John Clauser – noblista, ale niezorientowany w badaniach klimatu

Wiedza o tym, że klimat się zmienia i ma to poważne konsekwencje wydaje się już powszechna. Wciąż jednak zdarzają się próby mącenia opinii publicznej w głowie. Przykładem są powtarzające się ostatnio doniesienia w stylu „Laureat Nobla z fizyki: Nie ma kryzysu klimatycznego”. Ich bohaterem jest prof. John Clauser. Co można w nich znaleźć? Ile w tym sensu? Komentujemy, przypominając, że badacze klimatu wiedzą o istnieniu chmur.

Od mniej więcej pół roku w internecie i w tradycyjnych mediach regularnie przywoływane są wypowiedzi prof. Johna Clausera, amerykańskiego fizyka specjalizującego się w mechanice kwantowej i laureata Nagrody Nobla z fizyki z 2022. W maju John Clauser przystąpił do lobbystycznej organizacji CO2 Coalition, kwestionującej politykę klimatyczną USA a także ustalenia nauki będące jej podstawą, i w konsekwencji duża część jego publicznej działalności zaczęła być związana z tematem antropogenicznej zmiany klimatu.

Z jego wypowiedziami, bardzo krytycznymi zarówno względem naukowców zajmujących się badaniem klimatu, jak i instytucji takich jak Międzyrządowy Panel ds. Zmiany Klimatu (IPCC), trudno jest merytorycznie polemizować z tego powodu, że swoich argumentów do tej pory nigdzie nie opublikował.

W pewnym zakresie poglądy prof. Clausera można jednak zrekonstruować na podstawie kilku publicznych wystąpień i ich omówień: komunikatu CO2 Coalition z okazji przystąpienia do zarządu organizacji, referatu wygłoszonego 26 czerwca na konferencji Quantum Korea 2023, oraz przede wszystkim wywiadu udzielonego The Epoch Times 5 września 2023 roku (nagranie także tu), oraz wykładu z 14 listopada na konferencji Deposit of Faith Coalition zorganizowanej przez tradycjonalistyczną organizację katolicką Faith Militant. Zwłaszcza ten dwa ostatnie są wystarczająco obszerne, aby można było prześledzić istotę argumentów Johna Clausera oraz ich źródła.

Poniżej pokrótce omówię, mam nadzieję że wiernie, główne tezy prof. Clausera i wyjaśnię, w których miejscach utytułowany fizyk się myli i skąd się jego błędy biorą. Cytowane fragmenty wypowiedzi pochodzą z wywiadu dla Epoch Times.

1. Nie jest prawdą, że klimatolodzy pomijają albo kompletnie nie rozumieją wpływu chmur na klimat Ziemi, a modele klimatu w ogóle chmur nie zawierają

Wydaje się, że u źródeł takiej opinii Johna Clausera leży niezrozumienie pierwszych kilku minut „Niewygodnej prawdy”, w których Al Gore faktycznie pokazywał zdjęcia Ziemi z kosmosu. Zaczął od słynnego zdjęcia wschodu Ziemi nad powierzchnią Księżyca, wykonanego w 1968 roku przez załogę Apollo 8; potem pokazał zdjęcie całego dysku planety zrobione z pokładu Apollo 17 (patrz ilustracja 3 poniżej); oraz sekwencję zdjęć wykonanych przez sondę Galileo w 1990 roku.

Na koniec Gore zaprezentował mapę wykonaną w 1990 roku przez Toma Van Santa, wygenerowaną komputerowo w oparciu o zdjęcia satelity meteorologicznego TIROS-N, i przedstawiającą powierzchnię Ziemi taką, jaka wyglądałaby z kosmosu, gdyby nie było chmur. Była to pierwsza, bardzo słynna, mapa tego typu, i choć Gore faktycznie chętnie do niej powracał przy wizualizacji mechanizmów i skutków globalnego ocieplenia, nie ma ona nic wspólnego z modelowaniem klimatu.

