Czułość klimatu - znamy ją coraz dokładniej!

Koncentracja CO2 w atmosferze wzrosła z poziomu 280 cząsteczek na milion cząsteczek powietrza (ppm) przed epoką przedprzemysłową do 415 ppm obecnie. Bez podjęcia działań na rzecz redukcji emisji, do 2060 roku koncentracja CO2 może sięgnąć 560 ppm, podwajając swą wartość względem epoki przedprzemysłowej. Równowagowa czułość klimatu, czyli zmiana średniej temperatury w takiej właśnie sytuacji, przestaje być abstrakcyjnym wskaźnikiem. Po wielu latach badań jesteśmy w stanie dokładniej niż kiedykolwiek określić jej wartość. Niestety, wyniki przedstawione w pracy Sherwood i in., 2020 pokazują, że najłagodniejsze scenariusze można praktycznie wykluczyć.

Zdjęcie krajobrazu: skalisty ale pokryty niską roślinnością brzeg, woda, niebo pokryte chmurami ładnej pogody

Rysunek 1: System klimatyczny Ziemi obejmuje wiele elementów splecionych gęstą siecią powiązań. Zmiana koncentracji gazów cieplarnianych pociąga za sobą zmiany w oceanie, roślinności czy kriosferze. Zdjęcie: Blanscape, Dreamstime.com.

Warto podkreślić, że określenie „czułość klimatu” może mieć różne znaczenie. Zazwyczaj przez „czułość klimatu” rozumie się równowagową czułość klimatu (Equilibrium Climate Sensitivity – ECS), czyli zmianę średniej temperatury powierzchni Ziemi w odpowiedzi na podwojenie koncentracji CO2 – już po tym, jak bilans radiacyjny planety powróci do stanu równowagi, co może trwać wiele stuleci. Istnieje również pojęcie przejściowej czułości klimatu (Transient Climate Response – TCR), jest to odpowiedź temperatury niejako „na bieżąco”, w krótkim czasie po zadziałaniu wymuszenia – w skali lat i dekad. Kolejne pojęcie to czułość systemu ziemskiego (Earth System Sensitivity – ESS), definiowana jako docelowy wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi po tym, jak zadziałają powolne sprzężenia zwrotne, takie jak m.in. zmiany powierzchni lądolodów Antarktydy i Grenlandii.

W opisanej w niniejszym artykule pracy Sherwooda i kolegów analizowana jest czułość klimatu w znaczeniu ECS, analizowana jest też tzw. efektywna czułość klimatu, zbliżona do ECS i będąca oszacowaniem wzrostu temperatury po 150 latach od podwojenia koncentracji CO2 w atmosferze.

​ Czułość klimatu – utrzymująca się niepewność

Doprecyzowanie szacunków ECS jest „Świętym Graalem” klimatologii przynajmniej od czasu, gdy amerykański meteorolog Jule Charney zasugerował w swoim raporcie z 1979 roku prawdopodobny zakres w granicach od 1,5°C do 4,5°C. To oszacowanie wynikało w dużej mierze z wyników symulacji dwoma pierwszymi na świecie globalnymi modelami klimatu, które w odpowiedzi na podwojenie atmosferycznej koncentracji CO2 dały średni globalny wzrost temperatury powierzchni Ziemi o 2 i 4°C. Od tego czasu, pomimo ponad 40 lat badań, znacznego postępu w rozumieniu procesów klimatycznych oraz wielu precyzyjnych obserwacji, ten wysoki zakres niepewności ciągle się utrzymywał.

Wyniki badań przedstawione w opublikowanym w 2007 roku 4 Raporcie (AR4) IPCC wskazywały, że ECS prawdopodobnie (z prawdopodobieństwem 66%) mieści się w przedziale 2-4,5°C. Sugerowało to, że wartości poniżej 2°C są mało prawdopodobne, a dokładność, z jaką określono ECS, wreszcie wzrosła. Jednak w kolejnym 5 Raporcie z 2013 roku (AR5) powrócono do wcześniejszego przedziału prawdopodobnego zakresu ECS 1,5-4,5°C.

