1. Definicja

Efekt cieplarniany to zjawisko podwyższenia temperatury planety przez obecne w jej atmosferze gazy cieplarniane (w porównaniu z sytuacją, w której gazów cieplarnianych nie ma). Podnosi temperaturę powierzchni Ziemi o 33°C. Gdyby go nie było, nasza planeta byłaby cała skuta lodem, a średnia temperatura wynosiłaby -18°C, zamiast +15°C.

2. Efekt cieplarniany – najprostsze wyjaśnienie

Dlaczego, gdy przykrywamy się kocem, robi nam się cieplej? – przecież to tylko kawałek tkaniny, nie wydzielający żadnego ciepła.

Człowiek w spoczynku wydziela ok. 100 W ciepła (pracują serce, mózg i inne organy wewnętrzne). Nasze ciało przypomina piec z termostatem, który stara się utrzymywać stałą temperaturę (jesteśmy zwierzętami stałocieplnymi). Gdy na zewnątrz jest zimno, jest to dla nas nieprzyjemne, a w skrajnych przypadkach wręcz niebezpieczne. Przykrywając się kocem, utrudniamy ucieczkę ciepła – w rezultacie po przykryciu się kocem tracimy mniej energii, a temperatura wokół naszego ciała pod kocem wzrasta. Oczywiście, w miarę tego wzrostu temperatury coraz więcej ciepła przenika przez koc na zewnątrz. Dzieje się tak do momentu, gdy ustali się nowy stan równowagi, w którym z powierzchni koca ucieka tyle energii ile wydziela nasze ciało. Temperatura wokół naszego ciała pod kocem stabilizuje się, ale jest już wyższa niż początkowo.

Dlaczego porównujemy efekt cieplarniany do przykrycia się kocem, skoro w tym przykładzie źródło ciepła (nasze ciało) jest pod nim, a promieniowanie słoneczne dostarczające energię do ziemskiego systemu klimatycznego pochodzi z zewnątrz? Analogia sprawdza się dlatego, że energia słoneczna w większości przenika przez atmosferę a pochłania ją dopiero powierzchnia Ziemi. Rozgrzana promieniami Słońca powierzchnia planety jest więc odpowiednikiem rozgrzanej procesami wewnątrz organizmu skóry śpiocha.

3. Efekt cieplarniany na Ziemi – warunki powstawania

Do ziemskiego systemu klimatycznego energii dostarcza głównie Słońce. Ziemia, w stabilnym stanie klimatycznym, emituje w przestrzeń kosmiczną tyle samo energii ile energii dochodzącej od Słońca pochłania.

Im wyższa jest temperatura powierzchni ciała, tym więcej energii wypromieniowuje ono do otoczenia w formie promieniowania elektromagnetycznego. Natężenie tego promieniowania zmienia się wprost proporcjonalnie do czwartej potęgi temperatury powierzchni ciała wyrażonej w stopniach Kelvina (T⁴), co oznacza, że przy dwukrotnie wyższej temperaturze powierzchni emitowana energia będzie szesnastokrotnie większa. Ponadto wraz ze wzrostem temperatury maksimum natężenia promieniowania przesuwa się w stronę coraz wyższych energii fotonów (czyli promieniowania o większej częstotliwości a mniejszej długości fali). Dotyczy to tak samo Słońca, powierzchni Ziemi jak i gazów w jej atmosferze.

Słońce jest gwiazdą, której powierzchnia (fotosfera) jest rozgrzana do temperatury ok. 5500 stopni Kelvina (5200°C). Ciało o takiej temperaturze świeci (emituje energię) głównie w świetle widzialnym i bliskiej podczerwieni. Powierzchnia Ziemi jest dużo chłodniejsza (ma niecałe 300 K) i wypromieniowuje energię w postaci fal elektromagnetycznych o dużo niższej energii, w zakresie dalekiej podczerwieni. To, jak promieniują ciała o takiej temperaturze, możemy stwierdzić, na przykład kierując na budynek czy człowieka kamerę termowizyjną.

Promieniowanie emitowane przez Słońce nazywamy w kontekście efektu cieplarnianego promieniowaniem krótkofalowym, a przez powierzchnię Ziemi – długofalowym.

Nasza planeta „przykryta” jest warstwą atmosfery, w której obecne są gazy cieplarniane (m.in. para wodna H₂O, dwutlenek węgla CO₂, metan CH₄, podtlenek azotu N₂O). Ich charakterystyczną cechą jest to, że przepuszczają promieniowanie emitowane przez Słońce (widzialne i w bliskiej podczerwieni), pochłaniają zaś promieniowanie w dalekiej podczerwieni emitowane z powierzchni naszej planety, rozgrzanej w wyniku pochłaniania promieniowania słonecznego.

4. Model szyby

Najważniejsze cechy efektu cieplarnianego można zrozumieć, posługując się prostym modelem zachowania transferu promieniowania przez atmosferę, tzw. „modelem szyby”. W modelu tym atmosferę zastępuje szklana płyta zawieszona nad powierzchnią Ziemi. Szkło pojawia się tu nieprzypadkowo: podobnie jak gazy cieplarniane, przepuszcza ono promieniowanie krótkofalowe, a pochłania długofalowe i dlatego jest standardowym budulcem szklarni.

Zacznijmy od planety bez atmosfery. W stabilnym stanie klimatu (czyli bez zachodzących zmian temperatury) planeta wypromieniowuje w kosmos tyle energii promieniowania długofalowego (E_P na rys. 4), ile pochłania energii promieniowania słonecznego (E_S na rys. 4).

Wyobraźmy sobie, że przykrywamy planetę szklaną szybą, która przepuszcza całe padające ze Słońca promieniowanie krótkofalowe, ale pochłania całe wypromieniowywane przez Ziemię promieniowanie długofalowe i emituje je po równo w górę (w kosmos) i w dół (w stronę powierzchni Ziemi).

Obserwator patrzący na planetę z kosmosu może odnotować dwa strumienie energii: pochłaniany przez planetę strumień promieniowania słonecznego (E_S) i emitowany przez szybę strumień promieniowania w podczerwieni (E_P). W stanie równowagi wielkość obydwu strumieni jest taka sama (E_P=E_S) .

My jednak możemy zajrzeć, co się dzieje we wnętrzu atmosfery. Jak wspomnieliśmy, szyba emituje identyczne strumienie promieniowania w górę i w dół, czyli E_P’ = E_P. Do powierzchni planety dociera energia promieniowania słonecznego (E_S) oraz promieniowania termicznego atmosfery (E_P’). Ilość energii pochłanianej przez powierzchnię Ziemi jest większa, niż gdyby szyby – atmosfery nie było. Aby temperatura powierzchni była stała, musi ona wypromieniowywać tyle samo energii, ile otrzymuje, czyli E_G = E_S + E_P’.

Tymczasem wiemy już, że E_P = E_P’ = E_S. Jeśli uwzględnimy to w naszym bilansie, otrzymamy E_G = 2E_S. Okazuje się, że w obecności szyby ilość energii otrzymywanej przez powierzchnię Ziemi rośnie aż dwukrotnie! To oznacza, że utrzymanie stałej temperatury wymaga dwukrotnie silniejszej emisji promieniowania. Aby móc wzmocnić strumień emitowanego przez siebie promieniowania, powierzchnia Ziemi musi się rozgrzać. O ile?

Możemy to policzyć, pamiętając, że ilość emitowanej energii jest proporcjonalna do czwartej potęgi temperatury. Po kilku przekształceniach dowiemy się, że temperatura powierzchni Ziemi z atmosferą powinna w takich warunkach wynosić 303K (+30°C). To aż o 48°C więcej niż w przypadku nagiej planety. W rzeczywistości różnica wynosi tylko 33°C. Skąd więc nasz zbyt wysoki wynik?

