Czy i dlaczego klimat Ziemi się zmienia?

• Klimat naszej planety od milionów lat podlega ciągłej ewolucji.
•  Aktywność słoneczna, cykliczne zmiany orbit naszej planety, grubość pokrywy śnieżno-lodowej, a także stężenie aerozoli i gazów cieplarnianych w atmosferze od zawsze wpływały na średnią roczną temperaturę, czy poziom mórz na Ziemi.
• W ostatnich dwóch stuleciach obserwujemy drastyczne przyspieszenie tempa zmian klimatycznych.
• Podstawowym czynnikiem kształtującym tempo tych zmian okazuje się emisja dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych powstających podczas eksploatacji paliw kopalnych.
  

Zmiany klimatu to temat trudny i kontrowersyjny. Udokumentowane dane jednoznacznie pokazują, że ewolucja klimatu to rzecz zupełnie normalna i zachodząca od milionów lat. W tym czasie Ziemia była świadkiem wielu okresów o zróżnicowanych średnich temperaturach. Podczas epok lodowcowych bywało znacznie zimniej, a w innych okresach znacznie cieplej niż dziś. W ciągu ostatnich dwóch stuleci zmiany klimatu postępują jednak znacznie szybciej niż kiedykolwiek wcześniej. Od początku XX wieku temperatura powierzchni globu podniosła się o około 0,75°C, a do połowy bieżącego stulecia może wzrosnąć o dalsze 1,5-4°C.

Jaka jest tego przyczyna? Zrozumienie wszystkich konsekwencji zachodzących ostatnio przemian wymaga dokładnego zrozumienia przyczyn i skutków zmian klimatu, a także mechanizmów wymuszeń czyli zjawisk fizycznych które wywołują zmiany w atmosferze i odpowiedzi systemu klimatycznego na te wymuszenia. Ten artykuł i wszystkie materiały zamieszczone na stronie Naukaoklimacie.pl służą właśnie przybliżeniu czytelnikom złożonych mechanizmów kształtujących klimat i wpływających na jego obecną zmianę.

Czynniki kształtujące klimat

Do podstawowych czynników wpływających na klimat Ziemi należą: aktywność słoneczna, układ kontynentów, grubość pokrywy śnieżnej i lodowej, aktywność wulkaniczna, stężenie aerozoli w atmosferze oraz emisja gazów cieplarnianych.

Słońce

jest średnich rozmiarów gwiazdą, która dzięki mechanizmom syntezy termojądrowej przemienia powoli wodór w hel. W ciągu około 4,6 mld lat historii temperatura, rozmiary i jasność tej gwiazdy rosły w tempie 10% na każdy miliard lat. Wskutek tego już dziś Słońce świeci o kilkadziesiąt procent mocniej niż w swoich początkach, a za miliard lat będzie świecić tak mocno, że na Ziemi wyparują oceany, co doprowadzi do końca życia na Ziemi. Na szczęście proces ten jest przebiega na przestrzeni dziesiątków milionów lat, więc jego wpływ na obserwowane obecnie zmiany jest niemal niezauważalny. O ilości energii słonecznej otrzymywanej przez naszą planetę i jej poszczególne części decyduje także 11-letni cykl aktywności słonecznej oraz zmiany w ruchu orbitalnym Ziemi i ustawieniu jej osi względem orbity (tzw. cykle Milankovicha).

Układ kontynentów

wpływa na klimat panujący na Ziemi przede wszystkim poprzez zmianę kierunku prądów oceanicznych dystrybuujących energię pomiędzy różnymi szerokościami geograficznymi. Podobnie jak ewolucja Słońca, wędrówka kontynentów to proces bardzo powolny, zauważalny dopiero w skali milionów lat, dlatego wpływ zmian układu kontynentów na klimat jest tak nikły, że niemal niezauważalny: Ziemia u schyłku ery dinozaurów, 65 milionów lat temu, wyglądała bardzo podobnie do dzisiejszej.

