Wokół klimatu

Jacek Baraniak rozmawiał z dr Aleksandrą Kardaś. Na podstawie rozmowy powstał tekst, który w przejrzysty sposób pokazuje podstawowe zagadnienia związane z ochroną klimatu.

Efektem cieplarniany a globalne ocieplenie

Efekt cieplarniany to naturalne zjawisko związane ze specyficznymi własnościami niektórych gazów występujących w ziemskiej atmosferze – wody, dwutlenku węgla czy metanu – tak zwanych „gazów cieplarnianych”. Tak jak tlen i azot, przepuszczają one większość promieniowania słonecznego docierającego do planety i pozwalają mu dotrzeć do powierzchni Ziemi.

Powierzchnia naszej planety zasilana energią ze Słońca stale promieniuje – w tym przypadku jest to promieniowanie podczerwone. Gazy cieplarniane – w odróżnieniu od tlenu i azotu – pochłaniają to promieniowanie, dzięki czemu atmosfera rozgrzewa się, a średnia temperatura powietrza w pobliżu powierzchni Ziemi wynosi kilkanaście, a nie minus kilkanaście stopni Celsjusza.

Gdyby nie gazy cieplarniane, promieniowanie ziemskie bez przeszkód uciekałoby w przestrzeń kosmiczną, niczego po drodze nie nagrzewając. Oczywiście rozgrzana atmosfera również promieniuje i ostatecznie strumień energii uciekającej z Ziemi w kosmos jest prawie taki sam, jak strumień energii, jaką otrzymujemy od Słońca.  „Prawie”, ponieważ obecnie mamy do czynienia z zaburzeniem równowagi: ilość gazów cieplarnianych w atmosferze rośnie i pochłaniają one coraz więcej promieniowania ziemskiego. Skutkuje to wzrostem globalnej średniej temperatury, który określamy mianem globalnego ocieplenia.

Pogoda i klimat

Pogoda to chwilowy stan atmosfery w określonej chwili i nad określonym terenem. Zjawiska pogodowe mogą zmieniać się z dnia na dzień.

Klimat to statystyka. Dla długich – dziesięcio- czy trzydziestoletnich – okresów wyznacza się wartości średnie, wariancję i inne statystyki temperatury, opadów, liczby dni z mrozem rocznie, częstości występowania opadów powyżej 10 mm dziennie itp. Jeśli te statystyki się zmieniają, to mamy do czynienia ze zmianą klimatu, tak jak ma to miejsce obecnie.

Czułość klimatu

Czułość klimatu to jego odpowiedź na wymuszenie, czynnik mogący powodować zmianę klimatu.

Równowagowa czułość klimatu to zmiana średniej temperatury powierzchni Ziemi, jaka nastąpiłaby po podwojeniu koncentracji dwutlenku węgla i dojściu planety do stanu równowagi radiacyjnej, tzn. stanu, w którym ponownie emitowałaby ona tyle samo energii, ile otrzymuje od Słońca (w międzyczasie bilans energetyczny byłby zaburzony, a Ziemia rozgrzewałaby się w wyniku gromadzenia energii).

Bilans radiacyjny Ziemi

Źródłem energii dla zjawisk zachodzących na powierzchni naszej planety jest przede wszystkim Słońce. Strumień energii płynący z wnętrza Ziemi jest dużo mniejszy niż strumień energii słonecznej. Promieniowanie słoneczne docierające do atmosfery jest częściowo rozpraszane przez znajdujące się w niej chmury i cząstki stałe tzw. aerozol atmosferyczny, ale w dużej części dociera ono do powierzchni Ziemi. W zależności od tego, co się na powierzchni znajduje, Ziemia pochłania mniejszą lub większą część promieniowania – przykładowo, ocean pochłania go dużo, a świeży śnieg – mało.

Dzięki stałym dostawom energii ze Słońca, powierzchnia Ziemi ogrzewa się i sama promieniuje, wysyłając w przestrzeń fale podczerwone. Fale te są w dużej części pochłaniane przez znajdujące się w atmosferze gazy cieplarniane, dzięki czemu skutecznie ogrzewa się również powietrze. Gdyby nie ten mechanizm, atmosfera wciąż mogłaby się ogrzewać od powierzchni Ziemi, m.in. dzięki przewodnictwu cieplnemu, byłby to jednak efekt bardzo słaby w porównaniu z efektem cieplarnianym. Rozgrzana atmosfera emituje promieniowanie – podobnie jak w przypadku powierzchni Ziemi, jest to promieniowanie podczerwone, które ostatecznie ucieka w kosmos. W rezultacie bilans promieniowania – różnica między ilością promieniowania otrzymywanego i emitowanego przez planetę – jest niemal zerowy.

