Pod pojęciem klimat rozumie się średni

stan atmosfery i oceanu w skalach od kilku lat do milionów lat.

Zmiany te wynikają z czynników zewnętrznych takich jak ilość

dochodzącego promieniowania słonecznego lub czynników wewnętrznych

takich jak działalność człowieka (zmiany antropogeniczne) lub wpływ

czynników naturalnych. W ostatnich latach termin „ogólna zmiana

klimatu”, używany jest w kontekście globalnego ocieplenia i wzrostu

temperatury na powierzchni Ziemi, ale rozważane są scenariusze

powodujące oziębienie powierzchni Ziemi (np. wywołane odbiciem energii słonecznej od zwiększonej pokrywy

chmur lub aerozoli atmosferycznych).

Przyczyny zmian klimatu są tematem intensywnych badań. Kolejne

raporty Intergovernmental

Panel on Climate Change (pol. Międzyrządowej Grupy Zmian

Klimatu; w skrócie IPCC) precyzują obecny stan wiedzy na temat

przyczyn zmian klimatu. Ostatni raport został opublikowany w 2001 a

następny raport przypuszczalnie zostanie opublikowany w 2006.

Raport IPCC, raport Amerykańskiej Narodowej Akademii Nauk (NAS)

oraz raport opublikowany przez grupę G8 stwierdzają, że większość

zmian temperatury obserwowanych w ostatnich 50 latach należy

przypisać działalności człowieka. W ostatnim stuleciu obserwowane

zmiany temperatury na powierzchni Ziemi wyniosły około 0.4-0.8

°C.

1. Przykładowe powody zmian klimatu

Powody zmian klimatu można podzielić na dwie grupy: zmiany

wywołane (a) czynnikami naturalnymi, (b) efektami antropogenicznymi

(działalność człowieka). Wiele scenariuszy ogólnych zmian klimatu

jest formułowanych w postaci prostych hipotez sprzężeń zwrotnych, w

których zmiana jednego parametru powoduje zmianę innych parametrów.

Przykładowe powody zmian klimatu są opisane poniżej. Istnieje wiele

innych hipotez.

1. 1. Hipoteza tęczówki - efekt pary wodnej

Efekt tęczówki w

meteorologii to kontrowersyjny mechanizm klimatycznego sprzężenia zwrotnego wiążącego parę

wodną, temperaturę oceanu, i pokrywę wysokich chmur w tropikach.

Według tej hipotezy klimatycznej zwiększona temperatura oceanu

związana z globalnym

ociepleniem prowadzi do zmniejszenia pokrywy chmur w atmosferze

tropikalnej. W związku z tym powierzchnia ziemi może wyemitować

więcej energii cieplnej - co prowadzi do oziębienia. Zwiększona

ilość pary wodnej, w tej hipotezie, prowadzi do stabilizacji

klimatu. Nazwa tęczówka jest analogią do fizjologii oka,

którego tęczówka może się zwężać lub rozszerzać regulując ilość

dochodzącego światła.

1. 2. Efekt motyla

Hipoteza wpływu skrzydeł motyla

jest jedną z najbardziej znanych hipotez zmian klimatu i pogody.

Jest to hipoteza mówiąca o telekonekcjach (oddziaływania na

odległość) pomiędzy zjawiskami pozornie nie związanymi ze sobą. W

szczególności uważa się, że małe lokalne zaburzenie w przepływie

powietrza może powodować duże zaburzenie przepływu w znacznej

odległości od początkowego zaburzenia. Hipoteza ta, tłumaczy

dlaczego zjawiska pogodowe są trudne do prognozowania. Ogólne

modele numeryczne cyrkulacji ziemskiej są oczywiście podatne na

tego typu błędy. Wobec tego przeprowadza się obliczenia dla wiązek

(kilkunastu) zbliżonych sytuacji, a średnia z wyników opisuje

klimat. Patrz też Edward

Lorenz.

