Dlaczego klimat się zmienia, czyli o wymuszeniach i sprzężeniach

System klimatyczny Ziemi to niezwykle delikatna machina, której elementy są powiązane gęstą siecią zależności. Nawet niewielka zmiana może spowodować całą lawinę zjawisk, które pchną planetę w zupełnie inny stan. To właśnie dzięki temu, pozornie niewielkie emisje gazów cieplarnianych związane z działalnością człowieka, zdołały doprowadzić do poważnego globalnego ocieplenia.

Zdjęcie: las tropikalny, widać cienkie równoległe pnie, zwisające liście i wodę w zagłębieniu ziemi

Rysunek 1: Las tropikalny. W historii Ziemi były okresy, w których podobne ekosystemy zajmowały dużo większe tereny niż dziś. Zdjęcie: Bevanward, Dreamstime.com.

Klimat Ziemi ulegał w przeszłości znaczącym zmianom: miały miejsce epoki lodowe, podczas których obszar północnej Polski pokryty był grubym na ponad kilometr lądolodem, bywały też dużo cieplejsze okresy, gdy na Ziemi w ogóle nie było lądolodów. Te zmiany klimatu były powodowane czynnikami naturalnymi, takimi jak zmiany orbity Ziemi czy zmiany aktywności wulkanicznej. Przyczyną współczesnego globalnego ocieplenia jest człowiek.

Dlaczego klimat się zmienia, czyli wymuszenia i sprzężenia w systemie klimatycznym

System klimatyczny (czyli powierzchnia Ziemi wraz z oceanami, śniegiem i lodem, całą biosferą oraz atmosferą) podlega różnorodnym oddziaływaniom. Te z nich, które pochodzą z zewnątrz systemu klimatycznego nazywamy wymuszeniami. Należą do nich na przykład oddziaływania astronomiczne, takie jak zmiany aktywności Słońca lub orbity Ziemi (patrz np. Klimat: przeszłość, teraźniejszość, przyszłość). Inne wymuszenia pochodzą z wnętrza naszej planety, to efekty wulkanizmu: emisje rożnego rodzaju gazów (w tym cieplarnianych) i pyłów, które przebywając w atmosferze odbijają promieniowanie słoneczne (patrz np. Wulkany odpowiedzialne za... wyjątkowo chłodne lata).

Zdjęcie lotnicze: wybrzeże Grenlandii, widać wielkie góry z lodowcami pomiędzy

Rysunek 2: Wybrzeże Grenlandii. Podczas epok lodowych podobnie wyglądały dużo większe obszary naszego globu. Zdjęcie: Ksushsh, Dreamstime.com.

Wymuszenia mogą wywołać w systemie klimatycznym kolejne procesy, wpływające dalej na klimatu, np.: nasilenie parowania, zmiany zachmurzenia albo topnienie lodu morskiego wynikające ze wzrostu temperatury powietrza i oceanu (patrz np. Arktyczne wzmocnienie, Przesunięte chmury). Reakcje te mogą napędzać lub hamować zmianę klimatu zapoczątkowaną wymuszeniami, w pierwszym przypadku nazywamy je sprzężeniami dodatnimi, w drugim – ujemnymi.

Przykładowo, wzrost temperatury powietrza niesie za sobą wzrost parowania z oceanów i wzrost zawartości pary wodnej w powietrzu. Więcej pary wodnej – gazu cieplarnianego - oznacza wzmocnienie efektu cieplarnianego, a co za tym idzie – dalszy wzrost temperatury – jest to przykład sprzężenia dodatniego (dokładniej przeczytasz o nim w tekście Para wodna - klimatyczny „dopalacz”).

Silne sprzężenie dodatnie może dodatnie może zdestabilizować klimat wprowadzając go w inny stan. O tym, jak może wglądać, przeczytasz więcej w tekście Ziemia „stabilna” czy „cieplarniana”?

Konsensus naukowy w kwestii antropogenicznego globalnego ocieplenia

Obecnie zachodzące globalne ocieplenie klimatu jest niewątpliwie powodowane przez człowieka (patrz Ziemia się nagrzewa. I wiemy dlaczego) i pod wieloma względami bezprecedensowe w historii naszej planety.