Obecnie w związku ze wzrostem koncentracji gazów cieplarnianych bilans ten jest zaburzony: planeta wraz z atmosferą emitują w kosmos mniej energii niż jej otrzymują. W efekcie średnia temperatura w tym układzie rośnie.

Wymuszanie radiacyjne

Wymuszanie radiacyjne to wielkość mówiąca nam, jak zmienia się bilans radiacyjny Ziemi w związku z wystąpieniem wybranego czynnika, np. wzrostu koncentracji dwutlenku węgla albo aerozolu siarczanowego. Wymuszanie dodatnie związane jest ze wzrostem, a ujemne – ze spadkiem średniej temperatury powierzchni Ziemi. Przykładowo, według danych zebranych w ostatnim V raporcie IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), wymuszanie radiacyjne związane z działalnością człowieka wyniosło w 2011 r. ok. 2,3 W/m², a związane ze zmianami aktywności słonecznej ok. 0,05W/m² względem roku 1750.

Sprzężenia zwrotne

Sprzężenia zwrotne w systemie klimatycznym Ziemi to procesy, które zaczynają działać w odpowiedzi na jakieś pojawiające się zaburzenie np. wzrost koncentracji gazów cieplarnianych i związany z nim wzrost temperatury – i powodują nasilenie lub osłabienie zmian. Przykładowo, wzrost temperatury powierzchni Ziemi oznacza zmniejszanie się zasięgu lodu morskiego, co z kolei oznacza wzrost ilości promieniowania słonecznego pochłanianego przez Ziemię (woda pochłania go więcej niż dobrze rozpraszający promieniowanie lód), i w rezultacie jeszcze silniejsze ocieplenie. To przykład sprzężenia zwrotnego dodatniego.

Przykładem sprzężenia ujemnego jest powodowany wzrostem koncentracji CO₂ bujniejszy wzrost roślinności, która pobiera ten gaz z powietrza. Niestety nie jest to jednak recepta na globalne ocieplenie – widać, że roślinności nie przybywa wystarczająco dużo, by zrównoważyć nasze emisje, a dodatkowo nie będzie jej przybywać w nieskończoność, ponieważ oprócz dwutlenku węgla rośliny potrzebują także innych składników odżywczych i sprzyjającego klimatu.

Gazy cieplarniane a aerozole

Gazy cieplarniane to pojedyncze molekuły związków chemicznych, takich jak dwutlenek węgla, metan czy podtlenek azotu. Są wymieszane z powietrzem. Ich charakterystyczną cechą jest to, że pochłaniają promieniowanie ziemskie, dzięki czemu rozgrzewają atmosferę.

Aerozol to zawieszone w powietrzu stałe lub płynne drobiny, np. pyłu, sadzy, soli morskiej czy kwasu siarkowego. Aerozol może oddziaływać z promieniowaniem słonecznym (np. pył będzie je rozpraszać, a sadza pochłaniać), ale też wpływać na własności chmur tak, że one będą rozpraszać mniej lub więcej promieniowania słonecznego. Średnio rzecz biorąc, emisje aerozolu mają chłodzący wpływ na naszą planetę. Wyjątkiem są cząstki takie jak sadza.

Obieg węgla w systemie klimatycznym Ziemi

Obieg węgla ma zasadnicze znaczenie dla klimatu naszej planety. Jego zaburzenia mogą prowadzić do gromadzenia się lub ubywania z atmosfery istotnego gazu cieplarnianego, jakim jest dwutlenek węgla. To z kolei prowadzi do zmian temperatury powierzchni planety i kaskady dalszych zmian, m.in. w koncentracji pary wodnej w atmosferze.

Modele numeryczne a klimat

Modele numeryczne to złożone programy komputerowe, rozwiązujące równania opisujące ruchy powietrza i wody w oceanie, oddziaływanie promieniowania słonecznego i ziemskiego z atmosferą, przemiany fazowe wody i wiele innych. Służą wielu celom. Jednym z nich jest wykonywanie w rzeczywistości wirtualnej doświadczeń, na które nie moglibyśmy pozwolić w prawdziwym świecie. Pozwalają np. odpowiedzieć na pytanie, jak wyglądałby dziś klimat Ziemi, gdyby po rewolucji przemysłowej nie nastąpił silny wzrost koncentracji gazów cieplarnianych albo jak zmieniłby się dzisiejszy klimat w wyniku dużej wojny nuklearnej.