5. Efekt cieplarniany dla zaawansowanych

Model szyby pozwala łatwo zrozumieć podstawy działania efektu cieplarnianego, jest jednak tylko bardzo uproszczoną ilustracją zachodzących procesów. W rzeczywistości gazy cieplarniane nie tworzą cienkiej warstwy, lecz są rozproszone w atmosferze.

Gazy cieplarniane nie wypromieniowują też całej energii jak ciało doskonale czarne, lecz pochłaniają i emitują jedynie fotony o określonych energiach, dopasowanych do ich budowy cząsteczkowej. Część promieniowania podczerwonego ucieka z Ziemi prawie bez przeszkód, a część o innych długościach fal (energiach fotonów) jest pochłaniana i wypromieniowywana, często przez wiele cząstek po kolei. Wpływ na absorpcję i emisję mają też panujące na różnych wysokościach temperatury oraz ciśnienie. Dodatkowo część energii jest przekazywana atmosferze za pomocą innych niż promieniowanie mechanizmów, takich jak konwekcja i ewapotranspiracja itd.

Bliższy rzeczywistości (choć nie tak prosty pojęciowo i matematycznie) jest obraz uwzględniający te mechanizmy. Ponieważ obecne w atmosferze gazy cieplarniane „blokują” ucieczkę w kosmos wypromieniowywanej przez powierzchnię Ziemi energii, fotony o energiach odpowiadających długościom fal pochłanianych przez gazy cieplarniane są w stanie uciekać w kosmos dopiero z wyższych warstw atmosfery (w przypadku Ziemi chodzi o wysokości powyżej kilku kilometrów), gdzie atmosfera jest już rzadsza i promieniowanie ma szanse dotrzeć przestrzeń kosmiczną nie natrafiając po drodze na cząsteczkę gazu cieplarnianego. Patrząc z kosmosu widzimy więc przede wszystkim fotony promieniowania podczerwonego pochodzące nie z powierzchni Ziemi, lecz z wyższych warstw atmosfery.

Temperatura powietrza na Ziemi spada wraz z wysokością, zależnie od warunków atmosferycznych w tempie 0,6-1°C na 100 m. Temperatura na wysokości kilku kilometrów jest niższa niż przy powierzchni Ziemi o około 30°C, co odpowiada temperaturze jaką miałaby powierzchnia naszej planety, gdyby nie było wokół niej atmosfery z gazami cieplarnianymi.

6. Efekt cieplarniany na Ziemi, Wenus i Marsie

Efekt cieplarniany na Ziemi podnosi temperaturę powierzchni o 33°C.

Mars ma znacznie rzadszą atmosferę, z ciśnieniem na powierzchni planety ponad 100-krotnie mniejszym od ziemskiego. Atmosfera Marsa stanowi słabą izolację „cieplarnianą” – podnosi temperaturę powierzchni o zaledwie 5°C.

Wenus z kolei ma bardzo gęstą i grubą atmosferę, z ciśnieniem na powierzchni planety blisko 100-krotnie większym od ziemskiego. Atmosfera Wenus stanowi silną izolację „cieplarnianą” – podnosi temperaturę powierzchni aż o 500°C.

Więcej w artykule Efekt cieplarniany na Ziemi, Wenus i Marsie

7. Efekt cieplarniany a globalne ocieplenie

Efekt cieplarniany to nie to samo co globalne ocieplenie. Ten drugi termin dotyczy wzmocnienia efektu cieplarnianego w wyniku zwiększenia przez ludzkość ilości gazów cieplarnianych w atmosferze.

Wzrost zawartości gazów cieplarnianych w atmosferze nie zmienia ilości docierającego do powierzchni Ziemi promieniowania słonecznego, utrudnia za to ucieczkę w kosmos promieniowania podczerwonego emitowanego przez powierzchnię naszej planety. W rezultacie Ziemia wypromieniowuje w kosmos mniej energii niż pochłania ze Słońca. Energia ta kumuluje się w ziemskim systemie klimatycznym (głównie w oceanach), co obserwujemy jako globalne ocieplenie. W miarę jak powierzchnia Ziemi robi się coraz cieplejsza, emituje ona coraz więcej energii, dążąc do stanu równowagi, w którym w kosmos znów będzie wypromieniowywane tyle samo energii ile jest pochłaniane – tyle, że przy wyższej temperaturze powierzchni.

To, co dzieje się aktualnie z ziemskim systemem klimatycznym przypomina sytuację przykrycia się wieloma kocami. Nasze emisje gazów cieplarnianych i postępujący za nimi wzrost ich zawartości w atmosferze odpowiadają ciągłemu, coraz szybszemu przykrywaniu się kolejnymi kocami. W rezultacie pod warstwą izolacji (na powierzchni Ziemi) robi się coraz cieplej.

Marcin Popkiewicz

The post Efekt cieplarniany – ABC appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Scenariusze emisji i zmiany klimatu

Skala przyszłego globalnego ocieplenia zależy od emisji gazów cieplarnianych – czy będą dalej rosły, czy szybko zmaleją. Dlatego naukowcy analizują przyszłą zmianę klimatu przez pryzmat różnych scenariuszy emisji. Na rysunku 2 widzimy dwa scenariusze emisji dwutlenku węgla. Scenariusz czerwony obrazuje świat, w którym wydobywamy i spalamy wszystkie paliwa kopalne nadające się do wydobycia (w tym scenariuszu ich wydobycie rośnie do końca obecnego stulecia, później się stabilizuje, a od połowy następnego wieku, w związku z wyczerpywaniem złóż, spada). W scenariuszu niebieskim emisje spadają w najbliższych dekadach do zera, a później wręcz poniżej zera, co oznacza usuwanie CO₂ z atmosfery (czy to technologiczne czy naturalne, np. przez lasy). To skrajne scenariusze emisji – możliwe są też oczywiście warianty pośrednie.

Jaka będzie zmiana klimatu dla każdego ze scenariuszy?

Patrząc na rysunek 3, można powiedzieć, że istnieje wielki stopień niepewności co do przyszłego globalnego ocieplenia. Jednak główna niepewność związana jest z tym, co zrobi ludzkość. Jeśli zdecydujemy się dalej spalać coraz więcej paliw kopalnych, podążając czerwoną linią, to do 2300 roku temperatura wzrośnie prawdopodobnie o około 8°C. Owszem, możemy mieć szczęście – być może czułość klimatu okaże się mniejsza i wzrost temperatury wyniesie tylko 6°C. Ale może się okazać, że mylimy się w drugą stronę, a średnia temperatura powierzchni Ziemi wzrośnie o nawet 10°C (tu warto przypomnieć, że wykres uwzględnia wpływ samego dwutlenku węgla, bez innych gazów cieplarnianych). O najnowszych badaniach czułości klimatu przeczytasz w artykule Czułość klimatu – znamy ją coraz dokładniej!

W scenariuszu emisji RCP2.6 („niebieskim”), nawet gdyby czułość klimatu okazała się najwyższa z możliwych, wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi w 2300 roku i tak nie przekroczyłby 1,7°C.

Niepewność co do przyszłej zmiany klimatu wynika głównie z trudności przewidzenia wielkości przyszłych emisji.

Trzeba tu podkreślić jeszcze jedną rzecz: skala globalnego ocieplenia w odpowiedzi na emisje dwutlenku węgla praktycznie nie zależy od tempa emisji, lecz od tego, ile w sumie go wyemitujemy do atmosfery. Jeśli więc spalimy wszystkie paliwa kopalne, ale o połowę wolniej lub w tempie dwukrotnie szybszym, to finalnie wzrost temperatury powierzchni Ziemi będzie taki sam. Dlatego, jeśli chcielibyśmy ograniczyć wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi do 1,5-2°C względem epoki przedprzemysłowej, możemy wyemitować jeszcze nieco ponad 300 GtCO₂, co przekłada się na konieczność ścięcia emisji o połowę w ciągu dekady i do zera kilkanaście lat później (IPCC, 2018). Więcej na temat budżetu węglowego przeczytasz w artykule Ograniczamy ocieplenie – jak szybko trzeba działać?

