Mit: Para wodna jest najważniejszym gazem cieplarnianym

Najważniejszym gazem cieplarnianym jest para wodna. Stanowi ona 95 proc. wszystkich gazów cieplarnianych w atmosferze. (Wprost)

To właśnie para woda sprawia, że CO2 jest takie groźne. Dodatnie sprzężenie zwrotne pary wodnej wzmacnia zaburzenia klimatu (czy będzie to ocieplenie, czy ochłodzenie). Oszacowano, że obecność pary wodnej podwoi wzrost temperatur spowodowany podwojeniem stężenia CO2.

Mapa świata z zaznaczonymi kolorowo zawartościami pary wodnej w atsmoferze.

Średnia zawartość pary wodnej w atmosferze w lipcu 2013. Wizualizacja: Reto Stockli, NASA's Earth Observatory, na pdostawie danych z przyrządu MODIS Atmosphere Science Team, dzięki uprzejmosci NASA Goddard Space Flight Center. Źródło.

Fakt, że para wodna jest najsilniejszym gazem cieplarnianym, nie umniejsza roli dwutlenku węgla. Po pierwsze, zawartość pary wodnej w atmosferze zmienia się w skali dni, zgodnie z cyklem parowania i opadów. Tymczasem dwutlenek węgla, uwolniony w procesie spalania paliw kopalnych, trwa w atmosferze tysiące, a nawet setki tysięcy lat.

Po drugie, „więcej” niekoniecznie oznacza „skuteczniej”. Para wodna skupia się blisko powierzchni Ziemi, tymczasem to gazy cieplarniane w wyższych warstwach atmosfery najskuteczniej blokują ucieczkę ciepła w kosmos. Co więcej, każda kolejna porcja gazu cieplarnianego coraz słabiej wpływa na wzrost temperatury – dotyczy to zarówno pary wodnej, jak i dwutlenku węgla czy metanu.

Po trzecie, para wodna odpowiada za największe dodatnie sprzężenie w systemie klimatycznym. Wzrost temperatur wzmaga parowanie. Wzrost zawartości pary wodnej wzmacnia efekt cieplarniany, rosną temperatury i znów wzrasta parowanie. Ten efekt potęguje wzrost temperatur pierwotnie uruchamiany przez wzrost koncentracji dwutlenku węgla.

Długożyjące gazy cieplarniane mocno wpływają na klimat – i to mimo stosunkowo niewielkich stężeń. Symulacje wskazują, że gdyby wszystkie je usunąć z atmosfery, w ciągu kilkudziesięciu lat temperatura spadłaby o 35 stopni. Rezultatem byłaby nawet nie epoka lodowcowa, ale pokryta lodem Ziemia-śnieżka.

Skeptical Science, tłumaczenie Marcin Popkiewicz, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon P. Malinowski.

Skrót na podstawie wersji pełnej: Marta Śmigowska

Czytaj więcej: Para wodna to 95-99% efektu cieplarnianego

Chcesz dowiedzieć się więcej? Zobacz wyjaśnienie pełne.

Na każde 100 cząsteczek gazów cieplarnianych w atmosferze, 90 to cząsteczki pary wodnej, a przy powierzchni Ziemi – nawet 95-98. Jest to też gaz cieplarniany najsilniej przyczyniający się do efektu cieplarnianego. To jednak nie oznacza, że wpływ innych gazów cieplarnianych można pominąć – wręcz przeciwnie, wpływ zmiany ilości tych gazów w atmosferze jest bardzo znaczący, co więcej, jest on wzmacniany właśnie przez parę wodną, która odpowiada za główne dodatnie sprzężenie w naszym systemie klimatycznym i wzmacnia każde ocieplenie i ochłodzenie. To dodatnie sprzężenie to przyczyna, dla której klimat jest tak wrażliwy na ocieplenie spowodowane przez CO2.

Mapa świata z zaznaczonymi kolorowo zawartościami pary wodnej w atsmoferze.

Średnia zawartość pary wodnej w atmosferze w lipcu 2013. Wizualizacja: Reto Stockli, NASA's Earth Observatory, na pdostawie danych z przyrządu MODIS Atmosphere Science Team, dzięki uprzejmosci NASA Goddard Space Flight Center. Źródło.

Wśród gazów cieplarnianych znajdziemy dwutlenek węgla (CO2), metan (CH4), tlenek azotu (N2O) i oczywiście parę wodną. Stanowiące 99,96% atmosfery azot, tlen i argon nie pochłaniają podczerwieni i nie są gazami cieplarnianymi. Te 99,96% to tzw. sucha atmosfera, bez uwzględnienia pary wodnej.

Dwutlenek węgla i inne gazy cieplarniane wprowadzone przez nas do atmosfery pozostaną w niej bardzo długo, w przypadku dwutlenku węgla pochodzącego ze spalania paliw kopalnych – tysiące, a nawet setki tysięcy lat (Archer 2006).

