Badania zmian klimatu

Naukowcy wykonują szereg badań w podsystemach Ziemi (atmosferze, hydrosferze, litosferze, kriosferze, biosferze). Obserwują, mierzą, obliczają, zapisują i monitorują zbadane zjawiska i procesy w dynamice zmian klimatu.
Od co najmniej 70 lat są przeprowadzane pomiary temperatury przy powierzchni Ziemi dzięki globalnej sieci stacji meteorologicznych. Pomiary radiosondowe, radarowe, satelitarne i balonowe temperatury i koncentracji gazów cieplarnianych w górnej i dolnej atmosferze. Pomiary grawimetryczne i altymetryczne masy lądolodów Grenlandii i Antarktydy, poziomu morza, poziomu pokrywy śniegowej również nie tylko za pomocą satelitów, ale i też za pomocą samolotów i balonów. Pomiary energii cieplnej, temperatury powierzchni oceanu i na jego różnych głębokościach za pomocą satelitów, boi, pływaków, dronów oceanograficznych.
Klimatolodzy wiedzą coraz więcej na temat dynamiki systemu klimatycznego. W szczególności najlepiej prezentują się symulacje klasycznych modeli bilansu energetycznego. Zwłaszcza modeli radiacyjno-konwekcyjnych (Earth Balance Model – EBM) oraz nieco nowszych modeli ogólnej cyrkulacji (Global Circulation Model – GCM), a także ulepszonych atmosferyczno-oceanicznych modeli ogólnej cyrkulacji (Atmospheric and Oceanic Global Circulation Model – AOGCM).
——
Rys.1. GEOS-5 Atmosphere-Ocean General Circulation Model (AOGCM) został opracowany w celu symulacji zmienności klimatu w szerokim zakresie skal czasowych, od synoptycznych skal czasowych po wielowiekowe zmiany klimatu, i został przetestowany w połączonych symulacjach i trybie asymilacji danych . Jego głównymi składnikami są model atmosfery GEOS-5, model powierzchni zlewni lądowej oraz MOM4, model oceanu opracowany przez Laboratorium Geofizycznej Dynamiki Płynów. Ocean i atmosfera wymieniają strumienie pędu, ciepła i świeżej wody przez interfejs „warstwy skóry”, który obejmuje parametryzację cyklu dobowego i model lodu morskiego, LANL CICE. Wszystkie komponenty są połączone ze sobą za pomocą Earth System Modeling Framework (ESMF). Celem posiadania wieloskalowego systemu modelowania z ujednoliconą fizyką jest możliwość płynnego i wydajnego propagowania ulepszeń wprowadzonych w procesie fizycznym w jednym komponencie do innych komponentów. GEOS-5 AOGCM został skonfigurowany do udziału w 5 fazie projektu Coupled Model Intercomparison Project (CMIP-5), który zapewnia standardowy protokół oceny sprzężonych GCM. Aby ocenić zdolność modelu do symulowania klimatu Ziemi, poddano go walidacji na podstawie danych obserwacyjnych i produktów ponownej analizy.
—–
Za pomocą modeli, np. CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project phase 5) (były V Raport Oceny IPCC 2013-14) i CMIP6 (trwający obecnie VI Raport Oceny IPCC 2021-22) oraz PMIP (Paleoclimate Modelling Intercomparison Project), naukowcy prowadzą coraz precyzyjniejsze symulacje komputerowe klimatu przyszłego i przeszłego, czyli jak przebiegać będą zmiany klimatu w najbliższej przyszłości, także rozumiejąc przebieg tychże zmian w niedawnej czy dawniejszej przeszłości geologicznej.
Od około 1977 roku naukowcy zwrócili uwagę na potencjalnie szybko rosnącą ilość energii cieplnej w oceanach, a od 1979 roku zaczęto po raz pierwszy dokonywać pomiarów satelitarnych, zwłaszcza lodu w Arktyce, na Grenlandii i na Antarktydzie. Pomiarów tych dziś dokonują satelity GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) i GRACE Follow-On.
