Klimat - co to jest

Klimat to stan parametrów pogody uśredniony po kilkudziesięciu latach.

Klimat to także oczekiwane sekwencje pogodowe. W Polsce są to obecnie przedwiośnie, wiosna, lato, jesień, przedzimie i zima; w rejonach podzwrotnikowych będzie to podział na porę deszczową i porę suchą.

Przykładowe ilustracje, obrazujące temperatury i opady, charakterystyczne dla różnych klimatów. Źródło: wiking.edu.pl

Czynniki zmian temperatury Ziemi

Naukowcy badają wpływ wielu czynników na klimat. Aby móc je zestawić i porównać, posługują się pojęciem "wymuszania radiacyjnego". Mierzy się je podobnie jak moc docierającego do Ziemi promieniowania słonecznego w W/m². Wartość dodatnia oznacza ogrzewanie klimatu, wartość ujemna - jego ochładzanie.

Zestawienie czynników zwiększających energię docierającą do powierzchni Ziemi (np. gazy cieplarniane) i zmniejszających ją (np. aerozole), porównanie sytuacji obecnej z tą z roku 1850.

Wykres pokazuje, jak zmieniły się czynniki wpływające na klimat od 1850 roku do chwili obecnej. Widać silny ocieplający wpływ gazów cieplarnianych: dwutlenku węgla, metanu, tlenku azotu, freonów (CFC) i ozonu przypowierzchniowego. Z kolei aerozole wyemitowane do atmosfery powodują ochładzanie klimatu. Oba efekty konkurują ze sobą, choć wpływ gazów cieplarnianych zdecydowanie przeważa. Wpływ Słońca i wulkanów jest relatywnie niewielki. Wpływ aerozoli do lat 60-tych XX wieku skutecznie maskował gromadzenie się w atmosferze gazów cieplarnianych i ich wpływ na temperaturę planety. Jest to pokazane na załączonym wykresie.

Zmiana czynników wymuszania radiacyjnego w trakcie XX wieku. Źródło: www.globalwarmingart

Początkowo emisji dwutlenku węgla, związanej ze spalaniem paliw kopalnych, towarzyszyła emisja aerozoli, szczególnie siarkowych. Do lat 40tych czynniki antropogeniczne znosiły się wzajemnie, a odnotowywany wzrost temperatury spowodowany był w decydującym stopniu wzrostem mocy Słońca. Wraz ze wzrostem świadomości ekologicznej w latach 60-tych podjęto działania mające na celu redukcję smogu i kwaśnych deszczy. Zaczęto wprowadzać normy emisji, zakładać filtry, odchodzić od najbrudniejszej energetyki węglowej. Efekty stały się zauważalne - emisja tlenków siarki i azotu przestała rosnąć tak szybko, jak ilość produkowanej energii. W wyniku tego zanikł czynnik maskujący ocieplanie się klimatu i od lat 60-tych ubiegłego wieku notujemy szybki wzrost temperatury.

Warto zwrócić uwagę, że wzrost temperatury zaczął się ponad 100 lat temu w związku ze wzrostem mocy promieniowania Słońca trwającym aż do końca lat '50 XX wieku, a dopiero obecny, dalszy wzrost temperatury jest wywoływany głównie przez zwiększoną ilość gazów cieplarnianych w atmosferze.

• Czynniki wymuszające: dwutlenek węgla. Naturalny efekt cieplarniany podnosi temperaturę Ziemi o 33°C, z czego na dwutlenek węgla przypada około 5°C. Należy zaznaczyć, że każda kolejna porcja dwutlenku węgla wpuszczona do atmosfery ma coraz mniejszy wpływ na wymuszanie promieniowania i wzrost temperatury. Ta logarytmiczna zależność powoduje, że aby podwoić naturalny, ocieplający wpływ dwutlenku węgla (5°C) koncentracja CO₂ w atmosferze musiałaby sięgnąć blisko 60000 ppmv, do której nie zbliżymy się nawet przy spaleniu wszystkich paliw kopalnych. Na chwilę bieżącą, przy koncentracji blisko 390 ppmv, wymuszanie radiacyjne dwutlenku węgla wynosi ~1.7 W/m2 (co oznacza wzrost temperatury o ~0.5°C względem poziomu z 1850 roku). Przy koncentracji 1000 ppmv, wymuszanie radiacyjne sięgnie 6.65 W/m² (co oznacza wzrost temperatury o ~2°C względem poziomu z 1850 roku). Czy to znaczy, że wzrost temperatury o te 5°C jest wykluczony? Niestety nie. Dwutlenek węgla będzie wyzwalaczem uruchamiającym serię sprzężeń zwrotnych.

Rys. Zmiany koncentracji w atmosferze głównych antropogenicznych gazów cieplarnianych wpływających na temperaturę Ziemi: dwutlenku węgla, metanu, tlenku azotu N₂O i freonów (szczególnie CFC-11 i CFC-12) - łącznie odpowiadające za 97% wymuszania radiacyjnego z gazów cieplarnianych. Źródło:

• Czynniki wymuszające: inne gazy cieplarniane (metan, tlenki azotu, freony, ...) W ostatnim dziesięcioleciu ich wpływ na ocieplanie się klimatu ustabilizował się. Jest to związane z ich krótkim czasem życia i ograniczeniem emisji metanu, który jest wydalany przez stada bydła, ulatnia się z rurociągów, którymi płynie gaz ziemny oraz powstaje podczas niektórych procesów rolniczych, takich jak uprawa ryżu. Przewidywania dotyczące przyszłej emisji tych gazów są obarczone dużą niepewnością, jednak nie przewiduje się, żeby ich wpływ na temperaturę rósł w stopniu porównywalnym z wpływem dwutlenku węgla.

