W serii artykułów o badaniu dawnego klimatu opisaliśmy wiele proxy, dzięki którym możemy określić atmosferyczne stężenia dwutlenku węgla w dawnej historii Ziemi – od powietrza uwięzionego w rdzeniach lodowych, przez aparaty szparkowe zachowane w szczątkach dawnych roślin, po izotopy  różnorodnych pierwiastków zachowane w osadach oceanicznych i in. (patrz Paleoklimatologia: CO₂ – jeśli nie rdzenie lodowe, to co?). Różne metody badawcze mają swoje mocne i słabe strony, a uzyskiwane wyniki są obarczone niepewnościami, tak więc im więcej różnorodnych proxy mamy do dyspozycji, tym bardziej precyzyjną wiedzę o dawnym klimacie zdobywamy.

Co do klimatu mają zęby?

W trakcie swojego życia zwierzę wdycha powietrze, pije wodę i przyswaja pokarm, wprowadzając do swojego organizmu różne izotopy tlenu – te zaś następnie w procesie biomineralizacji są wbudowywane w szkliwo zębów. Jak pokazują badania, stosunki izotopów tlenu (¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O) w szkliwie zębów współczesnych zwierząt zależą od atmosferycznego stężenia CO₂ [Feng i in. 2024] (oraz intensywności prowadzonej przez rośliny fotosyntezy, mierzonej całkowitą produktywnością biologiczną). Istnieje możliwość wykorzystania tej zależności dla zbadania skamieniałości sprzed milionów lat i uzyskania w ten sposób informacji o dawnym stężeniu dwutlenku węgla. 

Działające przez miliony lat procesy fizykochemiczne (m.in. przenikanie tlenu z wód gruntowych lub atmosfery, przekształcenia chemiczne podczas fosylizacji, wietrzenie czy rozpuszczanie minerałów oraz ich ponowne wytrącanie się i rekrystalizacja) z biegiem czasu mogą zmieniać proporcje uwięzionych w tkankach izotopów tlenu. Aby  więc skorzystać z tej metody pomiarowej do skamieniałości z naprawdę odległej przeszłości, potrzebujemy czegoś zarówno ekstremalnie trwałego jak i powszechnie występującego. 

Doskonale nadają się do tego zęby dinozaurów (żyjących w erze mezozoicznej od 252 do 66 mln lat temu) – zarówno dlatego, że szkliwo zębów jest jednym z najbardziej stabilnych materiałów biologicznych (dzięki czemu wbudowane w nie izotopy tlenu pozostają w nim w praktycznie niezmienionych proporcjach po dziś dzień), jak i dlatego, że na świecie znajdujemy bardzo dużo ich zębów. Są one powszechne nie tylko dlatego, że te zwierzęta dominowały na Ziemi przez długi czas, ale też dlatego, że dinozaury i inne gady nieustannie tracą zęby, wymieniając je wielokrotnie podczas swojego życia.

Co odczytano z zębów dinozaurów?

W tym roku, grupa badaczy z uniwersytetów w Getyndze, Moguncji i Bochum opublikowała analizę izotopów tlenu w szkliwie zębów dinozaurów pochodzących z dwóch okresów: późnej jury (ok. 150 mln lat temu) oraz późnej kredy (ok. 70 mln lat temu) [Feng i in. 2025]. Według oszacowania w tym pierwszym okresie stężenie CO₂ wynosiło ok. 1200 ppm, a w drugim ok. 750 ppm (odpowiednio 4,5 razy więcej niż w epoce przedprzemysłowej oraz 2,7 razy więcej).

Są to wartości zbliżone do tych uzyskanych za pomocą innych proxy (szary zakres na ilustracji 3), choć lekko od nich odbiegają. Dyskutowaną w artykule przyczyną może być wyższa produktywność biologiczna ówczesnej biosfery względem obecnej, od 20% w późnej jurze do 120% w późnej kredzie, przekładająca się na zmiany względnej koncentracji izotopów tlenu w atmosferze względem czasów obecnych. Z jednej strony stanowi to problem dla rekonstrukcji stężenia CO₂, z drugiej w powiązaniu z analizą innych izotopów i badaniem innych proxy może dać wgląd w zmiany produktywności ekosystemów w historii Ziemi.

The post Zęby dinozaurów – co można z nich wyczytać? appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

W dzisiejszych czasach żeby dowiedzieć się, jaka jest temperatura, wystarczy spojrzeć na termometr. Ale jak dowiedzieć się, jaka temperatura panowała setki, a nawet tysiące lat temu?

Jednym ze sposobów umożliwiających poznanie tak odległej przeszłości jest analiza rdzeni osadów jeziornych. I właśnie w ten sposób postąpili naukowcy, którzy zbadali mające za sobą niemal 11 tys. lat historii Jezioro Żabińskie. Co ustalili?

Jezioro ciepłe jak nigdy

– W naszej rekonstrukcji doskonale widać współczesne ocieplenie klimatu. Osiągnęło ono wartości niespotykane wcześniej w holocenie. Co być może jeszcze ważniejsze, tempo wzrostu w ostatnich 90 latach jest bezprecedensowe. Zgodnie z naszą rekonstrukcją osiągnęło ono średnio 0,28°C na dekadę – mówi prof. Wojciech Tylmann, jeden z autorów badania opublikowanego na łamach Geophysical Research Letters (Zander i in., 2024).

Prof. Tylmann w rozmowie z „Nauką o klimacie” wyjaśnia, że to kolejny z dowodów na dominujący wpływ człowieka na kształtowanie współczesnego klimatu Ziemi. – Nie ma wątpliwości, że emisje gazów cieplarnianych przyczyniają się do wzrostów temperatury. Nauka nie dysponuje dziś innym wytłumaczeniem, które by to wyjaśniało – podkreśla ekspert z Wydziału Oceanografii i Geografii Uniwersytetu Gdańskiego.

Głównym powodem przeprowadzenia badania było jednak co innego.

Im cieplej, tym większa zmienność

Prognozy klimatyczne wskazują nie tylko to, że z powodu emisji gazów cieplarnianych Ziemia będzie stawać się coraz cieplejsza. Sugerują też, że im cieplejsza będzie planeta, tym większa będzie zmienność temperatury (w skali wieloletniej).

Badacze, którzy przyjrzeli się historii Jeziora Żabińskiego, chcieli więc sprawdzić, czy w przeszłości taka zależność faktycznie występowała. I okazało się, że tak.

– Z naszej rekonstrukcji wynika, że podczas holoceńskiego maksimum termicznego (ok. 9-5 tys. lat temu) zmienność temperatur była rzeczywiście większa niż w chłodniejszych okresach holocenu. Można więc zakładać, że w przyszłości podczas wywołanego przez człowieka i postępującego ocieplenia będzie podobnie – tłumaczy prof. Tylmann.

Historia jeziora, historia klimatu

W bazie danych dotyczących zmian temperatury w ciągu ostatnich 12 tys. lat jest ponad 1,3 tys. różnego rodzaju rekonstrukcji historycznych warunków klimatycznych. Wiele z nich dokonywanych jest na podstawie analiz osadów. Większość operuje jednak danymi z rozdzielczością czasową do 50 czy 100 lat. Ledwie kilkadziesiąt rekonstrukcji posiada rozdzielczość 20 lat lub mniej.

W przypadku Jeziora Żabińskiego dokonana analiza jest jeszcze dokładniejsza, bo każda analizowana próbka osadu reprezentowała okres trzech lat. Badaczom zależało bowiem, by ocenić, czy uda się wykazać różnice w dekadowej zmienności temperatury.

Wyniki pokazują nie tylko to, że dziś jezioro jest najcieplejsze i ogrzewa się najszybciej w swej historii. Widać w nich również tak znaczące wydarzenia klimatyczne, jak mała epoka lodowcowa czy średniowieczna anomalia klimatyczna.

– Nasza rekonstrukcja jest jedną z nielicznych na świecie, która operuje tak wysoką rozdzielczością czasową. Dzięki temu mogliśmy spojrzeć na to, czego nie widać w innych rekonstrukcjach – podkreśla prof. Tylmann.

Ale jak w ogóle przeprowadza się takie rekonstrukcje?

20 metrów osadów

W większości przypadków osady na dnie jeziora podlegają mniejszym lub większym zaburzeniom, przez co tworzące je przez kolejne lata warstwy zanikają. Czasami zachowują się one jednak w nienaruszonym stanie. Tak właśnie jest w przypadku znajdującego się na Mazurach jeziora, w którym dokładnie widać warstwy rocznych przyrostów osadu – i to podzielone na pory roku.

– Wiosną i latem odkłada się warstwa jasna, czyli bogata w węglan wapnia, a jesienią i zimą warstwa ciemna, w której dominują pozostałości organizmów żyjących w wodzie i inne szczątki organiczne. Takie dwie warstwy to tzw. warwa, czyli osad odłożony w ciągu jednego roku kalendarzowego. Zasada określania wieku osadu poprzez liczenie warw [warwochronologia] jest więc podobna, jak przy liczeniu wieku drzewa za pomocą słoi przyrostowych – wyjaśnia prof. Tylmann.

W przypadku Jeziora Żabińskiego naukowcy za pomocą specjalistycznego sprzętu wiertniczego wbili w dno jeziora odpowiednie próbniki. W ten sposób pobrali rdzenie z osadem sięgające niemal 20 m długości (w taki sam sposób bada się np. przeszłość lodowców). Analizy próbek dokonali za pomocą metody skanowania XRF, która nie niszczy osadów i pozwala na osiągnięcie bardzo dużej rozdzielczości pomiarów. Dzięki temu w każdym centymetrze rdzenia można było dokonać aż 50 pomiarów zawartości pierwiastków.

