W pierwszej części naszego cyklu pisaliśmy o narodzinach dwóch zasadniczych hipotez fizyki klimatu – o zasadniczej roli energii słonecznej i efektu cieplarnianego dla równowagi energetycznej planety – na początku XIX wieku. Teraz prześledzimy ich losy aż do początków wieku XX.
W roku 1903, w którym Maria i Piotr Curie oraz Henri Becquerel uzyskali nagrodę Nobla z fizyki za odkrycie promieniotwórczości, szwedzki uczony, Svante Arrhenius (1859 – 1927), został jej laureatem w dziedzinie chemii, za elektrolityczną teorię dysocjacji. Nazywany jest często „ojcem chemii fizycznej”, jako ze większość jego badań dotyczyła pogranicza fizyki i chemii. Zainspirowany pracami Fouriera i Tyndalla, znając wyniki pomiarów Langleya, postanowił obliczyć, czy przyczyną znanych już geologom epok lodowcowych, mógł być spadek zawartości CO2 w atmosferze. W swojej pracy z 1896 roku [1] przeprowadził bardzo precyzyjne (jak na swoje czasy) obliczenia zmian temperatury powierzchni Ziemi wskutek zmian zawartości CO2 w powietrzu. Uwzględnił w nich nie tylko efekt cieplarniany związany z dwutlenkiem węgla, ale i sprzężenia związane zawartością pary wodnej w powietrzu i albedo obszarów biegunowych (czyli ilość promieniowania odbijanego przez powierzchnię Ziemi). Dzięki temu pokazał, że efekty zmian klimatu najsilniejsze będą w obszarach polarnych a najsłabsze na równiku. W wyniku obliczeń stwierdził, że przy spadku ówczesnej zawartości CO2 w atmosferze o czynnik 2 (z ok. 300ppm do 150ppm) temperatura w Europie powinna spaść o 4-5°C.
![. Svante August Arrhenius . Svante August Arrhenius](https://naukaoklimacie.pl/cdn/upload/520b9a8b180a1_arrhenius.jpg)
Sprawdzając czy takie zmiany składu atmosfery były możliwe, Arrhenius skonsultował się z geologiem Arvidem Högbomem, który badał naturalne procesy geochemiczne, w tym emisje wulkaniczne. Högbom zauważył, że emisje wulkaniczne były (w tym okresie) zbliżone do emisji ze źródeł przemysłowych, co mogło w zauważalny sposób zmienić zawartość dwutlenku węgla w powietrzu. Zainspirowany tym Arrhenius powtórzył obliczenia dla sytuacji podwojenia koncentracji CO2 w atmosferze. W wyniku otrzymał możliwy wzrost temperatury powierzchni planety o 5-6°C. Kilkanaście lat później emisje ze spalania paliw kopalnych wielokrotnie wzrosły i w 1908 roku Arrhenius pisał że przewidywany przez niego wzrost temperatury globu może wystąpić w ciągu kilkuset lat.
Warto zdawać sobie sprawę, że obliczona przez Arrheniusa czułość klimatu wyniosła ok 6°C – dwukrotnie więcej od dzisiejszych oszacowań. Wynikało to jednak z ówczesnego stanu wiedzy i związanych z tym przybliżeń i niedokładności a nie z zasadniczych błędów w założeniach.
CO2 – wielki regulator
Teoria Arrheniusa zrobiła duże wrażenie na współczesnych. Thomas C. Chamberlin w serii publikacji z ostatnich lat XIX wieku rozpropagował ją wśród geologów. Dowodził, że atmosferyczny CO2 jest jednym z głównych „regulatorów” temperatury powierzchni naszej planety. Był pierwszym, który pokazał że jedyną drogą do zrozumienia zmian klimatycznych jest uwzględnienie wielu różnych zjawisk i procesów porywających na klimat: nie tylko aktywności Słońca i gazów cieplarnianych, ale roli oceanów, mineralogii, zmian własności powierzchni Ziemi, przemian chemicznych. Wprowadził pojęcie sprzężeń w systemie klimatycznym, czyli powiązanych ze sobą procesów, nawzajem wzmacniających lub osłabiających swoje działanie. Warto wspomnieć, że Chamberlin był też autorem hipotezy że źródłem ciepła wnętrza Ziemi jest naturalna promieniotwórczość.
