1
Paleoklimatologie
(High resolution paleoclimatology)
II. Příčiny kolísání a změn klimatu v holocénu
Druhy rekonstrukcí klimatu
• klimatotvorných faktorů
• meteorologických prvků (T, S)
• klimatologických charakteristik (PDSI, NAO)
• hydrometeorologických extrémů
Paleoklimatologie se může zabývat proxy-rekonstrukcemi:
V (paleo)klimatologii je často důležitější nají odpovědi na otázku Proč? než Jak moc?
2
Základní pojmy a východiska
Příčiny klimatických změn
Stejné faktory mohou ovlivňovat klima na velmi rozdílných časových škálách
The Faint Young Sun
paradox
Panamská
šíje
Příčiny kolísání a změn klimatu v holocénu
• Z hlediska změn klimatu v holocénu nás zajímají především změny
orbitálních parametrů Země, změny v intenzitě slunečního záření
a vulkanická činnost
• Tyto přirozené faktory zároveň dobře ukazují, jak lze výslednou
variabilitu klimatu rozložit do několika časových škál či měřítek
(Bradley, 2005, Mélières a Maréchal 2015).
• Vývoj klimatu v holocénu je superpozicí tří trajektorií:
1. Postupné změny parametrů orbity v řádu 104-105 roků
2. Změny v intenzitě slunečního záření v řádu 102-103 roků
3. Změny v intenzitě vulkanické činnosti v řádu jednotek či
desítek roků.
Během (pozdního) holocénu a především posledních dvou tisíc let lze
okrajové podmínky pro kolísání a změny klimatu považovat za stálé
(uspořádání kontinentů, orografie), nebo se významně nezměnily
(orbitální parametry, rozsah kontinentálních ledovců).
3
Příčiny kolísání a změn klimatu v holocénu
Main forcings during the
Holocene. (a) Solar insolation
owing to orbital-induced
insolation changes for two
specific regions in the Northern
and Southern Hemispheres
during the corresponding
summer (Berger & Loutre 1991).
(b) Volcanic forcing during the
past 6 ka depicted by sulphate
concentrations of two ice cores
from Greenland (blue vertical
bars) and Antarctica (red
vertical bars; Wanner et al.
2008). (c) Solar irradiance
fluctuations and 1σ uncertainty
(yellow band) reconstructed
based on 10Be measurements in
polar ice (Steinhilber et al.
2009). (d) Forcing anomalies
owing to the atmospheric
concentration of the important
greenhouse gases CO2, CH4
and N2O (compiled by Joos &
Spahni 2008).
(Wanner et al., 2014)
Změny orbitálních parametrů
• Na nejdelší časové škále formovaly klima holocénu především změny
orbitálních parametrů, které shrnuje astronomická hypotéza M. Milankoviċe.
• Změny excentricity, sklonu zemské osy a precesního pohybu nesouvisejí se
změnou v množství sluneční energie dopadajícího na horní hranici atmosféry
(insolace), ale především s její re-distribucí během ročních období a také
s její redistribucí v poledníkovém směru (od rovníku k pólům).
Schematic representation of insolation anomalies at the top of the atmosphere, relative to 1950 levels.
Anomalies are colour-coded in Wm-2. Each monthly panel shows (on the x-axis): changes from 10,000
calendar years B.P. (left) to today (right), and on the y-axis: latitude, from 90ºN at the top, to 90ºS at
the bottom (figure prepared by A. Waple).
4
Změny orbitálních parametrů
• Zatímco před 10 tis. roky připadalo léto na severní polokouli v důsledku
precesního pohybu na pozici Slunce v přísluní, nyní je to v odsluní.
• Teplá léta na NH na počátku Holocénu jsou nyní vystřídána teplými léty na
SH.
• Insolace v létě na NH dosahovala maxima před 10ky, následně klesala a je
blízko minima. Insolace v zimě na NH a v létě na SH postupně rostly.
• Důsledky: Postupně se ochlazující léta na NH se projevují změnami ve
složení vegetace. Výrazně se změnily srážky v tropech a subtropech.
• Zvláště ve vyšších zeměpisných šířkách byl vývoj také ovlivněn existencí
Laurentinského ledovcového příkrovu, který přetrval do cca 7ka.
• V nižších zeměpisných šířkách došlo k postupnému zeslabení monzunů na NH
a ITCZ se postupně posunula k jihu (viz dále)
Změny orbitálních parametrů
• Přilehlé severní oblasti byly ochlazovány v důsledku velkého albeda a vysoké
nadmořské výšky.
• Tento vliv tlumil efekt vysoké isolace na počátku Holocénu. V důsledku toho
připadlo klimatické optimum Holocénu v těchto oblastech až na období 7-4
ka.
