Klimat przyszłości: wyprawa w nieznane

W ostatnich tygodniach przedstawialiśmy wam artykuły mówiące o zmianach, jakie zachodziły w klimacie Ziemi w dawnych epokach. Czasami bywały one naprawdę spektakularne. A jak w porównaniu z nimi wypada ocieplenie klimatu spowodowane dziś przez człowieka?

Uwaga: przed zapoznaniem się z artykułem rekomendujemy zapoznanie się z artykułami:

Zdjęcie: Jodiejohnson, Dreamstime.com.

Porównajmy obecną, antropogeniczną zmianę klimatu ze zmianami klimatu w przeszłości Ziemi. Na wykresie poniżej na znany wykres zmiany średniej temperatury powierzchni Ziemi od czasu maksimum ostatniej epoki lodowej nałożyliśmy zmiany temperatury zgodne ze średnią prognozą scenariusza RCP8.5 („Biznes-jak-zwykle”).

Rysunek 1. Zmiany średniej temperatury globalnej w ostatnich 22 000 lat względem okresu 1961–1990 wraz z przedłużeniem do 2300 roku w oparciu o scenariusz RCP8.5. Źródła: Shakun 2012, Marcott 2013, NASA GISS (linia niebieska), przedłużenie w przyszłość w oparciu o scenariusz RCP8 (linia czerwona).

Nasz wpływ dalece wykroczy poza naturalną zmienność klimatu. Dla porównania – wahania aktywności słonecznej w zakresie odpowiadającym różnicy pomiędzy klimatem XX wieku a małą epoką lodową odpowiadały różnicy globalnej średniej temperatury rzędu 0,2°C. Gdyby więc nawet aktywność Słońca spadła do poziomu z małej epoki lodowej, ocieplenie byłoby mniejsze jedynie o 0,2°C (maksymalnie 0,3°C) – w zasadzie w skali zmian scenariusza RCP8.5 nie zrobiłoby to prawie żadnej różnicy.

Ziemia epoki lodowej była inną planetą: gdzie indziej były strefy klimatyczne, pustynie i linia brzegowa. Gdybyśmy budowali naszą cywilizację w ówczesnym klimacie, w innych miejscach byśmy się osiedlili i pobudowali nasze miasta. To był świat różniący się od znanego nam świata holocenu o 4°C; w scenariuszu RCP8.5 zmiana temperatury będzie 2-krotnie większa. I nawet nie o to chodzi, że klimat trochę chłodniejszy lub cieplejszy byłby dla nas gorszy – chodzi o szybkość zmiany. Gdybyśmy zastali planetę z wyższą temperaturą i na niej się pobudowali, wszystko byłoby w porządku. Dostosowaliśmy się jednak do klimatu obecnego, stabilnego od ponad 10 tys. lat, zarówno naszym miejscem zamieszkania, jak i infrastrukturą. Z tego powodu zmiany stanowią problem – tym większy, im są większe i szybsze.

Rysunek 2: Mieszkańcy Chesapeake Bay zagrożeni są nie tylko osiadaniem gruntu, ale też nasilającym erozję przybrzeżną wzrostem poziomu morza. Zdjęcie: Patrick Bloodgood (Armia Stanów Zjednoczonych).

Czego możemy oczekiwać, podążając drogą scenariusza wysokich emisji? Wskazówkę mogą stanowić dawne zmiany klimatu. Przypomnijmy pokrótce:

  • W interglacjale eemskim 125 tys. lat temu średnia temperatura powierzchni Ziemi była o ok. 1,5°C wyższa niż w XX wieku. Koncentracja CO2 wynosiła ok. 300 ppm. Poziom morza był wyższy o 6-9 metrów.
  • W pliocenie 3-3,5 mln lat temu było cieplej o 2–3°C. Koncentracja CO2 wynosiła ok. 400 ppm. Poziom morza był wyższy o 20–30 metrów. 
  • Koncentracje CO2 na poziomie 500–600 ppm to punkt krytyczny istnienia lądolodu Antarktydy.
  • W młodszym eocenie temperatura była wyższa o ok. 12°C. Koncentracja CO2 wynosiła ok. 1000 ppm (co łącznie świadczy o wysokiej czułości klimatu). Poziom morza był wyższy o 70 metrów.

