Topenie ľadovcov

Pojem globálne otepľovanie označuje dlhodobé otepľovanie klimatického systému Zeme, ktoré sa pozoruje od predindustriálneho obdobia (od rokov 1850 až 1900) v dôsledku ľudskej činnosti, predovšetkým spaľovania fosílnych palív, ktoré zvyšuje množstvo skleníkových plynov v zemskej atmosfére, ktoré zachytávajú teplo. Tento pojem sa často používa zameniteľne s pojmom zmena klímy. Hlavnou príčinou sú emisie skleníkových plynov, predovšetkým oxidu uhličitého (CO2) a metánu. Väčšina týchto emisií pochádza zo spaľovania fosílnych palív na výrobu energie. Ďalšími zdrojmi sú poľnohospodárstvo, výroba ocele, výroba cementu a úbytok lesov. Globálna hladina morí sa zvyšuje v dôsledku topenia ľadovcov, topenia ľadového príkrovu Grónska a Antarktídy a teplotnej expanzie otepľujúcej sa vody v oceánoch. Medzi rokmi 1993–2020 sa vzostup v čase zvyšoval a predstavoval v priemere 3,3±0,3 mm ročne. V priebehu 21. storočia by podľa odhadov IPCC mohla hladina morí pri scenári s veľmi vysokými emisiami stúpnuť o 61–110 cm. Zvýšené oteplenie oceánov hrozí odtrhnutím splazov antarktických ľadovcov, čo predstavuje riziko ďalšieho rozsiahleho topenia ľadovcov a možnosť až dvojmetrového vzostupu hladiny morí do roku 2100 pri vysokých emisiách. Klimatické zmeny viedli k desaťročnému zmenšovaniu a stenčovaniu arktického morského ľadu. Zatiaľ čo pri oteplení o 1,5 °C sa očakáva, že roky bez ľadu budú vzácne, pri oteplení o 2 °C sa budú vyskytovať raz za tri až desať rokov.

Definícia problému

Problém globálneho otepľovania je možné riešiť pomocou mnohých metrík pre zmierňovanie jeho následkov. Medzi najvýznamnejšie príčiny zmien teploty v kontexte globálneho otepľovania patria skleníkové plyny, slnečná a sopečná činnosť a zmeny na obežnej dráhe Zeme. Ako je pojednávané v úvode tohto reportu, do roku 2100 môže byť predpokladaná zvyšujúca sa hladina oceánov až do dvoch metrov v dôsledku vysokých emisií. Ide teda o problém, ktorý sa simulácia popisovaná v tomto reporte snaží riešiť. S potrebnými vstupnými dátami a informáciami je možné simulovať priebeh topenia ľadovcov v polárnej oblasti Arktídy. Ide o simuláciu topenia ľadovcov bez tundrového podkladu alebo zmrznutej pôdy. Autor teda simuluje ľadovce a kryhy Severného ľadového oceánu pokrytého stále sa roztápajúcimi morskými kryhami. Roztápanie týchto nepevninských ľadovcov má okrem zvyšujúcej sa hladiny svetových oceánov aj stratu/úbytok prirodzeného prostredia pre arktické endemitné druhy, ako je ľadový medveď a tučniaky. Okrem tohto zmena množstva vody v oceánoch spôsobí zmeny v intenzite, teplote a smere prúdenia morských prúdov. Autor simuluje postupné topenie ľadovcov a krýh o stanovených šírkach a hĺbkach, za pôsobenia stanoveného množstva jednotiek koncentrácie skleníkového plynu a zisťuje, ako dlho trvá postupné topenie všetkého ľadu. Výsledkom je priemerná teplota ľadov, množstvo a čas topenia. Na základe výsledkov je možné predvídať a predikovať budúci vývoj morských ľadovcov a pristúpiť tak k adekvátnym opatreniam pre mitigáciu tohto javu. Simulácia je použiteľná pre výskumníkov, Medzivládny panel pre zmenu klímy a tvorbu politických metrík vo vzťahu k riešeniu klimatickej krízy.

