Czy zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych do zera netto zatrzyma globalne ocieplenie?

„Zero netto” to hasło, które często pojawia się dziś w kontekście prób zatrzymania zmiany klimatu. Chodzi oczywiście o wyzerowanie wypadkowych emisji dwutlenku węgla związanych z ludzką działalnością, czyli doprowadzenie do tego, by ilość CO₂, jaką emitujemy, zrównała się z tą, jaką wyciągamy z atmosfery. Jaki efekt dzięki temu uzyskamy Czy uda nam się zahamować globalne ocieplenie?

W mediach, zarówno dużych, jak i społecznościowych, można często usłyszeć, że na skutek dotychczasowych emisji gazów cieplarnianych i w wyniku działania sprzężeń w ziemskim systemie klimatycznym wzrost temperatury jest już „zagwarantowany”, „nieunikniony” czy „nie do zatrzymania”, niezależnie od tego, co jako ludzkość teraz zrobimy. Tymczasem posiadana przez nas wiedza naukowa pokazuje, że wraz z zatrzymaniem (zmniejszeniem do zera netto) naszych emisji CO₂ wzrost temperatury zatrzyma się dość szybko, a zaprzestanie emisji także innych gazów cieplarnianych spowoduje pewien, stosunkowo szybki, spadek temperatury, choć nie do poziomu z epoki przedprzemysłowej.

Wpływ na poziom temperatury globalnej będą też miały zmiany emisji chłodzących planetę aerozoli siarczanowych – zaprzestanie ich emisji będzie z kolei powodować wzrost temperatury powierzchni, skompensowany jednak z naddatkiem przez zaprzestanie emisji krótko żyjących gazów cieplarnianych, w szczególności metanu.

Stałe stężenie CO₂ vs. zero emisji CO₂ netto

Istotna część konfuzji wynika z powszechnego mylenia dwóch sytuacji: świata, w którym stężenie CO₂ zatrzymuje się na obecnym poziomie oraz świata, w którym stężenie tego gazu w atmosferze zaczyna stopniowo spadać, bo zaprzestaniemy emisji CO₂ lub przynajmniej osiągniemy cel zera antropogenicznych emisji netto, w którym w wyniku naszej działalności pochłaniamy (np. za pomocą urządzeń do pochłaniania CO₂ z powietrza lub aktywnie prowadzonego zalesiania) tyle dwutlenku węgla, ile emitujmy. Dla stężenia CO₂ w atmosferze koniec końców liczy się bowiem bilans emisji i pochłaniania tego gazu – choć szczegóły dotyczące pochłaniania naturalnego i antropogenicznego mogą być złożone – patrz Redukcja emisji do zera netto? Diabeł tkwi w szczegółach oraz A ‘Rosetta Stone’ for bringing land-mitigation pathways into line. W dalszej części wymiennie używamy określeń „zaprzestania emisji CO₂” i „wyzerowania antropogenicznych emisji CO₂ netto”.

W stabilnym stanie klimatycznym Ziemia wypromieniowuje w przestrzeń kosmiczną tyle samo energii, ile dostaje od Słońca. Ze względu na gwałtowny wzrost stężenia gazów cieplarnianych w atmosferze, strumień energii wypromieniowywanej w kosmos obecnie spadł, podczas gdy strumień pochłanianej energii słonecznej pozostaje na praktycznie niezmienionym poziomie. W rezultacie ziemski system klimatyczny nie znajduje się obecnie w równowadze energetycznej. Oceany wciąż się nagrzewają, a temperatura powierzchni Ziemi stopniowo wzrasta. Rosnąca temperatura powierzchni globu prowadzi z kolei do wzrostu strumienia energii wypromieniowywanej w kosmos. Przy ustaleniu stężenia gazów cieplarnianych w atmosferze po wielu stuleciach wypromieniowywanie energii zrówna się z pochłanianiem i równowaga bilansu radiacyjnego planety zostanie przywrócona.

Jednak świat „stałych stężeń CO₂” to nie świat zera antropogenicznych emisji netto. Oceany i ekosystemy lądowe pochłaniają obecnie ok. połowy naszych emisji. Gdybyśmy ścięli antropogeniczne emisje CO₂ do zera, koncentracja tego gazu w atmosferze zaczęłaby spadać, powoli stabilizując się na podwyższonym poziomie, wskutek coraz mniejszego pochłaniania (więcej w Impuls węglowy i jego usuwanie z atmosfery).

Ilustracja 2 pokazuje prognozę zmiany średniej temperatury powierzchni Ziemi do 2200 roku w obu tych scenariuszach.

W scenariuszu stałych koncentracji CO₂, do 2200 roku możemy spodziewać się ocieplenia o 0,3°C (z późniejszym dalszym powolnym wzrostem temperatury). Biorąc pod uwagę, że średnia globalna temperatura od czasów przedprzemysłowych już wzrosła o ok. 1,3°C, oznaczałoby to przekroczenie progu ocieplenia o 1,5°C. W scenariuszu wyzerowania zera emisji CO₂ netto temperatura szybko (z zakresem niepewności od „prawie natychmiast” do „w ciągu kilku dekad”) uległaby ustabilizowaniu, utrzymując się na poziomie z momentu zaprzestania emisji.