Widać, że do tej pory udało nam się już wygenerować wymuszenie radiacyjne gazów cieplarnianych typowe dla ciepłego okresu w pliocenie, a to, że nie odtworzyliśmy jeszcze zbliżonego klimatu, wynika głównie z bezwładności termicznej oceanów i lądolodów. W scenariuszu wysokich emisji stężenie CO2 równe 500 ppm możemy osiągnąć za niecałe 30 lat, a 1000 ppm – na przełomie stuleci. Po kolejnym stuleciu w atmosferze będzie już 2000 ppm CO2 (a wliczając wymuszenie radiacyjne innych gazów – ponad 2600 ppm). Sytuacja jest tak dynamiczna, że można powiedzieć, iż okresy stabilnego klimatu, nawet znacznie cieplejszego niż obecnie, nie są dobrą analogią zachodzących zdarzeń.

A jak wypada porównanie z okresami takich „wielkich zmian”? Podczas PETM do atmosfery w ciągu 6 tys. lat wyzwoliło się ok. 3000 GtC węgla, z czego zdecydowana większość była sprzężeniem zwrotnym emisji z klatratów metanu i/lub wieloletniej zmarzliny, a z początkowego czynnika wymuszającego (prawdopodobnie wulkany na Północnym Atlantyku) jedynie mała ilość. Średnie roczne emisje wyniosły 0,5 GtC.

Rysunek 3: Porównanie wpływu emisji zgodnych ze scenariuszem RCP8.5 (5000 GtC w ciągu 500 lat, nie uwzględniono emisji ze sprzężeń zwrotnych) z wyzwoleniem węgla podczas PETM (3000 GtC w ciągu 6000 lat) na średnie nasycenie tropikalnych wód powierzchniowych kalcytem. Spadek ΩKal w regionach polarnych i głębinach oceanicznych będzie jeszcze bardziej radykalny, podobnie jak ΩAr. Źródło Zeebe i Zachos, 2013.

Podczas wielkiego wymierania z przełomu permu i triasu do atmosfery w ciągu 2–20 tys. lat trafiło ok. 8000 GtC z emisji wulkanicznych i mniej więcej drugie tyle ze sprzężeń zwrotnych cyklu węglowego (głównie klatraty metanu). Średnie roczne emisje wyniosły 1,6 GtC.

W scenariuszu Biznes-jak-zwykle (RCP8.5) w ciągu 300 lat (1950–2250) wyemitujemy 5000 GtC, do czego dojdzie prawdopodobnie zbliżona ilość emisji z klatratów metanu i wieloletniej zmarzliny. Średnie roczne emisje w takim scenariuszu to ok. 30 GtC/rok.

W sumie więc impuls węglowy z naszych emisji będzie porównywalny z tym, do którego doszło podczas wielkiego wymierania z przełomu permu i triasu, tyle że jego skala czasowa będzie 10-100 razy krótsza. Do końca nie wiemy, co się wydarzy, ale jeśli ten proces będzie przebiegać w sposób jakościowo zbliżony do ostatniego zdarzenia, możemy (jakościowo rzecz biorąc) oczekiwać następujących zjawisk:

Stężenie CO2 szybko rośnie do 2000 ppm, a licząc z ekwiwalentem innych gazów cieplarnianych do blisko 3000 ppm. Nadzwyczaj krótki czas wprowadzenia impulsu węglowego do atmosfery nie da żadnej szansy na zadziałanie termostatu węglowego, będzie nawet szybszy od cyklu krążenia wody w oceanach.