Metóda

Pre modelovanie simulácie bolo využité prostredie NetLogo, kde je možné skúmať a reprezentovať závislosti medzi agentmi, veličinami a adekvátne ich interpretovať.

Model

Agenti a premenné

Ľady

Ľady sú v tomto modeli agenty, reprezentované ako polárna čiapka (polar cap), ktoré pomaly v dôsledku pôsobenia okolných vplyvov v klimatických podmienkach menia svoje skupenstvo z pevného (ľad) na kvapalné (voda). Samotné ľady nadobúdajú stanovenú výšku a šírku, ktoré je možné regulovať a tým ovplyvňovať štádium pokročilosti globálneho otepľovania. U týchto agentov je sledované:

• Odkryté strany:

Ľady môžu mať podľa svojej polohy, veľkosti a orientácie odkryté svoje strany/hrany. Na základe odkrytosti strán sa odvíja ďalší postup, pôsobenie a teplota ľadu.

• Teplota:

Každý ľad ako agent má svoju vlastnú celkovú teplotu.

• Okolie:

U každého agenta je sledované jeho okolie. Na základe odkrytých/zakrytých strán je stanovené množstvo a poloha okolitých agentov a ich následné interakcie.

Uvažované premenné

Funkcie agentov a vlastnosti sú definované následovnými procedúrami:

• Orientácia:

Ak je agent v kvapalnom skupenstve a nachádza sa vedľa agenta v skupenstve pevnom (ľad), tak sa zmení jeho skupenstvo na pevné (zmrzne voda) ak nie, tak agent pláve/zostane bez špecifickej orientácie.

• Ochladzovanie/otepľovanie:

Nastaví teplotu agenta na teplotu všetkých susedných agentov, so zohľadnením podielu vplyvu koncentrácie skleníkového plynu na teplotu okolia a tým vplýva na odhalené strany ľadových agentov a výšku krýh.

• Zmena skupenstva:

Procedúra pre priradenie farby agentom, tvorba indexu v rozsahu 1 až 8 pre všetky farby úrovne agentov v procese topenia. Biela až všetky úrovne modrej predstavujú pevné skupenstvo, s rozdielnymi teplotami ľadu v závislosti na farbe. Čím svetlejšia modrá, tým chladnejšie (viď index hist.). Farba cyan následne predstavuje kvapalné skupensvo vo vlastnom teplotnom rozsahu.

• Počet roztopených agentov

Prostredie

Základné nastavenie

Pre základné nastavenie sú použité tieto parametre:

• Koncentrácia skleníkových plynov:

Uvažujeme priemernú globálnu atmosférickú koncentráciu skleníkového plynu oxidu uhličitého sledovanú zo satelitov, v jednotkách parts per 10 million v období od 2003 do 2022. Informácia prevzatá z datasetu poskytnutého climate.copernicus.eu. Predvolene je úroveň koncentrácie zvolená na súčasný priemer medzi mesiacmi jún-december pre arktické oblasti (408ppm = 40ppm*10^-1).

• Počiatočná teplota ľadu, rozmery:

V závislosti na geografii a úrovni pokročilosti globálneho otepľovania je regulovaná teplota ľadovcov a ľadových krýh (Ice Sheets) v Arktických oblastiach, a to podľa štúdie skúmajúcej štrukturálne vlastnosti ľadovcov. Táto štúdia rovnako kategorizuje ľadovce a ľadové kryhy na základe hĺbky a šírky, čo je možné rovnako regulovať v modeli. Podľa rovnakej štúdie je ponorené ľadové jadro teplotne na rozmedzí -15 až -20 stupňov celzia, a preto uvažujme teplotu -20 stupňov celzia a rozmer ľadov s výškou 35m a šírkou 91m, čím podľa spomínanej štúdie spadajú do strednej veľkosti.