1. 3. Hipoteza CLAW

W 1987 Charlson, Lovelock,

Andreae oraz Warren

zaproponowali, że wzrastająca temperatura ziemi doprowadzi do

rozwoju większej ilości fitoplanktonu. Wiele typów fitoplanktonu

produkuje propionian siarczku metylu (ang. dimethyl

sulphoniopropionate (DMSP)), który jest przekształcany na

siarczek metylu (ang. DMS dimethyl sulphide). Obecność DMS

w atmosferze prowadzi do zwiększonej ilości aerozoli siarczanowych. Autorzy zakładają, że

aerozole siarczanowe nad oceanami służą jako jądra kondensacji

chmur. Chmury zwiększają ilość promieniowania słonecznego odbitego

co powoduje zmniejszenie temperatury powierzchni Ziemi. Hipoteza

CLAW jest przykładem (negatywnego) sprzężenia zwrotnego zjawisk

klimatycznych. Modele ogólnej cyrkulacji atmosfery mogą być używane

do testów hipotezy CLAW. Obecnie coraz większą uwagę zwraca się na

sprzężenia zwrotne pomiędzy zmiennymi atmosferycznymi i innymi

parametrami otoczenia (np biologia morza jak w przypadku hipotezy

CLAW).

1. 4. Hipoteza termostatu tropikalnego

Jedną z hipotez ogólnych zmian klimatu jest oddziaływanie

chmur lodowych typu cirrostratus i ich

wpływ na regulacje temperatury oceanu w atmosferze tropikalnej.

Obserwuje się, że w tropikach temperatura oceanu prawie nigdy nie

przekracza pewnej granicznej temperatury. Hipoteza kontroli temperatury oceanu

w tropikach zakłada, że zwiększona temperatura oceanu powoduje

powstawanie najpierw wypiętrzonych chmur cumulus, a potem rozległych chmur cirrus. Chmury te odbijają promieniowanie

słoneczne dochodzące do Ziemi i zmniejszają jej temperaturę. Jest

to przykład negatywnego sprzężenia zwrotnego. Hipotezę tę

opublikował w 1993 Ramanathan i Collins i była ona następnie badana

w eksperymencie CEPEX.

1. 5. Hipoteza gazów cieplarnianych

Jedną z najbardziej głośnych hipotez sprzężenia zwrotnego jest

absorpcja promieniowania podczerwonego przez gazy, np dwutlenek węgla. Gazy te absorbują

promienie odbite od powierzchni Ziemi przez co zwiększają

temperaturę troposfery, co doprowadza

do wzrostu temperatury. Bezpośredni efekt absorpcji promieniowania

ziemskiego przez dwutlenek węgla jest mały. Jednak efekty wtórne

związane ze zwiększoną ilością pary

wodnej w atmosferze (ze względu na większą temperaturę troposfery) mogą spowodować zmianę w pokrywie

chmur i w efekcie znacznie większe zmiany klimatyczne.

1. 6. Hipoteza wpływu aerozoli atmosferycznych

Hipoteza oziębiającego wpływu aerozoli atmosferycznych (pyłów

zawieszonych) związana jest z ich własnościami odbijania

promieniowania słonecznego z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Przez

wiele lat myślano o aerozolach (czyli cząstkach siarczanów, pyłach

mineralnych, aerozolu soli morskiej) jako o cząstkach głównie

odbijających. Obecnie coraz częściej bada się rolę aerozoli

związków węglowo-grafitowych (sadza), które są w stanie absorbować

promieniowanie atmosferyczne. Żeby rozważyć ten scenariusz

sprzężenia zwrotnego, ogólne numeryczne modele cyrkulacji atmosfery

muszą uwzględniać procesy zmian chemicznych atmosfery i emisję

(powstawanie) i transport pyłów zawieszonych.

1. 7. Wpływ temperatury na cyklony tropikalne

Pod koniec 2005 roku duży rozgłos zyskały dwie prace pokazujące,

że wzrastająca temperatura oceanów powoduje zwiększenie

intensywności cyklonów tropikalnych. [1] Prace te spotkały się z

dużym zainteresowaniem, ponieważ zostały opublikowane po tym, jak

Nowy Orlean został zatopiony przez

huragan Katrina. Przeciw tej

hipotezie wystąpił m.in. William

Gray.

2. Metody badań zmian klimatu

Przyczyny zmian klimatu są badane za pomocą (a) numerycznych

modeli ogólnej cyrkulacji Ziemi (ang. General Circulation Models, w

skrócie GCM), (b) badań paleoklimatycznych, (c) pomiarów

bezpośrednich w atmosferze i prac polowych, (d) reanalizy

istniejących danych. Każda z tych metod ma zalety i wady.