Zdjęcie: dwoje nurków z butlami tlenowymi obsługuje duże wiertło wbite w dno oceanu, zawieszone na wielkim, wbitym w podłoże trójnogu

Rysunek 2: Nurkowie pobierający próbkę geologiczną (rdzeń) z rafy koralowej u wybrzeży Florydy. Tego typu rdzenie to jedno z wielu źródeł informacji o dawnych zmianach klimatu. Źródło: USGS (domena publiczna).

Skąd ten powrót do wcześniejszych wartości?

Od lat 2000. oszacowania ECS pochodziły nie tylko z symulacji modelami klimatu, lecz także wyników badań paleoklimatycznych, interpretacji tempa zmian temperatury w czasach nowożytnych (historycznych) oraz badań sprzężeń w systemie klimatycznym. W czasie przygotowywania AR5 oszacowania ECS bazujące na historycznych danych zmian temperatury dawały wynik ok. 2°C, a oszacowania bazujące na zrozumieniu procesów i modelowaniu sugerowały raczej górny zakres przedziału Charneya. Choć oba oszacowania – z uwzględnieniem ich stopnia niepewności – nakładały się na siebie, to rozbieżność była niepokojąca.

Od tego czasu naukowcy podjęli wiele wysiłków, mających na celu zrozumienie przyczyn w różnicach oszacowań na podstawie różnego typu danych.

​ Prawdopodobny zakres czułości klimatu

Niedawne ustalenia, przedstawione w opublikowanej w czasopiśmie Reviews of Geophysics analizie „An assessment of Earth's climate sensitivity using multiple lines of evidence” (Oszacowanie czułości klimatu Ziemi w na podstawie różnorodnych linii dowodowych) (Sherwood i in., 2020 [pełna wersja]) zawężają prawdopodobny zakres możliwych granic czułości klimatu.

Autorzy przeanalizowali i połączyli ze sobą wyniki oszacowań bazujących na zrozumieniu sprzężeń zwrotnych w systemie klimatycznym, obserwacjach zmian temperatury w historii pomiarów instrumentalnych oraz rekonstrukcjach paleoklimatycznych zmian klimatu. W ten sposób autorzy analizy określili i wyjaśnili, jakie ograniczenia zakresu czułości klimatu wynikają ze specyfiki każdej z linii dowodowych, co umożliwiło określenie ECS z mniejszym zakresem błędu niż w jakimkolwiek wcześniejszym oszacowaniu.

Zdjęcie stacji pomiarowej IMGW, widoczne są dwa urządzenia na masztach i skrzynka meteorologiczna ogrodzone białą siatką

Rysunek 3: Informacji o czułości klimatu można szukać także w pomiarach z ostatnich stuleci. Na zdjęciu stacja hydrologiczno-meteorologiczna IMGW w Ustce. Zdjęcie: Kapsuglan (licecncja CC BY-SA 3.0).

Aktualnie najsilniejszym wymuszeniem działającym na system klimatycznym są antropogeniczne emisje gazów cieplarnianych. Reakcje systemu klimatycznego na wymuszenia nazywamy sprzężeniami. Wśród nich są zarówno sprzężenia dodatnie – wzmacniające ocieplenie (np. topnienie pokrywy śnieżnej i lodowej wskutek wzrostu temperatury, dzięki czemu powierzchnia planety pochłania więcej promieniowania słonecznego, co prowadzi do dalszego wzrostu temperatury), jak i ujemne – wyhamowujące je. Analiza pokazała, że ECS poniżej 2°C byłaby możliwa jedynie wtedy, gdyby zmiany zachmurzenia były sprzężeniem ujemnym, co jest bardzo mało prawdopodobne (patrz Mit: Chmury zapewniają ujemne sprzężenie zwrotne).

