Mit: Temperatura rośnie 'tylko logarytmicznie' z koncentracją CO2

Liniowy wzrost stężenia CO2 powoduje zaledwie logarytmiczny wzrost temperatury, a więc kolejne porcje naszych emisji będą powodować coraz mniejszy wzrost temperatury.

Prawdą jest, że gdy koncentracja CO2 w atmosferze podwaja się, temperatura rośnie tylko o stałą wartość. Jednak przy aktualnej zawartości CO2 w atmosferze z dobrym przybliżeniem spełniona jest zależność, że na każde 500 mld ton spalonego węgla pierwiastkowego (1833 mld ton emisji CO2) można oczekiwać wzrostu temperatury o około 1°C. Ponadto, w miarę coraz szybszego wzrostu emisji CO2 wzrost temperatury będzie coraz szybszy.

Termometr zaokienny

Coraz wolniejszy wzrost temperatury w funkcji stężenia CO2

Najbardziej uporczywe mity bazują na technicznie prawdziwych stwierdzeniach. Tak też jest i w tym przypadku.

Mówiąc o wzroście temperatury w reakcji na zwiększanie się ilości gazów cieplarnianych w atmosferze mamy na myśli całkowity wzrost średniej temperatury. Ponieważ obecnie ilość energii w ziemskim systemie klimatycznym zwiększa się, to także temperatura będzie wzrastać. Wzrost ten zatrzyma się dopiero w momencie, gdy bilans energetyczny Ziemi będzie zerowy, czyli Ziemia zacznie emitować tyle samo energii w przestrzeń kosmiczną, ile otrzymuje od Słońca. Wówczas ilość energii w systemie klimatycznym przestanie rosnąć.

Zarówno symulacje numeryczne modelami klimatu, jak i badania paleoklimatyczne oraz pomiary bezpośrednie pokazują, że w odpowiedzi na podwojenie się atmosferycznej koncentracji CO2 (co odpowiada wymuszaniu radiacyjnemu 4 W/m2) Średnia temperatura powierzchni Ziemi wzrośnie najprawdopodobniej o około 3°C.

Wzrostowi koncentracji dwutlenku węgla z przedprzemysłowego poziomu 280 ppm do dwukrotnie większego poziomu 560 ppm będzie więc odpowiadał wzrost temperatury o ok. 3°C. Aby temperatura wzrosła o kolejne 3°C (czyli w sumie o 6°C), potrzebny będzie dalszy wzrost stężenia CO2 w atmosferze z 560 ppm do 1120 ppm.

Liniowy wzrost temperatury w funkcji emisji

Czy można więc wyciągnąć z powyższego rozumowania wniosek, że tempo czekającego nas wzrostu temperatury będzie stopniowo spadać? Bynajmniej, w każdym razie nie, jeśli obecne trendy wzrostu emisji CO2 utrzymają się. Aby dostrzec kluczowe zależności, przyjrzyjmy się związkowi pomiędzy naszymi skumulowanymi emisjami, a przewidywanym wzrostem temperatury z V raportu IPCC.

Rysunek 1: Wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi jako funkcja skumulowanych światowych emisji CO2. Wartości średnie obliczone na podstawie symulacji wieloma modelami cyklu węglowego dla różnych ścieżek zmian koncentracji gazów cieplarnianych (RCP) do 2100 roku są pokazane za pomocą kolorowych linii i średnich wartości dla dekad (kropki). Wyniki symulacji historycznych (1860-2010) są pokazane kolorem czarnym. Kolorowe cieniowanie ilustruje zakres wyników symulacji wieloma modelami w różnych scenariuszach RCP. Średnią i zakres wyników symulacji wielu modeli CMIP5, przy wzroście koncentracji CO2 w atmosferze o 1% rocznie pokazano czarną linią i szarym cieniowaniem. Dla określonej wartości skumulowanych emisji CO2, symulacje dla wzrostu koncentracji o 1% rocznie pokazują mniejsze ocieplenie niż dla symulacji sterowanych przez RCP, które uwzględniają inne niż CO2 czynniki wymuszające. Wzrost temperatury podano względem okresu bazowego 1861-1881. Średnie dekadalne połączone są prostymi odcinkami. Źródło AR 5 IPCC.

Wykres pokazuje, że temperatura rośnie prawie liniowo z ze wzrostem skumulowanych emisji. W przypadku scenariusza „biznes jak zwykle”, odpowiadającemu czerwonej ścieżce RCP8.5, wzrost temperatury z dekady na dekadę przyspiesza (co pokazują coraz dalej leżące od siebie kropki średnich wartości dla kolejnych dekad). Dlaczego tak jest i czy jest to zgodne z logarytmiczną zależnością wzrostu temperatury od stężenia CO2 w atmosferze?

