Modele systemu klimatycznego Ziemi

Zastanawiając się nad przyszłością klimatu, posługujemy się numerycznymi modelami klimatu, czy raczej systemu klimatycznego Ziemi. To skomplikowane programy komputerowe, w których „zaszyta” jest nasza wiedza o mechanizmach rządzących klimatem. 

Jądro modelu stanowią układy równań wynikające z podstawowych praw fizyki i opisujących przede wszystkim: 

• jak i pod wpływem jakich sił poruszają się powietrze w atmosferze i woda (nie tylko w oceanie),
• jak przekazywana jest energia pomiędzy Słońcem, powierzchnią Ziemi (lądami i oceanami) i atmosferą,
• co się dzieje, gdy woda skrapla się lub paruje.

Do tego dochodzi też wiele związków opisujących zjawiska takie jak powstawanie lodu morskiego, obieg węgla w przyrodzie czy zmiany w pokrywie roślinnej w zależności od warunków (więcej o modelowaniu klimatu przeczytasz w tekście Wirtualny klimat).

Dzięki wielokrotnej weryfikacji wiemy, że modele systemu ziemskiego opisują procesy zachodzące  w klimacie wystarczająco dobrze, by fachowcy mogli dzięki nim przygotowywać wiarygodne projekcje klimatu. 

Dlaczego nie używamy tu określenia „prognoza”? Dlatego, że wyniki modelowania przyszłości klimatu nie stanowią jednoznacznej zapowiedzi „będzie właśnie tak”. Projekcje klimatu zawsze zależą od przyjętych w nich założeń na temat przyszłych emisji gazów cieplarnianych związanych z działalności człowieka i innych zewnętrznych zjawisk wpływających na system klimatyczny Ziemi (patrz Dlaczego klimat się zmienia, czyli o wymuszeniach i sprzężeniach). Przygotowując projekcje klimatu zwykle posługujemy się więcej niż jednym scenariuszem przebiegu tych zjawisk. 

Reprezentatywne Ścieżki Koncentracji (RCP)

Jeśli śledzicie zagadnienia związane ze zmianą klimatu już od jakiegoś czasu, to prawdopodobnie zetknęliście się z tzw. RCP (Representative Concentration Pathways) – Reprezentatywnymi Ścieżkami Koncentracji [gazów cieplarnianych]. To przykładowe scenariusze przyszłych zmian koncentracji gazów cieplarnianych, sformułowane w oderwaniu od przyczyn tych zmian. Były szeroko wykorzystywane w obliczeniach projekcji klimatu podsumowanych m.in. w Piątym raporcie IPCC (2013). 

Poszczególne reprezentatywne ścieżki koncentracji (najczęściej używane są cztery) są opisywane skrótami RCP z dodatkiem liczb (najczęściej 2.6, 4.5, 6 i 8.5), oznaczających wartość wymuszania radiacyjnego związanego z wyemitowanymi przez człowieka gazami cieplarnianymi w roku 2100 (w W/m²). Nie zakłada się, że któryś z tych scenariuszy zostanie zrealizowany „jeden do jednego”. Mają one pomóc w przewidzeniu ogólnych kierunków zmian zachodzących w systemie klimatycznym w zależności od zmian w koncentracjach gazów cieplarnianych. 

Wykorzystując w swoich projekcjach reprezentatywne ścieżki koncentracji, ograniczamy się do najlepiej zrozumianej i poddającej się opisowi matematycznemu części rzeczywistości: tej istniejącej i fizycznej. To daje nam dużą pewność co do poprawności naszych obliczeń. Projekcji opartych na RCP możemy użyć między innymi do odpowiedzi na pytanie, jak bardzo powinniśmy ograniczyć emisje gazów cieplarnianych, jeśli chcemy uniknąć takich czy innych konsekwencji zmiany klimatu (i które scenariusze by na to pozwoliły). 

Jednak obywatele Ziemi rzadko podejmują decyzje, które bezpośrednio sterują ilością emitowanych przez ludzkość gazów cieplarnianych. Częściej decydują, na kogo głosować, jaki kierunek wykształcenia wybrać, gdzie zamieszkać itd. Te i wiele innych decyzji pośrednio wpływają na to, jak wygląda światowa gospodarka, stosunki społeczne i… światowe emisje gazów cieplarnianych. I tu na scenę wkraczają Wspólne Ścieżki Rozwoju Społeczno – Ekonomicznego (SSP – Shared Socio-economic Pathways).

Wspólne Ścieżki Rozwoju Społeczno – Ekonomicznego (SSP)

SSP to zestaw przygotowanych przez specjalistów z dziedzin społecznych, ekonomicznych itp. scenariuszy pokazujących, jak różne wersje rozwoju globalnej gospodarki i społeczeństw przekładają się na emisje gazów cieplarnianych. Bazują na powiązaniach pomiędzy liczebnością populacji, rozwoju ekonomicznego, edukacji, urbanizacji, tempem rozwoju technicznego itd. Ich zadaniem jest pomóc nam w przewidzeniu skutków decyzji podejmowanych przez nas, wybieranych przez nas polityków i wspieranych przez nas przedsiębiorstw. 

Pięć światów przyszłości w scenariuszach SSP

Poniżej przedstawiamy, jak różne wersje przyszłości uwzględnione w scenariuszach SSP opisano w publikacji Riahi i in. (2017). Z każdą związana jest inna spodziewana ewolucja światowej populacji oraz rozwoju gospodarki (patrz wykresy poniżej). 

Podkreślmy: to, że scenariusz występuje na poniższej liście nie przesądza o tym, czy jest on “wykonalny”, “dopuszczalny”, “zalecany” itp. Sprawdzono jedynie, jakie miałby skutki.

SSP1 – Zrównoważony rozwój (ścieżka zielona)

(łatwa mitygacja i adaptacja do zmiany klimatu)

Świat stopniowo ale wytrwale zmierza do zrównoważonego rozwoju. Gospodarka ogranicza negatywny wpływ na środowisko, uwzględnia możliwości ekosystemów oraz zachowuje równowagę pomiędzy zużyciem zasobów naturalnych a możliwościami ich odnawiania. Poprawia się sposób zarządzania globalnymi dobrami wspólnymi (do których należą atmosfera, zasoby wody, ekosystemy itd.). Inwestycje w edukację i ochronę zdrowia przyśpieszają przejście demograficzne (spadek liczby zgonów i urodzeń, prowadzący do zmiany średniego wieku w populacji). 

Zamiast koncentrować się jedynie na wzroście gospodarczym, ludzkość stara się podnosić szerzej rozumianą jakość życia. Zmniejszają się nierówności pomiędzy krajami i wewnątrz nich – między obywatelami. Zmniejsza się zużycie materiałów i energii przeznaczonych do produkcji towarów i dostarczania usług.

SSP2 – W pół drogi (ścieżka pośrednia)

(umiarkowane wyzwania dla mitygacji i adaptacji do zmiany klimatu)

Trendy społeczne, ekonomiczne i technologiczne nie ulegają wyraźniejszym zmianom. Rozwój i przyrost dochodów przebiegają nierówno: w niektórych krajach postęp jest względnie duży, w innych niesatysfakcjonujący. Krajowe i światowe instytucje dążą do realizacji celów zrównoważonego rozwoju, jednak postępy są powolne. 

Środowisko naturalne podlega degradacji, jednak intensywność zużycia zasobów i energii w ujęciu globalnym spada. Wzrost ludzkiej populacji jest umiarkowany i w drugiej połowie stulecia ustaje. Nierówności dochodowe utrzymują się lub jedynie nieznacznie spadają. Zmiany społeczne i środowiskowe zmiany są w dalszym ciągu dużym wyzwaniem dla mieszkańców wielu rejonów świata. 

SSP3 – Regionalna rywalizacja (ścieżka wyboista) 

(trudna mitygacja i adaptacja do zmiany klimatu)

Przebudzenie nacjonalizmów, obawy o konkurencyjność i bezpieczeństwo oraz konflikty regionalne skłaniają kraje do skoncentrowania się na kwestiach wewnętrznych lub najwyżej regionalnych. Coraz ważniejsze stają się tematy bezpieczeństwa narodowego i regionalnego. Kraje skupiają się na zapewnieniu bezpieczeństwa żywnościowego i energetycznego w swoich regionach, kosztem rozwoju globalnego. 

Inwestycje w edukację i rozwój techniki są coraz mniejsze. Rozwój gospodarczy jest powolny, produkcja towarów zużywa dużo zasobów, a nierówności dochodowe utrzymują się lub zwiększają. Wzrost populacji jest niski w krajach uprzemysłowionych, ale wysoki w rozwijających się. Mały nacisk na ochronę środowiska w kontekście globalnym, w niektórych regionach powoduje jego silną degradację. 

SSP4 – Nierówności (ścieżki podzielone) 

(ułatwiona mitygacja,  utrudniona adaptacja do zmiany klimatu)

Duże zróżnicowanie wysokości inwestycji w kapitał ludzki oraz rosnące rozbieżności w możliwościach ekonomicznych i władzy politycznej prowadzą do rosnących nierówności i rozwarstwienia w krajach i pomiędzy nimi. Z czasem rośnie przepaść pomiędzy międzynarodową społecznością uczestniczącą w rozwoju zaawansowanych i obracających dużym kapitałem sektorów światowej gospodarki, a podzielonymi, słabo wykształconymi i mającymi niskie dochody społecznościami zatrudnionymi w sektorach wymagających ciężkiej pracy ludzkiej i nie korzystających z zaawansowanej techniki. 

Spójność społeczna pogarsza się, coraz częstsze stają się konflikty i niepokoje społeczne. W zaawansowanych technicznie działach gospodarki widoczny jest duży postęp. Globalny sektor energetyczny podlega dywersyfikacji: inwestuje się zarówno w paliwa wysokoemisyjne (np. węgiel czy ropę ze źródeł niekonwencjonalnych, takich jak piaski roponośne), jak i niskoemisyjne źródła energii. Polityki ochrony środowiska skupiają się na problemach lokalnych w rejonach zamieszkanych przez społeczności o średnich i wysokich dochodach. 

SSP5 – Rozwój oparty na paliwach kopalnych (autostrada)

(duże wyzwania dla mitygacji, ułatwiona adaptacja do zmiany klimatu)

W tym świecie uważa się, że konkurencja rynkowa, innowacyjność i partycypacja społeczna umożliwiają postęp techniczny i wzrost kapitału ludzkiego, co z kolei umożliwia osiągnięcie zrównoważonego rozwoju. Światowe rynki są coraz bardziej połączone. Dużo inwestuje się w ochronę zdrowia, edukację, i instytucje zwiększające kapitał ludzki i społeczny. Jest to jednak związane z intensywnym użytkowaniem paliw kopalnych i globalnym rozpowszechnieniem stylów życia związanych z dużym zużyciem zasobów i energii. Wszystko to prowadzi do szybkiego wzrostu gospodarczego. Na przestrzeni XXI wieku liczebność populacji osiąga maksimum a następnie lekko spada. Społeczności skutecznie radzą sobie z lokalnymi problemami środowiskowymi, takimi jak zanieczyszczenie powietrza. Uważa się, że umiemy skutecznie zarządzać systemami społecznymi i ekologicznymi, jeśli to konieczne to także za pomocą geoinżynierii.

Mitygacja i adaptacja w poszczególnych SSP

W zależności od obranej ścieżki rozwoju przystosowanie się przez ludzkość do nowego klimatu (adaptacja) oraz ograniczenie zmiany klimatu (mitygacja) mogą być prostsze lub trudniejsze – obrazuje to diagram poniżej. Jak widać, ścieżki zakładające nasilenie rywalizacji i nierówności oznaczają duże trudności w adaptacji. Z kolei silny rozwój techniczny i gospodarczy oparty na paliwach kopalnych może ułatwić przystosowanie się do zmieniających się warunków, ale związane z nim emisje poważnie utrudnią zahamowanie ocieplania się klimatu. 

SSP – od narracji do koncentracji gazów cieplarnianych i projekcji klimatu

W każdym ze scenariuszy SSP przewidziano inne zużycie energii ze źródeł kopalnych oraz podejście do użytkowania gruntów i ochrony ekosystemów, co przekłada się na inne emisje gazów cieplarnianych, a w konsekwencji – ich koncentracje w atmosferze. Poniżej dla przykładu wykres koncentracji CO₂ w poszczególnych scenariuszach.

Scenariusze zmian koncentracji dwutlenku węgla, metanu, sadzy czy chłodzących klimat tlenków siarki to informacje, które można już wstawić do modelu systemu klimatycznego Ziemi i na tej podstawie obliczyć spodziewane zmiany średniej temperatury (patrz poniżej) oraz wielu innych parametrów klimatu – regionalnie i globalnie. 

Scenariuszami SSP posługuje się w swoich eksperymentach numerycznych wiele zespołów, ale zestawienie prowadzonych przez nie obliczeń znajdziecie w interaktywnym atlasie Międzyrządowego Zespołu ds. Zmiany Klimatu.

Splątana historia scenariuszy

Przeglądając projekcje klimatu w Szóstym raporcie IPCC możecie zauważyć, że poszczególne scenariusze SSP oznaczane są nie tylko numerkami zgodnymi z klasyfikacją opisaną powyżej. Do każdego symbolu dodano także – podobnie jak w przypadku RCP – liczbę oznaczającą wartość wymuszania radiacyjnego związanego z wyemitowanymi przez człowieka gazami cieplarnianymi w roku 2100 (najczęściej zobaczymy listę SSP1-1.9, SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP3-7.0 i SSP5-8.5). To nie przypadek. SSP zapewniają społeczno-ekonomiczny kontekst dla poszczególnych reprezentatywnych ścieżek koncentracji – mówią w jakich przykładowych warunkach można by się było spodziewać właśnie takich emisji. Rozpatrywano stworzenie całej macierzy scenariuszy, w której można byłoby wyszukiwać całe zestawy scenariuszy społeczno-ekonomicznych realizujących konkretne scenariusze koncentracji i na odwrót, ale to okazało się niepraktyczne.

A co zobaczymy w kolejnym raporcie IPCC? Obecnie trwa siódma już edycji „Projektu Porównywania Modeli Sprzężonych” (Coupled Model Intercomparison Project, CMIP7), w ramach którego zespoły badawcze z całego świata uzgadniają, z jakich scenariuszy będą korzystać w swoich obliczeniach, aby wyniki były ze sobą porównywalne. Tym razem jego uczestnicy chcieliby, aby punktem wyjścia do symulacji były nie tyle scenariusze koncentracji gazów cieplarnianych, co scenariusze ich emisji wynikających z działalności człowieka. Pomoże to w lepszym zrozumieniu konsekwencji podejmowanych przez ludzkość decyzji, w szczególności różnych polityk redukcji emisji (Sanderson i in., 2023).

Aleksandra Kardaś, konsultacja merytoryczna: Piotr Florek i dr Zbigniew Bohdanowicz

The post SSP: czym są Wspólne Ścieżki Rozwoju Społeczno-Ekonomicznego? appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Wykres zestawiający obserwacje średniej globalnej temperatury powierzchni Ziemi z przewidywaniami modeli numerycznych w ramach eksperymentu CMIP6 (scenariusz SSP2-4.5).

Oś pozioma: czas (lata). Oś pionowa: odchylenie globalnej średniej temperatury powierzchni Ziemi od średniej z lat 1900-2000. Linia czarna: średnia z projekcji przygotowanych dla scenariusza SSP2-4.5 z użyciem różnych modeli (eksperyment CMIP6). Fioletowe pole: zakres, w którym zmieściło się 90% projekcji. Linia czerwona: obserwacje, na podstawie danych Berkeley Earth. Linia żółta:  trend liniowy obliczony na podstawie obserwacji z lat 1970-2023.

Źródło: dr Zeke Hausfather. 

W ramach akcji „Wykres na dziś” publikujemy wykresy i inne wizualizacje dotyczące zagadnień związanych ze zmianą klimatu. Mamy nadzieję, że prezentowane przez nas dane stanowić będą punkt wyjścia do szerokiej i opartej na faktach dyskusji na temat globalnego ocieplenia oraz możliwości jego ograniczenia. Akcję prowadzimy we współpracy z Komitetem ds. Kryzysu Klimatycznego Polskiej Akademii Nauk.

Zobacz wszystkie wizualizacje.

The post Globalne ocieplenie – porównanie projekcji i obserwacji (1970-2023) appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Szymon Bujalski: Czy zmiana klimatu napędza więcej bolesnych w skutkach burz?

Dr Mateusz Taszarek: Na podstawie obecnych wyników z projekcji klimatycznych i reanaliz (połączenie numerycznych modeli pogody z historycznymi danymi obserwacyjnymi) możemy powiedzieć, że wraz z efektami zmian klimatu, czyli wzrastającą temperaturą i wilgotnością powietrza, burz w ujęciu globalnym będzie więcej. Natomiast nie możemy jeszcze wiarygodnie określić, jak zmieni się intensywność tych zjawisk w skali regionalnej. Czynnikiem, który w sposób fundamentalny wpływa na intensywność burzy, jest uskok wiatru (zmiana prędkości i kierunku wiatru w pionie), a ten w dużym stopniu zależy od siły i stopnia meandrowania prądu strumieniowego w środkowej i górnej troposferze.

Jednoznaczna odpowiedź na to pytanie jest więc trudna, ponieważ burza burzy jest nierówna. Na przykład w szerokościach umiarkowanych, w Stanach Zjednoczonych w kwietniu i maju, burze rozwijające się w środowisku silnych uskoków wiatru (tzw. superkomórki – burze z rotującym prądem wstępującym) generują ekstremalne zjawiska jak opady dużego gradu oraz tornada, doprowadzając przy tym do ogromnych strat materialnych i ofiar śmiertelnych. Z drugiej strony w strefie tropikalnej mamy codziennie burze, które są związane z cyklem dobowym konwekcji – i one tych tornad czy opadów gradu już nie generują, gdyż tworzą się w środowisku bardzo słabych uskoków wiatru.

Słabnący prąd strumieniowy w szerokościach umiarkowanych może więc doprowadzić do sytuacji, że burze będą miały paradoksalnie mniejszy potencjał do generowania zjawisk ekstremalnych.

Skupiając się jednak wyłącznie na pomiarach w skali globalnej, to po ich uśrednieniu widzimy, że – jako efekt ocieplania się klimatu – rośnie ilość energii potencjalnej dostępnej konwekcyjnie, czyli tzw. CAPE (ang. convective available potential energy), a uśredniony w skali globalnej uskok wiatru w strefach umiarkowanych spada. W skali regionalnej te zmiany mogą jednak mieć odmienny charakter, dlatego do każdego rejonu świata należy podchodzić indywidualnie. Na przykład w jednym rejonie wzrost CAPE i uskoku wiatru doprowadzi zarówno do wzrostu liczby burz i ich intensywności, a w innym regionie wzrost CAPE i spadek uskoku doprowadzi tylko do wzrostu ich liczby.

Warto również dodać, że w ujęciu klimatologicznym największe wartości CAPE występują w strefie międzyzwrotnikowej, a uskoku wiatru w strefie umiarkowanej. Jak długo silny uskok wiatru jest dostępny, potrzebne są tylko niewielkie ilości CAPE do powstania ekstremalnie silnych burz. Z tego powodu najsilniejsze burze na naszej planecie obserwuje się w strefach umiarkowanych.

Burze w Polsce

Powiedzmy trochę więcej o naszym regionie, o Polsce. Czego możemy się spodziewać?

M.T.: Dane z sondaży atmosferycznych, z reanaliz meteorologicznych czy z projekcji klimatu wskazują, że w kolejnych dekadach w Polsce będzie wzrastać zarówno temperatura, jak i zawartość wilgoci w warstwie granicznej atmosfery. Oznacza to, że wspomniana energia atmosferyczna (wskaźnik CAPE), będzie dostępna w coraz większym stopniu, a to spowoduje, że burze też będą występowały częściej.

Jednocześnie prąd strumieniowy, który występuje nad Polską podczas incydentów burzowych, według szacunków będzie słabszy – ale na tyle nieznacznie, że w zasadzie nie powinno to powodować spadku intensywności tych zjawisk.