• Postupné změny orbitálních parametrů přerozdělení v intenzitě slunečního
záření se projevily postupnými změnami v druzích povrchů
• Na základě pylových analýz bylo zjištěno, že lesy ve Skandinávii byly
rozšířeny i v oblastech, kde se v současnosti nachází tundra.
5
Změny orbitálních parametrů
• Ve směru poledníku – jižněji 50. rovnoběžky se výrazně oteplilo od počátku holocénu
do 8ka, pak byly teploty relativně stabilní.
• V tropech se změny v důsledku insolace projevily posunem ITCZ a změnami intenzity
monzunů.
• ITCZ má tendenci sledovat Slunce, tedy v důsledku precesního pohybu Slunce tomu
odpovídajících změn letních teplot se ITCZ a s ní související pásmo silných
konvektivních srážek posunuly v průběhu Holocénu k jihu.
Wanner et al. (2008)
Změny orbitálních parametrů
• Monzunová cirkulace se lépe vyvíjí, jestliže se zemský povrch v létě zahřeje
více než přilehlý oceán.
• Vysoká insolace na počátku Holocénu tak způsobila silnější monzun na NH. To
potvrzují proxy z mořských sedimentů, hojnější dírkovci v důsledku sinějších
výstupních proudů (jako reakce na silnější proudění vzduchu), nižší salinita,
složení vegetace (palynologie), speleothems v Ománu.
• Z řady dalších proxy je patrná vlhká perioda 10-5 ka. Intenzifikace monzunu
v JV Asii. d18O postupně roste během Holocénu, což potvrzuje postupné
slábnutí monzunové cirkulace. Na SH je to opačně.
• Severní Afrika – silný monzun 14-5 ka, větší srážky z Atlantiku, existence
jezer (Lake Megachad), menší přenos prachu větrem, větší odtok. Bohatá
fauna a flóra.
6
Oxygen isotope records from three caves
in the Northern Hemisphere and three in
the Southern Hemisphere, plus (a) the
Cariaco Basin Ti record (Haug et al., 2001).
(b) Sanbao Cave, southern China, 31N
(Dong et al., 2010); (c) Dongge Cave,
central China, 25N (Dykoski et al.,
2005; Wang et al., 2005); (d) Qunf
Cave, southern Oman, 17N
(Fleitmann et al., 2003b); (e) and (f)
insolation curves for July at 10N and
January at 10S, respectively;
(g) Botuvera Cave, southeastern Brazil,
27S (Wang et al., 2006); (h) Cueva del
Tigre Perdido, eastern Peruvian lowlands,
7S (van Breukelen et al., 2008); (i) Liang
Luar Cave, Indonesia, 8S (Griffiths
et al., 2009). From Burns (2011).
Změny orbitálních parametrů
Climate-related settlements in the eastern Sahara through the major phases of the Holocene. Red dots indicate main resettlement areas, white dots
indicate more isolated settlements in climatic refuge locations and cyclical shifts of pastures. Precipitation zones are indicated by green nuances in
the light of best estimates based on geological, archaeological and archaeo- botanical data.
(A) During last Glacial Maximum and late Pleistocene, that is 20,000 to 8,500 BC (22,000 to 10,500 years before present) the Sahara desert was
devoid of any settlement outside the Nile Valley, and the desert stretched 400 km. farther south, than it does today.
(B) With the sudden onset of monsoon rain around 8,500 BC, the hyper-arid desert was replaced by savannah-like landscapes, which quickly became
inhabited by prehistoric people. In the early Holocene optimum southern Sahara and the Nile Valley were apparently too humid and dangerous for
appreciably human settlement.
(C) Around 7,000 BC human settlements have been well established throughout eastern Sahara, where they created a cattle-nomadic culture.
(D) Decreasing monsoon rain caused a beginning drying out of the Egyptian part of the Sahara around 5,300 BC. The prehistoric people were forced to
seek into the Nile Valley, settling in oases or to emigrate to the Sudanese Sahara, where rainfall and surface water was still sufficient. Sahara's
return to actual desert conditions about 3,500 BC coincided with the initial stages of Egyptian civilization in the Nile Valley. - Kuper and Kröpelin
(2006).
Změny orbitálních parametrů
Před 10.5 ka jsou lidská sídla omezena na údolí Nilu, do doby 7.4 ka se sídla rozšířila do
přilehlých oblastí Z od Nilu. 7.4 až 5.6 ka – omezený rozsah sídelních oblastí.
7
Změny orbitálních parametrů a zpětné vazby
• Podle Bradleyho (2005) neexistuje jednoduchý vztah mezi změnami
v insolaci v důsledku změn v orbitálních parametrech (astronomickou
hypotézou) na jedné straně a konkrétním vývojem klimatu na straně druhé.
