Zmiany klimatu kiedyś i dziś - w 80 lat do klimatu z czasów dinozaurów?

W atmosferze bywało już kiedyś znacznie więcej CO2 niż obecnie. Znajdujący się w ziemskiej atmosferze dwutlenek węgla (CO2) to silny gaz cieplarniany, utrudniający ucieczkę ciepła w przestrzeń kosmiczną i zapewniający sprzyjające życiu warunki na naszej planecie, a zmiany jego stężenia są ważnym czynnikiem wpływającym na ewolucję klimatu Ziemi w geologicznych skalach czasu (setki tysięcy do milionów lat).

Emitując dwutlenku węgla do atmosfery zwiększamy jego stężenie i wzmacniamy efekt cieplarniany. Czy, skoro w przeszłości geologicznej Ziemi w atmosferze bywało znacznie więcej CO2, nasze obecne działania rzeczywiście mogą prowadzić do bezprecedensowej zmiany klimatu? Czy możemy dowiedzieć się czegoś na ten temat badając przeszłość?

Andrill

Zdjęcie lotnicze Andrill – stanowiska wydobycia rdzeni osadów oceanicznych spod lodowca szelfowego w zatoce McMurdo w Antarktyce. Zdjęcie: Tim Cully, Andrill.

Rekonstruowanie stężenia CO2 w odległej przeszłości to złożony proces. W przypadku ostatnich 800 tysięcy lat sprawa jest stosunkowo prosta. Mamy próbki dawnego powietrza uwięzionego w bąbelkach w lądolodzie i możemy po prostu wykonać pomiar. Dla wcześniejszych okresów musimy polegać na metodach pośrednich, określanych mianem „proksy”. Lista wykorzystywanych w badaniach paleoklimatu proksy znajduje się m.in. w 5 Raporcie IPCC w tabeli 5.A.2 w rozdziale 5 „Informacje z archiwów paleoklimatycznych”.

Rysunek 1: Kompilacja dostępnych danych (patrz tekst) o stężeniach CO2 w ciągu ostatnich 450 milionów lat. Skala czasu jest odcinkami logarytmiczna (podobny odcinek po lewej odpowiada setkom milionów lat, po środku setkom tysięcy lat, a po prawej setkom lat). Logarytmiczna jest również pionowa skala stężenia CO2. Dla danych geologicznych dopasowana została wygładzona linia ciągła, z rozmyciem odpowiadającym niepewnościom. Czarna linia reprezentuje najbardziej prawdopodobną historię zmian stężeń CO2 na podstawie proxy z 68% przedziałem ufności zaznaczonym kolorem czerwonym, a 95% przedziałem ufności kolorem różowym. Niebieska linia to dane o stężeniach CO2 z rdzeni lodowych. Scenariusze emisji gazów cieplarnianych RCP są zaznaczone kolorami po prawej stronie.

Na rysunku 1 zaznaczone są wszystkie dostępne rekonstrukcje CO2 dla okresu ostatnich 423 milionów lat i informacje z rdzeni lodowych (w sumie prawie 800 punktów pomiarowych), zestawione z późniejszymi zapisami i prognozami dla przyszłości. Dane z rekonstrukcji paleoklimatycznych są dostępne tutaj, dane z rdzeni lodowych tutaj i tutaj, dane historyczne i z bliskiej przeszłości (też na podstawie rdzeni lodowych) tutaj, a prognozy stężeń CO2 w przyszłości tutaj.

Widoczne na wykresie silne wahania stężeń CO2 w najdawniejszych czasach wynikają przede wszystkim ze zmienności warunków na Ziemi, powodowanych np. zmianami aktywności wulkanicznej i intensywnością wietrzenia skał (piszemy o tym dalej, w części poświęconej termostatowi węglowemu), zmianą układu kontynentów i zmianami orbity planety, powodującymi m.in. dobrze znany cykl epok lodowcowych i interglacjałów).

Dodatkowo, „rozrzut” danych pomiarowych wynika ze sporego „szumu”, związanego z określaniem koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze za pomocą metod pośrednich z próbek geologicznych, Jest to dużo trudniejsze i obciążone większą niepewnością niż współczesne pomiary prowadzone na bieżąco. Aby uwidocznić długoterminowy trend, do punktów pomiarowych dopasowaliśmy wygładzoną krzywą, uwzględniającą niepewność zarówno datowania jaki i stężenia CO2 w każdym z punktów pomiarowych. Dane tej wygładzonej krzywej są dostępne tutaj.

