Štúdia sa zaoberá pravdepodobnosťami spustenia klimatických zlomových bodov (tipping points – TPs) 🥵 pri piatich scenároch spoločného socioekonomického rozvoja (Shared Socioeconomic Pathways – SSPs) a skúma, ako sa tieto pravdepodobnosti menia pri zahrnutí dodatočných emisií uhlíka, ktoré by mohli vzniknúť zo zlomových bodov v rámci uhlíkového cyklu Zeme. Prechod klimatického zlomového bodu na určitej úrovni globálnej priemernej povrchovej teploty (prahová teplota) by postihnutý subsystém Zeme zaviazal k náhlym a z veľkej časti nezvratným zmenám s negatívnymi dopadmi na ľudské blaho.

Termín „zlomový bod“ sa bežne používa na opis kritického prahu vo vynútení systému, pri ktorom malé dodatočné vynútenie vedie k významným a dlhodobým zmenám systému. Komponenty zemského systému, ktoré by mohli vykazovať zlomové správanie, sa nazývajú „zlomové prvky“ (tipping elements – TEs). Vyskytujú sa v biosfére, kryosfére a cirkulácii oceánov alebo atmosféry. Globálna priemerná povrchová teplota (GMST) vzhľadom na predindustriálne úrovne sa používa ako spoločná metrika na opis vynútenia TEs. Rastú obavy z možnej blízkosti klimatických zlomových bodov, pretože odhady prahových teplôt boli revidované na nižšie úrovne, pričom niektoré TEs sú v riziku „spustenia“ (prekročenia ich prahovej teploty) už pri hodnotách GMST len 1 °C.

Štúdia nadväzuje na syntézu literatúry od Armstrong McKay et al. (2022), ktorá identifikuje 16 TEs v zemskom systéme a poskytuje odhady ich prahových teplôt, charakteristických časových mier prechodu a ich vplyvu na globálne otepľovanie (Tabuľka 1 v zdroji). Armstrong McKay et al. (2022) rozlišujú medzi „globálnymi jadrovými“ (global core) a „regionálnymi impaktnými“ (regional impact) TEs. Globálne jadrové TEs sa musia vyskytovať rovnomerne v subkontinentálnom meradle (~1000 km), pričom v intaktnom stave významne prispievajú k celkovému operačnému režimu zemského systému. Regionálne impaktné TEs zahŕňajú malé zlomové body, ktoré môžu byť prekročené takmer synchrónne v subkontinentálnom meradle, a musia buď významne prispievať k ľudskému blahobytu, alebo mať veľkú hodnotu samy o sebe ako jedinečné črty zemského systému.

Je ťažké určiť, aký bezpečný je konkrétny emisný scenár z hľadiska spustenia TEs, pretože je potrebné zohľadniť niekoľko neistôt. Patrí sem neistota v citlivosti klímy na antropogénne emisie, neistoty v prahových teplotách, časových mierach a dopadoch klimatických zlomových bodov, a dokonca aj neistota ich existencie. Dodatočnú neistotu zavádzajú potenciálne interakcie medzi klimatickými zlomovými bodmi, ktoré ich majú tendenciu destabilizovať. Tieto interakcie môžu mať rôznorodý charakter a často zahŕňajú komplexné mechanizmy. Príkladom sú TEs v rámci uhlíkového cyklu Zeme, ktoré majú potenciál uvoľniť veľké množstvá skleníkových plynov a tým zosilniť globálne otepľovanie, čo zase zvyšuje pravdepodobnosť spustenia iných TEs.

Štúdia počíta pravdepodobnosti spustenia pre 16 TEs identifikovaných Armstrong McKay et al. (2022). Zahrnuté sú neistoty v citlivostiach klímy a prahových teplotách pomocou prístupu Monte Carlo. Štúdia tiež kvantifikuje dodatočné otepľovanie, ktoré by mohlo vzniknúť z TEs v rámci uhlíkového cyklu Zeme, a ako to zvyšuje pravdepodobnosti spustenia iných TEs.