• Sluneční záření je v atmosféře a na zemském povrchu významně
transformováno (re-distribuováno) v důsledku řady zpětných vazeb
v klimatickém systému.
• Tato přerozdělení energie bylo navíc regionálně specifické.
• V prvé řadě pohlcování, rozptyl a odraz slunečního záření závisejí na typu a
množství oblačnosti.
• Na zemském povrchu je pak důležité albedo závisející na hlavních druzích
aktivních povrchů
• Především v nižších zeměpisných šířkách hraje roli evapotranspirace a
obsah vodní páry jako hlavního radiačně aktivního plynu.
Změny orbitálních parametrů a cirkulace
• Intenzivní insolace na severní polokouli a faktory přerozdělující energii
slunečního záření způsobily větší rozdíly v zahřívání povrchu souše a
oceánů.
• Následkem toho došlo ke změnám v cirkulaci, jejichž hlavním projevem
byla zřetelně intenzivnější monzunová cirkulace na severní polokouli během
časného holocénu.
• Vedle změn v monzunové cirkulaci se změnil horizontální teplotní gradient
mezi rovníkem a polárními oblastmi, což ovlivnilo planetární cirkulaci
(Hadleyho buňka).
• Během středního holocénu došlo k zintenzivnění západního přenosu v zimě
(pozitivní fáze NAO) a naopak zeslabení v létě (negativní fáze AO/NAO) s
četnějším výskytem blokujících anticyklón (Mauri et al. 2014)
8
Změny orbitálních parametrů a role vegetace
Model simulations (Claussen et al., 1999) of the response of North African precipitation (b) and fractional
vegetation cover (c) compared to radiation forcing – summer (JJA) radiation at 20°N (a) and the record of
eolian (Saharan) dust in a sediment core from off the west coast of North Africa (deMenocal et al.,
2000a). The model incorporates vegetation feedbacks that seem to be important in generating a nonlinear
response to orbital forcing, at ~5500 BP. Reprinted from deMenocal et al. (2000a), with kind
permission from Elsevier Science.
Změny orbitálních parametrů – role vegetace
• Jestliže prvotní příčinou popsaných změn by měly být postupné změny
v orbitálních parametrech a v insolaci, je zajímavé, že proxy-rekonstrukce i
paleo-modely ukazují na velmi náhlý (abrupt) počátek (14 800 BP) i konec
(5500 BP) periody vlhkého klimatu v severní Africe.
• Pokud se do modelů nezahrnou zpětné vazby vegetace a hydrologického cyklu,
množství srážek neodpovídá tomu, který by mohl způsobit vznik velkých jezer
a zelenou Saharu.
• Vliv vegetace významně zesílil vliv postupných změn v důsledku precesního
pohybu. Navíc stejný mechanismus mohl hrát roli i ve vyšších zeměpisných
šířkách (tundra – boreální lesy) .
9
Orbitální parametry nevysvětlují vše
Změny v intenzitě slunečního záření
• Změny orbitálních parametrů jsou spojeny především s přerozdělením
insolace v čase (sezonalita) i v prostoru (rovník – póly, SH – NH) a na
kolísání a změnách klimatu se projevují velmi diferencovaně.
• Naopak změny v intenzitě slunečního záření na horní hranici atmosféry
(solar irradiance) by měly být konstantní pro celou Zemi.
• Avšak není tomu tak, protože reakce klimatického systému na změny
intenzity slunečního záření mohou být regionálně odlišné a to především
v důsledku zpětných vazeb a interakcí v atmosféře.
10
Změny v intenzitě slunečního záření
Satellite measurements of solar
faculae and sunspots for the last
three solar activity cycles. The
faculae increase energy emissions
from the Sun, while sunspots reduce
them. The net result is a 0.1%
increase in total solar irradiance
between the minimum and maximum of
the solar cycles (top). Unfortunately,
longer measurements of these
phenomena do not exist, and so,
there is considerable uncertainty
about how irradiance changed in the
past.
Lean (2010).
Změny v intenzitě slunečního záření
• Solární konstanta (1368 Wm-2) není konstanta.
• Především družicová měření za poslední tři dekády prokázala, že TSI (Total
Solar Irradiance – integrovaná přes všechny vlnové dílky) kolísá o cca 0.08
procent během přibližně jedenáctiletého slunečního (Schwabeho) cyklu.
• Maxima dosahuje v době maximální sluneční aktivity projevující se maximem
slunečních skvrn.
• Navíc bylo prokázáno, že intenzita UV záření kolísá více. To je důležité
z hlediska koncentrace stratosférického ozónu (vzrůst intenzity UV záření
značí vyšší koncentraci O3).