• Czynniki wymuszające: aerozole. Aerozole (szczególnie siarkowe) są odpowiedzialne za tzw. globalne zaciemnienie, czyli efekt zmniejszający ilość promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi. Efekt ten przeciwdziała wzrostowi temperatury, maskując tym samym ocieplający wpływ gazów cieplarnianych. Od lat 90-tych XX wieku, w wyniku ograniczenia emisji tych gazów, poziom aerozoli siarkowych ustabilizował się. Jednak dynamiczny rozwój przemysłu opartego o paliwa kopalne w Chinach, Indiach i innych krajach nie traktujących ekologii priorytetowo, nie gwarantuje trwałości tego trendu. 

• Czynniki wymuszające: Słońce. Obecnie moc Słońca jest trochę wyższa, niż kilkaset lat temu. Być może aktywność słoneczna się obniży. A być może nie. A może wzrośnie. To jedna z niewiadomych w tym równaniu, jednak wpływ gazów cieplarnianych jest już znacznie większy od typowych fluktuacji mocy promieniowania słonecznego. 

Czynniki wymuszające to zewnętrzne zaburzenia, które wywołują reakcję klimatu. W rezultacie ich działania klimat zmienia się, uruchamiając jednocześnie całą serię sprzężeń zwrotnych takich jak: zmiana zawartości pary wodnej w atmosferze, zmiana powierzchni pokrywy lodowej, wyzwolenie pokładów metanu z wiecznej zmarzliny czy zmiany w biosferze (reakcja roślin, planktonu etc)

Wpływ Słońca na zmiany temperatury

Długookresowe zmiany temperatury - cykle Milankovicia

Uważa się, że trwające ~120tys lat oscylacje temperatury i towarzyszące im cykle lodowcowe są wywoływane przez zmiany orbity Ziemi czyli tzw. precesję polegającą na zmianie nachylenia osi obrotu Ziemi do płaszczyzny orbity oraz zmianę jej mimośrodu (oscylacje między orbitą kołową i eliptyczną). Zmiany orbity Ziemi powodują okresowe zmiany w ilości otrzymywanej od Słońca energii. Są to tzw. cykle Milankovicia

Cykle Milankovicia i epoki lodowcowe. Na czerwono, zielono, i niebiesko zaznaczone są zmiany parametrów astronomicznych w czasie ostatniego miliona lat. Na żółto zaznaczona jest ilość dochodzącej energii słonecznej na 65N. Na czarno zaznaczone są stadia oblodzenia na Ziemi, pokrywające się z maksimami otrzymywanej od Słońca energii. Uwaga: dziś jest po lewej stronie, najstarsze dane są po prawej. Źródło: wikipedia

Zmiany temperatury nie byłyby tak znaczące, gdyby nie dodatnie sprzężenia zwrotne, wzmacniające wpływ Słońca. Główny wpływ mają tu zmiany pokrywy lodowej i śnieżnej (spadek temperatury oznacza narastanie pokrywy lodowej, która w przeciwieństwie do powierzchni ziemi i wody odbija światło słoneczne, zamiast je pochłaniać; wzrost temperatury powoduje topnienie lodu i jeszcze silniejsze nagrzewanie się powierzchni Ziemi) oraz zmiany w ilości gazów cieplarnianych, szczególnie dwutlenku węgla i metanu, w atmosferze.

Krótkookresowe zmiany temperatury - zmiany aktywności Słońca

Cykle Milakovicia wskazują, że klimatem Ziemi steruje energia otrzymywana Słońca. Szczególnie mocno podkreślają to sceptycy negujący wpływ człowieka na globalne ocieplenie. W długich skalach czasowych zmienia się orbita Ziemi, a w krótszych skalach czasowych (dziesiątki, setki i tysiące lat) zmiany klimatu mogą być wywoływane zmianami aktywności samego Słońca, które w ten sposób dostarcza do Ziemi mniej lub więcej energii.

Wykres pokazujący 400 lat obserwacji plam słonecznych, będących miernikiem aktywności Słońca. Wyraźnie widoczny jest 11 letni cykl aktywności słonecznej. Liczba plam jest dobrze skorelowana z aktywnością i mocą Słońca - im więcej plam, tym także więcej energii Ziemia otrzymuje od Słońca. Źródło: www.globalwarmingart.com

Aktywność słoneczną można mierzyć zarówno liczbą plam na Słońcu, jak i zawartością izotopu ¹⁰Be w odwiertach lądolodów Grenlandii i Antarktydy. ¹⁰Be jest izotopem produkowanym w atmosferze przez promieniowanie kosmiczne pochodzenia pozasłonecznego. Im aktywniejsze jest Słońce, tym skuteczniej jego magnetosfera ochrania układ planetarny przed tym promieniowaniem. W konsekwencji, im większa jest aktywność słoneczna, tym mniej tego promieniowania dociera do Ziemi i tym mniej powstaje ¹⁰Be. Ponieważ czas istnienia atomów berylu w atmosferze nie przekracza kilku lat, na podstawie zawartości ¹⁰Be można określić okresy wzmożonej aktywności słonecznej.

Wykres: Aktywność słoneczna w ciągu ostatnich 600 lat, mierzona liczbą plam i zawartością 10Be (ta skala jest na wykresie odwrócona). Źródło: www.globalwarmingart.com

Podobnie promieniowanie słoneczne powoduje powstawanie izotopu węgla ¹⁴C.

Długoterminowe zmiany aktywności słonecznej na podstawie produkcji w atmosferze izotopu węgla ¹⁴C. Okresy wyższego tempa produkcji odpowiadają okresom wyższej aktywności Słońca, a zarazem wyższym temperaturom na Ziemi. Źródło: www.globalwarmingart.com

Już na pierwszy rzut oka widać, że zmiany aktywności Słońca bardzo dobrze korespondują ze zmianami temperatury na Ziemi. Zarówno "średniowieczne ocieplenie klimatu" w IX-XIII wieku, jak i "mała epoka lodowcowa" w XV - XVIII wieku oraz ocieplenie w XX wieku są skorelowane z aktywnością Słońca. Również jeśli spojrzeć na wykres ujmujący łącznie temperaturę, aktywność słoneczną i zawartość dwutlenku węgla w atmosferze w przeciągu ostatnich 150 lat, znowu widać bardzo dobrą korelację pomiędzy zmianami aktywności Słońca i temperaturą. Tu sceptycy mają rację - klimatem Ziemi, na przestrzeni stuleci, sterował dopływ energii ze Słońca.

