náhled|upright=1.2|Úplný klimatický systém složený z pěti podsystémů Klimatický systém je vysoce složitý systém sestávající z pěti hlavních složek: atmosféry, hydrosféry, kryosféry, povrchu země a biosféry, a vzájemných vztahů mezi nimi. Poslední čtyři podsystémy představují aktivní povrch. Sluneční energie, která se dostává do interakce mezi atmosférou a aktivním povrchem, je hnacím motorem meteorologických a klimatických změn.
Existence klimatického systému Země se může datovat od vzniku atmosféry, tedy zhruba na dobu před 4,5 miliardami let. Následně vznikaly další složky systému, které spolu výrazně interagují a vzájemně se ovlivňují. Každá z těchto složek představuje složitý termodynamický systém, ve kterém probíhá velké množství fyzikálních a chemických procesů. Mezi jednotlivými složkami klimatického systému probíhá neustále výměna hmoty i energie. Klimatický systém je tedy velmi složitý nelineární systém.
Typickou vlastností klimatického systému tedy je, že se neustále proměňuje a vyvíjí a je zároveň natolik složitý, že současná věda nemůže zcela přesně popisovat a předpovídat jeho další vývoj.
Blízké pojmy
Počasí Počasí je definováno jako okamžitý stav atmosféry nad daným místem. Mění se z hodiny na hodinu, ze dne na den, sezónu od sezóny, rok od roku. Z pohledu několika desítek let však vytváří režim, který je pro dané území charakteristický.
Klima Klima, neboli podnebí, je v užším smyslu obvykle definováno jako průměrné počasí nebo přesněji jako statistický popis v pojmech střední hodnoty a proměnlivosti relevantních veličin přes časové období v rozmezí od měsíců po tisíce nebo milióny let. Klasické období pro průměrování těchto veličin je 30 let podle definice Světové meteorologické organizace (WMO). Relevantní veličiny jsou nejčastěji povrchové proměnné jako teplota, srážky nebo vítr.
Klima v širším smyslu je stav klimatického systému v rozlohách od několika metrů až po celou Zemi, braný v daném okamžiku nebo jako statistika za období až desítek let či staletí. Cílem studia klimatu je také porozumět změnám v biosféře, hydrosféře a kryosféře a na povrchu pevnin, jež spolu s ovzduším tvoří klimatický systém. Proto patří do klimatických veličin také takové věci, jako je tempo nebo úhrn výparu z určitého území, které spolu s úhrnem srážek a úhrnem odtoku mění poměry v krajině.
Procesy klimatického systému Procesy v systému jsou vzájemně propojeny složitými vazbami. náhled|Schéma koloběhu vody
Globální cykly Příkladem provázanosti jednotlivých složek jsou globální cykly. Jde např. o hydrologický či uhlíkový cyklus. Příkladem interakcí mezi složkou atmosféry a oceánem je jev El Niño.
V rámci vývoje systému existuje velké množství cyklů, tedy pravidelného střídání. Délky cyklů jsou velmi rozmanité. Složením cyklů do sebe však získáme nepřehledný vývoj, který je vytvořen tolika pravidelnými cykly různé délky, až je ve výsledku nepravidelný.
Zpětné vazby lang=cs|náhled|Schéma koloběhu uhlíku|odkaz=Special:FilePath/Carbon_cycle-cute_diagram.svglang=cs Důležitou roli v proměnných procesech hrají zpětné vazby. Znamená to, že změna v jedné části klimatického systému, způsobená určitým impulzem, vyvolá změnu v jiné části systému, a ta zpětně působí na tu první část. V případě, že je reakce zesílena, mluvíme o pozitivní zpětné vazbě. V opačném případě, kdy je reakce na daný impulz zpětnou vazbou zeslabena, jedná se o negativní zpětnou vazbu. Příklad pozitivní zpětné vazby v klimatologii: Úbytek zemské plochy pokryté sněhem a ledem. Ten znamená větší absorpci slunečního záření půdou, vodou, zastavěnými plochami (snížení albeda) a tím způsobí další tání oblastí sněhu a ledu. Příklad negativní zpětné vazby v klimatologii: Zalednění oceánu. Pokud dojde k oteplení, část ledu roztaje. Tím dojde k naředění slané oceánské vody a tato méně slaná voda pak zamrzá i při menším mrazu, takže se ledová pokrývka zase může snadněji obnovit. Systém je protkán nepopsatelným množstvím, jak negativních, tak pozitivních zpětných vazeb. Pozitivní vazby se podílejí na proměnách klimatu, negativní ho stabilizují.