Na podstawie danych, z którymi pracowałem i na podstawie wyników badań, z którymi się zapoznałem, zakładałbym więc, że w Polsce możemy spodziewać się stopniowo wzrastającej liczby burz – również tych, które mogą generować trąby powietrzne oraz opady gradu. Jednak te zmiany zachodzą relatywnie powoli, w tempie około 2-6 dodatkowych dni burzowych na dekadę.

Czy burze będą powodować coraz większe straty materialne?

M.T.: Badam zjawiska konwekcyjne od 12-13 lat i im dłużej siedzę w tym temacie, tym bardziej uświadamiam sobie, że wiarygodne określanie tego typu rzeczy nie jest takie proste. Sam nie potrafię tego zrobić, ponieważ jest mnóstwo czynników, które na to wpływają, chociażby ekspansja urbanistyczna.

Mogę natomiast powiedzieć, że większa liczba burz w przyszłości przyczyni się do częstszego występowania lokalnych powodzi błyskawicznych, ponieważ w wyniku zmian klimatu w atmosferze wzrastać będzie zawartość wody, która będzie uwalniana w postaci bardziej obfitych opadów nawalnych. Natomiast jeśli chodzi o opady gradu czy tornada, to jest to sprawa bardziej złożona ponieważ te zjawiska zależą od czynników co do których nie mamy pewności jak się będą zmieniać w przyszłości.

Gdy z Natalią prowadziliśmy badania dotyczące trąb powietrznych w Polsce i przeglądaliśmy historyczne zapiski, znajdywaliśmy bardzo dużo informacji o silnych trąbach powietrznych z XVIII czy XIX w. Jestem również współautorem publikacji naukowej dotyczącej tego zagadnienia (Taszarek i Gromadzki, 2017). Co prawda w tamtych czasach nie nazywano tego trąbami powietrznymi, ale opisy nie pozostawiały żadnych złudzeń. Relacjonowano np., że ciemny, cylindrowy wir powietrza uniósł w powietrze zwierzęta, które wraz z odłamkami zostały rozrzucone na dużej przestrzeni.

A więc nie jest tak, że trąby powietrzne w Polsce i Europie z ostatnich lat to coś, co się nagle pojawiło. Powiedziałbym nawet, że liczba raportów dotyczących trąb powietrznych nie jest obecnie większa niż w latach 30 XX w., a przecież dziś mamy media społecznościowe czy też aparaty w telefonach komórkowych. Nie dysponujemy wieloma raportami zjawisk niebezpiecznych z okresu komunizmu z wiadomych względów i być może brak tego typu informacji przyzwyczaił ludzi żyjących w tamtych latach do utopijnej rzeczywistości, w której tornada były zarezerwowane tylko dla „złych” kapitalistycznych Stanów Zjednoczonych. Obecnie jednak wiemy, że w Polsce każdego roku występuje od kilku do kilkunastu trąb powietrznych.

Dr Natalia Pilguj: Choć bardzo trudno jest nam określić, czy straty materialne będą rosnąć, to myślę, że tak czy inaczej powinniśmy poświęcić sporo uwagi rozwojowi systemów ostrzegania. Dobrym przykładem jest system, który obecnie funkcjonuje w Stanach Zjednoczonych. Ktoś może pomyśleć, że nic dziwnego, skoro takie zjawiska występują tam o wiele częściej. Jednak obszar Wielkich Równin zamieszkuje średnio mniej niż 10 os/km2, podczas gdy w Europie – a szczególnie w Europie Środkowej – gęstość zaludnienia jest zdecydowanie większa. Wystarczy, że wystąpi jedna rozległa linia szkwału bądź dobrze rozwinięta superkomórka burzowa, a w gęsto zaludnionym obszarze Europy straty materialne będą bardzo duże. To pokazuje, że mimo mniejszej częstości gwałtownych burz w Europie, powinniśmy nad takim systemem ostrzegania pracować.

A pracujemy?

N.P.: Pewne kroki w Polsce już podjęto, ale myślę, że najlepiej byłoby taki system rozwijać w skali np. całej Europy, a nie poszczególnych krajów. Jak wiadomo, zjawiska pogodowe nie respektują granic administracyjnych, a skoordynowanie działań i wymiana informacji pomogłaby lepiej oceniać potencjalne zagrożenia – przykładowo, gdy burza zostanie zainicjowana kilkaset kilometrów od granicy kraju, w którego kierunku się przemieszcza. Bazując na naszym doświadczeniu, myślę że śmiało można powiedzieć, że dzięki wyliczeniom modeli i danym obserwacyjnym możemy wskazywać na możliwe zagrożenia związane z ekstremalnymi zjawiskami pogodowymi w czasie rzeczywistym. Jednak aby system działał sprawnie, konieczne jest skoordynowanie pracy wielu jednostek, które są zaangażowane w jego funkcjonowanie.

W pogodni za burzami

Wspomnieliście o Polskich Łowcach Burz. Z tego co mi wiadomo, macie coś z nimi wspólnego…

M.T.: Polscy Łowcy Burz to organizacja działająca w ramach stowarzyszenia Skywarn Polska. Założono je w 2008 r., ja jestem w nim od 2014. Celem stowarzyszenia jest m.in. promowanie wiedzy związanej z ekstremalnymi zjawiskami atmosferycznymi, wykonywanie prognoz oraz wydawanie ostrzeżeń. W ostatnich latach wielu członków stowarzyszenia prowadzi badania nad charakterem klimatologicznym zjawisk burzowych w Polsce.

Najważniejszą rolą stowarzyszenia jest jednak zbieranie raportów ekstremalnych zjawisk atmosferycznych z obszaru Polski. To właśnie oni zbierają raporty dotyczące opadów gradu, nawalnych opadów deszczu, trąb powietrznych oraz silnych porywów wiatru. Ich działalności od 2008 r. zawdzięczamy obecnie ponad 50 000 raportów, które są w bazie danych ESWD. Dlatego chciałbym w tym miejscu serdecznie podziękować za ogromną pracę wykonywaną w stowarzyszeniu w szczególności przez Igora Laskowskiego oraz Artura Surowieckiego, ale również wszystkich osób zaangażowanych w raportowanie zjawisk do bazy ESWD. Te dane są niesłychanie ważne w naszej pracy, bo są kluczowe dla prowadzenia badań nad warunkami atmosferycznymi rozwoju gwałtownych burz i tworzenia modeli.

Jeździliście za burzami?

N.P.: Tak, zdarzało się zarówno w Polsce, jak i w Stanach. Dwa lata temu dołączyłam do Mateusza, żeby prowadzić badania w jednostce NOAA National Severe Storms Laboratory, która znajduje się w Oklahomie. Wiosną tych zjawisk jest tam zdecydowanie najwięcej, więc mieliśmy okazję obserwować burze w „alei tornad”.

Jak to jest, gdy widzi się to na żywo, a nie w modelu?

N.P.: Spektakularnie. Wymiar tych zjawisk w Stanach jest naprawdę potężny, a to powoduje, że budzi się poczucie bardzo dużego respektu do natury. Osobiście życzę sobie obserwować takie zjawiska w obszarach niezabudowanych, kiedy wiem, że nie stanowią zagrożenia dla ludzi i mienia. To też ciekawe doświadczenie z punktu prowadzonych przez nas badań. Ciekawie jest obserwować cykl życia superkomórki burzowej na żywo, przyglądać się cechom chmury. To coś zupełnie innego niż analiza schematów w publikacjach naukowych czy uruchomienie symulacji. Obserwacje terenowe powszechnie prowadzi się w Stanach Zjednoczonych, gdzie każdego roku organizowane są kampanie pomiarowe, w których biorą udział wiodące instytucje badawcze.

M.T.: Powiedziałbym, że razem z Natalią jesteśmy bardziej entuzjastami i naukowcami niż łowcami burz, ale na pewno możliwość zobaczenia superkomórki burzowej na żywo jest bardzo wartościowa. Model numeryczny prognozuje i wyświetla nam na ekranie pewne liczby. Jeśli jednak nie zobaczy się na własne oczy, co się kryje za tymi liczbami, to nie do końca potrafi się odpowiednio interpretować wyniki symulacji modeli numerycznych. Obserwacje w terenie mają więc bezpośrednie przełożenie na naszą pracę przed komputerem i pomagają usprawniać badania.

W USA miałem okazję zobaczyć dziewięć tornad, począwszy od tych najsłabszych do najpotężniejszego z prędkością wiatru przekraczającą 350 km/h, co odpowiada najwyższej skali EF5. Na początku miałem do tego bardzo entuzjastyczne podejście, chciałem jak najbliżej podjechać, porobić zdjęcia, być blisko tego zjawiska. Dwa razy znalazłem się jednak w bardzo niekomfortowym położeniu. Po tych wydarzeniach nabrałem dystansu i uświadomiłem sobie, że to nie są żarty. Ludzie od tych burz giną. Kiedyś nie bałem się tych zjawisk, ale im więcej z nimi pracuję, tym bardziej respektuje superkomórki burzowe i zagrożenia z nimi związane. Wjeżdżanie samochodem w rdzeń burzy nie jest dla mnie, ale obserwować i robić zdjęcia wciąż lubię. Tylko z odpowiedniej odległości.

Modelowanie numeryczne w badaniach burz

Wróćmy do waszej pracy. Korzystacie w niej z tzw. mezoskalowych modeli numerycznych. Brzmi skomplikowanie.

N.P.: Modele numeryczne, z których korzystamy, to programy komputerowe uwzględniające równania ruchu atmosfery. Dzięki nim jesteśmy w stanie rekonstruować pogodę z przeszłości oraz wskazywać, jakich warunków pogodowych możemy się spodziewać w kolejnych dniach, miesiącach, a nawet dekadach.

Wspomniane pojęcie mezoskali dotyczy zjawisk atmosferycznych o skali poziomej od kilku do kilkuset kilometrów, w tym burz, linii szkwałów, frontów atmosferycznych. W naszych badaniach ograniczamy się najczęściej do zjawisk o skali poziomej z zakresu od 2 km do 20 km, a szerokość oczka siatki modelu wynosi od 1 km do 4 km.

Modele pracujące dla takich rozdzielczości pozwalają na bezpośrednie symulowanie konwekcji (ang. convection-allowing). Odtworzenie chmur burzowych czy frontów nie wymaga w nich żadnych uproszczeń matematycznych (tzw. parametryzacji). Pozwalają też dość szczegółowo uwzględniać rzeźbę terenu, dzięki czemu są odtwarzane lokalne zjawiska, które potrafią mieć czasem kluczowe znaczenie w procesie inicjacji (zapoczątkowywania) konwekcji.

Obliczenia przeprowadzamy zwykle dla regionu lub kontynentu, ponieważ wykonywanie obliczeń o dużej rozdzielczości dla obszaru całego świata wymagałoby bardzo dużych zasobów obliczeniowych.

I czego możemy się z takich modeli dowiedzieć?

N.P.: W jednej z naszych prac opublikowanych w czasopiśmie naukowym Geophysical Research Letters, analizowaliśmy na przykład najsilniejsze incydenty trąb powietrznych w Europie (Pilguj i in., 2022). Model mezoskalowy wskazał, że warunki atmosferyczne (takie jak profil wiatru w dolnej troposferze) sprzyjały ich wystąpieniu bardziej, niż wskazywały analizy z użyciem modeli o mniejszej rozdzielczości.

Modele mezoskalowe pozwalają nam także na symulowanie samej chmury burzowej. Wskazanie, w jakim miejscu zostanie zainicjowana komórka burzowa i jaka będzie jej dalsza trasa, jest szczególnie istotne z punktu prognozowania, ponieważ jesteśmy w stanie określić obszar, który może być narażony na skutki występowania gwałtownych burz. O tym, czy symulowana chmura będzie posiadać potencjał do generowania groźnych zjawisk decyduje charakter burzy. Przykładowo, linie szkwału będą najczęściej związane z silnymi porywami wiatru na dużym obszarze, podczas gdy superkomórki burzowe mogą generować opady dużego gradu i trąby powietrzne. Wyniki modelowania mogą nam więc pomóc określić, który scenariusz jest bardziej prawdopodobny, aby lepiej ostrzegać przed potencjalnym zagrożeniem.

Jak wygląda praca z takimi modelami? Czego jeszcze możecie się z nich dowiedzieć?

N.P.: Praca z modelami jest dość wymagająca pod kątem umiejętności programowania i obsługi superkomputerów. Samo uruchomienie modelu i wykonanie symulacji to jedno, druga część pracy – znacznie bardziej wymagająca i bardzo ciekawa – to przetworzenie wyników. Korzystając z zaawansowanych technik 3D jesteśmy w stanie wskazywać na cechy chmury, na przykład czy posiada ona rotujący prąd wstępujący, czyli mezocyklon. Możemy wskazywać również na to, co się dzieje w otoczeniu samej chmury burzowej, co jest istotne z punktu badania warunków, w jakich rozwijają się trąby powietrzne.

W pracy operacyjnej modeli numerycznych nie mamy jednak czasu, żeby wykonywać tak zaawansowane i szczegółowe wizualizacje. W takiej sytuacji stosujemy wskaźniki, które pozwalają nam otrzymać pewną informację na temat cechy chmury, ale stosunkowo małym kosztem obliczeniowym. Przykładem może być wskaźnik wirowości prądu wstępującego (ang. updraft helicity), który wskazuje na obecność mezocyklonu w superkomórkach burzowych. Wskaźnik został zaprojektowany w Stanach Zjednoczonych i jest tam powszechnie wykorzystywany przez synoptyków do prognozowania burz o potencjale do generowania gradu i trąb powietrznych. Wskaźników konwekcyjnych wykorzystywanych w prognozowaniu jest oczywiście znacznie więcej. Dotyczą one niestabilności atmosfery, uskoków wiatru, jego skrętności i wielu innych.

Jak tę wiedzę można wykorzystać w praktyce?

N.P.: Wiemy, że mechanizm powstawania i rozwoju zjawisk burzowych jest niezwykle skomplikowany. Modele numeryczne pomagają nam te zjawiska poznawać i lepiej rozumieć. Mają też powszechne zastosowanie w prognozowaniu operacyjnym, gdzie są praktycznie jednym z podstawowych narzędzi. Należy jednak liczyć się z tym, że pracujemy z modelem, którego wyniki są zawsze obarczone pewnym błędem. W związku z tym analiza wyników wyliczeń modeli powinna obejmować ich weryfikację oraz przeanalizowanie dostępnych danych obserwacyjnych. W momencie, gdy będziemy usprawniać nasze symulacje, system prognozowania i ostrzegania operacyjnego będzie również bardziej wiarygodny.

Skąd wiemy, że zjawisko burzowe wystąpiło i jak przebiegało?

Wróćmy do modelowania zjawisk burzowych i ich intensywności w makroskali.

M.T.: Burza to zjawisko, które może występować na małym lub dużym obszarze, może mieć małą lub dużą intensywność. Przez to bardzo ciężko jest kwantyfikować i badać zjawiska konwekcyjne. Przed erą satelitarną i rozwojem systemu detekcji wyładowań atmosferycznych mogliśmy na podstawie danych ze stacji meteorologicznych ocenić jedynie, czy wystąpił dzień z burzą, czy nie. Ale to bardzo nieprecyzyjne podejście do tematu. Bo czy ważniejsze jest, że w jednym mieście było 20 dni z burzą z pojedynczymi wyładowaniami atmosferycznymi, czy że w innym było 5 dni z burzą, ale z setkami wyładowań atmosferycznych i zniszczeniami w wyniku gradobić i trąb powietrznych?

Żeby badać tego typu rzeczy, musimy więc mieć dostęp do sieci detekcji wyładowań atmosferycznych, do dopplerowskich danych radarowych i do raportów zjawisk niebezpiecznych, jak opady gradu, silne porywy wiatru czy też trąby powietrzne. Cały problem polega na tym, że te informacje są w Europie systematycznie zbierane mniej więcej od roku 2010. W Polsce dzięki działalności stowarzyszenia Skywarn Polska – Polscy Łowcy Burz mamy jedną z najlepszych baz danych w Europie, jeżeli chodzi o raportowanie niebezpiecznych zjawisk burzowych, ale to wciąż relatywnie krótki okres.

W Stanach Zjednoczonych okres kolekcjonowania raportów burzowych jest dłuższy ale cechuje go duża niejednorodność czasowa. 20-30 lat temu ludzie nie mieli tak powszechnego dostępu do telefonów komórkowych, internetu oraz mediów społecznościowych, a raportowanie ograniczało się zazwyczaj tylko do silniejszych incydentów burzowych. Gdy gdzieś w obszarze słabo zaludnionym wystąpiło krótkotrwałe tornado, a farmer był na polu, to nie mógł zrobić zdjęcia i wrzucić do mediów społecznościowych tak jak odbywa się to dzisiaj. Dlatego duża liczba tego typu informacji nie docierała do osób, które zarządzały bazami danych raportów burzowych.

Teraz mamy o wiele więcej raportów gradu czy tornad niż w latach 80. czy 90. Dzięki tego typu informacjom możemy przy użyciu numerycznych symulacji, reanaliz czy też pomiarów radiosondażowych cofnąć się do tego dnia i zobaczyć, jak wyglądał pionowy profil atmosfery (temperatury, ciśnienia, wilgotności oraz prędkości i kierunku wiatru), zanim chmura burzowa powstała. To samo dotyczy Europy, gdzie możemy analizować historyczne incydenty burzowe nawet z lat 50. XX w.

Jak przewidzieć, co będzie z burzami w przyszłości?

M.T.: Obecnie w europejskiej bazie danych ESWD (European Severe Weather Database) mamy dostęp do ponad 270 000 takich raportów od roku 2010. Jeśli wiemy, że przykładowo 5000 z nich wygenerowało grad o średnicy powyżej 5 cm, to możemy porównać takie burze z tymi, które nie wygenerowały zjawisk niebezpiecznych oraz z dniami, kiedy w ogóle nie powstała burza.

W dużym uproszczeniu tego typu dane pozwalają nam opracowywać algorytmy, których celem jest identyfikowanie warunków atmosferycznych sprzyjających powstawaniu określonych zjawisk burzowych, np. gradu lub tornad. Następnie stosujemy te algorytmy w projekcjach klimatu na okres kolejnych 70 lat albo reanaliz za okres ostatnich 70 lat i obliczamy, jak często te specyficzne warunki w tym czasie występowały. Dzięki temu możemy modelować te zjawiska i obliczać trendy. Przy czym słowo modelowanie jest tutaj kluczem.

Ponieważ?

M.T.: Zjawiska konwekcyjne są niezwykle lokalne. Tornada czy opady gradu o średnicy 10 cm to zjawiska, które często występują na przestrzeni kilkuset metrów. Używając projekcji klimatycznych i reanaliz, wykorzystujemy modele, które mają oczko siatki znacznie większe niż te kilkaset metrów – w przypadku reanaliz wynosi ono średnio 30 km, a w projekcji klimatu jeszcze więcej. Tak jak wspomniała Natalia, takie modele nie są więc w stanie bezpośrednio dokonać symulacji powstania chmury burzowej. W takim przypadku musimy stosować pewne uproszczenia i oszacowywać prawdopodobieństwo wystąpienia burzy przy określonej konfiguracji parametrów fizycznych atmosfery.

Na przykład możemy założyć, że burza prawdopodobnie rozwinie się, jeżeli o danej godzinie CAPE wynosi ponad 150 J/kg, a model symuluje opad konwekcyjny o intensywności ponad 0,1 mm/h. Tego typu założenia są jednak skuteczne w, powiedzmy, 60-70% przypadków. Oznacza to, że jeśli wykonamy 100 prognoz, to mniej więcej w 60-70% powstanie taka burza, jakiej rzeczywiście oczekujemy na bazie tych założeń. To stanowi problem, bo wprowadza niepewność do wyników związanych z trendami klimatologicznymi. I to jest jeden sposób analizowania tych zjawisk.

A kolejny?

Drugi sposób zakłada analizowanie zmian poszczególnych elementów atmosfery odpowiedzialnych za powstawanie burz. Jest to metoda rozpropagowana przez Amerykanów w latach 90. do prognozowania operacyjnego burz (ang. ingredient-based forecasting). Uwzględnia się w niej cztery podstawowe składniki powstawania silnych burz: (1) odpowiednią wilgotność bezwzględną w atmosferze, (2) niestabilność termodynamiczną atmosfery, (3) czynnik atmosferyczny, który doprowadzi do inicjacji konwekcji, oraz (4) odpowiedni uskok wiatru, czyli silny przepływ powietrza w środkowej i dolnej troposferze. Przy użyciu projekcji klimatu oraz reanaliz badacze zjawisk burzowych sprawdzają, jak zmieniają się te poszczególne elementy na przestrzeni dekad.

