Zpětná vazba klima je jev, který efekt na klima působí na oplátku o jejích příčinách a to způsobem, který ji může stabilizovat, nebo naopak zesílit. V prvním případě hovoříme o negativní zpětné vazbě (proti účinku), ve druhém, o pozitivní zpětné vazbě (posílení účinku), která může vést k útěku . Tento jev je důležitý pro pochopení globálního oteplování, protože tyto zpětné vazby mohou zesílit nebo zmírnit účinek každé změny klimatu, a proto hrají důležitou roli při určování klimatické citlivosti a budoucích klimatických projekcí.
Termín „nutit“ znamená změnu, která může „tlačit“ klimatický systém ve směru oteplování nebo chlazení . Příkladem prosazování klimatu je zvýšení koncentrací skleníkových plynů v atmosféře . Podle definice jsou síly vně klimatického systému, zatímco jejich zpětné vazby jsou vnitřní; zpětné vazby v podstatě představují procesy interní v systému. Některé zpětné vazby mohou působit relativně izolovaně od zbytku klimatického systému; jiné naopak mohou být úzce spojeny ; proto není vždy snadné určit, jak moc konkrétní proces ovlivňuje systém.
Vynucení a zpětná vazba společně určují rozsah a rychlost změny klimatu. Hlavní pozitivní zpětnou vazbou od globálního oteplování je tendence oteplování ke zvyšování množství vodní páry přítomné v atmosféře, což vede ke zvýšení skleníkového efektu, a tedy k většímu oteplování. Hlavní negativní reakce vychází ze Stefan-Boltzmannova zákona : množství tepla emitovaného Zemí do vesmíru se mění se čtvrtou silou povrchové teploty a atmosféry Země. Pozorování a modely ukazují, že čistá bilance ohřívacích zpětných vazeb je pozitivní. Velké pozitivní zpětné vazby mohou mít náhlé nebo nevratné účinky v závislosti na rychlosti a rozsahu změny klimatu.
Předpovědi a důkazy podporují myšlenku, že globální oteplování může způsobit, že suchozemské ekosystémy ztratí uhlík ve prospěch zvýšené hladiny CO 2atmosférický. Několik klimatické modely ukazují, že globální oteplování v XXI th by mohlo být stoletím urychlené odezvou zemského uhlíkového cyklu k takové oteplování. 11 modelů studie C4MIP předpovídalo hladiny CO 2původní antropogenní atmosférický neabsorbovaný ekosystém v důsledku oteplování klimatu. Na konci XXI th století, CO 2Další rozsahy od 20 do 200 ppm pro dva extrémní modely, přičemž většina modelů se pohybuje mezi 50 a 100 ppm . Zvýšení hladin CO 2řízený má další globální oteplování mezi 0,1 a 1,5 ° C . Stále však existovala velká nejistota ohledně rozsahu těchto citlivostí. Osm modelů přisuzovalo většinu změn zemi, zatímco tři ji přisuzovaly oceánu. Nejsilnější zpětné vazby jsou způsobeny zvýšeným odplyňováním uhlíku z půd boreálních lesů vysokých zeměpisných šířek na severní polokouli. Jeden model zejména ( HadCM3 ) identifikuje sekundární zpětnou vazbu uhlíkového cyklu v důsledku ztráty velké části amazonského deštného pralesa v reakci na výrazné snížení srážek nad tropickou jižní Amerikou . Ačkoli se modely neshodují na intenzitě zpětné vazby z uhlíkového cyklu Země, všechny docházejí k závěru, že taková zpětná vazba by urychlila globální oteplování.