Zestawienie zmian temperatury, koncentracji CO₂ w atmosferze i zmian temperatury. Od drugiej połowy XX wieku aktywność Słońca maleje, a temperatura rośnie wraz ze wzrostem koncentracji gazów cieplarnianych. Źródło: www.globalwarmingart.com

Ale tylko do czasu. Wzrost temperatury do końca lat 50-tych XX wieku można wyjaśnić wzrostem aktywności Słońca. Jednak od tego czasu jego aktywność maleje, a temperatura mimo to coraz szybciej wzrasta. Tak więc aktywność Słońca przez wieki sterowała klimatem Ziemi, ale od około 50 lat klimat zaczęły kształtować również inne czynniki, w szczególności wyższa koncentracja gazów cieplarnianych w atmosferze. Wszelkie podkreślenia wcześniejszej korelacji pomiędzy aktywnością słoneczną, a temperaturą Ziemi jedynie uwypuklają fakt, że ta korelacja znikła w latach `60 XX wieku.

Zmiany klimatu w przeszłości

Zmiany klimatu w okresie tysiąca lat

Szacowanie temperatury w czasach historycznych wykonywane jest wieloma niezależnymi metodami (pomiary bezpośrednie, słoje drzew, proxy roślinne, długość lodowców górskich, odwierty głębione), a ich wyniki są zaprezentowane na poniższym wykresie.

Rys. Wyniki kilkunastu badań temperatur północnej półkuli od roku 700 n.e. (punktem odniesienia jest średnia temperatura z lat 1961-1990). Źródło: RealClimate

To samo w uproszczonej, ale wyraźniejszej wersji.

Rys. Wyniki kilkunastu badań temperatur północnej półkuli od roku 700 n.e.
Źródło: RealClimate

Uwagę zwracają okresy "średniowiecznego ocieplenia klimatu" w IX-XIII wieku oraz "małej epoki lodowcowej" w XV - XVIII wieku, no i oczywiście niespotykanie szybki wzrost temperatury w ostatnich latach.

W trakcie ocieplenia średniowiecznego Wikingowie skolonizowali Grenlandię. Kiedy temperatury zaczęły opadać, porty Grenlandii zaczęły zamarzać, zamarł handel z Islandią i Norwegią, skończyła się trawa dla bydła. Populacja wyspy zaczęła wymierać z głodu. Kiedy John Cabot w 1497 roku dopłynął na Grenlandię, zastał tam jedynie opustoszałe osady, a w kościele zapisy, że ostatni ślub odbył się tam kilkadziesiąt lat wcześniej. Nikt już jednak nie żył. Osadnicy nie doczekali pomocy... Podczas "średniowiecznego ocieplenia klimatu" w Anglii kwitła uprawa winorośli.

Z kolei w czasach "małej epoki lodowcowej" z Polski do Szwecji jeździło się przez Bałtyk saniami, a na środku Bałtyku budowano sezonowe karczmy. Pomiędzy rokiem 1000 i rokiem 1600 temperatura zmieniła się średnio o ~0.5°Ca, a zmiany trwały stulecia. Teraz zmiany temperatury już są większe, a tempo ich zmian znacznie szybsze. Naukowcy uważają, że kluczowym czynnikiem kształtującym klimat Ziemi w horyzoncie setek i tysięcy lat są zmiany aktywności słonecznej. Dopiero przez ostatnie kilkadziesiąt lat nasza emisja gazów cieplarnianych do atmosfery zaczęła wyraźnie zmieniać klimat planety.

Zmiany klimatu w okresie setek tysięcy i milionów lat

Przyjrzyjmy się teraz zmianom temperatury Ziemi i zawartości CO₂ w atmosferze w dłuższej perspektywie czasowej - setek tysięcy lat, na podstawie pomiarów z rdzeni lodowych.

Wyraźnie widoczna jest okresowość zmian klimatu. Ziemia z częstotliwością ~120tys lat oscyluje pomiędzy krótkimi okresami ocieplenia i epokami lodowcowymi, przy czym obecnie żyjemy w okresie interglacjalnym - najwyższych temperatur i najmniejszych lodowców.

Płaski, liczący 9000 lat okres temperatur z prawej strony to Holocen - okres rozwoju rolnictwa i historii naszej cywilizacji. W czasie epok lodowych (okresów glacjalnych) czapy lodowe  pokryły na terenie Europy dużą część terenu Polski, a w Ameryce tereny Kanady. Woda czap polarnych jest "wyciągnięta" z oceanów, w których poziom wody w okresach glacjalnych w związku z tym znacząco się obniża - wahania poziomu oceanów pomiędzy okresami glacjalnymi i interglacjalnymi sięgają 130 metrów.

Rys. Szarym kolorem jest zaznaczony zasięg lądolodów czap polarnych podczas maksimum ostatniego zlodowacenia 18 tysięcy lat temu. Wielkie ilości wody zostały przeniesione z oceanów do czap polarnych, co spowodowało spadek poziomu wody o około 125 m - brzeg oceanu cofnął się, a kontynenty stały się większe - widać wyraźnie pomost lądowy pomiędzy Azją, a Ameryką, połączenie Malajów z Borneo czy Australii z Nową Gwineą. Źródło: wikipedia

Z kolei wzrost temperatury powoduje topnienie czap polarnych - woda z topniejących lodowców obficie spływa z powrotem do oceanów, a poziom wody rośnie.

Uważa się, że trwające ~120tys lat oscylacje temperatury i towarzyszące im cykle lodowcowe są wywoływane przez zmiany orbity Ziemi, powodujące zmiany w ilości otrzymywanej przez Ziemię energii, tzw. cykle Milankovicia

Z wykresu widać też, że temperatura dziś jest około 2°C niższa, niż w maksimum poprzedniego interglacjału Eemskiego (około 125 tys. lat temu) i innych. Jeśli przyjrzeć się temperaturom z ostatnich kilku milionów lat, widać, że były to maksima termiczne i nigdy nie było tak ciepło jak teraz już od blisko 3 milionów lat.