Wapń prawdę Ci powie

Wskaźnikiem, który naukowców interesował najbardziej, był węglan wapnia. – Wzrost temperatury wpływa na zwiększenie wydajności wytrącenia węglanu wapnia, przez co więcej opada go na dno. Zatem warstwy osadu i wyższej zawartości węglanu wapnia mogą reprezentować okresy cieplejsze, a te, w których jest go mniej – okresy chłodniejsze – tłumaczy prof. Tylmann.

Badacze wybrali ten wskaźnik na podstawie wniosków z wcześniejszych badań, które w przypadku Jeziora Żabińskiego przeprowadzone są od kilkunastu lat. Pokazały one, że istnieje statystyczna zależność pomiędzy zawartością węglanu wapnia w osadach a warunkami meteorologicznymi. Gdy to samo potwierdziła analiza danych za okres ostatnich 60 lat, naukowcy wiedzieli już, że zawartość węglanu wapnia jest kluczowa, by zrozumieć historię Jeziora Żabińskiego.

The post Zbadali 11 tys. lat historii polskiego jeziora. Wniosek: temperatury nigdy nie rosły tak szybko appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Wykres zrekonstruowanej średniej temperatury planety z ostatnich 485 milionów lat wraz z przedziałami ufności (5-95%).

Oś pozioma: miliony lat temu. Oś pionowa: średnia temperatura powierzchni Ziemi.

Pokazana na wykresie rekonstrukcja PhanDA powstała w procesie asymilacji danych paleoklimatycznych, podobnym do tego który zasila numeryczne prognozy pogody. Polega ona na statystycznym połączeniu danych paleoklimatycznych (proxy) z symulacjami modelu klimatu, odtwarzającego warunki klimatyczne panujące na Ziemi różnych okresach geologicznych.

Źródło: Judd i in., 2024.

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.

Ten wpis sfinansowaliśmy ze środków finansowych pochodzących z 1,5% podatku dochodowego od osób fizycznych przekazanych Fundacji Edukacji Klimatycznej. Dziękujemy!

The post Zmiany temperatury Ziemi w ciągu ostatnich 485 milionów lat appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Badania dawnego klimatu pozwalają lepiej zrozumieć działanie ziemskiej „maszyny klimatycznej” oraz przewidywać do jakich zmian doprowadzą powodowane przez nas zaburzenia w systemie klimatycznym. Wyróżniającym się źródłem danych paleoklimatycznych są rdzenie lodowe, gdyż stanowią ciągły zapis tego jak rok po roku zmieniał się klimat (więcej w cyklu Paleoklimatologia: o co w tym w ogóle chodzi?).

Lądolody powstają w wyniku opadów śniegu – co roku pokrywa je nowa warstwa puchu, który z czasem osiada, jest przygniatany kolejnymi warstwami opadów, częściowo topnieje i znów zamarza, z czasem tworząc twarde pokłady lodu. Możemy w nim wykonywać odwierty i wydobywać z głębi lodowe cylindry, których kolejne warstwy odpowiadają kolejnym latom opadów śniegu.

Możemy odróżniać roczne warstwy lodowe i datować je na wiele sposobów. Z uwięzionych w lodzie pęcherzyków powietrza, drobin pyłu i na podstawie proporcji izotopów węgla, tlenu, wodoru i innych pierwiastków możemy uzyskać wiele informacji, np. odtworzyć historię zmian koncentracji gazów cieplarnianych, temperatury czy aerozolu atmosferycznego.

Rekordowy rdzeń lodowy EPICA z Antarktydy Wschodniej, wydobyty z kopuły lodowej Dome C, długości 3 kilometrów, sięga blisko 800 tys. lat wstecz. Dzięki jego badaniom udało się poznać historię zmian klimatu ostatnich setek tysięcy lat: cykle epok lodowych składające się z długich okresów chłodnego klimatu co ok. 100 tys. lat, przerywanych krótkimi okresami ciepłymi.

Zmiana okresu epok lodowych 800 tys. lat temu

Naukowcy bardzo chcieliby wejść w posiadanie rdzenia lodowego sięgającego znacznie dalej w przeszłość. Pozwoliłoby to w szczególności zebrać więcej informacji na temat zmiany zachowania cyklu epok lodowych. Sterują nim niewielkie zmiany orbity i ustawienia osi obrotu Ziemi, spowodowane oddziaływaniem innych planet. Znane są one pod nazwą cykli Milankovicia, od nazwiska serbskiego naukowca. Kształtują je:

• zmiany eliptyczności (ekscentryczności, mimośrodu) orbity Ziemi, od prawie kołowej do lekko wydłużonej, zachodzące w okresie około 400 tys. lat, z nałożonymi na niego cyklami 95 tys. i 125 tys. lat, łącznie w przybliżeniu dającymi zmiany w okresie ok. 100 tys. lat;
• precesja, czyli zmiany kierunku ustawienia w przestrzeni osi obrotu Ziemi (która cyklicznie zakreśla w przestrzeni stożek) oraz przesuwania się peryhelium orbity, w sumie mające cykl o okresie ok. 21 tys. lat;
• nutacja, czyli zmiany kąta odchylenia osi obrotu Ziemi od prostej prostopadłej do jej orbity, od 22,1 stopnia do 24,5 stopnia co około 41 tys. lat.

O ile w ostatnich 800 tys. lat Ziemia przechodziła przez cykl epok lodowych co ok. 100 tys. lat, związany ze zmianami eliptyczności orbity Ziemi, to we wcześniejszym okresie, trwającym przez ponad 2 mln lat, dominował cykl liczący 41 tys. lat. Ponieważ jednak szczegóły tych cykli wciąż nie są dobrze zbadane, zdobycie rdzenia lodowego sięgającego znacząco poza moment zmiany okresu cyklu epok lodowych jest tak istotne dla poszerzenia naszej wiedzy.

Dysponujemy już próbkami lodu z tamtego okresu – najstarsze, jakie udało się pozyskać, pochodzące z lądolodu Antarktydy, liczą sobie 2,7 mln lat. Ocenia się, że głębokich warstwach lądolodu, pod około 1% powierzchni Antarktydy znajduje się bardzo stary, tzw. „niebieski lód”. Gdzieniegdzie, w miejscach takich jak skaliste łańcuchy górskie, przepływ lądolodu powoduje wynoszenie głębokich warstw takiego starego lodu bliżej powierzchni.

W takim przypadku nie występują niestety stosunkowo łatwe do datowania warstwy, trzeba więc sięgać po metody datowania izotopowego, bazujące np. na analizie koncentracji izotopów potasu 40K i argonu 40Ar w próbkach. Są one znacznie mniej dokładne od metod datowania „standardowych” rdzeni lodowych i pozwalają na oszacowanie wieku lodu z dokładnością do jedynie ok. 100 tys. lat (Bender i in., 2007). Obrazowo mówiąc, o ile rdzenie lodowe przypominają ciągłe nagranie filmu o dawnym klimacie, to kawałki niebieskiego lodu przypominają króciutkie migawki dużo mniej precyzyjnie zlokalizowane w czasie (więcej na ten temat w artykule Rekordowo stary, liczący sobie 2,7 mln lat rdzeń lodowy z Antarktydy).

Gdzie szukać najstarszych rdzeni lodowych?

Lądolód Antarktydy liczy sobie ok. 30 mln lat, dlaczego więc tak trudno znaleźć stary lód?

Przyjrzyjmy się życiu lądolodu. Powstaje on, gdy kolejne warstwy padającego na lądzie śniegu ulegają ściśnięciu i zamianie w lód, stopniowo formując system powiązanych ze sobą lodowców, a ostatecznie gigantyczną lodową kopułę, która – podobnie jak zwykły lodowiec – nabiera plastyczności i zaczyna pod wpływem grawitacji spływać w dół, jak masa gęstego miodu. W rezultacie kopuła lądolodu znajduje się w ciągłym ruchu i jest drenowana przez liczne lodowe „rzeki” – strumienie lodowe – które, wciskając się w obniżenia, formują na obrzeżach szerokie jęzory. Gdy lądolód ma stały rozmiar, masa zasilających go opadów śniegu równa jest masie traconej w wyniku topnienia powierzchniowego i cielenia się gór lodowych do oceanu. Tak więc lodu uformowanego przed milionami lat dawno już nie ma…

…chyba że znalazł się w takim miejscu, z którego lód nie rozpływał się na boki. Jednak nawet wtedy nie znaleźlibyśmy lodu sprzed 30 mln lat. Wynika to z tego, że w miarę jak lądolód staje się coraz grubszy, rośnie jego opór termiczny – do tego stopnia, że płynące z wnętrza Ziemi ciepło powoli topi jego najgłębsze warstwy, znajdujące się w kontakcie ze skałami.

W stabilnych warunkach klimatycznych lądolód pozostaje w równowadze i ma stałą grubość: przy braku rozpływania się lodu na boki na dole topnieje w takim tempie, w jakim przyrasta na górze w wyniku opadów. Aby znaleźć jak najstarszy lód powinniśmy więc szukać w miejscach, gdzie lodowiec jest gruby, a opady śniegu są jak najmniejsze. Większe opady śniegu mają miejsce tam, gdzie jest cieplej, np. blisko wybrzeży Antarktydy Zachodniej (przy czym przez „ciepło” oznacza średnioroczne temperatury rzędu –30°C). Mniejsze zaś tam, gdzie jest zimniej, w szczególności na położonych wysoko terenach Antarktydy Wschodniej.

