Para wodna - klimatyczny „dopalacz”

Choć para wodna jest gazem mającym największy wkład w ziemski efekt cieplarniany, to zmian jej stężenia w atmosferze nie wliczamy do wymuszeń radiacyjnych. Inaczej mówiąc – nie mogą one samodzielnie spowodować zmiany klimatu. Są jednak czynnikiem wzmacniającym te zmiany. I właśnie tego zjawiska dotyczy nasz artykuł.

Rysunek 1: Gejzer w parku Yellowstone. Chociaż z gorącego zbiornika woda paruje niezwykle intensywnie, nadmiar pary wodnej natychmiast skrapla się i tworzy widoczny gołym okiem obłok. Zdjęcie Mike Goad, Pixabay (licencja Pixabay).

Z punktu widzenia geofizyki, woda jest wyjątkową substancją: w występującym na powierzchni Ziemi zakresie temperatur przyjmować może wszystkie trzy stany skupienia – stały, ciekły i lotny. Do atmosfery trafia przez parowanie z powierzchni planety (pokrytej w 70% wodą) i znajdujących się na niej roślin. Ilość pary wodnej, którą może „pomieścić” powietrze, bardzo silnie zależy od jego temperatury – w wysokiej temperaturze jednostka jego objętości może zawierać dużo pary wodnej, w niskiej – bardzo mało.

Rysunek 2. Zależność zawartości pary wodnej w powietrzu w stanie nasycenia i przy wilgotności względnej 50% od temperatury powietrza.

Gdy więc z jakiegokolwiek powodu (np. wzrostu zawartości CO2 czy CH4 w powietrzu) podniesie się temperatura powierzchni Ziemi i przyległego powietrza, wzrasta również parowanie i rośnie ilość pary wodnej w atmosferze, wzmaga się efekt cieplarniany, co z kolei powoduje wzrost parowania. W ten sposób efekt działania długo żyjących gazów cieplarnianych (np. CO2) zostaje wzmocniony. Z drugiej strony, jeśli pary wodnej znajdzie się w atmosferze za dużo (biorąc pod uwagę aktualną temperaturę), skropli się ona tworząc chmury a następnie deszcz, w rezultacie czego woda trafi w ciągu kilku dni z powrotem na powierzchnię planety.

Zawartość pary wodnej w atmosferze nie jest zatem wymuszeniem (nie powoduje zmiany klimatu), ale odpowiada za najsilniejsze dodatnie sprzężenie w systemie klimatycznym (np. Soden i Held, 2006). To kluczowa przyczyna, dla której średnia temperatura naszego globu jest tak wrażliwa na zmiany koncentracji CO2 i innych długo żyjących gazów cieplarnianych.

Zarówno teoria, jak i obserwacje oraz symulacje klimatu wskazują, że każdy stopień Celsjusza ocieplenia dolnej atmosfery skutkuje wzrostem zawartości pary wodnej w atmosferze o ok. 7%. Prowadzone od 1988 roku pomiary satelitarne pokazują wzrost całkowitej zawartości pary wodnej w kolumnie powietrza nad oceanem wynoszący ponad 0,4 kg/m² na dekadę (Santer i in., 2007).

Przyjrzyjmy się bliżej mechanizmowi działania dodatniego sprzężenia związanego z parą wodną. Zacznijmy od najprostszego przykładu, w którym planeta nie ma atmosfery i wypromieniowuje pochłoniętą energię jak ciało doskonale czarne, czyli zgodnie z prawem Stefana-Boltzmanna E = σT4. Natężenie promieniowania długofalowego takiego ciała przedstawia Rysunek 3.

Rysunek 3: Wykres natężenia emitowanego przez powierzchnię planety promieniowania w funkcji temperatury dla ciała doskonale czarnego (wyrażona w stopniach Celsjusza skala temperatury to -73°C do +47°C).

