Lepsza zgodność modelu z obserwacjami - wyższa czułość klimatu

Osoby negujące zagrożenie antropogeniczną zmianą klimatu wysunęły wiele argumentów, dlaczego mielibyśmy się nią zanadto nie przejmować – dobrze ponad setkę. Jednak większość tych argumentów jest słaba merytorycznie, wzajemnie sprzeczna i łatwa do obalenia po zapoznaniu się z recenzowaną literaturą naukową. Najlepiej przygotowani merytorycznie klimatyczni sceptycy skupiają się więc na kwestii stosunkowo najmniej nieprawdopodobnej, twierdząc, że czułość klimatu (wzrost temperatury powierzchni w odpowiedzi na podwojenie stężenia CO2 w atmosferze) jest niska, przez co nasze emisji gazów cieplarnianych spowodują jedynie umiarkowaną zmianę klimatu.

Rysunek 1: Chmury różnych pięter, kampus SGGW w Warszawie. Zdjęcie: A. Kardaś

Przedstawiając takie twierdzenia, muszą je jednak uzasadnić, bo w ziemskim systemie klimatycznym działa wiele sprzężeń wzmacniających ocieplanie klimatu. Na przykład, w cieplejszej atmosferze znajduje się więcej pary wodnej, która będąc gazem cieplarnianym, powoduje dalsze ocieplenie. W cieplejszym klimacie topnieje też lód, zmniejszając albedo Ziemi i prowadząc do pochłaniania większej części docierającej do powierzchni Ziemi energii słonecznej. Jest też wiele innych sprzężeń wzmacniających ocieplanie klimatu, ale niewiele ją osłabiających.

Jednym z potencjalnych kandydatów na mechanizm sprzężenia ujemnego są chmury. Z jednej strony składają się z wody, więc wzmacniają globalne ocieplenie, blokując ucieczkę promieniowania podczerwonego emitowanego przez powierzchnię Ziemi, ale z drugiej ich albedo jest wysokie, na ogół więc odbijają więcej padającego na nie promieniowania słonecznego niż powierzchnia planety pod nimi. To, który efekt przeważa, zależy od rodzaju chmury, tak więc to, czy zmiany zachmurzenia będą przyspieszać globalne ocieplenie czy spowalniać je, zależy od tego, jak zmieniają się własności chmur w cieplejszym świecie. Mamy trudności z symulacjami numerycznymi zachowania chmur i wyniki w tym obszarze obarczone są sporą dozą niepewności, co umożliwia twierdzenie przez klimatycznych „sceptyków”, że chmury mogą w sumie działać jak termostat stabilizujący zmiany klimatu.

Naukowcy z uniwersytetu Stanforda, Patrick Brown i Ken Caldeira, opublikowali w czasopiśmie Nature badania (Brown i Caldeira, 2017), w ramach których przeanalizowali zgodność prognoz globalnych modeli klimatu z obserwacjami w zakresie opuszczającego Ziemię promieniowania krótkofalowego (odbitego promieniowania słonecznego), opuszczającego Ziemię promieniowania długofalowego oraz nierównowagi bilansu energetycznego na szczycie atmosfery. Weryfikacji podlegały wartości średnie oraz skala zmian sezonowych i miesięcznych.

Rysunek 2: Panele a-d) Porównanie prognozowanego wzrostu temperatury w różnych scenariuszach emisji (RCP 2.6, 4.5, 6.0 i 8.5). Kolorem niebieskim pokazane są wyniki symulacji całej wiązki modeli, kolorem czerwonym – tylko modeli dobrze odtwarzających wyniki pomiarów, kolorem szarym symulacje historyczne, a kolorem żółtym wyniki obserwacji z serii pomiarowej Berkeley Earth Surface Temperature. Panel e) pokazuje równowagową czułość klimatu dla wszystkich modeli (średnia 3,1°C) i modeli poprawnie odtwarzających analizowane zmienne obserwacyjne (średnia 3,7°C). Źródło Brown i Caldeira, 2017.