Dla zatrzymania globalnego ocieplenia nie wystarczy ograniczenie emisji CO₂ o 20%, 50% czy nawet 90%. Konieczne jest ich zaprzestanie.

Skutki globalnego ocieplenia: scenariusz „Porozumienia Paryskiego”

Ponieważ bardzo długo zwlekaliśmy z działaniami na rzecz ochrony klimatu, podjęcie nawet najbardziej ambitnych działań („niebieski” scenariusz z rys. 3) nie zapobiegnie poważnym skutkom globalnego ocieplenia.

Średnia temperatura powierzchni Ziemi wyższa 1,5-2°C względem okresu przedprzemysłowego to warunki wykraczające poza najcieplejsze okres w cyklu epok lodowych ostatnich ponad 2 mln lat.

Fale upałów

W ciągu ostatnich stu lat świat już doświadczył wzrostu temperatury o ponad 1°C, czego konsekwencją są coraz bardziej uciążliwe fale upałów. Fala upałów z lata 2003 roku, która doprowadziła do śmierci 70 000 Europejczyków, była zdarzeniem, które w stabilnym klimacie pojawiałoby się statystycznie raz na 740 lat (Bank Światowy, 2013). Przy wzroście temperatury o 2°C takie ekstrema będą zdarzać się w Europie Zachodniej w co piątym miesiącu letnim, a w krajach tropikalnych w co drugim. Na Bliskim Wschodzie i w Afryce temperatury podczas najcieplejszych dni wzrosną z obecnych 43°C do 46°C, co może uczynić niektóre rejony niezdatnymi do zamieszkania.

Zmiany opadów i dostęp do wody

Już dziś musimy się mierzyć z coraz większym zagrożeniem suszą, także w Polsce. W świecie cieplejszym o 2°C w wyniku przesuwania się stref klimatycznych i związanych z tym zmian w opadach, połączonych z szybszym parowaniem w wyższej temperaturze, poważne niedobory wody zagrożą co najmniej 8% ludzkości. W rejonie Morza Śródziemnego spadek ilości dostępnej wody sięgnie 17% (Schleussner i in., 2016). W Europie Środkowej, choć suma rocznych opadów nie zmieni się znacząco, to zmianie ulegnie rozkład opadu w ciągu roku – zimą będzie padać więcej, latem zaś mniej, co w połączeniu z wyższymi temperaturami oraz zimowymi opadami deszczu zamiast śniegu (skuteczniej uzupełniającego zasoby wód gruntowych na sezon wegetacyjny) będzie prowadzić do częstszych susz, przeplatanych ulewami.

Lodowce

Powierzchnia lodowców w Alpach spadnie o ponad połowę, przy czym w Niemczech znikną prawie zupełnie (Zemp i in., 2006). O ile w Europie będzie to miało konsekwencje głównie turystyczno-biznesowo-krajobrazowe, to w Andach i górach Azji zanik lodowców doprowadzi do okresowego wysychania rzek. Prognozuje się, że w scenariuszu ograniczenia wzrostu temperatury do 1,5-2°C lodowce górskie Azji do 2100 roku stracą 30-40% swojej masy (Cogley, 2017).

Lód morski w Arktyce

Temperatura Arktyki rośnie dwukrotnie szybciej od średniej globalnej, zaś powierzchnia lodu morskiego gwałtownie spada. Przy wzroście średniej globalnej temperatury o 1,5-2°C możemy spodziewać się, że Ocean Arktyczny przez kilka miesięcy w roku będzie wolny od lodu. Stopienie lodu i śniegu odbijających promieniowanie słoneczne powiększy ilość pochłanianej przez naszą planetę energii i przyspieszy globalne ocieplenie (czytaj więcej w tekście Arktyczne wzmocnienie), zaburzając też wzorce pogodowe w naszym rejonie świata.

Lądolody i wzrost światowego poziomu morza

Globalne ocieplenie skutkuje wzrostem światowego poziomu morza na dwa sposoby: poprzez rozszerzalność termiczną wody oraz przez topnienie lądolodów i lodowców, z których woda spływa do oceanów. W długim horyzoncie czasowym dla tego, jak bardzo wzrośnie poziom morza największe znaczenie będzie miało topnienie lądolodów Grenlandii i Antarktydy.

W scenariuszu ocieplenia o 1,5-2°C do 2100 roku prognozowany jest wzrost poziomu morza o ok. pół metra, a w kolejnym stuleciu o ok. metr (Kopp i in., 2017). Docelowo, przy długotrwałym utrzymywaniu się temperatury na takim poziomie (co odpowiadałoby warunkom panującym podczas ciepłego interglacjału 400 000 lat temu) stopniałaby większość lądolodu Grenlandii oraz część lądolodu Antarktydy, szczególnie Zachodniej. W rezultacie światowy poziom morza podniósł by się o 6-13 m (Dutton i in., 2015).

Produkcja żywności

Globalne ocieplenie, susze i zmiany wzorców pogodowych będą mieć poważne następstwa dla światowej produkcji żywności. Każdy stopień wzrostu temperatury oznacza redukcję globalnych plonów pszenicy o 6%, ryżu i soi o 3%, a kukurydzy o 7% (Zhao i in. 2017). Produkcja rolna w niektórych rejonach może wzrosnąć, jednak rolnictwo w innych zostanie poważnie dotknięte – na przykład w Afryce Zachodniej już przy ociepleniu o 1,5°C prognozowany jest spadek plonów pszenicy o 25%, przy ociepleniu o 2°C aż o 42% (Schleussner i in., 2016). Ucierpi też rybołówstwo – szacuje się, że na każdy stopień ocieplenia połowy ryb – obecnie wynoszące ok. 82 mln ton – spadną o co najmniej 3 mln ton, i to bez uwzględnienia załamania ekosystemów morskich, zakwaszania oceanów i przełowienia (Cheung i in., 2016).

Rafy koralowe

Proces degradacji raf koralowych zachodzi na całym świecie. Od 1995 roku Wielka Rafa Koralowa straciła ponad połowę koralowców (Dietzel i in., 2020). W scenariuszu globalnego ocieplenia o 1,5°C w drugiej połowie stulecia poważną degradacją w wyniku morskich fal upałów oraz zakwaszania wód oceanicznych zagrożonych będzie 90% raf koralowych. Przy ociepleniu o 2°C odsetek ten wzrośnie do 98%. W praktyce oznacza to ich wymarcie jako ekosystemu.

Wymieranie gatunków

W miarę ocieplania klimatu znikać będą ekosystemy. W świecie cieplejszym o 2°C do końca stulecia wymrzeć może 25% z 80 000 monitorowanych gatunków zwierząt i roślin (wymieranie obejmie oczywiście także gatunki spoza listy monitorowanych) (Warren i in., 2018). Patrz też Nagłe załamywanie się ekosystemów – kiedy nastąpi?.

Pożary, huragany, powodzie, choroby tropikalne, i inne

Wraz z przesuwaniem się stref klimatycznych rośnie zagrożenie pożarowe, dotykając wielu rejonów świata: tajgi na dalekiej północy, Amazonii, Australii czy Kalifornii (także w 2020) Rośnie zagrożenie cyklonami tropikalnymi (Huragany – skąd się biorą, jak sieją zniszczenie i jak wpływa na nie zmiana klimatu?, Coraz silniejsze huragany, rekordowa liczba huraganów w 2020 r.), rośnie zagrożenie powodziowe i postępuje ekspansja chorób tropikalnych (Nadchodzą choroby tropikalne, Wirusy, bakterie i spółka – choroby w cieplejszym świecie). Narastają inne problemy zdrowotne wynikające ze zmiany klimatu (Zmiana klimatu wpłynie na zdrowie przyszłych pokoleń, Zmiana klimatu niepokoi lekarzy, Kleszcze, patogeny i klimat). Postępuje zakwaszanie i odtlenianie oceanów, szkodząc mieszkającym tam istotom (patrz też. Ocieplenie oceanów – co oznacza i czym się może skończyć?, Globalne ocieplenie, prądy morskie i życie w oceanach).