Nieobecność chmur na tej konkretnej mapie nie oznacza też oczywiście, że klimatolodzy o wpływie chmur nie wiedzą albo go pomijają w swoich modelach oraz opartych o nie prognozach przyszłych zmian klimatu.

Do zdjęć Ziemi z kosmosu i ich interpretacji jeszcze wrócę, ale jako dowód na to że osoby zajmujące się badaniem i modelowaniu klimatu o istnieniu chmur nie zapomniały, mogę przytoczyć artykuł z 1981 roku autorstwa brytyjskiej meteorolożki i klimatolożki Julii Slingo, będący jednym z pionierskich badań tego rodzaju. Użyty w nim model, choć według obecnych standardów prymitywny, zawierał cyfrową reprezentację chmur różnych rodzajów, wysokości i grubości, dzięki czemu możliwe było przeprowadzenie obliczenie wpływu zachmurzenia na bilans promieniowania symulowanej Ziemi (Slingo, 1982).

Możliwości współczesnych modeli klimatu w zakresie modelowania chmur może natomiast zilustrować poniższa grafika, porównująca wspomniane zdjęcie Ziemi z kosmosu wykonane przez astronautów Apollo 17 z symulacją warunków panujących tego samego dnia, wykonaną przez naukowców niemieckiego Instytutu im. Maxa Plancka modelem ICON (Max Planck Institut, 2022). Nie trzeba być specjalistą aby dostrzec, że układ chmur został odtworzony bardzo szczegółowo.

Trudno jest też zrozumieć, w jaki sposób prof. Clauser doszedł do wniosku, że wpływ chmur na klimat jest przez klimatologów ignorowany, skoro krytykowane przez niego raporty IPCC zawierają obszerne omówienie roli chmur w systemie klimatycznym. Jest możliwe, że pomylił mu się całościowy wpływ chmur na klimat ze związanymi z nimi sprzężeniami zwrotnymi: te ostatnie, będąc relatywnie niewielką zmianą całkowitego bilansu radiacyjnego planety, trudno oszacować obserwacyjnie oraz dokładnie modelować, i w konsekwencji są największym źródłem niepewności przy obliczaniu tzw. równowagowej czułości klimatu.

Jednak nawet raport Amerykańskiej Akademii Nauk sprzed dwudziestu lat, o którym wspomina John Clauser, mimo że nie zawierał szczegółowego przeglądu ówczesnego stanu badań dotyczących chmur (bo jego celem było nakreślenie głównych obszarów niepewności związanych ze sprzężeniami zwrotnymi i najbardziej obiecujących kierunków badań, które miały te niepewności zmniejszyć), w żadnym miejscu nie stwierdzał, jak utrzymuje prof. Clauser, że nic nie wiemy o wpływie chmur na klimat. Od momentu publikacji raportu udało się zresztą te niepewności znacznie zmniejszyć, ale do tematu sprzężeń bardziej szczegółowo wrócę jeszcze poniżej.

2. Zmienność zachmurzenia jest znacznie mniejsza, niż ocenia prof. John Clauser na podstawie zdjęć Ziemi z kosmosu

Pomiar globalnej pokrywy chmur jest skomplikowanym zagadnieniem i nie można go zastąpić analizą metodą „na oko” kilku albo kilkunastu losowych zdjęć Ziemi z kosmosu, tak jak zrobił to prof. Clauser. Niektóre z tych zdjęć są zresztą syntetycznymi mozaikami, powstałymi podobnie do wspomnianej wcześniej mapy Toma Van Santa, i łączącymi ze sobą różne dane satelitarne. W efekcie poziom zachmurzenia, który według Clausera jest efektem jego zmienności w czasie, w rzeczywistości jest skutkiem tego, że pokazuje różne rejony Ziemi, z których niektóre cechują się wyższym, a inne niższym typowym zachmurzeniem, zaś zobrazowane pole widzenia obejmuje różną powierzchnię planety.

