Koniec Holocenu

Niedawno grupa badaczy z Harwardu i Oregon State University opublikowała pierwszą rekonstrukcję temperatury globalnej w okresie ostatnich 11 tysięcy lat, czyli całego okresu Holocenu (Marcott 2013 [pełny artykuł]). Wyniki dają do myślenia i są warte głębszej dyskusji.

W ciągu ostatnich dziesięcioleci liczni badacze pieczołowicie zebrali, przeanalizowali i porównali wiele szeregów danych, które pozwalają zrekonstruować średnią temperaturę naszego globu w okresie poprzedzającym bezpośrednie pomiary atmosferyczne. Informacje o dawnym klimacie pochodzą z wielu źródeł, takich jak odwierty osadów morskich, z koralowców, rdzeni lodowych, czy nacieków jaskiniowych. Shaun Marcott i jego koledzy po raz pierwszy zebrali 73 takie zestawy danych z całego świata i zrekonstruowali na ich podstawie przebieg zmian średniej temperatury globu w całym Holocenie. A ściśle mówiąc, zrobili wiele takich rekonstrukcji korzystając z około 20 różnych metod uśredniania i robiąc ponad 1000 symulacji typu "Monte Carlo", czyli takich, w których dodawano do datowania poszczególnych szeregów danych błędy losowej wartości w celu udowodnienia wiarygodności ich wyników.

Poniższy wykres pokazuje rezultat ich analizy:

Wykres - temperatury w holocenie

Rysunek 1. Niebieska linia: rekonstrukcja globalnej temperatury z danych proxy Marcott i in., 2013. Pokazana jest tutaj wersja RegEM – znaczące różnice pomiędzy wariantami różnych metod uśredniania są wyraźne tylko pod koniec pokazanego okresu, gdzie liczba dostępnych szeregów proxy jest mniejsza. Nie ma to jednak znaczenia, ponieważ zmiany temperatur w ostatnich latach są dobrze znane z pomiarów instrumentalnych, zaznaczonych linią czerwoną (dane HadCRU). Wykres sporządził Klaus Bitterman.

Garb klimatyczny

Krzywa klimatyczna przypomina wielki ‘garb’. Na początku Holocenu – już po zakończeniu ostatniego zlodowacenia globalna temperatura wzrosła, po czym przez 3000 lat wahała się wokół pewnego stałego poziomu, a przez następne 5000 lat powoli spadła o 0,7°C. Dobrze znane przejście od stosunkowo ciepłego okresu średniowiecznego do „małej epoki lodowcowej” jest częścią znacznie dłuższego okresu ochłodzenia, zatrzymanego gwałtownym ociepleniem w XX wieku. W ciągu niecałych 100 lat ochłodzenie z ostatnich 5000 lat zostało anulowane (dzięki temu, na przykład słynny „człowiek lodu Ötzi”, którego zwłoki zamarzły w lodowcu 5000 lat temu, został odnaleziony w 1991 roku).

Kształt wykresu nie jest dla klimatologów zaskoczeniem, ponieważ zgadza się on z wymuszeniami orbitalnymi opisanymi cyklami Milankovicia. Marcott ilustruje efekt wymuszania orbitalnego następującą grafiką:

Wykres - anomalie

Rysunek 2. Anomalie (różnice między sytuacją sprzed 11500 lat temu i obecną) napromieniowania słonecznego w grudniu, w czerwcu oraz całym roku jako funkcja szerokości geograficznej, spowodowane wymuszeniami orbitalnymi (znane jako cykle Milankovicia). Marcott i in., 2013.

