorujeme proto jasnější změnu velikosti kapek než změnu odrazivosti. Ani jeden z těchto ukazatelů není přímo změnou teploty oceánu nebo celé Země. (Diamond 2023, tabulka S1)

Výsledek pro kapalnou vodu je pestřejší. Toll a spoluautoři porovnávali oblaka u průmyslových zdrojů a požárů s okolím a s dřívějšími soubory lodních a sopečných stop. Zjistili místní přírůstky i úbytky vody. Vrstvovitá oblaka nad pevninou se v průměru nechovala stejně jako lodní stopy nad oceánem. Proto nelze každému pozorovanému zmenšení kapek automaticky připsat stejnou změnu celého oblaku. (Toll a kol. 2019)

Jak se jednotlivé postupy doplňují

Letadlo přímo vzorkuje kapky, ale jen v omezeném prostoru a čase. Družice pokrývá rozsáhlé oblasti, velikost kapek však odvozuje ze záření. Shoda obou postupů podporuje existenci změny uvnitř stop. Jejich konkrétní číselné rozdíly nesrovnáváme jako tutéž veličinu v témže oblaku: kalifornské průlety z roku 1994 a atlantské tříleté průměry zachycují jiná místa, období i prostorové měřítko. (Durkee a kol. 2000) (Christensen a kol. 2022)

Automatické rozpoznávání stop a analýza celého koridoru odpovídají na různé otázky. První hledá rozpoznatelné pruhy, druhá také změny, které nemusí být na snímku nápadné. Družicové studie přitom částečně sdílejí přístrojovou rodinu MODIS a předpoklady odvozování vlastností kapek. Jejich shoda proto nemá stejnou nezávislost jako porovnání družice s odběrem přímo v oblaku. (Yuan a kol. 2022) (Diamond 2023)

Hlavní nejistoty souvisejí s výběrem viditelných stop, s družicovým odhadem kapek a se statistickým srovnáním s okolím. Časový vývoj jedné oblasti proto nepředstavuje univerzální údaj pro všechny oblaky. (Christensen a kol. 2022)

Podrobněji k omezením měření

Rozpoznatelná lodní stopa zvýhodňuje situace s výrazným kontrastem. Méně nápadné změny mohou chybět v počtu stop, i když se vlastnosti kapek změnily. Automatický detektor navíc může některé pruhy přehlédnout nebo chybně přiřadit. (Yuan a kol. 2022)

Odvození velikosti kapek ze záření závisí na předpokladech o oblaku. Směs oblačné a bezoblačné části jednoho obrazového bodu nebo složitý tvar oblaku mohou výsledek posunout. Proto nelze družicový efektivní poloměr bez rozmyslu zaměnit s jednoduchým průměrem všech kapek změřených letadlem. (NASA: dokumentace CERES SSF)

V atlantské analýze pocházejí vlastnosti oblačnosti z dopoledního přeletu Terry přibližně v 10.30 místního času. Přepočet radiačních toků mění polohu Slunce během dne, ale předpokládá zachování těchto vlastností oblaku. Nezachycuje tak celý jeho denní vývoj. Publikované intervaly vyjadřují nejistotu zvoleného statistického postupu, nejsou součtem všech myslitelných chyb. (Diamond 2023, dodatek A)

Shrnutí pozorování

V některých oblacích za loděmi a průmyslovými zdroji pozorujeme odlišný jas, počet a velikost kapek i množství kapalné vody. Letecká měření lodních stop ukazují více menších kapek než v okolí. V koridoru jihovýchodního Atlantiku zeslábl mezi obdobími 2017–2019 a 2020–2022 zářijový až listopadový rozdíl efektivního poloměru vůči odhadu bez lodí z −0,46 na −0,16 µm. Odhad zvýšení odrazivosti současně klesl z 0,83 na 0,36 procentního bodu, u druhé hodnoty však 95% interval zahrnuje nulu. Množství kapalné vody se v různých stopách mění oběma směry.

Stopy lodí a průmyslu v oblacích