Namierzanie idealnego miejsca

Podczas antarktycznego lata 2019–2020 grupa naukowców udała się w okolice miejsca, gdzie pozyskano rdzeń EPICA – na kopułę Dome C, uważaną za jeden z najbardziej obiecujących obszarów do pozyskania rdzenia lodowego liczącego ponad milion lat. W opublikowanym ostatnio artykule (Lilien i in., 2021) badacze stawiają znak ‘X’ na mapie lokalizacji skarbu – miejsca, gdzie należy wiercić, aby pozyskać rdzeń lodowy nawet dwukrotnie starszy od rdzenia EPICA. To tzw. Little Dome C, 35 km od francusko-włoskiej stacji badawczej Concordia.

Z pomocą stratygrafii radarowej oraz zaawansowanych metod numerycznych naukowcy wykonali pomiary rzeźby dna oraz określili izochrony lodu (czyli na jakiej głębokości znajduje się lód o określonym wieku). W kalibracji izochron wykorzystano dane pozyskane w niedaleko położonym projekcie EPICA, pozwalające powiązać głębokość z wiekiem lodu.

W oparciu o te izochrony określono miejsce optymalne do przeprowadzenia odwiertu. Nazwano je BELDC (Beyond EPICA Little Dome C). Powinien znajdować się tam lód dużo starszy niż w miejscu wydobycia rdzenia EPICA. W BELDC pod izochroną 600 tys. lat znajduje się jeszcze 375 metrów starszego lodu.

Według modelu przemieszczania się lodu w tym miejscu, skalibrowanego w oparciu o profil terenu i izochrony, lód liczący 1,5 mln lat powinien występować aż 265 metrów powyżej skał podłoża i 65 metrów powyżej granicy warstwy, w której interakcje z podłożem mogą poważnie zakłócać jego strukturę. Co więcej, rozdzielczość czasowa w warstwie liczącej 1,5 mln lat, szacowana jest na 19 tys. lat lodu na metr głębokości, co byłoby wystarczające do zbadania liczących 41 tys. lat cykli epok lodowych.

Wyniki badań zespołu Davida Liliena stanowią ważne odkrycie. Prawdopodobnie szybko doczekamy się wyprawy badawczej, której celem będzie pozyskanie rdzenia lodowego dwukrotnie starszego od dotychczasowego rekordzisty.

Marcin Popkiewicz

The post Na tropie prehistorycznego rdzenia lodowego appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Pomimo tego, wciąż nie wiadomo jak dokładnie wyglądał klimat ostatniej epoki lodowej, i to nawet w skali globalnej. Rozrzut wartości globalnego ochłodzenia w czasie LGM, w porównaniu do epoki przedprzemysłowej, sięga od 3 do 7 stopni Celsjusza. Może to być pewnym zaskoczeniem, biorąc pod uwagę jak dobrze przebadane – zwłaszcza w Europie – wydaje się ostatnie zlodowacenie, jednak podobnie jak w przypadku ciepłego okresu w holocenie 5-9 tys. lat temu, problemem jest lokalna, skrzywiona perspektywa (patrz Zagwozdka temperatur holocenu). Większość powierzchni Ziemi pokrywają bowiem oceany, a ustalenie jak zmieniała się ich temperatura tysiące lat temu nie jest łatwe.

Temperatura w epoce lodowej – pierwsze analizy

Pierwszym dużym projektem naukowym, który próbował odpowiedzieć na to pytanie, był CLIMAP (Climate: Long range Investigation, Mapping, and Prediction) rozpoczęty 50 lat temu, którego wyniki opublikowano w 1976 i (w zaktualizowanej wersji) 1981 roku (CLIMAP Project Members, 1976, 1981). W ramach CLIMAP zrekonstruowano temperaturę powierzchni oceanów w czasie maksimum ostatniego zlodowacenia (wówczas datowanego na 18 tysięcy lat temu*), opierając się o analizę względnej częstości występowania różnych gatunków planktonu, zachowanego w oceanicznych osadach, którą następnie metodami statystycznymi powiązano z warunkami środowiska, w którym ten plankton przebywał.

Najsłynniejszym, i najbardziej zaskakującym wynikiem projektu CLIMAP były ciepłe tropiki i subtropiki: zrekonstruowana temperatura powierzchniowych wód oceanów na niskich szerokościach geograficznych (zwłaszcza Pacyfiku) była podobna do tej z lat 70. XX w., albo nawet trochę od niej wyższa. Globalnie, oceany w pierwszej wersji rekonstrukcji CLIMAP były chłodniejsze tylko o 2,3°C w porównaniu do lat 70. XX wieku (CLIMAP Project Members, 1976), w wersji zaktualizowanej w 1981 roku ochłodzenie to było nawet jeszcze mniejsze (-1,2°C).

Jednocześnie inne dane paleoklimatyczne wskazywały znaczne ochłodzenie na lądach. Przykładowo, linia wiecznego śniegu w górach tropikalnych znajdowała się około kilometr niżej, co przy najprostszej interpretacji, spójnej również z danymi paleopalinologicznymi (określania dawnego klimatu na podstawie pyłków roślin z danego miejsca), oznaczało temperatury na lądach niższe o 5-6 stopni Celsjusza. Istnienie takiego kontrastu temperaturowego pomiędzy kontynentami a oceanami było trudne do wytłumaczenia.

Niektóre proxy morskie — takie jak stosunek zawartości strontu i wapnia w szkieletach tropikalnych koralowców — również wskazywały na niższe niż CLIMAP temperatury powierzchni oceanów (Guilderson i in., 1994), podobnie jak symulacje wykonywane ówczesnymi modelami klimatu (Rind i Peteet, 1985). Niektórzy paleoklimatolodzy podejrzewali więc, że metoda rekonstrukcji temperatur użyta w projekcie CLIMAP prowadziła do błędnych wyników.

Pojawiały się też inne hipotezy, na przykład postulujące znaczne zmiany wilgotności względnej w tropikach, a w konsekwencji również wilgotnoadiabatycznego gradientu temperatury (4-7°C/km), które mogłyby wyjaśniać dlaczego lądy były znacznie zimniejsze od oceanów (Sun i Lindzen, 1993). Klimatolodzy szybko zorientowali się też, że rozwiązanie tego problemu może pomóc w określeniu czułości klimatu w odpowiedzi na zmiany zawartości dwutlenku węgla w atmosferze (Hoffert i Covey, 1992).

Pomimo kolejnych analiz ustalenie tego, jak zimna była epoka lodowa, wciąż wymykało się naukowcom, a kolejne 40 lat badań, wykonywanych różnymi metodami, dało w rezultacie duży rozrzut sugerowanych wartości. Projekt MARGO (Multiproxy Approach for the Reconstruction of the Glacial Ocean Surface), który miał być „CLIMAP-em XXI wieku” (MARGO Project Members, 2009), zrekonstruował ochłodzenie oceanów tylko niewiele większe niż CLIMAP (-1,9°C), a analizy używające tego samego zestawu danych proxy dla oszacowania średniej globalnej dawały wartości od -3 do -4 stopni (Schmittner i in., 2011, Annan i Hargreaves, 2013). Nowsze analizy, zwłaszcza te oparte o proxy inne niż skład planktonu (np. Δ₄₇ Tripati i in., 2014) wskazywały na większą amplitudę zmian niż wcześniejsze badania. W rezultacie jeszcze piąty raport IPCC z 2013 roku podawał jako „bardzo prawdopodobny” zakres widełek globalnego ochłodzenia od -3 do -8°C (IPCC 2013 AR5 WG1 Ch5 5.3.3.1).

Nowe analizy czułości klimatu

W ostatnich latach szacunki paleoklimatologów znów zaczęły przesuwać się w kierunku zimniejszej epoki lodowej. Przykładem może być opublikowana w ubiegłym roku praca „Ochłodzenie lodowcowe i czułość klimatu ponownie przeanalizowane” („Glacial cooling and climate sensitivity revisited”) Jessiki Tierney ze współautorami (Tierney i in., 2020), w której użyto metody asymilacji danych paleoklimatycznych. Asymilacja danych, wykorzystywana od dekad w numerycznych prognozach pogody, jest metodą oszacowania stanu obiektu fizycznego (jak atmosfera albo oceany) poprzez połączenie (np. filtrowaniem Kalmana) wyników modelowania oraz danych empirycznych.

W przypadku prognoz pogody, asymilacji używa się aby zainicjować model pogody danymi pomiarowymi, pochodzącymi ze stacji meteorologicznych, radarów, samolotów i satelitów, odpowiadających zwykle nieodległej przeszłości. Asymilacji danych używa się też, w bardzo podobny sposób, choć z użyciem ograniczonego zestawu źródeł danych, przy konstrukcji tzw. reanaliz historycznych pogody i klimatu, takich jak ERA5 przygotowywana przez ECMWF. Niedawno zaczęto używać asymilacji danych również przy badaniach klimatu z bardziej odległych czasów, używając danych proxy.