Jak globalne ocieplenie zmienia warunki dla powstawania burz?

M.T.: Obecny stan wiedzy pozwala nam z duża dozą pewności stwierdzić, że składniki nr 1 (wilgotność bewzględna) oraz 2 (niestabilność termodynamiczna) stają się coraz bardziej sprzyjające dla rozwoju burz w wyniku postępujących zmian klimatu. Uskok wiatru (składnik nr 4), który będzie się osłabiał w ujęciu globalnym, może doprowadzić do tego, że intensywność burz będzie generalnie spadać.

Istnieje również duża niepewność dotycząca elementu nr 3 (inicjacja konwekcji). Obniżająca się w wyniku zmian klimatu wilgotność względna i inne czynniki mogą powodować, że proces rozwoju burz będzie mniej efektywny, a czasami nawet całkowicie niemożliwy. Przykładowo, przewiduje się, że na obszarze południowego Teksasu burz w wyniku zmiany klimatu będzie mniej.

Dobra wiadomość.

M.T.: Niekoniecznie, bo jednocześnie te same zjawiska mogą nasilać intensywność burz. Inicjacja konwekcji może przesuwać się na późne godziny wieczorne, kiedy uskok wiatru jest zazwyczaj silniejszy oraz promować lepszą organizację burz, czyli tzw. superkomórki, które generują grad i tornada.

Ostatni element metody składnikowej (4) to pionowy uskok wiatru, który związany jest z prądami strumieniowymi. Tak jak wspomniałem wcześniej, zmiany w tym parametrze nie sprzyjają wzrostowi intensywności burz. Prąd strumieniowy generalnie słabnie w szerokościach umiarkowanych, ponieważ zmniejsza się różnica temperatur pomiędzy szerokościami zwrotnikowymi a biegunami.

Jeżeli zmiany we wszystkich wspomnianych składnikach połączymy więc razem, w ujęciu globalnym wychodzi następująca konkluzja: burz będzie prawdopodobnie więcej, ale jest już duża niepewność dotycząca tego, jak zmieni się ich intensywność. Z różnych powodów w określonych regionach świata może dojść do wzmocnienia intensywności burz, a w innych do osłabienia. Na pewno nie możemy stwierdzić uniwersalnie, że liczba ekstremalnych zjawisk konwekcyjnych będzie wszędzie wzrastała.

Burza burzy nie równa

Wychodzi na to, że dużo mamy tych niepewności…

M.T.: To dodam, że jest jeszcze jeden aspekt, który wprowadza dodatkową niepewność modelowania burz. Istnieją różnego rodzaju struktury burz, tzw. tryby konwekcji (ang. convective-mode). W bardzo prostej klasyfikacji możemy wymienić: (1) burze izolowane (jedna komórka burzowa i na około niej nic innego nie ma, generuje niebezpieczne zjawiska tylko lokalnie), (2) wielokomórkowe klastry burzowe (bardzo dużo, ale słabo zorganizowanych komórek burzowych obok siebie, które rywalizują ze sobą o ciepłe i wilgotne powietrze) oraz (3) dobrze zorganizowane linie szkwału (gdy konwekcja organizuje się w linię, generując bardzo silne porywy wiatru na znacznym obszarze).

Obecnie bardzo ciężko określić przy pomocy reanaliz oraz projekcji klimatu, jakich struktur burz możemy się spodziewać w danej konfiguracji parametrów fizycznych atmosfery. Nawet w prognozowaniu operacyjnym na okres powyżej 24 godzin czołowi synoptycy w Stanach Zjednoczonych do dziś mają z tym ogromny problem. Często można określić z dużym prawdopodobieństwem, że burza powstanie w danym miejscu, ale jest znaczna niepewność w zakresie spodziewanego trybu konwekcji.

Tego typu informacja ma jednak fundamentalne znaczenie dla prognozowania spodziewanych zjawisk. Izolowane superkomórki z gradem i tornadami mogą generować ogromne zniszczenia tylko w skali lokalnej na przestrzeni kilkunastu kilometrów, a rozległe linie szkwału będą generować silne porywy wiatru na obszarze setek, a nawet i tysięcy kilometrów z nikłymi szansami na tornada i grad. Klastry wielokomórkowe mają natomiast potencjał do tworzenia powodzi błyskawicznych (ang. flash flood).

Oznacza to, że nawet jeśli na potrzeby naszego modelowania klimatologicznego stworzymy super algorytm, który będzie identyfikować możliwość wystąpienia burzy na podstawie mezoskalowych warunków atmosferycznych, to nigdy nie będziemy mieli pewności, co się z tą burzą stanie i jakie zjawiska wyprodukuje, kiedy finalnie już powstanie. Jednocześnie tego typu informacji nie jesteśmy w stanie wyciągnąć ani z reanaliz, ani z projekcji klimatu. To ogromny problem, który rzutuje na niepewność uzyskiwanych wyników badań przy użyciu reanaliz i projekcji klimatu.

Czy prognozowanie niebezpiecznych zjawisk można udoskonalić?

M.T.: Natalia w swej pracy schodzi do tak dużej rozdzielczości modelu, że jest w stanie bezpośrednio dokonać symulacji chmury burzowej i może pokazać, jak będzie ona wyglądała: czy to będzie linia szkwału, czy słabo zorganizowany klaster, czy superkomórka z tornadem. Dlatego przyszłością meteorologii i badań konwekcyjnych jest powszechne stosowanie modeli o wysokiej rozdzielczości.

Do tego potrzebne są jednak ogromne zasoby i moce obliczeniowe w ramach superkomputerów, które na szczęście z każdym rokiem wzrastają i stają się coraz bardziej dostępne. Dzięki temu z Natalią możemy obecnie wykonywać obliczenia i prowadzić badania, które 10-15 lat temu w zasadzie w Polsce były niemożliwe. Ta dziedzina bardzo dynamicznie się rozwija i pozwala uzyskiwać coraz to bardziej dokładne symulacje. Nadal trzeba jednak pamiętać, że to jedynie symulacja i jest ona obarczona pewnym błędem, niepewnością.

Czy to oznacza, że będziemy prognozować burze z większą skutecznością?

M.T.: Tak, jednym z efektów badań moich i Natalii oraz naszych kolegów jest ulepszanie prognozowania burz. Skuteczne prognozowanie zjawisk konwekcyjnych to jednak ciężki temat. Miałem okazję obserwować, jak się to robi zarówno w Europie oraz Stanach Zjednoczonych i proszę mi wierzyć – nawet osoba, która siedzi w tym 25 lat, prognozuje dzień w dzień oraz dysponuje najlepszymi produktami prognostycznymi, nigdy nie będzie miała absolutnej pewności co do spodziewanych zjawisk i morfologii konwekcji.

Synoptyk wydaje prognozę obszarową na podstawie prawdopodobieństwa, które nigdy nie wynosi 100%. Niepewność prognozy dotyczy obszaru, godziny wystąpienia oraz spodziewanych zjawisk, więc szansa, że coś pójdzie nie tak, jest spora. Czasami w „wielkie dni”, kiedy spodziewane są liczne tornada, burze szybko formują linie szkwału i nie tworzą tornad, a w inne „marginalne” dni tworzą się potężne superkomórki w miejscu, gdzie nie były spodziewane. W większości przypadków synoptycy wykonują jednak dobrą robotę, ale jest to praca bardzo stresująca.

Wydaje mi się też, że społeczeństwu przydałaby się dodatkowa edukacja, by ludzie odpowiednio interpretowali prognozy burzowe i rozumieli naturę tych zjawisk. Może być tak, że w ramach obszaru nakreślonego przez synoptyka jako strefa zagrożenia pojawią się trzy superkomórki i tornada, a 40 km dalej – wciąż w ramach tego samego obszaru zagrożenia – nie spadnie nawet kropla deszczu. Osoba tam mieszkająca powie, że prognoza była nieudana, bo u niej nic nie powstało. Ale taka prognoza nie oznacza przecież, że burza z tornadami ma się pojawić na całym obszarze, tylko, że jest możliwa na jego fragmencie. W skrócie: to, że burzy nie było u ciebie, nie znaczy, że to prognoza była zła, ponieważ burza mogła być kilka kilometrów dalej. Burze to zjawiska niezwykle lokalne, a prognozując je stosujemy prawdopodobieństwa obszarowe.

Rozmawiał Szymon Bujalski

dr Mateusz Taszarek – adiunkt w Zakładzie Meteorologii i Klimatologii na Wydziale Nauk Geograficznych i Geologicznych Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, naukowiec wizytujący NOAA National Severe Storms Laboratory, członek European Severe Storms Laboratory i Skywarn Polska, laureat nagrody European Meteorological Society dla młodych naukowców za całokształt osiągnięć naukowych nad badaniem zjawisk burzowych na obszarze Europy oraz Stanów Zjednoczonych i ich związku z ocieplającym się klimatem.

dr Natalia Pilguj – adiunkt w Zakładzie Klimatologii i Ochrony Atmosfery w Instytucie Geografii i Rozwoju Regionalnego na Uniwersytecie Wrocławskim. Specjalistka modelowania numerycznego zjawisk konwekcyjnych w atmosferze.

The post Z powodu zmiany klimatu burz na świecie będzie coraz więcej. A co z Polską? appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Był wieczór 29 czerwca 2022 roku, kiedy wśród osób zajmujących się pogodą: zarówno zawodowych meteorologów jak i udzielających się w internecie amatorów—pasjonatów tego tematu zapanowało pewne poruszenie. Przyczyną była prognoza numerycznego modelu pogody określanego powszechnie akronimem GFS, od Globalny System Prognozowania [Global Forecasting System].

Czemu wszyscy śledzą prognozy GFS?

Modele takie jak GFS są skomplikowanymi programami komputerowymi, które w oparciu o prawa fizyki i wiedzę na temat aktualnego stanu atmosfery — pochodzącą z pomiarów wykonanych przez instrumenty znajdujące się na stacjach meteorologicznych, krążące wokół Ziemi satelity, czujniki unoszone przez balony meteorologiczne i z wielu innych źródeł  — przewidują przyszłą pogodę dla całej planety. Przewidywanie to w praktyce oznacza wykonanie ogromnej liczby obliczeń przy pomocy superkomputera, i choć instytucji które takie obliczenia wykonują jest relatywnie niewiele, będące ich efektem prognozy są zazwyczaj udostępniane wszystkim chętnym.

W przypadku amerykańskiego modelu GFS prognozy są udostępniane publicznie i za darmo, co jest główną przyczyną jego popularności wśród amatorów i pół–zawodowców. Wielu z nich wykorzystuje je do własnych celów, tworząc pomysłowe wizualizacje albo po prostu prognozy pogody dla swojego miasta czy regionu. Z tego też powodu już kilka godzin po zakończeniu obliczeń przez superkomputer ich efekty, w postaci kolorowych mapek i wykresów, są oglądane przez tysiące osób. Szybko zatem udaje się znaleźć prognozy dziwne czy nietypowe.

Dlaczego w prognozę trudno było uwierzyć?

W tym przypadku nietypowe były upały, które pojawiły się na samym końcu objętego obliczeniami okresu: model zasilony danymi obserwacyjnymi z godziny 12 czasu Greenwich (12Z, jak mówią meteorolodzy i wojskowi) przewidywał w 384-tej, ostatniej godzinie prognozy ponad 36 stopni w południowo-wschodniej Anglii. Ówczesny rekord temperatury maksymalnej dla Wysp Brytyjskich, zarejestrowany w lipcu 2019 roku przez stację meteorologiczną w Ogrodzie Botanicznym w Cambridge wynosił 38,7 stopni Celsjusza.

Ostatnia godzina prognozy wypadała na godzinę 13-tą czasu lokalnego, więc choć model GFS zakończył obliczenia, nie było trudno odgadnąć — zwłaszcza analizując przewidywane właściwości masy powietrza kilka kilometrów nad powierzchnią Ziemi — że w sytuacji takiej temperatura powinna rosnąć przez resztę popołudnia, przekraczając nie tylko poziom dotychczasowego rekordu, ale też psychologiczną granicę 40 stopni Celsjusza. W zgodnej opinii wielu wypowiadających się na ten temat meteorologów o długim stażu, wartość taka nigdy się do tej pory nie pojawiła na mapach prognoz pogody.

To miało być za 30 lat!

Jedynym wyjątkiem była fikcyjna prognoza przygotowana we wrześniu 2020 roku przez brytyjską służbę meteorologiczną, Met Office. Stanowiła ona część szerszej kampanii informacyjnej prowadzonej w ramach klimatycznej konferencji ONZ przez instytucje meteorologiczne różnych krajów. Prognoza Met Office dotyczyła odległej przyszłości: 23 lipca 2050 roku, a jej celem miało być zobrazowanie wciąż w wielu oczach abstrakcyjnego pojęcia zmiany klimatu przy pomocy zdarzenia, które przyszłe pokolenia będą miały okazję — albo raczej nieszczęście—doświadczyć osobiście, i pokazywać, jak mogłaby wyglądać pogoda na planecie, której klimat został trwale zmieniony przez kolejne dekady globalnego ocieplenia.

40-stopniowe upały, nienotowane w Anglii od czasu rozpoczęcia systematycznych pomiarów temperatury w skali całego kraju pod koniec XIX wieku, miały być więc czytelnym zwiastunem tego, jak bardzo zmieni się klimat w XXI wieku. Były to upały tak skrajnie nieprawdopodobne, że w praktyce niemożliwe: według oszacowań klimatologów z Met Office, w warunkach klimatycznych odpowiadających tym z XX wieku, zarejestrowanie temperatur przekraczających 40 stopni było zdarzeniem z kategorii „lato tysiąclecia” (Christidis i in., 2020).

Zjawisko stuletnie (czy tysiącletnie), to zjawisko tak ekstremalne, że prawdopodobieństwo jego wystąpienia to ok. raz na 100 (czy 1000) lat. Często używa się tego określenia w odniesieniu do powodzi (powódź stulecia, tysiąclecia) lub upałów (upał stulecia, tysiąclecia).  

Kolejne prognozy pokazały to samo!

Można więc zrozumieć, że kiedy model GFS wygenerował prognozę sugerującą możliwość zaistnienia takich upałów, wzbudziło to pewne zainteresowanie. Prognoza powtórzyła się następnego dnia: tym razem 40 stopni Celsjusza przewidywano już w horyzoncie czasowym objętym obliczeniami modelu. Bardzo prawdopodobne, że był to pierwszy raz w historii, kiedy wartość taka pojawiła się na mapce Wielkiej Brytanii. Godne uwagi było też to, że niewiele niższą, ale bliską rekordowej temperaturę prognoza przewidywała na dużym obszarze południowo-wschodniej Anglii, a także ponad 45 stopni w północnej Francji.

Dlaczego prognoz nie brano na poważnie?

Zainteresowanie nie wynikało z tego, że ktoś naprawdę wierzył, że zobaczymy latem 2022 roku te wartości na termometrach. Przewidywane warunki miały zaistnieć w połowie lipca, były zatem prognozowane z ponad dwutygodniowym wyprzedzeniem. Użyteczność typowej prognozy pogody rzadko przekracza pięć-sześć dni, co jest ogromnym postępem w stosunku do prognoz pogody czasów mojej młodości, które porównywalną sprawdzalność traciły już dwa-trzy dni wcześniej. Prognoza na dwa tygodnie, niezależnie od tego co pokazuje, jest więc w najlepszym razie ciekawostką, a przewidywana pogoda z definicji uznawana za coś mało prawdopodobnego.

Chaos i prognozy probabilistyczne

Przyczyną jest zjawisko zwane popularnie chaosem, z często przywoływaną metaforą motyla, który uderzeniami skrzydełek ma wiele dni później spowodować huragan w odległej części globu. W rzeczywistości chodzi o to, że matematycznym opisie pogody, który jest podstawą jej numerycznych modeli, nawet drobne błędy w danych wejściowych, dotyczących teraźniejszego, zaobserwowanego stanu atmosfery, będą szybko rosnąć.

Jedynym praktycznym sposobem okiełznania chaosu są prognozy probabilistyczne, w których zamiast jednej symulacji komputerowej wykonuje się ich kilkanaście albo kilkadziesiąt, każda rozpoczynająca się (albo jak mówią meteorolodzy i klimatolodzy, “inicjalizowana”) od nieznacznie różniących się warunków początkowych. Różnice pomiędzy prognozami będą rosnąć wraz z upływem symulowanego czasu, choć rozrzut wyników — zwanych zbiorczo „wiązką” — nie jest jednorodny w przestrzeni, i też zależy od stanu atmosfery. W praktyce oznacza to, że czasami pogoda jest bardziej, a czasami mniej przewidywalna. W efekcie wiązka prognoz temperatury będzie pokazywać jednocześnie dni upalne i chłodne, oraz zupełnie przeciętne. 

Nawet w optymalnych warunkach szansa, że prognoza pogody obliczona z dwutygodniowym wyprzedzeniem sprawdzi się z jakąś sensowną dokładnością jest bardzo niewielka. Graficznie może to zobrazować „wykres spaghetti” całej wiązki prognoz, która wraz z przyrostem błędów prognozy poszerza się, osiągając po kilkunastu dniach cały zakres wartości danego parametru. W efekcie wiązka prognoz temperatury będzie pokazywać jednocześnie dni upalne i chłodne, oraz zupełnie przeciętne. Tych ostatnich będzie najwięcej, bo są one najbardziej prawdopodobne. A cała wiązka prognoz, kiedy już straci „pamięć” warunków początkowych, pokazuje tak naprawdę jak często w danym miejscu występuje dany rodzaj pogody. W pewnym sensie wiązka taka obrazuje więc klimat, a nie pogodę, jako zbiór możliwości wraz z oszacowaniem prawdopodobieństwa ich wystąpienia (czyli rozkład statystyczny).

Nieprawdopodobne stało się realne? Meteorolodzy byli podejrzliwi!

Niezwykłość prognozy GFS z końca czerwca polegała więc na tym, że pokazywała zdarzenie spoza dotychczasowego zakresu wiązki: model numeryczny z jakiegoś powodu uznał, że zaistnienie 40-stopniowych upałów stało się w Anglii możliwe (choć na tym etapie wciąż, przypomnijmy, mało prawdopodobne).

Naturalnie, meteorolodzy byli podejrzliwi. Modele numeryczne pogody — jak wszystkie modele używane w nauce — są niedoskonałym odzwierciedleniem (fragmentu) rzeczywistego świata, można więc oczekiwać, że „niemożliwa” prognoza jest wynikiem jakiegoś błędu. Szybko zwrócono uwagę, że wraz z zaistnieniem upałów model GFS przewidywał też bardzo niską wilgotność gleby. Symulowana powierzchnia gruntu w wirtualnej Anglii była sucha jak pieprz, co skutecznie odcinało jedną z możliwych dróg jej schładzania, poprzez tak zwany strumień ciepła utajonego, czyli po prostu odparowywanie wody (jak i ewapotranspirację). Pomiary wilgotności gruntu wskazywały że ziemia nie była aż tak sucha, a zatem można było oczekiwać, że rzeczywiste temperatury nie będą tak wysokie jak przewidywał model. Było trochę śmiechu, a meteorolodzy odetchnęli z ulgą.

Z czasem w prognozy trzeba było jednak uwierzyć…

GFS był jednak uparty, i również w kolejnych dniach pokazywał bardzo wysokie temperatury. Wkrótce dołączyły do niego inne globalne modele: między innymi IFS z Europejskiego Centrum Prognoz Średnioterminowych (ECMWF), niemiecki ICON i brytyjski UM. Prognozowane upały przesunęły się co prawda w czasie — z piątku na sobotę, z soboty na niedzielę, i ostatecznie na poniedziałek z kulminacją we wtorek 19 lipca — ale jednocześnie zaczęły być pokazywane przez znaczącą część, a momentami przez większość, symulacji w wiązce prognoz (a tak naprawdę przez każdą wiązkę każdego ośrodka). 40-stopniowe upały przewidywane były także przez prognozy deterministyczne, wykonywane przez modele uruchamiane w wyższej rozdzielczości, a zatem dokładniejsze. 