• Teplota topenia:

Pohybujeme sa v rozmedzí fyzikálnych zákonov, a preto bola teplota topenia ľadu ponechaná na hodnote vedeckého konsenzu, a teda 0 stupňoch celzia.

• Tvar a výsledky:

Pre resemblenciu polárnej čiapky vyobrazuje model kruh, no je možné toto upraviť spínačom, ako aj výsledky v histograme.

Výsledky

Použitím spomínaných počiatočných parametrov dostávame jednoznačné výsledky, nad ktorými bude v nasledujúcej časti vedená diskusia.

Premenné

Vývoj priemernej teploty ľadovcov počas priebehu simulácie

Funkcia vývoja priemernej teploty ľadovcov so zvolenými parametrami má približne logaritmický postup, kedy sa od počiatočnej teploty ľadovcov v dôsledku topenia táto priemerná teplota postupne zvyšuje. Najrýchlejšie sa teplota zvyšuje v prvých 100 mesiacoch (uvažovaná jednotka času na základe hodnôt spomínanej štúdie pojednávajúcej o vývoji hladiny mora v priebehu času ). S uvažovanými parametrami dôjde k roztopeniu ľadovca v Arktickej oblasti za dobu 1191 mesiacov.

Počet roztopených krýh

Pri stanovených rozmeroch ľadovcov je počet uvažovaných krých 5060. Počet roztopených krýh nám zobrazuje vývoj postupu topenia krýh v čase. Okrem počiatku simulácie môžeme hovoriť o lineárnom raste roztopených krýh v priebehu spomínaných 1191 mesiacov do úplného roztopenia všetkých ľadov.

Počet ľadov v závislosti na ich teplote počas topenia

Histogram vyobrazuje farby stĺpcov korešpondujúce s farbami agentov a indexom teplôt v samotnom modeli a ich četnosť v priebehu simulácie. V dôsledku topenia sa mení dominantný stĺpec s rozmedzím teplôt -17 až -20 stupňov a klesá jeho trend v prospech teplejších ľadovcov, až sa trend vodných (roztopených) agentov zvyšuje s teplotným rozmedzím od 0 stupňov. Do 0 stupňov sa jednalo o skupenstvo pevné, od 0 o kvapalinu.

Záver

V simulácii autor splnil svoj cieľ, ktorým bolo vytvoriť model podložený reálnymi dátami pre simuláciu priebehu roztápania ľadovej čiapky v dôsledku globálneho otepľovania. Pre zachovanie čo najvyššej vernosti realite, autor v modeli uvažuje detaily ako orientáciu ľadovcov a ich styk s ďalšími ľadovcami so zohľadnením ich teplôt a teplotnej výmeny. So stúpajúcou teplotou ľadovcov dochádza ich postupnému topeniu a zmene skupenstva na kvapalné. Autor dokonca uvažuje v modeli aj počty odkrytých strán ľadovcov, na ktoré majú susedné ľady vplyv. Autor simuluje (ak zvažujeme predvolené hodnoty parametrov) v rozmedzí roku 2023 až roku 2123, kedy očakáva z výsledku simulácie úplné roztopenie ľadovca v Arktických oblastiach. Táto skutočnosť by mala devastačné následky, a preto autor simulácie odporúča zvážiť výsledky modelu v kontexte green politík a zaviesť adekvátne metriky pre mitigáciu rizík. Počas tvorby simulácie sa autor stretol s prekážkami vo forme nedostupnosti potrebných dát a komplexnosti predstavovanej simulácie. V budúcnosti autor odporúča na model nadviazať modelom pre pevninské ľadovce na Južnom póle, prípadne rozšíriť súčasný model o ďalšie premenné a parametre. Práca v plnej miere splnila svoj cieľ a náležitosti kurzu na daný typ projektu.

Kód

Media:Semv5.nlogo