• Protože je ozón radiačně aktivním plynem, znamená to, že během maxim
sluneční aktivity se více ohřívají horní vrstvy troposféry, což může souviset
s intenzifikací proudění ve stratosféře a změnám v cirkulaci.
• Například podle modelových situací vede uvedený mechanismus na „letní
polokouli“ k posunu jet-streamů a k pólům a také k rozšíření Hadleyho cirkulace
stejným směrem.
• I když současné změny v intenzitě záření jsou malé, mohl tento
mechanismus vést v minulosti k významným změnám, pokud se intenzita
záření měnila ve větším rozsahu (vztahy v uvedeném mechanismu nemusejí
být lineární).
11
Proxy data o intenzitě slunečního záření
• Na základě studia chování hvězd podobných Slunci bylo zjištěno, že
současná intenzita slunečního záření je vysoká (Lean et al. 1992).
• Touto metodou analogie např. vzrostla TSI od konce 17. století (Maunderovo
minimum) do současnosti o 0.24 procenta a krátkodobé změny v důsledku 11ti
letého cyklu jsou součástí těchto dlouhodobějších kolísání.
• Na základě analogie ale i modelových simulací se změna intenzity TSI o 0.24
% projeví změnou globální teploty vzduchu na Zemi o 0.2 – 0.4 °C.
• Tedy podstatná část dlouhodobých kolísání teploty na severní polokouli
během posledního milénia (před zvýšením vlivu antropogenní činnosti) se dá
vysvětlit kolísáním sluneční (a vulkanické) aktivity (Crowley, 2000).
Změny v intenzitě slunečního záření
• Změny TSI se v minulosti mohly projevovat kolísáním klimatu regionálně odlišně
především v důsledku interakcí v atmosféře (cirkulace).
• Delší období nižší sluneční aktivity („Grand Solar Minima“ jako například
Maunderovo minimum) se chladnějšími obdobími projevila především ve vnitřních
částech kontinentů ve středních a vyšších zeměpisných šířkách.
• Chladnější podmínky se projevily i ve stejných šířkách Atlantiku a vedly
k ovlivnění cirkulace charakterizované indexem sveroatlantské cirkulace (NAO).
• Uvedený mechanismus vedl se snížení tlakového gradientu mezi Azory a
Islandem, nižším hodnotám NAO a zeslabení přenosu vlhkého a teplého vzduchu
do Euroasie v zimě (Projevila se malá doba ledová především v zimě?).
• Uvedený mechanismus tedy mohl dále zesílit původní ochlazení v důsledku
samotného minima sluneční aktivity.
Peter Bruegel the Elder, 1565 The Frost Fair of 1814, by Luke Clenell
12
Změny v intenzitě slunečního záření
• To potvrzují modelové simulace, podle kterých byly zimy v období Maunderova
minima o 1-2 °C chladnější než zimy o cca 100 let později, kdy byla intenzita
slunečního záření vyšší (Shindell et al., 2001).
• To je navíc konzistentní s některými proxy rekonstrukcemi
The change in winter surface air temperature between 1680 and 1780 (1680–1780), based on a GCM
simulation in which solar irradiance was increased by 0.32Wm 2 (0.1%) between those times. The GCM had
an interactive stratospheric chemistry component so that UV effects on ozone could be included. The
pattern of change is similar to that associated with a negative phase of the North Atlantic Oscillation.
From Shindell et al. (2001).
Dlouhodobé změny v intenzitě slunečního záření
• Pokud se tedy intenzita slunečního záření změnila o cca 0.24 % během
posledních stovek roků, jak se měnila během holocénu?
• Dlouhodobé změny TSI lze rekonstruovat na základě kosmogenních izotopů,
které lze nalézt v přírodních archívech.
• Kosmické záření obsahuje izotopy 10Be a 14C a jejich koncentrace lze nalézt
v některých proxy-datech.
• Během období vysoké sluneční aktivity je tok kosmického záření do
atmosféry redukován což vede k nižším koncentracím uvedených izotopů –
tedy existuje nepřímý vztah.
• Bohužel obsah izotopů ovlivňují další faktory, především magnetické pole
země (jeho menší intenzita znamená zvýšenou produkci izotopů).
• Obsah 14C závisí i na intenzitě ukládání uhlíku v hlubších vrstvách oceánu
(např. vlivem termohalinní cirkulace).
• Tyto vlivy jsou však zřejmě relativně malé (Bard et al., 2000, Beer et al.,
1996) a obsah 14C lze použít jako proxy pro rekonstrukci TSI za posledních
1000 resp. 4000 roků.