Ta bezprecedensowość wynika z prostego faktu. Ludzie uruchomili silne wymuszenie, które nigdy nie miało miejsca w historii naturalnej naszej planety. Zaczęli wydobywać węgiel (pierwiastkowy) pochodzenia organicznego zgromadzony w skałach osadowych w postaci tak zwanych paliw kopalnych (ropy, węgla brunatnego i kamiennego oraz gazu ziemnego) i spalać go, emitując do atmosfery produkty tego spalania. Tempo emisji tych produktów przekracza wielokrotnie (o czynnik 100) emisji wulkanicznych, a efekt tego wymuszenia (tzw. wymuszenie radiacyjne) jest o rząd wielkości (czynnik 10) większy niż wymuszenia astronomiczne związane ze zmianą „mocy” Słońca.

Naukowcy, którzy rozumieją podstawowe zasady działania systemu klimatycznego, są zgodni co do przyczyn aktualnego globalnego ocieplenia – są nimi przede wszystkim emisje gazów cieplarnianych z działalności ludzi, głównie dwutlenku węgla ze spalania paliw kopalnych. Nie ma na świecie ani jednej dużej organizacji naukowej, która w tej sprawie miałaby inne zdanie.

Grafika przedstawiająca logotypy instytucji zgadzających się z konsensusem naukowym w kwestii klimatu i puste miejsce z logotypami przeciwników

Rysunek 3: Po lewej logotypy wybranych, dużych organizacji naukowych, które w swoim stanowisku stwierdzają, że klimat Ziemi się ociepla, główną tego przyczyną są emitowane przez nas gazy cieplarniane - przede wszystkim CO2 ze spalania paliw kopalnych oraz, że będą z tego powodu poważne problemy. Po prawej logotypy wszystkich dużych organizacji naukowych, które mają odmienne zdanie, np., że się nie ociepla, a nawet jeśli, to jest to naturalna zmiana klimatu albo przyczyną nie są emitowane przez nas gazy cieplarniane lub nawet jeśli tak, to nie będzie to problemem.

Podkreślmy: Wszystkie znaczące organizacje naukowe zgodnie stwierdzają, po analizie wszelkich dostępnych wyników badań, że od około 100 lat klimat Ziemi ociepla się, a główną tego przyczyną są emitowane przez nas gazy cieplarniane - przede wszystkim CO2 ze spalania paliw kopalnych.

Coraz więcej gazów cieplarnianych w atmosferze

Spośród emitowanych przez nas gazów cieplarnianych największy wkład w postępujące ocieplenie klimatu ma dwutlenek węgla CO2. Jego stężenie rośnie ostatnio w absolutnie bezprecedensowym tempie.

ykres: historyczne zmiany stężenia CO2, widać cykliczne wahania w zakresie 180-290ppm i silny wzrost wykraczający poza ten zakres w ostatnich latach

Rysunek 4: Zmiany stężenia CO2 w ostatnich 800 000 lat. Dane sprzed 1958 roku pochodzą z badania rdzeni lodowych, późniejsze – z pomiarów na Mauna Loa. Stan na 2020 r. Fluktuacje związane ze zmiennością stężenia CO2 w cyklach epok lodowych były efektem sprzężenia, związanym z lepszą rozpuszczalnością gazów atmosferycznych w chłodniejszym oceanie. Gwałtowny wzrost stężenia CO2 w ostatnich latach to wymuszenie antropogeniczne, skutek spalania paliw kopalnych. źródło: Scripps Institution of Oceanography.

Gdy Ziemia wychodziła z ostatniej epoki lodowej kilkanaście tysięcy lat temu, stężenie CO2 przez ponad 10 000 lat wzrosło o niecałe 100 ppm (100 cząsteczek CO2 na milion cząsteczek powietrza) - z ok. 180 do 280 ppm – rosnąc, wskutek naturalnego sprzężenia, w tempie poniżej 1 ppm na stulecie. Teraz, od początku rewolucji przemysłowej, podskoczyło z 280 ppm do blisko 420 ppm, rosnąc ostatnio w tempie bliskim 3 ppm rocznie. Porównanie tych wartości świetnie oddaje „siłę” wymuszenia antropogenicznego.

W ostatnim stuleciu stężenie gazów cieplarnianych w atmosferze wzrosło do poziomu najwyższego od wielu milionów lat.

