Mit: To ocieplenie powoduje wzrost koncentracji CO2 a nie na odwrót

„Trudno (…) wiązać obecne ochłodzenie ze wzrastającą emisją CO2. Trudno było zawsze, również i wtedy gdy przez kilkadziesiąt lat, wraz z całą biosferą, cieszyliśmy się błogosławionym ciepłem (…). Obserwacje geologiczne i glacjologiczne wskazują bowiem, że od prawieków najpierw klimat się ogrzewał, a dopiero potem wzrastał poziom CO2 w atmosferze.” (Zbigniew Jaworowski)

Ocieplenie kończące epokę lodowcową jest skutkiem zmiany w ruchu orbitalnym Ziemi. Spowodowany nią wzrost temperatury w obszarach polarnych prowadzi do uwalniania CO2 z oceanów, co wzmacnia ocieplenie i skutkuje wzrostem temperatury na całej planecie. Rosnąca temperatura powoduje wzrost poziomu CO2, a rosnąca koncentracja CO2 powoduje dalsze ocieplenie.

Rysunek przedstawia termostat, z napisem CO2 na  pokrętle.

CO2 jako regulator temperatury. Źródło: NASA GISS/ Lilly Del Valle

W ciągu ostatniego pół miliona lat nasz klimat doświadczał długich okresów lodowcowych przerywanych przez stosunkowo krótkie okresy ciepłe, tak zwane interglacjały. Średnia koncentracja dwutlenku węgla w atmosferze jest z tym cyklem skorelowana i rośnie o około 90 części na milion wraz ze wzrostem temperatury na Antarktydzie o 10°C . Jeśli przyjrzymy się danym uważniej to zauważymy, że zmiany koncentracji CO2 pozostają w tyle za zmianami temperatury, „spóźniają się” średnio o ok. 1000 lat. Mimo że ten efekt został wyjaśniony już dwadzieścia lat temu (Lorius 1990), wciąż zaskakuje niespecjalistów. Czy wzrost temperatury powierzchni Ziemi powoduje wzrost CO2, czy też jest na odwrót? W rzeczywistości prawdą jest jedno i drugie.

Rysunek przedstawia wykres o dwóch osiach pionowych - temperatury oraz koncentracji dwutlenku węgla. Na osi poziomej - lata. Obie wykreślone linie mają podobny przebieg, ale są względem siebie nieco przesunięte - CO2 spóźnia się względem temperatury.

Rysunek 1: Pomiary zawartości dwutlenku węgla (linia niebieska) w rdzeniu lodowym Vostok (Petit 2000) porównane do zmiany temperatury na Antarktydzie (linia czerwona) (Barnola 2003).

Jak działa mechanizm wychodzenia z epoki lodowej?

Cyklem epok lodowych sterują niewielkie zmiany orbity i ustawienia osi obrotu Ziemi, spowodowane oddziaływaniem innych planet. Znane są one pod nazwą cykli Milankovicia, od nazwiska serbskiego naukowca, który zaproponował je jako podstawowy mechanizm powodujący występowanie epok lodowcowych.

Z początku teoria ta została odrzucona, przede wszystkim ze względu na trudności w jej sprawdzeniu, wynikające z braku dostatecznej wiedzy o cyklach epok lodowcowych i tego, że  zmiany w ilości energii docierającej do powierzchni Ziemi związane ze zmianami orbity planety były niewielkie. Dopiero pod koniec XX wieku badania rdzeni lodowych i osadów oceanicznych pozwoliły na wykazanie powiązań zmian orbity Ziemi z cyklami zmian klimatu.

Zmiany orbity praktycznie nie wpływają na całkowitą ilość energii otrzymywanej przez Ziemię w ciągu roku. Decydują jednak o tym, jak wiele energii i w jakiej porze roku otrzyma dany region Ziemi. Szczególne znaczenie mają dla dalekiej północy, gdzie bardzo dużą rolę w kształtowaniu klimatu odgrywa dodatnie sprzężenie zwrotne - zmiany w ilości docierającej od Słońca energii powodują narastanie lub zanik lądolodu, co z kolei potrafi prowadzić do zmian klimatu na skalę planetarną.