Pozorování ukazují, že britské půdy ztrácely uhlík rychlostí čtyř milionů tun ročně po dobu 25 let, podle článku Bellamy et al. , publikovaný v Nature v září 2005, který uvádí, že je nepravděpodobné, že by tento jev byl vysvětlen změnami ve využívání půdy. Tyto výsledky vycházejí z jemné sítě území, a proto nejsou k dispozici v globálním měřítku. Při extrapolaci na celé Spojené království odhadují roční ztráty na 13 milionů tun ročně. To odpovídá ročnímu snížení emisí oxidu uhličitého, kterého dosáhlo Spojené království na základě Kjótské smlouvy (12,7 milionu tun uhlíku ročně).
Chris Freeman také navrhl, že uvolnění rozpuštěného organického uhlíku (DOC) do vodních toků z rašelinišť (ze kterých uniká do atmosféry) by poskytlo smyčku pozitivní zpětné vazby na globální oteplování. Uhlík aktuálně uložený v rašeliništích (mezi 390 a 455 gigaton, neboli jedna třetina veškerého suchozemského uloženého uhlíku) představuje více než polovinu množství uhlíku již přítomného v atmosféře. Hladiny DOC v řekách se významně zvyšují. Freemanova hypotéza je, že nejde o vysoké teploty, ale o vysoké hladiny CO 2kteří za to odpovídají díky stimulaci primární produktivity .
Předpokládá se, že úmrtnost stromů roste v důsledku globálního oteplování. Tento jev snižuje kapacitu ukládání uhlíku, což představuje efekt pozitivní zpětné vazby.
Studie naznačují, že mokřady a sladkovodní ekosystémy by se mohly stát největším přispěvatelem ke zpětné vazbě metanu na klima .
Rozmrazování arktického permafrostuGlobální oteplování způsobuje roztavení permafrostu, což zase zdůrazňuje globální oteplování atd., Jedná se o smyčku zpětné vazby: jak se globální oteplování zesiluje, permafrost s velkou šířkou taje a způsobuje uvolňování oxidu uhličitého (CO 2 ) a metanu (CH 4 ) půdy, což zase zvyšuje globální oteplování.
Obleva způsobené globálním oteplováním uvolňuje obrovské množství uhlíku (převážně ve formě metanu) do atmosféry v arktických oblastech. Metan propuštěn táním permafrostu , jako zmrazených rašelinišť v Sibiři a metan hydrát z mořského dna, vytváří pozitivní zpětnou vazbu. vdubna 2019Turetsky a kol . oznamte, že permafrost taje rychleji, než se očekávalo.
Metan emitovaný rozmrazením rašelinišťZápadní Sibiř je největší rašeliniště na světě, oblast jednoho milionu čtverečních kilometrů permafrostu, která vznikla před 11 000 lety na konci poslední doby ledové. Očekává se, že tavení jeho permafrostu povede během několika desetiletí k uvolňování obrovského množství metanu . V nadcházejících desetiletích by mohlo být uvolněno až 70 000 milionů tun metanu, což je plyn, který významně přispívá ke skleníkovému efektu , což výrazně zvyšuje emise skleníkových plynů . Toto tání bylo pozorováno na východní Sibiři. Lawrence a kol . (2008) zjistili, že rychlé tání arktického mořského ledu by vytvořilo smyčku zpětné vazby vedoucí k rychlému rozmrazení arktického permafrostu, což by zase podpořilo oteplování skleníku.
Metan uvolňovaný z hydrátůHydrát metanu nebo klatrátu metan je forma ledové vody, která zachycuje velké množství metanu ve své krystalické struktuře . V sedimentech mořského dna Země byly objeveny extrémně velké usazeniny hydrátu methanu . Studie se domnívají, že náhlý únik velkého množství plynu z metanhydrátových depozitů, v důsledku globálního oteplování, by mohl způsobit cválající globální oteplování (v) minulosti nebo dokonce budoucnosti. Uvolňování tohoto zachyceného metanu je jedním z hlavních důsledků zvýšení teploty; Předpokládá se, že by to mohlo zvýšit teplotu planety o 5 ° C více, přičemž metan produkuje mnohem silnější skleníkový efekt než CO 2. Kromě toho by toto uvolňování metanu mělo vážně ovlivnit obsah kyslíku v atmosféře. Tato teorie byla navržena k vysvětlení nejzávažnějšího fenoménu masového vyhynutí na světě, známého jako událost vymírání perm-trias , a také termální maximální událost přechodu paleocen - eocén . V roce 2008 zjistila americká expedice geofyzikální unie v arktické Sibiři hladiny metanu až stokrát vyšší, než je obvyklé. Tento jev byl vysvětlen odplyněním hydrátů metanu otvory, které se objevily ve zmrzlém „víku“ tvořeném permafrostem mořského dna, poblíž ústí řeky Leny a v oblasti mezi Laptevským mořem a Východosibiřským mořem .
