Historia naukowa fizyki klimatu, część 2: Czuły klimat i niestała stała

W pierwszej części naszego cyklu pisaliśmy o narodzinach dwóch zasadniczych hipotez fizyki klimatu – o zasadniczej roli energii słonecznej i efektu cieplarnianego dla równowagi energetycznej planety – na początku XIX wieku. Teraz prześledzimy ich losy aż do początków wieku XX.

W roku 1903, w którym Maria i Piotr Curie oraz Henri Becquerel uzyskali nagrodę Nobla z fizyki za odkrycie promieniotwórczości, szwedzki uczony, Svante Arrhenius (1859 – 1927), został jej laureatem w dziedzinie chemii, za elektrolityczną teorię dysocjacji. Nazywany jest często „ojcem chemii fizycznej”, jako ze większość jego badań dotyczyła pogranicza fizyki i chemii. Zainspirowany pracami Fouriera i Tyndalla, znając wyniki pomiarów Langleya, postanowił obliczyć, czy przyczyną znanych już geologom epok lodowcowych, mógł być spadek zawartości CO₂ w atmosferze. W swojej pracy z 1896 roku ^[1] przeprowadził bardzo precyzyjne (jak na swoje czasy) obliczenia zmian temperatury powierzchni Ziemi wskutek zmian zawartości CO₂ w powietrzu. Uwzględnił w nich nie tylko efekt cieplarniany związany z dwutlenkiem węgla, ale i sprzężenia związane zawartością pary wodnej w powietrzu i albedo obszarów biegunowych (czyli ilość promieniowania odbijanego przez powierzchnię Ziemi). Dzięki temu pokazał, że efekty zmian klimatu najsilniejsze będą w obszarach polarnych a najsłabsze na równiku. W wyniku obliczeń stwierdził, że przy spadku ówczesnej zawartości CO₂ w atmosferze o czynnik 2 (z ok. 300ppm do 150ppm) temperatura w Europie powinna spaść o 4-5°C.

Sprawdzając czy takie zmiany składu atmosfery były możliwe, Arrhenius skonsultował się z geologiem Arvidem Högbomem, który badał naturalne procesy geochemiczne, w tym emisje wulkaniczne. Högbom zauważył, że emisje wulkaniczne były (w tym okresie) zbliżone do emisji ze źródeł przemysłowych, co mogło w zauważalny sposób zmienić zawartość dwutlenku węgla w powietrzu. Zainspirowany tym Arrhenius powtórzył obliczenia dla sytuacji podwojenia koncentracji CO₂ w atmosferze. W wyniku otrzymał możliwy wzrost temperatury powierzchni planety o 5-6°C. Kilkanaście lat później emisje ze spalania paliw kopalnych wielokrotnie wzrosły i w 1908 roku Arrhenius pisał że przewidywany przez niego wzrost temperatury globu może wystąpić w ciągu kilkuset lat.

Warto zdawać sobie sprawę, że obliczona przez Arrheniusa czułość klimatu wyniosła ok 6°C – dwukrotnie więcej od dzisiejszych oszacowań. Wynikało to jednak z ówczesnego stanu wiedzy i związanych z tym przybliżeń i niedokładności a nie z zasadniczych błędów w założeniach.

CO₂ – wielki regulator

Teoria Arrheniusa zrobiła duże wrażenie na współczesnych. Thomas C. Chamberlin w serii publikacji z ostatnich lat XIX wieku rozpropagował ją wśród geologów. Dowodził, że atmosferyczny CO₂ jest jednym z głównych „regulatorów” temperatury powierzchni naszej planety. Był pierwszym, który pokazał że jedyną drogą do zrozumienia zmian klimatycznych jest uwzględnienie wielu różnych zjawisk i procesów porywających na klimat: nie tylko aktywności Słońca i gazów cieplarnianych, ale roli oceanów, mineralogii, zmian własności powierzchni Ziemi, przemian chemicznych. Wprowadził pojęcie sprzężeń w systemie klimatycznym, czyli powiązanych ze sobą procesów, nawzajem wzmacniających lub osłabiających swoje działanie. Warto wspomnieć, że Chamberlin był też autorem hipotezy że źródłem ciepła wnętrza Ziemi jest naturalna promieniotwórczość.

Niestety, wyniki obliczeń Arrheniusa skrytykował inny wpływowy szwedzki fizyk, Knut Ångström, który błędnie zinterpretował wyniki swoich (a ściślej – prowadzonych przez asystentów) pomiarów absorpcji podczerwieni w gazach cieplarnianych w warunkach laboratoryjnych. Ogłosił, że przy wzroście zawartości gazów cieplarnianych w powietrzu efekt cieplarniany ulegnie „wysyceniu”, czyli przestanie przybierać na sile. Ten pogląd szybko zdobył popularność w kręgach naukowych. Można o tym przeczytać np. w wydanym w 1909 roku podręczniku „Fizyka Ziemi”^[2] Maurycego Piusa Rudzkiego, polskiego wybitnego geofizyka z przełomu XIX i XX w.