13
Proxy data o intenzitě slunečního záření
Variations in solar activity, including variation in 10Be concentration which varies
inversely with solar activity. (Note that the beryllium scale is inverted, so
increases on this scale indicate lower beryllium-10 levels) (zdroj wikipedie)
Proxy data o intenzitě slunečního záření
A reconstruction of total solar irradiance for the last 9300 years based on the relationship between the
Sun’s open magnetic field (which modulates galactic cosmic rays reaching the Earth) and 10Be measured
in ice cores, after taking into account changes in the Earth’s magnetic field. The shaded band is the
1s uncertainty considering the uncertainties of the calibration and of the reconstruction of the Sun’s open
magnetic field record. (Steinhilber et al. 2012).
14
Periodicita změn v intenzitě slunečního záření?
• S kolísáním sluneční aktivity souvisí i otázka tzv. Bondových cyklů (Bond et al.,
2001).
• Podle autorů časové změny v IRD (Ice Rafted Detritus/Debries)
v sedimentech na dně severního Atlantiku velmi dobře odpovídají variabilitě
sluneční aktivity rekonstruované podle 14C anomálii.
• Tato kolísání mají zřetelně vyjádřenou frekvenci cca 1450 – 1500 roků,
v současnosti se udává spíše 1000 roků.
• Takových cyklů bylo identifikováno osm, některé velmi dobře korelují
s kolísáním klimatu a typickými obdobími, jiné se naopak ve variabilitě klimatu
nijak neodrážejí.
• Obdobná periodicita byla nalezena také v izotopech kyslíku v datech GISP2
(Greenland Ice Sheet Project).
• Tzv. Bondovy cykly jsou v odborné literatuře často diskutovány, není zcela
jasný jejich mechanismus propojení se sluneční aktivitou (přes období
zvýšeného/sníženého tání grónského ledovce).
Tzv. bondovy cykly: 0 – Malá doba ledová (1500AD), 1 – LALIA (600AD), 3 – 2200BC
(See 4.2 kiloyear event; collapse of the Akkadian Empire and the end of the Egyptian Old
Kingdom), 4 – 3900BC (Sahara Desert reforms by 3500–3000 BC, ending Neolithic
Subpluvial, 5 – 6200BC (8.2K event.), 8 – 9100BC (transition from the Younger Dryas to
the boreal)
Periodicita změn v intenzitě slunečního záření?
15
Změny v intenzitě slunečního záření
Pro poslední milénium 14C i 10Be indikují, že sluneční aktivita byla vysoká
v období cca 1100 – 1250 a naopak minima připadla na období 15. století a na
konec 17. století. Poté vzrostla a ve 20. století byla na úrovni hodnot pro 12.
století.
Total solar irradiance from AD 843 to 1961, estimated from 10Be variations, recorded in
an Antarctic ice-core, scaled to the estimates of Lean et al. (1995) (cf. Fig. 2.4). Other
estimates of the magnitude of change in TSI from the Maunder Minimum to the present
are higher – up to 0.65%, which, if correct, would simply amplify the scale of change
shown here (data from Bard et al., 2000).
Vulkanická činnost
(A) Injection of ash and aerosols into the
atmosphere; (B) ice core section from
WAIS Divide (Antarctica) sticking out of
the core barrel. High annual snowfall at this
site enables individual annual layers to be
identified and counted; (C) ice core section
from TUNU (Greenland) that contains a
record of volcanic sulfate aerosols; (D) the
ice is slowly melted and a variety of
elements and chemical species are
simultaneously analyzed; (E) bristlecone
pine ring-width minima indicate that
summer cooling often occurred when major
volcanic eruptions dimmed the Earth’s
surface; (F) frost rings from a Siberian
pine in Mongolia. The narrow, distorted
rings for 536 and 537 CE indicate a drastic
cooling in the northern hemisphere which
was caused by a large volcanic eruption.
Image credits, A-F: NASA, M. Twickler, M.
Sigl, S. Masclin, M. Sigl, D. Breger
(Micrographic Arts).
16
Vulkanická činnost
• Množství popela a sloučenin síry v atmosféře snižuje množství dopadajícího záření na
zemský povrch a tak ho ochlazuje.
• Velké částice popela dopadají relativně rychle na zemský povrch, ovlivňují počasí pouze
regionálně a na krátkou dobu.
• Sloučeniny síry společně s vodní párou utvářejí aerosoly síry a ty zůstávají v atmosféře
několik roků.
• V případě erupcí v tropických zeměpisných šířkách jsou aerosoly distribuovány ve
vyšších vrstvách atmosféry po celé Zemi, naopak aerosoly z erupcí vyšších zeměpisných
šířek mají spíše regionální vliv.
• Velikost radiačního účinku
vulkanických erupcí závisí
především na velikosti erupce,
poloze (zeměpisné šířce), roční
době, směru vyvržených částic a
plynů, typu a velikosti vyvržených
látek.