2. 1. Numeryczne modele ogólnej zmiany klimatu

Modele numeryczne globalnej cyrkulacji (GCM) Ziemi opierają się

na modelach podobnych do modeli numerycznych używanych w prognozie pogody. Innymi słowy, z

pierwszych zasad fizycznych opisuje się przepływ powietrza w

atmosferze a wiele procesów fizycznych, takich jak pokrywa chmur,

oddziaływanie powietrza w swobodnej atmosferze z górami, transport

aerozoli atmosferycznych, ilość energii słonecznej absorbowanej i

odbijanej w atmosferze, jest parametryzowanych na podstawie równań

fizyki. Np. wymiana promieniowania słonecznego w modelach GCM jest

opisana najczęściej za pomocą dwustrumieniowego przybliżenia

równania transportu. Zaletą modeli GCM jest możliwość studiowania

różnych scenariuszy. Np można zadać pytanie jaki jest wpływ na

średnią temperaturę na powierzchni Ziemi dwukrotnego zwiększenia

ilości dwutlenku węgla. Można też zrekonstruować jakie są czynniki

wpływające na zmiany temperatury. Wadą modeli numerycznych GCM jest

to, że parametryzacje (przybliżenia) stosowane do opisu zjawisk

fizycznych mogą być kwestionowane oraz fakt, że rozdzielczość

modeli GCM (jak blisko oddalone są od siebie kolejne punkty na

siatce opisującej wyniki symulacji) jest ograniczona. Można w

przybliżeniu powiedzieć, że modele numeryczne GCM badają

scenariusze, lub hipotezy sprzężeń zwrotnych (ang, feedback)

pomiędzy różnymi elementami klimatu.

2. 2. Badania paleoklimatyczne

Jedną z metod wnioskowania o obecnych zmianach klimatu jest

zrozumienie zjawisk powodujących zmiany klimatu w przeszłości. Te

metody noszą ogólną nazwę badań paleoklimatycznych.

2. 3. Badania polowe

Zaskakującą metodą badania zmian klimatu jest prowadzenie badań

eksperymentalnych w atmosferze. Jest to zaskakujące bo o zmianach

klimatu myślimy w kategoriach lat, a intensywne pomiary polowe

prowadzone są zazwyczaj przez kilka tygodni. W badaniach polowych

wybiera się zazwyczaj pewien proces fizyczny. Np w czasie zimowego

monsunu indyjskiego na półkuli północnej

jest dużo zanieczyszczeń przywiewanych z Indii nad Ocean

Indyjski. W tym samym czasie na półkuli południowej nie ma

zanieczyszczeń. Tę różnicę można wykorzystać do zrozumienia roli

pyłów zawieszonych na zmianę klimatu. W ostatniej dekadzie

przeprowadzono kilka eksperymentów klimatycznych badających różne

aspekty zmian klimatu: CEPEX, INDOEX,

FIRE-Cirrus, ARESE, SUCCESS, MINOS, ACE-Asia, ACE-2 i inne.

2. 4. Reanaliza istniejących danych

Jest zdumiewające, że ciągi pomiarowe nawet najbardziej

podstawowych wielkości atmosferycznych, takich jak temperatura

powierzchni Ziemi, są bardzo krótkie. Większość systematycznych

pomiarów zaczęto dokonywać dopiero po II wojnie światowej. Jakość

tych danych zależy od kraju, w którym robione były pomiary,

problemem jest duża odległość pomiędzy stacjami pomiarowymi,

zwłaszcza w obszarach oceanicznych. Jednym z największych sukcesów

współczesnej meteorologii jest użycie metod teledetekcyjnych z

satelitów meteorologicznych i z pomiarów naziemnych. Pozwoliło to

na uzyskiwanie globalnych informacji na temat rozkładu temperatury

z wysokością, czy na temat prędkości wiatru na powierzchni oceanu,

albo na temat ilości chlorofilu w

oceanie (kolor oceanu). Dodatkowym problemem w ocenie zmian klimatu

jest fakt, że techniki pomiarowe zmieniają się w czasie.

Rozwiązaniem było ujednolicenie pomiarów za pomocą technik

asymilacji danych i przeprowadzenie dokładnej analizy jakościowej.

Metoda ta nazywa się reanalizą danych meteorologicznych. Dzięki

reanalizie mamy dostęp do około 40 lat szczegółowych danych o

atmosferze i powierzchni Ziemi.

Jeden z astronomicznych czynników kontrolujących zmiany klimatu na ziemi. Zmiana nachylenia osi obrotu Ziemi.

Jeden z astronomicznych czynników kontrolujących zmiany

klimatu na ziemi. Zmiana nachylenia osi obrotu Ziemi.

Na czerwono, zielono, i niebiesko zaznaczone są zmiany parametrów astronomicznych w czasie. Na żółto zaznaczona jest ilość dochodzącej energii słonecznej na 65N. Na czarno zaznaczone są stadia oblodzenia na Ziemi.