Rys. Pomiary temperatury sięgające poza okres pokrywany przez rdzenie lodowe: dane na podstawie 57 głębokich odwiertów osadów oceanicznych, dla których mierzono stosunek izotopów stosunku ilości 18O/16O w osadach głębokowodnych (żyjących w stałej temperaturze 4°C) Foraminifera (będących miernikiem rozmiaru czap polarnych). Źródło: wikimedia

Przyjrzyjmy się w powiększeniu ostatniemu cyklowi glacjalnemu z uwzględnieniem maksimum termicznego interglacjału Eemskiego.

Płaski, liczący 9000 lat okres temperatur z lewej strony (czasy współczesne) to Holocen - okres rozwoju rolnictwa i historii naszej cywilizacji, cały wcześniejszy okres to czasy pierwotnych łowców zbieraczy. Holocen poprzedził szybki wzrost temperatury, w którym topniały lądolody Europy, Ameryki Północnej i Antarktydy (na rysunku Termination I). Cofając się dalej w czasie - kilkanaście tysięcy lat temu miało miejsce maksimum zlodowacenia - na Antarktydzie temperatura była o około 8°C niższa niż obecnie (z pomiarów rdzeni lodowych). Średnie ochłodzenie obszarów oceanów wynosiło około 1-1.7°C, a Ziemi jako całości o około 2-3°C.

Wcześniejszy okres, od 100 tysięcy lat temu, to stopniowy spadek temperatury i narastanie czap polarnych - pomiary wskazują, że czapy polarne (i temperatura) narastają powoli, a rozpadają się znacznie szybciej. I tak dochodzimy do ciepłego okresu interglacjału Eemskiego, szczytu temperatury około 125 tysięcy lat temu, poprzedzonego szybkim ociepleniem do niego prowadzącym (Termination II).

Temperatury w okresie Eemskim były o 2-3°C wyższe niż dziś, przynajmniej na Antarktydzie. Nie jest pewne, o ile stopni była wyższa średnia temperatura Ziemi - prawdopodobnie około 1-2°C.

Im wyższa temperatura, tym wyższy też poziom wody. Pomiary wskazują, że podczas okresu ocieplenia Eemskiego, wyższe temperatury spowodowały podniesienie się poziomu oceanów o 5 metrów lub więcej, co wynikało z większego niż dziś zaniku czap polarnych Grenlandii i Antarktydy Zachodniej. Według przewidywań naukowców najprawdopodobniej przekroczymy ten poziom temperatur. Abstrahując nawet od dodatnich sprzężeń zwrotnych, które mogą jeszcze bardziej podnieść temperaturę, to taki wzrost poziomu wody spowodowałby zalanie wszystkich delt rzek, wysp koralowych i portów.

Stosunkowo niewielkie zmiany energii otrzymywanej przez Ziemię od Słońca, związane z cyklami Milankovicia, powodowały znaczące zmiany temperatury i oscylowanie klimatu Ziemi pomiędzy zimnymi epokami lodowcowymi i ciepłymi okresami interglacjalnymi. Naukowcy od dawna zastanawiali się, jak relatywnie niewielkie zaburzenia zewnętrzne mogą powodować tak znaczące zmiany klimatu. Szacuje się, że zmiana energii otrzymywaną przez półkulę północną o 1W/m2 powodowała zmianę temperatury aż o 0.75°C. Obecnie uważa się, że odpowiedzialne za to są dodatnie sprzężenia zwrotne, takie jak:

• zmiana rozmiaru czap polarnych i związane z tym zmiany energii pochłanianej przez Ziemię - wzrost temperatury prowadzi do stopienia odbijających światło lodów i dalszego wzrostu pochłanianej przez Ziemię energii;

• zmiany koncentracji w atmosferze gazów cieplarnianych - dwutlenku węgla i metanu, przede wszystkim z oceanów - ocieplenie oceanów powoduje, że rozpuszczone w wodzie gazy, w tym będące gazami cieplarnianymi dwutlenek węgla i metan wyzwalają się do atmosfery, powodując zwrotnie wzrost efektu cieplarnianego i dalszy wzrost temperatury;

• zmiany koncentracji pary wodnej w atmosferze - w wyższej temperaturze znajduje się w atmosferze większa ilość pary wodnej, która jako gaz cieplarniany powoduje dalszy wzrost temperatury, i w konsekwencji dalszy wzrost parowania wody.

Wzrost temperatury i koncentracji CO₂ w atmosferze nawzajem się nakręcają w silnym dodatnim sprzężeniu zwrotnym.

Nasłonecznienie na 65 stopniu szerokości geograficznej północnej w ciągu ostatnich 200 tysięcy lat i najbliższych 130 tysięcy lat.

Cyklem epok lodowcowych i interglacjałów sterują zmiany orbity Ziemi skutkujące zmianą nasłonecznienia północnej półkuli, tzw. Cykle Milankovicia. Obecne jesteśmy w minimum cyklu i w najbliższych latach ilość energii otrzymywanej przez północną półkulę Ziemi będzie rosła.

Pomiary są podstawą dla złożonych komputerowych modeli klimatu. Doskonali się więc modele, ale także sposoby pomiarów. Z przewidywań naukowców wynika, że do końca XXI wieku temperatura może wzrosnąć w najbardziej prawdopodobnym scenariuszu o 3-4°C. Sama zmiana temperatury o 2°C przesunie temperatury na powierzchni Ziemi do warunków, jakie nie istniały od 3 milionów lat, czyli od okresu środkowego Pliocenu. Zmiana o 4°C będzie oznaczać, że w przeciągu stulecia przeniesiemy klimat Ziemi do czasów wolnego od lodu świata, który skończył się 35 milionów lat temu.