W międzyczasie wysokie temperatury (w szczególności fala upałów, która dotknęła zachodnią Europę w okolicy 12 lipca) sprawiły, że w wystawionych na słońce miejscach wilgotność gruntu faktycznie osiągnęła bardzo niski poziom, tak jak przewidywały wczesne prognozy GFS. Pod koniec pierwszego tygodnia lipca było już w zasadzie pewne, że zachodnią Europę dotknie intensywna fala upałów, pytanie tylko – jak bardzo, i jaki będzie jej zasięg przestrzenny.

Ekstremalne przewidywania modeli pogody – w szczególności, bezprecedensowe 40 stopni Celsjusza w Wielkiej Brytanii – z ciekawostki zmieniły się więc w realne zagrożenie, i choć wciąż uznawano je za względnie mało prawdopodobne, nie można ich już było wykluczyć jako kompletnie nierealistycznych i błędnych. 

Ogłoszono stan zagrożenia

12 lipca brytyjska służba meteorologiczna ogłosiła “pomarańczowy” alarm pogodowy przestrzegający przed wysokimi temperaturami. Trzy dni później, po raz pierwszy w historii ogłoszono najwyższy, “czerwony” alarm spowodowany falą upałów. Tak wysokie temperatury zagrażają już bowiem zdrowiu i życiu nie tylko osób starszych i cierpiących na schorzenia układu sercowo-naczyniowego, ale też osób teoretycznie w pełni zdrowych. Utrudniają też funkcjonowanie infrastruktury, dzięki której funkcjonuje nasza cywilizacja: systemu elektro-energetycznego, sieci transportowej i łańcuchów dostaw. 

18 i 19 lipca, zgodnie z prognozami, okazały się być w Wielkiej Brytanii dniami bardzo upalnymi. Najwyższe temperatury zmierzono 19 lipca, kiedy padł nowy rekord temperatury maksymalnej, 40,3°C. Niezwykła była też rozległość obszaru objętego upałami: w 46 stacjach meteorologicznych, od Charlwood w Surrey na południu Anglii, po Leeming w północnym Yorkshire, przekroczyły one 38,7 stopni Celsjusza, czyli poprzedni rekord dla całego kraju, ustanowiony zaledwie trzy lata wcześniej, a w 7 stacjach meteorologicznych zanotowało co najmniej 40°C.

Rekordowa fala upałów w Wielkiej Brytanii a globalne ocieplenie

Nasuwa się zatem kilka pytań: czy i kiedy ta ekstremalna fala upałów była przewidywalna? Czy faktycznie została przewidziana z dużym wyprzedzeniem? I jaką rolę odegrało globalne ocieplenie?

Zacznijmy od ostatniego problemu. Przez wiele lat klimatolodzy unikali, zwłaszcza w dyskursie popularno-naukowym, mówienia o przyczynowości w kontekście pojedynczych zjawisk pogodowych. Antropogeniczna zmiana klimatu jest zjawiskiem zachodzącym, w skali czasowej pojedynczego ludzkiego życia, na tyle powoli, że trudno ją powiązać z fenomenami doświadczanymi osobiście. Pogoda obserwowana za oknem jest chwilowa i lokalna, a zatem dotyka ją znacznie większa zmienność niż długoterminowe i wielkoskalowe zjawisko globalnej zmiany klimatu. I choć, na poziomie molekularnym wpływ gazów cieplarnianych jest również chwilowy i lokalny, codzienna zmienność pogody sprawia że jest on dobrze ukryty. Wzrost częstości występowania jakiegoś zjawiska o kilka, kilkanaście czy kilkadziesiąt procent niełatwo jest dostrzec bez analizy statystycznej, zwłaszcza jeśli dotyczy on zjawisk ekstremalnych, które są z natury rzeczy dość rzadkie. Jeśli jednak globalne ocieplenie sprawiło, że jakieś zjawisko pogodowe zdarza się kilkakrotnie, albo kilkunastokrotnie częściej, związek przyczynowo-skutkowy staje się możliwy do zaobserwowania również w skali lokalnej i krótkoterminowej.

W przypadku upałów tak intensywnych jak te z lipca 2022 roku, globalne ocieplenie sprawiło że są one co najmniej dziesięciokrotnie częstsze (Zachariah i in., 2022) (choć wciąż bardzo rzadkie, o czym więcej niżej). Oznacza to, że możemy obserwować zjawiska których nasze prababcie i pradziadkowie praktycznie nie mieli szans doświadczyć w całym swoim życiu. Przesuwamy się z obszaru “globalne ocieplenie zwiększa ryzyko zaistnienia zjawiska ekstremalnych upałów” w kierunku “globalne ocieplenie czyni wcześniej niemożliwe ekstremalne upały możliwymi”. Jest to już bardziej zgodne z naszymi codziennymi intuicjami dotyczącymi związków przyczynowo-skutkowych, a także probabilistyczną teorią przyczynowości.

Z jakim wyprzedzeniem da się przewidzieć podobne upały?

Pytanie o przewidywalność tej konkretnej fali upałów z 18-19 lipca 2022 roku jest mniej filozoficzne, a bardziej techniczne. Jak widzieliśmy wcześniej, to że modele numeryczne w odległym horyzoncie czasowym przewidują czasami ekstremalne warunki nie jest niczym dziwnym. Nikt nie traktuje ich poważnie, bo większość z nich się nie sprawdza i szybko zostaje zapomniane (choć w tym przypadku tendencja GFS-a do powracania do prognozowania 40 stopni w południowo-wschodniej Anglii w połowie lipca wzbudziła zainteresowanie). 

Analizując wykonane w lipcu prognozy zespół meteorologów z ECMWF (Magnusson i in., 2022) doszedł do wniosku że przewidywalność fali upałów (w modelu IFS) nie przekraczała horyzontu 2 tygodni, co sugeruje że GFS miał po prostu szczęście. Należy więc z ostrożnością traktować takie prognozy w przyszłości: przy kilkudziesięciu realizacjach w wiązce i wielu modelach, na mapach pogody bez wątpienia będą się od czasu do czasu pojawiać bardzo mało prawdopodobne prognozy numeryczne bez wątpienia będą pojawiać się na mapach pogody każdego lata, które niekoniecznie się sprawdzą. To, że w 2022 roku GFS ze swoją wczesną prognozą “trafił” niemal w dziesiątkę, nie znaczy że nabrał magicznych mocy predykcyjnych.

Wracając do chronologii prognoz i związanych z nimi reakcji służb meteorologicznych, ryzyko związane z nadciągającymi ekstremami temperaturowymi zostało uznane za wysokie na tydzień przed samym zdarzeniem, kiedy w Wielkiej Brytanii ogłoszono “pomarańczowy alarm”. Nawet wtedy jednak prawdopodobieństwo osiągnięcia 40 stopni Celsjusza oceniano jako niskie, poniżej 10% w analizach Met Office i podobnie ECMWF. Do 50% wzrosło ono 15 lipca, kiedy ogłoszono “czerwony alarm”, a do 70% w przeddzień kulminacji fali upałów. Niezwykła intensywność upałów z 19 lipca nie była więc gwarantowana, choć na kilka dni wcześniej w środowisku meteorologów i klimatologów sceptycyzm wobec przewidywań modeli ustąpił powszechnej akceptacji, że będziemy mieć okazję obserwować historyczne zdarzenie.

Czy podobne upały będą się powtarzać?

Kolejnym nasuwającym się pytaniem jest: kiedy możemy spodziewać się kolejnego takiego wydarzenia? Według oszacowań wykonanych przed (Christidis i in., 2020) i po (Zachariah i in., 2022) 19 lipca 2022 roku, przekroczenie progu 40°C było zdarzeniem rzadkim (choć około dziesięciokrotnie częstszym niż 100 lat wcześniej), i można się go spodziewać, przy obecnym klimacie, mniej więcej raz na sto lat. 

Problem polega oczywiście na tym, że wskutek nieprzerwanej emisji gazów cieplarnianych “obecny klimat” ustąpi miejsca klimatowi cieplejszemu, co w kolejnych dekadach zwiększy prawdopodobieństwo występowania tak intensywnych ekstremów temperatury. Przy założeniu przyszłego scenariusza umiarkowanej emisji gazów cieplarnianych i jej stabilizacji w drugiej połowie XXI wieku, będzie to już zjawisko którego można się spodziewać średnio raz na piętnaście lat.

Lokalnie rzadko, globalnie częściej

Jest tutaj jednak kolejny haczyk, związany z tym jak doświadczamy i interpretujemy rzadkie zdarzenia. Oszacowania prawdopodobieństwa dotyczą bowiem konkretnego obszaru, stanowiącego względnie niewielką część całej planety. Nawet biorąc pod uwagę same lądy (na których mieszkamy i których pogoda interesuje nas najbardziej), mamy do czynienia z wieloma niezależnymi zdarzeniami pogodowymi. Choć więc szansa, że zdarzenie z kategorii “upały stulecia” w najbliższym czasie powtórzy się akurat w Wielkiej Brytanii zdarzenie z kategorii “upały stulecia” jest niewielka, to jednak jest bardzo prawdopodobne że zdarzenie takie zaobserwowane zostanie gdziekolwiek (*). Zaledwie rok wcześniej widzieliśmy równie (albo nawet bardziej) nieprawdopodobne upały w Kanadzie, gdzie temperatura osiągnęła niemal 50 stopni, a dotychczasowy rekord temperatury maksymalnej został pobity aż o 4,6°C (White i in., 2023). 

Z drugiej strony mniej ekstremalne, ale wciąż bezprecedensowe w historii pomiarów temperatury fale upałów będą się zdarzać relatywnie znacznie częściej, prowadząc do nowych rekordów temperatury na całym świecie, i zmieniając naszą percepcję tego, co uznajemy za “normalną” pogodę.

Jak to wygląda z perspektywy całej Europy?

Lipcowa fala upałów była jedną z trzech, które dotknęły Europę latem 2022 roku, przyczyniając się do pogłębienia warunków suszy obejmującej dużą część kontynentu.(Toreti i in., 2022) Również średnia temperatura lata klimatologicznego (tj. okresu czerwiec-sierpień) pobiła w 2022 roku rekord, ustanowiony zaledwie rok wcześniej, aż o 0,4°C (ECMWF, 2022). To lato było zatem w Europie najgorętsze w historii pomiarów instrumentalnych, i prawdopodobnie również najcieplejsze od co najmniej 700 lat (Bothe i Zorita, 2020).

Na powyższym wykresie warto zwrócić uwagę na słupek odpowiadający gorącemu latu z 2003 roku, zapamiętanemu z powodu intensywnej i śmiercionośnej fali upałów, która w sierpniu dotknęła przede wszystkich Francję. Od tamtego czasu zdarzyły się już cztery lata cieplejsze, i można oczekiwać, że przy obecnych trendach wzrostu temperatury, pomiędzy rokiem 2030 a 2040 częstość analogicznych zdarzeń osiągnie 50%. Bezprecedensowo gorąca pogoda, która 20 lat temu szokowała meteorologów, szybko staje się więc “nową normą”.

(*) To samo rozumowanie można oczywiście zastosować do fal ekstremalnego chłodu, choć w tym przypadku pełna symetria jest złamana z tego powodu, że wraz ze zmianą klimatu przesuwamy się z klimatów chłodniejszych do cieplejszych. Dlatego “upały stulecia”, przy obecnym klimacie, są bezprecedensowe w historii pomiarów instrumentalnych temperatury, a “mrozy stulecia”, też przy obecnym klimacie, odpowiada warunkom, które 50 czy 100 lat temu występowały dość często. (wróć do tekstu)

The post Trudno w to było uwierzyć! Rekordowa fala upałów w Wielkiej Brytanii (2022) appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Szymon Bujalski: Pracujesz w Met Office, gdzie zajmujesz się modelami klimatu. Jaki wyłania się z nich obraz przyszłości?

Piotr Florek, Met Office Hadley Centre: Modelowanie klimatu oraz wiedza na temat reakcji systemu klimatycznego na zmianę składu atmosfery to jedna kwestia, ale równie istotne są wybory, których dokonujemy jako ludzkość: zbiorowo i indywidualnie. To te wybory są największą niewiadomą i największym źródłem niepewności. Nawet dzisiaj nie wiemy, jak ludzkość zareaguje na doniesienia nauki, wyrażane chociażby w raportach IPCC, jakie decyzje będziemy podejmować, jakie polityki klimatyczne będą lub nie będą wdrażane. Dlatego w symulowanych przez modele klimatu wersjach przyszłości widać dość dużą rozbieżność (w mniejszym stopniu wpływa na nią także niepewność strukturalna związana z tym, że nasza wiedza na temat funkcjonowania klimatu jest niepełna). W symulacjach Met Office i innych instytucji mamy scenariusze pesymistyczne, które zakładają, że ludzkość kompletnie zignoruje ostrzeżenia naukowców, i optymistyczne, które zakładają, że ludzkość wdroży redukcje emisji gazów cieplarnianych w tempie bezprecedensowym. Scenariusze te w kolejnych dekadach rozjeżdżają się dramatycznie.

Te najbardziej optymistyczne zakładają niemal zawsze wdrożenie na dużą skalę tzw. technologii emisji ujemnych, czyli pochłaniania dwutlenku węgla z atmosfery i składowania go pod ziemią albo w głębinach oceanicznych. Są to technologie w dużej mierze hipotetyczne, które jeszcze nigdzie nie działają, od początku do końca, na skalę przemysłową. Jeśli nie chcemy polegać na czymś tak niepewnym, musimy redukować emisje w naprawdę szybkim tempie. Potrzebujemy błyskawicznej i ogromnej transformacji nie tylko energetyki, ale i wielu innych sektorów gospodarki. A to jest bardzo trudne.

W najbardziej pesymistycznych scenariuszach kończymy w świecie, w którym na dużych obszarach tropików zdarzają się śmiertelne w skutkach fale upałów, w trakcie których bez klimatyzacji nie da się przeżyć dłużej niż kilka godzin. Następuje rozpad lądolodu Antarktydy Zachodniej, topnieje Grenlandia, dochodzi do dalszego zakwaszania oceanów i tzw. morskich fali upałów (wzrost temperatury przy przypowierzchniowej warstwie oceanów), które powodują wymieranie wielu gatunków w całym łańcuchu troficznym od jednokomórkowców, przez rafę koralową, po złożone organizmy wielokomórkowe.

O jakiej perspektywie czasowej mówimy?

Druga połowa XXI w. i kolejne stulecia. Ze względu na bezwładność systemu klimatycznego, jeśli dopuścimy do takiego stanu rzeczy, w perspektywie czasowej naszej cywilizacji będzie on już nieodwracalny. Potrwa to stulecia, a nawet tysiąclecia. Ratunkiem mogłoby być wdrożenie na masową skalę wspomnianych technologii ujemnych emisji dwutlenku węgla, których jak dotąd nie wdrożono w całości (od pobierania CO₂ z atmosfery, po składowanie go w bezpiecznym geologicznie rezerwuarze) na skalę nawet jednej instalacji przemysłowej. A żeby rozwiązanie to faktycznie pomogło zniwelować zmianę klimatu, trzeba by stworzyć całą infrastrukturę, porównywalną z tą, którą posiadamy do ekstrakcji paliw kopalnych. Ujmując rzecz obrazowo, oznaczałoby to zbudowanie odpowiednika tych wszystkich kosztownych kopalni, gazociągów, szybów wiertniczych, tyle że od nowa, w drugą stronę. Trudno mi uwierzyć, że tak się stanie. Z drugiej strony, dwie dekady temu odnawialne źródła energii były bardzo drogie, ale dzięki wydaniu masy pieniędzy na subsydia, produkcję i wdrażanie kolejnych generacji, OZE staniało, a efektywność fotowoltaiki czy baterii mocno się zwiększyła.

Czyli da się, czy nie?

Gdy chodzi o zmianę klimatu, trzeba doprecyzować co rozumiemy przez „da się”. Jest „da się” fizyczne, „da się” techniczne, oraz „da się” ekonomiczno-społeczno-polityczne, oddzielające to, co możemy zrobić od tego, co chcemy zrobić i tego, co w końcu naprawdę robimy (czasami, bo tego chcemy, a czasami, bo nie mamy wyboru). Wydaje mi się jednak, że możemy być zdziwieni, jak wiele rzeczy da się zrobić. Rok temu świat stanął na moment z powodu pandemii, a część z nas była w stanie dokonać znaczących zmian w tym, jak żyje, pracuje, przemieszcza się. Można sobie wyobrazić, że gdybyśmy naprawdę chcieli, bylibyśmy w stanie dokonać podobnych zmian, tak by mogli z nich korzystać nie tylko mieszkańcy miast krajów zamożnej Północy, i utrzymać je przez kolejne lata.

Znamy historyczne precedensy, takie jak transformacja gospodarek państw uczestniczących w wojnach światowych, gdy przestawiano przysłowiowe wajchy w fabrykach i zamiast traktorów robiono czołgi. Taka transformacja wymagałaby jednak poważnego podejścia do problemu, a zmiana klimatu wciąż jest lekceważona, uważana za coś abstrakcyjnego, odległego w przestrzeni i czasie, problem przyszłych pokoleń albo mieszkańców innych krajów. Dopóki człowiek nie zderzy się ze skutkami globalnego ocieplenia osobiście, ciężko to sobie wyobrazić i połączyć kropki. Zresztą nawet wtedy jest to trudne, bo jesteśmy świetni w unikaniu odpowiedzialności, pokazywaniu palcem na innych czy racjonalizowaniu sobie, że tak widocznie miało być, że nie da się tego uniknąć.

Jaka jest historia modeli klimatu?

Pierwsze modele klimatu, wtedy nazywane modelami ogólnej cyrkulacji atmosfery, opracowano jeszcze przed powszechną akceptacją przez świat naukowy, że emisje CO₂ mogą być problemem. Modele te służyły badaniu cech cyrkulacji atmosfery i pochodzenia takich wielkoskalowych struktur jak tropikalne komórki Hadleya, monsuny albo prądy strumieniowe. Prawdziwe, trójwymiarowe modele klimatu we współczesnym rozumieniu zaczęły być stosowane w latach 70. W porównaniu z obecnymi były bardzo prymitywne, o niedużej rozdzielczości i pomijały wiele procesów istotnych dla działania klimatu. Tym niemniej nawet przy użyciu tak niedoskonałych narzędzi naukowcy doszli wtedy do wniosku, że konsekwencje emisji dwutlenku węgla będą mierzalne i niepokojące, a wywołane nią zmiany będą porównywalne albo nawet większe niż to, czego ludzkość doświadczyła w ciągu ostatnich tysięcy lat.

Wówczas, w latach 70., perspektywa klimatycznych konsekwencji emisji w roku 2030 czy 2070 była jednak wciąż bardzo odległa. Czytając ówczesne opracowania popularnonaukowe widzimy turystyczne loty na Księżyc i bazy na Marsie, powszechność energii jądrowej albo nawet termojądrowej, roboty i sztuczne inteligencje. Zakładano więc, że nawet jeśli zmiana klimatu okaże się problemem, to sobie z nią poradzimy, bo postęp technologiczny, który nastąpi w ciągu półwiecza, pozwoli na dekarbonizację energetyki. Tymczasem mamy 2021 rok, a większość naszej infrastruktury energetycznej i transportu wciąż jest oparta o paliwa kopalne, jak w latach 70.

Wracając do modeli klimatu, to te, których używamy dzisiaj, różnią się bardzo od swych prymitywnych przodków z lat 70. i uwzględniają miriady procesów fizycznych i wiele innych elementów: deszcz, śnieg, grad, chmury, różne biomy, jak lasy borealne, lasy tropikalne, stepy, krążenie i właściwości termodynamiczne wody w oceanach, zachowanie lodowców i lądolodów czy też wpływ oceanicznego planktonu, który uczestniczy m.in. w obiegu węgla.

Na ile można wierzyć modelom? Nie skończy się tak, że nagle rzeczywistość rozjedzie się z nimi o 30%, bo zawierały istotne błędy?

