Pomimo przewidywań że rok 2025 będzie istotnie chłodniejszy niż poprzednie lata 2023 i 2024 na razie znaczącego spadku temperatur nie widać. Uważano tak, bo często po silnym El Nino chłodna La Nina obniżała globalna anomalię temperatury, tymczasem La Nina jest jak na razie słaba, a temperatury powierzchni oceanów utrzymują się na poziomie ostatnich lat (więcej o tych zjawiskach przeczytasz w artykule Pięć pytań o ENSO).

Rekordowe temperatury 2023 – 2024

Mało kto spodziewał się, że średnia globalna temperatura osiągnie aż tak wysokie wartości i że potrwa to tak długo. Według analizy Światowej Organizacji Meteorologicznej WMO, uśredniającej sześć różnych zestawów danych, globalna anomalia temperatury osiągnęła w 2023 roku poziom 1,45 stopnia Celsjusza ponad średnią 1850-1900 (w przybliżeniu odzwierciedlającą okres przedindustrialny, WMO 2024) a w 2024 (WMO,2025) –  aż o 1,55 stopnia Celsjusza ponad średnią przedindustrialną. Dwa poprzednie w kolejce lata to 2016 (1,29 °C) oraz 2020 (1,27 °C).

Dla porównania, prognoza średniej globalnej temperatury na rok 2023, opracowana przez brytyjską służbę meteorologiczną i oparta o symulację modelu klimatu inicjalizowanego obserwacjami z listopada 2022, przewidywała wartość globalnej anomalii temperatury z 95% przedziałem w zakresie od 1,12 do 1,34 °C (tzn. że temperatura miała należeć do tego przedziału z prawdopodobieństwem 95%). Podobnie konserwatywne były inne prognozy, oparte o korelacje statystyczne różnych wskaźników ENSO. Na tym tle temperatury w 2023 i 2024 były niezwykle wysokie, naturalne stało się więc pytanie o ich przyczynę.

Przyczyny rekordów – El Niño? erupcja Hunga Tonga? czystsze powietrze?

Odpowiedź „jest El Niño, nie jest więc niczym dziwnym że jest cieplej” nie była satysfakcjonująca, bo używając tradycyjnych miar intensywności tego zjawiska, El Niño 2023/24 było umiarkowanie silne, i daleko mu było na przykład do 1997/98 i 2015/16 (patrz ilustracja 1). Jeśli już, wyjątkowa była poprzedzająca go La Niña, która (z krótkimi przerwami) trwała bezprecedensowe trzy lata. 

Wkrótce popularność zdobyły dwa wyjaśnienia, upatrujące przyczyn skoku globalnej temperatury w czynnikach zewnętrznych („wymuszeniach”) względem systemu klimatycznego. Pierwszym była erupcja podmorskiego wulkanu Hunga Tonga–Hunga Haʻapai na południowym Pacyfiku w styczniu 2022 roku, która wprowadziła do górnych warstw atmosfery (stratosfery) duże ilości pary wodnej (ilustracja 3) i wzmacniając efekt cieplarniany.

Drugim zdarzeniem które miało przyczynić się do wzrostu globalnej temperatury było wdrożenie w 2020 roku regulacji o ograniczeniu zawartości siarki w paliwie używanym we frachcie morskim. Doprowadziło to do redukcji emisji związków będących prekursorami aerozoli – drobnych, zawieszonych w powietrzu cząstek zanieczyszczeń, które mogą wpływać na klimat na wiele sposobów: bezpośrednio, rozpraszając światło i zmniejszając ilość promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi, a także pośrednio, modyfikując procesy prowadzące do tworzenia i dalszego życia chmur. W tym przypadku, zmniejszenie zawartości związków siarki w spalinach emitowanych przez pływające po oceanach świata statki – przede wszystkim masowce, kontenerowce, tankowce i inne statki towarowe – miała spowodować zwiększenie przejrzystości powietrza nad morskimi szlakami, i w konsekwencji ocieplenie oceanów. Popularności tej hipotezy nadało obserwowana w drugiej połowie 2023 roku rozległa anomalia dodatnia temperatury północnego Atlantyku, a więc odpowiadająca mniej więcej regionowi, gdzie powinniśmy widzieć efekt zmniejszenia koncentracji aerozoli w atmosferze.

Oba wydarzenia – wybuch wulkanu i regulacje zawartości siarki w paliwie żeglugowym – miały  wpływ na globalny klimat, ale skala tego wpływu była już dyskusyjna. Dotychczas opublikowane analizy, często oparte o szacunki wywiedzione z symulacji modeli klimatu albo obliczeń transferu radiacyjnego, sugerowały raczej niewielki wkład w wyjątkowe ocieplenie 2023 roku. 

Jest też możliwe, że to wyjątkowe ocieplenie było kombinacją wielu czynników, z których każdy indywidualnie taki wyjątkowy nie był, dokładając kilka czy kilkanaście setnych stopnia do wartości globalnej anomalii temperatury, nakładających się na trend antropogenicznego globalnego ocieplenia. Możliwe też, że wartość tego trendu – nieco wyższa niż kilkanaście lat temu, jak pisaliśmy niedawno na Nauce o klimacie – odzwierciedla coraz silniejsze dodatnie klimatyczne sprzężenia zwrotne.

Rozwikłanie zagadki skokowego wzrostu temperatur w ostatnich dwóch latach ma więc znaczenie praktyczne w tym sensie, że odpowiedź może nam coś nowego powiedzieć o klimacie i pomóc doprecyzować szacunki zmian temperatury związanych z działalnością człowieka (nie tylko emisją gazów cieplarnianych, ale też aerozoli). Jednocześnie warto podkreślić, że zagadkowość ta nie wynika z fundamentalnych braków w naszej wiedzy o funkcjonowania systemu klimatycznego. Staramy się wykryć i opisać przyczyny zjawiska bardzo subtelnego w porównaniu do skali typowej (sezonowej i międzyrocznej) zmienności atmosfery i oceanów, nie jest więc dziwne że jest to trudne zadanie.

Skok temperatury a zmiany w zachmurzeniu

Nowe odpowiedzi przyniosła opublikowana niedawno w czasopiśmie Science praca  autorstwa Helge Goesslinga, Thomasa Rackowa i Thomasa Junga. Badacze ci skoncentrowali się na analizie bilansu radiacyjnego mierzonego u szczytu atmosfery, a dokładniej jego krótkofalowej – „słonecznej” części (więcej o pomiarach bilansu znajdziesz między innymi w tekście Najnowsze pomiary bilansu energetycznego Ziemi).

Wykorzystując dane pochodzące z pomiarów radiometrycznych instrumentów CERES (zainstalowanych na satelitach amerykańskich agencji NASA – Aqua i Terra – oraz NOAA – Suomi NPP i NOAA-20) a także obliczenia oparte o reanalizę ERA5 z ECMWF, autorzy wykazali że większość „niewyjaśnionego” wzrostu temperatury da się wyjaśnić spadkiem albedo planety – to znaczy zmniejszeniem ilości promieniowania słonecznego odbitego w kosmos.

Doniesienia o stopniowym spadku albedo naszej planety pojawiają się w literaturze naukowej regularnie w ostatnich latach. Jednak Praca Goesslinga i współpracowników podaje analizę najbardziej prawdopodobnych przyczyn tego zjawiska. Autorzy, analizując rozkład przestrzenny anomalii albedo, zademonstrowali też, że tylko niewielki udział w nich mają zmiany na powierzchni Ziemi, związane ze zmianami pokrywy śniegu i lodu, a za zdecydowaną większość odpowiadają chmury. Wynika to po części z tego, że rejony ze śniegiem i lodem są też zwykle zachmurzone, więc zmiany powierzchniowego albedo są przez chmury maskowane.

Część zmian albedo była efektem dekadowego trendu spadku zachmurzenia (np. na południowym Atlantyku), część pojawiła się dopiero w 2023 roku (np. na wschodnim Pacyfiku), a część była złożeniem obu zjawisk, krótko- i długoterminowej zmienności (np. wschodnia część północnego Atlantyku). 

Jakaś część krótkoterminowej zmienności zachmurzenia musiała być oczywiście związana z El Niño 2023/24, jednak ze statystycznego porównania efektów towarzyszących poprzednim zdarzeniom tego typu wynika, że był to efekt relatywnie niewielki (globalnie około 0,07 °C). Niewielki był też wpływ wzrastającej od 2020 roku aktywności słonecznej (0,03 °C), choć pomagają wyjaśnić różnicę pomiędzy wynikami opartymi o pomiary CERES oraz tymi z reanalizy ERA5. ERA5 jest uzupełniana na bieżąco w oparciu o dane obserwacyjne, z wyjątkiem wymuszeń radiacyjnych, które pochodzą z jednego ze scenariuszy klimatycznych projektu CMIP5. Ostatnie półtora 11-letniego cyklu słonecznego w ERA5 różni się więc trochę od rzeczywistego.

W sumie zmiany albedo (wyłączając szacowany wpływ El Niño) miały odpowiadać za 0,22 °C wzrostu temperatury względem kontrfaktycznej sytuacji, w której albedo pozostałoby niezmienione.

A skąd zmiany w zachmurzeniu?

Co jednak jest przyczyną zmian zachmurzenia i spadku albedo? Czy to tylko tymczasowa fluktuacja, czy symptom jakiejś głębszej zmiany w systemie klimatycznym? I czy może mieć jakiś związek z wspomnianą wcześniej redukcją zawartości siarki w paliwie spalanym przez statki? Odpowiedzi dostarczone przez omawiane badanie nie są konkluzywne, ale autorzy uważają, że ten ostatni efekt, związany z antropogenicznymi aerozolami, może odpowiadać tylko za niewielką część obserwowanych zmian. Wskazują też, że trend spadkowy albedo może być manifestacją innego, związanego z działalnością człowieka efektu: dodatniego sprzężenia zwrotnego chmur piętra niskiego nad wodami oceanicznymi, których ilość ma się zmniejszać, wraz z ociepleniem klimatu, zarówno w tropikach jak i średnich szerokościach geograficznych (Sherwood i in., 2020).

Pośrednio potwierdzają taki wniosek najnowsze analizy przyrostu temperatury powierzchni morza opublikowane w końcu stycznia 2025 przez Merchanta i kolegów. Gdyby tak było, rewizji musiałby też ulec zakres równowagowej czułości klimatu. Potwierdzenie takiego wniosku wymaga jednak większej ilości danych – nie tylko dłuższych serii pomiarowych, ale dokładniejszych obserwacji samych chmur.

The post Globalne ocieplenie zabiera nam chmury appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Od mniej więcej pół roku w internecie i w tradycyjnych mediach regularnie przywoływane są wypowiedzi prof. Johna Clausera, amerykańskiego fizyka specjalizującego się w mechanice kwantowej i laureata Nagrody Nobla z fizyki z 2022. W maju John Clauser przystąpił do lobbystycznej organizacji CO2 Coalition, kwestionującej politykę klimatyczną USA a także ustalenia nauki będące jej podstawą, i w konsekwencji duża część jego publicznej działalności zaczęła być związana z tematem antropogenicznej zmiany klimatu.

Z jego wypowiedziami, bardzo krytycznymi zarówno względem naukowców zajmujących się badaniem klimatu, jak i instytucji takich jak Międzyrządowy Panel ds. Zmiany Klimatu (IPCC), trudno jest merytorycznie polemizować z tego powodu, że swoich argumentów do tej pory nigdzie nie opublikował.

W pewnym zakresie poglądy prof. Clausera można jednak zrekonstruować na podstawie kilku publicznych wystąpień i ich omówień: komunikatu CO2 Coalition z okazji przystąpienia do zarządu organizacji, referatu wygłoszonego 26 czerwca na konferencji Quantum Korea 2023, oraz przede wszystkim wywiadu udzielonego The Epoch Times 5 września 2023 roku (nagranie także tu), oraz wykładu z 14 listopada na konferencji Deposit of Faith Coalition zorganizowanej przez tradycjonalistyczną organizację katolicką Faith Militant. Zwłaszcza ten dwa ostatnie są wystarczająco obszerne, aby można było prześledzić istotę argumentów Johna Clausera oraz ich źródła.

Poniżej pokrótce omówię, mam nadzieję że wiernie, główne tezy prof. Clausera i wyjaśnię, w których miejscach utytułowany fizyk się myli i skąd się jego błędy biorą. Cytowane fragmenty wypowiedzi pochodzą z wywiadu dla Epoch Times.

1. Nie jest prawdą, że klimatolodzy pomijają albo kompletnie nie rozumieją wpływu chmur na klimat Ziemi, a modele klimatu w ogóle chmur nie zawierają

Wydaje się, że u źródeł takiej opinii Johna Clausera leży niezrozumienie pierwszych kilku minut „Niewygodnej prawdy”, w których Al Gore faktycznie pokazywał zdjęcia Ziemi z kosmosu. Zaczął od słynnego zdjęcia wschodu Ziemi nad powierzchnią Księżyca, wykonanego w 1968 roku przez załogę Apollo 8; potem pokazał zdjęcie całego dysku planety zrobione z pokładu Apollo 17 (patrz ilustracja 3 poniżej); oraz sekwencję zdjęć wykonanych przez sondę Galileo w 1990 roku.

Na koniec Gore zaprezentował mapę wykonaną w 1990 roku przez Toma Van Santa, wygenerowaną komputerowo w oparciu o zdjęcia satelity meteorologicznego TIROS-N, i przedstawiającą powierzchnię Ziemi taką, jaka wyglądałaby z kosmosu, gdyby nie było chmur. Była to pierwsza, bardzo słynna, mapa tego typu, i choć Gore faktycznie chętnie do niej powracał przy wizualizacji mechanizmów i skutków globalnego ocieplenia, nie ma ona nic wspólnego z modelowaniem klimatu.

Nieobecność chmur na tej konkretnej mapie nie oznacza też oczywiście, że klimatolodzy o wpływie chmur nie wiedzą albo go pomijają w swoich modelach oraz opartych o nie prognozach przyszłych zmian klimatu.

Do zdjęć Ziemi z kosmosu i ich interpretacji jeszcze wrócę, ale jako dowód na to że osoby zajmujące się badaniem i modelowaniu klimatu o istnieniu chmur nie zapomniały, mogę przytoczyć artykuł z 1981 roku autorstwa brytyjskiej meteorolożki i klimatolożki Julii Slingo, będący jednym z pionierskich badań tego rodzaju. Użyty w nim model, choć według obecnych standardów prymitywny, zawierał cyfrową reprezentację chmur różnych rodzajów, wysokości i grubości, dzięki czemu możliwe było przeprowadzenie obliczenie wpływu zachmurzenia na bilans promieniowania symulowanej Ziemi (Slingo, 1982).