Metody badania dawnego klimatu

Musimy mieć jednak świadomość, że nie były one robione pod kątem badań klimatu, a ich dokładność i metodyka pomiarowa pozostawiała sporo do życzenia, nawet odnośnie pomiarów wykonywanych raptem kilkadziesiąt lat temu. Sporo zamieszania narobiła m.in. zmiana sposobu pomiaru temperatury oceanów (stanowiących ¾ powierzchni Ziemi) w czasie II Wojny Światowej. Pomiary temperatury wskazywały, że globalna temperatura (suma temperatury lądów i oceanów) na początku lat '40 XX wieku szybko wzrosła, a kilka lat później zaczęła spadać. Pomimo uwzględnienia szeregu wpływających na temperaturę zjawisk, jak aktywność słoneczna, oscylacja El Niño - La Niña, wybuchy wulkanów itp. odnotowany spadek temperatury wydawał się niewytłumaczalny. Co ciekawe, po przyjrzeniu się danym, okazało się, że temperatury lądowe nie wykazywały takiego czasowego wzrostu, jak pomiary oceaniczne. A jakie okazało się wytłumaczenie? Przed II Wojną Światową, pomiary temperatury prowadziły USA i Wielka Brytania, lecz w czasie wojny 80% obserwacji wykonały statki amerykańskie, a brytyjskie jedynie 5%. Na statkach brytyjskich pomiar temperatury wody był wykonywany przez wyrzucenie wiadra za burtę, wyciągnięcie go i zmierzenia temperatury wody w wiadrze. Na statkach amerykańskich mierzona była temperatura wody pobieranej do maszynowni. Woda wyciągana w wiadrze parowała i wychładzała się, więc temperatura była zaniżona. Z kolei maszynownia była nagrzana, podnosząc temperaturę wody. I tym można wyjaśnić skok temperatury. Kiedy po wojnie Brytyjczycy podjęli ponownie pomiary i ich udział wzrósł do 50% światowych obserwacji, a udział pomiarów wykonywanych przez Amerykanów spadł do 30%, odnotowano spadkowy trend temperatury. Ta, trochę anegdotyczna, ale jak najbardziej poważna opowieść, ilustruje trudności, z jakimi spotykamy się podczas tworzenia historycznych zestawień temperatury. Nawet stacje naziemne mają z tym problemy. W szczególności trzeba dokonywać korekt na miejskie wyspy ciepła i przenosić stacje daleko od miasta w inne miejsce.

W badaniach paleoklimatu łączy się informacje z wielu różnych źródeł. Aby określić temperaturę w przeszłości, naukowcy rekonstruują ją w oparciu o tzw. "proxy". W badaniach klimatu pojęcie to oznacza coś, co samo w sobie nie jest może szczególnie interesujące, ale na podstawie czego można uzyskać inne ważne informacje. W każdym przypadku konieczna jest staranna kalibracja proxy względem interesującej nas zmiennej.

Zapisy historyczne - metoda prosta, ale i mało dokładna.

Zasięg lodowców górskich zależy od temperatury i opadów. W okresach chłodnych lodowce schodzą w doliny, a wraz z ocieplaniem się klimatu cofają się.

Odwierty głębinowe. Pozwalają na zanalizowanie, jak zmienia się temperatura wraz z głębokością - temperatury z powierzchni propagują się w głąb skorupy ziemskiej. Można w ten sposób analizować dość dokładnie zmianę temperatury na przeciągu stuleci, a szacunkowo nawet wielu tysięcy lat.

Grubość słojów drzew. To prosty przykład proxy temperaturowego. Znaczna część badań temperatury ostatnich stuleci czy nawet tysiącleci bazuje właśnie na słojach drzew - znacznikach rocznego wzrostu bardzo czułego na warunki klimatyczne i odzwierciedlającego wieloletnie zmiany klimatu.

Koralowce to inne żywe istoty, które reagują na zmiany w środowisku i mogą być wykorzystane jako proxy. Pozyskiwanie informacji na podstawie koralowców jest zbliżone do badania pni drzew.

Pyłki oraz pozostałości roślinne i zwierzęce w osadach jezior i oceanów. Każdego roku szczątki organiczne opadają na dno zbiornika wodnego. Niektóre rośliny preferują określone temperatury, a znalezienie ich pyłków informuje nas o klimacie miejsca. 

Zawartość pierwiastków w pozostałościach organizmów żywych. Przykładowo jednokomórkowce Foraminifera do swoich wapiennych muszli mogą wbudowywać magnez, i robią to tym intensywniej, im temperatura jest wyższa. Dzięki temu z analizy tych pierwiastków w osadach Foraminifera możemy określić temperaturę wody, w której żyły.

Cechy organizmów żywych, żyjących w danym czasie i miejscu. Mogą zależeć od temperatury, kwasowości środowiska itp. Przykładem proxy temperaturowego jest tak zwany Tex-86, wskaźnik temperatury oparty na liczbie pierścieni cyklopentanu w błonach lipidowych u pikoplanktonu Crenarchaeota, która zmienia się liniowo z temperaturą.

Skład rdzeni lodowych. Gigantyczne rdzenie lodowe z Antarktydy i Grenlandii zawierają bardzo wyraźny zapis zmian klimatu ostatnich setek tysięcy lat.

Rys. Rdzeń lodowy z głębokości 1855 m. Sekcja o długości 19 cm zawiera 11 wyraźnie widocznych warstw rocznych. Jasne pasy (zaznaczone strzałkami) odpowiadają warstwom letnim, ciemniejsze przyrostom zimowym.

Skład tych warstw informuje o warunkach termicznych, w jakich się tworzyły rdzeni lodowych, a szczególnie zawartość w nich izotopów wodoru i tlenu, pozwala określić, jaki klimat panował w danym okresie. Dzięki tym badaniom udało się poznać historię zmian klimatu ostatnich setek tysięcy lat.