Kąt nachylenia osi obrotu Ziemi do płaszczyzny jej orbity w ruchu wokół Słońca zmienia się od 22,1 stopnia do 24,5 stopnia i z powrotem w cyklu trwającym 41 tysięcy lat. Obecnie kąt ten wynosi 23,5 stopnia i maleje - minimalne nachylenie 22,1 stopnia osiągnie za 8 tysięcy lat. Jeśli oś obrotu Ziemi jest bardziej nachylona, regiony polarne otrzymują podczas lata więcej energii (co prowadzi do wzrostu temperatury latem), zimą zaś otrzymują jej mniej (co wpływa na obniżenie temperatury). Jedno i drugie przyczynia się do zaniku czap lodowych. Kiedy temperatury latem są wysokie, lodowiec topnieje, odsłaniając powierzchnię ziemi i oceanu. Zamiana powierzchni białej na ciemną oznacza wydajniejsze pochłanianie energii słonecznej, a więc i sprawniejsze podgrzewanie. To przyspiesza dalsze topnienie lodu. Zanikowi czapy polarnej sprzyjają nie tylko wysokie temperatury latem, ale też niskie temperatury zimą. Dlaczego? Niższe temperatury oznaczają mniejsze parowanie, a więc i mniejszą zawartość pary wodnej w atmosferze, a co za tym idzie mniejsze opady śniegu w zimie. W efekcie topniejąca latem czapa lodowa nie uzupełnia masy zimą. Zmniejszanie się nachylenia osi obrotu Ziemi działa przeciwnie - chłodne lata nie sprzyjają roztapianiu lodu, podczas cieplejszych zim opady śniegu są większe, lodowiec więc przyrasta i może pełznąć w kierunku niższych szerokości geograficznych.

Rysunek przedstawia kulę ziemską z osią odchyloną od pionu rysunku, z lewej strony, "poziomo", padają na nią promienie słoneczne.

Rysunek 2. Lato na półkuli północnej. Kiedy północna półkula Ziemi otrzymuje latem więcej energii (czemu sprzyjają dwie niezależne sytuacje - mniejsza od średniej odległość Ziemi od Słońca oraz większe nachylenie osi obrotu Ziemi), lata w Arktyce są cieplejsze, co prowadzi do zaniku czapy polarnej. Źródło: adaptacja z Wikipedii.

Podobnie działa mechanizm związany z precesją, czyli zmianą kierunku ustawienia osi obrotu Ziemi. Co około 26 tysięcy lat oś zakreśla w przestrzeni stożek. Orbita Ziemi nie jest kołowa, lecz eliptyczna (stopień jej spłaszczenia również się regularnie się zmienia, z okresem 100 tysięcy lat), więc czasem północna półkula jest zwrócona latem ku Słońcu (wtedy lata są ciepłe), a czasem jest daleko od niego (wtedy lata są chłodniejsze). Lądolód antarktyczny jest bardzo odporny na te zmiany, natomiast Arktyka wręcz przeciwnie - jest czuła na najdrobniejsze zaburzenia. Dlatego to właśnie zmiany w ilości energii słonecznej dopływającej do Arktyki inicjowały zawsze zmiany klimatu na skalę globalną.

Rysunek składa się z trzech paneli. Na pierwszym przedstawiono schematycznie Słońce i Ziemię na orbicie kołowej oraz orbicie z mimośrodem, czyli eliptycznej. Na drugim zilustrowano nutację, czyli oscylacje osi Ziemi pomiędzy odchyleniami o 22,5 oraz 24,5 od pionu względem płaszczyzny orbity. Na trzecim, zilustrowano precesję - oś ziemska zatacza stożek, celując raz w Wegę a raz w Gwiazdę Polarną.

Rysunek 3: Trzy główne zmiany orbitalne. Od lewej do prawej: Mimośród: zmiany kształtu orbity Ziemi. Nutacja: zmiany nachylenia osi Ziemi. Precesja: zmiany kierunku osi Ziemi.