Para wodna to bardzo szczególny gaz, który bardzo szybko dostosowuje swoją zawartość w atmosferze do innych czynników, takich jak temperatura czy ciśnienie. Woda trafia do powietrza przez parowanie, którego tempo zależy od temperatury oceanu i powietrza, zgodnie z równaniem Clausiusa-Clapeyrona. Kiedy powietrze zawiera zbyt dużo pary wodnej, spada deszcz i wilgotność maleje. Kiedy jest sucho, woda paruje i wilgotność rośnie – skala czasowa tego procesu jest liczona w dniach. Ilość wody, którą może pomieścić powietrze, bardzo silnie zależy od temperatury – w wysokiej temperaturze atmosfera może pomieścić dużo pary wodnej, w niskiej – bardzo mało.

Para wodna - nasycenie

Poziom nasycenia powietrza parą wodną (na poziomie morza) w zależności od temperatury. Źródło.

Spośród wszystkich gazów cieplarnianych cząsteczki pary wodnej występują najliczniej, stanowiąc średnio 0,4% atmosfery (przy powierzchni jest jej więcej, w granicach 1-4%). Drugim pod względem ilości gazem cieplarnianym jest dwutlenek węgla, którego zawartość wynosi 0,04%, pozostałe gazy występują w stężeniach śladowych. Jeśli policzyć cząsteczki gazów cieplarnianych na sztuki, to przy powierzchni Ziemi rzeczywiście, jak zwracają uwagę sceptycy, 95-98% cząsteczek gazów cieplarnianych stanowi para wodna (a średnio w atmosferze około 90%). To jednak nie znaczy, że pozostałe gazy cieplarniane są nieistotne.

Różne gazy cieplarniane pochłaniają podczerwień w różnych długościach fal i z różną intensywnością. Obliczenie względnego wpływu poszczególnych gazów cieplarnianych na temperaturę Ziemi jest skomplikowane, bo częstotliwości, na których te gazy pochłaniają promieniowanie (tzw. pasma absorpcyjne) zachodzą na siebie.

Uśredniając te wartości, możemy przyjąć w przybliżeniu, że 75% promieniowania podczerwonego pochłanianego w atmosferze jest absorbowane przez parę wodną (wraz z chmurami), 20% przez dwutlenek węgla, a 5% przez pozostałe gazy cieplarniane (Schmidt 2010). Efekt ten jest też obserwowany – potwierdzają go pomiary promieniowania podczerwonego, które powraca do powierzchni Ziemi (Evans 2006).

Tabela

Wpływ poszczególnych gazów cieplarnianych. Dla pary wodnej przedstawione są dwa obliczenia – bez chmur i z chmurami. Chmury przytrzymują podczerwień przy ziemi (to dlatego w bezchmurne noce robi się tak zimno), lecz z drugiej strony odbijają światło słoneczne nie dopuszczając go do powierzchni ziemi, w ten sposób obniżając ilość docierającej do niej energii – oba efekty w dużym stopniu się znoszą (Schmidt 2010).

Gazem cieplarnianym pochłaniającym najwięcej podczerwieni jest rzeczywiście para wodna, jednak jej wpływ jest słabszy, niż wskazywałaby na to jej procentowa zawartość w atmosferze (90% cząsteczek gazów cieplarnianych). Dzieje się tak z dwóch powodów. Po pierwsze – jest ona skupiona blisko powierzchni, a o efektywności ucieczki energii spod „klosza” gazów cieplarnianych najmocniej decyduje ich zawartość w wyższych warstwach atmosfery. Po drugie, każda kolejna porcja gazu cieplarnianego coraz słabiej wpływa na wzrost temperatury. Dotyczy to zarówno pary wodnej, jak i dwutlenku węgla i pozostałych gazów cieplarnianych. Jeśli pewna ilość gazu cieplarnianego podnosi temperaturę o Tx, to do podniesienia temperatury o następne Tx potrzeba już kolejnych dwóch porcji gazu, a do podniesienia temperatury o trzecie Tx trzeba wpuścić następne cztery porcje.

Para wodna: dodatnie sprzężenie zwrotne w systemie klimatycznym

Choć para wodna jest najsilniejszym gazem cieplarnianym, to jej ilość w atmosferze bardzo mocno zależy od innych czynników, szczególnie temperatury – co nie dotyczy innych gazów cieplarnianych, których czas życia w atmosferze jest dłuższy o całe rzędy wielkości. Para wodna dostosowuje się do działania innych czynników – zmiany jej ilości nie są przyczyną, lecz skutkiem.

Para wodna odpowiada za największe dodatnie sprzężenie w systemie klimatycznym (Soden 2005). Jest też kluczową przyczyną, dla której temperatura jest tak wrażliwa na zmiany CO2. Gdy z jakiegokolwiek powodu (np. wzrostu zawartości CO2 czy CH4 w powietrzu) podniesie się temperatura powierzchni Ziemi, to zwiększa się parowanie. Powietrze zawiera coraz więcej cząsteczek wody, a ponieważ para wodna jest gazem cieplarnianym, wzmaga się efekt cieplarniany, co z kolei powoduje wzrost parowania. W ten sposób efekt działania długożyjących gazów cieplarnianych (np. CO2) zostaje wzmocniony.