Dzięki nim możemy określić względne znaczenie różnych czynników dla obserwowanego dziś ocieplenia albo przygotować projekcje klimatu na przyszłość.

Globalne ocieplenie a biosfera

Biosfera jest ważnym ogniwem obiegu węgla w przyrodzie. Dzięki fotosyntezie węgiel z atmosfery jest pochłaniany przez rośliny i wbudowywany w ich organizmy, a następnie w organizmy zwierząt. Organizmy morskie tworzące wapienne skorupki pochłaniają węgiel z oceanu, a po śmierci wiążą go w osadach morskich. Z drugiej strony rozkładające się szczątki roślinne są źródłem emisji gazów cieplarnianych.

Wzrost koncentracji CO₂ powoduje na razie rozrost masy roślinnej na świecie, efekt ten nie wystarcza jednak do zrównoważenia naszych emisji. Spodziewamy się też, że dobiegnie końca, w miarę jak dla roślinności zacznie brakować innych składników odżywczych i będzie musiała zmagać się z warunkami klimatycznymi, do których nie jest przystosowana. Wzrost temperatury, prawdopodobieństwo występowania susz i pożarów może doprowadzić do tego, że część ekosystemów stanie się emitentami (a nie pochłaniaczami) dwutlenku węgla.

Punkty krytyczne w systemie klimatycznym Ziemi

W związku ze zmianą klimatu na Ziemi zachodzi wiele zjawisk, które mogą w pewnym momencie przekroczyć punkty krytyczne, czyli takie stadium, po którym nie będzie już możliwości ich odwrócenia, nawet przy całkowitym zatrzymaniu emisji gazów cieplarnianych związanych z działalnością człowieka.

Przykładem jest zanik lodu morskiego w Arktyce: jest on związany z dodatkowym ocieplaniem (zamiana lodu na wodę oznacza, że powierzchnia Ziemi pochłania więcej promieniowania słonecznego). Gdy lodu zniknie za dużo, to sam ten efekt przyniesie ocieplenie na tyle duże, by ostatecznie zniknął cały.

Inny przykład to topnienie Antarktydy Zachodniej: lodu z głębi lądu spłynęło tu już na tyle dużo, a podmywająca lodowce szelfowe woda oceaniczna wgryzła się już pod nimi na tyle głęboko, że nawet zatrzymanie ocieplenia nie zatrzyma procesu rozpadu lądolodu.

Przekraczanie kolejnych punktów krytycznych, takich jak np. rozpad Grenlandii i Antarktydy Wschodniej, wymieranie lasów deszczowych lub tajgi – będzie oznaczało dla nas coraz większe komplikacje z dostosowywaniem się do zmiany klimatu i niemożność jej cofnięcia.

Granica 2 stopni Celsjusza

2 stopnie to nie jest żaden magiczny próg. Każdy wzrost średniej temperatury oznacza poważne zmiany w środowisku (np. poziomu morza, zasięgu wieloletniej zmarzliny czy lodu morskiego), i wymaga przystosowania się do nowych warunków. Im większe ocieplenie, tym poważniejsze skutki. Już 1,5 stopnia ocieplenia spowoduje zalanie nisko położonych wysp oraz zauważalny spadek plonów na świecie. Przypuszcza się, że większość punktów krytycznych systemu klimatycznego leży powyżej tych temperatur, więc ich nieprzekroczenie dawałoby nadzieję na odwrócenie części zmian.

Pomiary temperatury i koncentracji CO₂

Obecnie dysponujemy przyrządami skonstruowanymi specjalnie do pomiarów parametrów atmosfery, oceanu – termometrami, deszczomierzami, radiometrami itd. Prowadzimy z ich użyciem regularne pomiary. Jeśli chcemy dowiedzieć się czegoś o klimacie z czasów przed wynalezieniem nowoczesnych instrumentów, musimy polegać na tym, co zarejestrowała dla nas natura. Przykładowo, wydobywszy z dużych głębokości lód powstały na Antarktydzie setki tysięcy lat temu, możemy zbadać skład tworzącej go wody, ale też uwięzionego w nim powietrza i na tej podstawie określić w przybliżeniu dawną temperaturę powierzchni Ziemi oraz skład atmosfery.

Dr Aleksandra Kardaś

Dr Aleksandra Kardaś – fizyczka atmosfery i redaktorka serwisu Naukaoklimacie.pl. Jest entuzjastką komunikacji elektronicznej i chętnie wykorzystuje Internet do popularyzacji wiedzy o meteorologii i klimacie oraz do aktywnego zwalczania mitów na ich temat.