Śnieg i lód

mają ogromne znaczenie dla kształtowania średnich temperatur na Ziemi. Pochłaniają one ok. 15% energii dostarczanej przez Słońce, podczas gdy pozbawiony ich ląd czy zbiornik wodny absorbuje nawet 90%, dzięki czemu silnie się nagrzewa. Wzrost temperatury powoduje odsłonięcie ciemnej powierzchni lądu, nagrzewającej się znacznie szybciej niż lód. Im więcej odkrytej ziemi tym szybszy wzrost temperatury i szybsze dalsze topnienie śniegu i lodu. W efekcie topnienie czap polarnych działa wzmacniająco (a więc, jak mawiają naukowcy, staje się dodatnim sprzężeniem zwrotnym) dla zmian temperatury w regionach polarnych.

Uwaga! Zmiana rozmiaru czap polarnych nie jest mechanizmem inicjującym zmiany klimatu. Pierwotne przyczyny leżą gdzie indziej. Topnienie czapy lodowej wzmacnia jedynie ostateczny efekt tych zjawisk przyspieszając zmiany klimatu na kuli ziemskiej.

Wulkany i ich aktywność

wpływają na klimat Ziemi na dwa sposoby. Po pierwsze, każdy wybuch wulkanu wyrzuca do stratosfery tlenki siarki. Te, reagując z tlenem i wodą tworzą kropelki kwasu siarkowego (jeden z rodzajów aerozolu), rozpraszające światło Słońca i odbijające jego część z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Zmniejsza to strumień energii docierającej do powierzchni Ziemi, powodując spadek temperatury w atmosferze. Po drugie, oznacza także wprowadzenie do atmosfery dodatkowej porcji dwutlenku węgla.

Aerozole,

czyli unoszące się w atmosferze cząstki takie jak sadza, czy wspomniane wyżej kropelki kwasu siarkowego, wpływają na klimat w zróżnicowany sposób. Zmiana ich stężenia przyczynia się do zmian zachmurzenia i ograniczenia zdolności chmur do odbijania światła słonecznego oraz produkcji opadów. Pomimo wysokich koncentracji aerozoli w atmosferze tempo ich usuwania (głównie przez opad) jest tak szybkie, że mają jedynie krótkotrwały wpływ na klimat.

Gazy cieplarniane

to sterujący klimatem czynnik na który człowiek ma największy wpływ. W jaki sposób podnoszą one temperaturę Ziemi? Światło Słońca przenika w znacznej mierze przez atmosferę i dociera do powierzchni naszej planety. Część odbija się i ucieka z powrotem w kosmos. Większość jest jednak pochłaniana przez Ziemię. Jej ogrzana dzięki temu powierzchnia sama zaczyna emitować promieniowanie, „świecić”, jednak już nie w świetle widzialnym, lecz w (dalekiej) podczerwieni. Promieniowanie to jest zatrzymywane przez gazy cieplarniane obecne w atmosferze, które choć przepuszczają światło słoneczne, to jednak absorbują podczerwień, powoli podnosząc temperaturę. Ciepła atmosfera sama zaczyna „świecić” w podczerwieni we wszystkich kierunkach. Część tego promieniowania ucieka w kosmos (widzimy je np., w codziennej prognozie pogody, oglądając obrazy satelitarne pokrywy chmur) a część jest pochłaniana przez powierzchnię planety. Jest to „promieniowanie zwrotne” atmosfery. Opisany mechanizm to nic innego jak tzw. efekt cieplarniany, wywoływany przez gazy takie jak dwutlenek węgla (CO₂), metan (CH₄), tlenek azotu (N₂O) i parę wodną.

Zjawisko to występowało na Ziemi na długo przed pojawieniem się człowieka. To właśnie za jego sprawą temperatura na powierzchni Ziemi podniosła się w czasie jej historii o ok. 33°C. Gdyby nie obecność gazów cieplarnianych w ziemskiej atmosferze, temperatura na powierzchni utrzymywałaby się znacznie poniżej punktu zamarzania wody a nasza planeta byłaby pokryta lodem aż po równik.

Dlaczego powinniśmy zwracać uwagę na gazy cieplarniane?