To pytanie bardziej o wiarygodność wiedzy naukowej i tego, jak jej używamy do różnych celów. Albo ogólniej – o przydatność jakiejkolwiek wiedzy. Ostatecznie podejmując decyzje w jakiejś kwestii, opieramy się o naszą najlepszą, na dany moment, wiedzę. I tak jest ze wszystkim, także z modelami klimatu. Myślę więc, że gdzieś z tyłu głowy powinniśmy pamiętać, że perfekcyjne poznanie rzeczywistości jest niemożliwe, a wiarygodność jest rzeczą względną.

Czyli modele sprawdzają się, czy nie?

Przez ostatnie dekady modele cały czas są udoskonalane. Obecnie mają znacznie większą rozdzielczość, uwzględniają wiele procesów fizycznych, chemicznych czy biologicznych, które wczesne modele w ogóle pomijały. Tym niemniej to, co z nich wynika, jest zbieżne z tym, co mówiły wcześniejsze wersje, oparte o fundamentalne prawa fizyki. A fizyka mówi nam, że jeśli zwiększysz zawartość dwutlenku węgla w atmosferze, to wzmocnisz efekt cieplarniany.

Jeśli ktoś chce jednak odrzucić wiedzę płynącą z modelowania, to warto zastanowić się, jaka jest alternatywa. Jeśli w odpowiedzi nie masz niczego lepszego, a wiedzę chcesz zastąpić ignorancją, to nie wydaje mi się, żeby była to racjonalna strategia poznawcza.

Kiedy ktoś chce skoczyć z 10. piętra, to nie opiszemy ze 100-procentową dokładnością tego, jak po zderzeniu z nawierzchnią zachowa się każda molekuła jego ciała. Mimo to wiemy w ogólnych zarysach, jakie będą konsekwencje tej decyzji. Podobnie jest z modelami klimatu, które nie są i nie mogą być perfekcyjnym odwzorowaniem rzeczywistości. To nieuniknione: potrzebowalibyśmy superkomputera wielkości Ziemi, żeby móc zasymulować planetę do poziomu pojedynczych cząsteczek powietrza czy nawet jeszcze niżej, do poziomu kwantowego. Używamy modeli prostszych niż rzeczywistość, żeby uzyskać odpowiedzi na interesujące nas pytania, wykorzystując do tego skończone zasoby czasowe, energetyczne i ludzkie.

Do tego możemy weryfikować modele, porównywać prognozy z obserwacjami, dzięki czemu wiemy, co działa, a co warto poprawić. A robimy to na wielu etapach, zaczynając od ich konstrukcji i od pojedynczych komponentów, z których każdy odwzorowuje mały wycinek rzeczywistości. Jak na przykład to, czy lasy różnych typów mają liście czy igły, przez co inaczej wyglądają z kosmosu i odbijają różną ilość promieniowania słonecznego, co można zmierzyć z satelity i porównać z wynikami generowanymi przez model. W Met Office weryfikacja działania fizyki modelu ma miejsce codziennie, dosłownie co kilka godzin, bo używamy tego samego numerycznego modelu do prognoz pogody i badań klimatu.

W jednym artykule czytam, że tempo ogrzewania planety jest najszybsze od przynajmniej kilku tysięcy lat (tak też podano w raporcie IPCC), w innym, że przynajmniej od kilkuset tysięcy, a w kolejnym – że przynajmniej od kilku milionów. Skąd takie rozbieżności? I która wersja jest w takim razie prawdziwa?

W naukach przyrodniczych nie dysponujemy wyrocznią, która decyduje, jakie zdania są prawdziwe, a jakie które nie. Zamiast tego lepiej przyjrzeć się jakości dowodów przemawiających za tą czy inną tezą, bo różnych ludzi mogą przekonywać różne rzeczy i różne mogą być standardy akceptacji dowodów naukowych. Mogę opowiedzieć, jaką ja mam opinię na ten temat, w oparciu o jakie dowody je sformułowałem, i pozostawić ocenie Twojej i czytelników, czy te dowody są również i dla was przekonujące. Zatem, osobiście jestem zdania, że tempo obecnego ocieplenia jest bezprecedensowym zjawiskiem w skali co najmniej kilkudziesięciu milionów lat.

Dlaczego tak uważasz?

Zawsze ktoś może spytać: „A skąd wiesz, jaka temperatura była 14 195 932 lata temu? Może było cieplej niż teraz i cieplej o 1,5°C niż 10 lat wcześniej?” I zapewne nigdy nie będziemy w stanie odpowiedzieć na to pytanie z taką dokładnością, bo nie możemy cofnąć się w czasie i rozstawić stacji meteorologicznych w odległej geologicznie przeszłości Ziemi. Musimy zatem opierać się o dane pośrednie, tzw. proxy, na przykład zapisane w osadach oceanicznych zmiany zawartości różnych izotopów tlenu, z których następnie można wyciągnąć wnioski o temperaturze. Metody pośrednie są jednak niedokładne i dlatego klimatu sprzed milionów lat nigdy nie poznamy tak dokładnie, jak klimatu obecnego.

Wracając do pytania o tempo zmiany klimatu, można sobie wyobrazić, że faktycznie 10 czy 20 milionów lat temu mogło dojść do globalnego ocieplenia, które było szybsze niż obecne. Ale chyba większość z nas uzna za racjonalne założenie, że prawa fizyki kiedyś były takie same, jak są dzisiaj. I nawet jeśli nie mamy dokładnego zapisu z roczną rozdzielczością zmian temperatury globalnej od dzisiaj do 100 milionów lat wstecz oraz dysponujemy tylko strzępkami informacji o klimacie z tak odleglej przeszłości, akceptujemy jako fakt, że fizyka była i jest taka sama.

Zmiany klimatu w przeszłości były zwykle wywoływane przez czynniki, które działają w długich skalach czasowych, jak tektonika płyt i powolny dryf kontynentów. Znanymi wyjątkami od tej reguły były zdarzenia nagłe, takie jak uderzenie w Ziemię odpowiednio dużej asteroidy (co miało miejsce właśnie kilkadziesiąt milionów lat temu) albo błyskawiczny transfer dwutlenku węgla ze skorupy ziemskiej do atmosfery. Tymczasem nie było w mniej i bardziej odległej historii sytuacji, gdy dochodziło do tego transferu w takim tempie, w jakim ma to miejsce dzisiaj. Wiemy o tym, bo paleoklimatologia, klimatologia i geologia nie znają mechanizmów, które spowodowałyby tak szybką zmianę klimatu i jednocześnie nie zostawiłyby jakichś długotrwałych śladów w zapisie geologicznym. Takich śladów po procesach prowadzących do bardzo szybkiej zmiany klimatu w ciągu ostatnich milionów lat nie ma. Dlatego też mogę wywnioskować, że obecna zmiana klimatu zachodzi w tempie niespotykanym od kilkudziesięciu milionów lat.

Warto pamiętać, że jako czynnik modyfikujący geologię planety ludzie są „lepsi” o co najmniej jeden rząd wielkości niż wszystkie czynniki naturalne. Te wszystkie nasze kopalnie odkrywkowe, gazociągi, produkcja cementu, wykopywanie zasobów naturalnych – to wszystko procesy, które zmieniają powierzchnię Ziemi szybciej niż naturalne procesy górskie, erozja, wulkanizm czy tektonika płyt. Jak się nad tym zastanowić, jest to wręcz zaskakujące, że tak łatwo udało nam się dobrać do zasobu paliw kopalnych i podpiąć ten rezerwuar węgla pierwiastkowego do atmosfery, wypuszczając go w ogromnych ilościach w bardzo krótkim, w skali geologicznej, czasie.

Wszystkie modele uwzględniają punkty krytyczne, jak stepowienie Amazonii, topnienie wiecznej zmarzliny czy Antarktydy?

Niektóre tak, niektóre nie.

Jest ryzyko, że gdy planeta ogrzeje się o 1,7°C, to uruchomią się naturalne procesy, które sprawią, że dobijemy szybko do 2,5 czy 3°C, a to, co zrobimy wtedy z energetyką czy gospodarką, niewiele już zmieni?

Odpowiadając krótko: nie, jest to bardzo mało prawdopodobne. Nie powinniśmy się zbytnio obawiać, że gdzieś w zasięgu 1,5–2°C kryją się punkty krytyczne, których przekroczenie popchnie nas na trajektorię, gdzie Ziemia zamienia się w eoceńską cieplarnię. Według naszej obecnej wiedzy naukowej punkty krytyczne związane z silnymi dodatnimi sprzężeniami zwrotnymi mogą pojawić się dopiero przy większym ociepleniu. I dlatego właśnie chcemy się trzymać od nich z daleka i zatrzymać na tych relatywnie bezpiecznie progach temperaturowych. Jak wspomniałem na początku rozmowy, to jest ten optymistyczny wniosek płynący z raportu IPCC: globalne ocieplenie zachodzi mniej więcej proporcjonalnie wobec emisji dwutlenku węgla i jeśli przestaniemy dwutlenek węgla emitować, globalne ocieplenie się zatrzyma.

Cele 1,5 czy 2°C, które są podstawą Porozumienia Paryskiego, nie zostały wyciągnięte z kapelusza. Dużo czasu, wysiłku i pieniędzy włożono w to, żeby się upewnić, że osiągnięcie ocieplenia na takim poziomie nie jest tym, co skaże ludzkość na nędzną egzystencję w postapokaliptycznej przyszłości.

Ale żeby nie było tak zupełnie różowo, nie jest na 100% pewne, że niektóre nieodwracalne z naszej perspektywy procesy się nie uruchomią. Nie wykluczam, że pod koniec XXI w. ktoś spisując historię ludzkości uzna, że zaakceptowanie w naszych czasach 2°C jako „w miarę” bezpiecznego poziomu było błędne. Bo na przykład rozpad lądolodu zachodniej Antarktydy zostanie zainicjowany i będzie postępował szybciej, niż obecnie zakładamy. Przy czym znowu podkreślę, że nawet jeśli tak się stanie, oczywiście wpłynie to na funkcjonowanie naszej cywilizacji, na los społeczności mieszkających na obszarach narażonych na zalanie, ale nie jest to coś, co popchnie system klimatyczny w znacznie cieplejszą przyszłość.

Czy może zdarzyć się tak, że pominiemy w modelach ważny punkt, który zmieni mocno przyszłość? Czy to w jedną, czy w drugą stronę?

Wiadomo, że prognozy oparte na modelowaniu obciążone są niepewnością, bo modele nie są doskonałe. Ale z drugiej strony na każdym kroku następuje ich weryfikacja, porównywanie z obserwacjami i kalibracja. Jak wspomniałem, choć pierwsze modele były relatywnie prymitywne, to prognozy całkiem skutecznie przewidziały ogólne zachowanie systemu klimatycznego w poprzednich kilku dekadach. Hipotetycznie można przyjąć, że przegapiliśmy jakiś ważny czynnik, który diametralnie zmieni zachowanie systemu klimatycznego w przyszłości, ale jeśli jest on na tyle silny, to powinien być zauważalny, mierzalny. A mamy przecież całkiem niezły system obserwacyjny – satelity, samoloty, radary, boje, pływaki, dryftery w oceanach… Nasze pojęcie o wszystkich procesach zachodzących w atmosferze jest więc całkiem dobre. Dlatego jest niewielka szansa, że przegapiliśmy coś tak istotnego. Mam też złą wiadomość: nie pojawi się raczej żaden czynnik, który zrobi to, czego my nie chcemy zrobić, i zredukuje za nas emisję gazów cieplarnianych.

Jak to się stało, że znalazłeś pracę w Met Office Hadley Centre?

Nie jest to zbyt pasjonująca historia. Ujmując to trochę górnolotnie: chciałem robić coś ciekawego i pożytecznego dla ludzkości, a Hadley Centre dało mi szansę uczestniczenia w pracy przy jednym z najlepszych projektów związanych z modelowaniem klimatu. Praca w tym zawodzie daje mi dużą satysfakcję i liczę, że to, co robimy jako Hadley Centre, pomoże społeczeństwu przestawić się na bardziej przyjazną dla klimatu i nas wszystkich ścieżkę.

Wierzysz, że może to się udać?

Na to pytanie będzie mi łatwiej odpowiedzieć. Przemiany społeczne, które obserwujemy w ostatnich latach, zaangażowanie się młodzieży w ruchy klimatyczne, coraz częstsze deklaracje zaangażowania w rozwiązanie problemu ze strony polityków od prawej do lewej strony – to wszystko pokazuje, że jakiś postęp nastąpił. Jest też więcej wsparcia dla działań lokalnych w różnych krajach – Polsce, Wielkiej Brytanii i wielu innych. Już nie słyszy się tak często, że „co my możemy, bo Chiny czy USA i tak będą robić, co chcą”. Oczywiście zmiany nie wszędzie zachodzą w tym samym tempie, ale zachodzą.

Zmieniły się też postawy naukowców zajmujących się klimatem. Coraz więcej jest osób angażujących się w aktywizm klimatyczny, popularyzację nauki i lokalne inicjatywy. Do lamusa odchodzi powszechne niegdyś przekonanie, że rolą naukowców jest tylko przedstawianie suchych faktów, a społeczeństwo niech robi z nimi, co chce. Jesteśmy przecież częścią tego społeczeństwa i mamy też odpowiedzialności na innych obszarach niż samo pogłębianie wiedzy ludzkości na temat tego jak działa klimat.

Rozmawiał Szymon Bujalski

The post Piotr Florek, Met Office: Tempo zmiany klimatu niespotykane od dziesiątek milionów lat appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Modele klimatu to skomplikowane twory. Ich działanie polega na zastosowaniu praw fizyki do opisu przepływów materii i energii w atmosferze i oceanie (więcej na ten temat przeczytasz w artykule Wirtualny klimat). Układy równań, będące matematyczną formą tych praw, są następnie rozwiązywane numerycznie (z wykorzystaniem komputerów). Innymi słowy, modele te pozwalają nam na wykonywanie w wirtualnej rzeczywistości doświadczeń, których w prawdziwym świecie nie moglibyśmy przeprowadzić. W pamięci superkomputerów możemy stworzyć setki kopii naszej planety i sprawdzić, jak wpływają na nią zmiany aktywności słonecznej, kształtu orbity, pokrycia powierzchni czy składu atmosfery.

Modele numeryczne nie są oczywiście naszym jedynym źródłem wiedzy o klimacie. Dysponujemy także rozlicznymi pomiarami stanu atmosfery, oceanu i powierzchni Ziemi, zarówno współczesnymi instrumentalnymi, jak i opartymi na badaniu próbek geologicznych, glacjologicznych itd. (patrz nasz cykl o paleoklimatologii). Stanowią jednak ich doskonałe uzupełnienie. Pozwalają prześledzić związki przyczynowo-skutkowe, co z kolei pozwala zrozumieć mechanizmy fizyczne odpowiedzialne za przeszłe zdarzenia klimatyczne i wykorzystać je jako narzędzia do tworzenia projekcji na przyszłość.

Syukuro Manabe – współtwórca pierwszych modeli klimatu

Syukuro Manabe był pionierem modelowania klimatu. W latach 60. stworzył wraz Richardem T. Weetheraldem jednowymiarowy model opisujący zjawiska zachodzące w kolumnie powietrza – zarówno konwekcyjne (związane z pionowymi ruchami powietrza) jak i radiacyjne (związane z przenikaniem, absorpcją i emisją promieniowania).

Nagle okazało się, że jesteśmy w stanie wytłumaczyć całą strukturę termiczną atmosfery, łącznie ze stratosferą. To był przełom.

– komentuje prof. Jacek Piskozub (Instytut Oceanologii Polskiej Akademii Nauk w Sopocie).

Wszyscy pamiętamy szkice z podręczników szkolnych pokazujące podział atmosfery na warstwy: leżącą przy powierzchni Ziemi troposferę, w której temperatura spada z wysokością oraz wyższą stratosferę, w której temperatura z wysokością rośnie. Od dawna wiedzieliśmy, czemu takie relacje zachodzą w każdej z tych warstw, ale nie rozumieliśmy dokładnie stojących za tym zależności. W pracy Manabe i Wetherald (1967) po raz pierwszy pojawiło się określenie „równowaga radiacyjno-konwekcyjna” i wyjaśnienie tego, jak wzajemne oddziaływanie transferu promieniowania w atmosferze i procesów konwekcyjnych „reguluje” te warstwy (więcej na ten temat przeczytasz w tekście Efekt cieplarniany dla średniozaawansowanych (1): Termiczna struktura atmosfery).

Z przedstawionych w pracy obliczeń wynika wprost, że wzrost koncentracji CO₂ w atmosferze przyczynia się do wzrostu temperatury w troposferze i jednocześnie spadku temperatury w stratosferze. Kontrastuje to z sytuacją, w której np. wzrost temperatury planety byłby skutkiem zwiększenia aktywności słonecznej (co doprowadziłoby do ogrzania obu warstw).

Autorzy pokazali też, jak istotną rolę pełni w klimacie para wodna – związane z nią sprzężenie zwrotne nasila zmiany temperatury wywołane innymi czynnikami, np. zmianą koncentracji CO₂ czy ilości promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi (więcej w artykule Para wodna – klimatyczny “dopalacz”).

Manabe kontynuował karierę, uczestnicząc w tworzeniu i rozwijaniu trójwymiarowych modeli atmosfery. W kolejnych słynnych pracach (Manabe i Wetherald 1975, Manabe i Stouffer 1980), oszacował nowoczesnymi metodami fizycznymi czułość klimatu na podwojenie atmosferycznej koncentracji CO₂. Później rozwijał modele opisujące zarówno to, co dzieje się w atmosferze jak i zjawiska w oceanach wraz ze wzajemnym oddziaływaniem elementów systemu klimatycznego (tzw. coupled atmosphere-ocean models) i z ich pomocą badał przeszłe i możliwe przyszłe stany klimatu. W jednej z prac jego autorstwa (Manabe i Stouffer 1998) wyjaśniono szczegółowo jak rozlanie słodkiej wody z topniejącego lądolodu na powierzchni Atlantyku zachwiało klimatem przy wychodzeniu z ostatniej epoki lodowej. Wszystkie współczesne modele klimatu, w tym te stosowane w badaniach opisanych w ostatnim Raporcie IPCC korzystają z podstaw, które zbudował Manabe.

Klaus Hasselmann – wyjaśnił, czemu klimat ma pamięć

Patrząc na wykres zmian temperatury, łatwo zauważamy, że jest on pełen „górek i dołków”. Są one przejawem naturalnej zmienności klimatu, czyli naturalnych zjawisk prowadzących do ociepleń i ochłodzeń klimatu (np. zmian aktywności słonecznej, erupcji wulkanicznych czy zmian w prądach morskich). W analizie statystycznej nazywamy ich obecność „szumem” (przez analogię do analizy fal dźwiękowych). Aby móc powiedzieć, że w klimacie pojawił się jakiś „sygnał”, czyli istotna zmiana idąca w jakimś konkretnym kierunku, musimy sprawdzić, czy odróżnia się ona od „szumu” zmienności naturalnej. A w takim razie musimy umieć dobrze taką zmienność opisać.

Jeśli obecność szumu wynika z całkowicie losowych zjawisk, to mamy do czynienia z tzw. „szumem białym” – takim, na który składają się po równo wszystkie możliwe częstości fal (podobnie jak na światło białe składają się fale o wszystkich częstościach odpowiadających światłu widzialnemu, wszystkie kolory). Jednak w przypadku systemu klimatycznego wcale tak nie jest, a zrozumienie tego faktu zawdzięczamy drugiemu z laureatów Nagrody Nobla 2021, Klausowi Hasselmannowi. Jak wyjaśnia prof. Jacek Piskozub:

Hasselmann wytłumaczył teoretycznie coś, co było znane doświadczalnie: że jeśli zamienimy jakiekolwiek parametry klimatyczne na szum, to zwykle nie jest to „szum biały” (chyba że dotyczy to krótkoterminowej pogody), tylko tak zwany „szum czerwony” – mający przewagę niższych częstotliwości, dłuższych cykli.

Hasselman pokazał, że obecność oceanu w systemie musi coś takiego spowodować. Autokorelacja spowodowana przez ocean skutkuje tym, że system nie jest czysto stochastyczny, bez pamięci, kroczący przypadkowo. Ocean powoduje, że w systemie klimatycznym mamy pamięć.