W kolejnym przybliżeniu uzupełnijmy naszą planetę o atmosferę z gazem cieplarnianym, niech to będzie CO2 w ilości odpowiadającej obecnej jego koncentracji w atmosferze. Na razie w atmosferze nie ma pary wodnej. Dodany do atmosfery CO2 będzie działał jak izolacja, wzmacniając efekt cieplarniany. Aby wypromieniować pochłanianą energię (jest jej tyle samo co wcześniej!) powierzchnia planety musi mieć więc wyższą temperaturę. Pokazuje to Rysunek 4.

Rysunek 4: Wykres natężenia emitowanego przez powierzchnię planety promieniowania w funkcji temperatury dla ciała doskonale czarnego (linia czarna) oraz dla planety posiadającej atmosferę z 400 ppm CO2 (linia czerwona). Linia pozioma odpowiada ilości pochłanianego przez powierzchnię planety promieniowania krótkofalowego (które w stanie równowagi trzeba wypromieniować w kosmos).

Kropkowana linia na poziomie 240 W/m2 odpowiada pochłanianej przez Ziemię energii słonecznej. W stanie równowagi Ziemia pochłania i emituje tyle samo energii. Punkt „a” odpowiada temperaturze, która jest wymagana, żeby planeta bez atmosfery mogła wyemitować całą absorbowaną energię. W przypadku gdy planeta ma atmosferę zawierającą gaz cieplarniany, wymagana temperatura powierzchni będzie wyższa (punkt „b”). Widzimy tu efekt cieplarniany w działaniu.

Wykonajmy teraz kolejny krok, dodając do naszej atmosfery z CO2 parę wodną. Zawartość pary wodnej w atmosferze będzie rosnąć wraz ze wzrostem temperatury. To właśnie jest sprzężenie zwrotne pary wodnej. Tej sytuacji odpowiada niebieska linia na Rysunku 5.

Rysunek 5: Wykres natężenia emitowanego przez powierzchnię planety promieniowania w funkcji temperatury dla ciała doskonale czarnego (linia czarna), dla planety posiadającej atmosferę z 400 ppm CO2 (linia czerwona) oraz dla planety posiadającej atmosferę z 400 ppm CO2 i parą wodną o stałej wilgotności względnej (linia niebieska).

Widzimy, że przy niskich temperaturach wpływ pary wodnej jest bardzo słaby, a niebieska linia jest nieodróżnialna od czerwonej. To zrozumiałe, bo w takich temperaturach w powietrzu prawie wcale nie będzie pary wodnej (Rys.1). Jednak już dla temperatur odpowiadających obecnie panującym na Ziemi (blisko 290 K, czyli ok 17°C), wpływ pary wodnej staje się bardzo istotny. Widać to na Rysunku 6, z którego usunęliśmy czerwoną linię, ale dodaliśmy dwie linie poziome, o których można myśleć jak o dwóch możliwych wartościach pochłanianego przez Ziemię promieniowania słonecznego.

Rysunek 6: Wykres natężenia emitowanego przez powierzchnię planety promieniowania w funkcji temperatury (linia czarna – planeta bez atmosfery, linia niebieska – planeta z atmosferą zawierającą CO2 i parę wodną o stałej wilgotności względnej). Dwie linie poziome odpowiadają dwóm różnym wartościom natężenia pochłanianej przez Ziemię energii promieniowania słonecznego, a punkty (a, a’, c, c’) punktom równowagi.

Wynika z tego, że gdyby nasza planeta nie miała atmosfery, to przy obecnym natężeniu promieniowania słonecznego (pozioma linia czerwona) temperatura powierzchni wynosiłaby 255 K, co pokazuje punkt „a”. Wprowadzenie do atmosfery dwutlenku węgla i pary wodnej podniosło temperaturę punktu równowagi do 280 K (punkt „c”). Nasz model jest oczywiście uproszczony: nie uwzględnia innych gazów cieplarnianych, wpływu chmur, zmiany albedo planety w wyniku zmian rozmiarów czap lodowych czy roślinności i innych czynników. Mogą one wpływać na wartość temperatury równowagi, jednak nie zmieniają ogólnego obrazu sytuacji.