TEs s potenciálom významne ovplyvniť uhlíkový cyklus Zeme zahŕňajú náhle rozmŕzanie alebo kolaps permafrostu (abrupt permafrost thaw – PFAT, permafrost collapse – PFTP), odumieranie Amazonského dažďového pralesa (AMAZ), a severnú expanziu a južné odumieranie boreálneho lesa (BORF, TUND). Keďže severná expanzia a južné odumieranie boreálnych lesov sa z hľadiska globálneho otepľovania vyrovnávajú, boli z analýzy vylúčené. Postupné rozmŕzanie permafrostu (gradual permafrost thaw – PFGT) nie je považované za zlomový bod, a preto nebolo zahrnuté. Štúdia sa zameriava na PFAT, PFTP a AMAZ, označované ako „uhlíkové zlomové prvky“ (carbon tipping elements – carbon TEs).

PFAT sa vyskytuje regionálne, ale takmer synchrónne v permafrostovej oblasti v dôsledku termokrasov, ktoré môžu ovplyvniť niekoľko metrov permafrostu v priebehu dní až týždňov. Predpokladá sa, že približne 20 % emisií uhlíka z PFAT sa uvoľní ako metán. PFAT by mal zosilňovať postupné rozmŕzanie. Kolaps permafrostu (PFTP) môže byť spôsobený samoudržiavaním sa degradácie permafrostu v dôsledku tepla uvoľňovaného mikrobiálnou respiráciou pôdneho organického uhlíka, čo vedie k ďalšiemu rozmŕzaniu permafrostu a pozitívnej spätnej väzbe (tzv. „kompostová bomba nestabilita“). Náhle odumieranie Amazónie (AMAZ) sa predpokladá v dôsledku zníženia recyklácie vlhkosti a spätnej väzby požiarov lesov spustenej počiatočnou stratou stromov v dôsledku globálneho otepľovania alebo odlesňovania.

Štúdia používa model s redukovanou zložitosťou FaIR (Finite amplitude Impulse Response), ktorý je spojený s koncepčným modelom uhlíkových zlomových prvkov (CTEM). CTEM dokáže reprezentovať emisie uhlíka z AMAZ, PFAT a PFTP na základe odhadov prahových teplôt, časových mier a dopadov z Armstrong McKay et al. (2022). Každý TE je reprezentovaný stavom kumulatívnych emisií uhlíka, ktoré pridáva k SSP emisiam uhlíka. V modeli CTEM sa predpokladá okamžité spustenie zlomového bodu, akonáhle globálna priemerná povrchová teplota prekročí prahovú teplotu. Emisie uhlíka z uhlíkových TEs sa pridávajú k ročným SSP emisiám, a ich súčet sa používa na výpočet teploty v modeli FaIR, ktorá potom spätne ovplyvňuje CTEM.

Vzhľadom na neistotu týkajúcu sa efektívnych časových mier TEs, štúdia poskytuje tri odhady pravdepodobnosti spustenia:

1. Rovnovážne spustenie (equilibrium triggering): TE sa spustí len vtedy, ak stabilizovaná teplota na konci modelového obdobia (2400-2500) prekročí prahovú teplotu. Toto sa považuje za konzervatívny odhad a dolnú hranicu.
2. Okamžité spustenie (instantaneous triggering): TE sa spustí okamžite, akonáhle teplota prekročí prahovú teplotu. Toto sa považuje za hornú hranicu.
3. Okamžité spustenie + uhlíkové TEs (instantaneous triggering + carbon TEs): Rovnaké ako okamžité spustenie, ale s dodatočným otepľovaním spôsobeným emisiami z uhlíkových TEs.

Výsledky ukazujú, že emisie uhlíka z uhlíkových TEs sa zvyšujú od SSP1-1.9 k SSP5-8.5. Pod SSP1-1.9 a SSP1-2.6 sú nulové emisie z uhlíkových TEs stále možné, zatiaľ čo vysoké emisie sa stávajú oveľa pravdepodobnejšie pod SSP2-4.5 a ešte viac pod SSP3-7.0 a SSP5-8.5. Hoci najvyššie absolútne emisie uhlíka z uhlíkových TEs sa vyskytujú pri scenároch s vysokými emisiami (SSP3-7.0 a SSP5-8.5), zostávajú malé v porovnaní s antropogénnymi emisiami. Pri SSP2-4.5 95. percentil kumulatívnych emisií uhlíka z uhlíkových TEs dosahuje 35 % kumulatívnych antropogénnych emisií v roku 2500, čo je vysoký relatívny príspevok v porovnaní s vyššími scenármi.