Możliwości współczesnych modeli klimatu w zakresie modelowania chmur może natomiast zilustrować poniższa grafika, porównująca wspomniane zdjęcie Ziemi z kosmosu wykonane przez astronautów Apollo 17 z symulacją warunków panujących tego samego dnia, wykonaną przez naukowców niemieckiego Instytutu im. Maxa Plancka modelem ICON (Max Planck Institut, 2022). Nie trzeba być specjalistą aby dostrzec, że układ chmur został odtworzony bardzo szczegółowo.

Trudno jest też zrozumieć, w jaki sposób prof. Clauser doszedł do wniosku, że wpływ chmur na klimat jest przez klimatologów ignorowany, skoro krytykowane przez niego raporty IPCC zawierają obszerne omówienie roli chmur w systemie klimatycznym. Jest możliwe, że pomylił mu się całościowy wpływ chmur na klimat ze związanymi z nimi sprzężeniami zwrotnymi: te ostatnie, będąc relatywnie niewielką zmianą całkowitego bilansu radiacyjnego planety, trudno oszacować obserwacyjnie oraz dokładnie modelować, i w konsekwencji są największym źródłem niepewności przy obliczaniu tzw. równowagowej czułości klimatu.

Jednak nawet raport Amerykańskiej Akademii Nauk sprzed dwudziestu lat, o którym wspomina John Clauser, mimo że nie zawierał szczegółowego przeglądu ówczesnego stanu badań dotyczących chmur (bo jego celem było nakreślenie głównych obszarów niepewności związanych ze sprzężeniami zwrotnymi i najbardziej obiecujących kierunków badań, które miały te niepewności zmniejszyć), w żadnym miejscu nie stwierdzał, jak utrzymuje prof. Clauser, że nic nie wiemy o wpływie chmur na klimat. Od momentu publikacji raportu udało się zresztą te niepewności znacznie zmniejszyć, ale do tematu sprzężeń bardziej szczegółowo wrócę jeszcze poniżej.

2. Zmienność zachmurzenia jest znacznie mniejsza, niż ocenia prof. John Clauser na podstawie zdjęć Ziemi z kosmosu

Pomiar globalnej pokrywy chmur jest skomplikowanym zagadnieniem i nie można go zastąpić analizą metodą „na oko” kilku albo kilkunastu losowych zdjęć Ziemi z kosmosu, tak jak zrobił to prof. Clauser. Niektóre z tych zdjęć są zresztą syntetycznymi mozaikami, powstałymi podobnie do wspomnianej wcześniej mapy Toma Van Santa, i łączącymi ze sobą różne dane satelitarne. W efekcie poziom zachmurzenia, który według Clausera jest efektem jego zmienności w czasie, w rzeczywistości jest skutkiem tego, że pokazuje różne rejony Ziemi, z których niektóre cechują się wyższym, a inne niższym typowym zachmurzeniem, zaś zobrazowane pole widzenia obejmuje różną powierzchnię planety.

Przykładowo, trakcie wywiadu John Clauser pokazuje dziennikarzowi grafikę sporządzoną przez Reto Stöckli i Roberta Simmona, składającą się z warstwy bezchmurnych zdjęć powierzchni Ziemi, zrobionych instrumentem MODIS z satelity Terra od czerwca do września 2001 roku, na którą nałożono warstwę chmur wygenerowaną w oparciu o obserwacje satelity geostacjonarnego GEOS-8 wykonane 29 lipca (patrz NASA’s Earth Observatory). W wersji pokazanej przez prof. Clausera dodatkowo doklejono do tej grafiki (nierealistycznie w tej perspektywie powiększony) Księżyc.

Wiedząc jak powstała ta grafika i znając źródła ich danych możemy porównać oszacowane przez prof. Clausera zmiany zachmurzenia z rzeczywistymi. W przypadku omawianej grafiki, 29 lipca 2001 roku globalne zachmurzenie wynosiło około 62% (obliczenia na podstawie danych CLARA A2 i A3 oraz reanalizy ERA5. Bardzo podobny wynik uzyskano też używając maski chmur użytej przez autorów grafiki), gdy tymczasem Clauser ocenia je, w oparciu o widoczny fragment planety, na 40%. Zdjęcie drugie wykonane zostało instrumentem VIIRS satelity Suomi NPP 8 lutego 2012 roku (patrz: zarchiwizowana strona NASA), a globalne zachmurzenie tego dnia wynosiło około 63%.

Jeszcze mniej dokładnie wypadają szacunki przedstawione na kolejnym slajdzie, który według Johna Clausera pokazuje zmiany zachmurzenia nad częścią wschodniej półkuli wahające się od 5% do ponad 60%.

Pomijając jednak pierwsze „zdjęcie”, które jest grafiką komputerową z serwisu Shutterstock wygenerowaną, w nie do końca przemyślany sposób, w oparciu o mozaiki NASA (jej autor/ka połączył zdjęcia dzienne i nocne, przez co światła miast widać na oświetlonej przez Słońce półkuli), różnice w pokrywie chmur wynikają przede wszystkim z tego, że na niektórych widać więcej, a na innych mniej Oceanu Południowego. Przykładowo, na drugim zdjęciu, wykonanym przez sondę LRO 12 października 2015 roku, rejon ten jest zresztą w większości zasłonięty przez powierzchnię Księżyca, a chmury pokrywały tego dnia około 61% powierzchni planety, a więc znacznie więcej niż sugeruje prof. John Clauser.

W rzeczywistości globalna pokrywa chmur Ziemi wynosi około 65% (Karlsson i in., 2023) i zmienia się, głównie w cyklu sezonowym, o mniej więcej 10pp, a postulowane przez prof. Clausera ogromne wahania zachmurzenia – które zresztą trudno byłoby wyjaśnić w ramach znanej nam fizyki atmosfery – nie są obserwowane.

Widać to zresztą również w artykule Kinga i in. (2013), na który prof. Clauser powołuje w wykładzie na konferencji Deposit of Faith Coalition. Przedstawione w nim wahania globalnego zachmurzenia, oparte o 12 lat pomiarów zachmurzenia wykonane przez satelity Aqua i Terra, zawierają się pomiędzy 65% a 69% (ryc. 5 ze s. 3835).

3. Całkowity wpływ chmur na bilans promieniowania planety jest mniejszy, niż mówi prof. John Clauser, zaś wpływ dwutlenku węgla jest większy

Z kontekstu rozumiem, że prof. Clauser mówi tutaj o uśrednionych dla całej planety strumieniach promieniowania, choć nie do końca wiadomo, skąd biorą się cytowane wartości. Nie odpowiadają one wynikom pomiarów podsumowanych w raporcie IPCC (rys. 4, panel górny), zgodnie z którymi z docierającego do Ziemi promieniowania słonecznego – z którego tylko część to światło widzialne, poza tym istotna jest bliska podczerwień i nadfiolet – w kosmos powraca, w ujęciu średniorocznym, około 100 z 340 W/m² (L’Ecuyer i in., 2015). Nie wszystko jednak z tego jest odbijane przez chmury: część jest rozpraszana przez cząstki unoszących się w powietrzu zanieczyszczeń, część dociera do powierzchni planety i też się od niej odbija. Dodatkowo, chmury zatrzymują też promieniowanie cieplne, a zatem wzmacniają efekt cieplarniany.

Aby ilościowo opisać wpływ chmur na bilans promieniowania docierającego i opuszczającego planetę, w klimatologii od wielu lat (Ramanathan in., 1989) używa się parametru zwanego „efektem radiacyjnym chmur” albo CRE (cloud radiative effect), rozbitego na składową krótkofalową (promieniowanie słoneczne) i długofalową (wpływ chmur na efekt cieplarniany). Ta pierwsza składowa szacowana jest, w oparciu o pomiary satelitarne programu CERES z okresu 2005-2015 (Goeb i in., 2020) na -45,3 W/m². Chłodzący wpływ chmur jest po części skompensowany wzmocnieniem efektu cieplarnianego o 25,7 W/m².

Całkowity efekt radiacyjny chmur CRE, będący sumą obu składowych, wynosi -19,6 W/m², a zatem o tyle, w skali całej planety, zmniejszyłaby się ilość promieniowania słonecznego odbitego w kosmos oraz promieniowania podczerwonego emitowanego przez powierzchnię Ziemi i atmosferę gdyby nagle zniknęły z niej wszystkie chmury (sytuacja przedstawiona na panelu dolnym il. 6, Warto tutaj zauważyć że gdyby chmur w ogóle nie było, część promieniowania słonecznego, którą obecnie odbijają, byłaby w zamian odbijana przez powierzchnię Ziemi.). Rzeczywiste wahania zachmurzenia mają, jak widzieliśmy wcześniej, znacznie mniejszą amplitudę, a długoterminowe ich trendy można powiązać, poprzez klimatyczne sprzężenia zwrotne, z antropogenicznym globalnym ociepleniem.

Na koniec trzeba zauważyć że wpływ antropogenicznego dwutlenku węgla jest obecnie około czterokrotnie większy niż twierdzi John Clauser, tzn. wynosi około 2,25 W/m² a nie 0,5 W/m², a wraz z innymi gazami cieplarnianymi sięga 3,45 W/m² (Forster i in., 2023).

4. Sprzężenia zwrotne związane z chmurami są bardziej skomplikowane, a ich wpływ bardziej subtelny, niż twierdzi prof. John Clauser.

W swoich wypowiedziach prof. Clauser przedstawił koncepcję „termostatu”, który ma regulować klimat Ziemi, i który ma być przez klimatologów ignorowany. Postulowany przez niego mechanizm który miałby decydować o zachmurzeniu planety (i w konsekwencji o jej temperaturze) jest jednak bardzo uproszczony. Paradoksalnie, gdyby chmury działały w opisany przez niego sposób, przewidywania modeli klimatu mogłyby być znacznie dokładniejsze!

Tymczasem zachowanie chmur w zmieniającym się klimacie i sposób w jaki wpływają na bilans promieniowania w atmosferze są bardzo skomplikowane. O jednej z przyczyn wspomniałem wcześniej: chmury nie tylko odbijają promieniowanie słoneczne (ochładzając planetę), ale zatrzymują też promieniowanie podczerwone (ogrzewając ją), a w różnych ich rodzajach te efekty występują z różnym natężeniem: w przypadku chmur niskiego piętra dominuje ten pierwszy, zaś chmury wysokie przede wszystkim związane są z tym drugim efektem.

Same zmiany zachmurzenia nie ograniczają się tylko do większej czy mniejszej pokrywy chmur, ale mogą oznaczać modyfikację ich wysokości, temperatury, czasu życia, własności optycznych, a nawet efektów związanych z wielkoskalową cyrkulacją atmosferyczną (patrz il. 7). Dodatkową komplikacją jest wpływ zanieczyszczeń powietrza (antropogenicznych aerozoli), które również odbijają i rozpraszają promieniowanie słoneczne, oraz wpływają na tworzenie się i właściwości chmur.

Ponieważ chmury były i wciąż są jednym z ulubionych tematów badań klimatologów, w czasie choćby ostatnich 20 lat, które upłynęły od publikacji cytowanego przez prof. Clausera raportu Amerykańskiej Akademii Nauk o sprzężeniach zwrotnych, wiele się o wpływie chmur na klimat dowiedzieliśmy. Dysponujemy pomiarami satelitarnymi, których w 2003 roku jeszcze nie wykonano; nowymi technikami analizy statystycznej; doskonalszymi modelami i mocą obliczeniową umożliwiającą przeprowadzanie symulacji niemożliwych 20 lat temu.

Obszerne podsumowanie tych badań można znaleźć w meta-analizie An Assessment of Earth’s Climate Sensitivity Using Multiple Lines of Evidence Sherwooda i in. (2020), a także rozdziale siódmym szóstego raportu pierwszej grupy roboczej IPCC (sekcja 7.4.2.4.). Wynika z nich, że sprzężenia zwrotne związane z chmurami są w sumie dodatnie, a zatem zamiast zachowywać się jak termostat stabilizujący temperaturę planety, zwiększają ocieplenie spowodowane zmianami koncentracji gazów cieplarnianych (i dowolnych innych wymuszeń radiacyjnych). Ilościowo efekt ten wynosi około 0,42 W/m²/°C z prawdopodobnym zakresem od 0,13 do 0,72 W/m²/°C.

Biorąc pod uwagę, że całkowity efekt radiacyjny chmur CRE wynosi, jak wspomniałem wyżej około -20 W/m², wynika z tego że wzrost globalnej temperatury planety o 1°C powoduje osłabienie chłodzącego wpływu chmur o około 2%. Pomiary satelitarne bilansu radiacyjnego Ziemi wskazują, że efekt ten jest już obserwowany (patrz: Jest dodatni, ale wcale nas to nie cieszy).

Podsumowanie

W wypowiedziach prof. Clausera uderzająca jest jego ogromna pewność siebie, kategoryczność wygłaszanych twierdzeń i zarzutów, połączona z niemal całkowitą ignorancją w temacie, w którym zabiera głos, oraz tendencją do przypisywania tej ignorancji osobom które w badaniu się tego tematu specjalizują.

Wpływ chmur na klimat, rzekomo przez naukowców pomijany, był praktycznie od zawsze uznawany za kluczowy problem klimatologii, jest przedmiotem wielu projektów badawczych, i głównym tematem setek jeśli nie tysięcy analiz publikowanych w czasopismach naukowych. Jest więc bardzo dziwnym, że John Clauser nie poświęcił czasu by zapoznać się z istniejącym dorobkiem nauki w tym zakresie, zastępując go spekulacjami opartymi o amatorską analizę znalezionych w internecie obrazków.

Zaskakuje to tym bardziej, że rok wcześniej niż prof. Clauser swoją nagrodę Nobla z fizyki odebrał dr. Syukuro Manabe, a wśród jego artykułów cytowanych pod oficjalną strona Komitetu Noblowskiego jest wiele związanych z rolą chmur w klimacie. Czy należy to rozumieć jako podważanie przez Clausera prestiżu tego Komitetu, a w efekcie i znaczenia własnej nagrody Nobla z fizyki?

Doskonale Szare, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon Malinowski

The post John Clauser – noblista, ale niezorientowany w badaniach klimatu appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Lotnictwo odpowiada za 2-3% emisji dwutlenku węgla związanych z działalnością człowieka.  Samoloty emitują też m. in. tlenki azotu, sadzę oraz dwutlenek siarki. Sadza i powstające z dwutlenku siarki aerozole siarczanowe bezpośrednio oddziałują z promieniowaniem, co zaburza bilans radiacyjny Ziemi. Wpływ na ziemski system klimatyczny mają też procesy związane z obecnością w atmosferze tlenków azotu (patrz Wpływ lotnictwa na klimat – CO2 i inne substancje emitowane przez samoloty).

Jednak wpływ transportu lotniczego na klimat nie kończy się na tym. Jeśli popatrzymy na wartość wymuszania radiacyjnego (pojęcie to wyjaśniliśmy w poprzednim tekście), to okaże się, że największe znaczenie ma jeszcze inne zjawisko. Zjawisko, które większość z nas dobrze zna, ale niekoniecznie kojarzy z globalnym ociepleniem. Chodzi o smugi kondensacyjne (ang. condensation trails, w skrócie contrails). To te dobrze widoczne gołym okiem białe ślady zostawiane na niebie przez samoloty. Z fizycznego punktu widzenia są to chmury lodowe powstające w wyższych warstwach troposfery, na wysokości 8–13 km, gdzie temperatura jest niższa niż -35°C. Czyli właśnie tam, gdzie najczęściej latają rejsowe samoloty pasażerskie.  