Vulkanická činnost a dopady na klima
• Vulkanické erupce mohou mít krátkodobý ochlazující efekt na klima, který
je výsledkem radiačního účinku aerosolů ze sopečných erupcí, které
redukují přísun sluneční energie k zemskému povrchu.
• S tím jsou spojeny i vlivy na cirkulaci, které se ve většině případů projeví
zesílením proudění v planetárních (Rossbyho) vlnách.
• To vede k negativním teplotním odchylkám v určitých oblastech a pozitivním
v jiných. Například oteplení ve vnitrozemí kontinentů na severní polokouli
v zimě korelovalo s velkými erupcemi ve 20. století.
• Takovéto efekty mohu být ještě zesíleny, pokud počáteční efekt ochlazení
je zesílen zpětnými vazbami.
17
Proxy o vulkanické činnosti během holocénu
The Holocene record of volcanic sulfate (anomalies from background variations)
recorded in the GISP2 ice-core from Summit, Greenland (Zielinski et al., 1994).
Zdroje dat o vulkanické činnosti - historické záznamy a obsah sloučenin síry
v ledovcových jádrech Grónska a Antarktidy. Zdroje z obou polokoulí je nutné
porovnávat, aby bylo zřejmé, zda šlo o globální vlivy a kde se zhruba nacházelo
místo erupce.
• V datech GISP2 lze identifikovat období zvýšené vulkanické činnosti 9500–
11,500 BP.
• V časném holocénu se vyskytly podle proxy-dat četné erupce silnější než
Tambora v roce 1815, která zřejmě byla nejsilnější za poslední dvě století.
Vulkanická činnost v historické době
Ice-core records of sulfur from two ice cores in Greenland and two ice cores in Antarctica (Sigl et al. 2013,
2014), used among others to infer atmospheric deposition (yellow circles). More than 100 individual
eruptions are reconstructed and attributed to either mid-to high latitude eruptions (e.g. Iceland, Alaska)
and low-latitude eruptions (underlined for selected events) based on the timing of sulfate deposition over
the ice-sheets. Reconstructed dates are given for some large volcanic eruptions (Sigl et al. 2015) as are
time periods of strong summer cooling in Europe indicated by tree-ring reconstructions (black curve,
PAGES-2k Consortium 2013).
18
Vulkanická činnost a časové měřítko změn
• Teplotní efekt se projeví ve většině případů jen několik málo roků. Avšak
období zvýšené vulkanické činnosti či shluk několika velkých erupcí se mohl
projevit i v dekádové a multi-dekádové variabilitě.
• Například jedním z faktorů, který stál za počátkem chladného období v době
raného středovku a období stěhování národů, byly zřejmě tři sopečné erupce
v letech 536, 540 a 547.
• Jejich přesná lokalizace není známa, i když byly jednoznačně prokázány
analýzou ledovcových jader v Grónsku i v Antarktidě (Büntgena et al., 2016,
Sigl et al., 2015).
Büntgen et al. (2016)
Vulkanická činnost
• Podle některých prací byl výbuch sopky Samalas (1257) jedním z faktorů,
které stály za počátkem malé doby ledové
• Na druhou stranu byly vulkanické erupce hlavní příčinou náhlých ochlazení v
létě na severní polokouli („roky bez léta“ – 1816, 1601, 1453, 1109, 574, 541)
• Přes problémy s interpretací a homogenizací dat o vulkanické činnosti,
modelové simulace potvrzují, že tato činnost byla během holocénu významným
klimatotvorným faktorem
• Společně s kolísáním sluneční aktivity vysvětluje hlavní rysy přihozených
kolísání a změn klimatu během min. 2000 roků.
• Role vulkanické činnosti byla zvláště významná v určitých obdobích.
• Například velmi chladné období druhé poloviny Maunderova minima v západní
Evropě bylo zesíleno intenzivní vulkanickou činností v tomto období (D’Arrigo
et al., 2002, Shindell et al., 200X).
• North et al. (2006) uvádějí jako období zvýšené vulkanické činnosti konec 13.
století, 17. století a počátek 19. století, i když jednotlivé chronologie se
mohou částečně lišit.
19
Vulkanická činnost
Chemické složení atmosféry
• Vedle uvedených tří hlavních vnějších faktorů mohly kolísání a změny klimatu během
holocénu souviset i se změnami atmosférické koncentrace hlavních tzv. radiačně aktivních
plynů (především CO2, CH4, N2O).
• Změny v obsahu vodní páry se neuvažují, její působení je považováno za zpětnou vazbu,
protože její koncentrace je vázána na teplotu.