Przykładowo, trakcie wywiadu John Clauser pokazuje dziennikarzowi grafikę sporządzoną przez Reto Stöckli i Roberta Simmona, składającą się z warstwy bezchmurnych zdjęć powierzchni Ziemi, zrobionych instrumentem MODIS z satelity Terra od czerwca do września 2001 roku, na którą nałożono warstwę chmur wygenerowaną w oparciu o obserwacje satelity geostacjonarnego GEOS-8 wykonane 29 lipca (patrz NASA’s Earth Observatory). W wersji pokazanej przez prof. Clausera dodatkowo doklejono do tej grafiki (nierealistycznie w tej perspektywie powiększony) Księżyc.

Wiedząc jak powstała ta grafika i znając źródła ich danych możemy porównać oszacowane przez prof. Clausera zmiany zachmurzenia z rzeczywistymi. W przypadku omawianej grafiki, 29 lipca 2001 roku globalne zachmurzenie wynosiło około 62% (obliczenia na podstawie danych CLARA A2 i A3 oraz reanalizy ERA5. Bardzo podobny wynik uzyskano też używając maski chmur użytej przez autorów grafiki), gdy tymczasem Clauser ocenia je, w oparciu o widoczny fragment planety, na 40%. Zdjęcie drugie wykonane zostało instrumentem VIIRS satelity Suomi NPP 8 lutego 2012 roku (patrz: zarchiwizowana strona NASA), a globalne zachmurzenie tego dnia wynosiło około 63%.

Jeszcze mniej dokładnie wypadają szacunki przedstawione na kolejnym slajdzie, który według Johna Clausera pokazuje zmiany zachmurzenia nad częścią wschodniej półkuli wahające się od 5% do ponad 60%.

Pomijając jednak pierwsze „zdjęcie”, które jest grafiką komputerową z serwisu Shutterstock wygenerowaną, w nie do końca przemyślany sposób, w oparciu o mozaiki NASA (jej autor/ka połączył zdjęcia dzienne i nocne, przez co światła miast widać na oświetlonej przez Słońce półkuli), różnice w pokrywie chmur wynikają przede wszystkim z tego, że na niektórych widać więcej, a na innych mniej Oceanu Południowego. Przykładowo, na drugim zdjęciu, wykonanym przez sondę LRO 12 października 2015 roku, rejon ten jest zresztą w większości zasłonięty przez powierzchnię Księżyca, a chmury pokrywały tego dnia około 61% powierzchni planety, a więc znacznie więcej niż sugeruje prof. John Clauser.

W rzeczywistości globalna pokrywa chmur Ziemi wynosi około 65% (Karlsson i in., 2023) i zmienia się, głównie w cyklu sezonowym, o mniej więcej 10pp, a postulowane przez prof. Clausera ogromne wahania zachmurzenia – które zresztą trudno byłoby wyjaśnić w ramach znanej nam fizyki atmosfery – nie są obserwowane.

Widać to zresztą również w artykule Kinga i in. (2013), na który prof. Clauser powołuje w wykładzie na konferencji Deposit of Faith Coalition. Przedstawione w nim wahania globalnego zachmurzenia, oparte o 12 lat pomiarów zachmurzenia wykonane przez satelity Aqua i Terra, zawierają się pomiędzy 65% a 69% (ryc. 5 ze s. 3835).

