Chcecie dowodów, że CO2 ma wpływ na efekt cieplarniany? Proszę bardzo!

Jak zmienia się bilans radiacyjny atmosfery? W „Nauce o klimacie” wielokrotnie pisaliśmy już o dowodach na związek globalnego ocieplenia z emitowanym przez ludzkość dwutlenkiem węgla. Wspominaliśmy także o satelitarnych pomiarach zmian w strumieniu promieniowania powodowanych przez rosnące koncentracje CO₂. Dziś zajmiemy się najnowszym doniesieniem naukowym na ten temat, tj. wynikami systematycznych pomiarów zmian promieniowania prowadzonych z powierzchni Ziemi.

Jak zmierzyć wpływ CO₂ na klimat?

Od ponad stu lat wiadomo już, że dwutlenek węgla (a także metan i para wodna) są przezroczyste dla promieniowania widzialnego, pochłaniają natomiast promieniowanie podczerwone. To właśnie tej ich własności zawdzięczamy istnienie efektu cieplarnianego, który pozwala naszej planecie utrzymywać przyjazne dla nas temperatury powierzchni Ziemi (a nie niższe o ok. 30 stopni). Gdy ogrzewana promieniami słonecznymi Ziemia emituje promieniowanie podczerwone, gazy cieplarniane je absorbują, dzięki czemu podnoszą swoją temperaturę i same również promieniują w podczerwieni, częściowo w stronę Ziemi (więcej na ten temat w tekście Efekt cieplarniany – jak to działa). W miarę jak dwutlenku węgla (i innych gazów cieplarnianych) w powietrzu przybywa, atmosfera coraz intensywniej pochłania i emituje promieniowanie. Efekt ten można obserwować z dwóch „końców” atmosfery:

1. z powierzchni Ziemi, gdzie zmierzyć można (oprócz wzrostu średniej temperatury) wzrost natężenia promieniowania atmosfery (jest to tzw. powierzchniowe wymuszanie radiacyjne) 
2. z kosmosu, gdzie z kolei można zauważyć spadek natężenia promieniowania emitowanego przez Ziemię, jako że obecność „nadmiarowego” dwutlenku węgla oznacza pojawienie się, pogłębienie i poszerzenie „wyrw” w widmie promieniowania ziemskiego pojawiających się dla długości fal pochłanianych przez CO₂ (wymuszanie radiacyjne).

O pomiarach satelitarnych przeczytasz w artykule Mit: Nie ma empirycznych dowodów na antropogeniczność globalnego ocieplenia, teraz do kompletu dostępne są także pomiary naziemne. Gdzie leży trudność takich obserwacji? Przede wszystkim w tym, że promieniowanie atmosfery w konkretnym miejscu i czasie zależy nie tylko od koncentracji dwutlenku węgla, ale także od wielu innych czynników, takich jak koncentracja innych gazów cieplarnianych, obecność chmur i zanieczyszczeń. Dodatkowo w zależności od temperatury atmosfery (która jest różna na różnych wysokościach…) emitowane przez nią promieniowanie zmienia natężenie i najczęściej występujące długości fal. Starając się o oszacowanie roli CO₂ trzeba wziąć pod uwagę wszystkie powyższe efekty.

Naziemne pomiary wpływu CO₂ na bilans radiacyjny atmosfery

Autorzy opublikowanego ostatnio w Nature artykułu (Feldman i in., 2015) przeanalizowali wyniki systematycznych, jedenastoletnich pomiarów promieniowania atmosfery, prowadzonych w obserwatoriach na Alasce oraz w Oklahomie (dlaczego w przypadku dwutlenku węgla pomiary z pojedynczych lokalizacji można uznać za reprezentatywne, przeczytasz w naszym artykule Mit: Nie można mierzyć koncentracji CO₂ na Mauna Loa – przecież to wulkan). Do dyspozycji mieli dane z zaawansowanego przyrządu do pomiarów promieniowania atmosfery (AERI – Atmospheric Emitted Radiance Interferometer), a także wyniki sondowania atmosfery z użyciem balonów, dane na temat źródeł i transportu dwutlenku węgla i metanu przez systemy CarbonTracker (Peters i in., 2007) i CarbonTracker-CH₄ (Bruhwiler i in., 2014) oraz historyczne profile ozonu ustalone na podstawie wyników pomiarów satelitarnych i modelowania atmosfery (Rienecker i in., 2011). Ten bogaty zestaw danych źródłowych pozwolił im wyodrębnić zmiany, jakie zaszły w promieniowaniu atmosfery w okresie 2000-2010, kiedy to średnia koncentracja dwutlenku węgla wzrosła o 22 ppm.

Wykres 2, który zaczerpnęliśmy z artykułu Feldman i in., 2015 pokazuje przykładowy wynik pomiarów i obliczeń wykorzystanych w analizie. Górny panel to wyniki obserwacji emisji promieniowania przez atmosferę. Na dolnym przedstawiono różnicę pomiędzy widmem obserwowanym za pomocą AERI, a widmem, jakiego spodziewalibyśmy się na podstawie pochodzących z innych źródeł informacji o stanie atmosfery (a w szczególności zawartości gazów cieplarnianych). Jak widać, różnica jest niewielka (zwłaszcza jeśli analizuje się średnie miesięczne zamiast pomiarów z pojedynczego dnia – linia czerwona), można więc uznać, że wykonujący obliczenia program (model LBLRTM) dobrze opisuje zjawiska zachodzące w rzeczywistości.

A po co było to sprawdzać? Oczywiście po to, by z tego skorzystać. Naukowcy porównali w swoich analizach zestawy widm obserwowanych oraz obliczanych modelem LBLRTM z wykorzystaniem faktycznych danych o koncentracjach dwutlenku węgla oraz przy założeniu, że koncentracje dwutlenku węgla pozostawałyby niezmienne. Pozwoliło to określić, za jaką część zmiany widma promieniowania atmosfery, jaką zaobserwowano na przestrzeni jedenastu lat, odpowiada właśnie wzrost koncentracji dwutlenku węgla. W przypadku obu stacji pomiarowych trend zmian strumienia promieniowania związany z CO₂ wyniósł 0,2W/m²/10 lat (z niepewnościami 0,06 W/m²/10 lat w Oklahomie i 0,07 W/m²/10 lat na Alasce). Jak zobaczycie w animacji poniżej, powierzchniowe wymuszanie radiacyjne dwutlenku węgla zmienia się także w zależności od pory roku – nawet o 0,1-0,2 Wm^-2. Wynika to z faktu, że wiosną rozwijające się rośliny wychwytują z atmosfery zwiększone ilości CO₂, gdy tymczasem zimą w biosferze dominuje rozkład i uwalnianie dwutlenku węgla i metanu do atmosfery.

Chociaż wynik analizy naukowców z Berkeley nie jest zaskakujący, bo w zasadzie nikt nie oczekiwał innego, to jego publikacja ma znaczenie historyczne. To pierwsze pomiary przeprowadzone z powierzchni Ziemi, w których udało się ustalić trend wzrostu strumienia promieniowania zwrotnego atmosfery, za który bezpośrednią odpowiedzialność ponosi rosnąca koncentracja dwutlenku węgla w powietrzu. Pomiary pokazały, że wartość ta jest zgodna z oszacowaniami, jakimi dysponowaliśmy na podstawie analiz wykorzystujących inne, pośrednie, dane. To kolejny argument za tym, że to, co wiemy o działaniu ziemskiego systemu klimatycznego układa się w spójną układankę.

Aleksandra Kardaś, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon Malinowski