Podsumujmy kilka podstawowych faktów, na bazie których odtworzymy rysunek 1:

  • Nie wszystkie nasze emisje CO2 kumulują się w atmosferze – zostaje w niej jedynie około 45% naszych emisji
  • Aby atmosferyczne stężenie CO2 wzrosło o 1 ppm, w atmosferze musi przybyć 2,12 GtC.
  • Zależność pomiędzy stężeniem CO2 w atmosferze, a powodowanym przez niego wzrostem wymuszania radiacyjnego ma charakter logarytmiczny (Trzeci Raport IPCC - TAR, Tabela 6.2): RF = 5,35•ln (C/C0), gdzie RF – wymuszanie radiacyjne wyrażone w W/m2, C – koncentracja CO2 wyrażona w cząsteczkach na milion cząsteczek powietrza [ppm], C0 – referencyjna koncentracja CO2 wyrażona w cząsteczkach na milion cząsteczek powietrza (zwykle atmosferyczne stężenie CO2 przed Rewolucją Przemysłową – 280 ppm).
  • Podwojenie koncentracji CO2 (wzrost wymuszenia radiacyjnego o 3,7 W/m2) powoduje wzrost temperatury o 3°C.

Poniżej znajduje się tabela z wynikami naszych obliczeń. Na przykład: jeśli od początku epoki przemysłowej do pewnego momentu wyemitowano 500 GtC (co odpowiada 1833 mld ton CO2), w atmosferze pozostało 45% wyemitowanego CO2, czyli 225 GtC. Spowodowało to wzrost koncentracji CO2 w atmosferze o 225/2,12=106 ppm, czyli do poziomu 386 ppm. Takiemu stężeniu CO2 odpowiada wzrost wymuszania radiacyjnego o 5,35•ln (386/280) = 1,72 [W/m2]. Oczekiwana w takim wypadku zmiana temperatury wyniesie więc 3•1,72/3,7=1,39 [°C].

Tabela 1. Związek między skumulowanymi emisjami, a wzrostem temperatury. UWAGA: Nasz model (podobnie jak rysunek 1) dotyczy jedynie emisji dwutlenku węgla, nie obejmując ani wpływu innych gazów cieplarnianych ani ochładzającego wpływu aerozoli siarkowych (oba te czynniki mniej więcej się znoszą).

Dokładność tego prostego modelu jest całkiem dobra (niebieska krzywa na rysunku 2).

Rysunek 2. Do rysunku 1 została dodana niebieska linia uzyskana za pomocą naszego uproszczonego modelu. Arkusz MS Excel, który posłużył do stworzenia wykresu, jest dostępny tutaj.

Oczywiście taki model jest bardzo uproszczony. Zakłada on stały współczynnik (45%) pozostającego w atmosferze CO2. Jeśli wzrost emisji dwutlenku węgla byłby bardzo szybki, oceany i lądy nie nadążałyby z jego absorbowaniem. W ten sposób w atmosferze zostawałoby więcej CO2. Według Jones i in., 2013, dla scenariusza RCP8.5 w latach 2006-2100 w atmosferze pozostanie aż 69% naszych emisji (choć stopień niepewności jest duży). Spowoduje to podniesienie prawej części krzywej i wyprostowanie jej. W naszym modelu użyliśmy też temperatury równowagowej, podczas gdy rzeczywista temperatura, ze względu na inercję termiczną systemu klimatycznego będzie niższa. Jeśli uwzględnić to w naszym modelu, przyjmując wzrost współczynnika pozostającego w atmosferze CO2 z 45% (do 500 GtC skumulowanych emisji) do 66% (dla 2000 GtC) oraz przyjąć obserwowane odchylenie temperatury jako 80% temperatury równowagowej, to otrzymamy zależność jak poniżej:

Rysunek 3. Do rysunku 1 została dodana niebieska linia uzyskana za pomocą naszego uproszczonego modelu, uwzględniającego zmiany współczynnika pozostającego w atmosferze CO2 oraz przyjmującego, że rzeczywista temperatura wyniesie 80% temperatury równowagowej . Arkusz MS Excel, który posłużył do stworzenia wykresu, jest dostępny tutaj.

Tak więc jakościowo rzecz biorąc odtworzyliśmy trajektorię, którą podążać będzie wzrost temperatury w miarę wzrostu naszych skumulowanych emisji, odpowiadającą prawie liniowemu wzrostowi temperatury o 1°C na każde wyemitowane 500 GtC.

