Mit: Człowiek odpowiada jedynie za 0,6% efektu cieplarnianego

Artykuł profesorów Marksa i Pieli (opublikowany w czasopiśmie popularnym, a nie recenzowanej literaturze naukowej) zaczyna się od uświadomienia wszystkim zajmującym się badaniami klimatu naukowcom, że są ukrywającymi prawdę oszustami, a proponowane rozwiązania redukcji emisji są inspirowane „nienawiścią do rodzaju ludzkiego jako takiego”. W najlepszym razie zaś zajmujący się badaniem klimatu naukowcy są krańcowo niekompetentni, bo nie uwzględniają w swoich rozważaniach pary wodnej i nie wiedzą, że nasze emisje CO₂ to tylko ułamek naturalnych. Rozumowanie autorów tylko pozornie może wydawać się logiczne, ponadto tylko osobie nie zaznajomionej z działaniem cyklu węglowego i mechanizmami działania efektu cieplarnianego.

Wygrani i przegrani

Przedstawione w artykule „Walka ze zmianą klimatu, czyli ‘czarna przegrywa, czerwona wygrywa’” stanowisko prof. Leszka Marksa i Lucjana Pieli skomentowali w kolejnym numerze „Pisma uczelni” (s. 32-33) prof. Krzysztof Haman, prof. Szymon P. Malinowski i dr Iwona Stachlewska z Instytutu Geofizyki Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, pisząc:

„Autorzy zauważają, że emisja antropogeniczna CO₂ stanowi jedynie 1/30 emisji tego gazu ze źródeł naturalnych, a całość emisji (naturalnej i antropogenicznej) jest kompensowana dzięki absorpcji CO₂ przez lądy, oceany i roślinność w taki sposób, że „ustala się niemal stan stacjonarny” (tzn. niezmienny w czasie). Następnie autorzy wyciągają wniosek, że emisja antropogeniczna CO₂ odpowiada za 0,18 x 1/30 = 0,006 efektu cieplarnianego. Rozumowanie to nie ma sensu fizycznego, ponieważ w rachunku tym mnożone są liczby odnoszące się do różnych wielkości. Za efekt cieplarniany w części zależnej od CO₂ odpowiada bowiem aktualna zawartość tego gazu w atmosferze, a nie wielkość jego chwilowej emisji. W rezultacie wynik 0,006 nie informuje ani o tym za jaką część przyrostu efektu cieplarnianego odpowiada antropogeniczna emisja CO₂, ani o ile mogłaby ona ewentualnie powiększyć ten efekt.”

Należy podkreślić, że naukowcy zajmujący się klimatem przeprowadzili cały szereg analiz, z wykorzystaniem różnorodnych metod, aby wyodrębnić wpływ poszczególnych zjawisk naturalnych i antropogenicznych na globalne ocieplenie. Wszystkie z tych badań, przy użyciu szerokiego zakresu niezależnych metod, dostarczają wielu linii dowodów, świadczących, że globalne ocieplenie na przestrzeni ostatnich dekad jest powodowane przez ludzi (Rysunek 1).

Zgodność między wynikami analiz korzystających z różnorodnych metod badań jest godna uwagi. Wkład człowieka w ocieplenie jest dominujący. Większość analiz pokazuje, że jest to ponad 100%, ponieważ czynniki naturalne w ostatnich dziesięcioleciach najprawdopodobniej powodują ochłodzenie.

Najnowszy, V raport IPCC stwierdza, że jest niezwykle prawdopodobne (czyli z prawdopodobieństwem przekraczającym 95%), że to człowiek w sposób dominujący wpłynął na obserwowane od połowy XX wieku ocieplenie. W dalszej części artykułu wyjaśnimy, dlaczego nasz wpływ na klimat jest tak duży, a podawana przez prof. Leszka Marksa i Lucjana Pielę wartość wzmocnienia efektu cieplarnianego o 0,6% jest zupełnie oderwana od podstaw naukowych. Więcej: Mit: Ociepla się z przyczyn naturalnych

Czy skoro nasze emisje to tylko ułamek naturalnych, to są one bez znaczenia?

