Mit: Temperatura rośnie 'tylko logarytmicznie' z koncentracją CO2

Coraz wolniejszy wzrost temperatury w funkcji stężenia CO₂

Najbardziej uporczywe mity bazują na technicznie prawdziwych stwierdzeniach. Tak też jest i w tym przypadku.

Mówiąc o wzroście temperatury w reakcji na zwiększanie się ilości gazów cieplarnianych w atmosferze mamy na myśli całkowity wzrost średniej temperatury. Ponieważ obecnie ilość energii w ziemskim systemie klimatycznym zwiększa się, to także temperatura będzie wzrastać. Wzrost ten zatrzyma się dopiero w momencie, gdy bilans energetyczny Ziemi będzie zerowy, czyli Ziemia zacznie emitować tyle samo energii w przestrzeń kosmiczną, ile otrzymuje od Słońca. Wówczas ilość energii w systemie klimatycznym przestanie rosnąć.

Zarówno symulacje numeryczne modelami klimatu, jak i badania paleoklimatyczne oraz pomiary bezpośrednie pokazują, że w odpowiedzi na podwojenie się atmosferycznej koncentracji CO₂ (co odpowiada wymuszaniu radiacyjnemu 4 W/m²) Średnia temperatura powierzchni Ziemi wzrośnie najprawdopodobniej o około 3°C.

Wzrostowi koncentracji dwutlenku węgla z przedprzemysłowego poziomu 280 ppm do dwukrotnie większego poziomu 560 ppm będzie więc odpowiadał wzrost temperatury o ok. 3°C. Aby temperatura wzrosła o kolejne 3°C (czyli w sumie o 6°C), potrzebny będzie dalszy wzrost stężenia CO₂ w atmosferze z 560 ppm do 1120 ppm.

Liniowy wzrost temperatury w funkcji emisji

Czy można więc wyciągnąć z powyższego rozumowania wniosek, że tempo czekającego nas wzrostu temperatury będzie stopniowo spadać? Bynajmniej, w każdym razie nie, jeśli obecne trendy wzrostu emisji CO₂ utrzymają się. Aby dostrzec kluczowe zależności, przyjrzyjmy się związkowi pomiędzy naszymi skumulowanymi emisjami, a przewidywanym wzrostem temperatury z V raportu IPCC.

Wykres pokazuje, że temperatura rośnie prawie liniowo z ze wzrostem skumulowanych emisji. W przypadku scenariusza „biznes jak zwykle”, odpowiadającemu czerwonej ścieżce RCP8.5, wzrost temperatury z dekady na dekadę przyspiesza (co pokazują coraz dalej leżące od siebie kropki średnich wartości dla kolejnych dekad). Dlaczego tak jest i czy jest to zgodne z logarytmiczną zależnością wzrostu temperatury od stężenia CO₂ w atmosferze?

Podsumujmy kilka podstawowych faktów, na bazie których odtworzymy rysunek 1:

• Nie wszystkie nasze emisje CO₂ kumulują się w atmosferze – zostaje w niej jedynie około 45% naszych emisji. 
• Aby atmosferyczne stężenie CO₂ wzrosło o 1 ppm, w atmosferze musi przybyć 2,12 GtC.
• Zależność pomiędzy stężeniem CO₂ w atmosferze, a powodowanym przez niego wzrostem wymuszania radiacyjnego ma charakter logarytmiczny (Trzeci Raport IPCC – TAR, Tabela 6.2): RF = 5,35•ln (C/C₀), gdzie RF – wymuszanie radiacyjne wyrażone w W/m², C – koncentracja CO2 wyrażona w cząsteczkach na milion cząsteczek powietrza [ppm], C₀ – referencyjna koncentracja CO₂ wyrażona w cząsteczkach na milion cząsteczek powietrza (zwykle atmosferyczne stężenie CO₂ przed Rewolucją Przemysłową – 280 ppm).
• Podwojenie koncentracji CO₂ (wzrost wymuszenia radiacyjnego o 3,7 W/m²) powoduje wzrost temperatury o 3°C.

Poniżej znajduje się tabela z wynikami naszych obliczeń. Na przykład: jeśli od początku epoki przemysłowej do pewnego momentu wyemitowano 500 GtC (co odpowiada 1833 mld ton CO₂), w atmosferze pozostało 45% wyemitowanego CO₂, czyli 225 GtC. Spowodowało to wzrost koncentracji CO₂ w atmosferze o 225/2,12=106 ppm, czyli do poziomu 386 ppm. Takiemu stężeniu CO₂ odpowiada wzrost wymuszania radiacyjnego o 5,35•ln (386/280) = 1,72 [W/m²]. Oczekiwana w takim wypadku zmiana temperatury wyniesie więc 3•1,72/3,7=1,39 [°C].