Gazem cieplarnianym, którego stężenie w atmosferze pozostaje najwyższe jest para wodna. Jej cząstki stanowią średnio 0,4% składu atmosfery. Gaz ten ma szczególną właściwość: jego zawartość w powietrzu nie może przekroczyć pewnej granicy, dyktowanej aktualną temperaturą powietrza. Gdy temperatura jest niższa niż tzw. punkt rosy, nadwyżka pary skrapla się i powstają chmury, deszcz lub śnieg. Kiedy z kolei powietrze przy powierzchni Ziemi ma temperaturę wyższą niż punkt rosy, woda paruje z powierzchni oceanów i lądów, a więc zawartość pary w atmosferze rośnie. Kolejnym, drugim pod względem wielkości stężenia w atmosferze gazem cieplarnianym jest dwutlenek węgla – jego zawartość w powietrzu wynosi 0,04%.

Różne właściwości gazów cieplarnianych (m.in. to, jaką część promieniowania podczerwonego absorbują) sprawia, że ich wpływ na podnoszenie się temperatury Ziemi jest różny i nie zależy od stopnia ich stężenia w atmosferze. W przybliżeniu można przyjąć, że za 75% efektu cieplarnianego odpowiada para wodna (wraz z chmurami). Wpływ dwutlenku węgla to 20%, a pozostałych gazów cieplarnianych łącznie to około 5%. Jak zatem widać, wpływ pary wodnej jest słabszy niż wskazywałby na to jej udział w atmosferze (90% cząsteczek gazów cieplarnianych). Pozostaje ona skupiona blisko powierzchni Ziemi, podczas gdy dla całości efektu cieplarnianego ważna jest zawartość gazu we wszystkich warstwach atmosfery.

Ten przeklęty CO₂

Dwutlenek węgla pozostaje gazem, którego emisja jest najsilniej powiązana z aktywnością człowieka. Rocznie, wskutek samego spalania paliw kopalnych produkujemy ok. 35 mld ton CO₂ co odpowiada blisko 10 mld. ton pierwiastka węgla rocznie. Prawie połowa naszych emisji jest pochłaniana przez oceany i lądy. Reszta gromadzi się jednak w atmosferze.

Od końca lat 50-tych XX wieku (od kiedy prowadzony jest systematyczny i bardzo dokładny monitoring zawartość atmosferycznego CO₂) koncentracja tego gazu w atmosferze wzrosła z poziomu 315 ppm (cząstek na milion cząsteczek powietrza) do 398 ppm w 2013 roku (9 maja odnotowano nawet koncentrację 400ppm). Ze wzrostem spalania paliw kopalnych wzrost koncentracji CO₂ w powietrzu przyspiesza: obecnie co roku rośnie o 2 cząsteczki na milion, jeśli tempo wzrostu CO₂ pozostanie niezmienione ok. 2040 roku osiągniemy 450 ppm.

Analiza historycznego poziomu zawartości CO₂ w powietrzu, oparta na metodach naukowych takich jak:

• badanie pęcherzyków powietrza uwięzionego w lodowcach,
• spektroskopia masowa, pozwalająca na przeanalizowanie zmian koncentracji różnych izotopów węgla w atmosferycznym CO₂,
• pomiary poziomu stężenia tlenu w powietrzu,
• analiza poziomu zakwaszenia oceanów,

nie pozostawiają żadnych wątpliwości. Koncentracja dwutlenku węgla w atmosferze utrzymywała się na praktycznie niezmienionym poziomie 280ppm do ok. 1800 roku i zaczęła gwałtownie rosnąć wraz z wybuchem rewolucji przemysłowej.

Cykl węglowy: prawdziwy sekret zmian klimatycznych

Mimo, że ilość dwutlenku węgla produkowanego przez ludzi rośnie znacząco od początku rewolucji przemysłowej, to jednak jego emisje wciąż są znikome w porównaniu z emisjami ze źródeł naturalnych (oceanów, roślin). Ludzie emitują do atmosfery zaledwie 5% tego gazu. Emisja CO₂ ze spalania paliw kopalnych na poziomie 10 mld ton pierwiastka węgla jest o rząd wielkości mniejsza od ilości CO₂ emitowanych do atmosfery przez oceany lub rośliny. 10 mld ton w porównaniu z 90 mld ton z oceanów, 60 mld z gleby i drugim tyle z roślin to niewiele.

