Zmiany klimatu kiedyś i dziś – w 80 lat do klimatu z czasów dinozaurów?

W atmosferze bywało już kiedyś znacznie więcej CO₂ niż obecnie. Znajdujący się w ziemskiej atmosferze dwutlenek węgla (CO₂) to silny gaz cieplarniany, utrudniający ucieczkę ciepła w przestrzeń kosmiczną i zapewniający sprzyjające życiu warunki na naszej planecie, a zmiany jego stężenia są ważnym czynnikiem wpływającym na ewolucję klimatu Ziemi w geologicznych skalach czasu (setki tysięcy do milionów
lat). Jak wyglądały zmiany klimatu w przeszłości a jak wyglądają dziś?

Emitując dwutlenku węgla do atmosfery zwiększamy jego stężenie i wzmacniamy efekt cieplarniany. Czy, skoro w przeszłości geologicznej Ziemi w atmosferze bywało znacznie więcej CO₂, nasze obecne działania rzeczywiście mogą prowadzić do bezprecedensowej zmiany klimatu? Czy możemy dowiedzieć się czegoś na ten temat badając
przeszłość?

Rekonstruowanie stężenia CO₂ w odległej przeszłości to złożony proces. W przypadku ostatnich 800 tysięcy lat sprawa jest stosunkowo prosta. Mamy próbki dawnego powietrza uwięzionego w bąbelkach w lądolodzie i możemy po prostu wykonać pomiar. Dla wcześniejszych okresów musimy polegać na metodach pośrednich, określanych mianem „proksy”. Lista wykorzystywanych w badaniach paleoklimatu proksy znajduje się m.in. w 5 Raporcie IPCC w tabeli 5.A.2 w rozdziale 5 „Informacje z archiwów paleoklimatycznych”.

Na rysunku 1 zaznaczone są wszystkie dostępne rekonstrukcje CO₂ dla okresu ostatnich 423 milionów lat i informacje z rdzeni lodowych (w sumie prawie 800 punktów pomiarowych), zestawione z późniejszymi zapisami i prognozami dla przyszłości. Dane z rekonstrukcji paleoklimatycznych są dostępne tutaj, dane z rdzeni lodowych tutaj i tutaj, dane historyczne i z bliskiej przeszłości (też na podstawie rdzeni lodowych) tutaj, a prognozy stężeń CO₂ w przyszłości tutaj.

Widoczne na wykresie silne wahania stężeń CO₂ w najdawniejszych czasach wynikają przede wszystkim ze zmienności warunków na Ziemi, powodowanych np. zmianami aktywności wulkanicznej i intensywnością wietrzenia skał (piszemy o tym dalej, w części poświęconej termostatowi węglowemu), zmianą układu kontynentów i zmianami orbity planety, powodującymi m.in. dobrze znany cykl epok lodowcowych i interglacjałów).

Dodatkowo, „rozrzut” danych pomiarowych wynika ze sporego „szumu”, związanego z określaniem koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze za pomocą metod pośrednich z próbek geologicznych, Jest to dużo trudniejsze i obciążone większą niepewnością niż współczesne pomiary prowadzone na bieżąco. Aby uwidocznić długoterminowy trend, do punktów pomiarowych dopasowaliśmy wygładzoną krzywą, uwzględniającą niepewność zarówno datowania jaki i stężenia CO₂ w każdym z punktów pomiarowych. Dane tej wygładzonej krzywej są dostępne tutaj.