To już się dzieje i w miarę postępowania zmiany klimatu będzie się nasilać.

Ryzyko przekroczenia punktów krytycznych

W systemie klimatycznym wstępuje wiele punktów krytycznych, po przekroczeniu których dochodzi do głębokiej i trwałej zmiany tego, co w stabilnym klimacie holocenu uważaliśmy za „niezmienne elementy krajobrazu”. Na przykład Arktyka może być wolna od lodu pływającego przez cały rok, lądolód Grenlandii może wejść na drogę do kompletnego rozpadu (być może już to nastąpiło), las deszczowy Amazonii może zostać zastąpiony przez sawannę, może też dojść do destabilizacji wieloletniej (kiedyś nazywanej „wieczną”) zmarzliny czy zaniku cyrkulacji termohalinowej w oceanach. Przewidzenie, jak duże globalne ocieplenie będzie skutkować przejściem określonego punktu krytycznego jest niezmiernie trudne, jednak wraz z przekroczeniem ocieplenia o 2°C prawdopodobieństwo przekroczenia kolejnych punktów krytycznych szybko rośnie.

W miarę postępowania globalne ocieplenie będzie skutkować przekraczaniem kolejnych punktów krytycznych. Niektóre, jak prawie całkowita zagłada tropikalnych raf koralowych lub rozpad lądolodu Grenlandii być może zostały już przekroczone.

Międzyrządowy Panel ds. Zmiany Klimatu rozpoczął analizę punktów krytycznych ziemskiego systemu klimatycznego już dwadzieścia lat temu. W tamtym czasie uważano, że wielkoskalowe zaburzenia klimatu i przekroczenie punktów krytycznych stają się prawdopodobne dopiero przy globalnym ociepleniu przekraczającym 5°C. Jednak w miarę zbierania kolejnych obserwacji, i postępów w rozumieniu działania ziemskiego systemu klimatycznego okazywało się, że punkty krytyczne z reguły będą przekraczane przy mniejszym wzroście temperatury, niż wydawało się wcześniej. Stopniowo granica tego co możemy uważać za niebezpieczną zmianę klimatu była obniżana, w specjalnym raporcie z września 2018 roku już do poziomu w granicach 1,5-2°C.

Czytaj więcej w artykule Ziemskie progi bezpieczeństwa.

Skutki globalnego ocieplenia: scenariusz „Biznes-jak-zwykle”: wzrost temperatury o 4°C do 2100

W scenariuszu „Biznes-jak-zwykle” („czerwony” scenariusz z rys. 3) do końca stulecia temperatura rośnie o ok. 4°C względem poziomu przedprzemysłowego. Ponieważ dla ocieplenia powodowanego głównie przez wzrost zawartości CO2 w atmosferze liczą się nie tyle emisje chwilowe co suma emisji (patrz Ograniczamy ocieplenie – jak szybko trzeba działać?), więc spowolnienie tempa spalania paliw kopalnych, przy zachowaniu sumarycznej ilości spalonych paliw oznaczałoby osiągnięcie takiego wzrostu temperatury nie do 2100 roku, lecz trochę później. Skutki takiego globalnego ocieplenia będą znacznie poważniejsze niż dla ograniczenia zmiany klimatu do poziomu uzgodnionego w Porozumieniu Paryskim.

Ostatni raz średnia temperatura powierzchni Ziemi była na takim poziomie ok. 15 mln lat temu, w miocenie. Poziom morza był wtedy wyższy o ok. 40 metrów, a na Antarktydzie i Grenlandii rosły lasy (Foster i Rohling, 2013).

Fale upałów

Jeśli globalne ocieplenie wyniesie 4°C, zabójcze fale upałów będą występować co roku na 85% terenów lądowych (Bank Światowy, 2013). Trzy czwarte ludzkości będzie doświadczać potencjalnie śmiertelnych temperatur przez 20 lub więcej dni w roku. Tereny na Bliskim Wschodzie i w Afryce Północnej, zamieszkane obecnie przez setki milionów ludzi, doświadczą wzrostu letnich temperatur o ponad 5°C, co uczyni je niezdatnymi do zamieszkania i doprowadzi do masowych migracji (Lelieveld i in., 2016).

Zmiany opadów i dostęp do wody

Narażona na susze będzie duża część terenów w średnich szerokościach geograficznych, będących spichlerzem świata. W szczególnie niekorzystnym położeniu będzie rejon Morza Śródziemnego, w tym południowa Europa, gdzie wzrostowi temperatur towarzyszyć będzie spadek opadów. Poważne susze będą występować też na Bliskim Wschodzie, najgęściej zamieszkałych rejonach Australii, Afryki i Ameryki Południowej, a także na terenach rolniczych Stanów Zjednoczonych i Chin (Dai 2012).

Lodowce

W rejonach, w których dominują niewielkie lodowce, takich jak Alpy, Pireneje. Kaukaz, Skandynawia, tropikalne Andy, Meksyk, Wschodnia Afryka czy Indonezja, stracą one ponad 80% swojej obecnej masy (IPCC, 2019). Nawet lodowce w Himalajach stracą ok. 2/3 swojej masy (The Hindu Kush Himalaya Assessment, 2019, Cogley, 2017, patrz też rys. w Odtajnione zdjęcia szpiegowskie i lodowce w Himalajach). To do 2100 roku – dłuższe utrzymywanie się takich temperatur doprowadzi do prawie całkowitego zniknięcia lodu poza Antarktydą.

Lód morski w Arktyce

W świecie cieplejszym o 4°C Arktyka będzie wolna od lodu przez większą część roku. Zwiększone pochłanianie energii słonecznej spowoduje dalsze nagrzewanie się planety. Wzrost temperatury na dalekiej północy będzie prowadzić do wyzwalania metanu i dwutlenku węgla z wiecznej zmarzliny i klatratów na dnie Oceanu Arktycznego, co będzie nasilać zmianę klimatu.

Lądolody i wzrost światowego poziomu morza

Lądolód Grenlandii będzie zanikał wskutek postępującego topnienia. Podobnie lądolód Antarktydy Zachodniej, zagrożona będzie też duża część lądolodu Antarktydy Wschodniej. Oczywiście lądolody nie stopnieją do 2100 roku, ale kiedy proces ich destabilizacji już się rozpocznie, będzie postępował coraz szybciej (patrz Rozpad lądolodu Antarktydy Zachodniej nieunikniony). Spowoduje to podniesienie światowego poziomu morza o kilkadziesiąt metrów. Aktualne opracowania podają prognozy wzrostu średniego światowego poziomu morza w scenariuszu „Biznes-jak-zwykle” (RCP 8.5) do 2100 roku na 1,5–2 metrów, nie wykluczając też wzrostu o 2,5, a nawet 3 metry (NOAA, 2017). W następnym stuleciu oczekiwane tempo wzrostu poziomu morza, o ile szybko nie ograniczymy emisji gazów cieplarnianych, będzie jeszcze większe. Mediana prognoz wzrostu średniego światowego poziomu morza, uwzględniających niestabilność lądolodów Antarktydy i Grenlandii w scenariuszu RCP8.5 dla 2200 roku wynosi ponad 7 metrów (Kopp i in., 2017).

Doprowadzi to do zatopienia znaczącej części wszystkich miast nadbrzeżnych i innych nisko położonych terenów, w tym delt rzek takich jak Nil czy Ganges i Brahmaputra, w rezultacie zmuszając setki milionów ludzi do opuszczenia miejsca zamieszkania.