Dlaczego zatem warto przejmować się wzrostem poziomu emisji wynikającym z działalności człowieka? Węgiel krąży między wielkimi zbiornikami: biosferą, glebą, skałami, wodami, atmosferą Ziemi i osadami (w tym paliwami kopalnymi). Sumaryczna ilość węgla krążącego w tym cyklu węglowym nie zmienia się przynajmniej w krótkich okresach. Źródła naturalne równoważą się. To nasza emisja stanowi stałą, trudną do zagospodarowania nadwyżkę, gromadzącą się w atmosferze, oceanie i glebie.

Wydobywając paliwa kopalne i spalając je, wpuszczamy błyskawicznie do cyklu węglowego zasoby węgla usuwane z niego przez naturę przez dziesiątki i setki milionów lat. Obserwowany coroczny wzrost koncentracji atmosferycznego dwutlenku węgla o 2 ppm to zwiększanie masy i atmosferycznego węgla o 4,25 mld ton, co przy naszej całościowej emisji na poziomie 10 mld ton (9 mld ze spalania paliw kopalnych oraz około 1 mld ton z wylesiania) oznacza, że w atmosferze pozostaje ich niecała połowa – reszta jest pochłaniana w zbliżonych proporcjach przez oceany i zostaje uwięziona w glebie.

Wiele oznak wskazuje na to, że procesy spowalniające przyrost koncentracji CO₂ w atmosferze działają w coraz mniej efektywny sposób. Oceany zakwaszają się, a poziom równowagi pomiędzy atmosferycznym dwutlenkiem węgla i CO₂ rozpuszczonym w oceanach przesuwa się w kierunku coraz wyższych koncentracji tego gazu. Co więcej, ciepła woda może pomieścić w sobie mniej dwutlenku węgla niż zimna. W miarę wzrostu temperatury oceany będą chciały pozbyć się tego gazu. Roślinność z reguły lepiej rośnie w warunkach większej koncentracji atmosferycznego dwutlenku węgla. Przesuwanie się stref klimatycznych, ograniczenia w dostępie do wody i wylesianie powodują jednak , że roślinność nie będzie w stanie pochłonąć większej ilości dwutlenku węgla. Wzrost temperatury przyspieszy także procesy gnicia i pozbywania się węgla przez gleby i doprowadzi do roztopienia wiecznej zmarzliny oraz uwolnienia uwięzionych w niej materiałów organicznych. Żyjące w bakterie powoli produkowały metan i dwutlenek węgla, przez co w zmrożonej zmarzlinie nagromadziły się olbrzymie ilości tych gazów. Szacuje się, że w samej powierzchniowej (o głębokości do 3 metrów) warstwie wiecznej zmarzliny zgromadzone jest ponad 1600 miliardów ton węgla – czyli dwukrotnie więcej niż ma dziś atmosfera. Wraz ze wzrostem temperatury aktywność bakterii rośnie, a wyzwalana przez nie energia powoduje dalsze wewnętrzne podgrzewanie i przyspiesza rozmarzanie. Roztopienie się wiecznej zmarzliny oznaczać będzie uwolnienie się do atmosfery gazów cieplarnianych odpowiadających 10-100% naszych emisji z paliw kopalnych. W ten sposób jeszcze w tym stuleciu, być może jeszcze za naszego życia lądy zamiast pochłaniać nasze emisje mogą stać się ich źródłem.

Cykl węglowy poradziłby sobie z umiarkowaną ilością dodatkowego węgla, niestety poziom produkcji CO₂ rośnie w zastraszającym tempie.

W scenariuszu spalenia całości paliw kopalnych (5000 miliardów ton) koncentracja dwutlenku węgla wzrośnie do około 2000 ppm, po czym ciągu kilku tysięcy lat spadnie do poziomu 1000 ppm i utrzyma się na tym poziomie. W tym scenariuszu z każdej tony wyemitowanego dziś przez nas dwutlenku węgla po tysiącu lat w atmosferze pozostaje 30-50%. Stopniowo zintensyfikowane w wysokiej temperaturze wietrzenie skał wyciągnie nadmiar dwutlenku węgla, jednak są to procesy trwające setki tysięcy lat. Nie możemy więc liczyć na szybką likwidację spowodowanych przez człowieka szkód.

Prof.Szymon Malinowski, Marcin Popkiewicz