Klimat: przeszłość, teraźniejszość, przyszłość

Rok 2015 był najcieplejszym w historii pomiarów meteorologicznych w Polsce, Europie i na świecie. Globalne ocieplenie – wielki eksperyment na skalę globu trwa. Jakie będą jego wyniki? Profesor Szymon Malinowski tłumaczy podstawowe mechanizmy rządzące klimatem i to, jak „zepsuliśmy” cykle Milankowicza.

Media donoszą: „rekordowo gorący rok w Polsce”, „rekordowe stężenie CO₂ w atmosferze”, „naukowcy są bardziej niż kiedykolwiek przekonani, że to człowiek jest odpowiedzialny za globalne ocieplenie”. Jednocześnie słyszymy: „klimat zmieniał się zawsze”, „na Ziemi często bywało ciepło, dużo cieplej niż dziś” „węgla w atmosferze było kiedyś znacznie więcej niż teraz”. Każde ze zdań cytowanych wyżej jest prawdziwe i zgodne ze stanem wiedzy naukowej. Jak to więc jest? Czy rzeczywiście globalne ocieplenie, które sobie sprawiamy, może mieć poważne skutki dla cywilizacji? Lubimy ciepłą, słoneczną pogodę. Nie chcemy dużo płacić zimą za ogrzewanie. Czy cieplej znaczy „będzie przyjemniej, łatwiej i taniej”? Dlaczego naukowcy „straszą” globalnym ociepleniem? Przecież klimat jest złożony. Czy mają pewność?

System klimatyczny to atmosfera, ocean, powierzchnia gruntu i wszystko, co na powierzchni się znajduje. Podstawowym źródłem energii zasilającym ten układ jest Słońce. Inne źródła energii – wnętrze Ziemi (energia geotermalna) i ludzka działalność (spalanie) są zaniedbywalnie małe, odpowiednio 3500 i 10000 razy słabsze. Atmosfera, jak chłodnica, oddaje pochłanianie przez Ziemię ciepło promieni słonecznych w pustkę kosmiczną. System klimatyczny, w którym warunki są ustabilizowane, traci dokładnie tyle samo energii ile dostaje, a charakteryzująca go temperatura jest stała.

Temperatura Ziemi rośnie, gdy ΔQ_S>ΔQ_C

Temperatura Ziemi spada, gdy ΔQ_S<ΔQ_C

Jednak Ziemia i jej system klimatyczny nigdy nie osiągają idealnej równowagi. Wszystkie aktualne, przeszłe i przyszłe zmiany temperatury globu wynikają, wynikały i wynikać będą z naruszeń równowagi i z odpowiedzi systemu klimatycznego. Prowadzą one bądź do przywrócenia starej równowagi, bądź do powstania nowej. Dotyczy to wszystkich planet, także tych spoza najbliższego otoczenia Ziemi, które mają własne, specyficzne dla siebie systemy klimatyczne.

Czynniki powodujące zmiany stanu klimatu można podzielić na dwa rodzaje: zaburzenia i zmiany w dopływie energii oraz zaburzenia w pracy chłodnicy. Zmniejszony dopływ energii (np. wskutek spadku aktywności Słońca, zmian orbitalnych czy zmian w odbijaniu/pochłanianiu energii promieniowania słonecznego) lub wzrost efektywności chłodnicy będzie prowadził do ochłodzenia klimatu. Zwiększony dopływ energii lub utrudnienia w jej odpływie będą skutkowały ociepleniem.

Do określenia czy w skali globu klimat się ociepla czy ochładza nie jest potrzebna szczegółowa znajomość działania systemu klimatycznego, wystarczy znać dopływ i wypływ energii na granicach systemu. Rozumiał to już Joseph Fourier, autor „Analitycznej teorii ciepła”, który w 1824 r. pokazał, że temperatura powierzchni Ziemi jest wyższa, niż byłaby, gdyby nie utrudnienia w odpływie ciepła z planety i nazwał to zjawisko efektem cieplarnianym.

