Morskie chmury: nowo odkryte sprzężenie zwrotne destabilizujące klimat cieplarnianej Ziemi.

W ostatnich tygodniach duże poruszenie wywołał opublikowany w „Nature Geosciences” artykuł dotyczący możliwych zmian w zachmurzeniu w cieplejszym świecie oraz wpływ tych zmian na dalszy wzrost temperatury (Schneider i in. 2019). Przedstawione w pracy wyniki obliczeń wskazują, że w świecie wysokich koncentracji CO₂ chmury kłębiasto-warstwowe występujące nad morzem (ang. marine stratocumulus) mogą przestać tworzyć rozległe, trwałe płaty, które dziś obejmują ok. 6,5% powierzchni globu. To z kolei może doprowadzić do dalszego wzrostu średniej temperatury powierzchni Ziemi – nawet o kolejne 8°C.

Morski stratocumulus – co to za chmura?

Nie od dziś wiadomo, że morskie chmury kłębiasto-warstwowe (marine stratocumulus) odgrywają ważną rolę w bilansie energetycznym naszej planety. Tworzą one stosunkowo jednolite, rozległe pola, pokrywające ok. 20% nieba nad oceanem w rejonie niskich szerokości geograficznych (Eastman i in., 2011). Jest to obszar planety, do którego dociera najwięcej promieniowania słonecznego. Ponieważ stratocumulusy mają wysokie albedo i wydajnie (w 30-60%) odbijają promieniowanie słoneczne z powrotem w kosmos, ogranicza to jego dopływ do powierzchni morza, gdzie zostałoby pochłonięte, ogrzewając powierzchniowe warstwy wody (Wood, 2012). Każda zmiana we własnościach i powierzchni zajmowanej przez te chmury jest więc istotna dla bilansu energetycznego planety.

Powstawanie chmur kłębiasto-warstwowych

Swoją „kłębiastość” chmury zawdzięczają obecności turbulencji, czyli nieregularnych zawirowań powietrza w różnych skalach. W przypadku morskich stratocumulusów kluczowym zjawiskiem prowadzącym do mieszania się powietrza w nich i poniżej, aż do samej tafli oceanu, jest wydajne chłodzenie się ich wierzchołków (górnej powierzchni). Wyziębione w ten sposób powietrze robi się gęstsze i opada, wypychając do góry wilgotne powietrze zasilone parą wodną pochodzącą z powierzchni oceanu (Wood, 2012).

Stałe dostawy wilgoci i ciepła utajonego z dołu i jednoczesne chłodzenie górnej powierzchni to to, czego stratocumulus potrzebuje do przetrwania. Tym bardziej, że w warstwie wierzchołkowej chmura miesza się z suchym powietrzem z wyższych warstw atmosfery, więc kropelki chmurowe, które znajdą się w otoczeniu o małej zawartości pary wodnej odparowują. Z drugiej strony wychładzanie radiacyjne górnych warstw chmury prowadzi do kondensacji pary wodnej.

Delikatna równowaga między parowaniem i kondensacją, dostawą ciepła i wilgoci z dołu a usuwaniem wody w postaci mżawki i wypromieniowywaniem ciepła w górę stanowi o „być albo nie być” morskiego stratocumulusa. W dodatku silna inwersja temperatury nakrywająca chmurę – rezultat wychładzania wskutek wypromieniowania i parowania – uniemożliwia transport pary wodnej w wyższe warstwy atmosfery, tak że powietrze powyżej jest suche (Ma i inni, 2018).

Stratocumulusy a przepływy energii w atmosferze

Jak właściwie działa wspomniane chłodzenie radiacyjne wierzchołków chmur? By odpowiedzieć na to pytanie, trzeba przyjrzeć się wymianie promieniowania podczerwonego pomiędzy kolejnymi piętrami atmosfery. Jak dowiecie się na przykład z naszego tekstu Efekt cieplarniany – jak to działa, podstawowym źródłem tego promieniowania w naszym systemie klimatycznym jest nagrzewana promieniami Słońca powierzchnia Ziemi, zaś dzięki obecności gazów cieplarnianych, kolejne warstwy powietrza mogą je pochłaniać i emitować. Również kropelki wody tworzące chmury kłębiasto-warstwowe skutecznie absorbują i emitują takie promieniowanie.