• Hlavními proxy-daty jsou ledovcová jádra z Grónska a Antarktidy
Data from ice cores have been used to reconstruct Antarctic temperatures and atmospheric CO2 concentrations over the
past 800,000 years. Temperature is based on measurements of the isotopic content of water in the Dome C ice core. CO2 is
measured in air trapped in ice, and is a composite of the Dome C and Vostok ice core. The current CO2 concentration (blue
star) is from atmospheric measurements. The cyclical pattern of temperature variations constitutes the ice age/ interglacial
cycles. During these cycles, changes in CO2 concentrations (in blue) track closely with changes in temperature (in red).
Source: Figure by Jeremy Shakun, data from Lüthi et al., 2008 and Jouzel et al., 2007.
20
Chemické složení atmosféry
• Během posledních 800 tis. roků kolísala koncentrace CO2 ve velmi dobře
vyjádřených kvazi-periodách odpovídajících glaciálům s koncentrací cca
180 ppm a interglaciálům, během kterých koncentrace CO2 dosahovala
koncentrace 280-300 ppm.
• Koncentrace metanu kolísaly v rozmezí hodnot 600 – 790 ppb (parts per
billion by volume).
• Tento charakter pravidelných kolísání je porušen počátkem antropocénu.
• Jestliže kolísání obsahu CO2 v atmosféře během holocénu byla relativně
malá, dominuje jim výrazný nárůst ve 20. století.
• Současná koncentrace CO2 je přes 400 ppm, obsah metanu se oproti
předindustriálnímu období zdvojnásobil.
• Radiační působení v porovnání s rokem 1750 je asi 2.5 W.m2.
Chemické složení atmosféry
Evolution of atmospheric carbon dioxide and methane over the last 22,000 years. Joos (2005).
• Z obrázku je patrné, že koncentrace CO2 i CH4 na konci posledního glaciálu
rostly a od počátku holocénu začaly mírně klesat. Takový vývoj zhruba odpovídá
předchozím glaciálům/interglaciálům.
• Avšak zhruba ve středním holocénu se tento pokles zastavil a nejprve
koncentrace CO2 a poté i NH4 začaly opět růst, což však už je v porovnání
s předchozími obdobími neobvyklé.
• Podle jedné teorie souvisí uvedené chování s činností člověka, především
s procesy odlesňování a následně s rozvojem zemědělství, především pěstováním
rýže (Ruddiman, 2003, 2005, 2007).
21
Chemické složení atmosféry
Chemické složení atmosféry
• Do 18. století koncentrace CO2 vzrostly za posledních 8000 roků o 20 ppm,
koncentrace NH4 za posledních 5000 o 100 ppb. Podle Ruddimana je tento
nárůst neobvyklý, především při porovnání s předchozím interglaciálem. Pokud
by Země měla směřovat k dalšímu glaciálu, měly by koncentrace klesat.
• Avšak glaciály a interglaciály nebyly identické, podle vývoje orbitálních
parametrů by měl být současný interglaciál velmi dlouhý (jako před 400 tis.
roky).
• Dále podle některých prací je nárůst koncentrace metanu součástí jeho
přirozené variability. Pokud jde o nárůst CO2, ten byl zaznamenán během
interglaciálu MIS11 před 400 tis. roky, kdy měly orbitální parametry obdobné
hodnoty jako v současnosti.
• Stejně jako v případě metanu může být vzestup koncentrace CO2 součástí
přirozeného uhlíkového cyklu. Koncentrace terestrického 12C rostla
především před 5000 lety, kdy se přirozeně formovaly velké bažiny (peatland)
a jen málo poté, kdy by to mohlo souviset s procesy odlesňování.
• Je také otázka, zda tehdejší množství populace by bylo schopno vyprodukovat
množství CO2 a NH4 odpovídající uvedenému vzestupu jejich koncentrací.
22
Chemické složení atmosféry
• Přes řadu argumentů uvedená teorie W. Ruddimana naznačuje obecnější
poznatek.
• Tedy že člověk měnil přírodní prostředí od okamžiku, kdy se „zastavil“ a
přestal být pouze sběračem a lovcem.
• Je jenom otázka, kdy se intenzita jeho působení na vývoj klimatu a
přírodního prostředí obecně stala dostatečně závažnou.
Koncentrace troposférických aerosolů - neměnily se v před-instrumentálním
období, poté výrazně narůstají. Jejich vliv na klima (radiační působení) je
velmi závislé na řadě faktorů (zdroje, chemické složení, vlastnosti, interakce
s oblačností atd.). V atmosféře zůstávají relativně krátce. Obecně mají
ochlazující účinek na klima, například ale tzv. black carbon má pozitivní
působení.