Jak powstają smugi kondensacyjne? 

Jak wiemy, spaliny silników lotniczych składają się przede wszystkim z dwutlenku węgla i wody (pary wodnej). Kiedy gorące spaliny spotykają się z zimnym powietrzem, zawarta w nich para wodna kondensuje i powstają małe kropelki ciekłej wody. Kropelki z kolei szybko zamarzają, tworząc kryształki lodu – szczegóły znajdziesz w opisie rysunku poniżej.  

Powstawaniu kropelek ciekłej wody z pary wodnej sprzyja obecność w powietrzu jąder kondensacji, czyli małych drobinek, na których skrapla się para. Mogą one już znajdować się w powietrzu na trasie przelotu, ale ich istotnym źródłem są też silniki samolotu. Jądrami kondensacji mogą być choćby znajdujące się w spalinach cząstki sadzy.

Smugi kondensacyjne mogą powstawać również na niższych wysokościach, o ile tylko powietrze jest odpowiednio zimne i wilgotne. Za ich powstawanie odpowiadają nie tylko silniki odrzutowe. Istnieją zdjęcia z czasów II Wojny Światowej, przedstawiające samoloty śmigłowe (napędzane silnikami tłokowymi), tworzące wyraźne smugi kondensacyjne.

Smugi kondensacyjne mogą tworzą się też na końcach skrzydeł samolotu. Jednak w takim wypadku ich powstawanie nie ma nic wspólnego z substancjami emitowanym z silników. Sam przelot samolotu powoduje zaburzenie ciśnienia: powietrze jest lokalnie rozprężane, a więc i ochładzane, a to może powodować kondensację pary wodnej.

Chmury tworzone przez samoloty 

Czas życia smug kondensacyjnych zależy od lokalnych warunków w atmosferze: od temperatury i wilgotności powietrza na trasie przelotu. Nas interesują tu smugi kondensacyjne, które istnieją dłużej niż 10 minut, a które Światowa Organizacja Meteorologiczna określa jako Cirrus homogenitus (smugi, które znikają w krótszym czasie, mają znikomy wpływ na klimat). 

Bardziej precyzyjnie, istniejące dłużej niż 10 minut chmury określane są jako (długożyciowe) smugi kondensacyjne (cirrus homogenitus, ang. persistent contrails) jeśli zachowują swój liniowy kształt. W przeciwnym razie mówimy o chmurach pierzastych pochodzenia lotniczego (cirrus homomutatus, ang. contrail cirrus). Cirrus homomutatus jest to więc smuga kondensacyjna, która już się „rozwiała” i trudno ją odróżnić od naturalnej chmury typu cirrus, szczególnie jeśli nie znamy całej historii powstania takiej chmury. Tym bardziej, że dane obserwacyjne wciąż są tu skąpe (Kärcher, 2018). 

Zbiorczo te dwa typy chmur (cirrus homogenitus oraz cirrus homomutatus) można nazywać chmurami pochodzenia lotniczego (ang. aircraft-induced clouds). To jedyne chmury lodowe powstające w wyniku działalności człowieka.

Jak smugi kondensacyjne wpływają na klimat? 

Tak jak naturalne chmury pierzaste, również smugi kondensacyjne i powstające z nich chmury pierzaste cirrus homomutatus oddziałują z promieniowaniem elektromagnetycznym. Po pierwsze, odbijają w przestrzeń kosmiczną krótkofalowe promieniowanie słoneczne, co ma efekt chłodzący. Zatrzymują też jednak emitowane przez powierzchnię Ziemi długofalowe promieniowanie podczerwone, a to z kolei prowadzi do ocieplania klimatu. Drugi z wymienionych efektów jest silniejszy, więc wypadkowy wpływ smug kondensacyjnych i powstających z nich chmur na klimat jest ogrzewający. 

Efektywne wymuszanie radiacyjne związane ze smugami kondensacyjnymi (ERF) jeszcze w roku 2005 szacowano na 34,8 [10, 59] mW/m², w 2011 na 44,1 [13, 75] mW/m² a w 2018 już na 57,4 [17, 98] mW/m² (Lee i in., 2021). Wartości te obliczono jako średnią arytmetyczną z kilku różniących się między sobą oszacowań, jakie można znaleźć w publikacjach poświęconych tej tematyce. Widzimy, że podobnie jak choćby w przypadku bezpośredniego wpływu aerozoli siarczanowych czy sadzy, dla każdej z trzech podanych wyżej liczb odpowiadający przedział ufności jest szeroki. A to oznacza, że wartości efektywnego wymuszania radiacyjnego znana są ze stosunkowo niewielką dokładnością. 

Jeśli porównamy wartości efektywnego wymuszania radiacyjnego dla wszystkich wymienionych do tej pory procesów związanych z transportem lotniczym (emisja dwutlenku węgla, tlenków azotu, bezpośrednie oddziaływanie sadzy i aerozoli siarczanowych z promieniowaniem, lekkie zwiększenie zawartości pary wodnej w stratosferze) to okaże się że chmury pochodzenia lotniczego: smugi kondensacyjne i powstające z nich chmury typu cirrus łącznie odpowiadają za więcej niż połowę całego efektywnego wymuszania radiacyjnego związanego z lotnictwem. Wkład cirrus homomutatus jest przy tym ok. cztery razy większy niż długożyciowych smug, patrz (Kärcher, 2018).  

Z przytoczonych wyżej danych wynika, że podobnie jak w przypadku CO₂, wpływ chmur pochodzenia lotniczego na klimat rósł szybko w ostatnich dwóch dekadach. W pracy opublikowanej niedługo przed pandemią (Bock i Burkhardt 2019) przewidywano, że jeśli rozwój lotnictwa będzie postępował w takim tempie jak do tej pory, to do roku 2050 ocieplający wpływ smug kondensacyjnych i powstających z nich chmur pierzastych wzrośnie ok. trzykrotnie: wartość związanego z nimi wymuszania radiacyjnego dojdzie do 160-180 mW/m². 

Pośrednie oddziaływanie aerozoli: wpływ lotnictwa na chmury naturalne

Aerozole pochodzenia lotniczego mogą też wpływać na proces powstawania i na własności chmur naturalnych (to jest innych, niż powstające ze smug kondensacyjnych chmury pierzaste). Modyfikacja własności chmur przekłada się z kolei na zmianę ich wpływu na bilans radiacyjny Ziemi, a więc i na klimat naszej planety. Chodzi tu przede wszystkim o emitowane przez silniki samolotów cząstki sadzy (aerozol pierwotny), a także o powstające ze znajdującego się w spalinach dwutlenku siarki (SO₂) aerozole siarczanowe (aerozol wtórny). Nazywamy to pośrednim efektem aerozolowym (w przeciwieństwie do bezpośredniego, o którym pisaliśmy w poprzednim artykule).

Niestety, obecny stan wiedzy wciąż jest niewystarczający by podać wiarygodne, ilościowe oszacowanie wymuszania radiacyjnego związanego z takimi procesami. Brakuje danych pomiarowych, zaś wyniki modelowania bardzo silnie zależą od przyjętych założeń. Dlatego nawet w najnowszych publikacjach poświęconych wpływowi lotnictwa na klimat (Kärcher, 2018, Lee i in., 2021) wciąż nie znajdziemy jednej, konkretnej wartości wymuszania radiacyjnego dla pośrednich efektów aerozolowych, choćby nawet wyznaczonej z bardzo szerokim przedziałem ufności.

Jeśli chodzi o aerozole siarczanowe powstające z emitowanego przez samoloty SO₂, to najprawdopodobniej ich oddziaływanie na naturalne chmury ma wypadkowy efekt chłodzący, tak samo zresztą jak w przypadku aerozoli siarczanowych pochodzących z innych źródeł. I tak samo jak w przypadku bezpośredniego wpływu aerozoli siarczanowych na klimat (patrz Wpływ lotnictwa na klimat – CO2 i inne substancje emitowane przez samoloty). 

Jeszcze mniej wiemy o efektach związanych z sadzą. Nie wiadomo na przykład, jak skutecznie cząstki sadzy działają jako jądra kondensacji dla kryształków lodu w chmurach. Dlatego jeśli chodzi o wpływ obecnej w atmosferze sadzy na naturalne chmury nie tylko nie potrafimy wyznaczyć wartości wymuszania radiacyjnego. Na razie brak nawet konsensusu naukowego co do jego znaku! Krótko mówiąc, nie wiadomo nawet na pewno czy wpływ ten jest ogrzewający, czy chłodzący. 

Może być tak, jak sugerują wyniki niektórych symulacji: modyfikacja chmur przez sadzę pochodzącą z silników samolotów (a szerzej: przez wszystkie aerozole, za których obecność w atmosferze odpowiada lotnictwo) z nawiązką kompensuje ocieplający wpływ smug kondensacyjnych i powstających z nich chmur. Była by to bardzo dobra wiadomość, ale tego na nie możemy być pewni i nie powinniśmy zakładać. 

Dodatkowym źródłem niepewności jest to, że nie mamy wystarczającej wiedzy na temat liczby i rozmiarów cząstek sadzy emitowanych przez silniki lotnicze. Liczba emitowanych cząstek sadzy (podawana np. na kilogram spalonego paliwa) może w zależności od konkretnego silnika i paliwa różnić się nawet o dwa rzędy wielkości (czynnik 100). Współczynniki konwersji masa – liczba cząstek sadzy zostały opracowane dla niektórych faz lotu (konkretnie dla cyklu start – lądowanie, ang. LTO – Landing and Take-off cycle), ale już nie dla lotu na wysokości przelotowej, gdzie zazwyczaj samolot spędza najwięcej czasu i spala najwięcej paliwa. 

Na ile jesteśmy pewni tego, co wiemy o wpływie lotnictwa na klimat? 

Niektóre z opisanych wyżej mechanizmów oddziaływania transportu lotniczego na klimat znamy i rozumiemy lepiej, inne gorzej. Widać to dobrze już choćby tylko z porównania przedziałów ufności, z jakimi wyznaczona jest wartość efektywnego wymuszenia radiacyjnego dla różnych procesów. Najlepiej poznany (jak napisałoby IPCC – z wysokim poziomem pewności) jest wpływ emitowanego przez samolotu CO₂, dla którego jak widzieliśmy potrafimy dość precyzyjnie podać wartość wymuszenia radiacyjnego.

O średnim stopniu pewności możemy mówić w przypadku dwóch z czterech procesów związanych z emisjami tlenków azotu: zmniejszaniu stężenia metanu (CH₄) oraz krótkoterminowym zwiększaniu stężenia ozonu (O₃). Dla dwóch pozostałych procesów związanych z obecnością NO_x w atmosferze (zmniejszanie stężenia O₃ w dłuższej skali czasu i zmniejszanie ilość pary wodnej w stratosferze) stopień pewności naszej wiedzy oceniany jest jako niski. 

Podobnie jest jeśli chodzi o bezpośrednie oddziaływanie aerozoli (sadzy i siarczanów) z promieniowaniem oraz wpływ na klimat smug kondensacyjnych (cirrus homogenitus) i powstających z nich chmur pierzastych (cirrus homomutatus). W tym ostatnim przypadku luki w naszej wiedzy dotyczą choćby procesu transformacji smug w chmury. Najniższy stopień pewności mamy jeśli chodzi o pośredni wpływ aerozoli, czyli ich wpływ na naturalne chmury. Niepewność dotycząca wpływu lotnictwa na klimat zdominowana jest więc przez czynniki inne niż emisja CO₂.

Wpływ lotnictwa na klimat: podsumowanie

Lotnictwo cywilne – przede wszystkim loty pasażerskich samolotów odrzutowych – wpływają na klimat Ziemi na wiele sposobów. Jeśli popatrzymy na wartość wymuszania radiacyjnego, to okazuje się że najważniejszy jest wpływ smug kondensacyjnych i powstających z nich chmury pierzastych. Jest on większy nawet od wpływu wyemitowanego do tej pory przez samoloty dwutlenku węgla. 

Między tymi dwoma procesami jest jednak istotna różnica. Czas życia smug jest krótki, natomiast CO₂ pozostaje w atmosferze bardzo długo. Szerzej, względne znaczenie różnych procesów zawiązanych z lotnictwem zależy od skali czasu, w jakiej patrzymy na ich wpływ na ziemski klimat. W przypadku większości z nich (poza emisją CO₂) wpływ ten jest krótszy niż rok (w przypadku smug kondensacyjnych jedynie rzędu dni). Tylko w przypadku wpływu zmniejszania stężenia metanu przez tlenki azotu skala czasu jest dłuższa (dekady). 

Dlatego gdyby z nieba zniknęły nagle wszystkie samoloty, to silny, ogrzewający wpływ smug szybko spadł by do zera, natomiast wyemitowany przez samoloty dwutlenek węgla będzie ogrzewał naszą planetę jeszcze przez tysiące lat. Jednak jak długo samoloty będą latać i tworzyć smugi kondensacyjne, z których dodatkowo będą powstawać chmury pierzaste, tak długo będziemy mieć do czynienia z silnym, ocieplającym wpływem obu rodzajów chmur na klimat.

Jeśli weźmiemy pod uwagę zarówno emisje CO₂, jak i inne procesy związane z przelotami samolotów pasażerskich (w tym powstawanie smug kondensacyjnych i tworzących się z nich chmur pierzastych), okaże się, że wkład lotnictwa do efektywnego wymuszania radiacyjnego związanego z działalnością człowieka wyniósł w 2011 r.  ok. 3,5 proc. (Lee i in., 2021), a w kolejnych latach lekko wzrósł (do ok. 3,7 proc. – obliczone na podstawie ERF lotnictwa wyznaczonego przez  Lee i in., 2021 dla 2018 i całkowitego wymuszania antropogenicznego podanego dla 2019 w raporcie IPCC, 2021).  Do roku 2019 lotnictwo podgrzało Ziemię już o ok. 0,04 ± 0,02°C, z czego aż o 0,03°C od 1990 roku (Klöwer i in. 2021). Dla porównania, wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi od lat 1850-1900 do 2011-2020 wyniósł 1,09°C (IPCC, 2021). 

Przewiduje się, że do połowy tego stulecia lotnictwo będzie odpowiadało za wzrost temperatury Ziemi o ok. 0,1°C (dokładniej: 0.09 ± 0.04°C), z czego ponad połowa przypadnie na trzy najbliższe dekady (Klöwer i in. 2021). Przypomnijmy zaś, że celem, na który zgodziły się wszystkie kraje świata, jest w miarę możliwości zatrzymanie ocieplania się klimatu na poziomie 1,5°C względem epoki przedprzemysłowej, a dziś jesteśmy już na poziomie ocieplenia o 1,1°C. Jeśli nie podejmiemy odpowiednich działań ograniczających oddziaływanie tego sektora na klimat, jego wpływ na ocieplenie będzie oczywiście trwał także po roku 2050.    