Ze strony powierzchni Ziemi i przylegającego do niej nagrzanego powietrza (czyli z dołu) chmury mogą liczyć na stałe dostawy energii w procesie konwekcji. Powyżej znajdują się jednak chłodniejsze warstwy atmosfery, zawierające już mniej pary wodnej, a co za tym idzie – pochłaniające i emitujące mniej promieniowania podczerwonego (inaczej mówiąc, związany z nimi efekt cieplarniany jest stosunkowo słaby, czytaj też Mit: para wodna jest najważniejszym gazem cieplarnianym). W rezultacie górna warstwa stratocumulusów bardzo skutecznie się wychładza – wypromieniowuje energię w stronę wyższych warstw atmosfery, ale nie dostaje wiele w zamian (Wood, 2012). Na tej samej zasadzie w gwiaździstą noc dochodzi do silnego wychłodzenia powierzchni Ziemi.

Co się może zmienić?

Jeśli ludzkość będzie w dalszym ciągu emitować do atmosfery coraz więcej długożyjących gazów cieplarnianych (patrz Emisje CO₂ dalej rosną – budżet węglowy 2018), należy spodziewać się dalszego wzrostu ich koncentracji w atmosferze. W przeciwieństwie do pary wodnej, są one stosunkowo dobrze wymieszane, to znaczy znajdują się nie tylko w pobliżu powierzchni Ziemi, ale też wyżej. Wyższe piętra atmosfery staną się dzięki temu mniej przezroczyste dla promieniowania podczerwonego, ogrzeją się i zaczną silniej emitować promieniowanie podczerwone w dół. W rezultacie wzmocni się efekt cieplarniany nad stratocumulusami. Chłodzenie wierzchołków chmur stanie się mniej wydajne i opisana wyżej delikatna równowaga podtrzymująca istnienie stratocumulusów załamie się (Bretherton i Wyant, 1997, Schneider i in., 2019).

Mniej wydajne chłodzenie i związana z nim słabsza kondensacja nie pozwoli na skompensowanie parowania wskutek mieszania z suchym powietrzem troposferycznym i chmury wyparują. W efekcie biała powierzchnia odbijająca promieniowanie słoneczne zniknie, a odsłoni się leżąca pod nią znakomicie pochłaniająca to promieniowanie powierzchnia oceanu (to efekt przypominający związane z zanikiem lodu morskiego Arktyczne wzmocnienie). Zniknie też inwersja temperatury utrudniająca mieszanie i transport pary wodnej w wyższe warstwy atmosfery.

Stratocumulusy – punkt krytyczny

Energia pochłoniętego promieniowania słonecznego spowoduje wzrost temperatury powierzchni morza i nasilenie parowania. W pierwszej chwili można by przypuszczać, że taki efekt sprzyja rozwojowi chmur. Nie jest to jednak takie proste: gdy w unoszącym się powietrzu znajduje się więcej pary wodnej niż dotąd, to gdy dociera ono do poziomu kondensacji (wysokości, na której temperatura jest na tyle niska, że woda zaczyna się skraplać), dochodzi do uwalniania większej niż dotąd ilości energii (ciepło utajone). To z kolei oznacza nasilone ogrzewanie powietrza na tej wysokości, co sprzyja unoszeniu się go i mieszaniu z suchym powietrzem powyżej w znacznie grubszej warstwie niż w wypadku obecności przykrytego inwersją temperatury stratocumulusa. Wzrośnie grubość warstwy powietrza zawierającego duże ilości pary wodnej, co wzmocni lokalnie efekt cieplarniany (tak zwane „sprzężenie pary wodnej”, o którym przeczytasz w tekście Mit: para wodna jest najważniejszym gazem cieplarnianym). Miejsce zanikających pól stratocumulusów (Bretherton i Wyant, 1997, Schneider i in., 2019) zajmą rzadko rozrzucone chmury cumulus. Pokrycie nieba chmurami spadnie z 90-100% (stratocumulus) do 10-15% (cumulus).

Z symulacji przeprowadzonych przez Schneidera i in. (2019) wynika, że utrzymywanie się rozległych pól chmur kłębiasto-warstwowych nad morzami w niskich szerokościach to kolejne zjawisko w systemie klimatycznym Ziemi, które posiada swój punkt krytyczny. Po jego przekroczeniu wystąpi zasadnicza zmiana, którą niełatwo będzie cofnąć: gdy koncentracja dwutlenku węgla osiągnie około 1200 ppm, warunki meteorologiczne nie będą sprzyjać powstawaniu stratocumulusów, lecz raczej rozproszonych chmur kłębiastych. Jak obliczyli badacze, może to w sumie spowodować dodatkowy wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi nawet o 8°C.