Asymilacja danych pozwala na umieszczenie „wewnątrz” modelu klimatu procesów, dzięki którym możliwe jest rekonstruowanie takich parametrów jak temperatura czy opady. Przykładowo, zamiast porównywać temperaturę wody rekonstruowaną w oparciu o zawartość ciężkiego izotopu tlenu (δ¹⁸O) w pancerzykach otwornic z temperaturą symulowaną przez model, można porównywać bezpośrednio zmierzone δ¹⁸O zachowane w osadach dennych z δ¹⁸O symulowanym przez model. Na analogicznej zasadzie w modelach pogody asymiluje się, zamiast temperatury albo wilgotności, pomiary promieniowania wykonywane przez satelity meteorologiczne. W porównaniu z metodami statystycznymi asymilacja danych pozwala na wykorzystanie fizycznych zależności pomiędzy różnymi parametrami danych proxy, i stworzyć spójną z prawami fizyki reprezentację systemu klimatycznego.

W rekonstrukcji Tierney i in. ochłodzenie oceanów epoki lodowej oszacowano na -2,9°C, a ochłodzenie globalne na -6,1°C (z wąskim 95% przedziałem ufności od −6,5 do −5,7°C).

Podobny wynik otrzymano też w innej pracy z ubiegłego roku, wykorzystującej inne metody rekonstrukcji oraz inne dane proxy (Friedrich i Timmermann, 2020). Według tej analizy średnia temperatura powierzchni Ziemi w maksimum ostatniej epoki lodowej była o 5,7°C niższa niż we wczesnym holocenie (10-5 tys. lat temu), czyli (patrz Zagwozdka temperatur holocenu) o ok. 5,5°C mniej niż w epoce przedprzemysłowej.

Jednym z ograniczeń badań Tierney i in. była asymilacja tylko geochemicznych proxy morskich; temperatury lądowe były obliczane interaktywnie przez sam model klimatu. Jak wspomnieliśmy wyżej, dotychczasowe rekonstrukcje sugerują nie tylko znaczne ochłodzenie zwłaszcza na wyższych szerokościach geograficznych kontynentów półkuli północnej (gdzie wytworzyły się lądolody), ale także w tropikach. Najnowszą z nich jest praca opublikowana niedawno w czasopiśmie Nature (Seltzer i in., 2021), oparta o analizę izotopową gazów szlachetnych rozpuszczonych w wodach gruntowych, „pamiętających” czasy ostatniej epoki lodowej. Z badań tych wynika, że nawet na niższych szerokościach geograficznych (w pasie pomiędzy 45°S i 35°N) podczas zlodowacenia temperatury średnioroczne były o około 5 stopni chłodniejsze niż w epoce przedprzemysłowej.

I choć z pewnością nie jest to ostatnie słowo w tej trwającej od wielu lat debacie naukowej, można ostrożnie powiedzieć, że według dzisiejszego stanu wiedzy w najzimniejszym okresie ostatniej epoki lodowej średnia temperatura naszej planety była o około 5-6°C niższa niż w okresie 1850-1900, stanowiącym standardowy okres referencyjny „epoki przedprzemysłowej”. W nowym raporcie IPCC, przygotowywanym do publikacji w najbliższych miesiącach, prawdopodobnie zostanie podana średnia wartość 5,5°C.

Piotr Florek, Met Office, Hadley Centre

*W 1990 roku okazało się, że wiek LGM, ustalany metodą datowania radiowęglowego 14C, był zaniżony o około 3 tysiące lat, i o tyle trzeba było postarzeć ostatnią epokę lodową. Patrz Bard i in., 1990.

The post Jak zimna była ostatnia epoka lodowa? appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Problem nazwany „zagwozdką temperatur holocenu” (Liu i in., 2014) został odkryty i nazwany niedługo po opublikowaniu pierwszej rekonstrukcji zmian globalnej temperatury w holocenie (okres ostatnich 11 tysięcy lat) przez grupę Shauna Marcotta w 2013 roku (Marcott i in., 2013). Charakterystyczną cechą tej rekonstrukcji było występowanie maksimum termicznego 9-5 tys. lat temu oraz następujące po nim globalne ochłodzenie trwające aż do Rewolucji przemysłowej (gdy zastąpiło je antropogeniczne globalne ocieplenie). Okres spadku temperatury zaskoczył naukowców i wydawał się sprzeczny z dotychczasową wiedzą o przebiegu zjawisk kształtujących klimat w tym czasie.

Sprzeczność wynikała z tego, że choć „maksimum termiczne holocenu” było od ponad stu lat znane jako najcieplejsza w Europie Północnej faza holocenu (tzw. „okres atlantycki”), klasyfikacja ta odzwierciedlała europocentryczny punkt widzenia (Wanner i in., 2012), niekoniecznie zaś sytuację globalną.

Na średnich i wysokich szerokościach geograficznych półkuli północnej teoria Milankowicia (patrz Klimat: przeszłość, teraźniejszość, przyszłość) przewiduje w czasie trwania holocenu powolny spadek nasłonecznienia latem (drugi panel na rysunku 2), wywołany precesją osi ziemskiej i „przesuwaniem się pór roku” na ziemskiej orbicie. Precesja sprawia, że zmienia się odległość pomiędzy Ziemią a Słońcem odpowiadająca danej dacie kalendarzowej, a w konsekwencji zmienia się też ilość promieniowania słonecznego docierającego do planety.

Obecnie przesilenie letnie przypada na czas, kiedy Ziemia znajduje się blisko najdalszego punktu na orbicie, ale na początku holocenu, 10 tysięcy lat temu, latem (na półkuli północnej) Ziemia była najbliżej Słońca. Oznacza to, że w późnym holocenie latem docierało do średnich i wysokich szerokości geograficznych na półkuli północnej (czyli również Europy i Ameryki Północnej, skąd wywodzili się geolodzy którzy ten okres badali i nazwali) więcej promieniowania słonecznego niż obecnie, zatem powinno być tam wtedy cieplej.

Na niższych szerokościach geograficznych oraz półkuli południowej zmiany te byłyby jednak mniej wyraźne i kompensowane przez wzrost nasłonecznienia zimą.

Globalnie, zmiana temperatury wynikająca ze zmian nasłonecznienia wychodziła w przybliżeniu na zero. Jednak na klimat działały też inne czynniki, w szczególności zmiany stężeń gazów cieplarnianych i albedo (czyli zdolność odbijania padającego promieniowania). Zarówno rosnąca powoli koncentracja gazów cieplarnianych (wynikająca – zgodnie z hipotezą wczesnego antropocenu – z rozwoju rolnictwa pierwszych społeczeństw neolitycznych) jak i ustępujące lądolody zmniejszające albedo wielkich obszarów kontynentalnych półkuli północnej (co skutkowało pochłanianiem większej części padającego promieniowania słonecznego), powodowały dodatnie globalne wymuszenie radiacyjne.

Rezultatem działania wszystkich tych czynników powinno być powolne i niewielkie, ale zauważalne ocieplanie się klimatu.

Dlatego też rekonstrukcja Marcotta z 2013 roku (rys. 1), pokazująca mające początek ok. 5000 lat temu wyraźne ochłodzenie nie tylko półkuli północnej, ale też globalne, była dla paleoklimatologów zaskoczeniem i niedługo po jej publikacji zaczęły ukazywać się prace starające się wyjaśnić ten konflikt teorii i obserwacji (danych paleoklimatycznych).

Zaproponowane wyjaśnienia należą do dwóch głównych kategorii: „problem z teorią” oraz „problem z obserwacjami” (albo ich kombinacji).

To było to globalne maksimum temperatury powierzchni Ziemi kilka tysięcy lat temu czy nie? Problemy z teorią, czyli może tak, a może nie…

Niepewności związane z przewidywaniami teoretycznymi wynikają głównie z tego, że zmian klimatu holocenu nie da się obliczyć analitycznie (to znaczy uzyskać dokładnych rozwiązań, przekształcając wzory), konieczne jest więc użycie modeli numerycznych klimatu. Modele te z są definicji niedoskonałą reprezentacją ziemskiego systemu klimatycznego, i możliwe jest, że w symulacjach holocenu nie uwzględniają jakiegoś istotnego czynnika lub mechanizmu odpowiedzialnego za długoterminowe ochłodzenie. Niedoskonała jest także nasza wiedza odnośnie warunków środowiskowych sprzed tysięcy lat, które są danymi wejściowymi (brzegowymi) modeli i mają wpływ na wyniki symulacji.

Jest?

Przykładem potencjalnego mechanizmu, który mógłby przynajmniej częściowo odpowiadać za to, że po ciepłym okresie na początku holocenu globalna temperatura zaczęła później spadać, był wzrost zawartości pyłu mineralnego w atmosferze, do którego doszło w wyniku przemian ekosystemów Sahelu i Sahary w Afryce Północnej i związany z tym spadek natężenia promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi. W 2018 roku ukazała się praca chińskich klimatologów (wśród nich Zhengyu Liu, głównego autora pierwszego artykułu o „zagwozdce”) demonstrująca, że efekt ten może być częściowo odpowiedzialny za rozbieżność pomiędzy przewidywaniami modeli a danymi paleoklimatycznymi (Liu i in., 2018). Trochę innym tropem poszli klimatolodzy korzystający z projektu symulacji paleoklimatycznych PMIP3, którzy wskazali, że trend ochłodzenia w późnym holocenie mógł wynikać z silnego wzmocnienia arktycznego (Park i in., 2019).

Nie ma?