Nasze emisje to około 5% (a więc 1/20) naturalnych, czyli pochodzących ze źródeł takich jak ocean czy rośliny (kilkanaście lat temu rzeczywiście było to około 1/30, ale od tego czasu wzrosły). Jak to pogodzić z obserwacjami pokazującymi, że to, co dzieje się obecnie, jest zupełnie bezprecedensowe? W ciągu setek tysięcy lat i kolejnych epok lodowcowych koncentracja dwutlenku węgla w atmosferze oscylowała w zakresie 180-300 ppm (patrz Mit: To ocieplenie powoduje wzrost koncentracji CO₂, a nie na odwrót). Obecna koncentracja jest bliska 400 ppm i rośnie wyjątkowo szybko, w tempie 2 ppm rocznie.

Zmiany stężenia CO₂ w atmosferze możemy też obejrzeć na poniższej, przygotowanej przez NOAA animacji:

Tak dużej ilości dwutlenku węgla jak obecnie nie było w atmosferze od kilku (IPCC), a może nawet kilkunastu milionów lat (Tripati 2009). To raczej nie przypadek.

Aby zrozumieć ten pozorny paradoks, przyjrzyjmy się cyklowi krążenia węgla w przyrodzie i zmianom, jakie do tego cyklu wprowadzamy.

Węgiel krąży między wielkimi zbiornikami: biosferą, glebą, skałami, wodami, atmosferą Ziemi i osadami (w tym paliwami kopalnymi). Sumaryczna ilość węgla krążącego w tym cyklu węglowym nie zmienia się w krótkich skalach czasowych. Źródła naturalne równoważą się – oceany emitują 90,6 mld ton, a pochłaniają 92,2 mld ton, rośliny i gleba emitują 119,6 mld ton, a pochłaniają 122,6 mld ton (zaraz wyjaśnimy, dlaczego pochłanianie jest większe od emisji). Nasza emisja stanowi stałą nadwyżkę, gromadzącą się w atmosferze, co widać w danych pomiarowych wykazujących stały wzrost stężenia CO₂.

Osoby zaprzeczające naszemu wpływowi na wzrost atmosferycznej koncentracji dwutlenku węgla argumentują m.in., że „sami Chińczycy wydychają więcej CO₂, niż emitują wszystkie polskie elektrownie, samochody i fabryki”. Liczby się zgadzają, ale logika – już niekoniecznie. Skąd Chińczyk wziął węgiel, który wydycha z dwutlenkiem węgla? Z jedzenia – z rośliny, którą zjadł (albo ze zwierzaka, który zjadł roślinę). A skąd ten węgiel wzięła roślina? Z atmosfery. A więc węgiel z atmosfery trafił do rośliny, potem do Chińczyka, a na koniec powrócił do atmosfery, gdzie był na samym początku. Bilans całej tej operacji wynosi ZERO.

A skąd bierzemy paliwa kopalne? Wydobywając je spod ziemi i spalając, wpuszczamy błyskawicznie do cyklu węglowego zasoby węgla usuwane z niego przez naturę przez dziesiątki i setki milionów lat. Można to porównać do długotrwałego zbierania w sztucznym zbiorniku wody, którą potem gwałtownie wypuszczamy, wysadzając tamę w powietrze.

Zbiornik paliw kopalnych jest bardzo duży, sięga 4000 mld ton węgla (a może więcej), przekraczając łączną ilość węgla w atmosferze, glebach, roślinności i powierzchniowych warstwach oceanu. Jeśli spalimy całość paliw kopalnych, drastycznie zwiększymy ilość węgla krążącego w cyklu węglowym.

Wbrew temu, co piszą prof. Leszek Marks i Lucjan Piela, nasza nadwyżka emisji ma więc znaczenie i prowadzi do bezprecedensowo szybkich zmian w składzie atmosfery. Więcej Mit: Dwutlenek węgla emitowany przez człowieka nie ma znaczenia.

A co z parą wodną?

Dlaczego tyle miejsca poświęcamy dwutlenkowi węgla, a pomijamy kwestię pary wodnej, która, jak podkreślają profesorowe Marks i Piela odgrywa niebagatelną rolę w efekcie cieplarnianym? To prawda, że para wodna odpowiada za większość efektu cieplarnianego. Jednak para wodna to bardzo szczególny gaz, który bardzo szybko dostosowuje swoją zawartość w atmosferze do innych czynników, takich jak temperatura czy ciśnienie. Woda trafia do powietrza przez parowanie, którego tempo zależy od temperatury oceanu i powietrza, zgodnie z równaniem Clausiusa-Clapeyrona. Kiedy powietrze zawiera zbyt dużo pary wodnej, zamienia się ona w krople i spada na Ziemię w postaci deszczu. Kiedy jest sucho, woda paruje i wilgotność rośnie. Skala czasowa tego procesu jest liczona w dniach. Ilość wody, którą może pomieścić powietrze, bardzo silnie zależy od temperatury – w wysokiej temperaturze atmosfera może pomieścić dużo pary wodnej, w niskiej – bardzo mało. Choć jest ona najsilniejszym gazem cieplarnianym, to jej ilość w atmosferze bardzo mocno zależy od innych czynników, szczególnie temperatury.