Jak zmieniłaby się temperatura planety, gdyby pochłanianie promieniowania słonecznego wzrosło do poziomu oznaczonego linią zieloną, z 240 do 260 W/m2? Gdyby Ziemia była ciałem doskonale czarnym bez atmosfery, punkt równowagi temperatury przesunąłby się z „a” do „a’ ” – temperatura powierzchni wzrosłaby o 5 stopni. Jednak w świecie z atmosferą zawierającą parę wodną różnica temperatur pomiędzy punktami „c” i „c’ ” będzie wynosić ok. 11 stopni. Obliczenia pokazują, że obecność wody i dodatnie sprzężenie związane z parą wodną mniej więcej podwaja wymuszenie radiacyjne początkowego czynnika zaburzającego.

Im większa ilość energii do wypromieniowania (oś y), tym jest to trudniejsze i wymaga coraz większego wzrostu temperatury – niebieska linia na wykresie się wypłaszcza. Dzieje się tak, ponieważ koncentracja pary wodnej (gazu cieplarnianego) rośnie wraz z temperaturą, co nasila efekt cieplarniany i utrudnia wypromieniowanie energii.

Skrajnym wydaniem dodatniego sprzężenia związanego z parą wodną jest tak zwany efekt rozbuchanej szklarni. Tak nazywamy sytuację, w której wzrost temperatury powoduje na tyle intensywne parowanie i szybki przyrost ilości pary wodnej w atmosferze, że ilość wypromieniowywanej w przestrzeń kosmiczną energii przestaje rosnąć – to tzw. „granica Kombayashiego-Ingersolla”. Planeta w takim stanie nie może wypromieniować w podczerwieni więcej energii.

Rysunek 7: Jak na poprzednim wykresie, z tym że zielona linia odpowiada zwiększonemu natężeniu promieniowania słonecznego.

Gdy wymuszenie przez czynniki zewnętrzne (szczególnie ilość energii otrzymywanej od Słońca) osiągnie tę granicę, temperatura powierzchni planety będzie rosła, aż osiągnie około 1400 stopni. W tej temperaturze planeta zacznie emitować w paśmie promieniowania krótkofalowego, którego para wodna nie pochłania, dzięki czemu temperatura powierzchni dalej nie wzrośnie. Jeśli potrwa to dostatecznie długo, parujące intensywnie oceany będą nasycać atmosferę parą wodną. W wysokich warstwach atmosfery nadfioletowe promieniowanie słoneczne rozłoży cząsteczki wody na wodór i tlen. Lekkie cząsteczki wodoru mają w wysokiej temperaturze prędkość przekraczającą tzw. „prędkość ucieczki”, co spowoduje, że z zewnętrznych warstw atmosfery uciekną w kosmos. Proces ten oznaczać będzie ostateczną i nieodwracalną utratę wody. Gdy już wyparują oceany i nie będzie opadów wody na powierzchnię, przestanie działać proces wietrzenia skał krzemianowych, który w normalnych warunkach powoli usuwa z atmosfery dwutlenek węgla. Natomiast wulkany nadal będą pompować do atmosfery CO2, zwiększając jego stężenie. Prawdopodobnie taki przebieg zdarzeń odpowiada za dzisiejsze oblicze planety Wenus (Goldblatt i Watson, 2012).

Rysunek 8: Powierzchnia Wenus, wizualizacja krajobrazu wykreowana na podstawie zdjęć i pomiarów teledetekcyjnych. Źródło: NASA Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab.