Od końca XX wieku naukowcy również zwrócili dużą uwagę, że oceany nie tylko ocieplają się, ale i ulegają coraz silniejszemu zakwaszaniu i odtlenianiu. W szczególności zaczęło się to w 1998 roku podczas bardzo silnego El Niño (oscylacji południowopacyficznej ENSO (El Niño Southern Oscillation)), gdy naukowcy zaobserwowali spektakularne blaknięcia koralowców na całym świecie, a zwłaszcza na Wielkiej Rafie Koralowej u wybrzeży północno-wschodniej Australii, co też miało przełożenie na przeżywalność gatunków żyjących w tych wrażliwych ekosystemach. Następny taki kataklizm miał miejsce podczas równie bardzo silnego i zarazem bardzo długiego El Niño w latach 2015-16. To wtedy też w 2016 roku padł rekord średniej temperatury powierzchni Ziemi, który w większości stacji meteorologicznych jest nadal rekordowy.
—–
Rys.1. Podobnie jak GRACE, bliźniacze satelity GRACE-FO będą podążać za sobą na orbicie wokół Ziemi, oddalonej o około 137 mil (220 km). Widziany w renderowaniu artysty. Grafika: NASA
——
Dzięki pomiarom altymetrycznym, prowadzonym od 1992 roku przez następujące satelity NASA: TOPEX / Poseidon (1992-2006), Jason-1 (2001-2013), Ocean Surface Topography Mission (OSTM) / Jason-2 (2008-2019 ) i Jason-3 (2016 do chwili obecnej), na wzrost poziomu morza, obecnie największy wpływ ma rozszerzalność termiczna. W dalszej kolejności są odpowiedzialne lodowce górskie oraz spływy lądowe, np. z rzek i dopiero potem wkład swój mają pokrywy lodowe Grenlandii i Antarktydy. Te ostatnie nie zostały dokładnie uwzględnione w V Raporcie Oceny IPCC (2013-14). Np. nie zostały wzięte pod uwagę takie procesy dynamiki utraty masy lodowej jak, niestabilność morskiej pokrywy lodowej (MISI – Marine Ice Sheet Instability) oraz niestabilność morskich klifów lodowych (MICI – Marine Ice Cliffs Instability), które prawdopodobnie będą miały poważny wkład w podnoszenie się poziomu morza podczas dalszego ocieplania się klimatu. Oczywiście w VI Raporcie Oceny IPCC (2021-22) będzie położony na to szczególny nacisk.
——
Rys.2. Poziom morza wzrósł o ponad 9 cm od 1993 r. I przy tym tempie do końca stulecia nastąpiłby wzrost poziomu morza o ponad 30 cm (źródło: NASA Global Climate Change).
——
Od 1999 roku ruszył w oceanach projekt badawczy Argo, w którym automatyczne boje były początkowo zanurzane na głębokość do 700 metrów. Teraz są zanurzane do 2000 metrów. A wkrótce mają być przystosowane do zanurzeń do 6000 metrów. Sondy te przeprowadzają regularnie pomiary temperatury, zasolenia i przepływu prądów w oceanach, na ich powierzchni oraz na ich różnych głębokościach. Dzięki temu dowiadujemy się coraz więcej o najgłębszych i najbardziej pojemnych zbiornikach cieplnych w systemie klimatycznym Ziemi.
——
Rys.3. Typowy cykl pływania obejmuje zejścia na 1000, a następnie 2000 metrów przed wypłynięciem na powierzchnię. Obraz zaadaptowany z programu obserwacji klimatu oceanicznego NOAA .
——
Od początku XXI wieku są też coraz lepiej usprawniane badania paleoklimatyczne. W szczególności badanie rdzeni lodowych, rdzeni oceanicznych, koralowców, słojów drzew, stalaktytów.