Na dole rysunku widzimy, jak ilość światła słonecznego uśredniona w okresie jednego roku zmienia się w zależności od czasu i szerokości geograficznej. Zmniejszyła się ona znacznie podczas Holocenu na średnich i dużych szerokościach, minimalnie zaś wzrosła w rejonie tropikalnym. Rekonstrukcja Marcott’a pokazuje, ze zgodnie z teorią Milankovicia i jej późniejszymi rozwinięciami, na globalne temperatury bardzo silnie wpływają zmiany nasłonecznienia w północnych szerokościach geograficznych (30-90°N). Szczególnie istotny jest tutaj środkowy wykres z Rysunku 2, pokazujący letnie maksimum promieniowania docierającego do Ziemi. Na dalekiej północy zmieniło się ono drastycznie od okresu maksymalnych temperatur w Holocenie – spadło o ponad 30 watów na metr kwadratowy  (dla porównania, antropogeniczny dwutlenek węgla w atmosferze produkuje wymuszanie radiacyjne około 2 W/m2 – chociaż to ostatnie jest globalne i działa przez cały rok). Nasz system klimatyczny jest wyjątkowo czuły na poziom letniego nasłonecznienia na półkuli północnej, ponieważ jego efekt jest wzmocniony przez sprzężenie zwrotne spowodowane zmianami albedo śniegu i lodu (tzw. wzmocnienie arktyczne). Właśnie dlatego teoria letniego nasłonecznienia Milankovicia jest dominującym czynnikiem w cyklach zlodowacenia – mocne maksimum napromieniowania na początku Holocenu spowodowało zniknięcie dużej masy lodu z ostatniego okresu lodowcowego.

Tajemnice historycznego oziębienia

Jedna zagadka wciąż jednak pozostaje niewyjaśniona: modele klimatyczne nie symulują dobrze obserwowanego trendu oziębienia w ciągu ostatnich 5000 lat. Być może modele nie doceniają sprzężeń zwrotnych, które wzmacniają wymuszanie orbitalne pokazane na rysunku 2? A może dane proxy nie reprezentują dobrze średniej rocznej temperatury, pokazując bardziej zmiany temperatur letnich? Jak widać na Rysunku 2, promieniowanie słoneczne właśnie w okresie letnim w ostatnich kilku tysiącach lat znacznie osłabło. Jak niedawno obrazowo wyjaśnił to klimatolog z NASA Gavin Schmidt: brak pełnej zgodności modelu i danych jest okazją do nowego odkrycia, ale żeby do niego dojść potrzeba wiele pracy.

Zdjęcie przedstawia przekroje lezących obok siebie rdzeni osadów oceanicznych (szare prostokąty)

Rysunek 3: Rdzenie osadów oceanicznych wydobyte na południowym Atlantyku z pokładu statku badawczego Polarstern, zdjęcie Hannes Grobe, AWI. Źródło: Wikipedia.

Porównanie danych z osadów oceanicznych (Marcott) z danymi z lądów (Pages 2k)

Użyte przez Marcotta dane w 80 procentach pochodzą z osadów głębokomorskich. Można je porównać z oszacowaniami temperatury wykonanymi ostatnio w ramach projektu PAGES 2k, w którym skorzystano wyłącznie z danych lądowych.

W przeciwieństwie do danych opartych na analizach słojów drzew, które są użyteczne jedynie w okresie ostatnich 2 tysięcy lat, badania osadów mają tę zaletę, że pozwalają na sięgnięcie dalej wstecz (znacznie wcześniej niż Holocen). Badania oparte o dane z osadów mają też oczywiście swoje słabości – osady z sąsiadujących lat są ze sobą wymieszanie, przez co uzyskiwane dane są „uśrednione” po wielu latach (a więc rozdzielczość czasowa jest mniejsza i nie można wychwycić krótkotrwałych zmian). Dodatkowo, ponieważ podczas robienia odwiertu zaburzeniu ulega warstwa powierzchniowa, dane nie sięgają do teraźniejszości.

Metody rekonstrukcji temperatury na podstawie osadów różnią się znacznie od metod opartych na danych lądowych. Na przykład, w danych osadowych bada się stężenie izotopów tlenu lub stosunek magnezu do wapnia w kalcytowych muszlach mikroskopijnego planktonu, ponieważ jedne i drugie mają dobrą korelację z temperaturą wód powierzchniowych. Zatem każdy rdzeń osadowy może być indywidualnie skalibrowany (uzgodnienie skali mierzonego parametru z temperaturą) do uzyskania serii temperatur dla danego rejonu.

Ponieważ nowa rekonstrukcja Marcott’a wykorzystuje dane z osadów oceanicznych i inną metodykę, jest ona niezależna od rekonstrukcji PAGES 2k i świetnie ją uzupełnia. Porównanie tych dwóch rekonstrukcji jest wobec tego bardzo interesujące:

Temperatury - nasza era

Rysunek 4: Ostatnie dwa tysiące lat z Rysunku 1, w porównaniu do rekonstrukcji PAGES 2k (kolor zielony) niedawno opisanej szczegółowo tutaj. Grafika: Klaus Bitterman.

