Mit: Nadmiar dwutlenku węgla nie powoduje ocieplania klimatu

O tym, jak dwutlenek węgla pochłaniania i emituje promieniowanie podczerwone, wiemy już od ponad stu pięćdziesięciu lat. Pierwszym, który zmierzył te własności w warunkach laboratoryjnych był John Tyndall, który w 1861 roku opublikował podstawową pracę na ten temat. Zjawisko badano dokładnie w licznych eksperymentach, zajmowali się tym między innymi Herzberg 1953, Burch 1962, Burch 1970, etc. Liczne doświadczenia w tym zakresie prowadzono w czasie Zimnej Wojny w laboratorium Sił Powietrznych w USA (motywowane m.in. budową rakiet, samonaprowadzających się na źródła emisji podczerwieni). Na podstawie tych badań powstała dostępna dziś dla wszystkich, zarządzana przez Uniwersytet Harvarda, baza danych HITRAN, zawierająca informacje o własnościach radiacyjnych gazów atmosferycznych, wykorzystywana przez inżynierów, fizyków i astronomów. Istnieje nawet specjalne czasopismo naukowe Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, publikujące najnowsze wyniki szczegółowych badań w tym obszarze.

Efekt cieplarniany wiąże się z tym, że atmosfera, w tym gazy cieplarniane, jest przeźroczysta dla promieniowania słonecznego (zwanego w języku fizyków promieniowaniem krótkofalowym). Dzięki temu dociera ono do powierzchni Ziemi i jest przez nią absorbowane. Pochłaniana energia promieniowania krótkofalowego powoduje ogrzanie powierzchni, dzięki czemu rośnie jej temperatura a w rezultacie także emisja (z tej powierzchni w górę) promieniowania podczerwonego (zwanego przez geofizyków długofalowym). Promieniowanie to jest absorbowane selektywnie (w pewnych obszarach długości fal) przez obecne w powietrzu gazy cieplarniane, dzięki czemu z kolei ogrzewa się atmosfera. Cieplejsza atmosfera sama emituje promieniowanie długofalowe (podczerwone) – częściowo w kosmos, a częściowo w stronę Ziemi. W efekcie do powierzchni Ziemi dociera dodatkowe promieniowanie podczerwone, które jest przez nią pochłaniane, co dalej podnosi jej temperaturę. Właśnie to nazywamy efektem cieplarnianym.

Wzrost koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze powoduje silniejsze pochłanianie podczerwieni emitowanej z powierzchni Ziemi w długościach fal, które gaz ten absorbuje, a w efekcie spadek ilości tego promieniowania uciekającego w przestrzeń kosmiczną. Jednocześnie ogrzanie dolnych warstw atmosfery powoduje wzrost strumienia promieniowania podczerwonego emitowanego w kierunku Ziemi.

Satelitarne pomiary uciekającego w kosmos promieniowania długofalowego

W roku 1970 NASA umieściła na orbicie okołoziemskiej satelitę IRIS, który mierzył promieniowanie podczerwone w zakresie długości fali 6,25-25 mikronów co odpowiada tzw. liczbom falowym 400-1600 cm^-1. 26 lat później podobny przyrząd wysłała w przestrzeń kosmiczną Japońska Agencja Kosmiczna JAXA. Porównanie pomiarów wykonanych w różnych okresach pozwoliło zaobserwować zmiany w promieniowaniu długofalowym emitowanym z Ziemi w przestrzeń. Różnice przedstawiono na wykresie poniżej.

Zaobserwowano spadek natężenia promieniowania uciekającego w kosmos w zakresie długości fal absorbowanych przez gazy cieplarniane, m. in. dwutlenek węgla czy metan. Spadek ten jest zgodny z obliczeniami teoretycznymi.

W późniejszych latach przeprowadzono analogiczne badania, z wykorzystaniem nowszych danych pomiarowych: z satelitów NASA AIRS (wystrzelonego w roku 2003, Griggs i in., 2004), oraz AURA (w ramach misji rozpoczętej w 2004 roku, Chen i in., 2007). We wszystkich przypadkach stwierdzono, że wyniki pomiarów odpowiadają zmianom wskutek wzrostu koncentracji gazów cieplarnianych w atmosferze. Cytowane prace podają dowody empiryczne na to, że wzrost koncentracji gazów cieplarnianych (w tym CO₂) w atmosferze powoduje nasilenie efektu cieplarnianego.