Coraz lepiej poznajemy takie aspekty w fizyce klimatu jak czułość klimatu, wymuszenia radiacyjne, sprzężenia zwrotne (dodatnie i ujemne), cykl węglowy i hydrologiczny, gazy cieplarniane i aerozole jako główne czynniki wymuszeń radiacyjnych, aspekty atrybucji klimatu, czyli umiejętne rozróżnianie wpływu czynników naturalnych od antropogenicznych, a także poznajemy w końcu coraz lepiej wprowadzone w życie w V Raporcie Oceny IPCC scenariusze emisji antropogenicznych.
Poznajemy też coraz lepiej emisje ze źródeł naturalnych jak choćby klasyczna wieloletnia zmarzlina, ale i też torfowiska i lasy tropikalne. Dzięki rozpoczętym wynikom badań już na przełomie XIX i XX w., dowiadujemy się więcej na temat czułości klimatu, a z I połowy XIX w. na temat efektu cieplarnianego, który jest oczywiście czymś naturalnym, a nie spowodowanym przez człowieka. Natomiast globalne ocieplenie to jest właśnie nadwyżka ciepła, umownie obliczana od około 1850 roku, z powodu bardzo znaczącego spalania paliw kopalnych (choć jeszcze dominowały emisje ze zmian użytkowania terenu, przede wszystkim z deforestacji), które wpłynęły po raz pierwszy na zauważalny skład atmosfery, w której zaczęło przede wszystkim wzrastać stężenie dwutlenku węgla z poziomu 278 ppm (parts per milion – cząsteczek CO2 na milion cząsteczek powietrza atmosferycznego) aż do dziś do poziomu 412,5 ppm. Co również wpłynęło na fluktuacyjny wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi o ok. 1,02 stopnia Celsjusza do 2016 roku oraz do 2019 roku względem okresu referencyjnego 1951-1980, według danych NASA GISS. Przy czym minimalnie 2016 był cieplejszy niż 2020 rok. Z kolei dane z Berkeley Earth według okresu referencyjnego 1851-1900 wyniosły dla 2016 roku 1,29 stopnia Celsjusza, a dla 2020 roku – 1,27 stopnia Celsjusza.
Pomiary koncentracji CO2 w atmosferze są, zarówno pośrednie (proxies), tu głównie za pomocą rdzeni lodowych, obliczanych na razie od około 800 tysięcy lat do dziś czy też w setkach milionów lat dzięki np. wydobywaniu rdzeni z osadów oceanicznych, jak i od 1958 roku również do dziś wykonywane są pomiary instrumentalne za pomocą spektroskopii masowej.
Z kolei instrumentalne pomiary średniej temperatury powierzchni Ziemi (2 m n.p.m.) są wykonywane, od 1880 r. do dziś i są przeprowadzane na wielu stacjach meteorologicznych w różnych regionach naszej planety. Z kolei co najmniej od lat 70 za pomocą pomiarów pośrednich, czyli proxies, poznajemy dokładniej temperatury dzięki wspomnianym rdzeniom lodowym z późnego plejstocenu od 800 tysięcy lat do dziś, jak i też dzięki rdzeniom z osadów oceanicznych, których wiek możemy obliczyć nawet w setkach milionów lat.
Podsumowując temat, trzeba też podkreślić jeszcze jedno. Aby zrozumieć dogłębnie zachodzące zmiany w systemie klimatycznym Ziemi, powinniśmy poznać nie tylko podstawy fizyki klimatu o efekcie cieplarnianym, bilansie energetycznym Ziemi, globalnych cyrkulacjach atmosferyczno-oceanicznych, obiegu węgla i wody, wymuszeniach radiacyjnych, sprzężeniach zwrotnych, czułości klimatu itp., ale i również powinniśmy głębiej zrozumieć wyniki prac atrybucji zmiany klimatu w kontekście oddziaływania ekstremalnych zjawisk pogodowych jak susze, upały, pożary, nawalne opady deszczu i śniegu, powodzie czy huragany.
——-