A co mówią obserwacje obecnie zachodzącego ocieplenia? Choć do podwojenia koncentracji CO2 jest jeszcze daleko, a system klimatyczny jest daleki od równowagi dla obecnego stężenia gazów cieplarnianych, wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi przekroczył już 1°C. Czyni to ECS mniejsze od 2°C skrajnie nieprawdopodobnym.

Zdjęcie: laboratorium badania rdzeni lodowych, na stołach leżą podłużne, zafoliowane cylindry, pośrodku stoi urządzenie do cięcia próbek

Rysunek 4: Laboratorium badania rdzeni lodowych, Afred Wegener Institut. Zdjęcie Maryam Mirzaloo za Imaggeo (licencja CC BY-SA 3.0).

A wnioski z badań paleoklimatologicznych? W przeszłości Ziemi zachodziły liczne zmiany klimatu, a znajomość ich przyczyn i skali również pozwala na oszacowanie zakresu ECS. W opinii autorów okresami najbardziej miarodajnymi dla takiego oszacowania są: ostatnie maksimum epoki lodowej ok. 20 000 lat temu, gdy było 3-7°C chłodniej niż w epoce przedprzemysłowej oraz ciepły okres w środkowym pliocenie 3 mln lat temu (ang. mid-Pliocene Warm Period, MPWP), gdy temperatury były o 2-3°C wyższe niż dziś, a koncentracja CO­2 w atmosferze zbliżona do obecnej.

Wykluczenie niskich ECS

Aby wartość ECS była mniejsza od 1,5°C, musiałyby jednocześnie:

  • istnieć niezidentyfikowane ujemne sprzężenie klimatyczne związane z chmurami;
  • wpływ aerozoli w okresie historycznym musiałby być bliski zera lub wręcz działać ocieplająco;
  • temperatury panujące podczas ciepłego okresu w środkowym pliocenie 3-3,3 mln lat temu musiałyby być mocno przeszacowane.

Każdy z tych trzech elementów z osobna jest według obecnego stanu wiedzy mało prawdopodobny, a prawdopodobieństwo ich wspólnego wystąpienia jest skrajnie małe.

Wykluczenie wysokich ECS.

Aby wartość ECS była większa od 4,5°C:

  • dodatnie sprzężenie związane z chmurami musiałoby wzmacniać ocieplenie bardziej, niż wynika to ze znanych, ujętych w modelach procesów fizycznych oraz z obserwacji satelitarnych,
  • chłodzenie przez aerozole pochodzenia antropogenicznego musiałoby być bliskie maksimum możliwego zakresu, lub przyszłe sprzężenia dodatnie musiałyby być znacznie silniejsze niż w okresie historycznym,
  • ujemne wymuszanie radiacyjne związane ze zmianą powierzchni lądolodów i pyłu w warunkach ostatniego maksimum glacjalnego musiałyby być poważnie przeszacowane, albo reakcja klimatu musiałaby silnie zależeć od stanu wyjściowego (słabsza reakcja w chłodniejszym klimacie).

Ponownie mamy do czynienia z trzema mało prawdopodobnymi okolicznościami.

Poniższy wykres przedstawia wyniki oszacowań efektywnej czułości klimatu dla każdej linii dowodowej z osobna. Przedstawiono na nim w postaci słupków przedziały wartości, w których z prawdopodobieństwem 50% mieści się ten wskaźnik.

Wykres: Zakresy możliwych wartości efektywnej czułości klimatu na podstawie poszczególnych grup dowodów.

Rysunek 5: Zakresy możliwych wartości efektywnej czułości klimatu na podstawie poszczególnych linii dowodowych. Kolorowe słupki odpowiadają przedziałom, do których wartości efektywnej czułości klimatu należą z prawdopodobieństwem 50%. W przypadku obserwacji obecnie zachodzącej zmiany klimatu górna granica oszacowania (8°C) jest słabo ograniczona i może być w rzeczywistości wyższa. Źródło

Zakres możliwych wartości czułości klimatu zawęża się, gdy weźmiemy pod uwagę wszystkie ograniczenia łącznie.