Náhlý nárůst atmosférického metanuMezivládní panel pro klimatické změny (IPCC) a Spojené státy Climate Change Science Program (CCSP) zkoumali možnost, že změna budoucího klimatu způsobí rychlý nárůst atmosférického metanu . The zpráva IPCC Třetí hodnocení , vydaná v roce 2001, zkoumal možné rychlému nárůstu metanu buď kvůli snížení atmosférických chemických umyvadla nebo uvolnění pohřben metanu v půdě. V obou případech bylo rozhodnuto, že takové propuštění je „výjimečně nepravděpodobné“ (podle znaleckého posudku s pravděpodobností méně než 1%). Posouzení PSAB, publikované v roce 2008, dospělo k závěru, že náhlé uvolnění metanu do atmosféry se zdálo „velmi nepravděpodobné“ (podle odborného posudku méně než 10% pravděpodobnost).
Ve svém hodnocení však výbor PSAB poznamenal, že globální oteplování „velmi pravděpodobně“ zrychlí (s pravděpodobností větší než 90% podle znaleckého posudku) míru trvalých emisí jak ze zdrojů hydrátu, tak z mokřadů .
RozkladOrganická hmota uložená v permafrostu vydává teplo, protože se rozkládá v reakci na tání permafrostu.
Rozklad rašelinyRašeliny , která se tvoří v rašeliništi, je důležitým nádrž organických látek na celém světě. Když rašelina zaschne, stane se palivem, které lze spálit. Úprava hladiny podzemní vody v důsledku globálního oteplování může vést k velkým výkyvům uhlíku z rašelinišť. Může být uvolňován ve formě metanu, který zdůrazňuje jev zpětné vazby, kvůli vysokému potenciálu globálního oteplování .
Vysychání deštného pralesaTyto deštné pralesy , zejména tropické deštné pralesy , jsou obzvláště náchylné ke globálnímu oteplování. Může se objevit několik účinků, ale dva jsou obzvláště znepokojivé. Za prvé, suchá vegetace může způsobit úplné zhroucení ekosystému deštného pralesa. Například amazonský deštný prales by měl tendenci být nahrazen ekosystémy caatinga . Navíc i ekosystémy tropických deštných pralesů , které se úplně nezhroutí, mohou ztratit většinu uhlíku, který ukládají, protože vegetace vysychá.
lesní požáryČtvrtá hodnotící zpráva IPCC předpovídá, že mnoho střední-šíře oblasti, jako jsou středomořské Evropě, bude dojít k poklesu srážek a zvýšenému riziku sucha , což by umožnilo lesní požáry nastat více pravidelně a ve větším měřítku. Tyto požáry uvolňují do atmosféry více uloženého uhlíku, než může uhlíkový cyklus přirozeně reabsorbovat, přičemž snižují celkovou plochu lesa na planetě a vytvářejí smyčku pozitivní zpětné vazby. Část této smyčky zpětné vazby zahrnuje rychlejší růst náhradních lesů a migraci lesů na sever, protože klima v severních zeměpisných šířkách přispívá k lepší ochraně lesů.
DezertifikaceDesertifikace je důsledkem globálního oteplování v některých prostředích. Pouštní půdy obsahují málo humusu a podporují malou vegetaci. Výsledkem je, že přechod do pouštních ekosystémů je obvykle spojen s atmosférickými exkurzemi uhlíku.