Analiza zmian prowadzi do szeregu interesujących wniosków:

• Pomimo znaczących wahań, w ostatnich 450 milionach lat zachodzi stopniowy spadek stężenia CO₂. Średnio rzecz biorąc wynosił on 13 ppm na milion lat.
• Wartości zbliżone do obecnych (400 ppm) po raz ostatni miały miejsce około 3-5 milionów lat temu, choć po raz ostatni długoterminowe średnie stężenie było na tym poziomie w Miocenie – 16 milionów lat temu (patrz dyskusja tutaj).
• Przez większość ostatnich 450 milionów lat stężenie CO₂ w atmosferze Ziemi utrzymywało się na wyższym poziomie niż obecnie (za wyjątkiem okresu Perm-Karbon ~300 milionów lat temu), kiedy to stężenie CO₂ było zbliżone do obecnego.
• Zgodnie ze scenariuszem emisji „Biznes-jak-zwykle” (RCP8.5 na rysunkach), atmosferyczne stężenie CO₂ osiągnie na początku XXII wieku (za niecałe 100 lat) 1000 ppm. Po raz ostatni tak wysokie stężenie CO₂ było w Eocenie, tj. w najcieplejszym okresie w ostatnich 50 milionach lat. Temperatura naszej planety była wtedy tak wysoka, że lądolody całkowicie zniknęły (poziom morza był wyższy o około 65 m), a, jak wynika z ostatnich analiz, że średnia temperatura powierzchni Ziemi mogła być wyższa nawet o +13 ± 2,6°C niż obecnie (Cabellero and Huber, 2013). Za blisko połowę tej zmiany odpowiadało nie samo wysokie stężenie CO₂, lecz uruchomione przez nie „wolne sprzężenie zwrotne”, czyli zjawiska nasilające zmianę klimatu (takie jak utrata przez Ziemię lądolodów, zmiany wegetacyjne), a także inny układ kontynentów.
• Zgodnie ze scenariuszem „Biznes-jak-zwykle” (RCP8.5), do 2250 roku atmosferyczne stężenie CO₂ sięgnie 2000 ppm. Po raz ostatni miało to miejsce około 200 milionów lat temu, na przełomie Triasu i Jury, kiedy to doszło do wzmożenia aktywności wulkanicznej i wielkich wylewów lawy (pokrywających obszar 11 mln km²), rozpadł się superkontynent Pangea i powstał Atlantyk. Więcej na ten temat tutaj.

Temperaturą steruje nie tylko CO₂

Trzeba pamiętać, że ewolucja klimatu nie była związana jedynie ze zmianami stężenia CO₂. Zmieniało się także rozmieszczenie kontynentów, wegetacja oraz czapy lodowe wpływające na albedo planety (http://www.scotese.com/). Co najistotniejsze, ewolucja naszej gwiazdy – Słońca – powodowała wzrost jego mocy w czasie. O ile w relatywnie krótkich skalach czasowych (do ok. 5 milionów lat) ten ostatni efekt można ignorować, to przez ponad 400 milionów lat natężenie promieniowania słonecznego wzrosło o około 4%, co przekłada się na wzrost wymuszania radiacyjnego (czyli wzrost ilości energii docierającej do Ziemi) o ~12 W/m².

Rysunek 2 przedstawia zmiany wymuszania radiacyjnego w rozpatrywanym okresie, zarówno związane ze zmianami atmosferycznego stężenia CO₂, jak i aktywności Słońca (na podst. Byrne i Goldblatt, 2014). Okazuje się, że pomimo znacznego wzrostu mocy Słońca, sumaryczne wymuszanie CO₂ i promieniowania słonecznego utrzymywało się na bardzo stabilnym poziomie. Odpowiada za to silne ujemne sprzężenie zwrotne, stabilizujące temperaturę planety, zwane termostatem węglowym (patrz m.in. tutaj i tutaj).

Termostat węglowy

Jak działa termostat węglowy? Wulkany emitują dwutlenek węgla. Gdyby emisje te nie były równoważone przez procesy pochłaniania (głównie wietrzenie skał i usuwanie do osadów oceanicznych), ilość CO₂ w atmosferze nieustannie by rosła. Na rysunku 3 możemy zobaczyć schemat tego wolnego cyklu węglowego.