Sprawę komplikuje nieco fakt, że albedo (ułamek energii promieniowania słonecznego odbijany przez planetę) i efekt cieplarniany mogą być zależne od zjawisk zachodzących wewnątrz systemu klimatycznego. W takim wypadku mówimy nie o wymuszeniach z zewnątrz, ale o sprzężeniach zachodzących wewnątrz systemu. Mogą one wzmacniać lub osłabiać efekty wymuszeń. To, jak klimat zareaguje na wymuszenia zależy zarówno od wymuszeń jak i od sprzężeń.

Przekręcamy zawór

Żeby zrozumieć sposób w jaki „działa” klimat, warto przyjrzeć się epokom lodowym, które od kilku milionów lat co ok. 100 tys. lat nawiedzają Ziemię. Wymuszeniami odpowiedzialnym za przejścia między okresami zlodowaceń i interglacjałów były zmiany orbity Ziemi związane z oddziaływaniem innych planet, przede wszystkim Jowisza i Saturna. Te skomplikowane efekty grawitacyjne składają się ze sobą i w sposób uproszczony mogą być opisane tzw. „cyklami Milankowicza”.

Wpływ na klimat mają w miarę regularne zmiany kształtu orbity z nieco wydłużonej elipsy na niemal kołową, zbliżoną do okręgu, tzw. zmiany ekscentryczności orbity. Można obliczyć że w wyniku tych zmian różnica w dopływie energii od Słońca w skali roku wynosi mniej niż 0,2% . To za mało, żeby wyjaśnić dramatyczne różnice między glacjałami a interglacjałami. Co więc jeszcze? O ile zmiany w całkowitym dopływie energii są niewielkie, o tyle zmiany ekscentryczności orbity prowadzą do dużego, przekraczającego 20% zróżnicowania dopływu energii do półkul naszej planety. Przy obecnym układzie kontynentów (praktycznie stałym w ostatnich kilku milionach lat) ważne jest, czy w chwili gdy Ziemia przebywa najbliżej Słońca oświetlony jest biegun północny otoczony ze wszystkich stron kontynentami, czy południowy, otoczony oceanem.

Albedo lądu jest mniejsze od albedo wody. Na lądzie podczas długiej zimy może gromadzić się śnieg, który wiosną i przez krótkie lato odbije promieniowanie słoneczne. To taki zawór, wpuszczający w określonej sytuacji mniej energii słonecznej do systemu klimatycznego. Według teorii Milankowicza, krytycznym dla działania tego zaworu jest obszar wokół północnego koła podbiegunowego, w przybliżeniu wokół 65⁰N. Wewnątrz tego kręgu jest zalodzony przez cały rok ocean Arktyczny, na zewnątrz ląd, który może pokryć się lądolodem zalegającym przez lato i zimę (inna sytuacja jest na południu – lód na oceanie wokół Antarktydy nie jest w stanie przerwać lata). Jest wiele dowodów na to, że Ziemia osuwała się w zlodowacenie, gdy wymuszenia orbitalne prowadziły do spadku dopływu energii słonecznej , w ten region wydobywała się z niego, gdy dopływ osiągał maksimum. Decydujące było, czy śnieg na lądach wokół bieguna północnego na półkuli północnej z roku na rok topniał całkowicie, czy mógł przetrwać lato i z roku na rok narastać i przekształcać się w lądolód.

Prawdziwy motor zmian

Ale nawet te zmiany nie tłumaczą wielkości zlodowaceń, zmienności średniej temperatury powierzchni naszej planety między glacjałem i interglacjałem wynoszącej około 4°C. To wciąż za mało. Co więc jeszcze? Trzeba uwzględnić działanie chłodnicy systemu klimatycznego, które zależy od zawartości w powietrzu gazów cieplarnianych, w tym kluczowego – dwutlenku węgla.

Już w połowie XIX dzięki pracom Johna Tyndalla poznaliśmy zdolności pochłaniania i emitowania ciepła przez najważniejsze gazy cieplarniane: parę wodną, dwutlenek węgla i metan. Wszystkie mają wpływ na działanie klimatycznej chłodnicy: gdy ich koncentracja w powietrzu wzrasta, oddawanie energii w przestrzeń kosmiczną jest utrudnione i temperatura globu podnosi się. Gdy ich ubywa, Ziemia łatwiej wypromieniowuje energię i się ochładza.