W bąbelkach uwięzionego w lodzie powietrza znajdują się też uwięzione gazy atmosferyczne, w tym gazy cieplarniane oraz różnego pochodzenia pyły, popioły czy izotopy radioaktywne. Dzięki temu, że różnorodność proxy, które można pozyskać z rdzeni lodowych jest tak wielka, możemy badać temperaturę, poziom opadów, skład gazowy dolnych warstw atmosfery, erupcje wulkaniczne, rozmiary i typy pustyń, czy rozmiar czap polarnych.

Pomiary względnej zawartości lekkich i ciężkich izotopów pierwiastków w skałach. Proxy temperaturowym jest też zawartość w związkach (np. CaCO₃) ciężkich izotopów, np. węgla ¹³C i tlenu ¹⁸O względem ich lekkich odpowiedników. W niskich temperaturach preferowane jest tworzenie wiązań między ciężkimi izotopami pierwiastków względem tych, w których uczestniczą ich lżejsze izotopy.

Efekt cieplarniany - wprowadzenie

Atmosfera, w skali planety jest bardzo cienką warstwą. W warstwie o grubości 10 km znajduje się blisko ¾ masy atmosfery. Atmosfera składa się głównie z azotu i tlenu (rys.) Gazy cieplarniane, takie, jak dwutlenek węgla (CO₂), metan (CH₄), podtlenek azotu (N₂O) i freony (CFC), w sumie stanowią 0.035% zawartości atmosfery.

Skład suchej atmosfery. Źródło: wikipedia

Rysunek przedstawia skład tzw. suchej atmosfery, bez uwzględnienia pary wodnej. Jej średnia zawartość w atmosferze to ~0,4%, przy powierzchni ziemi jest jej więcej, około 1-4%. Bez atmosfery i działającego w niej efektu cieplarnianego życie roślinne i zwierzęce na powierzchni Ziemi nie mogłoby w ogóle istnieć. Efekt cieplarniany zwany jest także efektem szklarniowym.

Cała energia dochodząca do Ziemi pochodzi od Słońca. Energia ta dociera do Ziemi głównie w formie światła widzialnego, czyli promieniowania o długości fali od 400 do 700 nm. Niewielka część promieniowania emitowana jest w postaci krótszych fal ultrafioletowych i dłuższych podczerwonych. Część promieniowania docierającego do naszej planety jest natychmiast odbijana (25-30%), pozostała część nagrzewa powierzchnię Ziemi.

Ziemia absorbuje energię światła widzialnego, po czym wypromieniowuje pochłoniętą energię pod postacią promieni podczerwonych, czyli energii cieplnej. Promieniowanie podczerwone nie może jednak wydostać się ze szklarni tak łatwo, jak promieniowanie świetlne, ponieważ zatrzymywane jest przez szkło. Szkło pochłania promieniowanie podczerwone i nagrzewa się. Pod gorącym szkłem nagrzewa się powietrze i ziemia. Temperatura w szklarni, dzięki warstwie pochłaniającej promieniowanie podczerwone, jest znacznie wyższa, niż byłaby bez tej warstwy.

Efekt cieplarniany w atmosferze zachodzi nie dzięki warstwie szkła, lecz dzięki obecności w atmosferze gazów cieplarnianych, które tak samo, jak warstwa szkła, pochłaniają promieniowanie podczerwone. Gazy te, to w szczególności dwutlenek węgla (CO₂), metan (CH₄), tlenek azotu (N₂O), freony (CFC), oraz para wodna. Każdy z tych gazów ma swoje własne cechy, w szczególności pochłania promieniowanie na sobie właściwych długościach fal.

Na górze spektrum promieniowania Słońca (czerwony) i wypromieniowywanego przez Ziemię (niebieski). Na dole spektra absorpcyjne gazów cieplarnianych (wraz z rozpraszaniem Rayleigha, będącego m.in. przyczyną niebieskiego koloru nieba i czerwonych zachodów Słońca). Pośrodku procent pochłanianego i rozpraszanego przez atmosferę promieniowania na różnych długościach fal. Źródło: wikimedia

Analogię pomiędzy szklarnią, a atmosferą Ziemi najlepiej wyjaśnią poniższy rysunek i opis.

Rys. Atmosfera jak szklarnia .

Najsilniejszym gazem cieplarnianym jest para wodna, na której zawartość w atmosferze nie mamy bezpośrednio znaczącego wpływu. Zawartość pary wodnej w atmosferze zależy silnie od temperatury. W niskich temperaturach para wodna w atmosferze praktycznie nie występuje, stąd niewielkie opady w rejonach polarnych. W ciepłym powietrzu wilgotność może sięgać nawet kilku procent.

Poziom nasycenia powietrza parą wodną w zależności od temperatury.Źródło: www.fas.org

Para wodna, w odróżnieniu od innych gazów cieplarnianych, bierze udział w dynamicznym cyklu wodnym. Jej ilość w atmosferze może znacząco wzrosnąć w wyniku parowania w przeciągu kilku dni, ale też w wyniku opadów w przeciągu kilku godzin spaść praktycznie do zera. Pozostałe gazy cieplarniane nie podlegają takim zjawiskom i mogą istnieć w atmosferze dziesiątki, a nawet tysiące lat. Szczególną cechą pary wodnej jest też formowanie chmur. Chmury z jednej strony działają jak lustro, odbijając światło Słońca i obniżając w ten sposób temperaturę Ziemi. Z drugiej strony chmury (szczególnie w nocy) zapobiegają wypromieniowywaniu ciepła przez ziemię i jej wychładzaniu się. Oba efekty konkurują ze sobą, ich względny wpływ zależy od nasłonecznienia (np. podczas nocy polarnej dominuje efekt ocieplający), temperatury powietrza, wilgotności, konwekcji i ogólnie od rodzaju formujących się chmur.

Jeśli porównać względny wpływ poszczególnych gazów cieplarnianych na efekt cieplarniany, okazuje się, że najsilniejsze jest działanie pary wodnej, na drugim miejscu plasuje się dwutlenek węgla, a na trzecim metan. Pozostałe gazy są relatywnie mniej istotne.