Jakub Jędrak, konsultacja merytoryczna: dr Aleksandra Kardaś i prof. Szymon Malinowski

The post Wpływ lotnictwa na klimat – smugi kondensacyjne i chmury appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Powstawanie chmur i skład chmur

Do tej pory koncentrowaliśmy się na oddziaływaniu promieniowania z gazami cieplarnianymi, jednak nie są one jedynymi składnikami atmosfery mającymi wpływ na jej bilans radiacyjny. Powierzchnia mórz, oceanów, gleby, a także rośliny w procesie parowania dostarczają wodę do dolnych warstw atmosfery. Jak pamiętamy z części pierwszej cyklu, gdy powietrze się wznosi, ulega ochłodzeniu wskutek rozpręąnia (im wyśej tym niższe ciśnienie). Im niższa jest temperatura powietrza, tym mniej pary wodnej może ono zawierać. Temperatura, w której para wodna znajdująca się aktualnie w powietrzu nasyciłaby się, nazywana jest punktem rosy. Kondensacja, czyli zamiana pary wodnej w ciecz, zachodzi, gdy temperatura powietrza zawierającego tę parę spadnie do lub poniżej punktu rosy. Możliwe jest też bezpośrednie przejście ze stanu gazowego w stały (lód), czyli resublimacja.

Spadek temperatury nie jest jedynym warunkiem kondensacji. Ze względu na silną barierę napięcia powierzchniowego wody, pojedynczym molekułom trudno jest się połączyć. Dlatego kondensacja nie zachodzi w powietrzu absolutnie czystym, nawet przy dużym przesyceniu parą wodną. Potrzebne są jeszcze jądra kondensacji, czyli mikroskopijne cząsteczki, na których para wodna może osiadać, co ułatwia zapoczątkowanie powstawania kropel lub kryształków lodu.

Chmury to skupiska kropelek wody lub kryształków lodu tak małych, że opór powietrza skutecznie hamuje ich opadanie do prędkości milimetrów lub centymetrów na sekundę, dzięki czemu mogą długo utrzymywać się w powietrzu. Z jednej strony odbijają one światło słoneczne, zwiększając tym samym albedo Ziemi i ochładzając ją, z drugiej zaś składają się z wody, silnej substancji cieplarnianej, utrudniają więc ucieczkę promieniowania podczerwonego w kosmos, co powoduje wzrost temperatury powierzchni Ziemi. To, czy przeważa efekt chłodzący powierzchnię, czy ogrzewający ją, zależy od rodzaju chmury.

Stężenie pary wodnej szybko spada wraz z wysokością – niskie chmury zawierają więc z reguły nawet 10–100 razy więcej wody niż chmury wysokie. Te ostatnie składają się z rzadko rozmieszczonych w przestrzeni kryształków lodu (rzadko – kropelek) i w związku z tym przepuszczają większość padającego na nie światła.

Oddziaływanie chmur z promieniowaniem

Chmury i promieniowanie słoneczne

Bardzo istotne dla albedo chmury jest to, czy składa się ona z kryształków lodu, czy z kropel, oraz rozmiar i koncentracja tych cząstek. Kryształki lodu bardzo skutecznie odbijają światło. Krople wody raczej odchylają bieg światła, niż je odbijają – tak więc padające z góry promienie słoneczne, rozpraszając się na kropelkach, nadal w większości będą biec w kierunku powierzchni Ziemi. O skuteczności rozpraszania światła decyduje też rozmiar kropli – małe krople rozpraszają światło bardziej wydajnie i bardziej równomiernie we wszystkich kierunkach. Z kolei kryształki rozmieszczone są na ogół rzadziej niż krople, w efekcie czego chmury wodne mają większe albedo i są bardziej „nieprzeźroczyste” niż chmury lodowe. Pewna część energii promieniowania jest także absorbowana, przy czym stosunek rozpraszania do absorpcji zależy od wielu różnych czynników.

Chmury i promieniowanie długofalowe (podczerwone)

W zakresie podczerwieni chmury są niemal ciałami doskonale czarnymi tak, że widmo promieniowania emitowanego przez nie zależy tylko od ich temperatury. Promieniowanie z górnych partii chmur ucieka w kosmos, bardzo ważna jest więc wysokość, na której znajduje się wierzchołek chmury. W typowych warunkach panujących w troposferze im wyżej, tym niższa jest temperatura. Wierzchołki chmur wysokich są zimne i emitują promieniowanie podczerwone właściwe dla niskich temperatur, chmury bliskie powierzchni Ziemi mają zaś temperaturę znacznie bliższą temperaturze powierzchni. Wyraźnie widać to na rysunku 4, pokazującej widma opuszczającego Ziemię promieniowania podczerwonego w zależności od zachmurzenia.

Na wykresie a) widzimy widmo dla bardzo niskich chmur warstwowych nimbostratus. Temperatura ich górnej powierzchni, leżącej na wysokości zaledwie 660 metrów jest niewiele niższa od temperatury powierzchni Ziemi – widmo promieniowania jest więc bardzo zbliżone do widma obserwowanego dla bezchmurnego nieba, co szczególnie wyraźnie widać w oknie atmosferycznym (porównaj z rysunkiem 3 w trzeciej części cyklu).

Na wykresie b) pokazano emisję z wyższych chmur stratus o górnej granicy na wysokości 2 km. W oknie atmosferycznym można zauważyć, że promieniowanie pochodzi z obszaru o temperaturze niższej niż w przypadku chmur niżej położonych, a w przestrzeń ucieka mniej energii.

Widmo pokazanej na wykresie c) chmury altostratus (mającej górną granicę na wysokości 3 km) jest charakterystyczne dla ciała o jeszcze niższej temperaturze – ucieczka energii w przestrzeń jest jeszcze mniejsza.

Chmury a–c) były chmurami optycznie grubymi (zupełnie nieprzezroczystymi), za to pokazana na wykresie d) chmura pierzasta cirrus jest niemal przeźroczysta (optycznie cienka, patrz też rysunek 2). Choć występuje na dużej wysokości, gdzie temperatura jest bardzo niska, w oknie atmosferycznym nie obserwujemy widma, którego można by oczekiwać, gdyby wypromieniowało je ciało o typowej dla takiej wysokości temperaturze 250 K. Dlaczego? Ponieważ większość promieniowania wyemitowanego z powierzchni Ziemi w długościach fal okna atmosferycznego przechodzi przez chmurę cirrus bez przeszkód – obserwujemy więc faktycznie promieniowanie pochodzące z powierzchni. A dlaczego temperatura w oknie atmosferycznym jest trochę niższa? Ponieważ pewna niewielka część promieniowania jest jednak pochłaniana przez chmurę i wypromieniowywana zgodnie z widmem ciała doskonale czarnego o temperaturze 250 K. Zaznacza się to w części widma odpowiadającej pasmu absorpcyjnemu pary wodnej (18 i więcej mikrometrów), gdzie wykres opada od linii 260 K (zielona) do 240 K (fioletowa).

Które chmury chłodzą, a które grzeją klimat?

Chmury niskie, składające się z licznych, stosunkowo gęsto rozmieszczonych kropli wody, w ciągu dnia silnie odbijają promieniowanie słoneczne. Mimo tego, że znacznie przyczyniają się do efektu cieplarnianego (para wodna to efektywny gaz cieplarniany), to sumarycznie rzecz biorąc, ich obecność schładza powierzchnię Ziemi.

Chmury wysokie z kolei, składające się co prawda z kryształków lodu, ale za to bardzo rzadko rozmieszczonych, słabiej odbijają padające promieniowanie krótkofalowe. Jednocześnie jednak skutecznie blokują ucieczkę promieniowania podczerwonego Ziemi w kosmos, co powoduje, że ich obecność efektywnie ogrzewa powierzchnię Ziemi.

Szacuje się, że wypadkowy wpływ chmur na bilans energii planety jest chłodzący – efekt podwyższenia albedo planety wynosi ok. 50 W/m² i przeważa nad zwiększeniem efektu cieplarnianego wynoszącym ok. 26 W/m² (Zhang i in., 2003).

Chmury niskie sprzyjają ochładzaniu, a wysokie ocieplaniu klimatu.

Zachmurzenie (podobnie jak zawartość pary wodnej w atmosferze) dostosowuje się do panujących w atmosferze warunków – temperatur, dostępności pary wodnej i jąder kondensacji. Zmiany zachmurzenia mają z punktu widzenia klimatu charakter sprzężenia zwrotnego – są wynikiem zmian stanu atmosfery powodowanych przez inne czynniki oraz mają wpływ na klimat.

Wpływ zmian natężenia promieniowania kosmicznego na chmury

Nie jest to istotny efekt, lecz raczej nagłośniona w mediach ciekawostka, pokazująca, że nie każda hipoteza okazuje się prawdziwa.

W latach dziewięćdziesiątych XX wieku Henrik Svensmark postawił hipotezę wiążącą ocieplenie klimatu z galaktycznym promieniowaniem kosmicznym i jego możliwym wpływie na chmury.

Opierała się ona na założeniu, że cząstki promieniowania mogą sprzyjać powstawaniu chmur, które z kolei odbijają promieniowanie słoneczne. A więc jeśli w wyniku wzmocnienia pola magnetycznego Słońca (co ma miejsce w okresach wzmożonej aktywności słonecznej) do Ziemi dociera mniej cząstek promieniowania kosmicznego, powinniśmy obserwować mniejsze zachmurzenie i zwiększone natężenie światła słonecznego, a co za tym idzie – silniejsze ogrzewanie naszej planety.

Badania wykazały jednak, że cząsteczki galaktycznego promieniowania kosmicznego nie mają dużego udziału w powstawaniu zachmurzenia. Można to wykazać na podstawie analizy danych pomiarowych. Podczas ostatnich pięciu dekad liczba cząstek galaktycznego promieniowania kosmicznego docierającego do Ziemi wraz ze spadkiem aktywności słonecznej rosła.

Gdyby hipoteza wpływu natężenia promieniowania kosmicznego na klimat była prawdziwa, wzrost intensywności promieniowania kosmicznego powinien powodować w tym czasie ochładzanie klimatu i szczególnie niskie średnie temperatury w ostatnich kilku latach. Tymczasem dzieje się coś przeciwnego: jednocześnie z dużymi natężeniami galaktycznego promieniowania kosmicznego obserwujemy rekordowo wysokie wartości średniej temperatury powierzchni Ziemi.

Ponadto, ponieważ w wysokich szerokościach geograficznych wahania natężenia promieniowania kosmicznego są znacznie większe niż w innych obszarach, gdyby promieniowanie kosmiczne silnie wpływało na chmury, należałoby oczekiwać większych zmian zachmurzenia w regionach polarnych. Niczego takiego nie zaobserwowano. Po wybuchu reaktora w Czarnobylu, w wyniku którego do atmosfery trafiła bardzo duża ilość powodujących jonizację radioaktywnych nuklidów, również nie stwierdzono wzrostu pokrywy chmur. Brak istotnego wpływu promieniowania na formowanie się chmur wykazał też prowadzony w CERN (Europejska Organizacja Badań Jądrowych, fr. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) eksperyment „CLOUD”.

Warto też dodać, że blisko 40 tys. lat temu natura przeprowadziła eksperyment (tzw. zdarzenie Laschampa), w którym doszło do zamiany biegunów magnetycznych miejscami, a siła pola magnetycznego Ziemi podczas tego procesu spadła do zaledwie 5% obecnej. Natężenie promieniowania kosmicznego docierającego do powierzchni Ziemi wzrosło w związku z tym dwukrotnie, pozostawiając w rdzeniach lodowych ślady wzmożonej produkcji izotopów kosmogenicznych takich jak ¹⁰Be i ¹⁴C. Co wtedy się stało z klimatem?

Nic szczególnego.

Nie świadczy to oczywiście, że promieniowanie kosmiczne w ogóle nie wpływa na klimat – jednak jest to wpływ mało znaczący.

Czytaj dalej – o znaczeniu aerozolu atmosferycznego dla bilansu radiacyjnego Ziemi.

Artykuł jest przeredagowanym na potrzeby publikacji w internecie fragmentem książki Marcina Popkiewicza, Aleksandry Kardaś i Szymona Malinowskiego pt. Nauka o klimacie.

The post Efekt cieplarniany dla średniozaawansowanych (5): Wpływ chmur appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Strefa pasatów – wiatrów wiejących w dolnej części atmosfery od zwrotników w stronę równika, ze składową wschodnią (ze wschodu na zachód) – ma ogromne znaczenie dla klimatu Ziemi. Masy powietrza, przepływając nad oceanem (im bliżej równika, tym cieplejszym) pobierają z niego ciepło i wilgoć.

W okolicach równika to wilgotne powietrze napływające z północy i południa wznosi się w procesie głębokiej konwekcji do góry, a energia uwolniona podczas kondensacji pary wodnej napędza globalną cyrkulację atmosfery (rysunek 3). Powietrze wypływające górą z chmur równikowych zasila tzw. antypasat, płynący w kierunku północno-wschodnim w wyższych warstwach troposfery.

Jednak ważny jest nie tylko równik (strefa zbieżności, gdzie spotykają cie pasaty z półkul północnej i południowej) i głęboka konwekcja, ale także to, co dzieje się z powietrzem w trakcie wędrówki z pasatem w kierunku równika. W tym obszarze nad oceanem powstają w dolnej części troposfery chmury konwekcyjne, które także produkują deszcz, a oprócz tego odbijają promieniowanie słoneczne. Tę tak zwaną komórkę cyrkulacyjną Hadleya domykają obszary osiadania powietrza w szerokościach ok. 35 stopni, bezchmurne lub pokryte niemal ciągłą warstwa chmur stratocumulus.

Organizacja konwekcji – główny temat kampanii

Patrząc na Ziemię z satelity zwracamy uwagę, że chmury pasatowe układają się w różne wzory. To efekt różnej organizacji konwekcji. Od czego ona zależy? To zagadnienie jest jeszcze słabo rozumiane i właśnie dlatego naukowcy z Europy i Ameryki postanowili zorganizować wielką kampanię pomiarową, mającą pogłębić wiedzę na ten temat.

Dawniej, uważano że cykl dobowy nad oceanem jest zaniedbywalny, jednak później zauważono, że struktury konwekcyjne nad morzem zmieniają się nieco w ciągu doby. Celem projektu EUREC⁴A jest zebranie solidnego zestawu pomiarów in-situ całych zespołów chmur, ich organizacji, zmian w czasie, jednocześnie z pomiarami dobowego cyklu zmienności cienkiej, naskórkowej warstwy powierzchni wody (więcej na ich temat przeczytasz w tekście Jak i po co mierzymy temperaturę oceanu) oraz strumieni wilgoci, ciepła i pędu, czyli wymiany wody, ciepła i pędu między powierzchnią oceanu a atmosferą.