Zaburzony efekt cieplarniany

Pierwszym uczonym, który użył terminu efekt cieplarniany był Francuz Joseph Fourier, który już w swoich pracach w 1824 roku “Remarques Générales Sur Les Températures Du Globe Terrestre Et Des Espaces Planétaires” [„Ogólne uwagi na temat temperatur globu i przestrzeni planetarnych”] (“Annales de chimie et de physique tome XXVII” – str. 136) i w 1827 roku  “Mémoire Sur Les Températures Du Globe Terrestre Et Des Espaces Planétaires” [„Rozprawa o temperaturach globu ziemskiego i przestrzeni planetarnych”] wyjaśnił jego działanie na naszej planecie. Odkrył, że obok konwekcji powietrza atmosferycznego i przewodnictwa cieplnego pary wodnej, ważne znaczenie ma trzeci czynnik napędzający efekt cieplarniany, którym okazało się wypromieniowywane ciepło w zakresie fal w podczerwieni zwane też ciepłem termicznym Ziemi.

Ciepło jest dostarczane od naszej gwiazdy słońca ku powierzchni chmur i powierzchni Ziemi w postaci promieniowania elektromagnetycznego, w tym krótkofalowego niewidzialnego, którego większość jest absorbowana lub odbijana (albedo) przez chmury z powrotem w kosmos oraz krótkofalowego widzialnego, którego część jest pochłaniana przez powierzchnię oceanów i lądów planety, a część jest odbijana w przestrzeń kosmiczną. Część promieniowania krótkofalowego opuszcza naszą planetę, a część jego zostaje w systemie klimatycznym Ziemi ogrzewając jej atmosferę, jej powierzchnię oraz oceany.

Planetarne albedo najczęściej zachodzi w chmurach niskich posiadających mniejsze kropelki wody łatwiej odbijające te promieniowanie słoneczne z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Z kolei najrzadziej występują w chmurach wysokich, których z kolei kryształki lodowe skutecznie absorbują energię cieplną w zakresie fal w podczerwieni.

Jeśli chodzi o długofalowe promieniowanie niewidzialne, czyli podczerwone, to duża jego część jest zatrzymywana w systemie klimatycznym Ziemi, a mniejsza część opuszcza naszą planetę z jej powierzchni, a większa część opuszcza ją z wierzchołków chmur.

Energia cieplna w zakresie fal w podczerwieni pochłonięta w warstwach chmur i w molekułach gazów cieplarnianych reemituje we wszystkich kierunkach, w tym ku powierzchni Ziemi. I co najmniej od połowy XIX wieku jej zawartość rośnie dzięki zwiększaniu się koncentracji dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych. Zostaje w ten sposób zaburzona równowaga radiacyjna, o której pisali w latach 70 tacy naukowcy jak Michaił Budyko czy Syukuro Manabe i Richard Wetherald.

Pierwszy z nich w 1957 roku opracował pierwszy atlas bilansu radiacyjnego „Тепловой баланс земной поверхности” [„Bilans cieplny powierzchni Ziemi”]. A drudzy w 1967 roku, w pracy „Thermal Equilibrium of the Atmosphere with a Given Distribution of Relative Humidity” [„Równowaga termiczna atmosfery przy zadanym rozkładzie wilgotności względnej”] opisali w globalnym modelu numerycznym strukturę termiczną atmosfery wyjaśniającą rolę procesów radiacyjnych i konwekcyjnych w ogólnym bilansie energetycznym naszej planety. Opisali między innymi rozkład temperatury w atmosferze z wysokością w różnych warunkach i na różnych szerokościach geograficznych.

Warto też wiedzieć, że ciepło jest przenoszone w górę także przez ciepło utajone (parowanie) oraz ciepło jawne (konwekcję), dzięki czemu temperatura na Ziemi wraz z wysokością spada powoli w atmosferze, aż do tropopauzy, tuż pod stratosferą, w której jest warstwa ozonowa stymulująca z kolei wzrost temperatury, dzięki czemu ciepło przenosi się już nie w górę, ale na boki wysoko nad planetą.