Nasza planeta jak na razie jest bezpieczna. Przy obecnej mocy Słońca Ziemia mogłaby uniknąć utraty wody, krążąc nawet o 5% bliżej naszej gwiazdy. Szacuje się, że wskutek wzrostu natężenia promieniowania słonecznego w procesie ewolucji naszej gwiazdy granica Kombayashiego-Ingersolla (przy założeniu niezmiennego składu atmosfery i albedo planety) zostanie osiągnięta za około miliard lat. W tym czasie wymuszenie radiacyjne promieniowania słonecznego wzrośnie o 24 W/m2. Bardziej ostrożne szacunki sugerują, że granica jest odległa o kilkanaście do 20 W/m2, co oznaczałoby możliwość osiągnięcia jej w ciągu ok. 700 mln lat. Gdyby z atmosfery usunąć wszystkie gazy cieplarniane poza parą wodną, czas przekroczenia tego progu przesunąłby się w przyszłość odległą od dziś o 1,7 mld lat.

Przyglądając się działaniu ziemskiego systemu klimatycznego, trudno nie odnieść wrażenia, jak wielkie szczęście mamy, że na naszej planecie panują tak sprzyjające życiu warunki. Gdyby nie obecne w atmosferze azot i chmury, które rozpraszają promieniowanie krótkofalowe i zmniejszają strumień energii docierającej do powierzchni Ziemi w sumie o ok. 50 W/m2, granica Kombayashiego-Ingersolla zostałaby już przekroczona. Gdyby albedo Ziemi było o kilka punktów procentowych mniejsze (zmiana albedo naszej planety o 1% powoduje zmianę wymuszenia radiacyjnego o 3,4 W/m2), stałoby się podobnie. Gdyby nie stabilizujące działanie termostatu węglowego – także. Mamy naprawdę dużo szczęścia.

Sprzężenie związane z parą wodną wzmacnia rzecz jasna nie tylko działanie czynników podnoszących temperaturę Ziemi, ale też obniżających ją. Zaobserwowano to na przykład podczas globalnego ochłodzenia po erupcji wulkanu Pinatubo. Ochłodzenie spowodowało wysuszenie atmosfery, co wzmocniło spadek średniej temperatury powierzchni Ziemi.

Nawet gdyby z atmosfery usunąć inne gazy cieplarniane, to sama para wodna zapewniłaby większość efektu cieplarnianego – przy założeniu, że jej ilość w atmosferze pozostałaby na niezmienionym poziomie. Gdyby jednak usunąć wpływ efektu cieplarnianego innych, długo żyjących gazów cieplarnianych, to temperatura spadłaby o prawie 10°C. W tak ochłodzonym powietrzu znaczna część zawartej w nim pary wodnej skondensowałaby i opadła na powierzchnię. Efekt cieplarniany pary wodnej gwałtownie by osłabł, temperatura spadłaby jeszcze bardziej, co spowodowałoby dalszy spadek zawartości pary wodnej w atmosferze. W takich warunkach zaczęłyby narastać czapy polarne, a temperatura spadłaby jeszcze bardziej… Jak by się to skończyło?

Symulację taką przeprowadził zespół naukowców z Instytutu Badań Kosmicznych NASA im. Goddarda, który zbadał zachowanie klimatu Ziemi po usunięciu z niej wszystkich długo żyjących gazów cieplarnianych. W symulacji temperatura powierzchni Ziemi w ciągu kilkudziesięciu lat spadła o 35 stopni, koncentracja pary wodnej spadła dziesięciokrotnie, a oceany pokryły się prawie całkowicie lodem. Jak to możliwe, że temperatura spadła o 35 stopni, podczas gdy naturalny efekt cieplarniany podnosi temperaturę Ziemi o 33 stopnie? Stało się tak, ponieważ lód zmienił albedo powierzchni planety. Tak więc rezultatem usunięcia z atmosfery długo żyjących gazów cieplarnianych okazuje się nawet nie epoka lodowa, lecz wręcz pokryta lodem Ziemia-śnieżka (Lacis i in., 2010).

Artykuł jest przeredagowanym fragmentem książki Marcina Popkiewicza, Aleksandry Kardaś i Szymona Malinowskiego pt. Nauka o klimacie.

Opublikowano: 2019-09-10 11:03
Tagi

para wodna

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