Dodatkowo, na to co dzieje się w dolnej warstwie atmosfery wpływa to, co jest powyżej i na odwrót. Antypasat i prądy strumieniowe zwrotnikowe (bliżej równika), wpływają na głębokość warstwy pasatowej z chmurami. Można także udokumentować różnego rodzaju oddziaływania z niżami i wyżami wyższych szerokości geograficznych. Oczywiście, od tego, jak zorganizowana jest konwekcja w strefie pasatowej, jaką powierzchnię zajmują chmury, a jaką obszary bezchmurne, zależy albedo tego obszaru, czyli zdolność odbijania promieniowania słonecznego.

Pisaliśmy wielokrotnie (np. w artykule „Morskie chmury: nowo odkryte sprzężenie zwrotne destabilizujące klimat cieplarnianej Ziemi”), że chmury mogą stanowić kolejne dodatkowe sprzężenie zwrotne wzmacniające nasze wymuszenie gazami cieplarnianymi procesów klimatycznych. Czy w cieplejszym klimacie chmury będą układać się w takie same wzory? Czy zachmurzenie wzrośnie czy zmaleje? Czy te same wzory będą występować w powiększającej się wraz z ociepleniem komórce Hadleya?

Najnowsze symulacje modelami globalnymi pokazują, że chmur w obszarach pasatów może być mniej, przez co wskutek mniejszego albedo globalne ocieplenie będzie silniejsze, niż wydawało nam się do tej pory (patrz Wyższa czułość klimatu w nowym raporcie IPCC?). Jednak nie wiemy tego na pewno. Modele klimatu mają bardzo uproszczony opis chmur. Celem projektu EUREC⁴A jest lepsze zrozumienie oddziaływania chmur z oceanem w strefie pasatów, cyklu dobowego wzorów konwekcji, zależności organizacji konwekcji od cech oceanu i tego, co się dzieje ponad warstwą pasatową, po to żeby zweryfikować tezę o wyższej, niż nam się do tej pory wydawało, czułości klimatu.

Zarys kampanii

Projekt jest ogromny, część europejska jest uzupełniona amerykańską kampanią ATOMIC. W sumie bezpośrednio w pomiarach bierze udział ponad 50 instytucji naukowych. Dalszych 30 instytucji jest zaangażowanych zdalnie, przygotowując specjalne dane satelitarne, modelując pogodę z niespotykaną rozdzielczością, wykonując specjalne symulacje numeryczne cyrkulacji oceanicznych i udzielając różnego rodzaju bezpośredniego wsparcia naukowego.

Na miejscu, na Barbados, najbardziej na wschód wysuniętej wyspie archipelagu Małych Antyli, oraz na statkach badawczych na zachód i południe od tej wyspy pracuje w tej chwili niemal 400 naukowców z 7 krajów (Barbados, Francja, Holandia, Niemcy, Polska, USA, Wielka Brytania). Prowadzą skoordynowane pomiary różnorodnych własności oceanu od głębokości kilkuset metrów, dokładne badania warstwy powierzchniowej, granicy atmosfera-ocean oraz atmosfery, począwszy od warstwy przywodnej po górną troposferę.

Pomiary zaplanowane są tak, aby uzupełniały się nawzajem. Oprócz czterech statków badawczych ocean przemierza kilkanaście dronów: część z nich to zanurzające się w głąb morza „szybowce morskie” (sea-glidery), część pływa po powierzchni. Cztery samoloty badawcze wykonują skoordynowane loty, które pozwalają poznać pionową i poziomą strukturę atmosfery, własności chmur, strumienie ciepła i wilgoci oraz aerozole i opad. Specjalne stacje badawcze na brzegu wyspy Barbados oraz specjalnie przywieziony i zamontowany w tym celu radar opadowo-chmurowy śledzi obszar pomiarów. Na samolotach i statkach zainstalowane są nie tylko czujniki in situ ale także radary, lidary oraz balony na uwięzi. Więcej o platformach pomiarowych: ATOMIC, EUREC⁴A.

Plan badań

To co dzieje się w okolicy Barbados zależy przede wszystkim od transportu ciepła, wilgoci i pędu w atmosferze i oceanie. W ramach kampanii analizujemy dwa obszary, które oddziałują na rejon badań. Po pierwsze, w tak zwanej „alei pasatowej” napływają masy powietrza ze wschodu i północnego wschodu. Po drugie, prąd oceaniczny, tzw. „aleja wielkich wirów”, płynący wzdłuż wybrzeży Ameryki Południowej przynosi ciepłe wody w obszar Antyli i Morza Karaibskiego.

Główny obszar pomiarowy na przecięciu obydwu alei, nieco na wschód od Barbados jest bardzo dobrze zdefiniowany: obejmuje wielkie koło o promieniu 100 km, cały czas obserwowane przez radar chmurowy. Samolot HALO krąży na wysokości 9 km po granicy tego obszaru śledząc go lidarami i radarami z góry, a także spuszczając bardzo precyzyjne sondy, które opadają na spadochronach przez atmosferę. Podczas jednego przelotu po obwodzie obszaru spuszczane jest 8 sond, co pozwala określić napływ i wypływ mas powietrza do obszaru badań na różnych wysokościach.

Kolejne samoloty latają niżej, wewnątrz głównego kręgu. Francuski ATR42, wyposażony w radary „patrzące” horyzontalnie oraz w górę i dół, lata na wysokości chmur po dobrze zaplanowanej prostokątnej trajektorii, aby zebrać informacje obszarowe o położeniu chmur. W chmury wlatuje brytyjski TwinOtter, którego podstawowym zadaniem jest badanie mikrofizyki chmur i turbulencji.

Na tym samolocie zamontowany jest, wraz z innymi przyrządami, unikalny termometr UFT wykonany w Instytucie Geofizyki (IGF) na Wydziale Fizyki UW (FUW), pozwalający mierzyć temperaturę wewnątrz chmur z rozdzielczością centymetrów. Poniżej warstwy granicznej atmosfery i tuż nad powierzchnią morza krąży dron Boreal, zbierający informacje o strumieniach ciepła i pary wodnej.

Podobne koło, dalej na wschód, jest badane głównie przez Amerykanów z samolotu NOAA WP-3D. Dalej jeszcze są dwie super boje zbudowane już kilkanaście lat temu, śledzące stan oceanu. Badania prowadzone na wschód od podstawowego obszaru pozwalają określić, jak zmieniło się powietrze podczas wędrówki z pasatem w kierunku zachodnim.

Laboratoria na statkach pływających wewnątrz obu okręgów (amerykański Ron Brown na wschodzie i niemiecki Meteor wewnątrz głównego kręgu) mierzą pionowe profile temperatury, zasolenie oceanu oraz pewne własności biologiczne warstw powierzchniowych. Na Meteorze jest specjalny balon-latawiec na uwięzi, który może wznieść się na wysokość 1500 m i wykonywać pomiary w chmurach. Obok innych przyrządów na statkach zainstalowane są kolejne termometry z IGF. Są tam też cztery proste drony-śmigłowce, które precyzyjnie profilują najniższe 300 m atmosfery, a także dokonują pomiarów naskórkowej temperatury powierzchni oceanu. Poza tym: lidary, radar, przyrządy do pomiaru aerozolu, natężenia promieniowania słonecznego i długofalowego. Ze statków wypuszczane są drony morskie.

Dwa kolejne statki, niemiecki Maria Meriam i francuski Atalante, pracują w „alei wielkich wirów” na południowy wschód od głównego obszaru badań, aby zbadać masy wody, które potem do niego dopływają. Na statku niemieckim jest kolejny balon-latawiec na uwięzi, który unosi do chmur specjalne oprzyrządowanie do pomiaru turbulencji i mikrofizyki, łącznie z laserowym systemem holografii kropelek chmurowych i kolejnymi termometrami z IGF.

Wszystkie badania, loty, pozycje statków i zadania koordynowane są w centrum operacyjnym, znajdującym się w budynkach Karaibskiej Służby Meteorologicznej oraz centrum Lotnictwa Cywilnego przy lotnisku na Barbados. Co dzień rano mamy odprawy, omówienie poprzedniego dnia, łącznie z raportami ze statków-laboratoriów i planowanie dnia następnego. Wszystko zależy od zmieniającej się sytuacji meteorologicznej.

Dane pomiarowe zbierane podczas eksperymentu będą dostępne publicznie. W tej chwili ustaliliśmy szczegóły tego, jak będziemy pisać podstawowe artykuły na temat badań i ich wyników. Mogę pochwalić się, że nasz przyrząd z IGF FUW na samolocie TwinOtter, mimo wielu trudności z przygotowaniem, działał całkiem dobrze – udało nam się zebrać sporo nieznanych do tej pory informacji o strukturze termicznej chmur w skali centymetrów.

Wszystko to jest bardzo ważne dla zrozumienia, jak chmury zanikają, mieszając się z otoczeniem, jak wyparowują, w jaki sposób tworzą się prądy zstępujące na ich brzegach. Prawdę powiedziawszy, nasze pomiary to tylko jeden drobny element całego wielkiego przedsięwzięcia, i choć ważny, to nie kluczowy. Na kilkuset zaangażowanych naukowców, z Polski pracuje przy eksperymencie tylko 9 osób, reprezentujących trzy instytucje: Uniwersytet Warszawski (5 osób), Instytut Geofizyki PAN (3 osoby) oraz Instytut Oceanologii PAN (1 osoba). Zebrane dane będziemy przetwarzać latami. Będą wykorzystane w modelach prognozy pogody i klimatu, które dopiero powstają.

Prof. dr hab. Szymon Malinowski IGF FUW

The post Kampania pomiarowa EUREC4A, czyli jak się bada chmury i klimat appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Temat zmiany klimatu jest ostatnio bardzo popularny w mediach. Niestety zdarza się w związku z tym, że szukający „newsów” na gorący temat dziennikarze i wydawcy nie dość dokładnie sprawdzają źródła, na których się opierają. Najnowszym przykładem jest medialna „kariera” dwóch doniesień na temat związku zmiany klimatu z zachmurzeniem. Pierwsze to amatorski, zawierający podstawowe błędy tekst umieszczony w otwartym internetowym repozytorium. Drugie to specjalistyczny artykuł, którego wnioski zostały wyolbrzymione w komunikatach prasowych. Oba wykorzystał między innymi anonimowy redaktor JS, w artykule To nie człowiek wywołuje zmiany klimatyczne! Naukowcy nie mają wątpliwości na stronie tygodnika „Najwyższy Czas!”. Na jego przykładzie pokazujemy, jak powstaje dezinformacja.

„Naukowcy”

Już tytuł i otwierający akapit zasługują na komentarz:

Badania przeprowadzone przez fińskich naukowców nie znalazły dowodów na poparcie tezy, iż zmiany klimatu są wywołane przez człowieka. Wyniki badań zostały potwierdzone przez naukowców z Japonii.

Co znaczy naukowcy? Wszyscy? Zgodnie naukowcy z Finlandii i Japonii? Tamtejsze instytuty badawcze? Bynajmniej. Chodzi o pojedyncze osoby. Tego rodzaju uogólnienie to standardowy zabieg mający uwiarygodnić przedstawione stwierdzenia. Na podobnej zasadzie praktycznie co roku jesienią na portalach pogodowych możemy przeczytać, że „rosyjscy naukowcy” w związku ze spadkiem aktywności słonecznej prognozują nadejście epoki lodowej. Tak naprawdę chodzi o jedną osobę – Habibullo Abdusamatova, który od wielu lat, całkowicie nietrafnie prognozuje ochłodzenie klimatu, powołując się na 200-letnie cykle słoneczne (więcej na ten temat w tekście Mit: Nadchodzi globalne ochłodzenie). Ale „rosyjscy naukowcy prognozują” brzmią lepiej od „Habibullo Abdusamatov twierdzi”…

Na podobnej zasadzie w „Najwyższym Czasie” czytamy o fińskich i japońskich naukowcach… Ale przyjrzyjmy się bliżej im i ich pracom.

Fińscy „naukowcy”

Jak przeczytamy w artykule o pracy fińskich naukowców:

Zespół uczonych z Uniwersytetu w Turku w Finlandii opublikował pracę „Brak eksperymentalnych dowodów na znaczącą antropogeniczną zmianę klimatu”. Według nich obecne modele klimatyczne nie uwzględniają wpływu zasięgu chmur na globalne temperatury i powodują przecenianie wpływu wytwarzanych przez człowieka gazów cieplarnianych. (…) Fińscy uczeni odkryli, że ludzkość po prostu nie ma większego wpływu na temperaturę Ziemi.

Autor nawiązuje do tekstu opublikowanego na arXiv.org i podpisanego przez J. Kauppinena i P. Malmiego (to wspomniany „zespół uczonych”). Po pierwsze trzeba zauważyć, że nie jest to recenzowana publikacja naukowa. Tekst na arXiv opublikować może każdy – to otwarte archiwum tekstów (w założeniu naukowych), gdzie każdy może zdeponować i upublicznić swoje badania. Służy temu, żeby naukowcy mogli udostępnić swój tekst przed procesem recenzji i ewentualnego przekazania praw wydawnictwu. Skorzystanie z arXiv nie gwarantuje jednak, że wstawiony tam tekst ukaże się kiedykolwiek w jakimkolwiek czasopiśmie (ani nawet, że zostanie do jakiegoś wysłany). A kim jest główny autor? Zakładając, że podano prawdziwe nazwisko, można sprawdzić, że publikował prace w zakresie spektroskopii i interferometrii, a dopiero ostatnio, po przejściu na emeryturę, zajął się tematem klimatu.

Na razie tekst z arXiv nie został opublikowany w żadnym wiarygodnym czasopiśmie recenzowanym. Nie należy się raczej też tego spodziewać w przyszłości, ponieważ jego wartość merytoryczna jest słaba. Jedynym prawdziwym i udokumentowanym stwierdzeniem jest to, że zmiany zachmurzenia niskiego są skorelowane ze zmianami temperatury powietrza przy powierzchni Ziemi. Nie jest to nic zaskakującego, każdy z nas wie, że gdy chmura przysłoni Słońce, to odbije w kosmos część promieniowania i powierzchnia Ziemi będzie pod chmurą chłodniejsza niż gdyby tej chmury nie było. Jednak oddziaływanie chmur, to bardziej skomplikowana sprawa, o czym wielokrotnie pisaliśmy (Mit: Chmury zapewniają ujemne sprzężenie zwrotne, Chmury, klimat i przyśpieszony wzrost temperatur, Morskie chmury: nowo odkryte sprzężenie zwrotne destabilizujące klimat cieplarnianej Ziemi).