Zalanie miast, delt rzek i innych nisko położnych terenów zamieszkałych często nie będzie przebiegać łagodnie, z powolnym wzrostem poziomu wody o kilka centymetrów rocznie, lecz w katastrofach, kiedy przy niesprzyjających warunkach pogodowych fala sztormowa będzie przełamywać wały i zalewać miasta leżące kilka-kilkanaście metrów poniżej poziomu morza.

Produkcja żywności

Wiele regionów świata doświadczy spadku produkcji rolnej, poważnie zagrażającego bezpieczeństwu żywnościowemu. Nisko położone rejony tropikalne zrobią się tak ciepłe, że praca w polu przez większą stanie się niemożliwa. Na północ i południe od wilgotnej i gorącej strefy tropikalnej będzie ciągnąć się pas pustyń, obejmując nawet południową Europę. Tereny położone w wyższych szerokościach geograficznych będą miały warunki termiczne bardziej sprzyjające produkcji żywności, jednak ze względu na ich niewielką powierzchnię, krótki sezon wegetacyjny oraz słabe z punktu widzenia rolnictwa gleby (gleby tundry i tajgi mają niewielką miąższość, są kwaśne i ubogie w składniki odżywcze) nie będą one w stanie zastąpić utraconych terenów rolnych. W rezultacie spadnie nie tylko globalna produkcja żywności, ale też najbardziej dotknięci zostaną mieszkańcy ubogich krajów Globalnego Południa, które już teraz mają poważny problem z dostępem do żywności.

Więcej w Nawożenie roślin CO₂ jest OK. Są jednak „ale”. Liczne „ale”, Mit: Im więcej CO₂, tym lepiej dla roślin.

Zakwaszanie oceanów

Wody mórz i oceanów, pochłaniając z atmosfery emitowany przez nas dwutlenek węgla będą się zakwaszać, do poziomu nie notowanego przez ostatnie 300 mln lat. Zakwaszenie oceanów ma poważne konsekwencje dla szeregu organizmów budujących zewnętrzne wapienne szkielety i muszle. W normalnych warunkach kalcyt i aragonit (odmiany węglanu wapnia) są stabilne w wodach powierzchniowych, ponieważ jony węglanowe stanowią w wodzie morskiej roztwór przesycony i jest ich więcej, niż może się rozpuścić. Korzystają z tego organizmy morskie, wykorzystując je do budowy swoich pancerzy i skorup. Gdy wskaźnik pH otoczenia spada, obniża się również koncentracja tych jonów. Gdy spada ona poniżej stężenia roztworu nasyconego (Ω<1; roztwór nienasycony), struktury zbudowane z węglanu wapnia zamiast wzrastać, stają się podatne na rozpuszczenie w wodzie.

Spadek możliwości budowania muszli i szkielecików dotknie wiele organizmów stanowiących podstawę ekosystemu raf koralowych i łańcucha pokarmowego w oceanach, w tym m.in. koralowców, skorupiaków, małży, kokolitoforów, otwornic i szkarłupni oraz dużą część gatunków planktonowych, w tym fotosyntetyzujacych.

Rafy koralowe

Znikną.

Wymieranie gatunków

W świecie cieplejszym o 4°C do końca stulecia wymrzeć może połowa z 80 000 monitorowanych gatunków zwierząt i roślin żyjących w najbogatszych w gatunki i najcenniejszych obszarach, takich jak Amazonia lub wyspy Galapagos (w pierwszym przybliżeniu można przyjąć, że wymrze też zbliżony odsetek wszystkich gatunków, a nie tylko monitorowanych). Zniknięcie tak wielu gatunków wywoła kaskadowe zmiany w zachowaniu owadów i innych zwierząt, wpływając na całość ekosystemów. Ocieplanie się powierzchniowych warstw oceanów będzie prowadzić do spadku ich natlenienia i osłabienia mieszania się ich z bogatymi w składniki odżywcze chłodnymi wodami głębinowymi, powodowanego nasiloną stratyfikacją wód, co doprowadzi do masowego wymierania w oceanach.

Pożary, huragany, powodzie, choroby tropikalne, i inne

Względem opisu z „niebieskiego scenariusza” najprostsze co można powiedzieć, to „problemy te będą się nasilać”. Nie oddaje to jednak powagi sytuacji. Zarówno ekosystemy jak i nasza infrastruktura funkcjonowały w pewnym zakresie zmienności klimatu/pogody. Wraz z wyjściem klimatu poza tą normę, znajdują się pod coraz większą presją: gdy zdarzenia sporadyczne, jak np. powódź, susza czy pożar „tysiąclecia”, przekraczające progi odporności, występują 10-krotnie częściej, jest to problematyczne, ale nie katastrofalne. Gdy stają się normą – ekosystem ulega destabilizacji (na przykład Amazonia stepowieje), a infrastrukturę trzeba przebudowywać na zupełnie inne warunki, a w skrajnej sytuacji ją opuścić (np. miasto nadbrzeżne niszczone po raz kolejny przez huragan czy tereny rolnicze przestające nadawać się do użytkowania).

Masowe migracje: Można powiedzieć, że migracje klimatyczne już się zaczęły Raport: Globalnie ocieplenie a rewolucja w Syrii. Jednak to, z czym mieliśmy dotychczas do czynienia, blednie w zestawieniu z tym, do czego możemy doprowadzić. Wielu ludziom wciąż wydaje się, że poważne konsekwencje zmiany klimatu nie będą miały miejsca za ich życia. Tymczasem to, co kiedyś było odległą abstrakcją gwałtownie przybliża się w czasie. Fizycznie zabójcze dla zwierząt stałocieplnych temperatury będą obejmować coraz większe obszary (patrz Mokry termometr a nasze przetrwanie, Kilka stopni, które „robi różnicę”, Nizina Chińska niezdatna do życia pod koniec stulecia?). W scenariuszu Biznes-jak-zwykle (RCP8.5) w przeciągu 50 lat tereny o średniej rocznej temperaturze przekraczającej 29°C (dotychczas panującej jedynie na niewielkich, niezamieszkałych obszarach Sahary), rozszerzą się na obszar zamieszkały przez 3,5 mld ludzi.

Skutki globalnego ocieplenia przekraczającego 4°C, długoterminowo

Większość analiz dotyczących zmiany klimatu ogranicza się do perspektywy 2100 roku. W rzeczywistości zmiana klimatu będzie postępować też w kolejnych stuleciach, prowadząc do jeszcze większego ocieplenia, nawet rzędu 10 lub więcej stopni.

Warto przypomnieć, że 4-6 stopni to różnica temperatury dzieląca znany nam świat od tego z maksimum epoki lodowej, tylko tym razem w drugą stronę, w 100-krotnie krótszej skali czasowej i w rzeczywistości, w której jesteśmy uzależnieni od trudnej do przenoszenia infrastruktury, a świat podzielony jest granicami państwowymi.

To świat, w którym nie będzie na Ziemi lądolodów, co w Polsce oznacza linię brzegową Bałtyku w okolicy Płocka i Zielonej Góry (tak, jak napisaliśmy w części dotyczącej ocieplenia o 4°C, skala czasowa tego procesu jest rzędu 1000 lat).

To świat ze stężeniem CO₂ w atmosferze na poziomie poważnie degradującym nasze zdolności rozumowania (Homo sapiens w świecie wysokich stężeń CO₂), migracje liczone w miliardach ludzi i załamanie się porządku światowego.

