Historia naukowa fizyki klimatu, część 3: Zimna wojna i globalne ocieplenie

Z poprzednich części naukowej historii fizyki klimatu (1, 2) wiemy już, że zarówno aktywność słoneczną, jak i dwutlenek węgla łączono ze zmianami klimatu od ponad stu lat. W dodatku już na początku XX w udało się całkiem trafnie ocenić czułość klimatu na podwojenie koncentracji CO2. Dziś kończymy nasz cykl podsumowaniem osiągnięć klimatologii po II wojnie światowej.

Okres II wojny światowej pokazał wojskowym jak ważne z punktu widzenia militarnego jest zrozumienie procesów zachodzących w atmosferze i oceanie. W związku z tym, w okresie Zimnej Wojny, Zachód i Sowieci aktywnie angażowali się w rozwój nauk o Ziemi. W Stanach Zjednoczonych agencją rządową, która inwestowała znaczne fundusze w badania atmosfery i oceanu było Biuro Badawcze Marynarki (Office of Naval Research, ONR). Ubocznym skutkiem próbnych militarnych wybuchów jądrowych było uwalnianie do atmosfery i oceanu licznych krótko- i średnio-żyjących izotopów promieniotwórczych. Tropienie ich pozwoliło naukowcom prześledzić cyrkulacje atmosferyczne i oceaniczne w niespotykany dotąd sposób. Poznano też wiele zjawisk fizycznych i chemicznych, które prowadzą do rozdzielania różnych izotopów popularnych pierwiastków. Zbadano na przykład, jak łatwo parują i skraplają się cząsteczki wody w zależności od tego czy zawierają wodór czy deuter oraz tlen 18O czy 16O. Okazuje się, że ze zmianą temperatury, w której zachodzą te procesy, zmienia się też skład izotopowy otrzymywanej wody/pary. Mierząc zawartość deuteru i 18O w rdzeniach lodowych, stalagmitach w jaskiniach, koralowcach, okrzemkach czy osadach dennych można więc rekonstruować historyczne zmiany klimatu. Badając zawartość izotopu węgla 14C czy berylu 10Be (które powstają w atmosferze w wyniku rekcji jądrowych gazów atmosferycznych z cząstkami emitowanymi przez Słońce) w materii organicznej można było z jednej strony datować pochodzenie związków organicznych, z drugiej zaś rekonstruować przeszłą aktywność słoneczną. Precyzyjne pomiary absorpcji i rozpraszania promieniowania o rożnych długościach fal w atmosferze dla potrzeb wojska doprowadziły do powstania HITRAN - najważniejszej bazy danych o własnościach radiacyjnych gazów i par, wykorzystywanej dziś powszechnie w fizyce, astronomii, astronautyce i telekomunikacji.

Zdjęcie przedstawia wnętrze jaskini z szeregiem dość wysokich stalagmitów.

Rysunek 1: Pomiary zawartości izotopów wodoru i tlenu w okazach szaty naciekowej to jedna z metod badania historii klimatu. Zdjęcie: Mayerberg, Dreamstime.com

Dzięki grantowi z ONR, pochodzący z Austrii ale pracujący w USA fizyk jądrowy Hans Suess, (młodszy współpracownik Ureya i jeden z pionierów metody datowania radiowęglowego) wraz z oceanologiem Rogerem Revelle zbadali zawartość nietrwałego izotopu 14C oraz trwałego izotopu 13C w atmosferycznym i rozpuszczonym w wodach oceanu dwutlenku węgla. Wiedzieli przy tym, że w procesie fotosyntezy (która doprowadziła do powstania paliw kopalnych) 13C jest przyswajane słabiej niż pospolity 12C, i że w zalegających głęboko złożach praktycznie cały 14C się rozpadł. W roku 1957 roku opublikowali przełomową pracę[1], która jednoznacznie dokumentowała że obserwowany wzrost zawartości CO2 w atmosferze i oceanie jest wynikiem spalania paliw kopalnych. Potrafili też określić, jaka część wyemitowanego przez ludzkość dwutlenku węgla pozostaje w atmosferze a jaka rozpuszcza się w oceanie. Z pracy tej pochodzi słynna (ale mało w Polsce znana) fraza:

„I tak ludzkość prowadzi teraz jedyny w swoim rodzaju eksperyment geofizyczny, który nie wydarzył się nigdy w przeszłości ani nie będzie mógł być w przyszłości powtórzony. W ciągu kilku stuleci zwracamy atmosferze i oceanowi węgiel odłożony przez naturę w skałach osadowych w procesie który trwał setki milionów lat”.

Innym naukowcem finansowanym przez ONR był Kanadyjczyk Gilbert Plass, który prowadził badania rozpraszania, absorpcji i emisji promieniowania w atmosferze. Już w latach 1954-55 zdołał uzyskać dostęp do komputera – urządzenia w którym widział szansę na efektywne obliczenia absorpcji atmosferycznej. Wykorzystując najnowsze dane doświadczalne o tym jak CO2 pochłania promieniowanie w zakresie podczerwieni obliczył, że przy podwojeniu koncentracji CO2 w powietrzu średnia temperatura powierzchni Ziemi wzrośnie o 3,6°C a spadnie o 3,8°C przy spadku koncentracji tego gazu o połowę. Uwzględnienie w obliczeniach ilości promieniowania odbijanego przez chmury dało efektywny wzrost temperatury o 2,5°C przy podwojeniu CO2.

Kolejnym naukowcem wykorzystującym komputery był Amerykanin Norman Phillips, który w roku 1956 napisał pierwszy model numeryczny opisujący globalną cyrkulację atmosfery - protoplastę dzisiejszych globalnych modeli prognoz pogody i klimatu.

Zdjęcie przedstawia wielki staromodny komputer.

Komputer IAS zbudowany w 1951r na Uniwersytecie Princeton. Na takim komputerze prowadzone były pierwsze obliczenia Normana Phillipsa. Zdjęcie dzięki uprzejmości National Museum of American History, Smithsonian Institute.

Liczne badania rdzeni wiertniczych z dna oceanów prowadzone przez m.in. przez pochodzącego z Włoch i pracującego w USA Cessare Emilianiego pozwoliły udokumentować, że (tak jak postulował Milanković) za rozpoczęcie epok lodowcowych odpowiadały zmiany orbitalne Ziemi i wynikający z nich spadek nasłonecznienia w wysokich szerokościach geograficznych północy. Poszukiwanymi sprzężeniami zwrotnymi wzmacniającymi ten efekt okazały się spadek ilości promieniowania absorbowanego przez powierzchnię Ziemi na półkuli północnej związany z narastaniem pokrywy śnieżnej (biały śnieg skutecznie odbija promieniowanie) oraz spadek koncentracji atmosferycznego CO2 (w niższych temperaturach łatwiej rozpuszcza się w oceanie). Odwrotne zmiany orbitalne - prowadzące do większego dopływu energii słonecznej do półkuli północnej - prowadziły do zaniku lądolodów, odgazowywania CO2 z oceanów do atmosfery co wzmacniało efekty wzrostu temperatury.

Prace rosyjskiego fizyka i klimatologa Michaiła Budyki, który w 1957 roku opublikował atlas bilansu energetycznego Ziemi i zaproponował prosty ale poprawny i skuteczny model równowagi radiacyjnej, dopełniają obraz pionierskich badań fizyki klimatu.