Dalej Kauppinen i Malmi są jeszcze bardziej kreatywni. Podają, bez powołania się na jakiekolwiek źródła, wykresy anomalii temperatury globu i zachmurzenia chmurami niskimi i stwierdzają, że jeśli przemnożyć procentowe zmiany zachmurzenia przez arbitralnie dobrany współczynnik -0,11°C/% można otrzymać wykres kształtem bardzo przypominający wykres zmiany temperatury. Ma to według nich oznaczać, że jedno „można wyjaśnić” drugim.

Dlaczego ten argument jest niesatysfakcjonujący? Dlatego, że nie przedstawia żadnego mechanizmu fizycznego ustalającego związek przyczynowo-skutkowy między zmiennymi oraz uzasadniającego wartość współczynnika. Takiego rodzaju „zgodność” można uzyskać biorąc dowolną serię danych z grubsza skorelowaną z temperaturą i znajdując współczynnik najlepiej dopasowujący tą serię do temperatury. Potem pozostaje już tylko twierdzić, że zmiany tej serii pomiarowej wyjaśniają zmiany temperatury (warto zauważyć, że podobna „analizę” zrobili przedstawiciele kościoła Latającego Potwora Spaghetti, wiążąc zmiany temperatury ze spadkiem światowej populacji piratów).

Nic tak chyba nie eksponuje braku wiedzy autorów artykułu jak przytoczony w artykule JS cytat:

„Jeśli zwrócimy uwagę na fakt, że tylko niewielka część zwiększonego stężenia CO₂ jest antropogeniczna, musimy uznać, że antropogeniczna zmiana klimatu w praktyce nie istnieje” – napisali [autorzy artykułu].

Jeśli zajrzymy do pracy, odkryjemy, że w kolejnym zdaniu autorzy dodają:

Większość dodatkowego CO₂ jest emitowana z oceanów, zgodnie z prawem Henry’ego.

Atmosferyczna koncentracja CO₂ w ostatnim stuleciu skoczyła do poziomu najwyższego od wielu milionów lat (piszemy o tym w artykule Zmiany stężeń CO2, CH4 i N2O w ostatnich 800 000 lat: antropocen na sterydach). Czy ten bezprecedensowy wzrost faktycznie mógłby być skutkiem wzrostu temperatury oceanów i wynikającego z tego spadku rozpuszczalności CO₂ i w konsekwencji jego emisji do atmosfery? Nie. Zgodnie z rządzącym rozpuszczalnością gazów prawami można policzyć, że wymagałoby to wzrostu temperatury wód oceanów o ponad 10°C, co nie miało miejsca (temperatura powierzchni oceanów wzrosła o niecały stopień Celsjusza, a głębin znacznie mniej, na głębokości 700 metrów rosnąc w tempie 0,015°C/dekadę). Ponadto, obserwowane zakwaszanie się oceanów świadczy o pochłanianiu (a nie emitowaniu) przez nie dodatkowego dwutlenku węgla (czytaj więcej).

O tym, że to nie emisje CO₂ z oceanów są przyczyną wzrostu koncentracji tego gazu w atmosferze, świadczy też wiele innych obserwacji. Przeczytasz o nich w tekście Mit: To ocean emituje dwutlenek węgla. Jeśli chcesz wiedzieć, jak to możliwe, że stosunkowo małe emisje związane z działalnością człowieka doprowadziły do znaczącego wzrostu koncentracji tego gazu w atmosferze, zajrzyj do artykułu Mit: Dwutlenek węgla emitowany przez człowieka nie ma znaczenia.

Najlepiej stopień wiedzy autorów na temat, który „naukowo” badają, przedstawia lista cytowanych publikacji, która przytoczymy in extenso:

1. T.F. Stocker, D. Qin, G.-K. Plattner, L.V. Alexander, S.K. Allen, N.L. Bindoff, F.-M. Breon,J.A. Church, U. Cubasch, S. Emori, P. Forster, P. Friedlingstein, N. Gillett, J.M. Gregory,D.L. Hartmann, E. Jansen, B. Kirtman, R. Knutti, K. Krishna Kumar, P. Lemke, J. Marotzke,V. Masson-Delmotte, G.A. Meehl, I.I. Mokhov, S. Piao, V. Ramaswamy, D. Randall, M. Rhein,M. Rojas, C. Sabine, D. Shindell, L.D. Talley, D.G. Vaughan, and S.-P. Xie. Technical Summary, book section TS, page 33115. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdomand New York, NY, USA, 2013.
2. J. Kauppinen, J. Heinonen, and P. Malmi. Influence of relative humidity and clouds on the global mean surface temperature.Energy & Environment, 25(2):389–399, 2014. 
3. J. Kauppinen, J. Heinonen, and P. Malmi. Major portions in climate change; physical approach. International Review of Physics, 5(5):260–270, 2011. 
4. J. Kauppinen and P. Malmi. Major feedback factors and effects of the cloud cover and the relative humidity on the climate.arXiv e-prints, page arXiv:1812.11547, Dec 2018. 
5. G. Myhre, E. J. Highwood, K. P. Shine, and F. Stordal. New estimates of radiative forcing due to well mixed greenhouse gases. Geophysical Research Letters, 25(14):2715–2718, 1998. 
6. J. Kauppinen and P. Malmi. To be published

Widać, że Kauppinen i Malmi nie potrafią nawet prawidłowo zacytować ostatniego Raportu IPCC (pierwsza pozycja), powołują się (bez adekwatnego odniesienia w tekście) na jedną pracę na temat wymuszenia radiacyjnego sprzed ponad 20 lat oraz na swoje prace opublikowane w trzeciorzędnych czasopismach nie mających nic wspólnego z klimatologia i fizyką chmur albo „wrzucone” do otwartego archiwum.

I to by było na tyle na temat ich wiedzy i kompetencji w temacie oraz jakości wyciąganych wniosków.

Promieniowanie kosmiczne a klimat

W dalszej części artykułu JS dowiemy się o japońskich naukowcach badających związek między zmianami natężenia docierającego do Ziemi promieniowania kosmicznego a zmianami zachmurzenia, przekładającymi się z kolei na zmiany temperatury powierzchni:

Do podobnych wniosków jak zespół z Turku doszli japońscy naukowcy z Uniwersytetu w Kobe. W pracy opublikowanej na początku lipca, stwierdzili że ​​zasięg chmur może stworzyć „efekt parasolowy”, który może zmienić temperatury w sposób nieuwzględniony w obecnych modelach. Nowe dowody sugerują, że wysokoenergetyczne cząstki z kosmosu znane jako galaktyczne promienie kosmiczne wpływają na klimat Ziemi poprzez zwiększanie pokrywy chmur, powodując „efekt parasolowy”.

Hipoteza wiążąca ocieplenie klimatu z galaktycznym promieniowaniem kosmicznym (znana też jako hipoteza Svensmarka) opiera się na założeniu, że cząstki promieniowania mogą „zasiewać” chmury, które z kolei odbijają promieniowanie słoneczne. A więc jeśli do Ziemi dociera mniej cząstek promieniowania kosmicznego (czy to w wyniku wzmocnienia pola magnetycznego Ziemi czy Słońca, działających jak tarcze przed promieniowaniem kosmicznym), powinniśmy obserwować mniejsze zachmurzenie i zwiększone natężenie światła słonecznego, a co za tym idzie – silniejsze ogrzewanie naszej planety. Z kolei słabnięcie pól magnetycznych Ziemi lub Słońca powinno prowadzić do wzrostu strumienia cząstek promieniowania kosmicznego docierających do dolnych warstw atmosfery, wzmożonego zasiewania niskich chmur i spadku temperatury.

Autor artykułu w „Najwyższym Czasie!” odnosi się tu do artykułu Hyodo i in., 2019, opublikowanego w Scientific Reports. W artykule analizowane są metodami paleoklimatologicznymi zmiany położenia frontu monsunowego (granicy, do której dociera latem wilgotne powietrze z monsunu azjatyckiego) podczas ostatniego przebiegunowania Ziemi, mającego miejsce 790 tysięcy lat temu, kiedy to ziemskie pole magnetyczne uległo wyjątkowo znaczącemu osłabieniu, dopuszczając do powierzchni Ziemi szczególnie silny strumień cząstek promieniowania kosmicznego.

Według autorów, zmiany frontu powinny być wywołane zmianami zachmurzenia związanymi z hipotezą Svensmarka, choć nigdzie nie podają mechanizmu tego efektu. Jak sami piszą w pracy – moment przebiegunowania wybrali do badań wpływu promieniowania kosmicznego na zachmurzenie m.in. ze względu na to, że obecne dowody na działanie tego efektu są słabe. W rzeczywistości mamy wręcz mocne dowody na to, że jonizacja cząsteczek znajdujących się w atmosferze przez cząstki galaktycznego promieniowania kosmicznego nie jest efektywnym mechanizmem wspomagającym powstawanie chmur (czytaj także: O tym, jak promieniowanie kosmiczne NIE wpływa na klimat).

Dodatkowo warto zauważyć, że w ostatnich dziesięcioleciach liczba cząstek galaktycznego promieniowania kosmicznego docierającego do Ziemi wzrosła (w wyniku słabnącej aktywności słonecznej). Gdyby hipoteza Svensmarka była prawdziwa, wzrost intensywności promieniowania kosmicznego powinien powodować wzrost zachmurzenia i szczególnie niskie średnie temperatury globu w ostatnich kilku latach. Tymczasem dzieje się coś przeciwnego: jednocześnie z dużymi natężeniami galaktycznego promieniowania kosmicznego obserwujemy rekordowo wysokie średnie temperatury powierzchni Ziemi.

Ważna jest jeszcze jedna sprawa. W opublikowanej pracy nie wyjaśnia się DE FACTO związku między zmianą położenia frontu monsunowego i zachmurzeniem chmurami niskimi. Hyodo i koledzy spekulują, że zmiany te były efektem zmian zachmurzenia Wyżu Syberyjskiego chmurami piętra niskiego spowodowanym wpływem promieniowania galaktycznego. Jest to jednak spekulacja pozbawiona podstaw. Na liście cytowanej literatury nie ma odniesienia do ani jednej pracy, która na gruncie fizycznym (dynamiki atmosfery, fizyki chmur czy obserwacji/reanalizy danych) w jakimkolwiek stopniu odnosiłaby się do postulowanego mechanizmu. Co więcej, nie ma odniesienia do ani jednej pracy, która wprost odnosiłaby się do procesów zachodzących w atmosferze!

Zadziwiający jest rozdźwięk tego co w pracy napisano (ciekawe analizy paleoklimatyczne i bardzo słabo udokumentowana próba wyjaśnienia przyczyn zaobserwowanej zmienności pewnym hipotetycznym mechanizmem), z tym, jak jej wyniki prezentowane są w mediach, na podstawie notki prasowej przygotowanej przez samych autorów.

Udokumentowany przeprowadzonymi badaniami wniosek:

Te silne zimowe monsuny zbiegają się w czasie z okresem przebiegunowania, gdy siła pola magnetycznego Ziemi spadła poniżej 1/4 normalnej wartości, a galaktyczne promieniowanie kosmiczne wzrosło o ponad 50%.

jest w niej rozwijany w sposób nie do końca uprawniony, bez oparcia w zawartości pracy:

Sugeruje to, że wzrostowi promieniowania kosmicznego towarzyszył wzrost pokrywy chmur niskich, efekt parasolowy tej pokrywy schłodził kontynent i ciśnienie atmosferyczne wyżu syberyjskiego wzrosło. Wraz z innymi zjawiskami z okresu przebiegunowania – spadkiem średniej rocznej temperatury o 2-3°C oraz wzrostem rocznych amplitud temperatury, o których świadczą osady z Zatoki Osaki – to nowe odkrycie na temat zimowych monsunów dostarcza dowodów, że zmiany klimatu są spowodowane efektem parasolowym chmur.

Drodzy koledzy naukowcy z Japonii! Ja rozumiem potrzebę sławy, ale to nie jest nauka. Tak nie postępują profesjonaliści.

Na koniec swojego artykułu JS zauważa jeszcze:

„Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu (IPCC) opisał wpływ zachmurzenia na klimat w swoich ocenach, ale zjawisko to nigdy nie było brane pod uwagę w prognozach klimatycznych z powodu niewystarczającego fizycznego jego zrozumienia” – twierdzi kierujący japońskimi badaczami profesor Masayuki Hyodo z Centrum Badań Wód Śródlądowych Uniwersytet Kobe.

Faktycznie, zjawisko opisane w artykule Japończyków nie jest brane pod uwagę w prognozach klimatycznych, nawet nie z tego powodu, że nie jest ono wystarczająco rozumiane czy że nie znamy przyszłych zmian pól magnetycznych Ziemi i Słońca, ale dlatego, że jego wpływ jest marginalny i niepomiernie mniejszy od wpływu innych czynników.

Podsumowując: jeden z tekstów, na które powołuje się JS, w ogóle nie jest recenzowanym artykułem naukowym, ale udającą go publicystyką z elementarnymi błędami, zaś zawartość drugiego absolutnie nie pozwala na stawianie tezy, że „nie ma wątpliwości, że to nie ludzie powodują zmianę klimatu”. Opieranie na nich artykułu o sensacyjnym tytule „To nie człowiek wywołuje zmiany klimatyczne! Naukowcy nie mają wątpliwości.” trudno uznać za coś innego niż świadome lub nieświadome szerzenie dezinformacji.

Prof. Szymon P. Malinowski

The post „Fińscy i japońscy naukowcy” o chmurach – jak powstaje dezinformacja appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Morski stratocumulus – co to za chmura?

Nie od dziś wiadomo, że morskie chmury kłębiasto-warstwowe (marine stratocumulus) odgrywają ważną rolę w bilansie energetycznym naszej planety. Tworzą one stosunkowo jednolite, rozległe pola, pokrywające ok. 20% nieba nad oceanem w rejonie niskich szerokości geograficznych (Eastman i in., 2011). Jest to obszar planety, do którego dociera najwięcej promieniowania słonecznego. Ponieważ stratocumulusy mają wysokie albedo i wydajnie (w 30-60%) odbijają promieniowanie słoneczne z powrotem w kosmos, ogranicza to jego dopływ do powierzchni morza, gdzie zostałoby pochłonięte, ogrzewając powierzchniowe warstwy wody (Wood, 2012). Każda zmiana we własnościach i powierzchni zajmowanej przez te chmury jest więc istotna dla bilansu energetycznego planety.

Powstawanie chmur kłębiasto-warstwowych

Swoją „kłębiastość” chmury zawdzięczają obecności turbulencji, czyli nieregularnych zawirowań powietrza w różnych skalach. W przypadku morskich stratocumulusów kluczowym zjawiskiem prowadzącym do mieszania się powietrza w nich i poniżej, aż do samej tafli oceanu, jest wydajne chłodzenie się ich wierzchołków (górnej powierzchni). Wyziębione w ten sposób powietrze robi się gęstsze i opada, wypychając do góry wilgotne powietrze zasilone parą wodną pochodzącą z powierzchni oceanu (Wood, 2012).