Jak łatwo zauważyć, obie rekonstrukcje dają bardzo zbliżone wyniki. Ewolucja temperatury przez ostatni tysiąc lat jest praktycznie identyczna, co nawiasem mówiąc jest kolejnym potwierdzeniem „kija hokejowego” Mann 1999.

Czy obecne ocieplenie jest wyjątkowe?

Ze względu na omawiane już ograniczenia metody opartej na analizie osadów morskich, nowa rekonstrukcja nie sięga do dzisiaj, lecz tylko do roku 1940. Poza tym nawet przed tą datą liczba dostępnych szeregów danych jest znacznie mniejsza niż we wcześniejszym okresie (dlatego właśnie przedział niepewności wyraźnie zwiększa się pod koniec okresu rekonstrukcji - z prostego powodu, że liczba metod uśredniających tutaj maleje). Ocieplenie w XX wieku jest widoczne tylko częściowo. Na szczęście w ocenie jego skali możemy już oprzeć na pomiarach bezpośrednich.

Analizy rekonstrukcji Marcotta i danych pomiarowych są oczywiście obarczone pewnym stopniem niepewności. Na powyższym wykresie przyjęte zostało założenie, że w okresie od roku 1000 do 1940 średnia temperatura z krzywej Marcott’a jest równa tej z PAGES 2k. Względne usytuowanie obu krzywych nie wpływa zresztą istotnie na końcowy wniosek. Połączenie pokazuje, że obecne temperatury są wyższe niż kiedykolwiek podczas Holocenu, podczas gdy Marcott pisze, że ostatnio mierzone temperatury są wyższe, niż miało to miejsce podczas 85% okresu Holocenu. Przyjmijmy, że są one mniej więcej takie same.

Tak czy inaczej możemy stwierdzić, że szybki wzrost temperatury w XX wieku jest unikalny w całym Holocenie. Czy wniosek ten jest uzasadniony? Po publikacji wyników Marcott’a toczyła się na ten temat w blogosferze zażarta dyskusja. Skoro dane proxy nie posiadają zbyt dobrej rozdzielczości czasowej, to skąd możemy wiedzieć, że podobne epizody szybkiego ocieplenia nie występowały wcześniej w Holocenie?

Są trzy powody, dla których można tak uważać:

1. Mamy do dyspozycji wiele danych proxy z Holocenu o wysokiej rozdzielczości czasowej i żadna z nich nie pokazuje, żeby kiedykolwiek miało miejsce ocieplenie podobne do tego z XX wieku. Gdyby takie ocieplenie kiedyś wystąpiło, powinno być ono widoczne w którymś z szeregów czasowych użytych przez Marcott’a.

2. Grant Foster zrobił test statystyczny, w którym do danych rekonstrukcji paleoklimatu sztucznie wstawił zaburzenia temperatury „w stylu XX wieku”. Pytanie brzmiało – czy takie zaburzenie ujawniłoby się w wynikach, czy też rozmyłoby się niezauważone. Test Fostera, zastosowany do danych i metody używanej przez Marcotta potwierdził, że szybkie, podobne do XX-wiecznego okresy ocieplenia byłyby widoczne w uśrednionych wynikach.

3. Tak szybka fluktuacja musiałaby mieć jakąś przyczynę fizyczną, która musiałby podobnie szybko zniknąć. Nie widać żadnych dowodów, że takie wymuszanie nagle się kiedyś pojawiło i następnie szybko znikło. Trudno też sobie wyobrazić, jaki mógłby być mechanizm takiego krótkotrwałego wymuszenia. Na przykład ocieplenie spowodowane przez wzrost ilości CO2 trwałoby tak długo, aż stężenie CO2 i innych gazów cieplarnianych spadłoby z powrotem, a to zajęłoby tysiące lat. Poza tym, mamy dobre dane odnośnie stężenia CO2 i innych gazów cieplarnianych, a także wybuchów wulkanicznych w całym Holocenie.