Zmiany stężeń każdego z tych gazów w powietrzu podlegają innym regułom. Ilość pary wodnej w atmosferze szybko, w ciągu kilku dni, dostosowuje się do warunków wywoływanych innymi czynnikami – jej parowanie i kondensacja oraz opady zależą od temperatury. Metan wyemitowany do atmosfery w ciągu kilku-kilkunastu lat rozkłada się pod wpływem nadfioletu, końcowym (po kolejnych reakcjach chemicznych) produktem rozpadu są woda i dwutlenek węgla. Naturalne usuwanie dodanego do powietrza CO₂ związane z wiązaniem węgla na powierzchni Ziemi trwa setki i tysiące lat. To właśnie zmiany koncentracji CO₂ w atmosferze są tym trzecim czynnikiem, który domyka zrozumienie epok lodowcowych.

Gdy wskutek spadku pochłaniania energii słonecznej przez Ziemię wskutek coraz bielszej północy ocean światowy ochładzał się, to zgodnie z prawami fizyki rozpuszczało się w nim coraz więcej atmosferycznego CO₂. Dzięki temu chłodnica Ziemi pracowała coraz efektywniej i jeszcze bardziej wychładzała planetę. W efekcie, kiedy północna półkula Ziemi latem otrzymywała mniej energii, działanie dwóch sprzężeń zwrotnych: wzrostu albedo i spadku koncentracji CO₂ w atmosferze wzmacniało ten efekt: klimat się ochładzał, a Ziemia staczała w epokę lodowcową.

Kiedy północna półkula Ziemi latem otrzymywała więcej energii, lądolód topniał, powodując wzrost ilości pochłanianej przez planetę energii, wzrost temperatury powierzchni, odgazowywanie CO₂ z nagrzewających się oceanów, dalsze ogrzanie w wyniku cieplarnianego działania tego gazu, dalsze topnienie lądolodu itd. – klimat Ziemi wchodził w ciepły okres interglacjalny (Rys. 5).

Mechanizm epok lodowcowych dowodzi, że w obecnym stanie system klimatyczny jest czuły na wymuszenia. Niewielkie, specyficzne zmiany w dopływie energii słonecznej mogą, z powodu istnienia naturalnych sprzężeń obecnych w systemie powodować znaczne skutki.

Gdzie jesteśmy?

Jaką sytuację mamy teraz? Otóż od około 5 tys. lat Ziemia, po szczytowym okresie ostatniego interglacjału zwanego holoceńskim maksimum klimatycznym, zaczęła się powoli wychładzać w kolejnym cyklu orbitalnym. Nagle, około 150 lat temu trend łagodnego spadku temperatury wywołany tym czynnikiem się zatrzymał, a następnie gwałtownie odwrócił (rysunek 6).

W ostatnich 150 latach średnia temperatura globu wzrosła o więcej, niż spadła przez wcześniejsze 5000 lat. Co się wydarzyło? Słońce, choć fluktuujące w swoich cyklach 11 letnich i dłuższych związanych z wieloletnimi minimami i maksymami aktywności, świeci niezwykle stabilnie, jego moc rosła nieznacznie od XVIII wieku do lat 70-tych XX w., po czym zaczęła równie nieznacznie spadać (rysunek 7).

Żadna katastrofa kosmiczna nie zmieniła orbity naszej planety. Przyczyną tego szybkiego wzrostu temperatury globu jest coraz mniej efektywna chłodnica.

W ciągu ostatnich 200 lat stężenie CO₂ w atmosferze wzrosło o ponad 40% i rośnie coraz szybciej, już o niemal 1 % wartości wyjściowej rocznie. W stosunku do systemu klimatycznego jest to wymuszenie, gdyż nie jest to CO₂ rozpuszczony w oceanie czy zatrzymany w biosferze na powierzchni planety, tylko pochodzący ze spalania niektórych składników skał z głębi Ziemi. Efekt wzrostu koncentracji CO₂ i innych gazów cieplarnianych spowodował że, chłodnica uwalnia dziś w kosmos mniej energii niż przed epoką przemysłową – w liczbach bezwzględnych efekt jest dwudziestokrotnie większy niż zmiany w dopływie energii od Słońca w tym czasie i ponad 6 razy większy, niż zmiany w dopływie energii słonecznej między glacjałem i interglacjałem!