Výsledky modelováníPředpovědi globálního oteplování uvedené ve čtvrté hodnotící zprávě IPCC (AR4) berou v úvahu smyčky zpětné vazby uhlíkového cyklu. Autoři AR4 však poznamenali, že vědecké poznatky o zpětných vazbách uhlíkového cyklu byly špatné. AR4 projekce byly založeny na sérii scénářů emisí skleníkových a navrhl oteplování mezi koncem 20 -tého a na konci 21 th století, 1,1 až 6,4 ° C . Toto je „pravděpodobné“ rozmezí (pravděpodobnost větší než 66%), podle odborného úsudku autorů IPCC. Autoři poznamenali, že spodní hranice „pravděpodobného“ rozsahu se zdála být lépe kontrolována než horní hranice, částečně kvůli zpětné vazbě uhlíkového cyklu. Americká meteorologická společnost uvedla, že je zapotřebí dalšího výzkumu modelovat účinky zpětných vazeb uhlík cyklu v projekcích změny klimatu.
Isaken a kol. (2010) zkoumali, jak by budoucí emise metanu v Arktidě mohly přispět ke globálnímu oteplování. Jejich studie naznačuje, že pokud by se globální emise metanu měly vynásobit faktorem 2,5 až 5,2 oproti současným emisím, pak by nepřímý příspěvek radiační síly činil přibližně 250% a 400% síly, která je přímo přičítána metanu . Toto zesílení oteplování v důsledku metanu je vysvětleno předpokládanými změnami v chemii atmosféry.
Schaefer a kol. (2011) zkoumali, jak by uhlík uvolněný permafrostem mohl přispět ke globálnímu oteplování. Jejich studie předpověděla změny permafrostu na základě scénáře průměrných emisí skleníkových plynů ( SRES A1B). Podle studie by do roku 2200 mohl návrat permafrostu generovat kumulativně v atmosféře 190 ± 64 gigaton uhlíku. Autoři se domnívají, že tento odhad může být nízký.
Důsledky pro politiku v oblasti klimatuNejistota ohledně zpětných vazeb o změně klimatu má důsledky pro politiku v oblasti klimatu. Například nejistoty ohledně zpětných vazeb uhlíkového cyklu mohou ovlivnit cíle snižování emisí skleníkových plynů. Emisní cíle jsou často založeny na cílové úrovni pro stabilizaci koncentrací skleníkových plynů v atmosféře nebo na cíli omezit globální oteplování na určitou teplotní úroveň. Definování těchto cílů (koncentrací nebo teplot) však vyžaduje pochopení budoucího vývoje uhlíkového cyklu. Pokud modely nesprávně předpovídají budoucí změny v uhlíkovém cyklu, mohou být cíle koncentrace nebo teploty nevhodné. Například pokud modely podhodnocují množství uhlíku uvolněného do atmosféry v důsledku pozitivních reakcí (jako je například tavení permafrostu), mohou také podceňovat rozsah nezbytného snížení emisí k dosažení zamýšleného cíle.
Očekává se, že oteplování změní distribuci a typ mraků. Při pohledu zdola mraky odrážejí infračervené záření směrem k povrchu a mají tak oteplovací účinek; Při pohledu shora mraky odrážejí sluneční světlo a emitují infračervené záření do vesmíru, což má chladicí účinek. Čistá rovnováha mezi oteplováním nebo ochlazováním závisí na typu a nadmořské výšce oblačnosti. Vysoké mraky mají tendenci zadržovat více tepla, a proto mají pozitivní zpětnou vazbu. Mraky s nízkou nadmořskou výškou obvykle odrážejí více slunečního světla, a proto mají negativní zpětnou vazbu. Tyto charakteristiky byly před příchodem satelitních dat špatně pozorovány a je obtížné je v klimatických modelech reprezentovat.
