5. Globālā sasilšana un tās sekas

Klimata sistēmas mainību un procesus var pētīt un prognozēt, izmantojot klimata modelēšanu. Modelis ir procesu, sistēmu vai darbības aprakstīšana vai attēlošana ar matemātisku vienādojumu palīdzību. Izziņas metodi, kur pētāmo objektu aizstāj ar modeli, lieto gadījumos, kad objekti tiešai izpētei grūti pieejami.

Klimata modelēšana pamatojas uz klimatu ietekmējošo elementu sakarību un kādā konkrētā laika periodā novērotu to vērtību kopumu, kuru tālākās pārmaiņas (modelēšanu) veic ar ļoti jaudīgiem datoriem, lai iegūtu ieskatu šīs sistēmas izmaiņās, kādas tās varētu būt nākotnē un ir notikušas pagātnē.

Ideālam klimata modelim jāatbilst šādām prasībām:

1) pilnīga izpratne par visu klimata veidošanā iesaistīto faktoru savstarpējo mijiedarbību niansēm, šo sakarību matemātisks formulējums, kas ietvertu
atmosfēras cirkulāciju,

• Zemes reljefu,
• okeānu cirkulāciju,
• Saules enerģijas pieplūduma īpatnības,
• ģeoloģiska rakstura ietekmes (vulkāni, augsnes atbrīvotās siltumnīcefekta gāzes),
• ārējo kosmisko apstākļu ietekmes (magnētiskās vētras, meteorīti u.tml.);
• antropogēnās ietekmes,
• atmosfēras – biosfēras mijiedarbības raksturu;

2) precīzi dati par šīm vērtībām konkrētos laika periodos visā pētāmajā teritorijā;
3) skaitļošanas jaudas, kuras ļauj matemātiski apstrādāt izmantojamo informāciju (klimata modelēšana ir viena no vadošajām superdatoru izmantošanas jomām pasaulē). Datiem ir nepieciešama arī augsta izšķirtspēja, lai spētu iekļaut visas izmaiņas modelēšanai dažādos telpiskos mērogos.

Kaut arī klimata sistēma ir ļoti sarežģīta un ir gūti neapšaubāmi sasniegumi klimata un tā mainības modelēšanā, klimata pētniecība joprojām ir aktīvas izpētes stadijā. Klimata modelēšanā tiek izmantoti vairāki modeļu veidi, kas tiek savstarpēji savienoti. Parasti ar laikapstākļu vai klimata modeļiem tiek saprasti vispārējās atmosfēras cirkulācijas modeļi (angļu val. GCM – General Circulation Models) jeb globālie klimata modeļi. Vienkāršie vispārējās cirkulācijas modeļi sastāv no pamata vienādojumiem, kas apraksta enerģijas plūsmas sistēmā un enerģijas izkliedēšanas mehānisma algoritmu. Ar šiem modeļiem var modelēt vietēja mēroga procesus atmosfērā. Atmosfēriskie vispārējās cirkulācijas modeļi parasti aptver atmosfēras un Zemes virsmas mijiedarbības procesu raksturu. Okeāna modeļi apraksta atmosfēras un jūru un okeānu virsmas mijiedarbību, enerģijas apmaiņu, iztvaikošanas un kondensācijas procesus, kā arī mijiedarbību, ņemot vērā ledus segas ietekmi uz gaisa masu plūsmām. Kompleksie jeb saistītie modeļi ietver iepriekšējos elementus un vēl citus faktorus.

Klimata modelēšanā jāsastopas ar daudzām un dažādām problēmām. Dabā ir pārāk daudz faktoru, kas savstarpēji ir cieši saistīti un ko grūti objektīvi atspoguļot modelī. Tāpat ir vērojamas problēmas ar cilvēka darbības ietekmes neprognozējamo faktoru, kas saistāms ar ekonomiskās izaugsmes ātrumu un attīstību (piemēram, kādu attīstības scenāriju izvēlēties modelējot).

5.6.att. Novērotās vidējās Zemes temperatūras novirzes no normas (1901.–1951. gads) un modelējot noteiktais temperatūras mainības raksturs, ņemot vērā: a) dabiskās un antropogēnās ietekmes; b) tikai dabiskās ietekmes.

Ar atļauju no IPCC 2015.