Modele najlepiej odtwarzające to, co już zaobserwowano, prognozują większy wzrost temperatur w poszczególnych scenariuszach emisji. Na przykład, utrzymanie ocieplenia poniżej progu 1,5°C w scenariuszu szybkiego ograniczenia emisji (RCP2.6) prognozuje tylko 25% najlepszych modeli, w porównaniu do 44% wszystkich modeli. Dla scenariusza emisji „biznes-jak-zwykle” (RCP8.5) to, że ocieplenie do końca stulecia będzie mniejsze niż 4°C, prognozuje zaledwie 7% najlepszych oraz 38% wszystkich modeli. Warto zauważyć, że średni wzrost temperatury prognozowany przez modele najlepiej odtwarzające wyniki obserwacji w scenariuszu emisji RCP4.5 jest równie wysoki co średnia ze wszystkich modeli w scenariuszu RCP6.0. Wskazuje to, że nawet w przypadku dekarbonizacji zgodnej ze scenariuszem emisji RCP4.5 (w którym emisje CO2 są o 800 mld ton mniejsze niż w scenariuszu RCP6.0), możemy spodziewać się wzrostu temperatury odpowiadającego standardowym symulacjom dla scenariusza emisji RCP6.0. Modele, które najlepiej odtwarzały wyniki pomiarów charakteryzowały się wyższą czułością klimatu – rzędu 3,7°C w porównaniu do średniej wszystkich modeli równej 3,1°C.

Analiza wyników pokazała, że różnica pomiędzy modelami najlepiej symulującymi wyniki obserwacji i pozostałymi w największym stopniu zależy od sposobu symulowania zmian w zachmurzeniu.

Na podstawie jednego badania nie można oczywiście wyciągać zbyt daleko idących wniosków. Jest to już jednak kolejne badanie sugerujące większe wzmacnianie ocieplenia przez chmury.

Już blisko dekadę temu dwie grupy naukowców (Lauer i inni, 2010, Clement i inni, 2009) niezależnie przeanalizowały zmiany zachmurzenia w rejonie równikowym i podzwrotnikowym, wykorzystując obserwacje meteorologiczne z pokładów statków, pomiary satelitarne oraz modele klimatu. Wnioski płynące z obu prac były podobne: sprzężenie zwrotne związane z chmurami jest w tych obszarach dodatnie, co oznacza dodatkowy wzrost temperatur.

Rysunek 3: Chmury w rejonie zwrotnikowym, Antigua. Zdjęcie zapmole756, licencja CC BY-NC-ND 2.0.

Badania pokrywy chmur nad całą planetą (Dessler 2010 [pełna wersja]), prowadzone za pomocą satelitów, pokazały, że chociaż nie można wykluczyć słabego sprzężenia ujemnego, to, sumarycznie, sprzężenie związane z chmurami jest najprawdopodobniej dodatnie. Opublikowany w Science w 2012 roku artykuł (Fasullo i Trenberth, 2012) również pokazał, że modele, które najdokładniej symulują obserwowane zmiany w zachmurzeniu charakteryzują się szczególnie wysoką czułością klimatu.

Podobnie, jak pokazali w swoim artykule Sherwood i jego koledzy (Sherwood i in. 2014, wersja pełna), te modele klimatu, które lepiej odwzorowują obserwowane w naturze procesy konwekcji i zachowanie pary wodnej w atmosferze, charakteryzują się jednocześnie wyższą czułością klimatu. Modele mające wyższą czułością klimatu charakteryzują się intensywniejszym mieszaniem powietrza w dolnej troposferze, co powoduje odwodnienie warstwy granicznej atmosfery (do wysokości 2 km). W takiej sytuacji powstaje mniej niskich chmur (które odbijają dużo padającego światła słonecznego, ochładzając klimat), a transportowana w wyższe warstwy troposfery para wodna, będąc gazem cieplarnianym, blokuje ucieczkę wypromieniowywanego z powierzchni Ziemi długofalowego promieniowania podczerwonego. Więcej piszemy o tym w artykule Chmury, klimat i przyśpieszony wzrost temperatur.

Podsumowanie

Wciąż mamy wiele niepewności na temat tego, jak w ocieplającym klimacie będą zachowywać się chmury i jak wpłynie to na zmianę klimatu. Kolejne badania pokazują jednak, że będą one działać jako sprzężenie dodatnie, silniejsze, niż wcześniej uważano. Chmury nie wybawią nas z kłopotu – konieczne jest szybkie zredukowanie emisji.

Osoby negujące zagrożenie antropogeniczną zmianą klimatu często argumentują, że globalnym ociepleniem nie trzeba się przejmować, bo modele nie są wystarczająco dokładne. Analiza Browna i Caldeiry pokazuje, że choć modele rzeczywiście przedstawiają zróżnicowane prognozy, to nie można tego traktować jak dowodu na to, że modele przeszacowują prognozy zmiany klimatu. Wręcz przeciwnie, rezultaty badania stanowią kolejny argument wskazujący, że największą zmianę klimatu prognozują właśnie modele najlepiej symulujące obecny klimat.

Marcin Popkiewicz, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon P. Malinowski

Opublikowano: 2018-02-01 15:50
Tagi

czułość klimatu

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