Najpopularniejszym wyjaśnieniem zagadki jest jednak zupełnie inna hipoteza, rozważana jeszcze przez Marcotta i jego współautorów: że dane używane w rekonstrukcji zmian klimatu holocenu nie reprezentują trendu średniorocznej temperatury, a jedynie jej sezonową – a precyzyjniej, letnią – składową. Takie wyjaśnienie zaproponowali też autorzy pierwszego artykułu o „zagwozdce” (Liu i in., 2014), oraz autorzy innej rekonstrukcji temperatury w Ameryce Północnej i Europie, opartej o pyłki zachowane w zapisie kopalnym (Marcisek i in., 2018).

W opublikowanej na początku tego (2021) roku nowej pracy na ten temat klimatolożka Samantha Bova z kolegami pokazali, że temperatura wody morskiej rekonstruowana w oparciu o proxy Mg/Ca (czyli zawartości magnezu w węglanowych pancerzykach otwornic) zachowuje się tak, jakby zależała od nasłonecznienia letniego (Bova i in., 2021). Jednocześnie zaproponowano metodę skorygowania tego proxy tak, by możliwe było zrekonstruowanie temperatury całorocznej. Spowodowało to zniknięcie maksimum temperaturowego holocenu z obszaru tropików i subtropików (pomiędzy równoleżnikami 40°).

Jest?

Nie jest to jednak koniec, bo argumenty przedstawione w omawianych pracach odnosiły się do oryginalnej rekonstrukcji Marcotta, gdzie większość danych stanowiły proxy morskie, a trend ochłodzenia był najsilniej widoczny w danych z Atlantyku Północnego. W międzyczasie opublikowano jednak nową rekonstrukcję (Kaufman i in., 2020, A), opartą o kompilację projektu Temperature12k (Kaufman i in., 2020, B), która opierała się o proxy z dziesięciokrotnie większej liczby lokalizacji, w tym również lądowych.

Autorzy rekonstrukcji przekonująco pokazali, że obecność maksimum termicznego holocenu jest potwierdzona w różnych typach proxy, w tym również tych reprezentujących temperatury średnioroczne.

Z rekonstrukcji wynika, że maksymalna temperatura globalna w najcieplejszym okresie holocenu kilka tysięcy lat temu była wyższa o ok. 0,5°C niż w okresie przedprzemysłowym.

Nie ma?

Najnowszym, choć najprawdopodobniej nie ostatnim głosem w dyskusji o „zagwozdce” temperatur holocenu jest nierecenzowany jeszcze artykuł Matta Osmana i współautorów z projektu Last Glacial Maximum Reanalysis. Praca ta jest kontynuacją badań z projektu (Tierney i in., 2020), w którym zrekonstruowano mapę temperatury z maksimum ostatniej epoki lodowej, ok. 20 tysięcy lat temu. W nowej publikacji użyto tych samych metod (połączenia danych proxy oraz wyników symulacji modelu klimatu, w procesie zwanym asymilacją danych, powszechnie używanym w generowaniu codziennych numerycznych prognoz pogody) do odtworzenia zmian temperatury w całym okresie ostatnich 24 tysięcy lat.

Rekonstrukcja ta pokazuje bardzo stabilny holocen, bez trendu globalnego ochłodzenia znanego z rekonstrukcji Marcotta i in., oraz współczesne globalne ocieplenie przewyższające amplitudą i tempem zmian wahania temperatur w całym holocenie (rys. 6). Ponieważ jednak model korzystał wyłącznie z danych pochodzących z proxy morskich, wciąż nierozstrzygnięta pozostaje kwestia niezgodności trendów temperatur na obszarach kontynentalnych północnej półkuli planety.

A więc..?

Podsumowując, nie ma wątpliwości że latem na średnich i wysokich szerokościach geograficznych półkuli północnej najcieplej było ponad 5000 lat temu, potem zaś temperatura na tym obszarze przez tysiące lat spadała. Cała „kontrowersja” dotyczy tego, czy ta letnia składowa, jeśli uśredni się ją w czasie całego roku oraz na powierzchni całej planety, zdominuje kształt krzywej odzwierciedlającej zmiany średniej globalnej temperatury; czy też zostanie skompensowana przez zmiany temperatury w innych porach roku i innych rejonach świata. Jak na razie odpowiedź brzmi: tak do końca nie wiadomo, choć stopień niepewności nie jest już duży: współczesne rekonstrukcje pokazują, że średnia globalna temperatura w okresie 9000-5000 lat temu była wyższa o co najwyżej 0,5°C niż w epoce przedprzemysłowej. Półżartem, jeśli nie chcesz wchodzić w szczegóły i mieć (najprawdopodobniej) rację, możesz powiedzieć, że mogło być wtedy cieplej tak o ćwierć stopnia, plus-minus ćwierć stopnia

„Zagwozdka temperatur holocenu” pokazuje też, że trudno jest bezpośrednio porównywać zmiany klimatu z odległej przeszłości Ziemi z tą która zachodzi obecnie. W przypadku maksimum termicznego holocenu „globalne ocieplenie” nie było bynajmniej globalne, lecz tak było efektem silnie zlokalizowanym i sezonowym. Obecne globalne ocieplenie, spowodowane antropogeniczną emisją gazów cieplarnianych jest dla odmiany niemal uniwersalne: dotyczy wszystkich pór roku i niemal całej powierzchni planety.

Piotr Florek, Met Office, Hadley Centre

The post Zagwozdka temperatur holocenu appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

W skrócie:

• Naukowcy dokonali bardzo precyzyjnej rekonstrukcji klimatu Ziemi w ostatnich 66 milionach lat na podstawie analizy ogromnego zbioru danych uzyskanych z rdzeni osadów dennych w oceanach 
• Rdzenie były pobierane przez ponad 50 lat na całym świecie w serii międzynarodowych ekspedycji wiertniczych
• Wykazano, że w kenozoiku istniały cztery dominujące stany klimatyczne: cieplarniany, ciepły, chłodny i lodowy • Dane geologiczne pokazują, że stężenie CO₂ w atmosferze, obecnie na najwyższym poziomie od co najmniej ostatnich 3 milionów lat, jest kluczowym czynnikiem kształtującym klimat Ziemi
• Wg stanowiska The Royal Geological Society of London zapis geologiczny zmian klimatu ujawnia dowody na istnienie punktów krytycznych i progów w systemie klimatycznym, w wyniku których może dojść do nagłych i z ludzkiej perspektywy czasowej nieodwracalnych zmian stanu klimatycznego naszej planety
• Badania geologiczne wspierają konsensus naukowy w sprawie przyczyn i skali współczesnej zmiany klimatu.

Szczegółowa rekonstrukcja klimatu kenozoiku

Międzynarodowy zespół badaczy na podstawie analizy ogromnego zbioru danych uzyskanych z rdzeni osadów dennych w oceanach, dokonał nadzwyczaj precyzyjnej rekonstrukcji klimatu Ziemi w ostatnich 66 mln lat (Westerhold i in., 2020). Przy interpretacji danych wykorzystano innowacyjne metody statystyczne stosowane w badaniach złożonych systemów dynamicznych, co pozwoliło wyodrębnić podstawowe stany klimatyczne, jakich doświadcza Ziemia, i przejścia między nimi. Wskazują one na deterministyczny (czyli nie przypadkowy, a wymuszony warunkami i prawami fizyki) charakter zmian klimatu w bardzo długich skalach czasu.

Jak wyjaśnia główny autor publikacji, Thomas Westerhold (źródło):

Naszym celem było stworzenie nowego zestawu danych o przeszłości klimatu, który nie tylko uwzględnia dane o najwyższej rozdzielczości, ale także jest precyzyjniej datowany. Wiemy teraz dokładniej, kiedy na naszej planecie było cieplej lub zimniej, a także lepiej rozumiemy rządzącą tymi zmianami dynamikę… To był ogromny wspólny wysiłek wielu kolegów z całego świata, aby odzyskać próbki materiału, przeanalizować je i skompilować do postaci jednej krzywej.

Inny autor, Norbert Marwan dodaje:

Nasze analizy matematyczne ujawniły to, co z początku trudno w danych z osadów zauważyć – ukryte zależności i powtarzające się wzorce w klimacie. Spojrzenie w przeszłość jest więc również spojrzeniem w przyszłość. Z powolnych naturalnych fluktuacji klimatycznych zachodzących na przestrzeni milionów lat możemy wyciągnąć wnioski na temat oszałamiająco szybkich antropogenicznych zmian w naszym obecnym stuleciu.

Rdzenie z odwiertów w osadach dennych były pobierane przez ponad 50 lat na całym świecie w serii międzynarodowych ekspedycji wiertniczych prowadzonych w ramach projektu International Ocean Discovery Program (IODP) i jego poprzedników. Już wcześniej część tych danych została wykorzystana do stworzenia referencyjnej skali zmian przeszłego klimatu (czyli czegoś w rodzaju kalendarza) w trwającym od 66 mln lat kenozoiku (Zachos i inni 2001). Jednak dane starsze niż 34 miliony lat były w tym zbiorze dosyć ubogie i charakteryzowały się nie najlepszą rozdzielczością czasową. Od czasu publikacji pracy zespołu Zachosa zapisy klimatyczne, dzięki danym uzyskanym z wielu nowych rdzeni osadowych, uległy poprawie zarówno pod względem ilościowym jak jakościowym. W ostatnich dwóch dekadach programy wierceń skoncentrowano na starszych warstwach geologicznych. Pozwoliło to zyskać dostęp do lepszej jakości, bardziej kompletnych archiwów osadów, dzięki czemu naukowcy mogli zrekonstruować globalny klimat znacznie bardziej szczegółowo niż kiedykolwiek wcześniej.

