Historia naukowa fizyki klimatu, część 4: Lody i modele

Po dłuższej przerwie powracamy do naszego cyklu o historii badań klimatu. Tym razem zajmiemy się ostatnim okresem (po roku 1965), obejmującym rozwój nowoczesnych modeli klimatu, badań rdzeni lodowych oraz powstanie IPCC.

Część 1: Ojcowie klimatologii fizycznej
Część 2: Czuły klimat i niestała stała
Część 3: Zimna wojna i globalne ocieplenie

Rozwój mocy obliczeniowych komputerów oraz metod numerycznych umożliwił rozwój modeli cyrkulacji globalnej atmosfery, używanych do numerycznych symulacji klimatu. W procesie uczestniczyli tacy badacze jak J. Smagorinsky, Norman Philips, Syukuro Manabe i wielu innych. W roku 1967 Manabe i Wetherald opublikowali fundamentalną pracę na temat modelu globalnego, opisującego warunki klimatyczne całej planety, uwzględniającego też w uproszczony sposób, rolę procesów konwekcyjnych (wprowadzili pojęcie tzw. równowagi radiacyjno-konwekcyjnej), co pozwoliło lepiej zrozumieć rozkład temperatury w atmosferze z wysokością w różnych warunkach i na różnych szerokościach geograficznych. Na temat tych zjawisk przeczytasz w tekście Efekt cieplarniany dla średniozaawansowanych (1): Termiczna struktura atmosfery

Sykuro Manabe, badacz klimatu.

Rysunek 1: Sykuro Manabe w roku 2018, zdjęcie Bengta Nymana za Wikimedia (licencja CC BY 2.0).

Chociaż większość doniesień ze źródeł naukowych z tego okresu ostrzegała przed nadciągającym globalnym ociepleniem, opinię publiczną lat 70-te XX wieku zdominowała wizja nadchodzącej rzekomo... epoki lodowej. Był to w pewnej mierze efekt publikacji dwójki naukowców z NASA, Rasoola i Schneidera (1971), którzy obliczyli, jaki wpływ na bilans energetyczny Ziemi miałby dalszy wzrost koncentracji aerozolu atmosferycznego, który odbija część promieniowania słonecznego w kosmos, ograniczając jego dopływ do powierzchni planety (więcej na ten temat: Efekt cieplarniany dla średniozaawansowanych (6): Aerozole). Bardziej szczegółowo przeczytasz o tej sprawie w naszym artykule Mit: W latach 70. XX wieku naukowcy przewidywali epokę lodowcową. Warto wspomnieć, że efekt jest prawdziwy, wielokrotnie rozważany np. w wielu, publikowanych do dziś artykułach naukowych na temat hipotetycznej “zimy jądrowej”, a praca była jedną z tych które zapoczątkowały globalne badania nad wymuszaniem radiacyjnym w skali globu przez aerozole atmosferyczne.

W latach 70. prowadzono intensywne badania, które przyniosły wiele ważnych ustaleń dotyczących między innymi roli gazów innych niż CO2 (np. metanu) w efekcie cieplarnianym,a także wkładów wylesiania czy przemysłu (na przykład produkcji cementu) w emisję dwutlenku węgla. Ponadto, znaczącą konkluzją przełomu lat 70/80 stało się rozpoznanie ograniczonych możliwości oceanów i biosfery do naturalnego sekwestrowania dwutlenku węgla.

W głąb lodowej historii

Chociaż rok 1957/1958 został nazwany Międzynarodowym Rokiem Geofizyki, co poskutkowało między innymi rozwojem glacjologii i rozpoczęciem wydobywania rdzeni lodowych na światową skalę, to dopiero okres późniejszy, lat 70 tych i 80 tych zaowocował szerokim spektrum możliwości badań historii klimatu planety w oparciu o dane glacjologiczne. Informacje odczytane z rdzeni lodowych Antarktydy i Grenlandii, sięgające w czasie do 800 tys. lat wstecz, umożliwiły bezpośrednie badanie atmosfery minionych epok, na podstawie składu uwięzionych w lodzie pęcherzyków powietrza.