Zmiany następują tak szybko, że jeszcze niedawno mogliśmy mówić o „najwyższych stężeniach CO2 od kilku milionów lat”, teraz powinniśmy mówić o „najwyższych stężeniach CO2 od kilkunastu milionów lat”, a już wkrótce możemy mówić o „najwyższych stężeniach CO2 od kilkudziesięciu milionów lat”.

Również w przypadku innych gazów cieplarnianych dzisiejsze tempo wzrostu ich stężenia jest bezprecedensowe. Stężenie metanu w atmosferze jest już 2,5-krotnie większe niż kiedykolwiek podczas cykli epok lodowych. Więcej na ten temat znajdziesz w tekście Zmiany stężeń CO2, CH4 i N2O w ostatnich 800 000 lat: antropocen na sterydach.

Wzrost ilości gazów cieplarnianych w atmosferze utrudnia ucieczkę energii z powierzchni Ziemi, zmieniając bilans energetyczny planety i powodując wzrost temperatury jej powierzchni. Więcej na temat efektu cieplarnianego przeczytasz w artykule Globalne ocieplenie: wersja dla niewtajemniczonych, a o tym skąd wiemy, że Ziemia się nagrzewa i jakie są tego przyczyny przeczytasz m.in. w artykule Ziemia się nagrzewa. I wiemy dlaczego.

Antropogeniczne emisje gazów cieplarnianych

Ostatni gwałtowny wzrost ilość gazów cieplarnianych w atmosferze jest rezultatem ich emisji przez naszą cywilizację. Poniższy rysunek pokazuje całkowite globalne antropogeniczne emisje gazów cieplarnianych w ekwiwalencie emisji dwutlenku węgla (CO2e) z podziałem na gazy cieplarniane oraz sektory gospodarki.

Wykres: całkowite globalne antropogeniczne emisje gazów cieplarnianych.

Rysunek 5: Całkowite globalne antropogeniczne emisje gazów cieplarnianych w ekwiwalencie emisji dwutlenku węgla CO2e w podziale na gazy cieplarniane, a w ich ramach na sektory gospodarki. Skrót LULUCF oznacza użytkowanie terenu, zmiany użytkowania terenu i leśnictwo (ang. Land Use, Land-Use Change and Forestry).

Związek pomiędzy źródłami emisji gazów cieplarnianych, sektorami za nie odpowiedzialnymi oraz wpływem radiacyjnym różnych gazów cieplarnianych pokazuje rysunek 6. Widać, że emisja gazów cieplarnianych dotyczy wielu sektorów gospodarki.

Schemat łączący procesy i branże prowadzące do emisji poszczególnych gazów cieplarnianych

Rysunek 6: Światowe emisje gazów cieplarnianych w 2012 roku z podziałem na źródła emisji, sektory gospodarki i gazy cieplarniane. Za emisje bezpośrednie (poza spalaniem węgla, gazu i ropy) odpowiadają m.in. wylesianie, hodowla zwierząt czy wysypiska.

Najprościej można powiedzieć, że tak znaczące zmiany składu atmosfery ziemskiej, od dwutlenku węgla, przez metan i podtlenek azotu po inne przemysłowe gazy cieplarniane to efekt uboczny rosnącej skali naszej działalności gospodarczej.

Wykresy trendów gospodarczych i eksploatacji zasobów i środowiska. W obu przypadkach widać grupy krzywych szybko pnących się do góry

Rysunek 7: Po lewej trendy gospodarcze, po prawej trendy eksploatacji zasobów i środowiska. Zmiany względne, dla wszystkich krzywych różne skale i jednostki, w każdym przypadku oś dolna odpowiada wartości zero.

Rosnąca konsumpcja, powodująca przetwarzanie surowców na dobra, które następnie stają się odpadami, zasilana jest w ponad 80% energią ze spalania paliw kopalnych. Skutkuje to coraz większym zużyciem zasobów, emisją zanieczyszczeń do środowiska i jego szeroko pojętą degradacją.

Ocieplenie widoczne „gołym okiem”

Wzmocnienie efektu cieplarnianego powoduje gromadzenie energii w ziemskim systemie klimatycznym. W ostatnich latach nagrzewa się on w tempie odpowiadającym energii detonacji 500 000 bomb atomowych klasy ‘Hiroszima’ dziennie (w 2019 roku tempo nagrzewania oceanów ustanowiło rekord akumulując ciepło w tempie odpowiadającym milionowi bomb atomowych dziennie). Ponad 90% tej energii trafia do oceanów, ale nagrzewa się też atmosfera.

