Współczesne i przyszłe ocieplenie na tle historycznych zmian klimatu – skąd się bierze takie dane?

Przy okazji prac nad aktualizacją haseł związanych z klimatem na polskiej Wikipedii w ramach projektu Wikipedia dla klimatu pojawiła się też okazja do odświeżenia używanych tam grafik. Wiele z nich powstało kilkanaście lat temu, przedstawiają więc nieaktualne dane, często też odwołują się do przestarzałych już wyników badań. Poniżej opowiem jak powstał przygotowany przeze mnie wykres przedstawiający globalne ocieplenie antropocenu na tle zmian klimatu zachodzących w kenozoiku, czyli ostatnich 65 mln lat:

Podstawą wykresu są rekonstrukcje opierające się o pomiary zawartości ciężkiego izotopu tlenu (δ¹⁸O) w skorupkach otwornic bentosowych, czyli żyjących przy dnie oceanu (więcej na ten temat w artykule Paleoklimatologia: izotopy tlenu a temperatura). Najnowsza taka rekonstrukcja, wykonana w ramach projektu CENOGRID (Westerhold i in., 2020), została opublikowana w tym roku i zastąpiła starsze kompilacje (Zachos i in., 2008, Zachos i in., 2001). Zakres czasowy kompilacji CENOGRID wyznaczył jednocześnie zakres całego wykresu.

Podobnie jak w oryginalnym wykresie zastosowałem skalę pseudo-logarytmiczną, dzieląc historię klimatyczną kenozoiku na kilka części, przedstawionych w różnej rozdzielczości czasowej. Najstarsza część, obejmująca okres od 65 mln do 1 miliona lat temu, oparta jest wyłącznie o kompilację CENOGRID, i obrazuje powolne ochłodzenie klimatu, aż do nastania plejstocenu z powtarzającymi się cyklami głębokich zlodowaceń i cieplejszych okresów międzylodowcowych.

Zmiany temperatury w ostatnim milionie lat

Ostatni milion lat przedstawiony jest w powiększeniu. Oprócz CENOGRID dodatkowo wykorzystałem tu dwie kolejne kompilacje oparte również o pomiary δ¹⁸O w osadach na dnie oceanów. Pierwszym jest aktualizacja (Ahn i in., 2017) zbioru opublikowanego w 2005 przez paleoklimatolożki Lorraine Lisiecki i Maureen Raymo (Lisiecki i Raymo, 2005), zwiększająca liczbę odwiertów w dnie oceanicznym, z których pobierano rdzenie, z 54 do 180 oraz stosująca bardziej zaawansowane metody analizy statystycznej do dopasowania wzajemnej chronologii pomiarów wykonanych w różnych lokalizacjach. Drugim jest kolejna taka kompilacja dla ostatnich 150 tysięcy lat, oparta o odwierty z 263 lokalizacji (Lisiecki i Stern, 2016).

Zawartość izotopu ¹⁸O w cząsteczkach węglanu wapnia tworzącego pancerzyki otwornic zależy od temperatury i składu wody morskiej, a skład zależy od ilości wody uwięzionej w lądolodach. Oba mechanizmy działają w tym samym kierunku (to znaczy, powodują wzbogacenie węglanu wapnia CaCO₃ w ciężki izotop tlenu ¹⁸O przy zimniejszym klimacie), co oznacza że zrekonstruowanie temperatury głębin oceanicznych, a w drugiej kolejności temperatury powierzchni Ziemi, na podstawie δ¹⁸O wymaga poczynienia pewnych dodatkowych założeń.

Przygotowując wykres korzystałem, podobnie jak naukowcy z projektu CENOGRID, ze wzorów zaproponowanych w 2013 w pracy opublikowanej przez Jamesa Hansena i współautorów (Hansen i in., 2013). Jedyną różnicą była modyfikacja wzoru dla okresu plejstocenu, gdzie przeliczenie temperatury głębokiego oceanu do temperatury powierzchni planety opierało się o mnożnik skalibrowany na podstawie zmiany temperatury w czasie ostatniego zlodowacenia. W oryginalnej pracy Hansena założono, że było ono globalnie zimniejsze o 4,5°C od holocenu, jednak według najnowszych badań (Tierney i in., 2020, zielona kropka na wykresie) ochłodzenie było bliższe 6°C. Uwzględnienie tej różnicy, poprzez przeskalowanie rekonstrukcji temperatury globalnej, daje nieco większą amplitudę wahań tej temperatury w plejstocenie.

Zmiany temperatury w holocenie

Zmiany temperatury w okresie holocenu oraz ostatnich 2000 lat oparte są o wyniki projektów Temp12k (Kaufman i in., 2020) oraz PAGES2k (Neukom i in., 2020), które obrazują ostatnie, najbardziej kompletne ustalenia nauki w tym temacie. Dla porównania pokazano też starszą rekonstrukcję Marcotta i in. z 2013 roku (Marcott i in., 2013).

Zmiany temperatury w erze przemysłowej

Ostatni panel wykresu przedstawia okresie 1850-2300, oparty o dane instrumentalne (analizę HadCRUT5 (Morice i in., 2020) oraz symulacje wykonane jednym z modeli klimatu uczestniczących w projekcie CMIP6. Spośród wielu potencjalnych sposobów wizualizacji potencjalnego przyszłego globalnego ocieplenia wybrałem najprostszą, poprzez prezentację dwóch skrajnych możliwości: szybkiej redukcji emisji gazów cieplarnianych (scenariusz SSP1-26), oraz kontynuację jej wzrostu (scenariusz SSP5-85). Wybór modelu japońskiego MRI-ESM2.0 (Yukimoto i in., 2019) był natomiast podyktowany względami praktycznymi: posiada on tzw. czułość równowagową klimatu o wartości zbliżonej do najnowszych oszacowań tego parametru 3,1°C w odpowiedzi na podwojenie zawartości CO₂ w atmosferze (Sherwood i in., 2020).

Wszystkie serie danych zostały sprowadzone do wspólnego okresu referencyjnego 1850-1900, który w przybliżeniu odzwierciedla okres przedindustrialny. Globalne ocieplenie obserwowane w ostatnich latach osiągnęło wartość około +1,2°C w odniesieniu do tego okresu, najprawdopodobniej przewyższając poziomy osiągnięte w ciągu ostatnich kilku tysiącach lat i zrównując się już z najwyższymi temperaturami, jakie panowały na Ziemi w najcieplejszych okresach cyklu epok lodowych z ostatniego miliona lat.

Piotr Florek, Met Office, Hadley Centre