Wpływ poszczególnych gazów cieplarnianych na efekt cieplarniany
Para wodna [z chmurami]	33-60%; [58-84%]
CO2	9-26%
CH4	4-9%
O3, CFC i pozostałe	3-7%

Należy podkreślić, że zwiększenie koncentracji innych gazów cieplarnianych w atmosferze spowoduje podniesienie się temperatury, zwiększenie parowania oraz (zgodnie z wykresem) wzrost zawartości pary wodnej w atmosferze. Dodatkowa para wodna w atmosferze to dodatkowy wzmacniacz efektu cieplarnianego. Tak więc emitując do atmosfery dwutlenek węgla, zwiększamy nie tylko efekt cieplarniany od tego gazu, ale również wtórnie od pary wodnej. Jest to przykład tak zwanego dodatniego sprzężenia zwrotnego.

Światło słoneczne docierające do Ziemi ma moc 1366 W/m². Ziemia otrzymuje promieniowanie z powierzchni o przekroju koła o swoim promieniu, zaś ilość całej energii rozkłada się na całą powierzchnię Ziemi, przy czym część energii odbija się od Ziemi i wraca w kosmos. Po uwzględnieniu tego, metr kwadratowy przekroju Ziemi absorbuje średnio 235 W/m², z czego 168 W/m², pochłaniają lądy a 67 W/m² trafia do atmosfery. Z powierzchni Ziemi w kosmos ucieka 40 W/m², a ogrzana atmosfera wypromieniowuje w kosmos 195 W/m², (czyli per saldo Ziemia pochłania tyle energii, ile wypromieniowuje - 235 W/m²). Większa część energii z powierzchni ziemi (452 W/m² z 492 W/m²) zostaje pochłonięta przez atmosferę (z czego ~75% przez gazy cieplarniane, reszta to konwekcja i przewodzenie). Z tych 452 W/m² część ucieka w kosmos (ale dochodzi 67 W/m² energii przechwyconej bezpośrednio z promieniowania słonecznego). Na koniec Ziemia otrzymuje energię 324 W/m² zamiast 235 W/m², które otrzymałaby, gdyby atmosfery nie było, dzięki czemu temperatura powierzchni Ziemi jest wyższa o 33°C. Średnia temperatura Ziemi wynosi obecnie około 14°C. Gdyby nie atmosfera i działający w niej efekt cieplarniany, temperatura Ziemi spadłaby znacznie poniżej punktu zamarzania wody. Nasza planeta była by cała pokryta.

Zmiany temperatury Ziemi

W ciągu ostatniego stulecia temperatura Ziemi wzrosła średnio o 0.7-0.8°C. Wykres zmian temperatury pokazuje, że szczególnie szybki wzrost jest obserwowany w ciągu ostatnich 20-tu lat. Od momentu rozpoczęcia regularnych pomiarów w 1850 roku aż 12 spośród ostatnich 13 lat było najcieplejszymi w historii pomiarów.

Olbrzymia masa wody w oceanach charakteryzuje się wielką bezwładnością termiczną. Oceany mogą zmieniać swoją temperaturę, ale trwa to dziesiątki i setki lat. Co innego na lądzie, szczególnie z dala od zbiorników wodnych łagodzących zmiany temperatury.

Zmiany temperatury w ciągu ostatnich 25 lat w oparciu o pomiary Hadley Centre of the UK Meteorological Office and the Climatic Research Unit of the University of East Anglia (HadCRUT3). Na wykres naniesiony został także cykl El Niño (czerwone linie poziome) - La Niña (niebieskie linie poziome) oraz wybuch wulkanu Pinatubo (czarna linia pozioma w okresie 1992-1994). Niebieską linią oznaczone są pomiary miesięczne, czarną średnie temperatury roczne, a czerwoną średnia pięcioletnia. Źródło: www.globalwarmingart.com

Zacznijmy od aktywności słonecznej. W latach 1980, 1990, 2000 odnotowywaliśmy jej maksima, w latach 1985, 1995 i 2005 minima (rys).

Wykres aktywności słonecznej. Źródło: www.globalwarmingart.com

Przyjrzyjmy się pięcioletniej średniej na wykresie temperatury (czerwonej linii na wykresie temperatury) - na stałym trendzie rosnącym widać korelację z aktywnością słoneczną - linia czerwona odchyla się w górę podczas wysokiej aktywności słonecznej i w dół podczas niskiej aktywności Słońca.

Już w 1896 roku, szwedzki fizyk i chemik, Svante Arrhenius, przewidział wpływ emisji dwutlenku węgla na klimat, stwierdzając, że "Emitowanie do atmosfery dużych ilości CO₂ w związku ze spalaniem paliw kopalnych zwiększa atmosferyczny efekt kołderki".

Przez długi czas jednak nasze emisje były na tyle niewielkie, a zmiany powolne, że nikt nie traktował tego poważnie. Raczej pojawiały się opinie, że wraz z końcem okresu interglacjalnego czeka nas ochłodzenie i powrót do epoki lodowcowej.

IPCC i inne zespoły badawcze

Raport IPCC

Coraz bardziej widoczne skutki ocieplania się klimatu przyczyniły się do skupieniu uwagi środowiska naukowego na kwestii zmian klimatu. Zaczęto zadawać pytania:

• Czy klimat Ziemi naprawdę się ociepla?

• Jeśli tak, to czy jest to zdarzenie typowe w dziejach Ziemi, czy też dzieje się coś nienormalnego?

• Jeśli klimat się ociepla, to czy jest to związane z działalnością człowieka?

• Czy powinniśmy przeciwdziałać temu zjawisku?

Prowadzone jeszcze w latach 80tych badania doprowadziły do wniosku, że coraz więcej zjawisk i pomiarów wskazuje na ocieplanie się klimatu Ziemi oraz, że przynajmniej częściowo może być to spowodowane działalnością człowieka. Z uwagi na skalę zjawiska i jego przyczyny uznano, że problem ocieplania się klimatu nie może być rozwiązany przez żadne państwo z osobna, potrzebne są do tego uzgodnienia i współpraca na szczeblu narodowym.