Powierzchnia oceanów gwałtownie się zakwasza, a koncentracja jonów węglanowych spada do poziomu masowej eksterminacji organizmów z wapiennymi szkielecikami i muszlami. Rafy koralowe giną. Głębokość kompensacji węglanu wapnia przesuwa się w kierunku powierzchni, a w rejonach polarnych i szerokościach umiarkowanych do niej dochodzi.

Ocieplenie destabilizuje wieloletnią zmarzlinę, a uwięziona w niej materia organiczna w formie metanu i dwutlenku węgla trafia do szybkiego cyklu węglowego. Podobnie zaczynają się destabilizować złoża klatratów metanu na szelfie kontynentalnym Oceanu Arktycznego. Średnia temperatura powierzchni Ziemi rośnie o 10°C. W strefie międzyzwrotnikowej robi się zbyt ciepło dla dużych zwierząt i wielu roślin. Roślinność na lądach masowo wymiera, gleba jest wypłukiwana do oceanów, powodując odtleniające wodę zakwity glonów. Proces ten nasilają prowadzące do erozji gleby praktyki rolnicze, takie jak orka oraz spływanie do oceanów nawozów azotowych i fosforowych – już teraz mówi się o przekroczeniu granic globalnej możliwości absorpcji tych związków (Steffen i in., 2015).

Rysunek 4: Topniejąca wieloletnia zmarzlina w Arctic National Park, zdjęcie: NPS Climate Change Response (domena publiczna).

Gwałtowny wzrost temperatury powierzchni oceanów (jego skala czasowa jest krótsza niż skala czasowa mieszania przez krążenie oceaniczne, co nie ma precedensu w przeszłości) prowadzi do stratyfikacji oceanów, w których ciepła woda nie będzie chciała się mieszać z chłodniejszą (gęstszą) wodą w głębinach. Dochodzi do wyłączenia obecnie działającej cyrkulacji termohalinowej oraz osłabienia mecha­nizmów usuwania CO2 z atmosfery i dotleniania głębin oceanicznych. Zamiast tego w niskich szerokościach geograficznych na dno zaczyna opadać silnie zasolona w wyniku zwiększonego parowania ciepła, słabo nasycona gazami atmosferycznymi woda.

Docierając na dno oceaniczne, destabilizuje ona złoża hydratów meta­nu w głębinowych osadach dennych. Z początku metan z tych złóż wyzwala się stopniowo – wychwytują go bakterie, reaguje też z tlenem w wodzie (reakcje CH4 + 202 → CO2 + 2H2O). W głębinach oceanicznych zaczyna brakować tlenu, w rezultacie czego opanowują je nietolerujące tlenu bakterie siarkowe, które w tych warunkach rozkwitają, zastępując życie tlenowe. Będący produktem ich metabolizmu siarkowodór przesyca wody oceanów, a powierzchnia oddzielająca przesycone siarkowodorem od natlenionych wód powierzchniowych przemieszcza się w górę, aż do powierzchni oceanu.

W takich warunkach zaczynają masowo ginąć oddychające tlenem organizmy morskie, natomiast doskonale funkcjonują fotosyntetyzujące bakterie siarkowe, które otrzymawszy dostęp do światła słonecznego, mogą się namnażać już na samej powierzchni beztlenowego oceanu. Ogromne ilości trującego siarkowodoru bez przeszkód trafiają do atmosfery. Powietrze nasyca się siarkowodorem do tego stopnia, że śmiertelnie zatruwa z,arówno zwierzęta, jak i rośliny, szcze­gólnie że wraz z temperaturą rośnie toksyczne działanie tego gazu.

Dostawszy się do atmosfery, siarkowodór powoduje zniszczenie powłoki ozonowej, chroniącej przed promieniowaniem ultrafioleto­wym. Zabija to nie tylko organizmy lądowe, ale także morskie, w tym trzymający się wciąż jeszcze przy życiu plankton. Gdy podstawowy składnik łańcucha pokarmowego przestaje istnieć, a nawet choćby jego liczebność znacząco spada, w krótkim czasie zagłada spotyka również kolejne organizmy.