• Přirozené změny v druzích povrchů se nepovažují za klimatotvorný faktor
avšak jsou zahrnuty ve zpětných vazbách. Jsou reakcí klimatického systému
na působení vnějších faktorů
• Související především s rychlým ústupem zalednění ve vysokých zeměpisných
šířkách během časné fáze holocénu a jsou výsledkem zpětné vazby na změny
teploty.
• Dále například s postupným zvyšováním hladiny oceánu a změnou vegetačního
krytu
• Změny povrchů primárně ovlivňují albedo a to přímo i nepřímo. Přímá vazba
na albedo souvisí s rozsahem zalednění v polárních oblastech.
• Nepřímá vazba na albedo souvisí se změnami v cirkulaci, následnými změnami
srážkového režimu (hydrologického cyklu) a následně pak se změnami v
rozsahu a druhovém složení vegetace.
Přirozené změny v druzích povrchů
23
Změny v druzích povrchů
Změny v druzích povrchů
Zanon et al. 2018
Maximální zalesnění ∼8,500 - 6,000 BP (v západní Evropě dříve), ve východní Evropě pozitivní
trend do 6,250 BP, stagnace a částečný nárůst kolem 6,500 BP , poté obecný pokles (v Alpách
již od 8200 BP)
Rekonstrukce s využitím
palynologických údajů a
metody analogie
24
Přirozené změny v druzích povrchů
Původní pánev Černého moře zaplavená
mořskou vodou před cca 8000 roky
Sea level changes in the area
of the southern North Sea
(modified after Behre, 2003)
Evropské pobřeží v současnosti, během časného holocénu
a během vrcholu posledního glaciálu (Wikipedie)
• Od středního holocénu dochází ke změnám v druzích povrchů v důsledku
antropogenní činnosti.
• Ke změnám docházelo od neolitické revoluce s rozvojem zemědělství,
později s postupným odlesňováním a kolonizací. Tyto procesy primárně
způsobily změnu albeda a možná i změny v chemickém složení atmosféry
• Rozsah antropogenních změn postupně roste a lze jej kvantifikovat za
posledních cca 1000 roků.
• Názor na vývoj klimatu vlivem antropogenních změn nejednotný. Některé
práce uvádějí, že změny v landuse během posledních 1000 roků měly na
globální klima ochlazující účinek až 0.4 °C (Bauer et al. 2003).
• Jiné práce naopak konstatují výrazné oteplení regionálního rozsahu během
20. století.
• Existuje řada regionálních studií vývoje landuse, studium změn v globálním
měřítku nejsou tak četné. Kaplan et al. (2009) rekonstruovali proces
odlesňování za poslední 3 tisíce let na základě údajů o hustotě obyvatel
v Evropě.
• Autoři dokladují, že dosavadní práce výrazně podhodnocovaly vliv
antropogenní činnosti na klimatický systém v předinstrumentálním období.
Antropogenní změny v druzích povrchů
25
Antropogenní změny v druzích povrchů
Decrease in mean global temperature over the Northern Hemisphere due to the biophysical feedback
(increased albedo) of an estimated decrease in forest cover between AD 1000 and 2000 as simulated by six
different climate models (see details on the climate models in Brovkin et al., 2006). Land-use changes were
based on HYDE [History Database of the Global Environment] version 2.0 for the period AD 1700–2000,
and on a constant rate of decrease in forest cover between 1000 and 1700 (from Brovkin et al., 2006;
modified).
Shrnutí
26
Shrnutí
• Řada studií, která hledá příčiny v kolísání a změnách klimatu v hlavních
externích faktorech tak činí pouze na základě jednouché korelační závislosti
či na základě porovnání spekter.
• Mechanický přístup však ještě nemusí znamenat kauzální vztahy. V hledání
příčin a ověřování hypotéz hrají významnou roli modelové experimenty.
• Je zřejmé, že ne všechna variabilita klimatu během holocénu měla konkrétní
příčinu v klimatotovorných faktorech
• Nejznámějším příkladem je 8.2k event. Související s kolapsem části
ledovcového štítu (Laurentide Ice Sheet), velmi rychlým výtokem tavné vody
do severního Atlantiku a prudký, krátkodobým ochlazením.
• Do stejné kategorie procesů patří jevy související s vnitřní variabilitou klimatu,
jako jsou ENSO, NAO, PDO.
• I když víme, že tyto jevy mají vysokofrekvenčním složku kolísání, velmi málo
víme o jejich dlouhodobém kolísání.
• Důležitou roli může hrát i náhodná (stochastická) povaha klimatického
systému, především v případě náhlých změn (abrupt), které při překročení
určitých prahových hodnot mohly v důsledku nelineárních vztahů dostat
systém do nových podmínek (Rahmstorf and Alley, 2002).