Nie dotyczy to innych gazów cieplarnianych, których czas życia w atmosferze jest liczony w setkach czy nawet setki tysięcy lat. Para wodna dostosowuje się do działania innych czynników – powoduje to, że zmiany jej ilości w atmosferze nie są przyczyną ocieplania się klimatu, lecz następstwem.

Para wodna odpowiada za największe dodatnie sprzężenie w systemie klimatycznym (Soden 2005). Jest też kluczową przyczyną, dla której średnia temperatura Ziemi jest tak wrażliwa na zmiany CO₂. Gdy z jakiegokolwiek powodu (np. wzrostu zawartości CO₂ czy CH₄ w powietrzu) podniesie się temperatura powierzchni Ziemi, to zwiększa się parowanie. Powietrze zawiera coraz więcej cząsteczek wody, a ponieważ para wodna jest gazem cieplarnianym, wzmaga się efekt cieplarniany, co z kolei powoduje wzrost parowania. W ten sposób efekt działania długo żyjących gazów cieplarnianych (np. CO₂) zostaje wzmocniony.

Można by pomyśleć, że gdyby usunąć inne gazy cieplarniane, to sama para wodna zapewniłaby większość efektu cieplarnianego. Tak jednak byłoby tylko przy założeniu, że jej ilość w atmosferze pozostanie na niezmienionym poziomie. Gdyby jednak usunąć wpływ innych, długo żyjących gazów cieplarnianych, temperatura spadłaby o około 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?

Odpowiedzi na to pytanie dostarczył zespół naukowców z Instytutu Badań Kosmicznych NASA im. Goddarda, który przeprowadził symulację zachowania klimatu Ziemi po usunięciu z niej wszystkich długo żyjących gazów cieplarnianych. W tej 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? Przyczyną był odbijający światło lód, który pokrył powierzchnię planety. Rezultatem usunięcia z atmosfery długo żyjących gazów cieplarnianych okazuje się nawet nie epoka lodowcowa, lecz wręcz pokryta lodem Ziemia-śnieżka (Lacis i in., 2010).

Jak bardzo obecność pary wodnej wzmacnia efekt cieplarniany CO₂? Bez pary wodnej, podwojenie poziomu dwutlenku węgla ogrzałoby Ziemię o trochę ponad 1°C. Obecność wody i dodatnie sprzężenie pary wodnej dwukrotnie zwiększa ocieplenie będące rezultatem podwojenia koncentracji CO₂. Uwzględniając inne sprzężenia (takie jak zmniejszanie albedo Ziemi – czyli wzrost powierzchni ciemnych, pochłaniających światło – przy topnieniu lodu czap polarnych), całkowite ocieplenie przy podwojeniu CO₂ wynosi około 3°C (Held 2000).

Zarówno teoria, jak i obserwacje oraz symulacje klimatu wskazują, że każdy stopień Celsjusza ocieplenia dolnej atmosfery skutkuje wzrostem zawartości pary wodnej w atmosferze o 6 do 7,5%. Obserwowane zmiany temperatury, wilgotności i cyrkulacji atmosferycznej są zgodne z prawami fizyki. Kiedy sceptycy nazywają parę wodną głównym gazem cieplarnianym – mają rację. Jednak zapominają, że para wodna odpowiedzialna jest za dodatnie sprzężenie zwrotne, które tak bardzo uwrażliwia nasz klimat na zmiany koncentracji CO₂ w powietrzu. Więcej: Mit: Para wodna jest najważniejszym gazem cieplarnianym.

Jak na wzrost stężenia CO₂ zareaguje klimat?