Dodatočné otepľovanie spôsobené emisiami z uhlíkových TEs (dT) sa líši medzi scenármi. Pod SSP1-1.9 a SSP1-2.6 sú vysoké teplotné nárasty možné, ale nie bežné. Pod SSP2-4.5 sa vysoké dopady z uhlíkových TEs stávajú bežnejšími. Medián dodatočného otepľovania dosahuje maximum 0.22 °C v roku 2300 pod SSP2-4.5, v porovnaní s 0.08 °C pod SSP1-2.6. Pod scenármi s vysokými emisiami (SSP3-7.0 a SSP5-8.5) sa dodatočné otepľovanie stáva východiskovým stavom. Najvyšší dlhodobý teplotný nárast z uhlíkových TEs sa stáva možným pod SSP2-4.5, kde 95. percentil dosahuje 0.91 °C v roku 2500. Je zaujímavé, že toto maximum nie je pri scenároch s vyššími antropogénnymi emisiami, čo je spôsobené menším dodatočným účinkom GHGs pri vyšších koncentráciách v atmosfére. Najvyšší krátkodobý teplotný nárast (v roku 2100) je však možný pri vysokých emisných scenároch SSP3-7.0 (0.93 °C) a SSP5-8.5 (1.11 °C). Priemerný dodatočný nárast teploty z uhlíkových TEs zostáva malý, pričom medián je vždy najmenej o rád nižší ako medián antropogénneho otepľovania.

Pravdepodobnosť spustenia TEs je najvyššia pod SSP5-8.5, s približne 95 % priemerom pre všetky TEs vo všetkých troch prípadoch odhadu. Pod SSP3-7.0 sú pravdepodobnosti mierne nižšie. Rozdiely medzi tromi odhadmi pravdepodobnosti sú malé pod SSP5-8.5 a SSP3-7.0, pretože teploty sa monotónne zvyšujú a prahové teploty väčšiny TEs sú prekročené aj bez vplyvu uhlíkových TEs.

Pod SSP2-4.5 je pravdepodobnosť spustenia TEs stále vysoká, s pravdepodobnosťou rovnovážneho spustenia 62 % v priemere pre všetky TEs. Táto pravdepodobnosť sa líši medzi jednotlivými TEs. BARI, GRIS, PFAT, REEF a WAIS sú spustené s viac ako 90 % pravdepodobnosťou vo všetkých troch prípadoch. AMOC, PFTP, TUND a AWSI zostávajú pod 50 % a EAIS dokonca pod 10 %. Spomedzi všetkých SSPs, SSP2-4.5 vykazuje najvyšší nárast pravdepodobnosti okamžitého spustenia spôsobený dodatočným otepľovaním z uhlíkových TEs, s nárastom o 3 percentuálne body v priemere pre všetky TEs (Tabuľka 3). Tento nárast zostáva malý v porovnaní so základnou pravdepodobnosťou okamžitého spustenia 64 %. Pod SSP2-4.5, rovnako ako pri vyšších scenároch, zmena predpokladu o efektívnej časovej mierke TEs výrazne nemení odhady pravdepodobnosti spustenia.

Pod SSP1-2.6 a SSP1-1.9 sa teplotný nárast nestáva monotónnym, ale zahŕňa vrchol v 21. storočí, po ktorom teploty klesajú a potom sa stabilizujú. To spôsobuje, že pravdepodobnosť okamžitého spustenia je výrazne vyššia ako pravdepodobnosť rovnovážneho spustenia. Tento rozdiel predstavuje mieru neistoty v pravdepodobnosti spustenia vyplývajúcu z nemožnosti presnejšie obmedziť efektívnu časovú mierku TEs. Pod oboma scenármi (SSP1-1.9 a SSP1-2.6) je táto neistota o rád vyššia ako dodatočná pravdepodobnosť spustenia spôsobená uhlíkovými TEs.