Niepokojącą wiadomością jest też to, że obniżenie koncentracji gazów cieplarnianych poniżej punktu krytycznego nie wystarcza do cofnięcia zjawiska, ponieważ występuje tu efekt histerezy: wyniki symulacji wskazują, że ponowne formowanie się pól stratocumulusów możliwe byłoby dopiero po znaczącym spadku stężenia CO2 – być może nawet do poziomu zaledwie ok. 300 ppm (obecna średnia to nieco powyżej 400 ppm).

Jak to odkryto?

Swoje wnioski zespół Schneider i in. (2019) opiera na wynikach podwójnego modelowania numerycznego, czyli obliczeń przeprowadzonych z użyciem programu komputerowego (czytaj więcej w tekście Wirtualny klimat).

W systemie klimatycznym Ziemi zachodzi jednocześnie wiele zjawisk o najróżniejszych skalach czasowych i przestrzennych: od trwających ułamki sekund zawirowań o promieniu pojedynczych milimetrów do utrzymujących się przez wiele dni huraganów czy zwykłych niżów atmosferycznych o średnicy 1000-2000 km. Dokładne rozwiązanie równań opisujących ruch każdej najmniejszej cząstki powietrza byłoby niemożliwe. Dlatego, przygotowując model konkretnego zjawiska, naukowcy upraszczają równania, pozostawiając w nich tylko te człony, które są dla niego kluczowe. Zjawiska w mniejszej i większej skali uwzględnia się w sposób uproszczony.

Na przykład, jeśli chcemy analizować rozwój pojedynczej chmury, skoncentrujemy się na zjawiskach w skali 1-1000 m, założymy natomiast, że powstaje ona w warunkach jakiejś średniej prędkości wiatru lub że prędkość wiatru zmienia się w określony sposób w ciągu dnia itd. – nie będziemy starać się obliczać dokładnej jej wartości na podstawie wielkich układów wysokiego i niskiego ciśnienia. Z kolei gdy chcemy przeanalizować przemieszczanie się niżu atmosferycznego, nie będziemy analizować zachowania pojedynczych chmur. Założymy, że wypełniają one część układu i mają jakieś uśrednione własności (np. zależne od wilgotności i temperatury). Takie uproszczone reprezentacje nazywamy „parametryzacjami”. Oczywiście formułuje się je na podstawie pomiarów i sprawdza, czy dobrze działają.

W globalnych modelach klimatu dokładnie rozwiązuje się równania opisujące dynamikę wielkich układów synoptycznych, natomiast zachowanie poszczególnych chmur podlega parametryzacji. Schneider i in. (2019) wykorzystali te obliczenia, ale dla szczegółowego przebadania chmur w cieplejszym klimacie posłużyli się metodą LES („Large Eddy Simulation” – symulacji dużych wirów). Pozwoliło to dokładnie przeanalizować dynamikę zjawisk chmurowych nad oceanem w niskich szerokościach geograficznych. W przeciwieństwie do wcześniejszych opracowań, pozwolili, by średnia temperatura powierzchni oceanu zmieniała się w zależności od zmian w bilansie energetycznym. Dzięki temu możliwe było zaobserwowanie sprzężeń, których nie udałoby się stwierdzić korzystając osobno z globalnego modelu klimatu i modeli do symulacji LES.
Wniosek: niemiła niespodzianka

Jakie szersze wnioski można wyciągnąć z referowanej pracy? Im klimat (bilans radiacyjny) planety będzie dalszy od tego, w którym żyjemy, tym więcej mechanizmów (sprzężeń) w systemie klimatycznym będzie innych niż te, które znamy. Sprzężenia te będą jeszcze bardziej destabilizować klimat i bardzo szybko zmieniać warunki, w których żyjemy. A zmiana będzie nieodwracalna w długiej skali czasu (Ziemia stabilna czy cieplarniana?). Im lepiej poznajemy mechanizmy klimatyczne, tym lepiej rozumiemy, jak ważne jest dla nas utrzymanie klimatu w ryzach i nieprzekroczenie progu ocieplenia o 1.5C…

Dr Aleksandra Kardaś, prof. Szymon Malinowski

P.S. Stratocumulusy, pomiary ich właściwości a także symulacje tych chmur metodą LES to jedna ze specjalności naszego Zakładu Fizyki Atmosfery. Tapio Schneider i inni wykorzystywali bezpośrednio lub pośrednio wyniki nadań naukowych do których się przyczynialiśmy i przyczyniamy. Trójka naszych absolwentów, którzy uzyskali doktorat w Warszawie, działa w zakresie modelowania chmur w grupie w Jet Propulsion Laboratory NASA w której pracuje też prof. Schneider.