Ocean jest wielkim zbiornikiem energii. Według najnowszego raportu IPCC (IPCC AR6, 2021) to właśnie w nim odkłada się ponad 90% energii, której przybywa na Ziemi w związku z globalnym ociepleniem. Ciepło właściwe wody jest cztery razy większe niż powietrza, a masa oceanu jest ok. 300 razy większa od masy atmosfery. To powoduje, że ocean zmienia temperaturę (ogrzewa się lub stygnie) bardzo powoli. Także przemieszczanie się wód oceanicznych (którego skutkiem jest m. in. transport ciepła na duże odległości i mieszanie) zachodzi niezwykle wolno w porównaniu z przemieszczaniem się mas powietrza.

Jednocześnie jednak procesy zachodzące w oceanie istotnie wpływają na to, co dzieje się w atmosferze, bo ocean stanowi dla niej ważne źródło ciepła i pary wodnej. Właśnie temu zawdzięczamy pamięć klimatyczną. Przykładowo, jeśli w wyniku erupcji wulkanicznej dojdzie do gwałtownego ograniczenia ilości promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi, obecność oceanu może złagodzić ochłodzenie atmosfery, bo on „pamięta jeszcze” czasy, gdy było cieplej i może podzielić się z atmosferą nadwyżką energii.

Klaus Hasselmanna pokazał swoimi obliczeniami (np. Hasselmann, 1975 , Frankingoul i Hasselmann 1977), że choć pogoda charakteryzuje się daleko idącą przypadkowością (chaotycznością) i nie da się jej przewidzieć na dłużej niż kilka dni na przód, z klimatem jest inaczej. Metody stworzone przez niego pomogły także w rozdzielaniu wpływu poszczególnych czynników na klimat i pozwoliły na odróżnienie efektów związanych z działalnością człowieka od przejawów zmienności naturalnej. Podobnie jak Manabe, Haselmann rozwijał też modele oddziaływania atmosfera-ocean – wiele z nich ma niezwykle praktyczne zastosowania i służy dziś np. do prognoz stanu morza.

Giorgio Parisi – zrozumienie zachowania układów złożonych

Blisko zagadnień badanych przez Hasselmana zlokalizowanych jest kilka prac trzeciego laureata tegorocznego nobla z fizyki, Giorgio Parisiego (np. Benzi, Parisi i in., 1980). Parisi wyjaśnia, jak zaburzenia losowe (np. wybuchy wulkanów), nakładając się na wymuszanie orbitalne przez cykle Milankovicha, pomagały „przerzucać” stan klimatu między glacjałami (zlodowaceniami) i interglacjałami. Dorobek naukowy Parisiego, wspaniałego fizyka teoretyka, obejmuje wiele zagadnień wykraczających poza zakres naszego portalu. Znany jest przede wszystkim ze swoich prac dotyczących wzrostu powierzchni, tzw. szkieł spinowych, teorii turbulencji a nawet chromodynamiki kwantowej. Jednak łączy go z pozostałymi laureatami jedno, co znakomicie opisał komitet noblowski: „przełomowy wkład do rozumienia działania układów złożonych”.

Fakt że jakiś układ fizyczny, np. układ klimatyczny, jest skomplikowany, nie oznacza, że nie możemy zrozumieć sposobu, w jaki działa. Wspaniale dowodzą tego osiągnięcia tegorocznych noblistów z fizyki, a specjalne docenienie fizyki klimatu w tym werdykcie pokazuje nam wszystkim na jak solidnych fundamentach naukowych oparta jest nasza wiedza o klimacie i jego zmianach. Obyśmy potrafili, z pożytkiem dla wszystkich, skorzystać z nauk, jakie ze sobą niesie.

Aleksandra Kardaś i Szymon Malinowski, konsultacja merytoryczna: prof. Jacek Piskozub

Zobacz też:

The post Nagroda Nobla 2021 dla Manabe, Hasselmanna i Parisiego appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Szymon Bujalski: Co według Pana jest najważniejszą informacją z raportu IPCC?

Piotr Florek, Met Office Hadley Centre: Najważniejszą – ale i nie nową – jest powiązanie emisji gazów cieplarnianych ze wzrostem temperatury i postępującą zmianą klimatu. Jeśli jesteś optymistą, możesz to traktować jako dobrą wiadomość, bo oznacza to, że wraz z zastopowaniem emisji globalne ocieplenie się zatrzyma. Jeśli jesteś pesymistą, to zdasz sobie sprawę, że aby powstrzymać ocieplenie, konieczne jest podjęcie zdecydowanych działań z naszej strony, których jak na razie nie widać.

Warto przy tym zaznaczyć, że raport IPCC musi być przeglądem istniejących publikacji naukowych. Wszystkie informacje zawarte na tych wielu tysiącach stron były więc znane specjalistom już wcześniej. Jeśli ktoś spodziewał się jakiegoś przełomu albo szokujących informacji, to tam ich nie ma. Znajdują się za to inne ważne elementy, jak zawężenie przedziałów niepewności, poznanie pewnych wartości z większą precyzją. Niemniej to, co wiedzieliśmy 10 czy nawet 20 lat temu wciąż pozostaje aktualne.

Te zawężone przedziały, o których mówisz, dotyczą…?

Niewątpliwie najważniejsza rzecz dotyczy równowagowej czułości klimatu. To parametr, który w przybliżony sposób określa, w jaki sposób system klimatyczny odpowiada na „kopnięcia” z zewnątrz, czyli jak zmieni się średnia temperatura na świecie po zwiększeniu koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze. Tego parametru nie można bezpośrednio zmierzyć, można jedynie oszacować go pośrednimi metodami: na podstawie teoretycznych obliczeń albo analizując dane z odległej i bliższej przeszłości. I nie jest to proste. Klimatolodzy, którzy starali się oszacować wartość czułości klimatu, od półwiecza zatrzymali się na zakresie widełek od 1,5 do 4,5°C dla podwojenia stężenia dwutlenku węgla. To spory rozrzut, którego nie udało się zmniejszyć aż do ubiegłego roku, kiedy dzięki stustronicowej analizie klimatologów z całego świata, robionej właśnie z myślą o raporcie IPCC, zredukowano zakres niepewności do 2,5-4°C. W samym raporcie określono to jako „prawdopodobne”, co oznacza przynajmniej 66% pewności. Udało się więc odrzucić zarówno wartości bardzo niskie, co akurat nie jest takie dobre, jak i te wysokie, co cieszy.

Dalsze spalanie paliw kopalnych na obecnym poziomie doprowadzi do podwojenia stężenia? Czy to teoria, która raczej nam nie grozi, ale służy do lepszego przedstawiania danych?

Wartość czułości klimatu nie ma tylko czysto akademickie znaczenie, bezpośrednio przekłada się na skalę przyszłej zmiany klimatu Można spojrzeć na to w ten sposób: w czasach przedindustrialnych, jeszcze 300 lat temu, stężenie CO₂ w atmosferze wynosiło około 270-280 cząsteczek na milion, tzw. ppm. Obecnie jest to prawie 420 cząsteczek na milion. Koncentracja rośnie w tempie 2,5-3 ppm rocznie, a biorąc pod uwagę to, jak wygląda globalna polityka klimatyczna, nie należy się spodziewać, żeby w najbliższej dekadzie to się znacząco zmieniło.

Warto przy tym dodać, że według raportu IPCC, bez względu na realizowany scenariusz emisji w najbliższej dekadzie czy dwóch, dalsze ocieplenie klimatu w tej perspektywie jest w sumie pewne. Poziom 1,5°C zostanie więc przekroczony gdzieś pomiędzy rokiem 2030 a 2040. Natomiast dalsza przyszłość zależy od tego, co i jak szybko będziemy robić i czy odpowiednie decyzje będzie podejmowała większość państw świata. Od tego zależy, czy ścieżka emisji, która obecnie prowadzi do dalszego ocieplenia, zostanie zgięta. Zapożyczając metaforę COVID-ową, trzeba zagiąć tę krzywą – i to zagiąć do zera.

Ile możemy jeszcze wyemitować, zanim przekroczymy próg 1,5°C?

Nie ma dokładnej odpowiedzi. W raporcie emisje dla 50-procentowego prawdopodobieństwa pozostały budżet węglowy określono na poziomie 500 miliardów ton dwutlenku węgla. Dla progu 1,7°C to 850 miliardów, a dla 2°C – 1350. To się może wydawać sporo, dopóki nie uświadomisz sobie, że rocznie emitujemy około 40 miliardów ton. Już w tym momencie możemy więc odjąć od tych liczb po przynajmniej 40 miliardów ton za każde z lat 2020 i 2021. Żeby wyczerpać budżet węglowy dla 1,5°C, wystarczy więc niespełna dekada. Oczywiście przy scenariuszu, którego prawdopodobieństwo określono na poziomie 50%.

A scenariusz ogrzania Ziemi o ile stopni jest najbardziej prawdopodobny?

Raport IPCC unika takich określeń. Można powiedzieć, że jedyny wyjątek zrobiono tym razem w odniesieniu do najbardziej ekstremalnego scenariusza zwanego SSP5-8.5, który zakłada, że pod koniec XXI w. będziemy spalać 4-krotnie większe ilości paliw kopalnych niż obecnie. Przy aktualnej sytuacji geopolitycznej i mając na uwadze, że prawie wszyscy jednak chcą redukować emisje, ten scenariusz uznano za mało prawdopodobny.

Spotkałem się z interpretacjami, że na ten moment najbardziej prawdopodobne jest ogrzanie planety o 3°C.

Rzeczywiście w raporcie znajduje się scenariusz SSP2-4.5, który jest powszechnie traktowany jako ten „pośrodku drogi”. Według niego wzrost temperatury dla lat 2081-2100 może wynieść około 2,7°C. SSP2-4.5 zakłada, że w pierwszej połowie wieku emisje jeszcze wzrosną, a zaczną maleć dopiero w jego drugiej połowie. Ale uznanie tej opcji za scenariusz najbardziej prawdopodobny to już interpretacja odbiorców raportu, a nie teza samego IPCC. Nie będę się jednak kłócił, że nie jest to scenariusz zbliżony do najbardziej prawdopodobnej w tym momencie wersji przyszłości, bo różne analizy – na przykład Carbon Action Tracker – zakładają coś podobnego.

Porozumienie Paryskie podpisano w 2015 r. Od tej pory emisje rosną, nie maleją. O ile ogrzeje się Ziemia, jeśli politycy wciąż będą dużo obiecywać, ale niewiele robić?

Perspektywa kontynuacji obecnego stanu rzeczy nie jest czymś, co można znaleźć w jakichkolwiek oficjalnych dokumentach. Jest to niezgodne z deklaracjami czy oficjalną polityką klimatyczną prawie każdego państwa na świecie, które podpisało Porozumienie Paryskie.

I niemal każde państwo na świecie jego zapisów nie realizuje. Dlatego dopytuję.

Jeśli dalej będziemy emitować ponad 40 miliardów ton CO₂ rocznie, to tak jak do tej pory średnia temperatura na Ziemi będzie rosnąć o ok. 0,2°C na dekadę, aż przekroczymy punkty krytyczne i tempo wzrostu przyspieszy. Do końca XXI w. wzrosty temperatury byłyby jednak na takim właśnie poziomie.

W raporcie wyraźnie zaakcentowano, że liczy się szybkie zredukowanie nie tylko CO₂, ale i innych gazów cieplarnianych, głównie metanu i podtlenku azotu.

To szansa na „quick win”, czyli szybką wygraną. W porównaniu z dwutlenkiem węgla inne gazy cieplarniane i zanieczyszczenia mają stosunkowo krótki czas przebywania w atmosferze. Dzięki temu zauważalne zmiany można osiągnąć dość szybko. Do tego dochodzą też dodatkowe korzyści w postaci np. poprawy jakości powietrza. Aerozole atmosferyczne są jednocześnie istotnym składnikiem niepewności otaczającej nasze oszacowania dotychczasowego wpływu człowieka na klimat. Zapewne raport trzeciej grupy roboczej IPCC, poświęcony mitygacji zmiany klimatu, którego publikację zaplanowano na przyszły rok, pokaże dokładniej techniczne możliwości redukcji wszystkich tych gazów: jak można to osiągnąć, jakim kosztem, jak to ekonomicznie wypada w porównaniu do określonej redukcji CO₂ itp. Warto mieć jednak na uwadze, że gazem cieplarnianym mający dominujący wpływ na postępujące ocieplenie klimatu jest i będzie dwutlenek węgla. Możemy prawie rozwiązać problem globalnego ocieplenia, nie ruszając innych gazów cieplarnianych, ale nawet w połowie nie da się rozwiązać problemu globalnego ocieplenia, nie ruszając dwutlenku węgla.

Raport zwraca też uwagę na naturalne pochłaniacze dwutlenku węgla.

Biosfera jest bardzo ważną częścią planety. Może przeciwdziałać zmianom klimatu, ale ze względu na sprzężenia zwrotne może także je pogłębiać. Raport wskazuje, że te naturalne pochłaniacze mają coraz bardziej ograniczoną możliwość pochłaniania CO₂. Istnieją poszlaki, że coraz gorzej w tym aspekcie działają zarówno biosfera lądowa, jak i oceany. Są też poszlaki, że w przyszłości będzie jeszcze gorzej, a natura nie pomoże nam w usuwaniu dwutlenku węgla na takim poziomie, jak w poprzednich dekadach.

Ile rośliny i oceany pochłaniały wcześniej?

W miarę jak od połowy XVIII w. antropogeniczna emisja wzrastała, pochłanianie dwutlenku węgla wzrastało niemal idealnie proporcjonalnie. Ponieważ wzrost koncentracji CO₂ w atmosferze ułatwia przeprowadzanie fotosyntezy, lądowa roślinność pochłaniała coraz więcej dwutlenku węgla. Dzięki temu tylko mniej więcej połowa emitowanego przez ludzkość CO₂ pozostaje w atmosferze. Reszta jest sekwestrowana właśnie przez biosferę lądową oraz oceany, mniej więcej pół na pół.

Czyli natura wciąż pochłania połowę emisji z działalności człowieka, tylko że teraz ta połowa jest po prostu znacznie większa?

Dokładnie tak. Jeśli to się zmieni, to najprawdopodobniej na gorsze. Jeśli masz szklarnię i wpompujesz do niej dwutlenek węgla, to pomidory przyjmą go więcej i będą bardziej efektywnie rosnąć. Ale atmosfera, nasza planeta, nie jest taką szklarnią, w której możemy się pochylić nad każdym pomidorem i kontrolować dokładnie jego uprawę. W rzeczywistym świecie mamy przecież wiele innych czynników limitujących funkcjonowanie roślinności: dostępność wody, azotu w glebie, fosforu, innych mikroskładników itp.

Zgadzasz się z autorami raportu IPCC, że każda tona emisji mniej się liczy, bo nie mówimy o sytuacji „wszystko albo nic”?

To być może próba odkręcenia błędów komunikacyjnych z przeszłości i zafiksowania się na poziomie 1,5-2°C. Przez to czasami pojawiał się, zwłaszcza w mediach, niezbyt trafny przekaz, że do pewnego momentu wszystko będzie ok, a potem to już tylko katastrofa. Jeśli palisz tytoń, to wiadomo, że lepiej rzucić palenie dzisiaj niż za rok, ale rzucenie za rok wciąż będzie lepsze niż rzucenie za pięć lat. Każda tona emisji mniej ma więc znaczenie, bo z każdą toną emisji będzie nieznacznie, ale coraz gorzej. Nawet jeśli zagwarantujemy przyszłym pokoleniom pewne dramatyczne konsekwencje naszych obecnych emisji, to ciągle warto walczyć o to, żeby nie były one jeszcze gorsze.

Śledzisz reakcje na raport IPCC? Odbił się odpowiednim echem?

Najwięcej reakcji było od osób zaangażowanych w jego powstawanie: naukowców, klimatologów, dla których jest to ukoronowanie wielu lat ciężkiej, często niestety niepłatnej pracy. Jeśli chodzi o reakcje polityczne, to są one dosyć rozczarowujące. Zwłaszcza w takich krajach, jak Polska.

Widzisz jakąś dobrą wiadomość w tym raporcie? Coś, co może napawać optymizmem?

W samym raporcie niekoniecznie, bo nasz stan wiedzy nie zmienił się w rewolucyjny sposób przez te ostatnich kilka lat. Na pewno optymistyczną wiadomością jest jednak to, że udało się odrzucić te mało prawdopodobne warianty z bardzo wysoką czułością klimatu. Oznacza to, że cele dotyczące powstrzymania ocieplenia na jakimś poziomie stały się nieco łatwiejsze w realizacji, niż mogło się wydawać 10 czy 15 lat temu. Do tego to spore osiągnięcie naukowe, w które włożono bardzo dużo czasu i wysiłku.

Czy uzasadnione jest skupianie się na neutralności klimatycznej w 2050 r., skoro kluczowe jest to, co zrobimy w ciągu najbliższych 10-20 lat?

To problem, bo ten rok 2050 jest trochę zgniłym kompromisem. Gdyby literalnie traktować zapisy Porozumienia Paryskiego i starać się trzymać celu 1,5°C, kraje rozwinięte powinny redukować emisje wcześniej niż kraje rozwijające się. Ale klimatowi jest obojętne, gdzie ten dwutlenek zostanie wyemitowany i kiedy. Choć możemy porcjować ten wysiłek redukcyjny w dowolny sposób, ostatecznie w skali kilkuset lat liczy się całkowita ilość spalonych paliw kopalnych i wyemitowanego dwutlenku węgla. Wybranie odpowiedniego scenariusza zależy więc od tego, co chcemy osiągnąć, co uznajemy za sprawiedliwe, co za realistyczne i osiągalne na drodze negocjacji politycznych, nie tylko na arenie międzynarodowej ale i z własnym społeczeństwem. Na tej podstawie uznano, że 2050 r. to realistyczny cel długoterminowy. Myślę, że od wyznaczenia takiego celu trzeba było zacząć. Zanim dojdziesz do końca drogi, trzeba wykonać pierwszy, drugi, trzeci krok, ale zanim wykonasz pierwszy krok, trzeba wiedzieć, w którym kierunku w ogóle podążać. Gdyby bazowano na politykach doraźnych, końcowy cel zawsze by się rozmydlił, zawsze znaleziono by jakieś wymówki, by czegoś nie robić.

Teraz trzeba konkretnie pokazać, co zamierzamy robić do tego 2050 r. Może się wydawać, że to odległa perspektywa, ale to tylko 29 lat. To nie jest dużo. Nawet patrząc na potrzeby corocznej redukcji emisji, w każdym roku wysiłek jest potężny. To ogromne inwestycje w energetykę, procesy technologiczne, infrastrukturę transportową. A do tego trzeba mieć też pomysł na wypadek, gdy coś nie wypali. Przecież w globalnej polityce klimatycznej już wiele rzeczy nie wypaliło. 20 lat temu wydawało się, że technologie wychwytywania dwutlenku węgla są na wyciągnięcie ręki, na deskach kreślarskich były projekty pierwszych instalacji prototypowych. I w zasadzie prawie nic z tego nie wyszło.

A to tym istotniejsze, że obecne polityki klimatyczne to wciąż za mało – ich realizacja ogrzeje planetę o blisko 3°C.

W slangu polityki klimatycznej nazywa się to „emission gap”, czyli „luka emisyjna”. Co roku ONZ i jej agenda UNEP wydają raport o takim właśnie tytule, w którym pokazują, że w dalszym ciągu deklaracje i wdrażane polityki są niewystarczające. Nawet same deklaracje pozostają wciąż ponad progiem 2°C, nie wspominając już o tym, co jest faktycznie realizowane. Moim zdaniem trzeba jednak spojrzeć na sprawę realistycznie. Globalna polityka klimatyczna nie będzie wdrażana optymalnie. To proces, w który trzeba zaangażować większość państw świata, a historia USA, Kanady, Australii czy Brazylii pokazuje, że do władzy mogą dojść politycy, którzy z różnych powodów mogą chcieć się wycofywać z już złożonych przez ich kraj zobowiązań, zahamować polityki u siebie albo tylko udawać, że coś robią. Rozumiem, że może to rozczarowywać. Wszystkie kraje oficjalnie zgadzają się z założeniami ramowej konwencji w sprawie zmiany klimatu, która zakłada, że należy ją powstrzymać. Prawie wszystkie kraje świata zgodziły się, że najlepiej osiągnąć cel poprzez pozostanie poniżej progu 2°C. Pytanie, co z tego wynika? Jak na razie niewiele. Rolą nas wszystkich jest więc to, żeby ciągle przypominać politykom: zgodziliście się, podpisaliście, róbcie to, co obiecaliście nie tylko nam, ale i przyszłym pokoleniom.