![Thomas Chrowder Chamberlin Thomas Chrowder Chamberlin](/cdn/upload/520b9ada476f1_chamberlin.gif)
Niestety, wyniki obliczeń Arrheniusa skrytykował inny wpływowy szwedzki fizyk, Knut Ångström, który błędnie zinterpretował wyniki swoich (a ściślej – prowadzonych przez asystentów) pomiarów absorpcji podczerwieni w gazach cieplarnianych w warunkach laboratoryjnych. Ogłosił, że przy wzroście zawartości gazów cieplarnianych w powietrzu efekt cieplarniany ulegnie „wysyceniu”, czyli przestanie przybierać na sile. Ten pogląd szybko zdobył popularność w kręgach naukowych. Można o tym przeczytać np. w wydanym w 1909 roku podręczniku „Fizyka Ziemi”[2] Maurycego Piusa Rudzkiego, polskiego wybitnego geofizyka z przełomu XIX i XX w.
W stronę Słońca
W tej sytuacji w nauce zaczęła przeważać teza o dominującym wpływie Słońca na klimat. Jej najbardziej wytrwałym propagatorem był Charles Greeley Abbot, następca Langleya w Smithsonian Astrophysical Observatory. Kontynuował on program pomiarów stałej słonecznej i na początku lat dwudziestych doprowadził do korekcji błędnych wyników Langleya oraz zauważył, że nazwa „stała” jest w tym wypadku źle użyta, dopływ energii zmienia się bowiem zależnie od liczby plam na Słońcu. Jego oszacowania pokazywały, że zmiany w strumieniu energii mogą sięgać 1%, co nie może pozostawać bez wpływu na klimat. Na tej podstawie już w 1913 Abbot twierdził, że widzi w danych prostą korelację liczby plam słonecznych i temperatury Ziemi. Pewny siebie ogłosił że poprawa obserwacji Słońca poprawi również prognozy pogody. Jednak jego tezy okazały się nieprawdziwe. Jego wyniki, uzyskane na podstawie analizy danych historycznych pochodzących z bardzo krótkiego okresu, były skutkiem przypadkowego zbiegu w czasie osłabień aktywności słonecznej i erupcji wulkanicznych.
![Milutin Milanković Milutin Milanković](/cdn/upload/520b9b54d147d_milankovic.jpg)
W tym czasie serbski inżynier i matematyk, Milutin Milanković, analizując zmiany orbity Ziemi, zauważył, że zmienność w dopływie energii słonecznej spowodowana fluktuacjami kształtu orbity i nachylenia osi Ziemi jest wyraźna i to ona mogła spowodować przeszłe zmiany klimatu [3]. Niestety, dokładniejsze obliczenia pokazały, że zmienność jest za mała, żeby zrozumieć znaczne zmiany temperatury między epokami lodowcowymi i interglacjałami, i że do ich wytłumaczenia potrzebny jest jakiś czynnik wzmacniający. Warto jednak zauważyć że od tego momentu istniały już dwie astronomiczne hipotezy (jeszcze nie teorie – brakowało im oparcia w danych doświadczalnych) klimatu.
Powrót do tez Arrheniusa
Mimo prac Abbotta i Milankovica hipoteza Tyndalla i Arrheniusa o znaczącym wpływie zawartości atmosferycznego CO2 na klimat nie została zapomniana. W roku 1931 amerykański fizyk E.O. Hulburt powtórzył obliczenia Arrheniusa używając znacznie dokładniejszych informacji o własnościach absorpcyjnych CO2, które poznano w wyniku rozwoju mechaniki kwantowej [4]. Nowe obliczenia dały wynik: wzrost temperatury o 4°C przy podwojeniu koncentracji CO2 w powietrzu. Ta praca, opublikowana w Physical Review, przeszła niezauważona przez badaczy klimatu mimo działań popularyzatorskich.