Według autorów artykułu, wartość efektywnej czułości klimatu z prawdopodobieństwem 66% zawiera się w przedziale 2,6-3,9°C. Wynik ten pokazuje, że nie będziemy mogli liczyć na to, że niska czułość klimatu da nam więcej czasu na poradzenie sobie z problemem globalnego ocieplenia. Z drugiej strony, badanie sugeruje, że skrajnie wysokie czułości klimatu na szczęście są również mało prawdopodobne.

Wartość ECS wynosi najprawdopodobniej nieco powyżej 3°C, a z prawdopodobieństwem 66% należy ona do przedziału 2,6-4,1°C. Prawdopodobieństwo, by była niższa niż 2,2°C lub wyższa niż 4,9°C wynosi zaledwie 10%.

​ Porównanie z wynikami symulacji modelami klimatu

Na pierwszy rzut oka uzyskane rezultaty nie wydają się jakimś wielkim postępem względem ostatniego raportu IPCC; mają jednak duże znaczenie dla naszej wiedzy odnośnie zakresu prognozowanego na XXI wiek ocieplenia. Poniższy wykres pokazuje prawdopodobny zakres ECS z niniejszej analizy (czarne przedziały), zestawiony z zakresami przedstawionymi w AR5 IPCC oraz oszacowań na podstawie symulacji w ramach projektu CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project) i CMIP6 (więcej o tych wynikach przeczytasz w artykule Wyższa czułość klimatu w nowym raporcie IPCC?).

Rysunek 6. Zakres ECS z badania Sherwood i in., 2020 (czarne przedziały), zestawione z oszacowaniami przedstawionymi w AR5 IPCC (niebieskie przedziały) oraz pełnym zakresem oszacowań na podstawie symulacji numerycznymi modelami klimatu CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project) i CMIP6 (odpowiednio prostokąty żółte i pomarańczowe). Grube paski pokazują prawdopodobny zakres ECS (prawdopodobieństwo 66%) a cienkie zakres bardzo prawdopodobny (prawdopodobieństwo 90%).

Jak widać na rys. 6, część symulacji CMIP6 daje wyniki ECS leżące poza ustalonym w niniejszej analizie zakresem, zarówno po stronie wysokich, jak i niskich wartości. Ponieważ opisana analiza wykorzystuje wiele innych niż tylko symulacje dowodów, można przypuszczać, że skrajne symulacje odpowiednio przeszacowują lub nie doszacowują przyszłych zmian temperatury.

Badanie nie zamyka oczywiście dyskusji na temat czułości klimatu. Górnych granic zakresów nie znamy tak dokładnie jak dolnych, musimy więc poważnie brać pod uwagę, że w rzeczywistości wartości ECS są wyższe niż wydaje się na podstawie dostępnych obecnie danych. Statystycznie rzecz biorąc wciąż więc możliwe są wysokie wartości ECS, dlatego nie można definitywnie wykluczyć poprawności symulacji modelami wskazujących na wysoką czułość klimatu. Zwłaszcza, że są analizy (np. Zelinka i in., 2020) stwierdzające, że modele charakteryzujące się wyższą czułością klimatu bardziej realistycznie symulują zachmurzenie, lepiej pasując do obserwacji (patrz Wyższa czułość klimatu w nowym raporcie IPCC?). Uwzględnienie wyników tych symulacji w ocenie przyszłych zmian klimatu i ich konsekwencji jest zgodne z zasadą przezorności w zarządzaniu ryzykiem.

Marcin Popkiewicz na podst. Sherwood i in., 2020, Piers Forster, Zeke Hausfather, Gabi Hegerl, Steven Sherwood, Kyle Armour: Why low-end ‘climate sensitivity’ can now be ruled, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon P. Malinowski

Opublikowano: 2020-10-12 10:25
Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.