Stałe dostawy wilgoci i ciepła utajonego z dołu i jednoczesne chłodzenie górnej powierzchni to to, czego stratocumulus potrzebuje do przetrwania. Tym bardziej, że w warstwie wierzchołkowej chmura miesza się z suchym powietrzem z wyższych warstw atmosfery, więc kropelki chmurowe, które znajdą się w otoczeniu o małej zawartości pary wodnej odparowują. Z drugiej strony wychładzanie radiacyjne górnych warstw chmury prowadzi do kondensacji pary wodnej.

Delikatna równowaga między parowaniem i kondensacją, dostawą ciepła i wilgoci z dołu a usuwaniem wody w postaci mżawki i wypromieniowywaniem ciepła w górę stanowi o „być albo nie być” morskiego stratocumulusa. W dodatku silna inwersja temperatury nakrywająca chmurę – rezultat wychładzania wskutek wypromieniowania i parowania – uniemożliwia transport pary wodnej w wyższe warstwy atmosfery, tak że powietrze powyżej jest suche (Ma i inni, 2018).

Stratocumulusy a przepływy energii w atmosferze

Jak właściwie działa wspomniane chłodzenie radiacyjne wierzchołków chmur? By odpowiedzieć na to pytanie, trzeba przyjrzeć się wymianie promieniowania podczerwonego pomiędzy kolejnymi piętrami atmosfery. Jak dowiecie się na przykład z naszego tekstu Efekt cieplarniany – jak to działa, podstawowym źródłem tego promieniowania w naszym systemie klimatycznym jest nagrzewana promieniami Słońca powierzchnia Ziemi, zaś dzięki obecności gazów cieplarnianych, kolejne warstwy powietrza mogą je pochłaniać i emitować. Również kropelki wody tworzące chmury kłębiasto-warstwowe skutecznie absorbują i emitują takie promieniowanie.

Ze strony powierzchni Ziemi i przylegającego do niej nagrzanego powietrza (czyli z dołu) chmury mogą liczyć na stałe dostawy energii w procesie konwekcji. Powyżej znajdują się jednak chłodniejsze warstwy atmosfery, zawierające już mniej pary wodnej, a co za tym idzie – pochłaniające i emitujące mniej promieniowania podczerwonego (inaczej mówiąc, związany z nimi efekt cieplarniany jest stosunkowo słaby, czytaj też Mit: para wodna jest najważniejszym gazem cieplarnianym). W rezultacie górna warstwa stratocumulusów bardzo skutecznie się wychładza – wypromieniowuje energię w stronę wyższych warstw atmosfery, ale nie dostaje wiele w zamian (Wood, 2012). Na tej samej zasadzie w gwiaździstą noc dochodzi do silnego wychłodzenia powierzchni Ziemi.

Co się może zmienić?

Jeśli ludzkość będzie w dalszym ciągu emitować do atmosfery coraz więcej długożyjących gazów cieplarnianych (patrz Emisje CO₂ dalej rosną – budżet węglowy 2018), należy spodziewać się dalszego wzrostu ich koncentracji w atmosferze. W przeciwieństwie do pary wodnej, są one stosunkowo dobrze wymieszane, to znaczy znajdują się nie tylko w pobliżu powierzchni Ziemi, ale też wyżej. Wyższe piętra atmosfery staną się dzięki temu mniej przezroczyste dla promieniowania podczerwonego, ogrzeją się i zaczną silniej emitować promieniowanie podczerwone w dół. W rezultacie wzmocni się efekt cieplarniany nad stratocumulusami. Chłodzenie wierzchołków chmur stanie się mniej wydajne i opisana wyżej delikatna równowaga podtrzymująca istnienie stratocumulusów załamie się (Schneider i in., 2019).

Mniej wydajne chłodzenie i związana z nim słabsza kondensacja nie pozwoli na skompensowanie parowania wskutek mieszania z suchym powietrzem troposferycznym i chmury wyparują. W efekcie biała powierzchnia odbijająca promieniowanie słoneczne zniknie, a odsłoni się leżąca pod nią znakomicie pochłaniająca to promieniowanie powierzchnia oceanu (to efekt przypominający związane z zanikiem lodu morskiego Arktyczne wzmocnienie). Zniknie też inwersja temperatury utrudniająca mieszanie i transport pary wodnej w wyższe warstwy atmosfery.

Stratocumulusy – punkt krytyczny

Energia pochłoniętego promieniowania słonecznego spowoduje wzrost temperatury powierzchni morza i nasilenie parowania. W pierwszej chwili można by przypuszczać, że taki efekt sprzyja rozwojowi chmur. Nie jest to jednak takie proste: gdy w unoszącym się powietrzu znajduje się więcej pary wodnej niż dotąd, to gdy dociera ono do poziomu kondensacji (wysokości, na której temperatura jest na tyle niska, że woda zaczyna się skraplać), dochodzi do uwalniania większej niż dotąd ilości energii (ciepło utajone). To z kolei oznacza nasilone ogrzewanie powietrza na tej wysokości, co sprzyja unoszeniu się go i mieszaniu z suchym powietrzem powyżej w znacznie grubszej warstwie niż w wypadku obecności przykrytego inwersją temperatury stratocumulusa. Wzrośnie grubość warstwy powietrza zawierającego duże ilości pary wodnej, co wzmocni lokalnie efekt cieplarniany (tak zwane „sprzężenie pary wodnej”, o którym przeczytasz w tekście Mit: para wodna jest najważniejszym gazem cieplarnianym). Miejsce zanikających pól stratocumulusów (Schneider i in., 2019) zajmą rzadko rozrzucone chmury cumulus. Pokrycie nieba chmurami spadnie z 90-100% (stratocumulus) do 10-15% (cumulus).

Z symulacji przeprowadzonych przez Schneidera i in. (2019) wynika, że utrzymywanie się rozległych pól chmur kłębiasto-warstwowych nad morzami w niskich szerokościach to kolejne zjawisko w systemie klimatycznym Ziemi, które posiada swój punkt krytyczny. Po jego przekroczeniu wystąpi zasadnicza zmiana, którą niełatwo będzie cofnąć: gdy koncentracja dwutlenku węgla osiągnie około 1200 ppm, warunki meteorologiczne nie będą sprzyjać powstawaniu stratocumulusów, lecz raczej rozproszonych chmur kłębiastych. Jak obliczyli badacze, może to w sumie spowodować dodatkowy wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi nawet o 8°C.

Niepokojącą wiadomością jest też to, że obniżenie koncentracji gazów cieplarnianych poniżej punktu krytycznego nie wystarcza do cofnięcia zjawiska, ponieważ występuje tu efekt histerezy: wyniki symulacji wskazują, że ponowne formowanie się pól stratocumulusów możliwe byłoby dopiero po znaczącym spadku stężenia CO2 – być może nawet do poziomu zaledwie ok. 300 ppm (obecna średnia to nieco powyżej 400 ppm).

Jak to odkryto?

Swoje wnioski zespół Schneider i in. (2019) opiera na wynikach podwójnego modelowania numerycznego, czyli obliczeń przeprowadzonych z użyciem programu komputerowego (czytaj więcej w tekście Wirtualny klimat).

W systemie klimatycznym Ziemi zachodzi jednocześnie wiele zjawisk o najróżniejszych skalach czasowych i przestrzennych: od trwających ułamki sekund zawirowań o promieniu pojedynczych milimetrów do utrzymujących się przez wiele dni huraganów czy zwykłych niżów atmosferycznych o średnicy 1000-2000 km. Dokładne rozwiązanie równań opisujących ruch każdej najmniejszej cząstki powietrza byłoby niemożliwe. Dlatego, przygotowując model konkretnego zjawiska, naukowcy upraszczają równania, pozostawiając w nich tylko te człony, które są dla niego kluczowe. Zjawiska w mniejszej i większej skali uwzględnia się w sposób uproszczony.

Na przykład, jeśli chcemy analizować rozwój pojedynczej chmury, skoncentrujemy się na zjawiskach w skali 1-1000 m, założymy natomiast, że powstaje ona w warunkach jakiejś średniej prędkości wiatru lub że prędkość wiatru zmienia się w określony sposób w ciągu dnia itd. – nie będziemy starać się obliczać dokładnej jej wartości na podstawie wielkich układów wysokiego i niskiego ciśnienia. Z kolei gdy chcemy przeanalizować przemieszczanie się niżu atmosferycznego, nie będziemy analizować zachowania pojedynczych chmur. Założymy, że wypełniają one część układu i mają jakieś uśrednione własności (np. zależne od wilgotności i temperatury). Takie uproszczone reprezentacje nazywamy „parametryzacjami”. Oczywiście formułuje się je na podstawie pomiarów i sprawdza, czy dobrze działają.

W globalnych modelach klimatu dokładnie rozwiązuje się równania opisujące dynamikę wielkich układów synoptycznych, natomiast zachowanie poszczególnych chmur podlega parametryzacji. Schneider i in. (2019) wykorzystali te obliczenia, ale dla szczegółowego przebadania chmur w cieplejszym klimacie posłużyli się metodą LES („Large Eddy Simulation” – symulacji dużych wirów). Pozwoliło to dokładnie przeanalizować dynamikę zjawisk chmurowych nad oceanem w niskich szerokościach geograficznych. W przeciwieństwie do wcześniejszych opracowań, pozwolili, by średnia temperatura powierzchni oceanu zmieniała się w zależności od zmian w bilansie energetycznym. Dzięki temu możliwe było zaobserwowanie sprzężeń, których nie udałoby się stwierdzić korzystając osobno z globalnego modelu klimatu i modeli do symulacji LES.
Wniosek: niemiła niespodzianka

Jakie szersze wnioski można wyciągnąć z referowanej pracy? Im klimat (bilans radiacyjny) planety będzie dalszy od tego, w którym żyjemy, tym więcej mechanizmów (sprzężeń) w systemie klimatycznym będzie innych niż te, które znamy. Sprzężenia te będą jeszcze bardziej destabilizować klimat i bardzo szybko zmieniać warunki, w których żyjemy. A zmiana będzie nieodwracalna w długiej skali czasu (Ziemia stabilna czy cieplarniana?). Im lepiej poznajemy mechanizmy klimatyczne, tym lepiej rozumiemy, jak ważne jest dla nas utrzymanie klimatu w ryzach i nieprzekroczenie progu ocieplenia o 1.5C…

Dr Aleksandra Kardaś, prof. Szymon Malinowski

P.S. Stratocumulusy, pomiary ich właściwości a także symulacje tych chmur metodą LES to jedna ze specjalności naszego Zakładu Fizyki Atmosfery. Tapio Schneider i inni wykorzystywali bezpośrednio lub pośrednio wyniki nadań naukowych do których się przyczynialiśmy i przyczyniamy. Trójka naszych absolwentów, którzy uzyskali doktorat w Warszawie, działa w zakresie modelowania chmur w grupie w Jet Propulsion Laboratory NASA w której pracuje też prof. Schneider.

The post Morskie chmury: nowo odkryte sprzężenie zwrotne destabilizujące klimat cieplarnianej Ziemi. appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Przedstawiając takie twierdzenia, muszą je jednak uzasadnić, bo w ziemskim systemie klimatycznym działa wiele sprzężeń wzmacniających ocieplanie klimatu. Na przykład, w cieplejszej atmosferze znajduje się więcej pary wodnej, która będąc gazem cieplarnianym, powoduje dalsze ocieplenie. W cieplejszym klimacie topnieje też lód, zmniejszając albedo Ziemi i prowadząc do pochłaniania większej części docierającej do powierzchni Ziemi energii słonecznej. Jest też wiele innych sprzężeń wzmacniających ocieplanie klimatu, ale niewiele ją osłabiających.

Zachmurzenie w modelach klimatu – dodatnie sprzężenie zwrotne

Jednym z potencjalnych kandydatów na mechanizm sprzężenia ujemnego są chmury. Z jednej strony składają się z wody, więc wzmacniają globalne ocieplenie, blokując ucieczkę promieniowania podczerwonego emitowanego przez powierzchnię Ziemi, ale z drugiej ich albedo jest wysokie, na ogół więc odbijają więcej padającego na nie promieniowania słonecznego niż powierzchnia planety pod nimi. To, który efekt przeważa, zależy od rodzaju chmury, tak więc to, czy zmiany zachmurzenia będą przyspieszać globalne ocieplenie czy spowalniać je, zależy od tego, jak zmieniają się własności chmur w cieplejszym świecie. Mamy trudności z symulacjami numerycznymi zachowania chmur i wyniki w tym obszarze obarczone są sporą dozą niepewności, co umożliwia twierdzenie przez klimatycznych „sceptyków”, że chmury mogą w sumie działać jak termostat stabilizujący zmiany klimatu.

Naukowcy z uniwersytetu Stanforda, Patrick Brown i Ken Caldeira, opublikowali w czasopiśmie Nature badania (Brown i Caldeira, 2017), w ramach których przeanalizowali zgodność prognoz globalnych modeli klimatu z obserwacjami w zakresie opuszczającego Ziemię promieniowania krótkofalowego (odbitego promieniowania słonecznego), opuszczającego Ziemię promieniowania długofalowego oraz nierównowagi bilansu energetycznego na szczycie atmosfery. Weryfikacji podlegały wartości średnie oraz skala zmian sezonowych i miesięcznych.

Modele najlepiej odtwarzające to, co już zaobserwowano, prognozują większy wzrost temperatur w poszczególnych scenariuszach emisji. Na przykład, utrzymanie ocieplenia poniżej progu 1,5°C w scenariuszu szybkiego ograniczenia emisji (RCP2.6) prognozuje tylko 25% najlepszych modeli, w porównaniu do 44% wszystkich modeli. Dla scenariusza emisji „biznes-jak-zwykle” (RCP8.5) to, że ocieplenie do końca stulecia będzie mniejsze niż 4°C, prognozuje zaledwie 7% najlepszych oraz 38% wszystkich modeli. Warto zauważyć, że średni wzrost temperatury prognozowany przez modele najlepiej odtwarzające wyniki obserwacji w scenariuszu emisji RCP4.5 jest równie wysoki co średnia ze wszystkich modeli w scenariuszu RCP6.0. Wskazuje to, że nawet w przypadku dekarbonizacji zgodnej ze scenariuszem emisji RCP4.5 (w którym emisje CO₂ są o 800 mld ton mniejsze niż w scenariuszu RCP6.0), możemy spodziewać się wzrostu temperatury odpowiadającego standardowym symulacjom dla scenariusza emisji RCP6.0. Modele, które najlepiej odtwarzały wyniki pomiarów charakteryzowały się wyższą czułością klimatu – rzędu 3,7°C w porównaniu do średniej wszystkich modeli równej 3,1°C.

Analiza wyników pokazała, że różnica pomiędzy modelami najlepiej symulującymi wyniki obserwacji i pozostałymi w największym stopniu zależy od sposobu symulowania zmian w zachmurzeniu.

Na podstawie jednego badania nie można oczywiście wyciągać zbyt daleko idących wniosków. Jest to już jednak kolejne badanie sugerujące większe wzmacnianie ocieplenia przez chmury.