Zmiana klimatu w takiej skali i szybkości doprowadzi do napięć gospodarczych, społecznych i geopolitycznych, głęboko zmieniających nasz świat i praktycznie uniemożliwiających przewidzenie tego, co się wydarzy. Można spodziewać się, że niedobory wody, fale upałów i kryzysy żywnościowe będą nakładać się na siebie i przeplatać z innymi napięciami. W swoim raporcie z 2013 roku Bank Światowy konkluduje (Bank Światowy, 2013):

Fakt: Nie ma pewności, że adaptacja do świata cieplejszego o 4°C jest możliwa… do takiego ocieplenia po prostu nie możemy dopuścić.

Niebezpieczna przyszłość

Porównajmy obecną, antropogeniczną zmianę klimatu ze zmianami klimatu w przeszłości Ziemi. Na znajdujący się niżej wykres zmiany średniej temperatury powierzchni Ziemi od czasu maksimum ostatniej epoki lodowej (ok. 20 tys. p.n.e.) nałożyliśmy zmiany temperatury według prognozy scenariusza RCP8.5 z rys. 3.

Nasz wpływ dalece wykracza poza naturalną zmienność klimatu.

Ziemia epoki lodowej była inną planetą: gdzie indziej były strefy klimatyczne, pustynie i linia brzegowa. To był świat różniący się od znanego nam świata holocenu o 4-6°C; w scenariuszu RCP8.5 zmiana temperatury będzie 2-krotnie większa. Jesteśmy jednak dostosowani do obecnego klimatu, 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.

W scenariuszu wzrostu temperatury globalnej pokazanym na rysunku 17. destabilizujemy klimat naszej planety w skali i tempie bez precedensu w znanej nam geologicznej historii Ziemi, odtwarzając przy tym jakościowo zdarzenia wiązane z epizodami wielkich wymierań.

Tutaj można by opisać zdarzenia, które miały wtedy miejsce, oraz jak może to wyglądać tym razem. Osoby o mocnych nerwach znajdą te opisy w artykułach Klimat dawnych epok: Wielkie wymierania oraz Klimat przyszłości: wyprawa w nieznane.

To rzeczywistość tak odległa od tego, co widzimy za oknem, że aż wydaje się nierealna. Czy w ogóle możliwa? Cóż, do podobnych zdarzeń dochodziło już w przeszłości, a jeśli coś miało już miejsce, to oznacza to, że jest możliwe.

Co będzie dalej? Z naukowego punktu widzenia na pewno będzie ciekawie. 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 pisali:

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.

Marcin Popkiewicz, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon Malinowski

The post Skutki zmiany klimatu appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Najwięcej gazów cieplarnianych w atmosferze od milionów lat

Ten spektakularny wzrost koncentracji CO₂ jest przede wszystkim wynikiem emitowania go przez ludzkość do atmosfery przy okazji spalania węgla, ropy i gazu (patrz Mit: Dwutlenek węgla emitowany przez człowieka nie ma znaczenia). Nasze emisje CO₂ stanowią stałą nadwyżkę, zwiększającą ilość węgla w całym cyklu węglowym – a i tak jedynie około połowy naszych emisji pozostaje w atmosferze (prawie całość na tysiące lat w szybkim cyklu węglowym). Można też dodać, że za pomocą pomiarów satelitarnych bezpośrednio obserwujemy, gdzie źródła emisji się znajdują (patrz Satelitarne obserwacje stężeń, źródeł emisji i miejsc pochłaniania CO₂). Przekrojowe podsumowanie zgodności obserwacji z różnymi potencjalnymi przyczynami obserwowanego wzrostu stężenia CO₂ w atmosferze pokazuje rysunek 3.

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o pomiarach koncentracji gazów cieplarnianych, zajrzyj do artykułów:
Zmiany stężeń CO₂, CH₄ i N₂O w ostatnich 800 000 lat: antropocen na sterydach,
Emisje CO₂ dalej rosną – budżet węglowy 2018,
Paleoklimatologia: sekrety rdzeni lodowych,
Paleoklimatologia: CO₂ – jeśli nie rdzenie lodowe, to co?,
Mit: Dwutlenku węgla w atmosferze wcale nie przybywa,
Mit: Nie można mierzyć koncentracji CO₂ na Mauna Loa – przecież to wulkan.

Zaburzony bilans energetyczny planety

Ziemia otrzymuje energię od Słońca, przede wszystkim w postaci promieniowania widzialnego i bliskiej podczerwieni, sama zaś wypromieniowuje ją w kosmos w dalekiej podczerwieni (dokładniej przeczytasz o tym w tekście Efekt cieplarniany – jak to działa). W stabilnym stanie klimatycznym ilość energii pochłanianej i emitowanej przez planetę z definicji muszą się równoważyć. Tymczasem w ostatnich dekadach mierzymy za pomocą satelitów, że z Ziemi w przestrzeń kosmiczną ucieka coraz mniej promieniowania. Co więcej widzimy, że zjawisko to ma miejsce dla tych długości fal, które są absorbowane przez gazy cieplarniane, których koncentracje podwyższamy (dwutlenek węgla, metan i in). Wynik ten został potwierdzony przez dane z wielu różnych satelitów (patrz m.in. Harries i in., 2001, Chen i in., 2006, Allan i in., 2014, Brindley i Banges, 2016). To bezpośrednia obserwacja znaczącego nasilenia się efektu cieplarnianego Ziemi.

Fakt, że mniej energii ucieka w przestrzeń, jest potwierdzony przez pomiary prowadzone na powierzchni Ziemi, np.  obserwatoriach ARM. Wyniki jednoznacznie pokazują, że wzrasta natężenie promieniowania podczerwonego wracającego do powierzchni Ziemi z atmosfery, zgodnie z tym, czego spodziewamy się w rezultacie działania wzmocnionego efektu cieplarnianego (Feldman i in., 2015).

Globalne ocieplenia: akumulowanie się energii w ziemskim systemie klimatycznym

Skoro ziemski system klimatyczny opuszcza mniej energii niż do niego dociera, możemy spodziewać się kumulowania się w nim energii, czyli ogrzewania się. Obserwacje pokazują, że tak się dzieje (Wild i in., 2017), a 93% całości nadwyżki energii gromadzącej się w ziemskim systemie klimatycznym trafia do oceanów – ich energia termiczna rośnie w tempie 1,1·10²² J rocznie (Palmer 2017). Dlaczego nadwyżka energii gromadzi się przede wszystkim w  oceanie a nie w atmosferze? Masa atmosfery jest około 300 razy mniejsza niż masa oceanu, a pojemność cieplna 1200 razy mniejsza.  Dzięki temu,  wykorzystując tysiące autonomicznych boi pomiarowych systemu ARGO, mierzących temperatury wody w oceanach na różnych głębokościach, możemy monitorować dokładnie wzrost energii zawartej w systemie klimatycznym.

Jak szybki to wzrost? Najlepiej wyobrazić to sobie na przykładzie: gdybyśmy nagrzewali oceany za pomocą detonacji bomb atomowych, takich jak ta zrzucona na Hiroszimę w 1945 roku (o mocy 15 kiloton ekwiwalentu trotylu), to musielibyśmy detonować cztery takie bomby co sekundę, czyli blisko pół miliona dziennie.

Ziemia się nagrzewa. I wiemy dlaczego.

Z jednej strony obserwujemy sponad atmosfery zaburzenie bilansu radiacyjnego planety, związane z utrudnieniem  wypromieniowywania przez Ziemię energii w kosmos (rysunek 4), co jest bezpośrednim skutkiem wzrostu koncentracji gazów cieplarnianych w atmosferze. Z drugiej strony obserwujemy  akumulację energii wewnątrz ziemskiego systemu klimatycznego (rysunek 5). Jak się ma jedno do drugiego? Można to zobaczyć na ilustracji 2, na której żółta linia pokazuje 93% mierzonej za pomocą pomiarów satelitarnych nierównowagi radiacyjnej planety (co odpowiada akumulacji ciepła w oceanie). Jednym słowem TO WZROST ZAWARTOŚCI GAZÓW CIEPLARNIANYCH W ATMOSFERZE JEST POWODEM OBECNEGO GLOBALNEGO OCIEPLENIA. A rozliczne dowody pokazują jednoznacznie, że to ludzkie emisje są przyczyną tego wzrostu.