To, jakim tempie temperatura będzie rosnąć, zależy więc głównie od tempa emisji.

Wykładniczo przyspieszający wzrost temperatury w czasie

Trwające już od pokoleń emisje dwutlenku węgla da się wyrazić za pomocą funkcji wykładniczej, czyli takiej, w której emisje rosną o stały procent rocznie. Zwróćmy uwagę, że oznacza to coraz szybszy wzrost (na tej samej zasadzie, przy stałym oprocentowaniu na lokacie, przy kolejnych kapitalizacjach odsetek dostajemy coraz wyższe kwoty). Na rysunku 4 na historyczne emisje CO2 nałożono funkcję wykładniczą rosnącą o 2,8% rocznie.

Zmiany emisji dwutlenku węgla ze spalania paliw kopalnych

Rysunek 4. Zmiany emisji dwutlenku węgla ze spalania paliw kopalnych w okresie 1751-2012 (czarna linia); źródło: CDIAC. Niebieska linia przedstawia funkcję wykładniczą, rosnącą w tempie 2,8% rocznie (czyli podwajającą się w ciągu 25 lat).

Wzrost wykładniczy w tempie 2,8% rocznie oznacza podwojenie ilości dwutlenku węgla wyemitowanego do atmosfery w ciągu 25 lat. Po 50 latach emisje są czterokrotnie większe niż na początku, po 75 latach 8-krotnie większe, a po 100 latach 16-krotnie większe. W ciągu ostatniego ćwierćwiecza wyemitowaliśmy tyle dwutlenku węgla, co od początku Rewolucji Przemysłowej do lat 80. XX wieku. A ściślej, w ciągu 27 lat od 1986 do 2012 roku wyemitowaliśmy więcej CO2, niż od 1751 do 1985 roku (CDIAC). Kontynuacja tego scenariusza oznaczałaby, że od roku 2010 do 2050 emisje wzrosną trzykrotnie, do poziomu rzędu 100 mld ton CO2 rocznie.

Jeśli tempo wzrostu emisji utrzyma się, w każdej nadchodzącej dekadzie emitować będziemy więcej CO2 niż w poprzedniej , tym samym coraz szybciej przesuwając się na rysunku 1 w prawo (i w górę).

Jeśli postanowimy spalić całe światowe zasoby paliw kopalnych, zrealizujemy scenariusz emisji RCP8.5.

. Emisje CO2 w dwóch scenariuszach

Rysunek 5. Emisje CO2 w dwóch scenariuszach - spalenia wszystkich paliw kopalnych (RCP 8.5) oraz ograniczenia wzrostu temperatury do 2°C (RSP3-PD). W skrajnie optymistycznym scenariuszu RCP3-PD emisje są szybko ograniczane już teraz, a w II połowie XXI wieku spadają poniżej zera, co oznacza olbrzymi wysiłek i wydatki społeczeństwa (za życia naszych dzieci) w celu wychwytu wprowadzonego przez nas do atmosfery dwutlenku węgla i usuwania go z cyklu węglowego. Meinshausen i in., 2011.

Tak wysokie emisje jak w scenariuszu RCP8.5 wprowadzą do cyklu węglowego ilość węgla wystarczającą do podniesienia średniej temperatury powierzchni Ziemi o ponad 4°C od dziś do 2100 roku, co możemy z łatwością odczytać z rysunku 1. Oczywiście wzrost temperatury nie zatrzyma się 31 grudnia 2100. Śledząc emisje w scenariuszu RCP8.5 w kolejnym stuleciu, obie osie rysunku 1 należałoby rozciągnąć mniej więcej dwukrotnie. Symulacje (Meinshausen i in., 2011) przewidują w takim przypadku wzrost temperatury do 2200 roku o blisko 8°C.

Świat przed nami

Jeśli nie zmienimy toru, po którym podąża światowa gospodarka (zrealizujemy scenariusz „biznes-jak-zwykle”), możemy oczekiwać wykładniczego wzrostu emisji i przyśpieszonego ocieplenia – nawet pomimo tego, że zależność pomiędzy stężeniem CO2 i temperaturą jest, jak podkreślają ‘sceptycy’, ‘zaledwie’ logarytmiczna.

Wystarczy rzut oka na rysunek 1, by stwierdzić, że jeśli chcemy na poważnie myśleć o ograniczeniu wzrostu temperatury poniżej 2°C, to powinniśmy ograniczyć sumaryczne emisje do około 1000 GtC (3666 mld ton CO2).

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

Opublikowano: 2014-03-09 23:45
Tagi

dwutlenek węgla efekt cieplarniany mit o klimacie

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