Globalne ocieplenie po wyzerowaniu emisji CO₂ netto zatrzymuje się. Stała koncentracja CO₂ w atmosferze skutkuje dalszym ociepleniem.

Ocieplające się oceany i spadające stężenie CO₂ w atmosferze

To, że po zaprzestaniu emisji CO₂ temperatura stabilizuje się wynika z dwóch różnych, wzajemnie kompensujących się procesów.

Z jednej strony, w rezultacie nierównowagi radiacyjnej ziemski system klimatyczny akumuluje energię. Ponad 90% tej nadwyżki energetycznej trafia do oceanów, powodując ich nagrzewanie się i wzrost temperatury powierzchni Ziemi.

Z drugiej strony ekosystemy lądowe i oceany pochłaniają około połowy dwutlenku węgla, emitowanego przez nas do atmosfery. Gdybyśmy z dnia na dzień wyzerowali emisje, procesy te powodowałyby spadek koncentracji CO₂ w atmosferze, z początku szybki, w kolejnych dekadach zaś stopniowo malejący aż do osiągnięcia nowego poziomu równowagi (powyżej stężeń z epoki przedprzemysłowej). Spadek stężenia CO₂ skutkowałby zmniejszaniem intensywności ocieplającego działania tego gazu.

Można porównać to do sytuacji, w której uruchamiamy ogrzewany gazem piekarnik. Po uruchomieniu palników powietrze w jego wnętrzu i ścianki zaczynają się rozgrzewać. Powiedzmy, że przy określonej intensywności grzania temperatura docelowo wzrosłaby do 200°C. Gdybyśmy, gdy temperatura powietrza w piekarniku wzrośnie do 150°C, zakręcili kurek dopływu gazu, ciepło propagowałoby się do ścianek piekarnika i otoczenia, a temperatura powietrza w środku zaczęłaby stopniowo spadać, docelowo aż do temperatury pokojowej. A co działo by się z temperaturą powietrza w piekarniku, gdybyśmy nie wyłączyli palników zupełnie, lecz zaczęli powoli je skręcać? W zależności od tego, jak szybko i jak bardzo zmniejszymy dopływ energii temperatura będzie gdzieś pomiędzy dwoma skrajnymi scenariuszami. W szczególności moglibyśmy zmniejszać dopływ energii w taki sposób, żeby temperatura powietrza w piekarniku ustabilizowała się na poziomie 150°C. Z punktu widzenia przepływów energii dostarczalibyśmy do wnętrza piekarnika tyle ciepła, ile będą pochłaniać jego ścianki.

Tak się składa, że w ziemskim systemie klimatycznym, po zaprzestaniu przez nas emisji CO₂, oceany będą pochłaniać mniej więcej tyle ciepła (stopniowo coraz mniej), ile będzie dodawane do ziemskiego systemu klimatycznego w wyniku ocieplającego działania podwyższonych stężeń CO₂ (stopniowo malejącego w miarę spadku stężenia tego gazu w atmosferze). Oba działające w przeciwnych kierunkach efekty z całkiem dobrą dokładnością będą się wzajemnie znosić. Co więcej, oba te efekty będą słabnąć wraz z czasem w podobnym tempie.

Na dłuższą metę, w skali czasowej tysięcy lat (patrz Impuls węglowy i jego usuwanie z atmosfery), gdy antropogeniczne emisje CO₂ pozostaną na poziomie zera netto, procesy pochłaniania tego gazu usuną jego nadwyżkę z atmosfery i temperatura w końcu spadnie.

Kwestia tego, jak zachowałby się klimat Ziemi w sytuacji natychmiastowego wyzerowania emisji CO₂ stała się przedmiotem symulacji z użyciem zaawansowanych modeli systemu ziemskiego. Rezultaty symulacji, jak zmieniłaby się temperatura powierzchni Ziemi po zaprzestaniu emisji po wyemitowaniu łącznie 1000 GtC (czyli 3667 GtCO₂), opublikowane zostały w badaniu MacDougall i in., 2020 (opisaliśmy je w artykule Po jakim czasie zobaczylibyśmy efekt wyzerowania emisji CO₂?). Z analizy wynika, że pięćdziesiąt lat po ustaniu emisji średnia temperatury wróci mniej więcej do poziomu panującego w chwili ich wyzerowania, z niepewnością pomiędzy modelami od ochłodzenia od 0,3°C do ocieplenia o 0,3°C.

Różne rozumienie „zera emisji netto”

Gdyby średnia globalna temperatura powierzchni Ziemi zależała tylko od koncentracji CO₂, to po wyzerowaniu emisji tego gazu ustabilizowałaby się. Jedna bilans energetyczny naszej planety zaburzają także emisje innych gazów cieplarnianych i aerozoli.