Simulace z roku 2019 předpovídá, že pokud skleníkové plyny dosáhnou trojnásobku současné úrovně oxidu uhličitého v atmosféře, stratocumulus mraky se mohou náhle rozptýlit, což přispěje ke globálnímu oteplování.
K vypouštění biologického původu mohou být ovlivněny globálním oteplováním, ale výzkum na těchto efektů je stále ještě v plenkách. Některé z těchto plynů, jako je oxid dusný uvolňovaný rašeliníkem nebo rozmrazováním permafrostu , mají přímý vliv na klima. Jiné, jako je dimethylsulfid uvolňovaný z oceánů, mají nepřímé účinky.
Když se led roztaje, zaujme místo pevnina nebo otevřená voda. Povrchová voda a otevřená voda jsou obecně méně reflexní než led, a proto absorbují více slunečního záření. To přispívá k oteplování, které zase způsobuje více tání, a tak se cyklus zesiluje. Během období klimatického ochlazování naopak dodatečná ledová rozloha zvyšuje odrazivost , což snižuje absorpci slunečního záření a zvyšuje chlazení, což způsobuje, že planeta podstoupí větší chladicí cyklus. Tento jev je považován za zvláště rychlou zpětnou vazbu.
Změna albeda je hlavním důvodem, proč IPCC předpovídá nárůst teplot na severním pólu až dvakrát vyšší než ve zbytku světa, v procesu známém jako polární zesílení . V září 2007 činila plocha arktického ledového příkrovu přibližně polovinu průměru minimálních ploch zaznamenaných v letech 1979 až 2000. Rovněž v září 2007 arktický mořský led ustoupil natolik, že Severozápadní průchod se stal přístupným pro moře. navigace poprvé od začátku historického období. Rekordní ztráty z let 2007 a 2008 však mohou být dočasné. Mark Serreze z amerického Národního datového centra pro sníh a led považuje rok 2030 za „rozumný odhad“, kdy by se letní arktická ledová vrstva mohla v létě úplně roztavit. Na jižní polokouli se neočekává, že dojde k polárnímu zesílení globálního oteplování. Oblast antarktického ledového příkrovu dosáhla svého maxima v roce 2008 od zahájení pozorování v roce 1979, ale nárůst ledu na jihu nevyrovnává oblast ztracenou na severu. Globální trend (kombinovaná severní a jižní hemisféra) směřuje jasně k ústupu ledu.
Tání ledu samo o sobě může být předmětem vnitřní zpětné vazby, protože při tání led pokrývající zem způsobuje vzestup eustatické hladiny moře, což vede k potenciální nestabilitě ledových šelfů a zaplavuje pobřežní led, jako jsou jazyky ledovců . Kromě toho může být další zpětnovazební smyčka způsobena zemětřesením v důsledku postlaciálního odrazu , který destabilizuje další ledové přehrady, ledovce a ledové čepice.
Ledové albedo některých subarktických lesů se také mění. Modřín - kteří ztratí své jehly v zimě umožňuje sluneční světlo odráží od sněhu na jaře a na podzim - jsou postupně nahrazovány smrkem (který udržet jejich tmavé jehly po celý rok.
Pokud se atmosféra ohřeje, tlak nasycených par se zvýší a množství vodní páry v atmosféře bude mít tendenci stoupat. Jelikož vodní pára je skleníkový plyn , zvyšuje se obsah vodní páry o to, aby byla atmosféra ještě horkější; toto oteplování způsobí, že atmosféra udrží více vodní páry (pozitivní zpětná vazba) atd., dokud ostatní procesy nezastaví zpětnou vazbu. Výsledkem je mnohem větší skleníkový efekt než ten, který je způsoben pouze CO2. Ačkoli tento proces zpětné vazby způsobuje zvýšení obsahu absolutní vlhkosti ve vzduchu, relativní vlhkost zůstává téměř konstantní nebo dokonce mírně klesá, protože je vzduch teplejší. Tuto zpětnou vazbu zahrnují klimatické modely. Zpětná vazba vodní páry je silně pozitivní, přičemž většina údajů naznačuje velikost 1,5 až 2,0 W / m 2 / K , dostatečnou k téměř dvojnásobnému oteplení, k němuž by došlo bez tohoto účinku. Zpětná vazba vodní páry je považována za rychlejší mechanismus zpětné vazby než ostatní.