Faktory působící na klimatický systém Hlavním faktorem, který určuje klima na Zemi, je radiační a bilanční energie. Změny jednotlivých energetických toků jsou impulsem, který může způsobit změnu klimatu. Tyto impulsy mohou být způsobeny přirozenými nebo antropogenními faktory.
Přirozené V časových měřítkách tisíců až milionů let byly změny klimatu působeny hlavně geografickými a astronomickými vlivy, jejichž působení bylo umocněno nebo zeslabeno prostřednictvím zpětných vazeb. Mezi tyto vnější vlivy řadíme změny parametrů zemské orbity, změny rozložení kontinentů na Zemi a změny sluneční činnosti. Dalším přirozeným faktorem, ovlivňujícím podnebí v kratším časovém měřítku, je vulkanická činnost.
Antropogenní Antropogenními faktory rozumíme vliv lidské činnosti na různé části klimatického systému. Jedná se o emise skleníkových plynů, aerosolů a dalších znečišťujících příměsí do atmosféry (ať už z průmyslové výroby, těžby surovin nebo zemědělství), změny vlastností povrchu (odlesňování, výstavba apod.), zásahy do hydrologického režimu (stavba přehrad, změny vodních toků, zavlažovací systémy) apod.
Výčet faktorů Následující klimatvorné faktory nejsou však co do síly vlivu a aktuálnosti působení na změnu, na stejné úrovni. Některé jsou zároveň i samy o sobě důsledkem jiných probíhajících změn. U některých existuje obousměrná interakce, kdy faktor sice ovlivňuje klima, ale sám je také klimatem ovlivňován. V takto složitém systému máme značný problém kvantifikovat podíl jednotlivých faktorů na klimatických změnách jak v minulosti, tak i současnosti. Současné vědecké poznatky se nám pokouší dát aspoň základní představu o jejich významnosti.
Ovšem i za předpokladu, že všechny faktory určující klima budou konstantní, tak se klima může měnit. Mluvíme o kolísání (variabilitě) podnebí. Nejedná se o jeho změnu, ale o kolísání kolem určité průměrné hodnoty s různě velkou amplitudou i periodou, a s různě velkým prostorovým rozsahem. Tato proměnlivost je důsledkem výše zmíněné nelineární povahy klimatického systému.
Následující výčet faktorů je detekován jako ten, který působí na klimatický systém a ovlivňuje ho, spolu se současným vědeckým odhadem jeho míry vlivu na současnou klimatickou změnu:
Pohyb Sluneční soustavy Galaxií Tento faktor působí ve velmi dlouhodobém horizontu – stovek milionů let a na současnou klimatickou změnu nemá pravděpodobně žádný vliv.
Změny oběžné dráhy Země kolem Slunce Přestože se výstřednost dráhy Země kolem Slunce, změna sklonu zemské osy a její stáčení proměňují pomalu (změny v řádů desetitisíců let), díky nastartování zpětných vazeb dokáží změnit klima na Zemi velice skokově. Tento faktor ale nemá pravděpodobně žádný vliv na současnou změnu klimatu. Soudí se ale o nich, že právě ony vyvolávaly doby ledové v posledních 2 milionech let.
Změna zářivé energie Slunce Slunce, coby hvězda během času mění svou velikost i teplotu. Jedná se o změny v horizontu stovek milionů let. I zde není pravděpodobně žádný vliv na současnou změnu klimatu. náhled|Sluneční skvrny
Aktivita Slunce Povrch Slunce vykazuje cyklickou aktivitu, která se viditelně projevuje výskytem takzvaných slunečních skvrn. V době, kdy je na slunečním povrchu více skvrn, má Slunce vyšší energetický výkon a také zesiluje sluneční vítr (proud částic směřujících od Slunce). Množství skvrn se cyklicky mění a tato změna zřejmě působí na pozemské klima už v řádu desítek let. Vliv na současnou klimatickou změnu je tak zřejmě významný, i když nikoliv klíčový.
Vývoj kontinentů a horstev na Zemi Poloha kontinentů na planetě ovlivňuje globální proudění mořské vody a vzduchu. Pokud rozložení kontinentů umožňuje proudění vody ve vyšších zeměpisných šířkách a navíc se na pólech nachází kontinent, nahrává to chladnějšímu klimatu. Pokud poloha kontinentů umožňuje proudění kolem rovníku a kolem pólů není pevnina, vede to k teplejšímu klimatu. Vliv na současnou klimatickou změnu je zcela jistě žádný, neboť časový horizont takovýchto změn je příliš velký.