Rysunek 5: Klatraty metanu ukryte pod skałą na dnie Zatoki Meksykańskiej. Zdjęcie: USGS (domena publiczna).

Metan wydobywający się ze złóż klatratów będzie absorbowany w wodzie i utleniany do dwutlenku węgla. Jednak kiedy proces ucieczki metanu zacznie się nasilać, zmniejszenie ciśnienia gazu w złożu może powodować jego gwałtowną destabilizację i ulotnienie się do atmosfery milionów lub nawet miliardów ton metanu. Po wymieszaniu z powietrzem, przy stężeniu 5–15%, metan tworzy mieszankę wybuchową. Zapłon metanu uwolnionego nawet z relatywnie niewiel­kiego złoża wyzwoliłby energię równą eksplozji setek największych bomb wodorowych. Z punktu widzenia wymuszenia radiacyjnego spalenie się metanu byłoby dobrą wiadomością, zmieniłoby go bowiem w dwutlenek węgla. Gdyby do tego nie doszło, to wyzwolenie tak wielkich ilości metanu podbiłoby wymuszenie radiacyjne. Prawdopodobnie przekroczone zostałyby także możliwości mechanizmu usuwania metanu przez rodniki OH, co wydłużyłoby (być może znacząco) czas życia metanu w atmosferze.

A wszystko to działoby się na planecie zamieszkałej przez 10 lub więcej miliardów ludzi.

To świat tak odległy od tego, co widzimy za oknem, że aż nierealny. Czy w ogóle możliwy? Cóż, do podobnych zdarzeń dochodziło już w przeszłości, a jeśli coś miało już miejsce, to oznacza to, że jest możliwe. Jednak czy może się powtórzyć scenariusz wielkiego wymierania na skalę podobną do tej z przełomu permu i triasu?

Nie wiemy tego. Nie jesteśmy pewni, przy jakich dokładnie warunkach może dojść do opisanego łańcucha zdarzeń: odtlenienia oceanów, wielkoskalowej destabilizacji pokładów hydratów metanu i rozkwitu bakterii siarkowych. Wiemy za to, że kiedy rozpoczęty cykl stanie się do­strzegalny, nie będzie już możliwości zatrzymania go. Owszem, tak jak wcześniej, Ziemia najprawdopodobniej znów powróci do stanu sprzed wielkiego wymierania. Ale nastąpi to po setkach tysięcy lub nawet milionach lat.

Niektóre ze zdarzeń wymienionych wyżej są w zasadzie pewne (jak np. wzrost światowego poziomu morza o 70 metrów czy zagłada raf koralowych), część „prawie pewna” (np. większość lądów niezdatna do zamieszkania przez ssaki), inne po prostu „prawdopodobne” (np. anoksja oceaniczna, rozkwit bakterii siarkowych, wielkie wymieranie gatunków), a niektóre zaledwie „niewykluczone”, na przykład podniesienie wymuszenia radiacyjnego powyżej progu szklarni.

Przez zdecydowaną większość ostatnich 400 mln lat łączne wymuszenie radiacyjne Słońca i dwutlenku węgla wahało się w niewielkim przedziale ±5 W/m2, jedynie sporadycznie przekraczając ±10 W/m2 (patrz artykuł Wolny cykl węglowy i termostat węglowy).

Nanieśmy teraz na ten sam wykres scenariusze RCP, uzupełnione dodatkowo o scenariusz Win12K, odpowiadający spaleniu większości zasobów paliw kopalnych – 12 000 GtC. Scenariusze te nie uwzględniają emisji ze sprzężeń zwrotnych cyklu węglowego, takich jak klatraty metanu czy wieloletnia zmarzlina, więc już sam scenariusz RCP8.5 właściwie leży gdzieś między swoją własną czerwoną linią, a czarną linią Win12K.