Analiza zmian prowadzi do szeregu interesujących wniosków:

  • Pomimo znaczących wahań, w ostatnich 450 milionach lat zachodzi stopniowy spadek stężenia CO2. Średnio rzecz biorąc wynosił on 13 ppm na milion lat.
  • Wartości zbliżone do obecnych (400 ppm) po raz ostatni miały miejsce około 3-5 milionów lat temu, choć po raz ostatni długoterminowe średnie stężenie było na tym poziomie w Miocenie – 16 milionów lat temu (patrz dyskusja tutaj).
  • Przez większość ostatnich 450 milionów lat stężenie CO2 w atmosferze Ziemi utrzymywało się na wyższym poziomie niż obecnie (za wyjątkiem okresu Perm-Karbon ~300 milionów lat temu), kiedy to stężenie CO2 było zbliżone do obecnego.
  • Zgodnie ze scenariuszem emisji „Biznes-jak-zwykle” (RCP8.5 na rysunkach), atmosferyczne stężenie CO2 osiągnie na początku XXII wieku (za niecałe 100 lat) 1000 ppm. Po raz ostatni tak wysokie stężenie CO2 było w Eocenie, tj. w najcieplejszym okresie w ostatnich 50 milionach lat. Temperatura naszej planety była wtedy tak wysoka, że lądolody całkowicie zniknęły (poziom morza był wyższy o około 65 m), a, jak wynika z ostatnich analiz, że średnia temperatura powierzchni Ziemi mogła być wyższa nawet o +13 ± 2,6°C niż obecnie (Cabellero and Huber, 2013). Za blisko połowę tej zmiany odpowiadało nie samo wysokie stężenie CO2, lecz uruchomione przez nie „wolne sprzężenie zwrotne”, czyli zjawiska nasilające zmianę klimatu (takie jak utrata przez Ziemię lądolodów, zmiany wegetacyjne), a także inny układ kontynentów.
  • Zgodnie ze scenariuszem „Biznes-jak-zwykle” (RCP8.5), do 2250 roku atmosferyczne stężenie CO2 sięgnie 2000 ppm. Po raz ostatni miało to miejsce około 200 milionów lat temu, na przełomie Triasu i Jury, kiedy to doszło do wzmożenia aktywności wulkanicznej i wielkich wylewów lawy (pokrywających obszar 11 mln km2), rozpadł się superkontynent Pangea i powstał Atlantyk. Więcej na ten temat tutaj.

Temperaturą steruje nie tylko CO2

Trzeba pamiętać, że ewolucja klimatu nie była związana jedynie ze zmianami stężenia CO2. Zmieniało się także rozmieszczenie kontynentów, wegetacja oraz czapy lodowe wpływające na albedo planety (http://www.scotese.com/). Co najistotniejsze, ewolucja naszej gwiazdy – Słońca – powodowała wzrost jego mocy w czasie. O ile w relatywnie krótkich skalach czasowych (do ok. 5 milionów lat) ten ostatni efekt można ignorować, to przez ponad 400 milionów lat natężenie promieniowania słonecznego wzrosło o około 4%, co przekłada się na wzrost wymuszania radiacyjnego (czyli wzrost ilości energii docierającej do Ziemi) o ~12 W/m2.

Rysunek 2 przedstawia zmiany wymuszania radiacyjnego w rozpatrywanym okresie, zarówno związane ze zmianami atmosferycznego stężenia CO2, jak i aktywności Słońca (na podst. Byrne i Goldblatt, 2014). Okazuje się, że pomimo znacznego wzrostu mocy Słońca, sumaryczne wymuszanie CO2 i promieniowania słonecznego utrzymywało się na bardzo stabilnym poziomie. Odpowiada za to silne ujemne sprzężenie zwrotne, stabilizujące temperaturę planety, zwane termostatem węglowym (patrz m.in. tutaj i tutaj).

Rysunek 2. Wymuszanie radiacyjne ziemskiego systemu klimatycznego powodowane zmianami stężenia CO2 i natężenia promieniowania słonecznego w ostatnich 450 milionach lat. Dane CO2 i prognozy jak na rysunku 1. Zmiany natężenia promieniowania słonecznego zgodnie z Byrne i Goldblatt, 2014.Czerwona obwódka to stopień niepewności związany z niepewnościami danych o stężeniach CO2 jak na rysunku 1.