Wszystkie ostatnie 7 lat (2014-2020) należy do 7 najcieplejszych w historii pomiarów, przy czym wszystkie ostatnie 6 lat było cieplejsze o ponad 1°C (średnia globalna temperatura roczna) względem końca XIX wieku. Ostatnia dekada była prawdopodobnie najcieplejszą w całym holocenie (ciepłym okresie ostatnich 11,5 tys. lat), a ponieważ wcześniej przez ponad 100 tys. lat panowała epoka lodowa, więc tym samym ostatnia dekada była najcieplejszą od poprzedniego (o ułamek stopnia cieplejszego od holocenu) interglacjału eemskiego 120 tysięcy lat temu.

Podkreślmy: Ostatnia dekada była prawdopodobnie najcieplejszą od ponad 120 000 lat.

Wykres:  Anomalie średniej temperatury powierzchni Ziemi w okresie ubiegłych 22 000 lat

Rysunek 8: Anomalie średniej temperatury powierzchni Ziemi w okresie ubiegłych 22 000 lat względem okresu referencyjnego 1961–1990. Źródła: Shakun 2012, Marcott 2013, HadCRUT4.

Zmianę klimatu widać wyraźnie nawet bez zaawansowanych badań i metod statystycznych. Jeśli mamy ponad 30 lat to wystarczy sięgnąć pamięcią i porównać obecny klimat Polski, z tym sprzed kilkudziesięciu lat. Zimy były ogólnie bardziej mroźne i śnieżne, lata zaś mniej upalne (patrz Polskie lato 2019 - dziś rekordowo gorące, w przyszłości typowe lub wręcz chłodne?).

Skala ostatniej zmiany klimatu jest wyraźnie widoczna po porównaniu zmian średniej temperatury w różnych miastach naszego regionu Europy. Rysunek 9 pokazuje średnią temperaturę roczną (wygładzoną średnią ruchomą o okresie 5-letnim) dla Triestu, Werony, Budapesztu, Warszawy, Wrocławia i Petersburga.

Wykres średniej temperatury rocznej w wybranych miastach Europy

Rysunek 9: Średnia temperatura roczna (wygładzona średnia biegnącą o okresie 5 lat) w Trieście, Weronie, Budapeszcie, Warszawie, Wrocławiu i Petersburgu. Warto zauważyć zgodność regionalnych fluktuacji temperatury w kolejnych latach, w miejscach położonych w różnych krajach i odległych od siebie o setki kilometrów. Dane NASA GISS, w okresach, gdy niedostępne, zszyte z BEST na podst. temperatury w przylegających okresach 30-letnich. Kliknij, aby powiększyć.

Średnioroczna temperatura w Warszawie w ostatnim półwieczu wzrosła z 7,5 do 10°C, a we Wrocławiu z 8,5 do blisko 11°C, tym samym przekraczając średnioroczną temperaturę typową wcześniej dla Budapesztu (który w międzyczasie odnotował wzrost z ok. 10 do ok. 12,5°C, co odpowiada mniej więcej XIX-wiecznej średniej temperaturze w Wenecji, leżącej między Triestem i Weroną). Do średniej temperatury Warszawy sprzed kilkudziesięciu lat dobija zaś położony 700 km od koła podbiegunowego Petersburg, w którym średnioroczna temperatura wzrosła z 4,5 do 7°C (więcej w tekście Ocieplenie klimatu: Budapeszt w Warszawie a Warszawa w Petersburgu).

Przy obecnym tempie zmian do połowy stulecia średnia temperatura globalna przekroczy maksymalne temperatury z cyklu epok lodowych z ostatniego miliona lat. Kontynuowanie dotychczasowych trendów emisji gazów cieplarnianych, w szczególności dwutlenku węgla, grozi katastrofalną destabilizacją klimatu, z poważnymi konsekwencjami społecznymi, gospodarczymi i geopolitycznymi.

Więcej na ten temat przeczytasz w tekście „Skutki zmian klimatycznych”, który ukaże się wkrótce.

Marcin Popkiewicz, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon Malinowski

Opublikowano: 2020-10-26 11:11
Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.