W Specjalnym Raporcie IPCC dotyczącym ograniczenia globalnego ocieplenia klimatu o 1,5°C, zaprezentowano prognozowane zmiany dotyczące zmian temperatury powierzchni Ziemi w kilku różnych wersjach scenariuszy zeroemisyjnych: zera emisji CO₂ (linia niebieska), zera emisji CO₂ i aerozoli (linia czerwona), zera emisji wszystkich gazów cieplarnianych (linia żółta) oraz zera emisji wszystkich gazów cieplarnianych i aerozoli (linia fioletowa).

Przyjrzyjmy się po kolei działaniu tych czynników w sytuacji wyzerowania ich emisji.

Wyzerowanie emisji aerozoli

Aerozole siarczanowe, które emitujemy do atmosfery, odbijają padające światło Słońca z powrotem w kosmos, co ma lekki wpływ chłodzący. Aerozole mają krótki czas życia w atmosferze i po zaprzestaniu ich emisji (związanych głównie ze spalaniem paliw kopalnych) szybko zostaną z niej usunięte. W rezultacie, w scenariuszu wyzerowania emisji aerozoli towarzyszącego wyzerowaniu emisji CO₂ (czerwona linia) temperatura szybko wzrośnie do poziomu wyższego o ok. 0,4–0,5°C niż w scenariuszu wyzerowania samych emisji CO₂ i braku zmian ilości aerozoli. W rezultacie w 2100 roku wzrost temperatury przekracza cel 1,5°C, rosnąc o ok. 1,75°C.

Wyzerowanie emisji krótko żyjących gazów cieplarnianych

Inne gazy cieplarniane również przyczyniają się do zmiany klimatu. Wśród nich największy udział ma metan. W odróżnieniu od CO₂, ma on krótki czas życia w atmosferze (patrz Metan w środowisku) – w ciągu dekady połowa tego gazu w atmosferze utlenia się do dwutlenku węgla. To głównie dzięki temu po wyzerowaniu emisji wszystkich gazów cieplarnianych temperatura w 2100 roku (linia żółta) jest o 0,5°C niż w scenariuszu wyzerowania samych emisji CO₂.

Wyzerowanie emisji zarówno aerozoli jak i krótko żyjących gazów cieplarnianych

No i na koniec scenariusz natychmiastowego wyzerowania zarówno emisji wszystkich gazów cieplarnianych jak i aerozoli (linia fioletowa). Aerozole w ciągu kilku lat zostają usunięte z atmosfery, co powoduje wzrost temperatury w tym okresie. W kolejnych latach postępuje usuwanie z atmosfery metanu, co po ok. 20 latach kompensuje wzrost temperatury spowodowany wcześniejszym usunięciem aerozoli. W dalszym horyzoncie czasowym spadek koncentracji CO₂ skutkuje spadkiem temperatury do 2100 o ok. 0,2°C.

Przedstawione oszacowania zmiany temperatury w 50 lat po wyzerowaniu emisji obarczone są niepewnością. Jak wspomnieliśmy wcześniej, przy wyzerowaniu emisji samego CO₂ modele prognozują zmianę temperatury o 0,0±0,3°C. W scenariuszu wyzerowania wszystkich gazów cieplarnianych i aerozoli prognozowana zmiana temperatury to –0,2±0,5°C.

Następstwa zwlekania z wyzerowaniem emisji

Wyniki opisanych badań dotyczą sytuacji, w której emisje są zerowane natychmiast lub w najbliższych dekadach. Jeśli jednak kontynuowalibyśmy emisje jeszcze przez kolejnych kilkadziesiąt lat, może dojść do włączenia dodatnich sprzężeń cyklu węglowego, takich jak np. emisje z wieloletniej zmarzliny (patrz Dodatkowe emisje ze źródeł naturalnych a przyszła zmiana klimatu), które doprowadzą do większego ocieplenia. To, jaka byłaby skala tych procesów przy ociepleniu o 3 czy 4°C wciąż nie jest wystarczająco dobrze zbadane.

Trzeba też pamiętać, że ustabilizowanie się temperatury na wyższym poziomie nie oznacza, że zagrożenia przestaną się nasilać. W analogii piekarnika rozgrzanego do 150°C – włożenie do niego ręki na kilka sekund nie stanowi problemu, utrzymanie tego stanu przez kilka godzin grozi dużo poważniejszymi konsekwencjami. W stabilnej podwyższonej temperaturze będzie postępować zanik lodowców, topnienie lądolodów czy podnoszenie się poziomu morza. Do zatrzymania tych procesów nie wystarczy wyzerowanie emisji netto, lecz potrzebne będzie obniżenie temperatury powierzchni Ziemi z pomocą trwałego usuwania CO₂ z obiegu.

Marcin Popkiewicz na podst. Explainer: Will global warming ‘stop’ as soon as net-zero emissions are reached