3. Całkowity wpływ chmur na bilans promieniowania planety jest mniejszy, niż mówi prof. John Clauser, zaś wpływ dwutlenku węgla jest większy

Z kontekstu rozumiem, że prof. Clauser mówi tutaj o uśrednionych dla całej planety strumieniach promieniowania, choć nie do końca wiadomo, skąd biorą się cytowane wartości. Nie odpowiadają one wynikom pomiarów podsumowanych w raporcie IPCC (rys. 4, panel górny), zgodnie z którymi z docierającego do Ziemi promieniowania słonecznego – z którego tylko część to światło widzialne, poza tym istotna jest bliska podczerwień i nadfiolet – w kosmos powraca, w ujęciu średniorocznym, około 100 z 340 W/m² (L’Ecuyer i in., 2015). Nie wszystko jednak z tego jest odbijane przez chmury: część jest rozpraszana przez cząstki unoszących się w powietrzu zanieczyszczeń, część dociera do powierzchni planety i też się od niej odbija. Dodatkowo, chmury zatrzymują też promieniowanie cieplne, a zatem wzmacniają efekt cieplarniany.

Aby ilościowo opisać wpływ chmur na bilans promieniowania docierającego i opuszczającego planetę, w klimatologii od wielu lat (Ramanathan in., 1989) używa się parametru zwanego „efektem radiacyjnym chmur” albo CRE (cloud radiative effect), rozbitego na składową krótkofalową (promieniowanie słoneczne) i długofalową (wpływ chmur na efekt cieplarniany). Ta pierwsza składowa szacowana jest, w oparciu o pomiary satelitarne programu CERES z okresu 2005-2015 (Goeb i in., 2020) na -45,3 W/m². Chłodzący wpływ chmur jest po części skompensowany wzmocnieniem efektu cieplarnianego o 25,7 W/m².

Całkowity efekt radiacyjny chmur CRE, będący sumą obu składowych, wynosi -19,6 W/m², a zatem o tyle, w skali całej planety, zmniejszyłaby się ilość promieniowania słonecznego odbitego w kosmos oraz promieniowania podczerwonego emitowanego przez powierzchnię Ziemi i atmosferę gdyby nagle zniknęły z niej wszystkie chmury (sytuacja przedstawiona na panelu dolnym il. 6, Warto tutaj zauważyć że gdyby chmur w ogóle nie było, część promieniowania słonecznego, którą obecnie odbijają, byłaby w zamian odbijana przez powierzchnię Ziemi.). Rzeczywiste wahania zachmurzenia mają, jak widzieliśmy wcześniej, znacznie mniejszą amplitudę, a długoterminowe ich trendy można powiązać, poprzez klimatyczne sprzężenia zwrotne, z antropogenicznym globalnym ociepleniem.

Na koniec trzeba zauważyć że wpływ antropogenicznego dwutlenku węgla jest obecnie około czterokrotnie większy niż twierdzi John Clauser, tzn. wynosi około 2,25 W/m² a nie 0,5 W/m², a wraz z innymi gazami cieplarnianymi sięga 3,45 W/m² (Forster i in., 2023).

4. Sprzężenia zwrotne związane z chmurami są bardziej skomplikowane, a ich wpływ bardziej subtelny, niż twierdzi prof. John Clauser.

W swoich wypowiedziach prof. Clauser przedstawił koncepcję „termostatu”, który ma regulować klimat Ziemi, i który ma być przez klimatologów ignorowany. Postulowany przez niego mechanizm który miałby decydować o zachmurzeniu planety (i w konsekwencji o jej temperaturze) jest jednak bardzo uproszczony. Paradoksalnie, gdyby chmury działały w opisany przez niego sposób, przewidywania modeli klimatu mogłyby być znacznie dokładniejsze!

Tymczasem zachowanie chmur w zmieniającym się klimacie i sposób w jaki wpływają na bilans promieniowania w atmosferze są bardzo skomplikowane. O jednej z przyczyn wspomniałem wcześniej: chmury nie tylko odbijają promieniowanie słoneczne (ochładzając planetę), ale zatrzymują też promieniowanie podczerwone (ogrzewając ją), a w różnych ich rodzajach te efekty występują z różnym natężeniem: w przypadku chmur niskiego piętra dominuje ten pierwszy, zaś chmury wysokie przede wszystkim związane są z tym drugim efektem.