Regionalne zmiany nasłonecznienia w Arktyce rozpoczynały kilkuetapowy proces ocieplania się klimatu całej planety. Ostatnio przeprowadzone badania (Denton 2010, Shakun 2012) pokazują, jak przebiegał ten proces, a także jak wyglądają związki pomiędzy zmianami koncentracji CO2 i temperatury:

  1. Zmiany orbity Ziemi, powodujące większe nasłonecznienie Arktyki latem, wywołują początkowe ocieplenie (ostatnie rozpoczęło się 19 000 lat temu), co uwidacznia się najpierw w Arktyce.
  2. Ocieplenie Arktyki powoduje, że topnieją duże ilości lodu, przez co do północnego Atlantyku trafia wielka ilość słodkiej wody.
  3. Napływ słodkiej wody zaburza cyrkulację termohalinową (krążenie wody powodowane różnicami w jej temperaturze i zasoleniu) w Atlantyku (tzw. zdarzenie Heinricha), powodując zmniejszenie ilości ciepła przenoszonego z półkuli południowej na północną (Shakun 2012). Zaczynają się ogrzewać oceany na półkuli południowej (rozpoczęło się to 18 000 lat temu).
  4. W miarę jak Ocean Południowy się ociepla, rozpuszczalność CO2 w wodzie maleje (Martin 2005). To powoduje oddawanie go do atmosfery. Duże ilości CO2 są uwalniane z głębi oceanów (rozpoczęło się to 17 500 lat temu).
  5. CO2 z Oceanu Południowego rozprzestrzenia się w atmosferze, dzięki czemu ocieplenie przenosi się także na północ (Cuffey 2001). Z badań tropikalnych osadów morskich wynika, że temperatury w tropikach rosną około 1000 lat po ociepleniu Antarktyki, a więc mniej więcej w tym samym czasie, kiedy następuje wzrost ilości CO2 (Stott 2007). Analiza rdzeni lodowych z Grenlandii pokazuje, że ocieplenie na półkuli północnej jest opóźnione w porównaniu do wzrostu zawartości CO2 w Antarktydzie (Caillon 2003).
  6. Rosnąca ilość CO2 w atmosferze powoduje wzmocnienie efektu cieplarnianego i - w rezultacie -  ocieplenie całej planety. Stosunkowo słabe wymuszenie wywołane cyklami Milankovicia samo w sobie byłoby niewystarczające, żeby spowodować dramatyczne zmiany temperatury, które wyprowadziłyby klimat z epoki lodowcowej. Przebieg i stopień obserwowanego ocieplenia są jednak takie, jakie powinny wynikać ze zwiększonych koncentracji CO2.

Podsumowując, przegląd wyników badań przeszłych okresów zlodowacenia uczy nas kilku rzeczy:

  • Wyjście Ziemi z epoki lodowcowej nie jest inicjowane przez CO2 lecz przez cykle orbitalne.
  • Wzrost koncentracji CO2 potęguje ocieplenie. Wzrost średnich temperatur jest na tyle duży, że same cykle orbitalne nie wystarczają, by go uzasadnić.
  • CO2 rozprzestrzenia ocieplenie po całej planecie.

W sumie, ponad 90% wzrostu temperatur podczas wychodzenia z epok lodowych następuje dopiero po wzroście atmosferycznej koncentracji CO2 (Rysunek 3).

Rysunek przedstawia skomplikowany wykres, na którym umieszczono jednocześnie zmiany koncentracji dwutlenku węgla, średnie temperatiry globalne oraz temperatury w arkyce. Wszystkie linie były mneij więcej płaskie w ostatniej epoce lodowcowej i obecnie. Natomiast pomiędzy nimi występował wzrost, najpierw mniej więcej jednocześnie - temperatury w arktyce i koncentracji dwutlenku węgla a potem - temperatury globalnej.

Rysunek 4: Średnia globalna temperatura (niebieska linia) określona w oparciu o proxy, temperatura Antarktydy (czerwona linia) określona w oparciu o rdzenie lodowe i atmosferyczna koncentracja CO2 (żółte kółka). Zaznaczony stopień niepewności 1σ; ppmv - liczba cząsteczek CO2 na milion cząsteczek powietrza. Zaznaczone są okresy: Holocen, Młodszy Dryas (YD), Bølling-Allerød (B-A), Starszy Dryas (OD) oraz maksimum ostatniej epoki lodowej (LGM). Źródło: Shakun 2012.

Marcin Popkiewicz na podstawie: Skeptical Science
opieka merytoryczna: prof. Szymon Malinowski

Opublikowano: 2013-07-19 18:55
Tagi

dwutlenek węgla epoka lodowa mit o klimacie paleoklimatologia

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