Termostat węglowy

Jak działa termostat węglowy? Wulkany emitują dwutlenek węgla. Gdyby emisje te nie były równoważone przez procesy pochłaniania (głównie wietrzenie skał i usuwanie do osadów oceanicznych), ilość CO2 w atmosferze nieustannie by rosła. Na rysunku 3 możemy zobaczyć schemat tego wolnego cyklu węglowego.

cykl węglowy

Rysunek 3. Schemat wolnego cyklu węglowego i działania termostatu węglowego. Reakcja w zapisie skróconym. Adaptacja z Laboratory of Atmospheric and Space Physics.

Kluczowym etapem jest wietrzenie skał (punkt 3 na rysunku), które bardzo silnie zależy od temperatury. Im wyższa temperatura, tym szybciej przebiega wietrzenie.

Powiedzmy, że z jakichś względów temperatura powierzchni Ziemi wzrośnie (bo na przykład wzrośnie aktywność słoneczna, wulkany wpompują do atmosfery dużo CO2, zmieni się ułożenie kontynentów lub ich rzeźby albo suchszy klimat spowolni usuwanie dwutlenku węgla z atmosfery). W takiej sytuacji procesy wietrzenia przyspieszą, usuwając CO2 z atmosfery, co zmniejszy siłę efektu cieplarnianego i ustabilizuje temperaturę.

Co zaś się stanie, jeśli z jakichś względów temperatura spadnie (na przykład spadnie aktywność słoneczna, osłabi się aktywność wulkaniczna lub wzrośnie nasilająca procesy wietrzenia skał i usuwania dwutlenku węgla z atmosfery wilgotność)? W takiej sytuacji spadek temperatury wyhamuje reakcje wietrzenia, co zatrzyma w atmosferze więcej CO2 i wzmocni efekt cieplarniany.

Jak skuteczny jest ten mechanizm? Bardzo: analiza proksy paleoklimatycznych pokazuje, że decydujące o temperaturze planety wymuszanie radiacyjne w ostatnich ponad 400 milionach lat wahało się w niewielkim przedziale ± 5 W/m2 (rysunek 2).

Oczywiście, stabilizujący klimat mechanizm termostatu węglowego jest dość powolny i nie jest w stanie zadziałać dość szybko, by uporać się z naszymi błyskawicznymi w skali geologicznej (o skali czasowej stuleci) emisjami CO2. W scenariuszu spalenia całości paliw kopalnych (RCP8.5) „przełamiemy” więc stabilizujący wpływ termostatu węglowego i katapultujemy klimat planety do absolutnie ekstremalnych warunków, nie mających precedensu w historii geologicznej Ziemi. Do tego zrobimy to w niespotykanym tempie.

Jak jest więc odpowiedź na pytanie: „Jak dawno temu miał miejsce znany nauce wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi rzędu 10°C w przeciągu 300 lat (do czego doprowadzimy spalając całość węgla, ropy i gazu)?”. Brzmi ona: NIGDY. Przeprowadzimy eksperyment bez precedensu w historii naszej planety.

Co więcej, wzrost stężenia CO2 do poziomów z Eocenu w scenariuszu emisji „Biznes-jak-zwykle” bynajmniej nie spowoduje prostego odtworzenia tamtego klimatu. Moc Słońca jest obecnie większa, więc wyższy będzie też wzrost temperatury. Tempo wzrostu temperatury będzie absolutnie bezprecedensowe, prowadząc do szeregu zjawisk, do których mogłoby nie dojść w scenariuszu znacznie powolniejszego tempa zmian: gwałtowne procesy destabilizacji lądolodów prowadzące do skokowego wzrastania poziomu morza, masowe wymieranie gatunków, nie będących w stanie zaadaptować się do gwałtownych zmian klimatu (ani drogą ewolucji, ani drogą migracji), gwałtowny spadek dostępności jonów węglanowych w oceanie (niezbędnych do budowy szkielecików i muszli przez wiele gatunków zooplanktonu, małży itp.), gwałtowny rozpad wiecznej zmarzliny prowadzący do emisji metanu, destabilizacja oceanicznych pokładów hydratu metanu prowadząca do anoksji oceanicznej a być może do odtworzenia scenariusza zbliżonego do wielkiego wymierania z przełomu Permu i Triasu, kiedy to wymarło ponad 90% zamieszkujących Ziemię gatunków.

Marcin Popkiewicz, prof. Szymon Malinowski, w oparciu o „Past and future CO2” Gavin Foster, Dana Royer i Dan Lunt

Opublikowano: 2015-03-23 00:20
Tagi

dwutlenek węgla efekt cieplarniany paleoklimatologia

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