Každé těleso, stejně jako černé těleso , vyzařuje tepelné záření ve vesmíru, které se zvyšuje v souladu se zákonem Stefan-Boltzmanna se silou čtyř jeho absolutní teploty . Tento jev umožňuje Zemi při zahřátí emitovat více energie. Dopad této negativní zpětné vazby se promítá do obecných modelů oběhu stanovených IPCC . Tato zpětná vazba se také nazývá „ Planckova zpětná vazba “.
Podle Le Chatelierova principu je chemická rovnováha uhlíkového cyklu na Zemi upravena antropogenními emisemi CO 2. Oceán je hlavním dřezem pro CO 2antropogenní prostřednictvím takzvaného čerpadla rozpustnosti (en) . Dnes to představuje jen asi třetinu současných emisí, ale v dlouhodobém horizontu, během několika staletí, bude asi 75% CO2 emitovaného lidskou činností pohlceno oceány: „Popsat v debatě zveřejňovat životnost CO 2fosilního původu, dobrou aproximací je, že to může trvat 300 let, plus nekonečné trvání 25% “ (z tohoto CO 2). Rychlost, jakou oceány zachytí tento CO 2v budoucnu je nejistá a bude ovlivněna jejich stratifikací pod vlivem oteplování, nebo dokonce změnami v jejich termohalinní cirkulaci .
Skalní zvětráváníZvětrávání hornin pomáhá eliminovat geologický čas, CO 2atmosférický. Se současným globálním oteplováním se rychlost zvětrávání zvyšuje, což naznačuje významný účinek zpětné vazby na klima zahrnující povrch Země.
BiosekvestraceBiosequestration (en) je sekvestrace oxidu uhličitého biologickými procesy k zachycování a ukládání CO 2atmosférický prostřednictvím rovnováhy uhlíkového cyklu . Například tvorba skořápek mořskými organismy dlouhodobě absorbuje CO 2rozpuštěný v oceánech, ale jeho sedimentace ve formě vápencové skály trvá tisíce, dokonce stovky tisíc let; na druhé straně tento rozpuštěný CO 2 okyseluje oceány, což ztěžuje jeho integraci do skořápek ve formě uhličitanových iontů.
Teplota atmosféry klesá s nadmořskou výškou v troposféře . Protože intenzita záření se mění s teplotou, je infračervené záření unikající z relativně chladné horní atmosféry do vesmíru menší než záření emitované spodní atmosférou na zem. Důležitost skleníkového efektu tedy závisí na teplotním gradientu atmosféry s nadmořskou výškou. Teorie i klimatické modely naznačují, že globální oteplování snižuje vertikální teplotní gradient (in) a vytváří negativní zpětnou vazbu, která oslabuje skleník. Měření vertikálního tepelného gradientu jsou velmi citlivá na přesnost pozorování, což ztěžuje registraci modelů založených na pozorováních.
Opačný graf naznačuje, že celkový účinek globálního oteplování na demografii a vývoj člověka by mohl být negativní. Pokud tomu tak je, můžeme si na stupnici století představit novou rovnováhu pozemské biosféry , radikálně odlišnou, pokud se lidská populace vlivem globálního oteplování prudce sníží .
„Je zajímavé, že skutečná zpětná vazba je trvale slabší než hodnota konstantní relativní vlhkosti, což znamená, že malé, ale výrazné snížení relativní vlhkosti ve všech modelech na průměrných mracích zřejmě poskytuje pozitivní zpětnou vazbu ve všech modelech.“
