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 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 pôdobenia 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:

1. 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.

1. Teplota

Každý ľad ako agent má svoju vlastnú celkovú teplotu.

1. 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:

1. 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.

1. Ochladzovanie/otepľovanie

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

1. 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 tmavšie modrá, tým chladnejšie (viď index hist.). Farba cyan následne predstavuje kvapalné skupensvo vo vlastnom teplotnom rozsahu.

1. Počet roztopených agentov

Prostredie

• Základné nastavenie

Pre základné nastavenie sú použité tieto parametre:

1. 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).

1. Počiatočná teplota ľadu, rozmery

V závislosti na geografii a úrovne pokročilosti globálneho otepľovania je regulovaná teplota ľadovcov a ľadových krýh (Ice Sheets) v Arktických oblastiach, 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.

1. Teplota topenia

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

1. 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 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 prienehu času ). S uvažoavanými parametrami dôjde k roztopeniu všetkých ľadov v Arktickej oblasti za dobu 1191 mesiacov.

• Maximální hladina kyslíku

Maximální hladina kyslíku je podle literatury 10 %.

• Sinice a živiny

Sinice mají podle literatury nastavené, že ze živin získávájí 0-20 % energie a z fotosyntézy zbylých 80-100 % .

• Anaerobní organismy a živiny

Anaerobní organismy mají podle literatury nastavené, že ze živin získávájí 80-100 % energie.

• Tolerance kyslíku

Kyslík začne být pro anaerobní organismy toxický když dosáhne 1 % v atmosféře.

Scénář velké kyslíkové katastrofy

Při tomto scénáři musí mít sinice větší míru reprodukce než ostatní organismy.

Na grafu je vidět jak stoupá počet sinic a při dosažení hranice tolerance na kyslík začne počet anaerobních organismů rapidně klesat. Poté se sinice dále rozmnožují až nastane doba ledová, kdy také začnou rapidně vymírat, což je také vidět v grafu.

Přežití anaerobních organismů

Při tomto scénáři musí mít anaerobní organismy větší míru reprodukce než sinice a vysokou toleranci na kyslík.

V grafu jsou vidět 4 vrcholy v reprodukci anaerobních organismů

1. První zaznamenává rychlý nárůst anaerobních organismů a poté prudký pokles nastavený programem
2. Druhý zaznamenává další nárust, který je pozastaven nárustem kyslíku v atmosféře. Ten způsobí dobu ledovou, která způsobí pokles sinic. Vzhledem k rychlé reprodukci anaerobních organismů se v jejich počtu vytvoří ustálená úroveň.
3. Poté co skončí doba ledová se mohou anaerobní organismy zase rapidně rozmnožovat, což má za následek 3. i 4. vrchol grafu.

Přežití anaerobních organismů následovaná Velkou kyslíkovou katastrofou

Pokud jsou míry reprodukce podobné, je možné, že se nejdřív populace anaerobních organismů dostane na hranici maximálního počtu a rychle klesne. Potom už sinice produkují dostatečné množství kyslíku, které je pro anaerobní organismy toxické.

Smyčka velké kyslíkové katastrofy

Pokud se sinice rozmnožují velmi rychlým tempem, tak se nekonečně opakují GOE s dobami ledovými.

Závěr

V tomto projektu jsem vytvořil multiagentní simulaci pomocí programu NetLogo ke studiu dopadu vývoje kyslíku u sinic prostřednictvím fotosyntézy, který vedl k významným změnám v zemské atmosféře a masovému vymírání. Cílem simulace bylo prozkoumat dynamiku mezi anaerobními organismy a sinicemi produkujícími kyslík a simulovat možné prostředí během Velké kyslíkové katastrofy.

Do simulace jsem začlenil různé parametry a globální proměnné pro řízení simulace, včetně maximální velikosti populací anaerobních organismů, hladiny kyslíku, tolerance kyslíku, rychlosti produkce kyslíku a dynamiky živin. Tyto parametry nám umožnily manipulovat a pozorovat různé scénáře a jejich dopad na ekosystém.

V průběhu simulace se organismy pohybovaly, konzumovali živiny, rozmnožovaly se a čelily smrti v závislosti na úrovni energie, dostupnosti živin a toleranci kyslíku. Zavedli jsme kyslíkový práh, abychom určili, kdy se začne projevovat pravděpodobnost smrti anaerobních organismů v důsledku vysoké hladiny kyslíku.

Navíc jsem vytvořil možnost vykreslit do grafu hladinu kyslíku v čase a počet organismů a živin, což umožňuje vizuální sledování její dynamiky během simulace.

Simulace umožnila nahlédnout do důsledků vývoje kyslíku u sinic, například do možného vymírání anaerobních organismů, když hladina kyslíku překročí určité prahové hodnoty. Úpravou parametrů jsme mohli sledovat, jak změny v dostupnosti živin, velikosti populace a toleranci kyslíku ovlivňují výsledky.

Celkově tento projekt poukazuje na možnosti agentového modelování a simulace pro pochopení složitých ekologických procesů a historických událostí. Simulace slouží jako užitečný nástroj pro studium dynamiky vývoje kyslíku a jeho vlivu na rané ekosystémy Země a usnadňuje další zkoumání a experimentování s různými scénáři a nastavením parametrů.

Budoucí vylepšení simulace by mohla zahrnovat začlenění dalších ekologických faktorů, jako jsou změny prostředí, vytvoření více agentů a parametrů prostředí, aby se vytvořil komplexnější model dynamiky ekosystému během přechodu na okysličenou atmosféru.

Kód

Media:cyannoo.nlogo