Ocieplenie w najbliższej przyszłości

Emisje dwutlenku węgla do atmosfery rosną bardzo szybko, podwajając się co około 25 lat. Jeśli trend ten zostanie utrzymany, do połowy stulecia wzrosną z około 35 mld ton (obecny poziom) do około 100 mld ton rocznie. Kontynuacja tego scenariusza doprowadzi do drastycznej zmiany klimatu. Przewidywany w takim przypadku wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi o +4°C do 2100 roku oznacza jednocześnie wzrost temperatury nad lądami o +6°C a w Arktyce o kilkanaście stopni.

Co więcej, nie można zapominać, że w roku 2100 temperatury nie przestaną rosnąć: do roku 2300 średni wzrost temperatury powierzchni Ziemi sięgnie +8°C (linia czerwona na Rysunku 5). To wywołane przez nas i naszą miłość do paliw kopalnych drastyczne ocieplanie klimatu trwać będzie dziesiątki tysięcy lat.

Wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi

Rysunek 5: Wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi dwóch scenariuszach - spalenia wszystkich paliw kopalnych (RCP 8.5) oraz ograniczenia wzrostu temperatury do 2°C (RSP3-PD). Meinshausen 2011.

Wniosek

Krzywa (a raczej cała rodzina krzywych) Marcott’a i in. nie jest ostatnim rozdziałem historii badań globalnych temperatur w Holocenie. Podobnie jak publikacja Mann’a i współpracowników z 1998 roku stanowi ona istotny punkt naukowej dyskusji na ten temat. Z pewnością ktoś zaproponuje alternatywne i może ulepszone metody badań. Jest jednak prawie pewne, że podobnie jak w przypadku rekonstrukcji Mann’a, dla okresu ostatniego tysiąclecia zasadniczy kształt krzywej temperatury wytrzyma próbę czasu i będzie miał kształt stosunkowo łagodnego garbu z powolnym trendem ochłodzenia trwającego tysiące lat od maksimum Holoceńskiego do „małego okresu lodowcowego”, co jest skutkiem wymuszeń orbitalnych i sprzężeń w systemie klimatycznym. Na samym końcu ten trend ochłodzenia jest raptownie odwrócony przez ocieplenie będące skutkiem antropogenicznych emisji gazów cieplarnianych.

Poniższy wykres pokazuje rekonstrukcję Marcott’a uzupełnioną rekonstrukcją z okresu końca ostatniego zlodowacenia (które osiągnęło szczyt 20 tysięcy lat temu) oraz prognozą ocieplenia jakiego możemy oczekiwać w najbliższych stu kilkudziesięciu latach, jeśli ludzkość szybko nie zredukuje emisji gazów cieplarnianych (scenariusz RCP 8.5).

Ocieplenie klimatu

Rysunek 6: Zmiany temperatury w ostatnich 22 000 lat. Źródła: Shakun 2012 (linia zielona), Marcott 2013 (linia niebieska), HadCRUT4, przedłużenie w przyszłość w oparciu o scenariusz RCP8.5 Meinshausen 2011 (linia czerwona).

W przeciągu dwóch stuleci temperatura powierzchni Ziemi wzrośnie o 7-8°C. Katapultujemy się ze stabilnego klimatu Holocenu, po drodze miniemy maksymalne temperatury ciepłych okresów interglacjalnych z ostatniego miliona lat (+1,5°C), klimat Pliocenu z ostatnich kilku milionów lat (+3°C), klimat z eocenu (+4°C) i nawet ten z ery dinozaurów (+5°C).

Biorąc pod uwagę tylko znane wymuszanie klimatyczne widzimy, że zrekonstruowana historia zmian temperatury pokazuje, że bez wzrostu zawartości gazów cieplarnianych w atmosferze spowodowanego przez ludzi klimat powoli ochładzałby się. Widać, że praktycznie całe obserwowane w XX wieku ocieplenie jest spowodowane przez człowieka. W maju tego roku stężenie CO2 w atmosferze przekroczyło próg 400 ppm – pierwszy raz od milionów lat. Jeśli ten trend nie zostanie powstrzymany, pod koniec XXI wieku nasza Ziemia będzie trudna do rozpoznania.

Marcin Popkiewicz na podstawie Real Climate, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon P. Malinowski

Opublikowano: 2013-09-15 12:54
Tagi

globalne ocieplenie aktywność słoneczna efekt cieplarniany klimat XX wieku pomiary i obserwacje

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