Zachmurzenie w obserwacjach

Już blisko dekadę temu dwie grupy naukowców (Lauer i inni, 2010, Clement i inni, 2009) niezależnie przeanalizowały zmiany zachmurzenia w rejonie równikowym i podzwrotnikowym, wykorzystując obserwacje meteorologiczne z pokładów statków, pomiary satelitarne oraz modele klimatu. Wnioski płynące z obu prac były podobne: sprzężenie zwrotne związane z chmurami jest w tych obszarach dodatnie, co oznacza dodatkowy wzrost temperatur.

Badania pokrywy chmur nad całą planetą (Dessler 2010), prowadzone za pomocą satelitów, pokazały, że chociaż nie można wykluczyć słabego sprzężenia ujemnego, to, sumarycznie, sprzężenie związane z chmurami jest najprawdopodobniej dodatnie. Opublikowany w Science w 2012 roku artykuł (Fasullo i Trenberth, 2012) również pokazał, że modele, które najdokładniej symulują obserwowane zmiany w zachmurzeniu charakteryzują się szczególnie wysoką czułością klimatu.

Podobnie, jak pokazali w swoim artykule Sherwood i jego koledzy (Sherwood i in. 2014), te modele klimatu, które lepiej odwzorowują obserwowane w naturze procesy konwekcji i zachowanie pary wodnej w atmosferze, charakteryzują się jednocześnie wyższą czułością klimatu. Modele mające wyższą czułością klimatu charakteryzują się intensywniejszym mieszaniem powietrza w dolnej troposferze, co powoduje odwodnienie warstwy granicznej atmosfery (do wysokości 2 km). W takiej sytuacji powstaje mniej niskich chmur (które odbijają dużo padającego światła słonecznego, ochładzając klimat), a transportowana w wyższe warstwy troposfery para wodna, będąc gazem cieplarnianym, blokuje ucieczkę wypromieniowywanego z powierzchni Ziemi długofalowego promieniowania podczerwonego. Więcej piszemy o tym w artykule Chmury, klimat i przyśpieszony wzrost temperatur.

Podsumowanie

Wciąż mamy wiele niepewności na temat tego, jak w ocieplającym klimacie będą zachowywać się chmury i jak wpłynie to na zmianę klimatu. Kolejne badania pokazują jednak, że będą one działać jako sprzężenie dodatnie, silniejsze, niż wcześniej uważano. Chmury nie wybawią nas z kłopotu – konieczne jest szybkie zredukowanie emisji.

Osoby negujące zagrożenie antropogeniczną zmianą klimatu często argumentują, że globalnym ociepleniem nie trzeba się przejmować, bo modele nie są wystarczająco dokładne. Analiza Browna i Caldeiry pokazuje, że choć modele rzeczywiście przedstawiają zróżnicowane prognozy, to nie można tego traktować jak dowodu na to, że modele przeszacowują prognozy zmiany klimatu. Wręcz przeciwnie, rezultaty badania stanowią kolejny argument wskazujący, że największą zmianę klimatu prognozują właśnie modele najlepiej symulujące obecny klimat.

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

The post Lepsza zgodność modelu z obserwacjami – wyższa czułość klimatu appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Jak pisaliśmy już wcześniej w tekście Chmury, klimat i przyśpieszony wzrost temperatur, chmury mogą wzmacniać lub spowalniać ocieplanie klimatu – zależnie od tego, na jakich wysokościach powstają. Do niedawna badania na temat tego, jak zmieniają się i będą zmieniać piętra występowania chmur polegały przede wszystkim na modelowaniu numerycznym. Symulacje zachowania chmur na skalę globalną są bardzo trudne, bo poszczególne chmury są za małe, by być dobrze reprezentowane w modelach systemu klimatycznego Ziemi (czytaj więcej o modelowaniu w tekście Wirtualny klimat). Praca opublikowana w jednym z ostatnich numerów Nature (Norris i in., 2016) pokazuje jednak, że mimo tych trudności, wnioski z symulacji okazały się trafne – potwierdzono je bowiem z użyciem danych satelitarnych.

Satelitarne obserwacje ziemskiej pogody zaczęły się już w latach 60., od programów TIROS i NIMBUS. Dane satelitarne analizowane są na bieżąco, wydawałoby się więc, że nie powinno być problemów z zaobserwowaniem przewidywanych przez naukowców trendów. W rzeczywistości jednak nie jest to takie proste. Przyrządy satelitarne są bardzo złożone i ich wskazania zależą od konstrukcji, rodzaju i stanu użytych materiałów, orbity, pola widzenia i wielu innych czynników. Co kilka lat wymieniane są na nowe, często doskonalsze ale przede wszystkim – inne. Żeby rzetelnie porównać dane zebrane przez kolejne satelity (a nawet jednego satelitę na początku i na końcu jego kariery), trzeba wszystkie te czynniki uwzględnić i naliczyć odpowiednie poprawki.

Joel R. Norris z kolegami przeanalizowali kilka zestawów danych pomiarowych z lat 1983-2009. Wynika z nich, że zmiany zachmurzenia przebiegały tak, jak można się tego było spodziewać, biorąc pod uwagę złożenie ocieplenia powodowanego wzrostem koncentracji gazów cieplarnianych oraz krótkotrwałych ochłodzeń po silnych erupcjach wulkanicznych (El Chichón w roku 1982 i Mt. Pinatubo w 1991). O wpływie wulkanów na klimat przeczytasz więcej w tekście Wulkany odpowiedzialne za… wyjątkowo chłodne lata. Tak jak się spodziewano, obserwacje potwierdziły, że niże atmosferyczne (obszary dużego zachmurzenia i burz) wędrują coraz bliżej biegunów, podzwrotnikowe strefy susz poszerzają się, a wierzchołki chmur sięgają coraz wyżej.

Bardziej szczegółowy obraz zmian przedstawia poniższa mapka. Jak widać, na obu półkulach ubyło chmur nad oceanami w szerokościach umiarkowanych (zwłaszcza nad północnym Atlantykiem) oraz nad południowo-wschodnią częścią Oceanu Indyjskiego. Przybyło za to chmur w wielu rejonach międzyzwrotnikowych (w szczególności nad północno-zachodnim Oceanem Spokojnym) oraz w wysokich szerokościach geograficznych. O ile nie wystąpi żadne nagłe zdarzenie, w rodzaju kolejnej wielkiej erupcji wulkanicznej, naukowcy oczekują utrzymania się tych trendów. Oczywiście nie oznacza to, że chmury zupełnie znikną w niektórych rejonach świata – po prostu będzie ich mniej.

Jak zaobserwowane przez naukowców zmiany zachmurzenia wpływają na klimat? Z naszego punktu widzenia – niekorzystnie. Sprzyjają bowiem nasilaniu się globalnego ocieplenia i to na dwa sposoby.

Po pierwsze, przesuwanie się szlaków niżowych ku biegunom oznacza, że chmury występują tam, gdzie ze względu na ustawienie Ziemi względem Słońca i tak dociera mniej promieniowania słonecznego. Te same chmury „pozostawione” w niższych szerokościach geograficznych w większym stopniu ograniczałyby dopływ energii do powierzchni planety. Co więcej, transportowana w okolice okołobiegunowe wilgoć (para wodna), kondensując się przekazuje lodowi swoją energię utajoną, przyczyniając się do topnienia czap lodowych.

Po drugie to, że wierzchołki chmur sięgają wyżej, oznacza jednocześnie, że same chmury są grubsze. Oznacza to, że pochłaniają więcej promieniowania ziemskiego i zapobiegają jego ucieczce w kosmos. Jak to określił Joel Norris „mamy przez to grubszą kołdrę i silniejsze ocieplanie”. O tym, jak chmury różnych pięter wpływają na klimat przeczytasz więcej w tekście Chmury, klimat i przyśpieszony wzrost temperatur.

Dobra wiadomość jest taka, że nie są to nowo odkryte efekty. Są przewidywane przez modele klimatu, a więc i uwzględniane w obliczeniach tak zwanej czułości klimatu – wielkości mówiącej o spodziewanej zmianie średniej temperatury w odpowiedzi na podwojenie koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze, a która według V raportu podsumowującego badania klimatu przygotowanego przez IPCC wynosi najprawdopodobniej ok. 3°C [1,5-4,5]. Możliwe jednak, że czekają nas jeszcze inne efekty, które mogą dalej pogorszyć sytuację.

Oprócz ogólnego wpływu na klimat, zmiany zaobserwowane przez zespół Norrisa mają też konkretne znaczenie dla lokalnych społeczności – poszerzające się rejony susz oznaczają, że rośnie liczba mieszkańców Bliskiego Wschodu, Afryki Północnej i Afryki Południowej czy Kalifornii dotkniętych niedoborami wody i degradacją terenów uprawnych.

Oczywiście najnowsza praca nie rozstrzyga wszystkich kwestii związanych z chmurami w zmieniającym się klimacie. Do zbadania pozostają na przykład niezwykle istotne z punktu widzenia bilansu energetycznego Ziemi zmiany w pokrywie chmur niskich, które zasnuwają duże obszary nad oceanami szerokości podzwrotnikowych. Jak jednak mówi autor:

Nasza praca jako pierwsza wiarygodnie dowodzi tego, że zmiany w zachmurzeniu, jakich spodziewaliśmy się na postawie teorii i modelowania rzeczywiście zachodzą.

Aleksandra Kardaś na podstawie Climate Central i Scripps Institution of Oceanography, konstultacja merytoryczna: prof. Szymon Malinowski

The post Przesunięte chmury appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Chmury należą do najczęściej podziwianych zjawisk meteorologicznych, a meteorolog wielu z nas kojarzy się z kimś, kto jak Olgierd z „Czterech pancernych” potrafi na podstawie obserwacji chmur przewidywać deszcz. Dlatego wydaje się, że co jak co, ale chmury NA PEWNO są już dobrze poznane przez naukę. Zwłaszcza, że ich badanie nie jest tak niebezpieczne jak badanie huraganów.

Wystarczy jednak zajrzeć do jakiegokolwiek tekstu o modelowaniu klimatu by dowiedzieć się, że chmury pozostają jednym z najważniejszych źródeł niepewności w związanych z klimatem obliczeniach. Wynika to z faktu, że występują one nie tylko w rozmaitych kształtach i rozmiarach, ale także na różnych wysokościach w atmosferze. Ich budulcem zawsze jest woda, ale występuje ona w różnych postaciach: mniejszych lub większych kropli lub cząstek lodowych gęściej lub rzadziej rozłożonych w przestrzeni.

Chmury niskie, składające się z licznych, stosunkowo gęsto rozmieszczonych kropli wody, w ciągu dnia silnie odbijają promieniowanie słoneczne. Mimo tego, że nocą przyczyniają się do efektu cieplarnianego (para wodna to silny gaz cieplarniany), to sumarycznie rzecz biorąc, ich obecność schładza powierzchnię Ziemi. Z kolei chmury wysokie, zbudowane z mocno rozproszonych kryształków lodu, słabiej odbijają padające światło słoneczne. Jednocześnie skutecznie blokują ucieczkę promieniowania podczerwonego w kosmos, dzięki czemu ich obecność na ogół ogrzewa powierzchnię Ziemi.

Jak udało się określić w ostatnich latach dzięki pomiarom satelitarnym, wypadkowy wpływ chmur na klimat jest chłodzący. Ale jak będzie się on zmieniał wraz z postępującym ociepleniem? Czy chmury będą chłodzić Ziemię coraz bardziej czy coraz słabiej? Wpływ zachmurzenia na temperatury na Ziemi zależeć będzie nie tylko od ilości chmur, ale także od ich rodzaju.

Właśnie tym problemem zajęli się w swojej pracy naukowcy z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii pod przewodnictwem profesora Stevena Sherwooda. Badacze skoncentrowali się na związku pomiędzy powstawaniem chmur a procesami mieszania się powietrza z różnych warstw atmosfery (rysunek 3). Gdy woda paruje z powierzchni Ziemi, jej dalszy los zależy od prądów powietrznych, które wynoszą ją nawet na wysokość kilkunastu kilometrów. To tak zwana „głęboka konwekcja”, dzięki której powstają rozbudowane w pionie chmury, generujące intensywne opady. W rezultacie większość wody powraca na powierzchnię Ziemi i do przylegającej do niej tak zwanej „warstwy granicznej atmosfery”.

Pionowe prądy powietrzne nie zawsze są jednak tak silne – często już na wysokości kilku kilometrów zanikają, a niesione przez nie powietrze rozpływa się i miesza z otoczeniem. Nawet jeśli powstają wtedy chmury, nie dają one dużych, sięgających ziemi opadów. Także brzegi opisywanych wyżej chmur pionowych mieszają się z otoczeniem. W wyniku tych procesów para wodna z warstwy granicznej jest przenoszona wyżej, a warstwa graniczna „wysycha”. W efekcie na małych wysokościach – poniżej 2 km – brakuje materiału do tworzenia chmur. Ubywa więc tych chmur, których obecność chłodziłaby Ziemię. Przybywa natomiast chmur średnich i wysokich, które sprzyjają gromadzeniu się energii w naszym systemie klimatycznym.

Jak pokazali w swoim artykule Sherwood i jego koledzy (Sherwood i in. 2014, wersja pełna), te modele klimatu, które lepiej odwzorowują obserwowane w naturze procesy płytkiego mieszania, charakteryzują się jednocześnie wyższą czułością klimatu. Wyższa czułość klimatu oznacza większy wzrost temperatury powierzchni Ziemi w odpowiedzi na podwojenie zawartości dwutlenku węgla w atmosferze.

Autorzy V raportu IPCC, kierując się wynikami szeregu cytowanych w tym dokumencie badań, podali, że czułość klimatu Ziemi zawiera się w przedziale 1,5 – 4,5°C. Sherwood i in. wykazali jednak, iż w miarę ocieplania się klimatu mieszanie powietrza będzie na tyle skutecznie zmieniać rozkład chmur na poszczególnych piętrach atmosfery i potęgować ocieplenie, że dolne wartości z tego zakresu są mało prawdopodobne. Czułość klimatu wynosi według nich powyżej 3°C.

Czy to znaczy, że jak głosiły liczne nagłówki „do roku 2100 średnia temperatura wzrośnie o 4°C”? Niekoniecznie. Takiego rezultatu można się spodziewać w przypadku, w którym ludzkość realizować będzie tak zwany scenariusz „bez zmian” („business as usual”) i emitować do atmosfery coraz więcej dwutlenku węgla oraz nie nastąpią żadne nieprzewidziane wydarzenia takie jak uderzenie w Ziemię asteroidy czy wybuchu superwulkanu (który, choć tylko na kilka lat, obniżyć temperatury na Ziemi). Tymczasem optymiści mogą mieć nadzieję, że ludzkość zacznie jednak swoje emisje zmniejszać.

Aleksandra Kardaś na podstawie Sherwood i in, 2014, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon P. Malinowski.

The post Chmury, klimat i przyśpieszony wzrost temperatur appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.