To, że to gazy cieplarniane są przyczyną ocieplenia możemy potwierdzić też za pomocą szeregu innych badań. Opisane wyniki zmian promieniowania są z bardzo wysoką dokładnością zgodne z tym, co przewiduje fizyka w związku ze wzrostem stężeń gazów cieplarnianych. Obserwujemy też, że ogrzewaniu się troposfery towarzyszy ochładzanie się górnych warstw atmosfery i spadek ich grubości. Trzeba podkreślić, że ocieplenie powierzchni Ziemi związane z gazami cieplarnianymi ma swoją unikalną sygnaturę. Inne  potencjalne przyczyny ocieplenia, takie jak wzrost aktywności słonecznej, zmiana aktywności wulkanów, promieniowanie kosmiczne czy wewnętrzne przepływy energii w ziemskim systemie klimatycznym (między oceanami a atmosferą) miałyby inne sygnatury, których nie obserwujemy. Podobnie jak wcześniej dla przyczyn wzrostu koncentracji CO₂, przeprowadźmy podsumowanie zgodności obserwacji z różnymi potencjalnymi przyczynami obserwowanego wzrostu temperatury.

W tym krótkim artykule przedstawiliśmy tylko niektóre dane pokazujące antropogeniczną naturę globalnego ocieplenia. Jest ich dużo więcej, a  zainteresowanych zapraszamy do zapoznanie się z nimi w książce „Nauka o klimacie”. A jeśli ktoś mówi, że „nie zna żadnych dowodów na to, że to emitowane przez nas gazy cieplarniane odpowiadają za globalne ocieplenie”?  Cóż, wystawia sobie świadectwo. Bo jeśli tak mówi to to oznacza to tylko jedno – że ON NIE ZNA tych dowodów, mimo że są łatwo dostępne i pochodzą z wielu niezależnych pomiarów i obserwacji.

Marcin Popkiewicz, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon Malinowski

The post Ziemia się nagrzewa. I wiemy dlaczego. appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Polecamy także poniższe wykłady na temat historii badań klimatu oraz znaczenia badań noblistów:

The post Historia badań klimatu appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Efekt cieplarniany

Naszą opowieść o globalnym ociepleniu zaczniemy od efektu cieplarnianego, czyli zjawiska podniesienia temperatury powierzchni planety ze względu na obecność w jej atmosferze gazów cieplarnianych. Średnia temperatura powierzchni Ziemi to ok. 14°C. Gdyby nie efekt cieplarniany, wynosiłaby ok. –20°C, a Ziemia byłaby skuta lodem aż po równik (to proste oszacowanie nie uwzględnienia efektu albedo lodu, czyli skuteczniejszego odbijania promieniowania słonecznego przez lód; gdyby to uwzględnić okazałoby się że rzeczywisty spadek temperatury byłby jeszcze większy).

Obecność gazów cieplarnianych w atmosferze podnosi średnią temperaturę powierzchni Ziemi o około 33°C w stosunku do sytuacji gdyby tych gazów nie było!

Efekt cieplarniany to zjawisko znane od dawna. Na początku XIX wieku, słynny brytyjski astronom William Herschel, prowadził obserwacje Słońca, posługując się różnego rodzaju filtrami. Zauważył, że filtr czerwony nagrzewa się bardziej niż inne. Zaintrygowany postanowił sprawdzić, jakie temperatury pokaże termometr umieszczany w świetle o różnych barwach. Do rozszczepienia światła słonecznego użył pryzmatu i ku swojemu zaskoczeniu odkrył, że termometr pokazuje podwyższoną temperaturę nie tylko wtedy, gdy pada nań światło widzialne, lecz także wtedy, gdy umieści się go na zewnątrz obszaru światła widzialnego po stronie czerwieni. To doprowadziło go do wniosku, że oprócz widzialnego promieniowania słonecznego istnieje także niewidzialne – później nazwane podczerwonym.

Promieniowanie podczerwone, sąsiadujące z czerwonym światłem widzialnym, nazywamy „bliską podczerwienią”, a to bardziej od niego odległe pod względem długości fali (lub ‘koloru’, o ile można tak powiedzieć odnośnie promieniowania, którego nie rejestrują nasze oczy) – „daleką podczerwienią” (patrz opis na rysunku 1).

20 lat po tym, jak Herschel odkrył, że ciepło jest przenoszone przez promieniowanie, francuski fizyk i matematyk, Józef Baptysta Fourier, przeprowadził pierwszą analizę bilansu energetycznego naszej planety. Obliczył, że temperatura powierzchni Ziemi jest wyższa, niż wynikałoby to bezpośrednio z dopływu energii słonecznej. Poszukując źródła tego efektu, sugerował że może być zań odpowiedzialne niewidzialne promieniowanie termiczne („chaleur obscure”) i że atmosfera ma własności izolacyjne, utrudniające ucieczkę ciepła w przestrzeń kosmiczną (to zjawisko nazywamy dziś „efektem cieplarnianym”).

Później przeprowadzono badania, w których zidentyfikowano gazy odpowiedzialne za to zjawisko (gazy cieplarniane). Nasza wiedza o mechanizmach kształtujących klimat planety była coraz większa.

Więcej na temat historii badań klimatu przeczytasz np. w cyklu Historia naukowa fizyki klimatu.

Bilans energetyczny domu

Aby zrozumieć, jak gazy cieplarniane wpływają na bilans energetyczny Ziemi oraz powodują globalne ocieplenie, rozważmy prosty przykład: ogrzewanie domu w chłodny dzień. Dom traci ciepło przez ściany (oraz dach, okna itd.), aby więc panowała w nim miła dla mieszkańców temperatura, należy dostarczać do niego energię, na przykład z ciepłowni do węzła cieplnego w piwnicy lub kablem do grzejnika elektrycznego.

Aby temperatura w domu była stała, system ogrzewania w domu musi dostarczać tyle samo energii, ile ucieka na zewnątrz (powiedzmy dla przykładu, że jest to 1 kW).

Dla dociekliwych: Oczywiście w praktyce sytuacja jest trochę bardziej złożona. Nawet przy ustalonym dopływie energii do domu, temperatury w różnych pokojach nie będą identyczne. Wiele zależy od tego, jak rozprowadzimy gorącą wodę po mieszkaniu, jak rozmieściliśmy grzejniki, jaka jest powierzchnia ścian zewnętrznych w konkretnych pomieszczeniach, czy w piwnicy mamy duży zbiornik, w którym gromadzimy ciepłą wodę. Ostatecznie można jednak przyjąć, że przy stałych warunkach, gdy powstrzymamy się od kręcenia zaworami (fizycy mówią „w stanie stacjonarnym”), po pewnym czasie ustali się rozkład przepływów ciepła i rozkład temperatur we wnętrzu.

Teraz wyobraźmy sobie, że dom pokrywamy błyskawicznie izolacją (przyszedł czarodziej, rzucił zaklęcie i dom został natychmiast ocieplony). Izolacja utrudnia ucieczkę ciepła (powiedzmy, że jej tempo spada z 1 kW do 0,5 kW). Jeśli do budynku będziemy dostarczać tyle samo ciepła co wcześniej (1 kW), to w budynku będzie kumulować się ciepło (ściślej – energia wewnętrzna) – będzie więc rosła temperatura. Stopniowo, w miarę wzrostu temperatury, między wnętrzem budynku a otoczeniem, będzie rosła różnica temperatur, co spowoduje wzrost tempa ucieczki ciepła na zewnątrz, aż w końcu osiągnie ono znów wartość 1 kW – tyle, że już przy cieplejszym wnętrzu budynku.