Rys.1. Po lewej – Regularne poziomy dwutlenku węgla (CO2), metanu (CH4) i podtlenku azotu (N2O) są tworzone przez normalne procesy życiowe, zatrzymując część ciepła słonecznego i zapobiegając zamarzaniu planety. Po prawej – Niesamowita emisja CO2 ze spalania paliw kopalnych zatrzymuje nadmiar ciepła i powoduje wzrost średniej temperatury naszej planety. Rozwiązaniem jest ograniczenie działalności człowieka, która emituje gazy zatrzymujące ciepło. Will Elder, NPS

——

Pomiary satelitarne atmosfery Ziemi są prowadzone od 1970 roku. Z biegiem lat naukowcy pod kierownictwem Johna Harriesa zauważyli, że w badanym okresie czasu 1970-1996, że więcej energii termicznej kumuluje się w troposferze, a mniej w stratosferze.  Przedstawili wyniki swoich badań w 2001 roku w pracy „Increases in greenhouse forcing inferred from the outgoing longwave radiation spectra of the Earth in 1970 and 1997” [„Wzrost wymuszania cieplarnianego wywnioskowany z wychodzących widm promieniowania długofalowego Ziemi w latach 1970 i 1997”].

Pomiary zostały ponownie powtórzone przez Johna Harriesa wraz z Jennifer Griggs w 2004 roku i opublikowane w pracy „Comparison of spectrally resolved outgoing longwave data between 1970 and present” [„Porównanie rozdzielonych widmowo danych wychodzących długofalowych między rokiem 1970 a obecnie”]. Autorzy pracy posłużyli się pomiarami porównawczymi satelitarnymi na tle nieba bezchmurnego. Porównali widmo promieniowania podczerwonego zmierzone w 1971 roku przez amerykańskiego satelitę Nimbus-1 z widmem radiacyjnym w zakresie fal w podczerwieni zmierzonego w 1996 roku przez japońskiego satelitę ADEOS.

Oto co Harries i Griggs na wstępie swojej pracy piszą:

Dane są kalibrowane w celu usunięcia skutków różnych rozdzielczości i pól widzenia, aby można było dokonać bezpośredniego porównania. Dokonuje się porównań średniego widma promieniowania długofalowego bezchmurnego nieba wychodzącego nad oceanami w kwietniu, maju i czerwcu. Widma różnicowe są porównywane z symulacjami tworzonymi przy użyciu znanych zmian w gazach cieplarnianych, takich jak CH4 , CO2 i O3 w tym okresie czasu. Stanowi to bezpośredni dowód na znaczące zmiany w gazach cieplarnianych w ciągu ostatnich 34 lat, co jest zgodne z obawami dotyczącymi zmian radiacyjnego wymuszania klimatu.

Rys.2. Zmiana w spektrum od 1970 do 1996 roku spowodowana gazami śladowymi. Na osi pionowej temperatura jasnościowa (John Harries i inni 2001).

—–

Z kolei Rolf Philipona w swojej pracy zespołowej z 2004 roku  „Radiative forcing ‐ measured at Earth’s surface ‐ corroborate the increasing greenhouse effect” [„Wymuszenie radiacyjne – mierzone na powierzchni Ziemi – potwierdza narastający efekt cieplarniany”] , zauważył, że skoro satelity mierzą, że coraz mniej energii cieplnej ucieka z troposfery do stratosfery, to obserwowany jest jej większy przyrost tuż przy powierzchni Ziemi. To znaczy fale w podczerwieni emitowane z powierzchni Ziemi są absorbowane przez rosnące stężenie gazów cieplarnianych, głównie dwutlenku węgla, a następnie wyemitowywane we wszystkich kierunkach, ale w niższych warstwach troposfery w największym zakresie ku powierzchni naszej planety. Jest to tak zwane promieniowanie zwrotne atmosfery.