Pomiary promieniowania długofalowego atmosfery docierającego do powierzchni Ziemi

Jak wynika z wielu pomiarów, rośnie natężenie promieniowania długofalowego (podczerwonego) padającego na powierzchnię Ziemi. Pokazują to np. analizy danych z lat 1973-2008 zebrane w pracy Wang i in., 2009. Także wiele badań regionalnych – np. prowadzone w środkowych Alpach (Philipona i in., 2004) – pokazuje związany z nasilonym efektem cieplarnianym wzrost natężenia docierającego do Ziemi promieniowania podczerwonego. Analiza widmowa tego promieniowania pozwala zidentyfikować, jakie gazy odpowiedzialne są za efekt cieplarniany (Rysunek 3).

Zasada zachowania energii

Od czasu kiedy Joseph Fourier, analizując bilans energii naszej planety, pokazał istnienie i znaczenie efektu cieplarnianego, naukowcy badają szczegóły tego bilansu. Jeden z ostatnich przykładów to artykuł z roku 2011 pod tytułem Anthropogenic and natural warming inferred from changes in Earth’s energy balance (Antropogeniczne i naturalne ocieplenie na podstawie zmian bilansu energetycznego Ziemi), opublikowany przez pracujących na Politechnice w Zurychu szwajcarskich naukowców Marcusa Hubera i Reto Knuttiego. Autorzy odpowiedzieli w nim na pytanie, za jaką część energii gromadzonej w ostatnich latach w naszym systemie klimatycznym odpowiadają poszczególne czynniki kształtujące klimat oraz gdzie ta energia jest magazynowana.

Rysunek 4 przestawia zmiany średniej temperatury powierzchni Ziemi obliczone z uwzględnieniem tylko wymuszeń naturalnych (zmiany aktywności słonecznej, zmiany orbity, wybuchy wulkanów – linia niebieska), antropogenicznych (gazy cieplarniane, aerozole – linia czerwona) oraz jednych i drugich naraz (linia szara). Jak widać, tylko uwzględnienie obydwu grup pozwala na wyjaśnienie obserwowanego wzrostu temperatur (linia czarna), a w ostatnich kilkudziesięciu latach dominują czynniki antropogeniczne.

Rysunek 5 przedstawia wymuszenia antropogeniczne i naturalne w podziale na składowe, pokazując znaczenie poszczególnych procesów dla ocieplenia od roku 1850 (Rysunek 5a), od roku 1950 (Rysunek 5b) oraz w ociepleniu prognozowanym na lata 2000-2050, w oparciu o scenariusz emisji „biznes jak zwykle” (IPCC SRES A2), czyli zakładający wykładniczy wzrost PKB i wydobycia paliw kopalnych (Rysunek 5c).

Jak widać, Huber i Knutti stwierdzili, że gazy cieplarniane mają znaczący wkład w ocieplenie klimatu od roku 1850, a aerozole w istotny sposób chłodzą klimat. Wyniki obliczeń pokazują, że gdyby nie aerozole, gazy cieplarniane spowodowałyby wzrost średniej temperatury globalnej o ok. 1,31°C. Chłodzący wpływ bezpośredniego i pośredniego wymuszania aerozolowego wynosi około -0,85°C. Zmiany związane z wahaniami koncentracji ozonu troposferycznego i ilości promieniowania słonecznego mają zbliżone wartości, rzędu 0,2°C. Ozon, para wodna w stratosferze, węgiel organiczny i sadza w niewielkim stopniu wpływają na zmiany temperatury.

Od lat 50. XX wieku gazy cieplarniane odpowiadają już za ok. 165% obserwowanego ocieplenia powierzchni (0,85°C). Wynik przekracza 100% ze względu na efekt aerozolowy, obniżający temperatury o ok. 0,45°C. Cytując autorów:

Z prawdopodobieństwem ponad 95% ocieplenie powodowane w drugiej połowie dwudziestego wieku przez gazy cieplarniane było większe niż obserwowany wzrost średnich temperatur, a dominującą rolę odegrały w nim wymuszenia związane z działalnością człowieka. Wymuszenia naturalne od roku 1950 są bliskie zeru.

Wniosek

Mamy liczne bezpośrednie dowody eksperymentalne na to, że wzrastająca koncentracja dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych powoduje nasilenie efektu cieplarnianego. Wyniki pomiarów laboratoryjnych informują nas szczegółowo, jak dwutlenek węgla, metan i inne gazy absorbują promieniowanie podczerwone. Pomiary satelitarne potwierdzają spadek ilości promieniowania długofalowego uciekającego w kosmos w tych przedziałach widmowych, w których zachodzi absorpcja promieniowania przez gazy cieplarniane. Pomiary na powierzchni Ziemi wykazują wzrost natężenia promieniowania zwrotnego atmosfery w tych samych przedziałach widmowych. Rezultatem jest gromadzenie ciepła w systemie klimatycznym w ciągu ostatnich lat.

Aleksandra Kardaś na podstawie Skeptical Science, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon P. Malinowski