Co według Ciebie odgrywa najważniejszą rolę przy ograniczaniu emisji?

Wybór odpowiednich polityków. Jako obywatel największy wpływ na trajektorię emisji państwa masz poprzez głos przy urnie. Może być to trochę rozczarowujące zwłaszcza wtedy, gdy politycy, których wybierasz, idą po wyborach na zgniłe kompromisy i okazuje się, że nie da się zrobić wszystkiego tak prosto, tanio ani szybko. Niemniej jest to pierwsza i podstawowa rzecz: trzeba wybierać polityków, którzy akceptują istnienie kryzysu klimatycznego i przynajmniej deklarują, że chcą z tym coś zrobić, że ich sztaby opracują polityki, które pomogą przestawić sektory gospodarki na ścieżkę niskowęglową.
Z drugiej strony ważne jest budowanie nacisku od samego dołu. Politycy też nic sami z siebie nie zrobią, jeśli nie zobaczą, że wyborcy, obywatele tego nie chcą. Trzeba więc działać lokalnie.

Masz na myśli wsparcie i włączanie się w takie inicjatywy, jak Extinction Rebellion czy Młodzieżowy Strajk Klimatyczny? Składanie pozwów klimatycznych do sądu?

Jak najbardziej tak. Uważam, że ruchy klimatyczne zrobiły bardzo dużo dobrego na przykład w Wielkiej Brytanii, gdzie świadomość podniosła się znacząco w ciągu dwóch lat, kiedy to zaczynały się akcje Extinction Rebellion i copiątkowe strajki klimatyczne. Myślę, że polityka rządu brytyjskiego i tempo wdrażania strategii „net zero” przyspieszyły m.in. dzięki temu, że ludzie tego chcieli i głośno tego się domagali. Wyrażali to nie zawsze w sposób wygodny dla reszty społeczeństwa, ale umówmy się: nie zawsze da się osiągnąć pożądany rezultat protestując w soboty, gdy nikt nie pracuje i w miejscach, w których nikomu się nie przeszkadza. Myślę więc, że obywatelskie nieposłuszeństwo jest cennym elementem komunikacji społeczeństwa z władzą.

Przyjmijmy, że wybraliśmy polityków, którzy podchodzą do sprawy poważnie, a społeczeństwo zwraca uwagę, że to problem, który trzeba rozwiązać. Od czego zacząć?

Oczywiście od owoców wiszących najniżej. Jeśli spojrzysz na problem od strony ekonomicznej, zauważysz koszt różnych technologii obniżających emisje gazów cieplarnianych. To jest na skali pionowej. Na skali poziomej masz redukcje emisji, do jakich ta technologia może doprowadzić. Wydaje się, że racjonalne jest więc zaczynanie od rzeczy najtańszych, które przynoszą największe redukcje.

Czyli jakich?

To coś, co robi Unia Europejska od 20 lat, czyli transformacja w energetyce i wysokoemisyjnym przemyśle. W sektorach tych funkcjonują duże skoncentrowane instalacje emitujące dwutlenek węgla, więc relatywnie łatwo można wdrażać technologie, które zwiększają efektywność zużycia energii, zmieniają emisyjne procesy technologiczne itp. Jest to też stosunkowo łatwe do kontrolowania i weryfikacji. A jeśli stworzysz niskoemisyjną energetykę, to będzie ona napędzać budowę dalszej niskoemisyjnej gospodarki.

Dalej jest transport, czyli to, co można zrobić w kwestii jego elektryfikacji, promocji transportu publicznego, redukcji emisji w transporcie lotniczym, w tym również przez zniechęcanie ludzi do podróżowania samolotami tam, gdzie da się zastąpić je szybkimi pociągami. Później przechodzimy do dziur, które zatkać trudno, jak na przykład w rolnictwie. W sektorze tym mamy do czynienia z emisjami nie tylko CO₂, ale i innych gazów cieplarnianych, a do tego jest to emisja rozproszona, trudna do skontrolowania. Często nie da się nawet tego zrobić, a emisje trzeba kompensować poprzez techniki zalesiania albo wdrażanie technologii negatywnej emisji, czyli pochłaniania CO₂.
Jest też cały wachlarz innych zmian: od budowania domów, przez projektowanie miast, po sposób, w jaki korzystamy z internetu, czego często nie robimy w sposób najbardziej racjonalny. A przecież infrastruktura związana z internetem czy generalnie informatyzacją życia jest w tym momencie już niezaniedbywalnym i wciąż rosnącym źródłem emisji.

Jak Bitcoin.

To przykład całkowicie absurdalnego i niepotrzebnego marnotrawienia zasobów energetycznych. Coś z tym warto zrobić, a to coś wymaga współpracy międzynarodowej czy regulacji państwowych i ponadpaństwowych.

Rozmawiał Szymon Bujalski – dziennikarz dla klimatu

Czytaj także: Piotr Florek, Met Office: Tempo zmiany klimatu niespotykane od dziesiątek milionów lat

The post Piotr Florek, Met Office: Poziom 1,5°C przekroczymy między 2030-2040 r. Pytanie, co dalej appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

W mediach, zarówno dużych, jak i społecznościowych, można często usłyszeć, że na skutek dotychczasowych emisji gazów cieplarnianych i w wyniku działania sprzężeń w ziemskim systemie klimatycznym wzrost temperatury jest już „zagwarantowany”, „nieunikniony” czy „nie do zatrzymania”, niezależnie od tego, co jako ludzkość teraz zrobimy. Tymczasem posiadana przez nas wiedza naukowa pokazuje, że wraz z zatrzymaniem (zmniejszeniem do zera netto) naszych emisji CO₂ wzrost temperatury zatrzyma się dość szybko, a zaprzestanie emisji także innych gazów cieplarnianych spowoduje pewien, stosunkowo szybki, spadek temperatury, choć nie do poziomu z epoki przedprzemysłowej.

Wpływ na poziom temperatury globalnej będą też miały zmiany emisji chłodzących planetę aerozoli siarczanowych – zaprzestanie ich emisji będzie z kolei powodować wzrost temperatury powierzchni, skompensowany jednak z naddatkiem przez zaprzestanie emisji krótko żyjących gazów cieplarnianych, w szczególności metanu.

Stałe stężenie CO₂ vs. zero emisji CO₂ netto

Istotna część konfuzji wynika z powszechnego mylenia dwóch sytuacji: świata, w którym stężenie CO₂ zatrzymuje się na obecnym poziomie oraz świata, w którym stężenie tego gazu w atmosferze zaczyna stopniowo spadać, bo zaprzestaniemy emisji CO₂ lub przynajmniej osiągniemy cel zera antropogenicznych emisji netto, w którym w wyniku naszej działalności pochłaniamy (np. za pomocą urządzeń do pochłaniania CO₂ z powietrza lub aktywnie prowadzonego zalesiania) tyle dwutlenku węgla, ile emitujmy. Dla stężenia CO₂ w atmosferze koniec końców liczy się bowiem bilans emisji i pochłaniania tego gazu – choć szczegóły dotyczące pochłaniania naturalnego i antropogenicznego mogą być złożone – patrz Redukcja emisji do zera netto? Diabeł tkwi w szczegółach oraz A ‘Rosetta Stone’ for bringing land-mitigation pathways into line. W dalszej części wymiennie używamy określeń „zaprzestania emisji CO₂” i „wyzerowania antropogenicznych emisji CO₂ netto”.

W stabilnym stanie klimatycznym Ziemia wypromieniowuje w przestrzeń kosmiczną tyle samo energii, ile dostaje od Słońca. Ze względu na gwałtowny wzrost stężenia gazów cieplarnianych w atmosferze, strumień energii wypromieniowywanej w kosmos obecnie spadł, podczas gdy strumień pochłanianej energii słonecznej pozostaje na praktycznie niezmienionym poziomie. W rezultacie ziemski system klimatyczny nie znajduje się obecnie w równowadze energetycznej. Oceany wciąż się nagrzewają, a temperatura powierzchni Ziemi stopniowo wzrasta. Rosnąca temperatura powierzchni globu prowadzi z kolei do wzrostu strumienia energii wypromieniowywanej w kosmos. Przy ustaleniu stężenia gazów cieplarnianych w atmosferze po wielu stuleciach wypromieniowywanie energii zrówna się z pochłanianiem i równowaga bilansu radiacyjnego planety zostanie przywrócona.

Jednak świat „stałych stężeń CO₂” to nie świat zera antropogenicznych emisji netto. Oceany i ekosystemy lądowe pochłaniają obecnie ok. połowy naszych emisji. Gdybyśmy ścięli antropogeniczne emisje CO₂ do zera, koncentracja tego gazu w atmosferze zaczęłaby spadać, powoli stabilizując się na podwyższonym poziomie, wskutek coraz mniejszego pochłaniania (więcej w Impuls węglowy i jego usuwanie z atmosfery).

Ilustracja 2 pokazuje prognozę zmiany średniej temperatury powierzchni Ziemi do 2200 roku w obu tych scenariuszach.

W scenariuszu stałych koncentracji CO₂, do 2200 roku możemy spodziewać się ocieplenia o 0,3°C (z późniejszym dalszym powolnym wzrostem temperatury). Biorąc pod uwagę, że średnia globalna temperatura od czasów przedprzemysłowych już wzrosła o ok. 1,3°C, oznaczałoby to przekroczenie progu ocieplenia o 1,5°C. W scenariuszu wyzerowania zera emisji CO₂ netto temperatura szybko (z zakresem niepewności od „prawie natychmiast” do „w ciągu kilku dekad”) uległaby ustabilizowaniu, utrzymując się na poziomie z momentu zaprzestania emisji.

Globalne ocieplenie po wyzerowaniu emisji CO₂ netto zatrzymuje się. Stała koncentracja CO₂ w atmosferze skutkuje dalszym ociepleniem.

Ocieplające się oceany i spadające stężenie CO₂ w atmosferze

To, że po zaprzestaniu emisji CO₂ temperatura stabilizuje się wynika z dwóch różnych, wzajemnie kompensujących się procesów.

Z jednej strony, w rezultacie nierównowagi radiacyjnej ziemski system klimatyczny akumuluje energię. Ponad 90% tej nadwyżki energetycznej trafia do oceanów, powodując ich nagrzewanie się i wzrost temperatury powierzchni Ziemi.

Z drugiej strony ekosystemy lądowe i oceany pochłaniają około połowy dwutlenku węgla, emitowanego przez nas do atmosfery. Gdybyśmy z dnia na dzień wyzerowali emisje, procesy te powodowałyby spadek koncentracji CO₂ w atmosferze, z początku szybki, w kolejnych dekadach zaś stopniowo malejący aż do osiągnięcia nowego poziomu równowagi (powyżej stężeń z epoki przedprzemysłowej). Spadek stężenia CO₂ skutkowałby zmniejszaniem intensywności ocieplającego działania tego gazu.

Można porównać to do sytuacji, w której uruchamiamy ogrzewany gazem piekarnik. Po uruchomieniu palników powietrze w jego wnętrzu i ścianki zaczynają się rozgrzewać. Powiedzmy, że przy określonej intensywności grzania temperatura docelowo wzrosłaby do 200°C. Gdybyśmy, gdy temperatura powietrza w piekarniku wzrośnie do 150°C, zakręcili kurek dopływu gazu, ciepło propagowałoby się do ścianek piekarnika i otoczenia, a temperatura powietrza w środku zaczęłaby stopniowo spadać, docelowo aż do temperatury pokojowej. A co działo by się z temperaturą powietrza w piekarniku, gdybyśmy nie wyłączyli palników zupełnie, lecz zaczęli powoli je skręcać? W zależności od tego, jak szybko i jak bardzo zmniejszymy dopływ energii temperatura będzie gdzieś pomiędzy dwoma skrajnymi scenariuszami. W szczególności moglibyśmy zmniejszać dopływ energii w taki sposób, żeby temperatura powietrza w piekarniku ustabilizowała się na poziomie 150°C. Z punktu widzenia przepływów energii dostarczalibyśmy do wnętrza piekarnika tyle ciepła, ile będą pochłaniać jego ścianki.

Tak się składa, że w ziemskim systemie klimatycznym, po zaprzestaniu przez nas emisji CO₂, oceany będą pochłaniać mniej więcej tyle ciepła (stopniowo coraz mniej), ile będzie dodawane do ziemskiego systemu klimatycznego w wyniku ocieplającego działania podwyższonych stężeń CO₂ (stopniowo malejącego w miarę spadku stężenia tego gazu w atmosferze). Oba działające w przeciwnych kierunkach efekty z całkiem dobrą dokładnością będą się wzajemnie znosić. Co więcej, oba te efekty będą słabnąć wraz z czasem w podobnym tempie.

Na dłuższą metę, w skali czasowej tysięcy lat (patrz Impuls węglowy i jego usuwanie z atmosfery), gdy antropogeniczne emisje CO₂ pozostaną na poziomie zera netto, procesy pochłaniania tego gazu usuną jego nadwyżkę z atmosfery i temperatura w końcu spadnie.

Kwestia tego, jak zachowałby się klimat Ziemi w sytuacji natychmiastowego wyzerowania emisji CO₂ stała się przedmiotem symulacji z użyciem zaawansowanych modeli systemu ziemskiego. Rezultaty symulacji, jak zmieniłaby się temperatura powierzchni Ziemi po zaprzestaniu emisji po wyemitowaniu łącznie 1000 GtC (czyli 3667 GtCO₂), opublikowane zostały w badaniu MacDougall i in., 2020 (opisaliśmy je w artykule Po jakim czasie zobaczylibyśmy efekt wyzerowania emisji CO₂?). Z analizy wynika, że pięćdziesiąt lat po ustaniu emisji średnia temperatury wróci mniej więcej do poziomu panującego w chwili ich wyzerowania, z niepewnością pomiędzy modelami od ochłodzenia od 0,3°C do ocieplenia o 0,3°C.

Różne rozumienie „zera emisji netto”

Gdyby średnia globalna temperatura powierzchni Ziemi zależała tylko od koncentracji CO₂, to po wyzerowaniu emisji tego gazu ustabilizowałaby się. Jedna bilans energetyczny naszej planety zaburzają także emisje innych gazów cieplarnianych i aerozoli.

W Specjalnym Raporcie IPCC dotyczącym ograniczenia globalnego ocieplenia klimatu o 1,5°C, zaprezentowano prognozowane zmiany dotyczące zmian temperatury powierzchni Ziemi w kilku różnych wersjach scenariuszy zeroemisyjnych: zera emisji CO₂ (linia niebieska), zera emisji CO₂ i aerozoli (linia czerwona), zera emisji wszystkich gazów cieplarnianych (linia żółta) oraz zera emisji wszystkich gazów cieplarnianych i aerozoli (linia fioletowa).

Przyjrzyjmy się po kolei działaniu tych czynników w sytuacji wyzerowania ich emisji.

Wyzerowanie emisji aerozoli

Aerozole siarczanowe, które emitujemy do atmosfery, odbijają padające światło Słońca z powrotem w kosmos, co ma lekki wpływ chłodzący. Aerozole mają krótki czas życia w atmosferze i po zaprzestaniu ich emisji (związanych głównie ze spalaniem paliw kopalnych) szybko zostaną z niej usunięte. W rezultacie, w scenariuszu wyzerowania emisji aerozoli towarzyszącego wyzerowaniu emisji CO₂ (czerwona linia) temperatura szybko wzrośnie do poziomu wyższego o ok. 0,4–0,5°C niż w scenariuszu wyzerowania samych emisji CO₂ i braku zmian ilości aerozoli. W rezultacie w 2100 roku wzrost temperatury przekracza cel 1,5°C, rosnąc o ok. 1,75°C.

Wyzerowanie emisji krótko żyjących gazów cieplarnianych

Inne gazy cieplarniane również przyczyniają się do zmiany klimatu. Wśród nich największy udział ma metan. W odróżnieniu od CO₂, ma on krótki czas życia w atmosferze (patrz Metan w środowisku) – w ciągu dekady połowa tego gazu w atmosferze utlenia się do dwutlenku węgla. To głównie dzięki temu po wyzerowaniu emisji wszystkich gazów cieplarnianych temperatura w 2100 roku (linia żółta) jest o 0,5°C niż w scenariuszu wyzerowania samych emisji CO₂.

Wyzerowanie emisji zarówno aerozoli jak i krótko żyjących gazów cieplarnianych

No i na koniec scenariusz natychmiastowego wyzerowania zarówno emisji wszystkich gazów cieplarnianych jak i aerozoli (linia fioletowa). Aerozole w ciągu kilku lat zostają usunięte z atmosfery, co powoduje wzrost temperatury w tym okresie. W kolejnych latach postępuje usuwanie z atmosfery metanu, co po ok. 20 latach kompensuje wzrost temperatury spowodowany wcześniejszym usunięciem aerozoli. W dalszym horyzoncie czasowym spadek koncentracji CO₂ skutkuje spadkiem temperatury do 2100 o ok. 0,2°C.

Przedstawione oszacowania zmiany temperatury w 50 lat po wyzerowaniu emisji obarczone są niepewnością. Jak wspomnieliśmy wcześniej, przy wyzerowaniu emisji samego CO₂ modele prognozują zmianę temperatury o 0,0±0,3°C. W scenariuszu wyzerowania wszystkich gazów cieplarnianych i aerozoli prognozowana zmiana temperatury to –0,2±0,5°C.

Następstwa zwlekania z wyzerowaniem emisji

Wyniki opisanych badań dotyczą sytuacji, w której emisje są zerowane natychmiast lub w najbliższych dekadach. Jeśli jednak kontynuowalibyśmy emisje jeszcze przez kolejnych kilkadziesiąt lat, może dojść do włączenia dodatnich sprzężeń cyklu węglowego, takich jak np. emisje z wieloletniej zmarzliny (patrz Dodatkowe emisje ze źródeł naturalnych a przyszła zmiana klimatu), które doprowadzą do większego ocieplenia. To, jaka byłaby skala tych procesów przy ociepleniu o 3 czy 4°C wciąż nie jest wystarczająco dobrze zbadane.

Trzeba też pamiętać, że ustabilizowanie się temperatury na wyższym poziomie nie oznacza, że zagrożenia przestaną się nasilać. W analogii piekarnika rozgrzanego do 150°C – włożenie do niego ręki na kilka sekund nie stanowi problemu, utrzymanie tego stanu przez kilka godzin grozi dużo poważniejszymi konsekwencjami. W stabilnej podwyższonej temperaturze będzie postępować zanik lodowców, topnienie lądolodów czy podnoszenie się poziomu morza. Do zatrzymania tych procesów nie wystarczy wyzerowanie emisji netto, lecz potrzebne będzie obniżenie temperatury powierzchni Ziemi z pomocą trwałego usuwania CO₂ z obiegu.

Marcin Popkiewicz na podst. Explainer: Will global warming ‘stop’ as soon as net-zero emissions are reached

The post Czy zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych do zera netto zatrzyma globalne ocieplenie? appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Warto podkreślić, że określenie „czułość klimatu” może mieć różne znaczenie. Zazwyczaj przez „czułość klimatu” rozumie się równowagową czułość klimatu (Equilibrium Climate Sensitivity – ECS), czyli zmianę średniej temperatury powierzchni Ziemi w odpowiedzi na podwojenie koncentracji CO₂ – już po tym, jak bilans radiacyjny planety powróci do stanu równowagi, co może trwać wiele stuleci. Istnieje również pojęcie przejściowej czułości klimatu (Transient Climate Response – TCR), jest to odpowiedź temperatury niejako „na bieżąco”, w krótkim czasie po zadziałaniu wymuszenia – w skali lat i dekad. Kolejne pojęcie to czułość systemu ziemskiego (Earth System Sensitivity – ESS), definiowana jako docelowy wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi po tym, jak zadziałają powolne sprzężenia zwrotne, takie jak m.in. zmiany powierzchni lądolodów Antarktydy i Grenlandii.