Sopečná činnost Země Vulkanismus má na klima vliv sekundárním působením, konkrétně přes složení atmosféry, na které působí. Sopečný materiál obsahuje jak pevné částice (aerosoly), které klima ochlazují (ale jen v řádu měsíců až několika málo let), tak skleníkové plyny, které klima oteplují v řádu desítek let. Nejnovější poznatky ukazují, že vulkanismus je také ovlivňován změnami klimatu – je vyšší při teplejším klimatu, neboť to urychluje erozi a způsobuje nadlehčování zemské kůry, což vede k intenzivnějšímu vulkanismu. To pak zpětně může vyvolat další oteplení, jedná se o příklad pozitivní zpětné vazby.
Vliv na současnou klimatickou změnu je pravděpodobně nevýznamný. Aktivita sopek nebyla v posledních desítkách let zvýšená, takže by neměla žádné oteplení vyvolat.
Cirkulace vody v oceánech Pohyby vody v oceánech ovlivňují regionální klima (např. známý Golfský proud), ale zároveň jsou důsledkem jiného klimatického působení. Nepředpokládá se však, že by samy mořské proudy byly příčinou globálních změn klimatu, ale změny v proudění mohou představovat významnou zpětnou vazbu. Určitou výjimku představuje cyklická anomálie v mořském proudění zvaná El Niño, která má (cyklicky) výrazný vliv na globální klima a jejíž příčina dosud není dostatečně dobře vysvětlena. Navíc pohyb proudů je ovlivněn i rotací Země kolem své osy. Předpokládá se spíše nevýznamný vliv na současnou klimatickou změnu.
Albedo zemského povrchu Podle jednoduchého fyzikálního zákona platí, že čím tmavší těleso, tím více pohlcuje záření Slunce a tím více se zahřívá. Projevuje se to zejména díky změně rozložení ledu a sněhu na Zemi. Ledovce coby bílé plochy odrážejí světlo, tmavší oceány a zemský povrch ho pohlcují. Tento faktor je opět spíše důsledkem, než příčinou změn a je jednou ze zpětných vazeb. Na albedu se projevuje i změna v krajinném pokryvu, což ovlivňuje i člověk přeměnou krajiny. Nezdá se však, že by přímá lidská činnost měnila albedo zásadně.
Vliv na současnou klimatickou změnu: přeměna krajiny vlivem člověka velmi nepatrně zvýšila albedo Země, což zřejmě nahrává mírnému snižování teploty. Tento aspekt je však přehlušen jinými a důležitějšími faktory. Do budoucna by mohl akcelerovat klimatickou změnu v důsledku tání ledovců a mořského ledu.
Složení atmosféry Země Soudobé poznatky označují právě tento faktor za nejdůležitější při změnách v současném klimatu. Jde o to, že některé látky nacházející se v atmosféře vykazují schopnost pohlcovat dlouhovlnné záření Země a tím se oteplovat. Takovým sloučeninám říkáme skleníkové plyny. Jiné látky, aerosoly, zase přispívají k tvorbě oblačnosti, která sluneční svit odráží a tím planetu ochlazuje. Jejich množství v atmosféře pak ovlivňuje globální teplotu. Vliv na současnou klimatickou změnu je tedy pravděpodobně klíčový.
Přímý vliv člověka Tímto se rozumí činnost lidí, která uvolňuje do atmosféry teplo, např. vytápění budov. Jedná se zejména o městské tepelné ostrovy, které oteplují lokální klima a mohou v celkovém součtu ovlivnit i klima globální. Vliv na současnou klimatickou změnu: zatím spíše minimální, městské tepelné ostrovy nemají globální dopady.
Zároveň však jiné lidské působení může mít značný vliv na jiné faktory – viz antropogenní faktory a jejich vliv na složení atmosféry Země.
Klimatické modely Základní rysy chování pozemského klimatického systému lze popsat pomocí fyzikálně-chemických modelů řešených metodami numerické matematiky. V dnešní době nejrozšířenější typ klimatických modelů jsou tzv. globální klimatické modely (GCM), tedy modely všeobecné cirkulace atmosféry spojené s modelem oceánu, kryosféry, popř. i modelem biosféry či chemickým modelem. Báze modelu je tvořena dynamickým jádrem, reprezentujícím základní fyzikální popis dynamiky a termodynamiky atmosféry. Řada dalších dějů, které nelze v daném rozlišení explicitně popsat, je zachycena pomocí fyzikálních parametrizací.