Rosyjska stacja antarktyczna Wostok.

Rysunek 2: Rosyjska stacja antarktyczna Wostok. Zdjęcie Todda Sowersa (LDEO, Columbia University, Palisades, New York) za Wikimedia (zdjęcie w domenie publicznej).

Między innymi w oparciu o materiał z rdzenia Wostok (rdzeniowanie rozpoczęto w 1970 roku, głębokość 2 km została osiągnięta w połowie lat 80 tych) wykazano związek zmian temperatury ze zmianami zawartości CO2 w powietrzu. Postacią, którą należy w tym momencie przywołać, jest Claude Lorius, francuski fizyk, glacjolog oraz badacz klimatu (urodzony w 1932), który znacząco przyczynił się do rozwoju tej dziedziny. Uczestniczył w ponad 20 wyprawach polarnych, badał skład powietrza zawartego w pęcherzykach w rdzeniach lodowych, oraz opracował zasady działania termometru izotopowego (odtwarzania paleotemperatur w oparciu o izotopy obecne w pęcherzach powietrza).

Poza bezpośrednimi danymi opisującymi minione epoki, badania rdzeni lodowych zapewniły odpowiedź na wiele kwestii - potwierdziły wnioski pochodzące z obliczeń modeli klimatu, pokazując związek zmian temperatury ze składem powietrza, aktywnością słoneczną i cyklami Milankovicia. W połączeniu z rekonstrukcją dawnego rozmieszczenia kontynentów na Ziemi, oraz migracją biegunów, udało się ustalić, że w historii naszej planety występowały okresy wysokich temperatur, podczas których zawartość CO2 była znacząco wyższa niż obecnie. Więcej o rdzeniach w artykule Paleoklimatologia: sekrety rdzeni lodowych.

Raport Charneya

Przełomową publikacją czasów współczesnych stał się raport „Dwutlenek węgla a klimat. Oszacowanie naukowe” Carbon Dioxide and Climate: A Scientific Assessment, 1979. Opublikowany w 1979, opracowany przez grupę badawczą kierowaną przez Jule’a Charneya, na polecenie Narodowej Akademii Nauk Stanów Zjednoczonych. W oparciu o dwa modele zespołowi udało się nadzwyczaj trafnie przewidzieć wzrost temperatury w zakresie 1,5 a 4,5°C przy przewidywanym, dwukrotnym wzroście zawartości dwutlenku węgla w atmosferze. Jakkolwiek wnioski oparte na dwóch modelach były obarczone niepewnością, intuicja oparta na podstawach fizycznych atmosfery okazała się trafna. Raport do dzisiaj jest ceniony za prostotę, a kolejne modele potwierdzają przewidywania sprzed czterdziestu lat.

Jule Charney

Rysunek 3: Jule Gregory Charney, zdjęcie MIT Museum za Wikimedia (licencja CC BY-SA 4.0).

Bezposrednim skutkiem opublikowania Raportu Charneya było zaalarmowanie znacznej częsci środowiska naukowego i powolanie w roku 1980, World Climate Research Programme (WCRP) ktory dziala do tej pory i pomaga w światowej koordynacji badań nad klimatem naszej planety. Coraz ścislejsza wspólpraca naukowa w ramach tego programu pozwala dzis przygotowywać wspólne plany dzialania (pomiarow, obserwacji badań, kampanii geoficzycznych), które w wielkiej mierze wykorzystywane są w wielu raportach klimatycznych.