Patrząc na tabelę powyżej można zauważyć, że gdyby usunąć inne gazy cieplarniane, to sama para wodna zapewniłaby większość efektu cieplarnianego – jednak przy założeniu, że jej ilość w atmosferze pozostanie na niezmienionym poziomie. Gdyby jednak usunąć wpływ efektu cieplarnianego innych, długożyjących gazów cieplarnianych, to temperatura spadłaby o prawie 10°C. W tak ochłodzonym powietrzu znaczna część zawartej w nim pary wodnej skondensowałaby i opadła na powierzchnię. Efekt cieplarniany pary wodnej gwałtownie by osłabł, temperatura spadłaby jeszcze bardziej, co spowodowałoby dalszy spadek zawartości pary wodnej w atmosferze. W takich warunkach zaczęłyby narastać czapy polarne, a temperatura spadłaby jeszcze bardziej… Jak by się to skończyło?

Odpowiedzi na to pytanie dostarczył zespół naukowców z Instytutu Badań Kosmicznych NASA im. Goddarda, który przeprowadził symulację zachowania klimatu Ziemi po usunięciu z niej wszystkich długożyjących gazów cieplarnianych. W symulacji temperatura powierzchni Ziemi w ciągu kilkudziesięciu lat spadła o 35 stopni, koncentracja pary wodnej spadła dziesięciokrotnie, a oceany pokryły się prawie całkowicie lodem. Jak to możliwe, że temperatura spadła o 35 stopni, podczas gdy naturalny efekt cieplarniany podnosi temperaturę Ziemi o 33 stopnie? Stało się tak, ponieważ Ziemia pokryła się odbijającym światło lodem. Tak więc rezultatem usunięcia z atmosfery długożyjących gazów cieplarnianych okazuje się nawet nie epoka lodowcowa, lecz wręcz pokryta lodem Ziemia-śnieżka (Lacis 2010).

Jak bardzo obecność pary wodnej wzmacnia efekt cieplarniany CO2? Bez pary wodnej, podwojenie poziomu dwutlenku węgla ogrzałoby Ziemię o trochę ponad 1°C. Obecność wody i dodatnie sprzężenie pary wodnej mniej więcej podwaja ocieplenie będące rezultatem podwojenia koncentracji CO2. Uwzględniając inne sprzężenia (takie jak zmniejszanie albedo Ziemi – czyli wzrost powierzchni ciemnych, pochłaniających światło – przy topnieniu lodu czap polarnych), całkowite ocieplenie przy podwojeniu CO2 wynosi około 3°C (Held 2000).

Empiryczne pomiary sprzężenia wywołanego przez parę wodną i czułości klimatu

Efekt pary wodnej, wzmacniający zmiany wywołane innymi czynnikami, zaobserwowano podczas globalnego ochłodzenia po wybuchu wulkanu Pinatubo (Soden 2001). Ochłodzenie spowodowało wysuszenie atmosfery, które wzmocniło spadek temperatury. Wrażliwość klimatu zbliżoną do 3°C potwierdziło też wiele badań rozpatrujących, jak klimat reagował na różne wymuszenia w przeszłości (Knutti & Hegerl 2008).

Prowadzone od 1988 roku pomiary satelitarne pokazują wzrost stężenia pary wodnej w atmosferze wynoszący około 0,41 kg/m² na dekadę. Dla rozpoznania przyczyny tego wzrostu przeprowadzono badania zwane „fingerprinting” (Santer 2007). Objęły one rygorystyczne testy statystyczne wszelkich możliwych wyjaśnień zmian. Wyniki testów, przeprowadzonych z użyciem 22 różnych modeli klimatu (praktycznie wszystkich najważniejszych na świecie), pozwalają stwierdzić, że ostatni wzrost wilgotności atmosfery nie jest wynikiem wymuszenia słonecznego, ani stopniowego powrotu do stanu sprzed wybuchu Pinatubo w 1991 roku. Podstawowym powodem jest wzrost poziomu CO2 wywołany spalaniem paliw kopalnych.

Zarówno teoria, jak i obserwacje oraz symulacje klimatu wskazują, że każdy stopień Celsjusza ocieplenia dolnej atmosfery skutkuje wzrostem zawartości pary wodnej w atmosferze o 6 do 7,5%. Obserwowane zmiany temperatury, wilgotności i cyrkulacji atmosferycznej są zgodne z prawami fizyki. Kiedy sceptycy nazywają parę wodną głównym gazem cieplarnianym – mają rację. Jednak zapominają, że para wodna odpowiedzialna jest za dodatnie sprzężenie zwrotne, które tak bardzo uwrażliwia nasz klimat na zmiany koncentracji CO2 w powietrzu.

Skeptical Science, tłumaczenie Marcin Popkiewicz, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon P. Malinowski.

Czytaj więcej: Para wodna to 95-99% efektu cieplarnianego

Opublikowano: 2013-09-27 12:15
Tagi

efekt cieplarniany mit o klimacie para wodna

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