Rysunek 6: Górny panel: rekonstrukcje zmian koncentracji CO2 w atmosferze w ostatnich 420 mln lat, uzupełnione o scenariusze emisji antropogenicznych. Scenariusz Win12K będący uzupełnieniem scenariuszy RCP odpowiada emisjom 12 000 GtC. Dolny panel: wymuszenie radiacyjne ziemskiego systemu klimatycznego powodowane zmianami stężenia CO2 i natężenia promieniowania słonecznego w ostatnich 420 mln lat. Szczegóły wykresów jak na Rys. 3 i 4 w artykule Wolny cykl węglowy i termostat węglowy. UWAGA: skala czasowa nie jest liniowa. Źródło Foster i in., 2017.

W scenariuszu RCP8.5 osiągamy 12 W/m2, a w scenariuszu Win12K 18 W/m2; i jest to sam dwutlenek węgla pochodzący z emisji antropogenicznych. Dołożenie emisji sprzężeń zwrotnych, metanu oraz gazów przemysłowych mogą dodać kolejnych kilka W/m2. Niemożliwe? Gdyby emisje CFC rosły do 2070 roku tak jak przed podpisaniem Protokołu Montrealskiego, to wymuszenie radiacyjne tylko od tych gazów sięgnęłoby 4 W/m2.

To, co uczynimy, idąc drogą dalszego spalania paliw kopalnych, jest naprawdę bezprecedensowe. I nie chodzi tylko o to, że w geologicznej historii Ziemi nie znamy przypadku, kiedy w ciągu 2–3 stuleci średnia temperatura powierzchni naszej planety wzrosła by o 10°C; ani nawet o 5°C czy 2°C.

Scenariusz Wenus?

Bezprecedensowe skala i tempo tego, co uczynimy, traktując ziemski system klimatyczny wymuszeniem radiacyjnym na poziomie 20 W/m2, każe zadać pytanie o możliwość wprowadzenia klimatu Ziemi w stan rozbuchanej szklarni.

Uwaga: przed dalszą lekturą rekomendujemy zapoznanie się z artykułem Para wodna – klimatyczny dopalacz.

Jeśli oszacowania, że do osiągnięcia granicy Kombayashiego-Ingersolla, po przekroczeniu której Ziemia przeszłaby w stan szklarniowy (patrz Para wodna – klimatyczny dopalacz), brakuje 24 W/m2 są poprawne, prawdopodobnie nie uda nam się tego uczynić. Nie można jednak wykluczyć, że może to być kilkanaście W/m2, co jest wartością, do której możemy dotrzeć.

Średnia temperatura byłaby wtedy wyższa o 16-24°C, a wilgotność atmosfery stałaby się wyjątkowo wysoka. Panujące na takiej planecie warunki uczyniłyby ją, może poza wysoko położonymi obszarami Antarktydy i Tybetu, miejscem niezdatnym do zamieszkania (Hansen i in., 2013). Jednak, zgodnie z aktualnym stanem wiedzy, do zamiany Ziemi w drugą Wenus nie doprowadzimy.

Przypomnijmy – Wenus najprawdopodobniej przeszła przez etap rozbuchanej lub wilgotnej szklarni, kiedy to w wysokiej temperaturze straciła wodę. Gdy wody zabrakło, ustał usuwający dwutlenek węgla z atmosfery proces wietrzenia krzemianów, a koncentracja CO2 zaczęła rosnąć do obecnego, bardzo wysokiego poziomu. To właśnie gęsta atmosfera z dwutlenku węgla czyni powierzchnię Wenus tak gorącą.

Obecnie na Ziemi para wodna jest uwięziona przy powierzchni przez „zimną pułapkę” tropopauzy, czyli warstwy atmosfery, w której temperatura spada poniżej -50°C (w takiej temperaturze ilość mogącej pozostać w powietrzu pary wodnej jest bardzo mała) i w której tłumione są pionowe ruchy powietrza. Tak więc znacząca ilość pary wodnej nie może dotrzeć do wyższych warstw atmosfery, gdzie mogłaby zostać rozłożona na wodór i tlen, lecz zamiast tego kondensuje i opada w postaci deszczu.