Napriek tejto neistote, prechod zo SSP2-4.5 na SSP1-2.6 významne znižuje pravdepodobnosť spustenia viacerých TEs. Pod SSP1-2.6 žiadny TE neprekračuje 90 % pravdepodobnosť spustenia. PFAT, REEF, GRIS, WAIS a BARI majú všetky tri odhady pravdepodobnosti vyššie ako 50 %. Pod SSP1-1.9, scenárom s najvýraznejším prekročením teploty (overshoot) a najvyššou neistotou z predpokladov o efektívnej časovej mierke, je pravdepodobnosť okamžitého spustenia viac ako dvakrát vyššia ako pravdepodobnosť rovnovážneho spustenia. Napriek tomu je SSP1-1.9 scenárom, ktorý minimalizuje riziko spustenia TEs. Žiadny TE nemá pravdepodobnosť rovnovážneho spustenia nad 50 %, a pre osem TEs pravdepodobnosti zostávajú pod 10 %.

Súčasné politiky, smerujúce k trajektórii porovnateľnej so SSP2-4.5, sú vysoko nebezpečné z hľadiska spustenia klimatických zlomových bodov. Spustenie viacerých TEs je pravdepodobné pod SSP2-4.5, so 64 % pravdepodobnosťou okamžitého spustenia v priemere pre všetkých 16 TEs. Dodatočné otepľovanie z uhlíkových TEs zvyšuje toto číslo o 3 percentuálne body, čo je najvyšší nárast pravdepodobnosti spôsobený uhlíkovými TEs spomedzi všetkých SSPs.

Pravdepodobnosti spustenia klimatických TEs odvodené v tejto štúdii sú vyššie ako odhady z predchádzajúcich štúdií, napríklad od expertnej elicitácie Kriegler et al. (2009). To je vysvetlené nedávnymi dôkazmi o blízkosti klimatických zlomových bodov, vedúcimi k nízkym odhadom príslušných prahových teplôt. Napríklad, pravdepodobnosť spustenia AMOC, GRIS a WAIS je v tejto štúdii pod SSP2-4.5 výrazne vyššia aj pri najkonzervatívnejšom odhade v porovnaní s odhadmi z Kriegler et al. (2009) pre stredne teplý koridor.

Aj keď štúdia zistila nárast pravdepodobností spustenia spôsobený dodatočnými emisiami uhlíka z uhlíkových TEs, tento vplyv nie je dostatočne silný na spustenie kaskád zlomových bodov a zostáva malý v porovnaní so závislosťou pravdepodobností spustenia od scenára. Hlavné fyzické interakcie medzi TEs (okrem emisií uhlíka) nie sú v tejto štúdii zohľadnené.

Štúdia má určité obmedzenia a neistoty. Zistilo sa, že parameterizácia FaIRv2.0.0 nemusí byť dostatočne obmedzená pre veľmi vysoké citlivosti klímy, čo by mohlo mierne nadhodnotiť pravdepodobnosti spustenia. Odhady dopadov z uhlíkových TEs zostávajú špekulatívne kvôli obmedzenej dôvere v existenciu zlomových bodov v rámci uhlíkových TEs. Štúdia vylúčila postupné rozmŕzanie permafrostu (PFGT), ktoré sa nepredpokladá ako zlomový bod, ale ako spätná väzba bez prahu k globálnemu otepľovaniu, hoci sa očakávajú značné dodatočné emisie uhlíka. Časovanie spustenia uhlíkových TEs môže byť vychýlené k skorším časom v dôsledku predpokladu okamžitého spustenia v modeli CTEM.

Na záver, štúdia ukazuje, že dodatočné emisie uhlíka z uhlíkových TEs zvyšujú riziko vysokoteplotných trajektórií, najmä pri SSPs s porovnateľne nízkymi antropogénnymi emisiami. V priemere však dodatočné otepľovanie z uhlíkových TEs zostáva nízke v porovnaní s antropogénnym otepľovaním. Pravdepodobnosť spustenia klimatických TEs je preto predovšetkým určená emisným scenárom a nie tým, či sú spustené uhlíkové TEs. Neistota o efektívnej časovej mierke TEs sťažuje odhad pravdepodobnosti spustenia pre scenáre zahŕňajúce prekročenie teploty (overshoot).

Ak sa má znížiť riziko spustenia TEs, je potrebné rýchle konanie na zníženie emisií skleníkových plynov, pretože klimatické zlomové body sú už blízko a o tom, či budú prekročené, sa rozhodne v nasledujúcich desaťročiach. JaroR