W opisanej w niniejszym artykule pracy Sherwooda i kolegów analizowana jest czułość klimatu w znaczeniu ECS, analizowana jest też tzw. efektywna czułość klimatu, zbliżona do ECS i będąca oszacowaniem wzrostu temperatury po 150 latach od podwojenia koncentracji CO₂ w atmosferze.

​Czułość klimatu – utrzymująca się niepewność

Doprecyzowanie szacunków ECS jest „Świętym Graalem” klimatologii przynajmniej od czasu, gdy amerykański meteorolog Jule Charney zasugerował w swoim raporcie z 1979 roku prawdopodobny zakres w granicach od 1,5°C do 4,5°C. To oszacowanie wynikało w dużej mierze z wyników symulacji dwoma pierwszymi na świecie globalnymi modelami klimatu, które w odpowiedzi na podwojenie atmosferycznej koncentracji CO₂ dały średni globalny wzrost temperatury powierzchni Ziemi o 2 i 4°C. Od tego czasu, pomimo ponad 40 lat badań, znacznego postępu w rozumieniu procesów klimatycznych oraz wielu precyzyjnych obserwacji, ten wysoki zakres niepewności ciągle się utrzymywał.

Wyniki badań przedstawione w opublikowanym w 2007 roku 4 Raporcie (AR4) IPCC wskazywały, że ECS prawdopodobnie (z prawdopodobieństwem 66%) mieści się w przedziale 2-4,5°C. Sugerowało to, że wartości poniżej 2°C są mało prawdopodobne, a dokładność, z jaką określono ECS, wreszcie wzrosła. Jednak w kolejnym 5 Raporcie z 2013 roku (AR5) powrócono do wcześniejszego przedziału prawdopodobnego zakresu ECS 1,5-4,5°C.

Skąd ten powrót do wcześniejszych wartości?

Od lat 2000. oszacowania ECS pochodziły nie tylko z symulacji modelami klimatu, lecz także wyników badań paleoklimatycznych, interpretacji tempa zmian temperatury w czasach nowożytnych (historycznych) oraz badań sprzężeń w systemie klimatycznym. W czasie przygotowywania AR5 oszacowania ECS bazujące na historycznych danych zmian temperatury dawały wynik ok. 2°C, a oszacowania bazujące na zrozumieniu procesów i modelowaniu sugerowały raczej górny zakres przedziału Charneya. Choć oba oszacowania – z uwzględnieniem ich stopnia niepewności – nakładały się na siebie, to rozbieżność była niepokojąca.

Od tego czasu naukowcy podjęli wiele wysiłków, mających na celu zrozumienie przyczyn w różnicach oszacowań na podstawie różnego typu danych.

​Prawdopodobny zakres czułości klimatu

Niedawne ustalenia, przedstawione w opublikowanej w czasopiśmie Reviews of Geophysics analizie „An assessment of Earth’s climate sensitivity using multiple lines of evidence” (Oszacowanie czułości klimatu Ziemi w na podstawie różnorodnych linii dowodowych) (Sherwood i in., 2020 [pełna wersja]) zawężają prawdopodobny zakres możliwych granic czułości klimatu.

Autorzy przeanalizowali i połączyli ze sobą wyniki oszacowań bazujących na zrozumieniu sprzężeń zwrotnych w systemie klimatycznym, obserwacjach zmian temperatury w historii pomiarów instrumentalnych oraz rekonstrukcjach paleoklimatycznych zmian klimatu. W ten sposób autorzy analizy określili i wyjaśnili, jakie ograniczenia zakresu czułości klimatu wynikają ze specyfiki każdej z linii dowodowych, co umożliwiło określenie ECS z mniejszym zakresem błędu niż w jakimkolwiek wcześniejszym oszacowaniu.

Aktualnie najsilniejszym wymuszeniem działającym na system klimatycznym są antropogeniczne emisje gazów cieplarnianych. Reakcje systemu klimatycznego na wymuszenia nazywamy sprzężeniami. Wśród nich są zarówno sprzężenia dodatnie – wzmacniające ocieplenie (np. topnienie pokrywy śnieżnej i lodowej wskutek wzrostu temperatury, dzięki czemu powierzchnia planety pochłania więcej promieniowania słonecznego, co prowadzi do dalszego wzrostu temperatury), jak i ujemne – wyhamowujące je. Analiza pokazała, że ECS poniżej 2°C byłaby możliwa jedynie wtedy, gdyby zmiany zachmurzenia były sprzężeniem ujemnym, co jest bardzo mało prawdopodobne (patrz Mit: Chmury zapewniają ujemne sprzężenie zwrotne).

A co mówią obserwacje obecnie zachodzącego ocieplenia? Choć do podwojenia koncentracji CO₂ jest jeszcze daleko, a system klimatyczny jest daleki od równowagi dla obecnego stężenia gazów cieplarnianych, wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi przekroczył już 1°C. Czyni to ECS mniejsze od 2°C skrajnie nieprawdopodobnym.

A wnioski z badań paleoklimatologicznych? W przeszłości Ziemi zachodziły liczne zmiany klimatu, a znajomość ich przyczyn i skali również pozwala na oszacowanie zakresu ECS. W opinii autorów okresami najbardziej miarodajnymi dla takiego oszacowania są: ostatnie maksimum epoki lodowej ok. 20 000 lat temu, gdy było 3-7°C chłodniej niż w epoce przedprzemysłowej oraz ciepły okres w środkowym pliocenie 3 mln lat temu (ang. mid-Pliocene Warm Period, MPWP), gdy temperatury były o 2-3°C wyższe niż dziś, a koncentracja CO­2 w atmosferze zbliżona do obecnej.

Wykluczenie niskich ECS

Aby wartość ECS była mniejsza od 1,5°C, musiałyby jednocześnie:

• istnieć niezidentyfikowane ujemne sprzężenie klimatyczne związane z chmurami;
• wpływ aerozoli w okresie historycznym musiałby być bliski zera lub wręcz działać ocieplająco;
• temperatury panujące podczas ciepłego okresu w środkowym pliocenie 3-3,3 mln lat temu musiałyby być mocno przeszacowane.

Każdy z tych trzech elementów z osobna jest według obecnego stanu wiedzy mało prawdopodobny, a prawdopodobieństwo ich wspólnego wystąpienia jest skrajnie małe.

Wykluczenie wysokich ECS.

Aby wartość ECS była większa od 4,5°C:

• dodatnie sprzężenie związane z chmurami musiałoby wzmacniać ocieplenie bardziej, niż wynika to ze znanych, ujętych w modelach procesów fizycznych oraz z obserwacji satelitarnych,
• chłodzenie przez aerozole pochodzenia antropogenicznego musiałoby być bliskie maksimum możliwego zakresu, lub przyszłe sprzężenia dodatnie musiałyby być znacznie silniejsze niż w okresie historycznym,
• ujemne wymuszanie radiacyjne związane ze zmianą powierzchni lądolodów i pyłu w warunkach ostatniego maksimum glacjalnego musiałyby być poważnie przeszacowane, albo reakcja klimatu musiałaby silnie zależeć od stanu wyjściowego (słabsza reakcja w chłodniejszym klimacie).

Ponownie mamy do czynienia z trzema mało prawdopodobnymi okolicznościami.

Poniższy wykres przedstawia wyniki oszacowań efektywnej czułości klimatu dla każdej linii dowodowej z osobna. Przedstawiono na nim w postaci słupków przedziały wartości, w których z prawdopodobieństwem 50% mieści się ten wskaźnik.

Zakres możliwych wartości czułości klimatu zawęża się, gdy weźmiemy pod uwagę wszystkie ograniczenia łącznie.

Według autorów artykułu, wartość efektywnej czułości klimatu z prawdopodobieństwem 66% zawiera się w przedziale 2,6-3,9°C. Wynik ten pokazuje, że nie będziemy mogli liczyć na to, że niska czułość klimatu da nam więcej czasu na poradzenie sobie z problemem globalnego ocieplenia. Z drugiej strony, badanie sugeruje, że skrajnie wysokie czułości klimatu na szczęście są również mało prawdopodobne.

Wartość ECS wynosi najprawdopodobniej nieco powyżej 3°C, a z prawdopodobieństwem 66% należy ona do przedziału 2,6-4,1°C. Prawdopodobieństwo, by była niższa niż 2,2°C lub wyższa niż 4,9°C wynosi zaledwie 10%.

​Porównanie z wynikami symulacji modelami klimatu

Na pierwszy rzut oka uzyskane rezultaty nie wydają się jakimś wielkim postępem względem ostatniego raportu IPCC; mają jednak duże znaczenie dla naszej wiedzy odnośnie zakresu prognozowanego na XXI wiek ocieplenia. Poniższy wykres pokazuje prawdopodobny zakres ECS z niniejszej analizy (czarne przedziały), zestawiony z zakresami przedstawionymi w AR5 IPCC oraz oszacowań na podstawie symulacji w ramach projektu CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project) i CMIP6 (więcej o tych wynikach przeczytasz w artykule Wyższa czułość klimatu w nowym raporcie IPCC?).

Jak widać na rys. 6, część symulacji CMIP6 daje wyniki ECS leżące poza ustalonym w niniejszej analizie zakresem, zarówno po stronie wysokich, jak i niskich wartości. Ponieważ opisana analiza wykorzystuje wiele innych niż tylko symulacje dowodów, można przypuszczać, że skrajne symulacje odpowiednio przeszacowują lub nie doszacowują przyszłych zmian temperatury.

Badanie nie zamyka oczywiście dyskusji na temat czułości klimatu. Górnych granic zakresów nie znamy tak dokładnie jak dolnych, musimy więc poważnie brać pod uwagę, że w rzeczywistości wartości ECS są wyższe niż wydaje się na podstawie dostępnych obecnie danych. Statystycznie rzecz biorąc wciąż więc możliwe są wysokie wartości ECS, dlatego nie można definitywnie wykluczyć poprawności symulacji modelami wskazujących na wysoką czułość klimatu. Zwłaszcza, że są analizy (np. Zelinka i in., 2020) stwierdzające, że modele charakteryzujące się wyższą czułością klimatu bardziej realistycznie symulują zachmurzenie, lepiej pasując do obserwacji (patrz Wyższa czułość klimatu w nowym raporcie IPCC?). Uwzględnienie wyników tych symulacji w ocenie przyszłych zmian klimatu i ich konsekwencji jest zgodne z zasadą przezorności w zarządzaniu ryzykiem.

Marcin Popkiewicz na podst. Sherwood i in., 2020, Piers Forster, Zeke Hausfather, Gabi Hegerl, Steven Sherwood, Kyle Armour: Why low-end ‘climate sensitivity’ can now be ruled, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon P. Malinowski

The post Czułość klimatu – znamy ją coraz dokładniej! appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Rozwój mocy obliczeniowych komputerów oraz metod numerycznych umożliwił rozwój modeli cyrkulacji globalnej atmosfery, używanych do numerycznych symulacji klimatu. W procesie uczestniczyli tacy badacze jak J. Smagorinsky, Norman Philips, Syukuro Manabe i wielu innych. W roku 1967 Manabe i Wetherald opublikowali fundamentalną pracę na temat modelu globalnego, opisującego warunki klimatyczne całej planety, uwzględniającego też w uproszczony sposób, rolę procesów konwekcyjnych (wprowadzili pojęcie tzw. równowagi radiacyjno-konwekcyjnej), co pozwoliło lepiej zrozumieć rozkład temperatury w atmosferze z wysokością w różnych warunkach i na różnych szerokościach geograficznych. Na temat tych zjawisk przeczytasz w tekście Efekt cieplarniany dla średniozaawansowanych (1): Termiczna struktura atmosfery

Chociaż większość doniesień ze źródeł naukowych z tego okresu ostrzegała przed nadciągającym globalnym ociepleniem, opinię publiczną lat 70-te XX wieku zdominowała wizja nadchodzącej rzekomo… epoki lodowej. Był to w pewnej mierze efekt publikacji dwójki naukowców z NASA, Rasoola i Schneidera (1971), którzy obliczyli, jaki wpływ na bilans energetyczny Ziemi miałby dalszy wzrost koncentracji aerozolu atmosferycznego, który odbija część promieniowania słonecznego w kosmos, ograniczając jego dopływ do powierzchni planety (więcej na ten temat: Efekt cieplarniany dla średniozaawansowanych (6): Aerozole). Bardziej szczegółowo przeczytasz o tej sprawie w naszym artykule Mit: W latach 70. XX wieku naukowcy przewidywali epokę lodowcową. Warto wspomnieć, że efekt jest prawdziwy, wielokrotnie rozważany np. w wielu, publikowanych do dziś artykułach naukowych na temat hipotetycznej “zimy jądrowej”, a praca była jedną z tych które zapoczątkowały globalne badania nad wymuszaniem radiacyjnym w skali globu przez aerozole atmosferyczne.

W latach 70. prowadzono intensywne badania, które przyniosły wiele ważnych ustaleń dotyczących między innymi roli gazów innych niż CO₂ (np. metanu) w efekcie cieplarnianym,a także wkładów wylesiania czy przemysłu (na przykład produkcji cementu) w emisję dwutlenku węgla. Ponadto, znaczącą konkluzją przełomu lat 70/80 stało się rozpoznanie ograniczonych możliwości oceanów i biosfery do naturalnego sekwestrowania dwutlenku węgla.

W głąb lodowej historii

Chociaż rok 1957/1958 został nazwany Międzynarodowym Rokiem Geofizyki, co poskutkowało między innymi rozwojem glacjologii i rozpoczęciem wydobywania rdzeni lodowych na światową skalę, to dopiero okres późniejszy, lat 70 tych i 80 tych zaowocował szerokim spektrum możliwości badań historii klimatu planety w oparciu o dane glacjologiczne. Informacje odczytane z rdzeni lodowych Antarktydy i Grenlandii, sięgające w czasie do 800 tys. lat wstecz, umożliwiły bezpośrednie badanie atmosfery minionych epok, na podstawie składu uwięzionych w lodzie pęcherzyków powietrza.

Między innymi w oparciu o materiał z rdzenia Wostok (rdzeniowanie rozpoczęto w 1970 roku, głębokość 2 km została osiągnięta w połowie lat 80 tych) wykazano związek zmian temperatury ze zmianami zawartości CO₂ w powietrzu. Postacią, którą należy w tym momencie przywołać, jest Claude Lorius, francuski fizyk, glacjolog oraz badacz klimatu (urodzony w 1932), który znacząco przyczynił się do rozwoju tej dziedziny. Uczestniczył w ponad 20 wyprawach polarnych, badał skład powietrza zawartego w pęcherzykach w rdzeniach lodowych, oraz opracował zasady działania termometru izotopowego (odtwarzania paleotemperatur w oparciu o izotopy obecne w pęcherzach powietrza).

Poza bezpośrednimi danymi opisującymi minione epoki, badania rdzeni lodowych zapewniły odpowiedź na wiele kwestii – potwierdziły wnioski pochodzące z obliczeń modeli klimatu, pokazując związek zmian temperatury ze składem powietrza, aktywnością słoneczną i cyklami Milankovicia. W połączeniu z rekonstrukcją dawnego rozmieszczenia kontynentów na Ziemi, oraz migracją biegunów, udało się ustalić, że w historii naszej planety występowały okresy wysokich temperatur, podczas których zawartość CO₂ była znacząco wyższa niż obecnie. Więcej o rdzeniach w artykule Paleoklimatologia: sekrety rdzeni lodowych.

Raport Charneya

Przełomową publikacją czasów współczesnych stał się raport „Dwutlenek węgla a klimat. Oszacowanie naukowe” Carbon Dioxide and Climate: A Scientific Assessment, 1979. Opublikowany w 1979, opracowany przez grupę badawczą kierowaną przez Jule’a Charneya, na polecenie Narodowej Akademii Nauk Stanów Zjednoczonych. W oparciu o dwa modele zespołowi udało się nadzwyczaj trafnie przewidzieć wzrost temperatury w zakresie 1,5 a 4,5°C przy przewidywanym, dwukrotnym wzroście zawartości dwutlenku węgla w atmosferze. Jakkolwiek wnioski oparte na dwóch modelach były obarczone niepewnością, intuicja oparta na podstawach fizycznych atmosfery okazała się trafna. Raport do dzisiaj jest ceniony za prostotę, a kolejne modele potwierdzają przewidywania sprzed czterdziestu lat.

Bezposrednim skutkiem opublikowania Raportu Charneya było zaalarmowanie znacznej częsci środowiska naukowego i powolanie w roku 1980, World Climate Research Programme (WCRP) ktory dziala do tej pory i pomaga w światowej koordynacji badań nad klimatem naszej planety. Coraz ścislejsza wspólpraca naukowa w ramach tego programu pozwala dzis przygotowywać wspólne plany dzialania (pomiarow, obserwacji badań, kampanii geoficzycznych), które w wielkiej mierze wykorzystywane są w wielu raportach klimatycznych.

Pod koniec XX wieku

Wyczerpujący opis obiegu węgla w przyrodzie, z podziałem na szybki (patrz Szybki cykl węglowy, część 1: atmosfera i ekosystemy lądowe, Szybki cykl węglowy, część 2: węgiel w oceanach) i wolny cykl węglowego (patrz Wolny cykl węglowy i termostat węglowy) zawdzięczamy rozwojowi nauki o klimacie w latach 80-tych. Wtedy też potwierdzono, że choć temperatura w ubiegłych epokach bywała nawet do 8℃ wyższa niż obecnie, to prowadziły do takich stanów do niej stosunkowo powolne wzrosty koncentracji gazów cieplarnianych w atmosferze trwające miliony, a raczej dziesiątki milionów lat. To procesy zupełnie inne, niż sytuacja dzisiejsza, w której, kiedy obserwujemy nagły, trwający zaledwie stulecia i bardzo intensywny wzrost koncentracji gazów cieplarnianych i temperatury.

Pod koniec lat 80. naukowcy z NASA pod kierownictwem Jamesa Hansena opublikowali projekcje klimatu na kolejne trzydzieści lat, przygotowane z użyciem nowoczesnego modelu numerycznego – takiego, w którym obliczenia prowadzone są w sposób podobny jak możliwa ewolucja atmosfery w czasie w poszczególnych oczkach regularnej siatki obliczeniowej obejmującej całą atmosferę (patrz Wirtualny klimat, Hansen i in., 1988). Coraz bardziej alarmujące przewidywania tej i innych grup zwróciły wreszcie uwagę rządzących.

Wzrosło zainteresowanie wpływem zmian klimatu na jakość życia ludzi a w 1988 roku na wniosek członków ONZ powstał IPCC (Międzynarodowy Zespół ds. Spraw Klimatu), którego rolą jest przygotowywanie dla państw członkowskich podsumowań aktualnej wiedzy naukowej na temat zmiany klimatu (stało się to możliwe dzięki istnieniu WCRP), związanych z tą zmianą ryzyk oraz możliwości zapobiegania lub przystosowywania się skutków do globalnego ocieplenia. Od utworzenia, IPCC opublikowało 5 raportów podsumowujących oraz wiele raportów specjalnych. Wnioski z nich skłoniły ONZ podpisania Ramowej konwencji Narodów Zjednoczonych w sprawie zmiany klimatu (1992) a następnie protokołu z Kyoto 1998, czy Porozumienia paryskiego z 2015 roku.

Badania klimatu rozwijają się cały czas. Z każdym rokiem publikowanych jest coraz więcej prac z tej dziedziny, do pracy zaprzęgane są już nie tylko naziemne przyrządy pomiarowe, ale także samoloty (Jak się to robi: pomiary atmosferyczne z pokładu samolotu, Fizyk buja w obłokach, Kampania pomiarowa EUREC4A, czyli jak się bada chmury i klimat), autonomiczne boje (Jak i po co mierzymy temperaturę oceanu – pomiary bezpośrednie, Program ARGO sięga głęboko) czy satelity (Jak i po co mierzymy temperaturę oceanu – pomiary satelitarne, Co satelity mówią o ociepleniu atmosfery, Satelitarne obserwacje stężeń, źródeł emisji i miejsc pochłaniania CO2). Jeśli chcecie znać ich aktualne wyniki, zapraszamy do śledzenia naszej strony!

Klara Górska, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon P. Malinowski

The post Historia naukowa fizyki klimatu, część 4: Lody i modele appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.