![„Popular Mechanics” „Popular Mechanics”](/cdn/upload/5236f29b6c2ec_e-o-hulburt.png)
Pierwszym, który wykazał związek wzrostu koncentracji atmosferycznego CO2 z obserwowanym wzrostem temperatury globu na podstawie danych obserwacyjnych, był angielski inżynier, meteorolog hobbysta, Guy Stewart Callendar. Analizując dane meteorologiczne od połowy XIX w. zauważył dodatni trend przebiegu temperatur w ciągu dziesięcioleci [5]. Gdy skonfrontował aktualne (w latach trzydziestych) dane o koncentracji atmosferycznego CO2 z danymi historycznymi, zauważył dziesięcioprocentowy wzrost. Na tej podstawie oszacował że klimat ociepli się o 2°C przy podwojeniu zawartości CO2 w powietrzu.
![Guy Stewart Callendar Guy Stewart Callendar](/cdn/upload/520b9c284f647_callendar.jpg)
Warto podkreślić, że już pod koniec pierwszej połowy XX wieku, na długo przed wybuchem zainteresowania globalnym ociepleniem, wyniki badań naukowych dowodziły, że czułość klimatu na podwojenie koncentracji CO2 w powietrzu wynosi od 2°C wg. Callendara do 4°C wg. Hulburta, co jest zgodne również z aktualnym stanem wiedzy. Wyniki badań podsumowane w ostatnim (czwartym) Raporcie IPCC (AR4) pokazują że wynosi ona najprawdopodobniej 2°C do 4,5°C. Najbardziej prawdopodobna wartość to około 3°C. Wartość niższa niż 1,5°C jest bardzo mało prawdopodobna, nie można natomiast wykluczyć wartości wyraźnie wyższych niż 4,5°C.
Pod wpływem prac Callendara zaczęto się zastanawiać jak szybko klimat może się ocieplić. Podstawowym pytaniem było, jaka część emitowanego przez ludzi CO2 rozpuszcza się w wodach oceanu, a jaka zostaje w atmosferze. Odpowiedź na to pytanie, podobnie jak weryfikację astronomicznych teorii zmian klimatu uzyskano, co ciekawe, dzięki rozwojowi fizyki i chemii jądrowej. Badania zawartości stałych i promieniotwórczych izotopów węgla, tlenu, berylu, wodoru w osadach, koralowcach, stalaktytach, rdzeniach lodowych, w roślinach, a także w wodzie i powietrzu pozwoliły na niezwykłe postępy w rozumieniu procesów klimatycznych. Naukowcem który doprowadził do rozkwitu spektroskopię masową, metodę która pozwala bardzo precyzyjnie określanie zawartości poszczególnych pierwiastków i ich izotopów w różnych substancjach, był Harold Clayton Urey, amerykański chemik, laureat nagrody Nobla z 1934 roku otrzymanej za wyodrębnienie deuteru. Przyczynił się on później do budowy pierwszej bomby atomowej wymyślając metodę separacji 235U od 238U.
Prof. Szymon P. Malinowski
Więcej o tym, jak badania składu izotopowego substancji przydają się w badaniach klimatu przeczytacie w trzeciej części historii naukowej fizyki klimatu.
[1] Arrhenius S., (1896) „On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground”. Philosophical Magazine and Journal of Science 41: 237-276.
[2] Rudzki M. P., (1909) „Fizyka Ziemi”. Kraków, nakładem Akademii Umiejętności, Drukarnia Uniwersytetu Jagiellońskiego.
[3] Миланковић М., (1914) „О питању астрономских теорија ледених доба”. Загреб.
[4] Hulburt E. O., (1931). „The Temperature of the Lower Atmosphere of the Earth”. Phys. Rev. 38: 1876–1890.
[5] Callendar, G. S. (1938) „The artificial production of carbon dioxide and its influence on temperature”. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 64: 223-240.
Fajnie, że tu jesteś. Mamy nadzieję, że nasz artykuł pomógł Ci poszerzyć lub ugruntować wiedzę.
Nie wiem, czy wiesz, ale naukaoklimacie.pl to projekt non-profit. Tworzymy go my, czyli ludzie, którzy chcą dzielić się wiedzą i pomagać w zrozumieniu zmian klimatu. Taki projekt to dla nas duża radość i satysfakcja. Ale też regularne koszty. Jeśli chcesz pomóc w utrzymaniu i rozwoju strony, przekaż nam darowiznę w dowolnej wysokości