Nowy wykres, zwany CENOGRID (CENOzoic Global Reference benthic carbon and oxygen Isotope Dataset), jest rekonstrukcją zmian klimatu Ziemi od ostatniego wielkiego wymierania 66 milionów lat temu, które wyznaczyło początek ery kenozoiku. Skład izotopowy tlenu i węgla w przebadanych osadach dostarcza informacji o przeszłych temperaturach oceanu, objętości lodu zamkniętego w lądolodach i lodowcach oraz cyklu węglowym. Graficznie wyniki badań można przedstawić jak fascynujący kod kreskowy, pokazany na rys. 2.

Znakomita rozdzielczość czasowa CENOGRID pozwala na zastosowanie do jego interpretacji zaawansowanych matematycznych procedur analizy danych. Jedną z nich jest tzw. analiza rekurencji, stosowana do badania złożonych systemów dynamicznych, która pozwala znajdywać w przebiegu wykresów podobne zdarzenia, a w sytuacji, gdy wykresy są dostatecznie długie i dokładne, wyciągać wnioski na temat prawdopodobieństwa tych zdarzeń. Zastosowanie jej w tym przypadku pozwala śledzić zmiany i wynajdywać charakterystyczne „wzorce” czy stany klimatu naszej planety. Te podstawowe stany (oraz drobniejsze przeskoki klimatyczne wewnątrz nich) zaznaczone są pionowymi paskami kolorów.

Przeskoki klimatu Ziemi między czterema stanami

„Możemy wykazać, że w kenozoiku istniały cztery dominujące stany klimatyczne: cieplarniany, ciepły, chłodny i lodowy” (Rys. 4), wyjaśnia Marwan. Klasyfikacja ta była używana już od jakiegoś czasu, jednak dopiero analiza rekurencji ujawniła dynamikę zmian złożonego systemu klimatycznego i określenie wzorców charakterystycznych dla tych stanów, a także przejść między nimi, związanych z wymuszeniami astronomicznymi (cykle Milankovicia i aktywności słonecznej), koncentracjami gazów cieplarnianych i wielkością polarnych czap lodowych. Wyniki sugerują, że rola tych ostatnich w klimacie kenozoiku jest większa, niż do tej pory uważano. Ich obecność i rozmiar wzmacniają wymuszenia orbitalne związane ze zmianami nachylenia osi ziemskiej. Pojawienie się lądolodu Antarktyki Wschodniej ~35 milionów lat temu (na granicy eocenu i oligocenu) związane było z „przeskokiem” stanu planety z klimatów ciepłych do chłodnych. Pojawienie się lądolodu półkuli północnej i wzrost lądolodu Antarktydy Zachodniej ok. 14 milionów lat temu zapoczątkowały kolejne ochłodzenie, które wraz ze wzrostem lądolodu Grenlandii ok. 3 mln lat temu spowodowało pojawienie się regularnych zlodowaceń (patrz też Klimat dawnych epok: od dinozaurów do lądolodu).

Jak piszą autorzy, przedstawione wyniki potwierdzają hipotezę, że jeśli koncentracje gazów cieplarnianych będą nadal rosnąc (np. do wartości 935 ppm CO₂ w roku 2100 w scenariuszu RCP 8.5) to planecie grozi gwałtowne przejście ze stanu „lodowego” do „ciepłego” lub nawet „cieplarnianego”. Byłoby to „gwałtowne” nie tylko w skali geologicznej, lecz wręcz ludzkiej i społecznej.

Zmiany klimatu okiem geologów

Niemal równolegle z publikacją Westerhold i in., 2020 w Journal of the Geological Society pojawiła się kolejna ważna praca „Co zapis geologiczny mówi nam o naszym obecnym i przyszłym klimacie” („What the geological record tells us about our present and future climate”) Lear i inni, 2020. Lista autorów liczy 16 osób, a autorem wiodącym jest prof. Caroline Lear z Uniwersytetu w Cardiff. Jest to dość nietypowy tekst, bo zamiast zwyczajowym streszczeniem zaczyna się stanowiskiem The Royal Geological Society of London w sprawie współczesnej zmiany klimatu, które zacytujemy tu w całości:

Geologia jest nauką o tym, jak Ziemia funkcjonuje i ewoluowała. Jako taka może przyczynić się do naszego zrozumienia systemu klimatycznego i jego reakcji na dodanie dwutlenku węgla (CO₂) do atmosfery i oceanów. Dane geologiczne pokazują, że stężenie CO₂ w atmosferze jest obecnie na najwyższym poziomie od co najmniej ostatnich 3 milionów lat. Ponadto, obecne tempo spowodowanych przez człowieka zmian stężenia CO₂ i (związanego z tym) ocieplenia, jest niemal bez precedensu w całym zapisie geologicznym, z jedynym znanym wyjątkiem: natychmiastowego, wywołanego uderzeniem meteorytu zdarzenia, które spowodowało wyginięcie dinozaurów 66 mln lat temu. Innymi słowy, chociaż na skutek naturalnych procesów stężenia CO₂ w atmosferze ulegały w historii znacznym wahaniom i często były wyższe niż obecnie, to aktualne tempo zmian stężenia CO₂ (a zatem i temperatury) jest bezprecedensowe w prawie całej geologicznej przeszłości Ziemi.

Zapis geologiczny pokazuje, że zmiany temperatury oraz stężenia gazów cieplarnianych mają bezpośredni wpływ na poziom mórz, cykl hydrologiczny, ekosystemy morskie i lądowe, oraz zakwaszanie i zmniejszanie się natlenienia oceanów. Ważne zjawiska klimatyczne, takie jak El Niño-Southern Oscillation (ENSO) oraz monsuny, które dziś wpływają na stabilność społeczno-gospodarczą oraz bezpieczeństwo żywnościowe i wodne miliardów ludzi, podlegały istotnym zmianom w wyniku występujących w przeszłości zmian klimatu.

Rekonstrukcje klimatyczne z różnych miejsc na świecie pokazują, że zmiany klimatu nie były jednolite w skali planety, ale wykazywały charakterystyczne tendencje, ze zmianami na biegunach większymi niż gdzie indziej. To wzmocnienie polarne widoczne jest w dawnych, cieplejszych niż współczesny, okresach, takich jak epoka eocenu, około 50 milionów lat temu, a bliżej naszych czasów – w pliocenie, około 3 milionów lat temu. Najcieplejsze okresy pliocenu charakteryzowały się zanikiem letniego lodu morskiego w Arktyce. Utrata pokrywy lodowej podczas pliocenu była jedną z licznie zaobserwowanych w zapisie gwałtownych zmian klimatu związanych z przekraczaniem tak zwanych klimatycznych punktów krytycznych.

Zapis geologiczny może być użyty do obliczenia wielkości zwanej równowagową czułością klimatu (ang. Equilibrium Climate Sensitivity, ECS), czyli wielkością ocieplenia spowodowaną podwojeniem stężenia CO₂ w atmosferze, po czasie, w którym między rozmaitymi procesami w systemie klimatycznym ukształtuje się równowaga. Ostatnie szacunki sugerują, że globalnie, średnio przy podwojeniu koncentracji CO₂ w atmosferze klimat ociepla się o 2,6-3,9°C (po uzyskaniu równowagi systemu klimatycznego).

Zapis geologiczny dostarcza mocnych dowodów na to, że stężenie CO₂ w atmosferze jest czynnikiem kształtującym klimat, co współgra z wieloma innymi dowodami na to, że gazy cieplarniane emitowane w wyniku działalności człowieka zmieniają klimat Ziemi. Co więcej, ilość obecnych już w atmosferze gazów cieplarnianych pochodzenia antropogenicznego oznacza, że Ziemia jest już skazana na pewien poziom ocieplenia klimatu. Ponieważ klimat Ziemi zmienia się wskutek spalania paliw kopalnych i zmian w użytkowaniu gruntów, planeta, na której żyjemy, doświadczy dalszych zmian, które będą miały coraz bardziej drastyczne skutki dla ludzkich społeczeństw. Ocena przeszłych zmian klimatu pomaga w podejmowaniu decyzji politycznych dotyczących przyszłości. Naukowcy zajmujący się badaniem Ziemi mają do odegrania ważną rolę w realizacji wszelkich polityk mających na celu ograniczenie przyszłych zmian klimatycznych.

Znających język angielski gorąco zachęcamy do przeczytania całości artykułu Lear i inni, 2020. Jest napisany prosto, świetnie uźródłowiony i stanowi doskonałe kompendium wiedzy o przeszłym klimacie naszej planety.

Jeśli idzie o zawartość naukową, to warte uwagi jest spojrzenie na kwestię zmienności klimatu w historii geologicznej, prowadzące do podobnych wniosków jak omówiony tu wcześniej artykuł Westerhold i in., 2020.

Autorzy Lear i inni, 2020 piszą, że aktualne stężenie CO₂ w atmosferze przekracza już to ze środkowego pliocenu (3,3 mln lat temu), kiedy klimat był o 2-4°C cieplejszy niż dzisiaj („chłodny” stan klimatu na Rys. 2), a większe stężenia CO₂ odpowiadały stanowi klimatu „ciepłemu” lub nawet „cieplarnianemu”. Zestawiając oszacowania wymuszenia radiacyjnego i charakterystycznych temperatur, jakie panowały w odległych epokach geologicznych, autorzy oszacowują najbardziej prawdopodobną wartość równowagowej czułości klimatu.

