Chmury, klimat i przyśpieszony wzrost temperatur

Chmury należą do najczęściej podziwianych zjawisk meteorologicznych, a meteorolog wielu z nas kojarzy się z kimś, kto jak Olgierd z "Czterech pancernych" potrafi na podstawie obserwacji chmur przewidywać deszcz. Dlatego wydaje się, że co jak co, ale chmury NA PEWNO są już dobrze poznane przez naukę. Zwłaszcza, że ich badanie nie jest tak niebezpieczne jak badanie huraganów. Wystarczy jednak zajrzeć do jakiegokolwiek tekstu o modelowaniu klimatu by dowiedzieć się, że chmury pozostają jednym z najważniejszych źródeł niepewności w związanych z klimatem obliczeniach. Wynika to z faktu, że występują one nie tylko w rozmaitych kształtach i rozmiarach, ale także na różnych wysokościach w atmosferze. Ich budulcem zawsze jest woda, ale występuje ona w różnych postaciach: mniejszych lub większych kropli lub cząstek lodowych gęściej lub rzadziej rozłożonych w przestrzeni.

Niskie chmury warstwowo-kłębiaste

Rysunek 1: Niskie chmury warstwowo-kłębiaste pokrywają znaczną część nieba nad światowym oceanem i odgrywają dużą rolę w klimacie Ziemi. Zdjęcie: Milotus, Dreamstime.com.

Chmury niskie, składające się z licznych, stosunkowo gęsto rozmieszczonych kropli wody, w ciągu dnia silnie odbijają promieniowanie słoneczne. Mimo tego, że nocą przyczyniają się do efektu cieplarnianego (para wodna to silny gaz cieplarniany), to sumarycznie rzecz biorąc, ich obecność schładza powierzchnię Ziemi. Z kolei chmury wysokie, zbudowane z mocno rozproszonych kryształków lodu, słabiej odbijają padające światło słoneczne. Jednocześnie skutecznie blokują ucieczkę promieniowania podczerwonego w kosmos, dzięki czemu ich obecność na ogół ogrzewa powierzchnię Ziemi.

Rola chmur w klimacie

Rysunek 2: Rola chmur w klimacie (w uproszczeniu):

- chmury wysokie (lewa część rysunku) przepuszczają większość padającego na nie promieniowania słonecznego (żółte strzałki), ale zatrzymują wypromieniowywane przez Ziemię promieniowanie podczerwone (czerwone strzałki), powodując wzrost średnich temperatur, 

- chmury niskie (prawa część rysunku) silnie rozpraszają promieniowanie słoneczne, powodując spadek średnich temperatur powierzchni Ziemi. Zdjęcia chmur dzięki uprzejmości NASA.

Jak udało się określić w ostatnich latach dzięki pomiarom satelitarnym, wypadkowy wpływ chmur na klimat jest chłodzący. Ale jak będzie się on zmieniał wraz z postępującym ociepleniem? Czy chmury będą chłodzić Ziemię coraz bardziej czy coraz słabiej? Wpływ zachmurzenia na temperatury na Ziemi zależeć będzie nie tylko od ilości chmur, ale także od ich rodzaju.

Właśnie tym problemem zajęli się w swojej pracy naukowcy z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii pod przewodnictwem profesora Stevena Sherwooda. Badacze skoncentrowali się na związku pomiędzy powstawaniem chmur a procesami mieszania się powietrza z różnych warstw atmosfery (rysunek 3). Gdy woda paruje z powierzchni Ziemi, jej dalszy los zależy od prądów powietrznych, które wynoszą ją nawet na wysokość kilkunastu kilometrów. To tak zwana „głęboka konwekcja”, dzięki której powstają rozbudowane w pionie chmury, generujące intensywne opady. W rezultacie większość wody powraca na powierzchnię Ziemi i do przylegającej do niej tak zwanej „warstwy granicznej atmosfery”.

Rysunek 3: Wykształcenie się głębokiej (8-16 km, zależnie od szerokości geograficznej) konwekcji oznacza, że para wodna zabierana z warstwy granicznej atmosfery (poniżej ok. 2 km) i zużywana do tworzenia chmury powraca na powierzchnię Ziemi w postaci opadów. Mieszanie może zapobiegać powstawaniu rozbudowanych w pionie chmur a w rezultacie – opadów. W efekcie w „wysuszonej” warstwie granicznej chmur ubywa a przybywa chmur na piętrach średnich i wysokich (2-8 km).

Pionowe prądy powietrzne nie zawsze są jednak tak silne – często już na wysokości kilku kilometrów zanikają, a niesione przez nie powietrze rozpływa się i miesza z otoczeniem. Nawet jeśli powstają wtedy chmury, nie dają one dużych, sięgających ziemi opadów. Także brzegi opisywanych wyżej chmur pionowych mieszają się z otoczeniem. W wyniku tych procesów para wodna z warstwy granicznej jest przenoszona wyżej, a warstwa graniczna „wysycha”. W efekcie na małych wysokościach – poniżej 2 km – brakuje materiału do tworzenia chmur. Ubywa więc tych chmur, których obecność chłodziłaby Ziemię. Przybywa natomiast chmur średnich i wysokich, które sprzyjają gromadzeniu się energii w naszym systemie klimatycznym.

Jak pokazali w swoim artykule Sherwood i jego koledzy (Sherwood i in. 2014, wersja pełna), te modele klimatu, które lepiej odwzorowują obserwowane w naturze procesy płytkiego mieszania, charakteryzują się jednocześnie wyższą czułością klimatu. Wyższa czułość klimatu oznacza większy wzrost temperatury powierzchni Ziemi w odpowiedzi na podwojenie zawartości dwutlenku węgla w atmosferze.

Autorzy V raportu IPCC, kierując się wynikami szeregu cytowanych w tym dokumencie badań, podali, że czułość klimatu Ziemi zawiera się w przedziale 1,5 – 4,5°C. Sherwood i in. wykazali jednak, iż w miarę ocieplania się klimatu mieszanie powietrza będzie na tyle skutecznie zmieniać rozkład chmur na poszczególnych piętrach atmosfery i potęgować ocieplenie, że dolne wartości z tego zakresu są mało prawdopodobne. Czułość klimatu wynosi według nich powyżej 3°C.

Czy to znaczy, że jak głosiły liczne nagłówki „do roku 2100 średnia temperatura wzrośnie o 4°C”? Niekoniecznie. Takiego rezultatu można się spodziewać w przypadku, w którym ludzkość realizować będzie tak zwany scenariusz „bez zmian” („business as usual”) i emitować do atmosfery coraz więcej dwutlenku węgla oraz nie nastąpią żadne nieprzewidziane wydarzenia takie jak uderzenie w Ziemię asteroidy czy wybuchu superwulkanu (który, choć tylko na kilka lat, obniżyć temperatury na Ziemi). Tymczasem optymiści mogą mieć nadzieję, że ludzkość zacznie jednak swoje emisje zmniejszać.

Aleksandra Kardaś na podstawie Sherwood i in, 2014, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon P. Malinowski.

Opublikowano: 2014-01-14 23:36
Tagi

chmury modele numeryczne czułość klimatu

Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.