Na czerwono, zielono, i niebiesko zaznaczone są zmiany

parametrów astronomicznych w czasie. Na żółto zaznaczona jest ilość

dochodzącej energii słonecznej na 65N. Na czarno zaznaczone są

stadia oblodzenia na Ziemi.

3. Naturalne czynniki zmiany klimatu

3. 1. Teoria Milutina Milankovitcha

Milutin Milanković

pomiędzy 1911 a 1941 rokiem opracował teorię rekonstrukcji warunków

klimatycznych panujących dawniej na Ziemi w zależności od cykli

astronomicznych (cykl ekscentryczny, cykl skośny, i cykl

precesyjny). Ta ogólnie przyjęta teoria jest przykładem

zewnętrznego wpływu na warunki klimatyczne Ziemi.

3. 2. Zmiany stałej słonecznej

Zmienną o podstawowym znaczeniu dla klimatu na Ziemi jest

Słońce. Zmiana ilości energii dochodzącej do Ziemi ulega zmianie

niezależnej od cykli Milankowića. Istnieje wiele prac naukowych

łączących zmianę stałej słonecznej ze zmianami klimatu.

Zmiana stałej słonecznej w czasie. Widać cykl 10-letni.

Zmiana stałej słonecznej w czasie. Widać cykl

10-letni.

3. 3. Gazy cieplarniane i pyły zawieszone

Wiele gazów cieplarnianych takich jak dwutlenek siarki czy

dwutlenek węgla jest produkowanych w naturalnych procesach

biologicznych. Dla przykładu wiele typów fitoplanktonu produkuje

propionian siarczku metylu (ang. dimethyl sulphoniopropionate

(DMSP)), który jest przekształcany na siarczek metylu (ang. DMS

dimethyl sulphide). Obecność DMS w atmosferze prowadzi do

zwiększonej ilości aerozoli siarczanowych. Podobnie aerozol soli

morskiej jest związany z prędkością wiatru, czyli jest pochodzenia

naturalnego z wyjątkiem sytuacji gdy prędkość wiatru jest modulowana poprzez

antropogeniczne zmiany temperatury na Ziemi.

Zmiana koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze obserwowana na Hawajach. Pomiary C. D. Keelinga.

Zmiana koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze

obserwowana na Hawajach. Pomiary C. D. Keelinga.

4. Antropogeniczne czynniki zmiany klimatu

4. 1. Gazy cieplarniane

Jednym z najbardziej znanych gazów cieplarnianych jest dwutlenek węgla. Jego stężenie jest

oceniane obecnie na około 360ppm. Dwukrotny

wzrost dwutlenku węgla spowoduje, na podstawie rekonstrukcji modeli

numerycznych, zmianę temperatury ziemi o około 1°C. Zmiana ta jest

tylko w małym stopniu spowodowana bezpośrednim wpływem absorpcji

promieniowania słonecznego przez dwutlenek węgla, a w dużym stopniu

poprzez sprzężenie zwrotne temperatury z ilością chmur i pary wodnej w

atmosferze.

4. 2. Aerozole atmosferyczne (pyły zawieszone)

Aerozole atmosferyczne

(pyły zawieszone) dzielą się na cztery podstawowe grupy: (a)

cząstki siarczanów, (b) pyły mineralne, (c) aerozol soli morskiej,

oraz (d) pyły węglowo-grafitowe (sadza lub związki organiczne

węgla). Część z aerozoli atmosferycznych tworzy się na prekursorach

gazowych powodowanych działalnością człowieka. Tylko dwa typy pyłów

zawieszonych są absorbujące: sadza i tlenki żelaza w drobinach

piasku (pyły mineralne). Ostatnio absorbujące własności sadzy i

pyłów mineralnych są bardzo intensywnie badane, ponieważ ich efekt

jest podobny do efektu gazów cieplarnianych.

Zdjęcie satelitarne zanieczyszczeń spowodowanych pożarami w Chinach. Zdjęcie satelitarne zrobione za pomocą instrumentu MODIS. Zanieczyszczenia tego typu mogą modyfikować strukturę opadu atmosferycznego.

Zdjęcie satelitarne zanieczyszczeń spowodowanych

pożarami w Chinach. Zdjęcie

satelitarne zrobione za pomocą instrumentu MODIS. Zanieczyszczenia

tego typu mogą modyfikować strukturę opadu atmosferycznego.

---