Same zmiany zachmurzenia nie ograniczają się tylko do większej czy mniejszej pokrywy chmur, ale mogą oznaczać modyfikację ich wysokości, temperatury, czasu życia, własności optycznych, a nawet efektów związanych z wielkoskalową cyrkulacją atmosferyczną (patrz il. 7). Dodatkową komplikacją jest wpływ zanieczyszczeń powietrza (antropogenicznych aerozoli), które również odbijają i rozpraszają promieniowanie słoneczne, oraz wpływają na tworzenie się i właściwości chmur.

Ponieważ chmury były i wciąż są jednym z ulubionych tematów badań klimatologów, w czasie choćby ostatnich 20 lat, które upłynęły od publikacji cytowanego przez prof. Clausera raportu Amerykańskiej Akademii Nauk o sprzężeniach zwrotnych, wiele się o wpływie chmur na klimat dowiedzieliśmy. Dysponujemy pomiarami satelitarnymi, których w 2003 roku jeszcze nie wykonano; nowymi technikami analizy statystycznej; doskonalszymi modelami i mocą obliczeniową umożliwiającą przeprowadzanie symulacji niemożliwych 20 lat temu.

Obszerne podsumowanie tych badań można znaleźć w meta-analizie An Assessment of Earth’s Climate Sensitivity Using Multiple Lines of Evidence Sherwooda i in. (2020), a także rozdziale siódmym szóstego raportu pierwszej grupy roboczej IPCC (sekcja 7.4.2.4.). Wynika z nich, że sprzężenia zwrotne związane z chmurami są w sumie dodatnie, a zatem zamiast zachowywać się jak termostat stabilizujący temperaturę planety, zwiększają ocieplenie spowodowane zmianami koncentracji gazów cieplarnianych (i dowolnych innych wymuszeń radiacyjnych). Ilościowo efekt ten wynosi około 0,42 W/m²/°C z prawdopodobnym zakresem od 0,13 do 0,72 W/m²/°C.

Biorąc pod uwagę, że całkowity efekt radiacyjny chmur CRE wynosi, jak wspomniałem wyżej około -20 W/m², wynika z tego że wzrost globalnej temperatury planety o 1°C powoduje osłabienie chłodzącego wpływu chmur o około 2%. Pomiary satelitarne bilansu radiacyjnego Ziemi wskazują, że efekt ten jest już obserwowany (patrz: Jest dodatni, ale wcale nas to nie cieszy).

Podsumowanie

W wypowiedziach prof. Clausera uderzająca jest jego ogromna pewność siebie, kategoryczność wygłaszanych twierdzeń i zarzutów, połączona z niemal całkowitą ignorancją w temacie, w którym zabiera głos, oraz tendencją do przypisywania tej ignorancji osobom które w badaniu się tego tematu specjalizują.

Wpływ chmur na klimat, rzekomo przez naukowców pomijany, był praktycznie od zawsze uznawany za kluczowy problem klimatologii, jest przedmiotem wielu projektów badawczych, i głównym tematem setek jeśli nie tysięcy analiz publikowanych w czasopismach naukowych. Jest więc bardzo dziwnym, że John Clauser nie poświęcił czasu by zapoznać się z istniejącym dorobkiem nauki w tym zakresie, zastępując go spekulacjami opartymi o amatorską analizę znalezionych w internecie obrazków.

Zaskakuje to tym bardziej, że rok wcześniej niż prof. Clauser swoją nagrodę Nobla z fizyki odebrał dr. Syukuro Manabe, a wśród jego artykułów cytowanych pod oficjalną strona Komitetu Noblowskiego jest wiele związanych z rolą chmur w klimacie. Czy należy to rozumieć jako podważanie przez Clausera prestiżu tego Komitetu, a w efekcie i znaczenia własnej nagrody Nobla z fizyki?

Doskonale Szare, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon Malinowski