W 1988 dwie organizacje Narodów Zjednoczonych - Światowa Organizacja Meteorologiczna (WMO) oraz United Nations Environment Programme (UNEP) utworzyły Intergovernmental Panel on Climate Change, czyli Międzyrządowy Zespół do spraw Zmian Klimatu - w skrócie IPCC. Cel powstania IPCC to ocena ryzyka związanego z działalnością ludzi na zmianę klimatu oraz określenie światowych uregulowań mających ograniczyć emisje spalin do atmosfery.

IPCC stanowi stałe forum współpracy setek naukowców z wielu krajów. Co kilka lat publikuje raporty , które mają duże znaczenie w formułowaniu narodowych i międzynarodowych programów klimatycznych i polityki finansowania badań zmian klimatycznych. Wnioski publikowane w raporcie są często wyważane, a przez to konserwatywne i zachowawcze.

Pierwszy raport IPCC został opublikowany w 1990 roku, kolejne w 1995 i 2001, a ostatni w 2007 roku. Ostatni raport był tworzony przez ponad 600 autorów z 40 krajów, recenzowany przez ponad 620 ekspertów i przedstawicieli rządów.

Kluczowe konkluzje zawarte w 4tym raporcie IPCC z 2007 roku to:

• Ocieplenie z prawdopodobieństwem ponad 90% jest spowodowane przez działania człowieka. Nie jest praktycznie możliwe wyjaśnienie ocieplania się klimatu bez uwzględnienia wpływu gazów cieplarnianych emitowanych przez ludzkość do atmosfery.

• Średni wzrost temperatury w XXI wieku wyniesie 2-4°C, a może sięgnąć nawet 6.4°C. Klimat Ziemi w historii przeżywał większe zmiany, jednak obecnie, w ciągu dziesięcioleci zmienimy klimat w stopniu odpowiadającym zmianom typowym dla dziesiątek milionów lat.

• Ocieplenie klimatu może mieć lokalnie aspekty pozytywne, jednak w ujęciu globalnym konsekwencje zmian klimatu będą zdecydowanie negatywne.

• Aby nie dopuścić do przekroczenia relatywnie bezpiecznego poziomu wzrostu temperatury 2,0 - 2,4°C, należy najpóźniej do 2050 roku ograniczyć roczną emisję dwutlenku węgla do atmosfery o 50-85%.

Podobne do IPCC stanowisko zajmują dziesiątki innych instytucji naukowych, w tym wszystkie liczące się na świecie poważne ośrodki badawcze: NASA, NOAA, NCAR, Hadley Centre for Climate Prediction and Research, MIT, EPA, US Dept. of Environment, US Environmental Protection Agency, Royal Society, akademie nauk, uniwersytety, ośrodki badawcze.

IPCC przedstawia swoje wnioski w formie dość ostrożnej, z szacowaniem prawdopodobieństw, np. "Ocieplenie z prawdopodobieństwem ponad 90% jest spowodowane przez działania człowieka".

Wprowadzenie

Wzrost temperatury wpływa na stan planety i cały szereg zjawisk. Już teraz, przy podniesieniu się średniej temperatury o niecałe 0.8°C obserwujemy szereg niespotykanych wcześniej zjawisk: rekordowe upały, przesuwanie się stref klimatycznych, topnienie lodowców, silniejsze huragany, rozpad czapy lodowej Arktyki i lodów Antarktydy, podnoszenie się poziomu oceanów, rozmarzanie wiecznej zmarzliny, burze i nawałnice, pustynnienie, susze, pożary i powodzie.

Rys. zmiany temperatur w 2007 roku względem średniej 1951-1980. Źródło: NASA

Jak przewidują naukowcy, jeśli w dalszym ciągu będziemy kontynuować obecny sposób życia, to do końca stulecia średnia temperatura Ziemi temperatura wzrośnie o 3-4°C, a temperatura lądów zmieni się w granicach 4-7°C, z największymi zmianami w Arktyce i w głębi.

Rys. Przewidywane zmiany temperatury do końca XXI wieku. Źródło: globalwarmingart

W przeciągu dekad Ziemia doświadczy zmian klimatu w skali odpowiadającej naturalnym zmianom, które miały miejsce w okresie dziesiątek lub wręcz setek milionów lat. Nie jest pewne, jak zmieni się klimat Ziemi, ale przewiduje się, że następstwa wzrostu temperatury planety wyjdą poza fale upałów, zanik zim i przesuwanie się stref klimatycznych:

• znikną lodowce górskie, w tym w Andach i Himalajach, zapewniające wodę setkom milionów ludzi i działanie hydroelektrowni;

• stopnieją lody Arktyki, obecnie jak lustro odbijające światło Słońca, co spowoduje dalsze ocieplanie się klimatu;

• rozpad wiecznej zmarzliny spowoduje nie tylko uszkodzenia infrastruktury, ale też wyzwolenie do atmosfery olbrzymich ilości uwięzionych w niej gazów cieplarnianych, nakręcając spiralę zmian klimatu;

• w wyniku rozpadu czap lodowych Grenlandii i części Antarktydy podniesie się poziom oceanów o wiele metrów, co uczyni uchodźcami dziesiątki milionów ludzi;

• pojawią się huragany o nie spotykanej dotychczas mocy,

• do końca stulecia 1/3 powierzchni Ziemi może stać się pustynią, setki milionów ludzi będą musiały przenieść się na inne tereny;

• rekordowe burze, powodzie i lawiny błotne staną się czymś powszechnym;

• pożary zagrożą olbrzymim obszarom lasów - od Amazonii po Kanadę;

• wymrze połowa znanych gatunków zwierząt i roślin;

• tropikalne choroby i owady zawitają w dotychczas wolne od nich rejony;

• destabilizacja oceanicznych pokładów hydratów metanu związana ze wzrostem temperatury do poziomu nie notowanego od dziesiątków milionów lat może doprowadzić do szóstego wielkiego wymierania w historii planety.

---