Analizy pokazują, że wywołane przez nas wymuszenie radiacyjne może doprowadzić do takiej przebudowy struktury atmosfery, w której ta „zimna pułapka” przestanie istnieć, a wilgotna atmosfera, w której zawartość pary wodnej wzrośnie do ok. 1%, obejmie też stratosferę. To z kolei umożliwi promieniowaniu nadfioletowemu rozkład znajdującej się w stratosferze pary wodnej na tlen i wodór. Wodór zaś będzie mógł uciekać w kosmos w tym samym procesie, który doprowadził do utraty wody przez Wenus (Goldblatt i Watson, 2012).

Na razie wygląda to jak scenariusz Wenus. I gdyby czynnikiem wymuszającym zmianę klimatu był stały wzrost aktywności słonecznej, życie na Ziemi znalazłoby się na prostej drodze do zagłady. Jednak, jeśli wymuszenie będzie powodowane przez dwutlenek węgla wyemitowany w procesie spalania paliw kopalnych, to procesy wietrzenia usuną nadmiar CO2 z atmosfery w czasie 104-105 lat – wystarczająco szybko, by nie nastąpił znaczący ubytek wód oceanów. Aby Ziemia mogła nieodwracalnie utracić wodę w procesie utraty wodoru w kosmos, potrzeba bowiem czasu liczonego w setkach milionów lat, a nie zaledwie dziesiątkach tysięcy. W zasadzie, warunki ekstremalnie wilgotnej szklarni mogłyby spowodować zablokowanie ucieczki w kosmos prawie całej absorbowanej energii słonecznej, jednak inne mechanizmy transportu energii w atmosferze nie pozwolą na doprowadzenie do tej sytuacji (Goldblatt i Watson, 2012).

Dziesiątki tysięcy lat takich warunków to chyba jednak i tak zbyt długo dla ludzkości. Prawdopodobnie, nawet gdybyśmy byli technicznie zdolni do wydobycia wielkiej ilości paliw kopalnych, to zanim do tego dojdzie, katastrofy klimatyczne staną się tak poważnym obciążeniem dla naszej cywilizacji, że nastąpi jej upadek, zanim wydobędziemy i spalimy większość niekonwencjonalnych paliw kopalnych (takich jak ropa z piasków roponośnych lub niedostępne do konwencjonalnego wydobycia pokłady węgla). Można to postrzegać jako stabilizujące klimat ujemne sprzężenie zwrotne.

W słynnej pracy naukowej z 1957 roku, w której na podstawie badań izotopowych jednoznacznie pokazano, że dwutlenku węgla w atmosferze przybywa wskutek spalania paliw kopalnych, jej autorzy Roger Revelle i Hans Suess napisali:

I tak ludzkość prowadzi teraz jedyny w swoim rodzaju eksperyment geofizyczny, który nie wydarzył się nigdy w przeszłości, ani nie będzie mógł być w przyszłości powtórzony. W ciągu kilku stuleci zwracamy atmosferze i oceanowi węgiel odłożony przez naturę w skałach osadowych w procesie, który trwał setki milionów lat.

Można wiele mówić o naszych zdolnościach adaptacyjnych, jednak w scenariuszu spalenia wszystkich paliw kopalnych zostałyby one wystawione na ekstremalną próbę. Zmiana klimatu, wybiegająca poza umiarkowane i powolne, znane z historii fluktuacje, będzie bardzo kosztowna – nie tylko finansowo.

Artykuł jest przeredagowanym na potrzeby publikacji w internecie fragmentem książki Marcina Popkiewicza, Aleksandry Kardaś i Szymona Malinowskiego pt. Nauka o klimacie.

Opublikowano: 2019-12-10 20:42
Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.