Podsumowując piszą:

Dysponując oszacowaniami przeszłego wymuszania radiacyjnego i przy wartości ECS pomiędzy 2,6 a 3,9°C, jesteśmy w stanie wyjaśnić większość ociepleń/ochłodzeń widocznych w zapisie geologicznym. Dostarczając kluczowych informacji o zakresie zmienności ECS zapis geologiczny może mieć istotny wkład w decyzje polityczne [związane z przyszłymi redukcjami emisji – red.].

Druga wymagająca podkreślenia kwestia to ogromna waga, jaką autorzy przypisują punktom krytycznym w ziemskim systemie klimatycznym, pisząc wprost:

Geologiczny zapis zmian klimatu ujawnia dowody na istnienie w systemie klimatycznym sprzężeń i punktów krytycznych, których przekroczenie w wyniku działania stopniowo narastającego wymuszania spowodować może nagłe i niekiedy nieodwracalne zmiany

Konkluzja ta w pełni współgra z pracą Westerhold i in., 2020. Nie bez powodu autorzy przytoczonych prac podkreślają jak istotne i bezprecedensowe jest tempo obecnej zmiany klimatu.

Konsensus klimatyczny w światowej geologii a polska specyfika…

Dla stałych czytelników naszego portalu nie ma w omawianych publikacjach wielu zaskakujących punktów, choć uwagę może zwracać kolejne uszczegółowienie i pogłębienie dotychczasowej wiedzy. Treść artykułów jest w pełni zgodna z konsensusem naukowym w sprawie zmiany klimatu. Samo stanowisko The Royal Geological Society of London też nie jest nowe – to doprecyzowanie stanowiska z 2007 roku, również zgodnego z konsensusem naukowym w sprawie globalnego ocieplenia. Współgra ono ze stanowiskiem The Geological Society of America oraz innych towarzystw i akademii naukowych.

Dlaczego dla nas, w Polsce, te teksty są tak ważne? Ponieważ niektórzy przedstawiciele polskiego środowiska geologów wciąż twierdzą, że „geologia daje inną perspektywę współczesnej zmiany klimatu” niż np. fizyka atmosfery czy klimatologia fizyczna.

Nie jest to prawdą.

Taką „inną perspektywę” ma nie geologia jako nauka, lecz co najwyżej nieliczni geolodzy niekoniecznie będący na bieżąco z osiągnięciami uprawianej przez siebie nauki.

Prof. Szymon Malinowski

The post Geologia i globalne ocieplenie: co nowego? appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Podstawą wykresu są rekonstrukcje opierające się o pomiary zawartości ciężkiego izotopu tlenu (δ¹⁸O) w skorupkach otwornic bentosowych, czyli żyjących przy dnie oceanu (więcej na ten temat w artykule Paleoklimatologia: izotopy tlenu a temperatura). Najnowsza taka rekonstrukcja, wykonana w ramach projektu CENOGRID (Westerhold i in., 2020), została opublikowana w tym roku i zastąpiła starsze kompilacje (Zachos i in., 2008, Zachos i in., 2001). Zakres czasowy kompilacji CENOGRID wyznaczył jednocześnie zakres całego wykresu.

Podobnie jak w oryginalnym wykresie zastosowałem skalę pseudo-logarytmiczną, dzieląc historię klimatyczną kenozoiku na kilka części, przedstawionych w różnej rozdzielczości czasowej. Najstarsza część, obejmująca okres od 65 mln do 1 miliona lat temu, oparta jest wyłącznie o kompilację CENOGRID, i obrazuje powolne ochłodzenie klimatu, aż do nastania plejstocenu z powtarzającymi się cyklami głębokich zlodowaceń i cieplejszych okresów międzylodowcowych.

Zmiany temperatury w ostatnim milionie lat

Ostatni milion lat przedstawiony jest w powiększeniu. Oprócz CENOGRID dodatkowo wykorzystałem tu dwie kolejne kompilacje oparte również o pomiary δ¹⁸O w osadach na dnie oceanów. Pierwszym jest aktualizacja (Ahn i in., 2017) zbioru opublikowanego w 2005 przez paleoklimatolożki Lorraine Lisiecki i Maureen Raymo (Lisiecki i Raymo, 2005), zwiększająca liczbę odwiertów w dnie oceanicznym, z których pobierano rdzenie, z 54 do 180 oraz stosująca bardziej zaawansowane metody analizy statystycznej do dopasowania wzajemnej chronologii pomiarów wykonanych w różnych lokalizacjach. Drugim jest kolejna taka kompilacja dla ostatnich 150 tysięcy lat, oparta o odwierty z 263 lokalizacji (Lisiecki i Stern, 2016).

Zawartość izotopu ¹⁸O w cząsteczkach węglanu wapnia tworzącego pancerzyki otwornic zależy od temperatury i składu wody morskiej, a skład zależy od ilości wody uwięzionej w lądolodach. Oba mechanizmy działają w tym samym kierunku (to znaczy, powodują wzbogacenie węglanu wapnia CaCO₃ w ciężki izotop tlenu ¹⁸O przy zimniejszym klimacie), co oznacza że zrekonstruowanie temperatury głębin oceanicznych, a w drugiej kolejności temperatury powierzchni Ziemi, na podstawie δ¹⁸O wymaga poczynienia pewnych dodatkowych założeń.

Przygotowując wykres korzystałem, podobnie jak naukowcy z projektu CENOGRID, ze wzorów zaproponowanych w 2013 w pracy opublikowanej przez Jamesa Hansena i współautorów (Hansen i in., 2013). Jedyną różnicą była modyfikacja wzoru dla okresu plejstocenu, gdzie przeliczenie temperatury głębokiego oceanu do temperatury powierzchni planety opierało się o mnożnik skalibrowany na podstawie zmiany temperatury w czasie ostatniego zlodowacenia. W oryginalnej pracy Hansena założono, że było ono globalnie zimniejsze o 4,5°C od holocenu, jednak według najnowszych badań (Tierney i in., 2020, zielona kropka na wykresie) ochłodzenie było bliższe 6°C. Uwzględnienie tej różnicy, poprzez przeskalowanie rekonstrukcji temperatury globalnej, daje nieco większą amplitudę wahań tej temperatury w plejstocenie.

Zmiany temperatury w holocenie

Zmiany temperatury w okresie holocenu oraz ostatnich 2000 lat oparte są o wyniki projektów Temp12k (Kaufman i in., 2020) oraz PAGES2k (Neukom i in., 2020), które obrazują ostatnie, najbardziej kompletne ustalenia nauki w tym temacie. Dla porównania pokazano też starszą rekonstrukcję Marcotta i in. z 2013 roku (Marcott i in., 2013).

Zmiany temperatury w erze przemysłowej

Ostatni panel wykresu przedstawia okresie 1850-2300, oparty o dane instrumentalne (analizę HadCRUT5 (Morice i in., 2020) oraz symulacje wykonane jednym z modeli klimatu uczestniczących w projekcie CMIP6. Spośród wielu potencjalnych sposobów wizualizacji potencjalnego przyszłego globalnego ocieplenia wybrałem najprostszą, poprzez prezentację dwóch skrajnych możliwości: szybkiej redukcji emisji gazów cieplarnianych (scenariusz SSP1-26), oraz kontynuację jej wzrostu (scenariusz SSP5-85). Wybór modelu japońskiego MRI-ESM2.0 (Yukimoto i in., 2019) był natomiast podyktowany względami praktycznymi: posiada on tzw. czułość równowagową klimatu o wartości zbliżonej do najnowszych oszacowań tego parametru 3,1°C w odpowiedzi na podwojenie zawartości CO₂ w atmosferze (Sherwood i in., 2020).

Wszystkie serie danych zostały sprowadzone do wspólnego okresu referencyjnego 1850-1900, który w przybliżeniu odzwierciedla okres przedindustrialny. Globalne ocieplenie obserwowane w ostatnich latach osiągnęło wartość około +1,2°C w odniesieniu do tego okresu, najprawdopodobniej przewyższając poziomy osiągnięte w ciągu ostatnich kilku tysiącach lat i zrównując się już z najwyższymi temperaturami, jakie panowały na Ziemi w najcieplejszych okresach cyklu epok lodowych z ostatniego miliona lat.

Piotr Florek, Met Office, Hadley Centre

The post Współczesne i przyszłe ocieplenie na tle historycznych zmian klimatu – skąd się bierze takie dane? 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.

ABC aktywności słonecznej i jej pomiarów

Stała słoneczna, czyli całkowite natężenie docierającego do Ziemi promieniowania słonecznego, wyrażane w W/m2, nie jest zupełnie stała. Już od połowy XIX wieku wiemy, że liczba i położenie plam słonecznych zmieniają się periodycznie w ciągu ok. 11 lat. Od początku XX wieku wiemy ponadto, że plamy związane są z zaburzeniami pola magnetycznego w atmosferze słonecznej, a okres zmienności magnetycznej Słońca wynosi 22 lata, bo w każdym kolejnym 11-letnim cyklu biegunowość pola magnetycznego Słońca jest odwrotna. Wiemy też z obserwacji historycznych, że długość tych cykli nieco się zmienia, a czasem są one przerywane tzw. minimami aktywności słonecznej, podczas których cykle nie występują. Dwa największe to minimum Maundera z lat 1645–1717 oraz późniejsze minimum Daltona z lat ok. 1790–1830, które przyczyniły się do tzw. małej epoki lodowej w Europie (choć nie były jej jedyną przyczyną – istotną rolę odegrały też bardzo silna aktywność wulkaniczna na Islandii oraz zmiany w cyrkulacji termohalinowej oceanów).

