Mraky jsou bezesporu jedním z největších paradoxů klimatologie. Dokážou planetu současně ochlazovat i oteplovat a právě jejich chování představuje jednu z největších nejistot při předpovídání budoucího klimatu.

Vědci dnes při výzkumu klimatu využívají družice, letadla i superpočítače, přesto otázka, jak se oblačnost změní v oteplujícím se světě, zůstává otevřená..

Mraky mají v klimatickém systému Země zdánlivě protichůdnou úlohu. Ve dne fungují jako obří zrcadla, která odrážejí část dopadajícího slunečního záření zpět do vesmíru a brání přehřívání planety. Zároveň ale v noci pohlcují a znovu vyzařují infračervené záření unikající ze zemského povrchu, čímž působí podobně jako přikrývka a udržují teplo v atmosféře. Výsledný efekt závisí především na tom, o jaký typ oblačnosti jde.

Nejúčinnějšími ochlazovači jsou nízké, husté oblaky, jakými jsou například rozsáhlé vrstvy stratokumulů nad oceány. Jejich jasný povrch odráží velké množství sluneční energie, zatímco jejich relativně nízká výška znamená, že zachytí jen menší část tepelného záření vycházejícího ze Země.

Opačně se chovají vysoké cirry tvořené ledovými krystalky. Jsou tenké a propouštějí většinu slunečního světla, ale protože se nacházejí vysoko v chladných vrstvách atmosféry, velmi účinně brání úniku tepla do kosmického prostoru. Jejich celkový vliv je proto oteplující.

Nejsložitější jsou bouřkové oblaky typu kumulonimbus. Jejich mohutná základna dokáže výrazně zastínit zemský povrch a snížit množství dopadajícího slunečního záření, zatímco jejich vrcholky sahající až do výšky kolem 15 kilometrů současně účinně zachycují tepelné záření.

To, který z těchto efektů převládne, závisí na jejich velikosti, stáří i okolních podmínkách. Právě tato rozmanitost je jedním z hlavních důvodů, proč jsou mraky pro klimatology tak obtížným objektem výzkumu.

Nestačí totiž vědět, kolik oblačnosti na obloze je. Stejně důležité je znát její výšku, tloušťku, obsah vody nebo ledu i zeměpisnou polohu. „Právě to, jak budou na oteplování reagovat mraky, představuje největší nejistotu při předpovídání budoucího oteplení Země,“ konstatuje klimatolog Mark Zelinka z Lawrence Livermore National Laboratory.

S tím souhlasí i jeho kolega a ředitel Institutu Maxe Plancka pro meteorologii Bjorn Stevens: „Mraky představují největší zdroj nejistoty v předpovědích budoucího klimatu. Pokud chceme naše modely výrazně zpřesnit, musíme nejprve lépe porozumět právě jim.“.

Velkou pozornost vědců vzbuzují zejména rozsáhlá pole nízkých stratokumulů nad subtropickými oceány u západních pobřeží Ameriky nebo Afriky. Ty totiž patří mezi nejúčinnější přirozené slunečníky planety a pokud by se jejich plocha vlivem oteplování byť jen o několik procent zmenšila, tmavá hladina oceánu by pohlcovala více sluneční energie a oteplování by se dále urychlilo.

Podobně důležitý je i postupný posun oblačných pásů směrem k pólům, který už některé studie spojují s měnící se cirkulací atmosféry. Přesun oblačnosti do jiných zeměpisných šířek mění nejen množství odraženého slunečního záření, ale také rozložení srážek a teplot po celé planetě.

Nejde tedy pouze o otázku, zda bude více či méně mraků, ale především o to, kde se budou tvořit. Právě proto patří oblačnost mezi největší zdroje nejistoty klimatických modelů. „Mraky mohou klimatickou změnu zesilovat i tlumit,“ upozorňuje klimatolog Richard Allan z University v Readingu.

Předpovědět vývoj klimatu na desítky let dopředu neznamená jen spočítat, kolik oxidu uhličitého bude v atmosféře. Stejně důležité je správně popsat vznik, vývoj i zánik oblaků, přičemž právě tady narážejí i nejvýkonnější superpočítače na své limity.

Mraky totiž vznikají v měřítku metrů až stovek metrů a o jejich podobě rozhodují jemné detaily jako drobné turbulence, stoupající proudy vzduchu, kondenzace vodní páry na mikroskopických aerosolových částicích nebo vznik ledových krystalků.

Naproti tomu globální klimatické modely rozdělují planetu na výpočetní buňky o velikosti několika desítek až přibližně sta kilometrů. V jediné takové buňce se přitom mohou současně nacházet jasná obloha, kupovitá oblačnost i bouřkové jádro.

Detaily proto nelze vypočítat přímo a vědci musí využívat takzvané parametrizace, což jsou matematické vztahy, které popisují průměrné chování oblaků uvnitř každé buňky modelu.

Přesnost těchto modelů se neustále zlepšuje díky obrovskému množství měření. Data poskytují meteorologické družice NASA, ESA i dalších kosmických agentur, které sledují výšku oblačnosti, její optickou tloušťku nebo množství vody a ledu.

Doplňují je pozemní radary, lidary a také speciálně vybavená výzkumná letadla, která prolétají přímo oblaky a měří jejich složení, velikost kapek i proudění vzduchu.

S rostoucím výkonem superpočítačů navíc vznikají klimatické modely s mnohem jemnějším rozlišením, které dokážou simulovat některé typy oblačnosti podstatně věrněji než dříve. Do hry vstupuje také umělá inteligence, která pomáhá analyzovat obrovské objemy naměřených dat a hledat vztahy, jež klasické modely obtížně zachycují.

Na zpřesnění role oblačnosti dnes vzniká celá řada nových projektů. Evropská družice EarthCARE, vypuštěná v roce 2024, kombinuje radar a lidar a poprvé současně měří výšku mraků, jejich vnitřní strukturu, obsah vody i aerosolové částice, na nichž oblaky vznikají.

Data z ní doplňují americké satelity programu A-Train a měření z pozemních observatoří, která umožňují ověřovat klimatické modely v dosud nedosažitelné přesnosti. Významnou roli budou hrát i připravované globální simulace s rozlišením několika kilometrů, které dokážou část oblačných procesů počítat přímo, místo aby je nahrazovaly zjednodušenými rovnicemi.

Přesto zásadní otázka zůstává otevřená: budou se s oteplující se Zemí rozšiřovat nízké mraky, které planetu ochlazují, nebo naopak přibude vysoké oblačnosti zadržující teplo? Právě odpověď na tuto otázku rozhodne o tom, jak silně bude klima reagovat na rostoucí koncentrace skleníkových plynů a jak rychle se budou měnit teploty i počasí v průběhu tohoto století.