Ten krótki przegląd historyczny pokazuje, ze stan nauki w latach 60-tych XX wieku pozwalał na sformułowanie podstaw teorii działania systemu klimatycznego, wykorzystującej prawa fizyki i zweryfikowania ich eksperymentalnie dzięki badaniom paleoklimatycznym. Już wtedy znaczna większość naukowców zajmujących się zagadnieniem wiedziała, że człowiek może zmieniać klimat i warunki życia na powierzchni planety, i że rosnące emisje CO2 mogą w przyszłości doprowadzić do poważnych zmian w naszym środowisku. Spowodowana przez nas degradacja środowiska zaczęła wyraźnie wpływać na jakość życia i rozwiązania związanych z tym problemów szukano w nauce. W Stanach Zjednoczonych powołano specjalną grupę doradców naukowych prezydenta Johnsona, która w 1965 roku opublikowała raport na temat gwałtownie pogarszającego się stanu środowiska naturalnego i jego wpływie na gospodarkę i cywilizację, trendów, przyczyn, możliwych zmian i skutków w przyszłości pod znamiennym tytułem ”Restoring the Quality of our Environment” - „Przywracanie jakości środowiska”[2]. W specjalnym rozdziale, poświęconym CO2 w atmosferze, autorzy - Roger Revelle, Wallace Broecker, Harmon Craig, Charles David Keeling i Joseph Smagorinski - pisali:

„W ciągu kilku stuleci zwracamy do powietrza znaczną część węgla jaka była z niego usuwana przez rośliny i zasypana w osadach w czasie pół miliarda lat.... Część tego węgla zostająca w atmosferze pod postacią CO2 ma znaczący wpływ na klimat....”.

Przewidywali, że rosnąca zawartość CO2 w atmosferze prócz wzrostu temperatury na powierzchni Ziemi i spadku w stratosferze, doprowadzi do: topnienia czap lodowych (w szczególności Wschodniej Antarktydy), co spowoduje wzrost poziomu mórz, podniesienia temperatury oceanów, wzrostu kwasowości wód, wzrostu wydajności fotosyntezy. Przewidywali wzrost zawartości atmosferycznego CO2 o maksymalnie 25% do 2000 roku (rzeczywisty wzrost wyniósł ok. 18%), co według ich oceny powinno doprowadzić do zauważalnych zmian w klimacie i wyraźnego ochłodzenia stratosfery (obydwa efekty zaobserwowano). Przewidywali, ze w razie kontynuacji wzrostu temperatur, dla uniknięcia negatywnych skutków potrzebna będzie akcja prowadząca do wzrostu albedo planety np. przez rozpylanie w stratosferze drobnych aerozoli. Dziś na konferencjach naukowych szeroko dyskutuje się tego typu inżynierię klimatyczną.

Dokument ten był pierwszym z serii opracowań naukowych dostarczanych najbardziej wpływowym politykom w celu poinformowania ich o mechanizmach klimatycznych i ostrzeżeniu o negatywnych skutkach rosnących emisji gazów cieplarnianych. Ustalenia nauki od tamtego czasu uległy doprecyzowaniu, ale w kwestii zasadniczej nic ważnego się nie zmieniło.

I nie mogło, bo wiedza o klimacie oparta jest na solidnych podstawach fizycznych i jest prostym zastosowaniem najbardziej podstawowych praw natury.

[1] Revelle, R., and H. Suess, (1957) "Carbon dioxide exchange between atmosphere and ocean and the question of an increase of atmospheric CO2 during the past decades." Tellus 9: 18-27.

[2] United States. President's Science Advisory Committee. Environmental Pollution Panel. (1965) Restoring the quality of our environment: Report. University of California Libraries (January 1, 1965), ASIN: B008SIPJY8

Literatura uzupełniająca:

David Archer and Raymond Pierrehumbert (2011). „The warming papers”. Wiley-Blackwell ISBN-10: 1405196165 , ISBN-13: 978-1405196161

Spencer Weart (2008). „The Discovery of Global Warming: Revised and Expanded Edition” (New Histories of Science, Technology, and Medicine). Harvard University Press,ISBN-10: 067403189X, ISBN-13: 978-0674031890, także w formie hipertekstowej na stronach American Institute of Physics

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.

prof. Szymon P. Malinowski

Opublikowano: 2013-10-18 17:29
Tagi

efekt cieplarniany modele numeryczne paleoklimatologia historia badań klimatu

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