W stronę Słońca

W tej sytuacji w nauce zaczęła przeważać teza o dominującym wpływie Słońca na klimat. Jej najbardziej wytrwałym propagatorem był Charles Greeley Abbot, następca Langleya w Smithsonian Astrophysical Observatory. Kontynuował on program pomiarów stałej słonecznej i na początku lat dwudziestych doprowadził do korekcji błędnych wyników Langleya oraz zauważył, że nazwa „stała” jest w tym wypadku źle użyta, dopływ energii zmienia się bowiem zależnie od liczby plam na Słońcu. Jego oszacowania pokazywały, że zmiany w strumieniu energii mogą sięgać 1%, co nie może pozostawać bez wpływu na klimat. Na tej podstawie już w 1913 Abbot twierdził, że widzi w danych prostą korelację liczby plam słonecznych i temperatury Ziemi. Pewny siebie ogłosił że poprawa obserwacji Słońca poprawi również prognozy pogody. Jednak jego tezy okazały się nieprawdziwe. Jego wyniki, uzyskane na podstawie analizy danych historycznych pochodzących z bardzo krótkiego okresu, były skutkiem przypadkowego zbiegu w czasie osłabień aktywności słonecznej i erupcji wulkanicznych.

W tym czasie serbski inżynier i matematyk, Milutin Milanković, analizując zmiany orbity Ziemi, zauważył, że zmienność w dopływie energii słonecznej spowodowana fluktuacjami kształtu orbity i nachylenia osi Ziemi jest wyraźna i to ona mogła spowodować przeszłe zmiany klimatu ^[3]. Niestety, dokładniejsze obliczenia pokazały, że zmienność jest za mała, żeby zrozumieć znaczne zmiany temperatury między epokami lodowcowymi i interglacjałami, i że do ich wytłumaczenia potrzebny jest jakiś czynnik wzmacniający. Warto jednak zauważyć że od tego momentu istniały już dwie astronomiczne hipotezy (jeszcze nie teorie – brakowało im oparcia w danych doświadczalnych) klimatu.

Powrót do tez Arrheniusa

Mimo prac Abbotta i Milankovica hipoteza Tyndalla i Arrheniusa o znaczącym wpływie zawartości atmosferycznego CO₂ na klimat nie została zapomniana. W roku 1931 amerykański fizyk E.O. Hulburt powtórzył obliczenia Arrheniusa używając znacznie dokładniejszych informacji o własnościach absorpcyjnych CO₂, które poznano w wyniku rozwoju mechaniki kwantowej ^[4]. Nowe obliczenia dały wynik: wzrost temperatury o 4°C przy podwojeniu koncentracji CO₂ w powietrzu. Ta praca, opublikowana w Physical Review, przeszła niezauważona przez badaczy klimatu mimo działań popularyzatorskich.

Pierwszym, który wykazał związek wzrostu koncentracji atmosferycznego CO₂ z obserwowanym wzrostem temperatury globu na podstawie danych obserwacyjnych, był angielski inżynier, meteorolog hobbysta, Guy Stewart Callendar. Analizując dane meteorologiczne od połowy XIX w. zauważył dodatni trend przebiegu temperatur w ciągu dziesięcioleci ^[5]. Gdy skonfrontował aktualne (w latach trzydziestych) dane o koncentracji atmosferycznego CO₂ z danymi historycznymi, zauważył dziesięcioprocentowy wzrost. Na tej podstawie oszacował że klimat ociepli się o 2°C przy podwojeniu zawartości CO₂ w powietrzu.

Warto podkreślić, że już pod koniec pierwszej połowy XX wieku, na długo przed wybuchem zainteresowania globalnym ociepleniem, wyniki badań naukowych dowodziły, że czułość klimatu na podwojenie koncentracji CO₂ w powietrzu wynosi od 2°C wg. Callendara do 4°C wg. Hulburta, co jest zgodne również z aktualnym stanem wiedzy. Wyniki badań podsumowane w ostatnim (czwartym) Raporcie IPCC (AR4) pokazują że wynosi ona najprawdopodobniej 2°C do 4,5°C. Najbardziej prawdopodobna wartość to około 3°C. Wartość niższa niż 1,5°C jest bardzo mało prawdopodobna, nie można natomiast wykluczyć wartości wyraźnie wyższych niż 4,5°C.

Pod wpływem prac Callendara zaczęto się zastanawiać jak szybko klimat może się ocieplić. Podstawowym pytaniem było, jaka część emitowanego przez ludzi CO₂ rozpuszcza się w wodach oceanu, a jaka zostaje w atmosferze. Odpowiedź na to pytanie, podobnie jak weryfikację astronomicznych teorii zmian klimatu uzyskano, co ciekawe, dzięki rozwojowi fizyki i chemii jądrowej. Badania zawartości stałych i promieniotwórczych izotopów węgla, tlenu, berylu, wodoru w osadach, koralowcach, stalaktytach, rdzeniach lodowych, w roślinach, a także w wodzie i powietrzu pozwoliły na niezwykłe postępy w rozumieniu procesów klimatycznych. Naukowcem który doprowadził do rozkwitu spektroskopię masową, metodę która pozwala bardzo precyzyjnie określanie zawartości poszczególnych pierwiastków i ich izotopów w różnych substancjach, był Harold Clayton Urey, amerykański chemik, laureat nagrody Nobla z 1934 roku otrzymanej za wyodrębnienie deuteru. Przyczynił się on później do budowy pierwszej bomby atomowej wymyślając metodę separacji ²³⁵U od ²³⁸U.

Prof. Szymon P.  Malinowski

[1] Arrhenius S., (1896) „On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground”. Philosophical Magazine and Journal of Science 41: 237-276.

[2] Rudzki M. P., (1909) „Fizyka Ziemi”. Kraków, nakładem Akademii Umiejętności, Drukarnia Uniwersytetu Jagiellońskiego.

[3] Миланковић М., (1914) „О питању астрономских теорија ледених доба”. Загреб.

[4] Hulburt E. O., (1931). „The Temperature of the Lower Atmosphere of the Earth”. Phys. Rev. 38: 1876–1890.

[5] Callendar, G. S. (1938) „The artificial production of carbon dioxide and its influence on temperature”. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 64: 223-240.