Dokładność tego prostego modelu jest całkiem dobra (niebieska krzywa na rysunku 2).

Oczywiście taki model jest bardzo uproszczony. Zakłada on stały współczynnik (45%) pozostającego w atmosferze CO_2. Jeśli wzrost emisji dwutlenku węgla byłby bardzo szybki, oceany i lądy nie nadążałyby z jego absorbowaniem. W ten sposób w atmosferze zostawałoby więcej CO₂. Według Jones i in., 2013, dla scenariusza RCP8.5 w latach 2006-2100 w atmosferze pozostanie aż 69% naszych emisji (choć stopień niepewności jest duży). Spowoduje to podniesienie prawej części krzywej i wyprostowanie jej. W naszym modelu użyliśmy też temperatury równowagowej, podczas gdy rzeczywista temperatura, ze względu na inercję termiczną systemu klimatycznego będzie niższa. Jeśli uwzględnić to w naszym modelu, przyjmując wzrost współczynnika pozostającego w atmosferze CO₂ z 45% (do 500 GtC skumulowanych emisji) do 66% (dla 2000 GtC) oraz przyjąć obserwowane odchylenie temperatury jako 80% temperatury równowagowej, to otrzymamy zależność jak poniżej:

Tak więc jakościowo rzecz biorąc odtworzyliśmy trajektorię, którą podążać będzie wzrost temperatury w miarę wzrostu naszych skumulowanych emisji, odpowiadającą prawie liniowemu wzrostowi temperatury o 1°C na każde wyemitowane 500 GtC.

To, jakim tempie temperatura będzie rosnąć, zależy więc głównie od tempa emisji.

Wykładniczo przyspieszający wzrost temperatury w czasie

Trwające już od pokoleń emisje dwutlenku węgla da się wyrazić za pomocą funkcji wykładniczej, czyli takiej, w której emisje rosną o stały procent rocznie. Zwróćmy uwagę, że oznacza to coraz szybszy wzrost (na tej samej zasadzie, przy stałym oprocentowaniu na lokacie, przy kolejnych kapitalizacjach odsetek dostajemy coraz wyższe kwoty). Na rysunku 4 na historyczne emisje CO₂ nałożono funkcję wykładniczą rosnącą o 2,8% rocznie.

Wzrost wykładniczy w tempie 2,8% rocznie oznacza podwojenie ilości dwutlenku węgla wyemitowanego do atmosfery w ciągu 25 lat. Po 50 latach emisje są czterokrotnie większe niż na początku, po 75 latach 8-krotnie większe, a po 100 latach 16-krotnie większe. W ciągu ostatniego ćwierćwiecza wyemitowaliśmy tyle dwutlenku węgla, co od początku Rewolucji Przemysłowej do lat 80. XX wieku. A ściślej, w ciągu 27 lat od 1986 do 2012 roku wyemitowaliśmy więcej CO₂, niż od 1751 do 1985 roku (CDIAC). Kontynuacja tego scenariusza oznaczałaby, że od roku 2010 do 2050 emisje wzrosną trzykrotnie, do poziomu rzędu 100 mld ton CO₂ rocznie.

Jeśli tempo wzrostu emisji utrzyma się, w każdej nadchodzącej dekadzie emitować będziemy więcej CO₂ niż w poprzedniej , tym samym coraz szybciej przesuwając się na rysunku 1 w prawo (i w górę).

Jeśli postanowimy spalić całe światowe zasoby paliw kopalnych, zrealizujemy scenariusz emisji RCP8.5.

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 2100 roku, co możemy z łatwością odczytać z rysunku 1. Oczywiście wzrost temperatury nie zatrzyma się 31 grudnia 2100. Śledząc emisje w scenariuszu RCP8.5 w kolejnym stuleciu, obie osie rysunku 1 należałoby rozciągnąć mniej więcej dwukrotnie. Symulacje (Meinshausen i in., 2011) przewidują w takim przypadku wzrost temperatury do 2200 roku o blisko 8°C.

Świat przed nami

Jeśli nie zmienimy toru, po którym podąża światowa gospodarka (zrealizujemy scenariusz „biznes-jak-zwykle”), możemy oczekiwać wykładniczego wzrostu emisji i przyśpieszonego ocieplenia – nawet pomimo tego, że zależność pomiędzy stężeniem CO₂ i temperaturą jest, jak podkreślają ‘sceptycy’, ‘zaledwie’ logarytmiczna.

Wystarczy rzut oka na rysunek 1, by stwierdzić, że jeśli chcemy na poważnie myśleć o ograniczeniu wzrostu temperatury poniżej 2°C, to powinniśmy ograniczyć sumaryczne emisje do około 1000 GtC (3666 mld ton CO₂).

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