Grzejnik mamy ten sam – wciąż dostarcza 1 kW ciepła (rachunki pozostają więc niezmienione), ale komfort termiczny w budynku zmienił się wyraźnie: inaczej mieszka się w domu o temperaturze 20°C niż w domu o temperaturze 10°C.

Utrudnienie ucieczki ciepła, przy tym samym grzejniku, spowodowało wzrost temperatury w domu.

Dla dociekliwych: Inaczej będzie, gdy temperatura w domu wzrośnie wskutek zwiększonej dostawy ciepła z systemu grzewczego. Będzie można to stwierdzić zarówno na wlocie (np. mierząc zużycie prądu przez grzejnik elektryczny) jak i na wylocie – mierząc ile ciepła ucieka przez ściany, a nawet mierząc samą temperaturę zewnętrznej powierzchni ścian: będzie ona większa, niż przed wzrostem dostawy ciepła. W ten sposób nie znając nawet szczegółów budowy budynku i instalacji można łatwo poznać, czy ociepla się w środku z powodu zmian w dostawie ciepła z ciepłowni, czy wskutek zmiany izolacji. Można też, mierząc jedynie zmiany dostawy i ucieczki ciepła (nawet nie znając wielkości dostawy i ucieczki a jedynie ich zmiany!!!) stwierdzić, że wewnątrz budynku zmienia się temperatura i co jest jej przyczyną: czy zmiana w dostawie, czy zmiana w izolacji.

Po zapoznaniu się z przykładem pogrubienia izolacji domu nie powinniście mieć trudności z odpowiedzią na pytanie: dlaczego, gdy przykrywamy się kocem, robi nam się cieplej – przecież to tylko kawałek tkaniny, nie wydzielający żadnego ciepła?

Człowiek w spoczynku wydziela ok. 100 W ciepła (pracują serce, mózg i inne organy wewnętrzne). Nasze ciało stara się utrzymywać stałą temperaturę (jesteśmy zwierzętami stałocieplnymi). Gdy na zewnątrz jest zimno, jest to dla nas nieprzyjemne, a także niezdrowe lub w skrajnych przypadkach wręcz niebezpieczne. Przykrywając się kocem utrudniamy ucieczkę ciepła, podobnie jak w dobrze zaizolowanym domu – w rezultacie tracimy mniej energii niż wydzielamy, temperatura pod kocem więc wzrasta.

Nasz dom Ziemia

Czemu tak dokładnie opisaliśmy kwestie bilansu energetycznego i wpływu izolacji? Ponieważ ziemski system klimatyczny zachowuje się bardzo podobnie – globalne ocieplenie to podobna sytuacja co okrycie domu dodatkową izolacją. „Grzejnikiem” (dostarczycielem energii) jest oczywiście Słońce (dostawa ciepła od Słońca uśredniona w cyklu rocznym jest niemal stała, zmienność to ok. 0,1% w cyklach słonecznych o krótszym i dłuższym okresie); a nasz dom – Ziemia – w stabilnym stanie klimatycznym emituje w przestrzeń kosmiczną tyle samo energii co pochłania od Słońca.

Słońce jest gwiazdą, której powierzchnia jest rozgrzana do temperatury ponad 5000 stopni. Ciało o takiej temperaturze świeci (emituje energię) głównie w świetle widzialnym i bliskiej podczerwieni. Powierzchnia Ziemi jest dużo chłodniejsza i wypromieniowuje (emituje energię) w postaci fal elektromagnetycznych o dużo niższej energii, w zakresie dalekiej podczerwieni. To, jak promieniują ciała o takiej temperaturze, możemy stwierdzić, na przykład kierując na budynek czy człowieka kamerę rejestrującą promieniowanie podczerwone.

Jak widzimy na Rysunku 5, różne materiały mogą pochłaniać promieniowanie o różnych długościach fali. Na przykład znajdujące się w okularach szkło przepuszcza większość promieniowania widzialnego, pochłania zaś promieniowanie w dalekiej podczerwieni – z tego powodu okulary na zdjęciu z kamery termowizyjnej są ciemne. Szyby nie bez powodu robimy ze szkła – przepuszczając światło widzialne wpuszczają do budynku światło, pozwalają też widzieć, co jest na zewnątrz; pochłaniając zaś promieniowanie w dalekiej podczerwieni utrudniają ucieczkę ciepła i wychładzanie się pomieszczeń.

Gazy cieplarniane, czyli ziemska „izolacja”

Nasza planeta jest „przykryta” warstwą atmosfery, w której obecne są gazy cieplarniane. Obrazowo mówiąc, to takie gazy, które zachowują się jak szkło – przepuszczają promieniowanie emitowane przez Słońce (widzialne i w bliskiej podczerwieni), pochłaniają zaś promieniowanie emitowane z powierzchni naszej planety (w dalekiej podczerwieni). Zwiększanie ich zawartości w atmosferze nie zmienia ilości docierającego do powierzchni Ziemi promieniowania słonecznego, utrudnia za to ucieczkę w kosmos promieniowania podczerwonego emitowanego przez powierzchnię naszej planety.

Zanim na Ziemi pojawili się ludzie, a potem nasza planeta miała atmosferę z gazami cieplarnianymi – obrazowo mówiąc, nasz dom miał już swoją izolację. Dzięki temu naturalnemu efektowi cieplarnianemu średnia temperatura powierzchni Ziemi wynosiła ok. 14°C, a nie ok. -20°C, jak by było bez niego.

To, co dzieje się aktualnie z ziemskim systemem klimatycznym jest bliską analogią tego, co stało się w przypadkach ocieplenia domu lub przykrycia się kocem. Nasze emisje gazów cieplarnianych i postępujący za nimi wzrost ich zawartości w atmosferze odpowiadają ciągłemu, coraz szybszemu pokrywaniu domu kolejnymi warstwami izolacji lub przykrywania się kolejnymi kocami. W rezultacie na powierzchni Ziemi robi się coraz cieplej co prowadzi do występowania zjawiska jakim jest globalne ocieplenie.

Ponieważ izolacyjność ścian stale rośnie (stężenie głównych gazów cieplarnianych jest coraz wyższe), nasz dom – powierzchnia Ziemi – nie jest w stanie równowagi. I do tego oddala od tego stanu, bo tempo procesu „pogrubiania izolacji” narasta. I potrafimy to zmierzyć. Bilans energii jest dodatni. Średnio rzecz biorąc, z metra kwadratowego planety ucieka w kosmos ok. 0,6 W (Wata) mniej energii niż otrzymuje on od Słońca.

Nie trzeba być fizykiem atmosfery, żeby zrozumieć, jak działa globalne ocieplenie. Nie trzeba skomplikowanych badań ani tysięcy pomiarów. Żeby zrozumieć globalne ocieplenie, wystarczy codzienne doświadczenie i proste zrozumienie otaczającego nas świata. Już niemal 200 lat temu Józef Fourier potrafił nie tylko prosto zanalizować, że stanowiąca „izolację” naszej planety atmosfera ma olbrzymie znaczenie dla temperatury na jej powierzchni, ale i oszacować ten wpływ. Zwiększając „izolacyjność” atmosfery powodujemy, że na powierzchni Ziemi robi się cieplej. I to jest właśnie przyczyna zmiany klimatu.

Więcej o tym, skąd wzięło się współczesne globalne ocieplenie, przeczytasz w tekście Dlaczego klimat się zmienia?. Jeśli zaś chcesz dowiedzieć się więcej o samym efekcie cieplarnianym, polecamy artykuły: Efekt cieplarniany – ABC i Efekt cieplarniany – jak to działa oraz bardziej zaawansowany cykl artykułów Efekt cieplarniany dla średniozaawansowanych.

Marcin Popkiewicz, konstultacja merytoryczna: prof Szymon P. Malinowski

The post Globalne ocieplenie: wersja dla niewtajemniczonych appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.