Na to pytanie możemy odpowiedzieć na wiele sposobów, nie tylko za pomocą modeli, ale też na podstawie obserwacji i wiedzy o przeszłości zmian klimatu. Aby to zrobić, trzeba znaleźć okres czasu, dla którego mamy dane dotyczące temperatury powietrza i dane o wymuszeniach. Rysunek 5 pokazuje podsumowanie recenzowanych prac naukowych, które określiły czułość klimatu na podstawie zmian klimatu w przeszłości (Knutti i Hegerl 2008, [pełna wersja]). Użyto w nich danych dla różnych epok oraz różnych metody analizy.

Jakie płyną z nich wnioski? Wszystkie dają spójny przedział czułości klimatu, z najbardziej prawdopodobną wartością 3°C przy podwojeniu ilości CO₂. Więcej: Mit: Czułość klimatu na zmiany stężenia dwutlenku węgla jest bardzo mała. Reakcja klimatu na nasze działania jest oczywiście określona z pewnym stopniem niepewności. Nie jest to jednak największa niepewność towarzysząca przewidywaniom przyszłego toku wydarzeń.

Przyjrzyjmy się skrajnym scenariuszom emisji rozważanym przez IPCC w raporcie AR5 z 2013 roku. Co będzie, jeśli skutecznie uprzemy się spalić wszystko, co się da, na przykład realizując scenariusz emisji RCP8.5 (podkręcamy emisję CO₂ z obecnych ponad 30 mld ton rocznie do 100 mld i utrzymujemy tak długo, dopóki nie wydobędziemy i spalimy wszystkich paliw kopalnych?

Tak wysokie emisje jak w scenariuszu RCP8.5 wprowadzą do cyklu węglowego ilość węgla wystarczającą do podniesienia średniej temperatury powierzchni Ziemi o ponad 4°C od dziś do końca obecnego stulecia… i o 8°C kolejne sto lat później (Meinshausen i in., 2011). Jeśli chcemy na poważnie myśleć o ograniczeniu wzrostu temperatury poniżej 2°C, to powinniśmy zrealizować skrajnie optymistyczny scenariusz RCP3-PD, w którym emisje w II połowie XXI wieku spadają poniżej zera (to znaczy, że będziemy aktywnie i na wielką skalę prowadzić działania w celu usuwania CO₂ z atmosfery).

Patrząc na ten wykres, można powiedzieć, że istnieje wielki stopień niepewności. Jednak główna niepewność jest związana z tym, co zrobi ludzkość. Jeśli zdecydujemy się spalić wszystkie paliwa kopalne, 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 kilkanaście stopni.

Czekając, automatycznie wybieramy scenariusz RCP8.5, a nie scenariusz mniejszych emisji gazów cieplarnianych (i wzrostu temperatury). W scenariuszu emisji RCP3-PD, nawet gdyby czułość klimatu okazała się najwyższa z możliwych, wzrost temperatury w 2300 roku i tak nie przekroczyłby 1,7°C.

Aby zobaczyć, na ile to, co robimy, jest istotne, warto porównać obecną, antropogeniczną, zmianę klimatu ze zmianami klimatu w przeszłości Ziemi. Spalając wszystkie paliwa kopalne, zrealizujemy scenariusz jak poniżej:

W takim wypadku w przeciągu dwóch stuleci temperatura powierzchni Ziemi wzrośnie o 8°C. Katapultujemy się ze stabilnego klimatu Holocenu, po drodze miniemy maksymalne temperatury ciepłych okresów interglacjalnych z ostatniego miliona lat (+1,5°C), klimat Pliocenu z ostatnich kilku milionów lat (+3°C), klimat z eocenu (+4°C) i nawet ten z ery dinozaurów (+5°C).

Wbrew temu, co piszą profesorowie Leszek Marks i Lucjan Piela nasze działania robią różnicę. Ze względu na bezwładność systemu klimatycznego, im dłużej czekamy, tym poważniejsze konsekwencje będą – działać trzeba jak najszybciej. Na rysunku 7 pokazane są dwa – radykalnie różne scenariusze emisji. W scenariuszu RCP8.5 wykładniczo zwiększamy spalanie paliw kopalnych, a w scenariuszu RCP3-PD natychmiast podejmujemy radykalne działania. Tymczasem, z punktu widzenia wzrostu temperatury, ich następstwa stają się rozróżnialne dopiero w połowie XXI wieku. Recepta „czekajmy, aż zmiana klimatu stanie się ewidentnie groźna” jest przepisem na poważne problemy.

Marcin Popkiewicz, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon P. Malinowski