Laika prognozēm izmanto īstermiņa modeļus, kurus papildina ar jaunākajiem novērojumiem no satelītiem un meteoroloģiskajām stacijām, lai iegūtu pēc iespējas precīzāku iespējamo laika prognozi. Dažādām saimniecības nozarēm ir nepieciešamas ļoti precīzas laikapstākļu prognozes, un šie modeļi ir ļoti noderīgi. Dažādu klimata sistēmas komponentu modeļi tiek savstarpēji sasaistīti, kas nodrošina kompleksās sistēmas iespējami precīzāku aprakstu. Izstrādājot modeļus, vispirms tiek pārbaudīts, cik precīzi izmantotais matemātiskais aparāts ļauj aprakstīt situāciju, par kuru ir pieejami dati meteoroloģisko novērojumu periodā vai arī pagātnē. Nākotnes klimata izmaiņu modelēšana dod ieskatu iespējamās klimata izmaiņās atbilstoši noteiktām izmaiņām modeļa modeļa darbībai izmantojamos datos, ņemot vērā faktorus, kuri var izraisīt klimata mainību. Būtiska vieta klimata mainības modelēšanā ir antropogēno faktoru novērtēšanai un dabisko klimata mainību ietekmējošo faktoru analīzei. Kaut arī pašlaik izmantotie modeļi, neapšaubāmi, neaptver visus klimata mainību ietekmējošos procesus, tomēr tie ļauj pietiekami precīzi aprakstīt izmaiņas, kuras notiek pašlaik, un novērtēt antropogēno ietekmju nozīmi kā būtisku klimata mainības cēloni.

Kā redzams, klimata mainības modeļi ļauj novērtēt vulkānu izvirdumu ietekmes uz klimatu, un tie pierāda, ka  klimata mainību nav iespējams izskaidrot tikai ar dabiskiem faktoriem un antropogēnās ietekmes uzskatāmas par galveno klimata mainību ietekmējošo faktoru kopš 20. gadsimta sākuma.

5.7. att. Zemes vidējās temperatūras paaugstināšanās raksturs atkarībā no siltumnīcefekta gāzu izmešu pieauguma un sabiedrības attīstības scenārijiem.

Ar atļauju no IPCC 2015.

Atkarībā no siltumnīcefekta gāzu emisijas apjoma un cita veida antropogēnās slodzes izmaiņām 21. gadsimtā var ievērojami mainīties temperatūras paaugstināšanās raksturs (sk. 5.7. att.). Līdz ar to klimata izpētē būtiska ir izpratne par to, kā var attīstīties pasaules valstis un sabiedrība kopumā. Apvienoto Nāciju Organizācijas Starpvaldību klimata pārmaiņu komisijas eksperti izšķir vairākus iespējamos sabiedrības attīstības un klimata mainības scenārijus:

1. A1 scenārijs. Saglabājoties 2000. gada SEG koncentrācijai un nepalielinoties iedzīvotāju skaitam un ekonomiskajai izaugsmei, temperatūras izmaiņu raksturu noteiks klimata sistēmas inerce. Kaut arī temperatūras paaugstināšanās šādā gadījumā ir vismazākā, protams, šāds attīstības raksturs nevar apmierināt lielāko daļu Zemes iedzīvotāju.

2. B1 scenārijs (ilgtspējīgas attīstības scenārijs) paredz to, ka pasaules iedzīvotāju skaits pieaugs līdz 21. gadsimta vidum, bet pēc tam sāksies tā samazināšanās. Ekonomiskā izaugsme notiek, pieaugot pakalpojumu apjomam un attīstoties informācijas tehnoloģijām. Samazinoties materiālietilpīgām tehnoloģijām, kā arī izstrādājot un ieviešot tīrās un resursus saudzējošās tehnoloģijas, tiek nodrošināta valstu un sabiedrību attīstība, kas sekmē nevienlīdzības samazināšanos un globālus risinājumus vides aizsardzības, ekonomiskās izaugsmes un sociālās labklājības jomās.

3. A2 scenārijs („rīcība kā līdz šim”) apraksta visai neviendabīgu pasauli, kurā galvenā tēma ir paļaušanās uz pašu spēkiem un resursiem. Pasaules iedzīvotāju skaits turpina pieaugt, līdz ar to nosakot aizvien lielāku resursu un enerģijas patēriņu. Ekonomiskā attīstība un tehnoloģiskais progress pamatā notiek atsevišķos reģionos.

4. A1B scenārijs apraksta nākotnes pasauli, kuru raksturo, no vienas puses, strauja ekonomiskā izaugsme un iedzīvotāju skaita pieaugums, bet, no otras puses, tehnoloģiskais progress (īpaši enerģijas ieguves jomās), kas gadsimta otrajā pusē ļauj samazināt materiālu un resursu patēriņa pieaugumu. Sabiedrības attīstību raksturo nevienlīdzības samazināšanās starp reģioniem un dažādu kultūru mijiedarbība.

5.8. att. Prognozētā Zemes vidējās temperatūras paaugstināšanās laika posmiem no 2020. līdz 2029. gadam un no 2090. līdz 2099. gadam attiecībā pret temperatūru laika posmā no 1980. līdz 1999. gadam atkarībā no iespējamiem sabiedrības attīstības un klimata mainības scenārijiem: B1; A1B; A2.

Ar atļauju no IPCC 2015.

5.9. att. Prognozētā nokrišņu daudzuma mainība laika posmiem no 2020. līdz 2029. gadam un no 2090. līdz 2099. gadam (attiecīgi decembris, janvāris, februāris un jūnijs, jūlijs, augusts) attiecībā pret nokrišņu daudzumu laika posmā no 1980. līdz 1999. gadam (iespējamais sabiedrības attīstības un klimata mainības scenārijs A1B).