Póżniejsza praca z 2013 r. „Human and natural influences on the changing thermal structure of the atmosphere” [„Ludzkie i naturalne wpływy na zmieniającą się strukturę termiczną atmosfery”] napisana przez Benjamina Santera i jego współpracowników jeszcze wyraźniej wskazuje, że ciągłe emisje gazów cieplarnianych i rosnące koncentracje gazów cieplarnianych przyczyniają się właśnie do tego, że coraz więcej ciepła gromadzi się przy powierzchni Ziemi. W szczególności tam gdzie jest wysoka koncentracja pary wodnej.

Według pracy zespołowej Lisy Alexander z 2006 r. zatytułowanej „Global observed changes in daily climate extremes of temperature and precipitation” [„Globalne obserwowane zmiany dziennych ekstremalnych temperatur i opadów atmosferycznych”] , stwierdzono, że rośnie liczba nocy znacznie cieplejszych niż dni w roku oraz obserwowany jest większy spadek zimnych nocy niż zimnych dni, dlatego, że promieniowanie podczerwone w przeciwieństwie do słonecznego, działa nie tylko w dzień, ale i w nocy.

Najprawdopodobniej obserwuje się też nieco szybszy wzrost temperatury w porze zimowej niż w porze letniej.

https://books.google.fr/books?id=1Jg5AAAAcAAJ&hl=fr&pg=PA136#v=onepage&q&f=false

https://www.academie-sciences.fr/pdf/dossiers/Fourier/Fourier_pdf/Mem1827_p569_604.pdf

http://elib.rshu.ru/files_books/pdf/img-224141026.pdf

https://journals.ametsoc.org/view/journals/atsc/24/3/1520-0469_1967_024_0241_teotaw_2_0_co_2.xml

https://www.nature.com/articles/35066553

https://journals.ametsoc.org/view/journals/clim/20/15/jcli4204.1.xml

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2003GL018765

https://www.pnas.org/content/110/43/17235

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2005JD006290

——————-

https://www.nps.gov/goga/learn/nature/climate-change-causes.htm

https://naukaoklimacie.pl/fakty-i-mity/mit-nie-ma-empirycznych-dowodow-na-antropogenicznosc-globalnego-ocieplenia-41?t=2

Wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze

Na temat globalnego ocieplenia wywołanego przez człowieka jest szereg dowodów ustalonych już w latach 50 XX wieku. Są to tak zwane klimatyczne odciski palców.

W 1957 roku amerykański oceanolog Roger Revelle wraz z austriackim fizykiem jądrowym Hansem Suessem zbadali po raz pierwszy izotopy dwutlenku węgla w atmosferze i w oceanach. Zaobserwowali, że nastąpił znacznie większy stosunek izotopu węgla 12C do izotopu węgla 13C, a 14C nie odgrywał zasadniczej roli. Wyciągnęli prosty wniosek, że skoro rośliny bardziej preferują 12C niż 13C, to skoro odkryto rosnący stosunek tego pierwszego do drugiego, to oznaczało, że pochodzą one z roślin kopalnych, czyli ze spalania węgla kamiennego i brunatnego. Opisali to w swojej słynnej pracy naukowej „Carbon Dioxide Exchange Between Atmosphere and Ocean and the Question of an Increase of Atmospheric CO2 During the Past Decades” [„Wymiana dwutlenku węgla między atmosferą a oceanem oraz kwestia wzrostu atmosferycznego CO2 w ostatnich dziesięcioleciach”]. Continue reading “Wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze”

Losy zmarzliny w tundrze

Na łamach czasopisma Nature 30 kwietnia 2019 roku kierownik katedry badań kanadyjskich na Wydziale Biologii Integracyjnej Uniwersytetu Guelph w Kanadzie, Meritt R. Turetsky wraz ze swoimi współpracownikami w artykule „Permafrost collapse is accelerating carbon release” [„ Zapadanie się wiecznej zmarzliny przyspiesza uwalnianie węgla”] dokonali głębszej analizy dotyczącej rozmrażającej się zmarzliny lądowej ostrzegając świat przed grożącym nam podwojeniem ocieplenia klimatu przez coraz szybciej uwalniające się z niej gazy cieplarniane.

Continue reading “Losy zmarzliny w tundrze”