Im więcej ciemnych plam obserwujemy na powierzchni Słońca, tym więcej energii wypromieniowuje nasza gwiazda. Dlaczego tak jest, skoro temperatura plam jest niższa od średniej temperatury fotosfery? Powodem są towarzyszące plamom tzw. pochodnie słoneczne, które są gorętsze od średniej i które z nadmiarem kompensują mniejszą emisję promieniowania z powierzchni plam. Zarówno plany jak i pochodnie są manifestacjami zmian pola magnetycznego przy powierzchni naszej gwiazdy.

Bezpośrednie pomiary natężenia promieniowania słonecznego, czyli „stałej słonecznej” są prowadzone za pomocą precyzyjnych pomiarów satelitarnych zaledwie od 1978 roku, a obserwacje plam słonecznych, których liczba jest dobrym miernikiem aktywności słonecznej, od XVII wieku. Jeśli jednak interesują nas zmiany klimatu w dłuższej perspektywie czasowej i to, jak wpływa na nie Słońce, chcielibyśmy wiedzieć, jak jego aktywność zmieniała się wcześniej.

Aktywność słoneczna a promieniowanie kosmiczne

Naukowcy mają sposoby, żeby to zbadać. Zmiany aktywności słonecznej oznaczają nie tylko wahania ilości docierającej do Ziemi energii. Wraz z nią zmienia się także natężenie roztaczanego przez naszą gwiazdę pola magnetycznego. Pole to mocniej lub słabiej osłania Układ Słoneczny od galaktycznego promieniowania kosmicznego (rozpędzonych naładowanych cząstek – jąder atomowych – wyemitowanych kiedyś w naszej galaktyce i pędzących przez przestrzeń kosmiczną).

Gdy wysokoenergetyczna (rozpędzona) cząsteczka promieniowania kosmicznego zderza się z jądrem atomowym znajdującym się w skale, glebie lub atmosferze, może dokonać jego przemiany jądrowej i spowodować powstanie izotopu radioaktywnego, nie istniejącego w sposób naturalny na Ziemi (ponieważ okres rozpadu takiego jądra atomowego w porównaniu z czasem istnienia planety jest krótki, te, które były na Ziemi w trakcie jej powstawania, zdążyły się już dawno temu rozpaść).

Radioizotopy używane w badaniach aktywności słonecznej

Przykładowo, izotop berylu ¹⁰Be jest produkowany w atmosferze przez promieniowanie kosmiczne pochodzenia pozasłonecznego. Im większa jest aktywność słoneczna, tym mniej tego promieniowania dociera do Ziemi i tym mniej powstaje ¹⁰Be. Na podstawie analizy zawartości ¹⁰Be w rdzeniach lodowych można określić okresy wzmożonej aktywności słonecznej. Pozostają one w bardzo dobrej zgodności z aktywnością słoneczną określaną za pomocą liczby plam.

Podobnie ma się sprawa z izotopem węgla ¹⁴C. Powstaje on w górnych warstwach atmosfery Ziemi w wyniku oddziaływania promieniowania kosmicznego z azotem ¹⁴N. W okresach minimum aktywności Słońca – gdy słabnie jego pole magnetyczne (a więc wzmacnia się strumień promieniowania kosmicznego) – powstaje więcej izotopu ¹⁴C, który przemieszcza się do niższych warstw atmosfery. Tu, wraz z innymi atomami węgla wchodzącymi w skład cząsteczek CO₂, absorbują go rośliny. Odkładając się m.in. w rocznych przyrostach drzew daje nam możliwość badania zmian jego ilości w dawnej atmosferze, a więc pośrednio, aktywności słonecznej.

To rzecz jasna duży skrót obszernej wiedzy naukowej na temat zmian aktywności słonecznej w przeszłości. Osobom chcącym dowiedzieć się więcej o „kuchni” tych badań, różnych sposobach pozyskiwania danych i metodyce ich analizy polecamy przekrojowy artykuł „A history of solar activity over millennia” (Usoskin, 2017).

Rekonstrukcja zmian aktywności słonecznej

Autorzy pracy Wu i in., 2018 [pełna wersja] do zrekonstruowania zmian aktywności słonecznej w ciągu ostatnich 9000 lat wykorzystali fizyczny model aktywności słonecznej SATIRE (ang. Spectral and Total Irradiance REconstruction), wiążący zmiany napromieniowania z konkurującymi ze sobą wkładami ciemnych plam i jasnych pochodni słonecznych, które z kolei przekładają się na zmiany pola magnetycznego naszej gwiazdy, wiążącego się z kolei z tempem produkcji izotopów promieniotwórczych przez docierające do Ziemi cząstki promieniowania kosmicznego.

W oparciu o dane z pomiarów izotopowych ¹⁰Be i ¹⁴C można uzyskać informacje o zmianach pola magnetycznego Słońca. Widzimy je na rysunku 3.

Fluktuacje pola magnetycznego gwiazdy oraz obecnych na jej powierzchni plam i pochodni przekładają się na ilość emitowanej z powierzchni energii, co pozwala obliczyć jej strumień w odległości odpowiadającej odległości Ziemi od Słońca (1 AU – jednostka astronomiczna).

Zmienność stałej słonecznej podczas 11-letniego cyklu wynosi około 1 W/m². Zakres zmienności pomiędzy Minimum Maundera a ostatnim maksimum słonecznym w latach 60. XX wieku jest niewiele większy. Rekonstrukcja Wu i in., 2018 pokazuje zmianę o 1,2 W/m². To wynik zgodny z innymi współczesnymi rekonstrukcjami, dającymi wyniki z zakresem niepewności 0,9–1,5W/m².

W związku z mającym miejsce w ostatnich dekadach spadkiem aktywności słonecznej, moc docierającego do Ziemi promieniowania słonecznego spadła do poziomu porównywalnego z minimum Daltona z przełomu XVIII i XIX w. Pomimo tego globalna temperatura, zamiast spadać, szybko rośnie -to wynik szybkiego wzrostu koncentracji gazów cieplarnianych (patrz Ziemia się nagrzewa. I wiemy dlaczego.).

Aktywność słoneczna w ostatnich 600, 3000 i 9000 latach

A co było wcześniej? Przyjrzyjmy się rezultatom analizy Wu i in., 2018 w trzech różnych skalach czasowych: ostatnich 600, 3000 i 9000 lat.

Jak widać, rekonstrukcje mocy promieniowania słonecznego, bazujące na różnych zapisach izotopowych, ¹⁰Be i ¹⁴C dobrze zgadzają się ze sobą, pomimo znacząco różnych ścieżek geochemicznych tych pierwiastków w atmosferze Ziemi (pierwszy jest wymywany z atmosfery przez opady, drugi jest wychwytywany przez rośliny). W dodatku nawet gdy sięgamy dalej w przeszłość (wykres dla ostatnich 9000 lat) okazuje się, że zakres zmienności mocy promieniowania słonecznego był rzędu 1,5 W/m², czyli ok. 0,11%.

Widać też, że wysoka aktywność słoneczna w połowie XX wieku nie była niczym nietypowym w okresie holocenu (ostatnie 11,5 tys. lat).

Wpływ zmian aktywności Słońca na klimat

Oszacujmy jeszcze, jakie jest wymuszenie radiacyjne związane z opisanymi wyżej zmianami aktywności słonecznej. Ziemia pochłania około 70% padającego promieniowania słonecznego. Ponieważ interesuje nas średni strumień promieniowania przypadający na jednostkę powierzchni globu, musimy wziąć pod uwagę, że powierzchnia ta jest czterokrotnie większa od powierzchni przekroju planety (4πR² powierzchni Ziemi vs πR² przekroju). Zmiana mocy promieniowania słonecznego o 1 W/m² powoduje więc zmiany energii absorbowanej przez powierzchnię Ziemi równe ¼ · 0,7 = 0,17 W/m². W przypadku różnicy strumienia promieniowania słonecznego pomiędzy Minimum Maundera a maksimum w XX wieku równej 1,2 W/m² oznaczałoby to zmiany wymuszenia radiacyjnego na poziomie około 0,2 W/m²; dla porównania obecny wpływ gazów cieplarnianych przekracza już 3 W/m².

Reasumując, nie ma żadnych podstaw, by twierdzić, że globalne ocieplenie jest wywołane zwiększoną aktywnością słoneczną. Więcej, średnia temperatura Ziemi rośnie, mimo spadku mocy promieniowania docierającego ze Słońca do Ziemi. O tym, że to nie wzrost aktywności słonecznej odpowiada za globalne ocieplenie świadczy też wiele innych niezależnych obserwacji. Przykładowo, gdyby to Słońce było przyczyną zachodzącego ocieplenia, obserwowalibyśmy nagrzewanie się całej atmosfery od dołu do góry. Z kolei wzrostowi temperatury przy powierzchni ziemi, związanemu ze wzrostem koncentracji gazów cieplarnianych powinno towarzyszyć ochładzanie się górnych warstw atmosfery, co jest obserwowane.

Marcin Popkiewicz, konsultacja merytoryczna prof. Szymon Malinowski

The post Aktywność słoneczna w ostatnich 9000 lat appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.