Ar atļauju no IPCC 2013.

Nākotnes klimata izmaiņu scenāriji paredz, ka globālā vidējā temperatūra paaugstināsies par 1,4–5,8 ºC un paredzamais sasilšanas temps būs daudz straujāks, nekā tas bija novērots 20. gadsimtā un pēdējo 10 000 gadu laikā. Atkarībā no prognozētā siltumnīcefekta gāzu koncentrācijas pieauguma scenārijā ievērojami atšķiras ne tikai Zemes vidējās temperatūras paaugstināšanās prognozes, bet arī temperatūras paaugstināšanās sadalījums uz Zemes laika posmā līdz 21. gadsimta beigām (sk. 5.10. att.). Saistībā ar siltumnīcefekta gāzu emisiju apjomu Zemes temperatūra var ievērojami paaugstināties, turklāt temperatūras celšanās ir izteikti nevienmērīga un maksimāli var paaugstināties Arktikā un ekvatoriālajos apgabalos.

Globālā sasilšana neizbēgami ietekmēs nokrišņu daudzumu, un klimata mainības modeļi paredz, ka 21. gadsimta laikā pieaugs globālā vidējā ūdens tvaiku koncentrācija atmosfērā un nokrišņu daudzums. Turklāt ir paredzama lielāka nokrišņu daudzuma mainība no gada uz gadu reģionos ar pieaugošu prognozēto nokrišņu daudzumu.

5.10. att. Prognozētās nokrišņu intensitātes un sausuma riska izmaiņas laika posmam līdz 2100. gadam attiecībā pret stāvokli laika posmā no 1980. līdz 1999. gadam (iespējamais sabiedrības attīstības un klimata mainības scenārijs A1B).

Ar atļauju no IPCC 2013.

Izmaiņas musonu klimatā saistītas ar pasiltināšanos un pieaugošu nokrišņu mainību vasaras musonu laikā Āzijā. Āfrikā, kā arī Vidusjūras reģionā paredzama nokrišņu daudzuma samazināšanās. Šie modelētie rezultāti sakrīt ar jau 20. gadsimtā novērotajām nokrišņu daudzuma mainības tendencēm, kas apliecina izstrādāto klimata mainības modeļu spēju prognozēt klimatu nākotnē.

Kopējā nokrišņu daudzuma mainība ir saistīta gan ar nokrišņu intensitātes pieaugumu, gan arī ar sausuma periodu risku (sk. 5.10. att.). Šajā gadījumā ietekmes ir izteikti reģionālas, bet visvairāk ietekmētajos reģionos izmaiņas var būt ļoti nozīmīgas. Piemēram, nokrišņu daudzuma pieaugums polārajos reģionos var ietekmēt ledāju stabilitāti un līdz ar to arī okeānu ūdeņu straumju raksturu, bet Vidusjūras reģionā un Āfrikas dienvidu daļā nokrišņu daudzuma samazināšanās var veicināt pārtuksnešošanās procesus. 

5.11. att. Prognozētās jūras līmeņa izmaiņas: novirze no vidējā jūras līmeņa 1980.–1999. gadā (iespējamais sabiedrības attīstības un klimata mainības scenārijs A1B).

Ar atļauju no IPCC 2013.

Klimata mainības modeļi paredz, ka iespējama jūru un okeānu līmeņu celšanās no 0,09 līdz 0,88 m laika posmā līdz 2100. gadam (sk. 5.11. att.). Globālā vidējā jūru un okeānu ūdeņu virsmas temperatūra paaugstināsies un jūras līmeņa celšanās no okeāna siltuma ekspansijas turpināsies pat simtiem gadu pēc siltumnīcefekta gāzu stabilizēšanās perioda (pat ja saglabāsies tagadējais gāzu koncentrācijas līmenis). Taču pašreizējie modeļi neparedz pilnīgu termohalīnās cirkulācijas izbeigšanos līdz 2100. gadam, kas varētu izraisīt straujas klimata izmaiņas.

Izvērtējot klimata mainības prognozēšanas iespējas, jāpiebilst, ka klimata sistēma uzskatāma par nelineāru (nelielas ietekmes var radīt būtiskas sekas). Līdz ar to, tāpat kā laikapstākļu prognozēšana, arī klimata mainības modelēšana nenodrošina 100% precīzus rezultātus, tādēļ jāizmanto jēdzieni „varbūtīgs”, „iespējams” un „ļoti iespējams”. To, ka klimata mainība var būt strauja, pierāda sugu bojāeja, kas vēsturiski ir notikusi vairākas reizes, kā arī straujas klimata izmaiņas pēdējā ledus laikmeta laikā. Straujas klimata izmaiņas var saistīties, piemēram, ar okeānu cirkulācijas rakstura izmaiņām, putekļu un aerosolu nokļūšanu atmosfērā vulkānu darbības vai kodolkara gadījumā. Lai apzinātu un izprastu šādas ietekmes, nepieciešams turpināt pētīt klimata mainības raksturu un pilnveidot modelēšanas metodes.