Pod koniec XX wieku

Wyczerpujący opis obiegu węgla w przyrodzie, z podziałem na szybki (patrz Szybki cykl węglowy, część 1: atmosfera i ekosystemy lądowe, Szybki cykl węglowy, część 2: węgiel w oceanach) i wolny cykl węglowego (patrz Wolny cykl węglowy i termostat węglowy) zawdzięczamy rozwojowi nauki o klimacie w latach 80-tych. Wtedy też potwierdzono, że choć temperatura w ubiegłych epokach bywała nawet do 8℃ wyższa niż obecnie, to prowadziły do takich stanów do niej stosunkowo powolne wzrosty koncentracji gazów cieplarnianych w atmosferze trwające miliony, a raczej dziesiątki milionów lat. To procesy zupełnie inne, niż sytuacja dzisiejsza, w której, kiedy obserwujemy nagły, trwający zaledwie stulecia i bardzo intensywny wzrost koncentracji gazów cieplarnianych i temperatury.

Pod koniec lat 80. naukowcy z NASA pod kierownictwem Jamesa Hansena opublikowali projekcje klimatu na kolejne trzydzieści lat, przygotowane z użyciem nowoczesnego modelu numerycznego - takiego, w którym obliczenia prowadzone są w sposób podobny jak możliwa ewolucja atmosfery w czasie w poszczególnych oczkach regularnej siatki obliczeniowej obejmującej całą atmosferę (patrz Wirtualny klimat, Hansen i in., 1988). Coraz bardziej alarmujące przewidywania tej i innych grup zwróciły wreszcie uwagę rządzących.

Przedstawiciele WMO i IPCC podczas szczytu klimatycznego COP24 w Katowicach

Rysunek 4: Politycy oraz przedstawiciele WMO i IPCC podczas szczytu klimatycznego COP24 w Katowicach. Od lewej: M.A. Aslam, doradca premiera Pakistanu, przewodniczący IPCC, Hoesung Lee, sekretarz generalna WMO, Elena Manaenkova, główny naukowiec UNEP, Jian Liu i przewodnicząca pierwszej grupy roboczej IPCC, Valerie Masson-Delmotte. Zdjęcie: A. Kardaś.

Wzrosło zainteresowanie wpływem zmian klimatu na jakość życia ludzi a w 1988 roku na wniosek członków ONZ powstał IPCC (Międzynarodowy Zespół ds. Spraw Klimatu), którego rolą jest przygotowywanie dla państw członkowskich podsumowań aktualnej wiedzy naukowej na temat zmiany klimatu (stało się to możliwe dzięki istnieniu WCRP), związanych z tą zmianą ryzyk oraz możliwości zapobiegania lub przystosowywania się skutków do globalnego ocieplenia. Od utworzenia, IPCC opublikowało 5 raportów podsumowujących oraz wiele raportów specjalnych. Wnioski z nich skłoniły ONZ podpisania Ramowej konwencji Narodów Zjednoczonych w sprawie zmiany klimatu (1992) a następnie protokołu z Kyoto 1998, czy Porozumienia paryskiego z 2015 roku.

Badania klimatu rozwijają się cały czas. Z każdym rokiem publikowanych jest coraz więcej prac z tej dziedziny, do pracy zaprzęgane są już nie tylko naziemne przyrządy pomiarowe, ale także samoloty (Jak się to robi: pomiary atmosferyczne z pokładu samolotu, Fizyk buja w obłokach, Kampania pomiarowa EUREC4A, czyli jak się bada chmury i klimat), autonomiczne boje (Jak i po co mierzymy temperaturę oceanu - pomiary bezpośrednie, Program ARGO sięga głęboko) czy satelity (Jak i po co mierzymy temperaturę oceanu - pomiary satelitarne, Co satelity mówią o ociepleniu atmosfery, Satelitarne obserwacje stężeń, źródeł emisji i miejsc pochłaniania CO2). Jeśli chcecie znać ich aktualne wyniki, zapraszamy do śledzenia naszej strony!

Klara Górska, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon P. Malinowski

 

Opublikowano: 2020-09-21 10:22
Tagi

historia badań klimatu

Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.