Kluczowym etapem jest wietrzenie skał (punkt 3 na rysunku), które bardzo silnie zależy od temperatury. Im wyższa temperatura, tym szybciej przebiega wietrzenie.

Powiedzmy, że z jakichś względów temperatura powierzchni Ziemi wzrośnie (bo na przykład wzrośnie aktywność słoneczna, wulkany wpompują do atmosfery dużo CO₂, zmieni się ułożenie kontynentów lub ich rzeźby albo suchszy klimat spowolni usuwanie dwutlenku węgla z atmosfery). W takiej sytuacji procesy wietrzenia przyspieszą, usuwając CO₂ z atmosfery, co zmniejszy siłę efektu cieplarnianego i ustabilizuje temperaturę.

Co zaś się stanie, jeśli z jakichś względów temperatura spadnie (na przykład spadnie aktywność słoneczna, osłabi się aktywność wulkaniczna lub wzrośnie nasilająca procesy wietrzenia skał i usuwania dwutlenku węgla z atmosfery wilgotność)? W takiej sytuacji spadek temperatury wyhamuje reakcje wietrzenia, co zatrzyma w atmosferze więcej CO₂ i wzmocni efekt cieplarniany.

Jak skuteczny jest ten mechanizm? Bardzo: analiza proksy paleoklimatycznych pokazuje, że decydujące o temperaturze planety wymuszanie radiacyjne w ostatnich ponad 400 milionach lat wahało się w niewielkim przedziale ± 5 W/m² (rysunek 2).

Oczywiście, stabilizujący klimat mechanizm termostatu węglowego jest dość powolny i nie jest w stanie zadziałać dość szybko, by uporać się z naszymi błyskawicznymi w skali geologicznej (o skali czasowej stuleci) emisjami CO₂. W scenariuszu spalenia całości paliw kopalnych (RCP8.5) „przełamiemy” więc stabilizujący wpływ termostatu węglowego i katapultujemy klimat planety do absolutnie ekstremalnych warunków, nie mających precedensu w historii geologicznej Ziemi. Do tego zrobimy to w niespotykanym tempie.

Jak jest więc odpowiedź na pytanie: „Jak dawno temu miał miejsce znany nauce wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi rzędu 10°C w przeciągu 300 lat (do czego doprowadzimy spalając całość węgla, ropy i gazu)?”. Brzmi ona: NIGDY. Przeprowadzimy eksperyment bez precedensu w historii naszej planety.

Co więcej, wzrost stężenia CO₂ do poziomów z Eocenu w scenariuszu emisji „Biznes-jak-zwykle” bynajmniej nie spowoduje prostego odtworzenia tamtego klimatu. Moc Słońca jest obecnie większa, więc wyższy będzie też wzrost temperatury. Tempo wzrostu temperatury będzie absolutnie bezprecedensowe, prowadząc do szeregu zjawisk, do których mogłoby nie dojść w scenariuszu znacznie powolniejszego tempa zmian: gwałtowne procesy destabilizacji lądolodów prowadzące do skokowego wzrastania poziomu morza, masowe wymieranie gatunków, nie będących w stanie zaadaptować się do gwałtownych zmian klimatu (ani drogą ewolucji, ani drogą migracji), gwałtowny spadek dostępności jonów węglanowych w oceanie (niezbędnych do budowy szkielecików i muszli przez wiele gatunków zooplanktonu, małży itp.), gwałtowny rozpad wiecznej zmarzliny prowadzący do emisji metanu, destabilizacja oceanicznych pokładów hydratu metanu prowadząca do anoksji oceanicznej a być może do odtworzenia scenariusza zbliżonego do wielkiego wymierania z przełomu Permu i Triasu, kiedy to wymarło ponad 90% zamieszkujących Ziemię gatunków.

Marcin Popkiewicz, prof. Szymon Malinowski, w oparciu o „Past and future CO₂” Gavin Foster, Dana Royer i Dan Lunt