Okazało się, że potrafimy namieszać w systemie klimatycznym i zmieniać go szybciej niż procesy naturalne. Jak na razie w latach 1850-1980 odrobiliśmy już powolne ochłodzenie z ostatnich 5 tysięcy lat. Od lat osiemdziesiątych podgrzaliśmy planetę o kolejne 0,4°C. I to pomimo faktu, że jednocześnie emitując pyły zmieniające własności chmur, wycinając lasy i zmieniając powierzchnię Ziemi przykręciliśmy zawór, zwiększając albedo planety tak, że do systemu klimatycznego wpływa nieco mniej energii słonecznej niż 200 lat temu, kompensując część ocieplającego wpływu gazów cieplarnianych.

Co dalej?

Spalając zasoby paliw kopalnych możemy wywołać wzrost temperatury w granicach 8-12°C. Działamy szybko, coraz szybciej. Emisje gazów cieplarnianych rosną w błyskawicznym tempie. W ciągu ostatniego ćwierćwiecza (a dokładniej rzecz biorąc w latach 1988-2014) zużyliśmy tyle paliw kopalnych, co od początku rewolucji przemysłowej do 1987 r. Ta reguła, podwojenie w ilości zużywanych paliw co ok. 25 lat, działa od początku epoki przemysłowej. System klimatyczny nie nadąża ze zmianami, nierównowaga energetyczna narasta, zmiany przyspieszają. Gdybyśmy jakimś cudem dziś wyzerowali emisje, Ziemia i tak ogrzewałaby się nadal potrzebując kilkudziesięciu lat na powrót do równowagi. Ale to nierealny scenariusz: wpompowujemy do systemu klimatycznego węgiel usunięty z niego w przeszłości geologicznej, w tempie przekraczającym setki tysięcy razy tempo jego wcześniejszego usuwania.

W najbliższych latach i dziesięcioleciach czeka nas poważna zmiana klimatu. Kontynuując dotychczasowy trend wzrostu emisji prowadzimy jedyny w swoim rodzaju eksperyment planetarny: w ciągu najbliższego stulecia przerzucimy klimat Ziemi do stanu przypominającego ten z czasów dinozaurów. Błyskawicznie wracamy do przeszłości sprzed dziesiątków milionów lat. Czy przyroda wytrzyma narzucone tempo? Czy my je wytrzymamy? A co będzie, jeśli dodatkowo wypuścimy dżina z butelki i uwolnimy uśpione i rosnące przez sen zimowy epok lodowcowych potężne procesy naturalne, które zwrócą atmosferze jeszcze więcej węgla w postaci CO₂ i metanu więzionych pod wieczną zmarzliną i w klatratach na dnie oceanu? Czy wrócimy do najczarniejszych czasów historii naturalnej i powtórzymy, w nowej wersji scenariusz wymierania zwany Paleoceńsko-Eoceńskim Maksimum Termicznym albo inny, jeszcze bardziej spektakularny jak Wymieranie Permskie?

Na pytanie jaki próg ocieplenia trzeba przekroczyć, żeby uruchomiły się mechanizmy prowadzące do katastrofalnych scenariuszy, nauka na razie nie potrafi dać jednoznacznych odpowiedzi. Słońce świeci dziś nieco mocniej niż 55 czy 250 milionów lat temu. Wydaje nam się, że w tych warunkach w miarę bezpieczną granicą jest ocieplenie się naszej planety o 2°C powyżej stanu sprzed epoki przemysłowej. Poziom ten można utrzymać, jeśli większość paliw kopalnych zostawimy w głębi Ziemi. Jednak jesteśmy od tych paliw uzależnieni, a spalając je w obecnym rytmie bezpieczną granicę 2°C przekroczymy w ciągu kilkunastu lat...

W słynnej pracy naukowej z 1957 r., pokazującej jednoznacznie, że dwutlenku węgla w atmosferze przybywa wskutek spalania paliw kopalnych, jej autorzy Roger Revelle i Hans Suess pisali:

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.

Dokąd nas ten eksperyment zaprowadzi? Czy będziemy potrafili go przerwać, czy dokończy się sam?

Prof. Szymon Malinowski

Rozszerzona i zmieniona wersja tekstu który ukazał się w ub. roku w tygodniku „Polityka”