Wymuszanie radiacyjne

Kiedy zrozumiemy mechanizm efektu cieplarnianego, zrozumiemy też czym są wymuszenia radiacyjne (emisje gazów cieplarnianych i aerozoli powodujące przyrost lub spadek energii cieplnej w podczerwieni, wzmocnienie lub osłabienie aktywności słonecznej) i wymuszenia astronomiczne (zmiany orbity Ziemi w przeciągu tysięcy lat powodujące wzmocnienie ocieplenia prowadzące do wycofywania się lądolodu ze średnich szerokości geograficznych do Arktyki lub osłabienie ocieplenia prowadzące do narastania lądolodu z Arktyki na średnich szerokościach).

Obecnie trwa wymuszenie radiacyjne z powodu antropogenicznych emisji gazów cieplarnianych teraz od co najmniej 170 lat ma wpływ zaburzający na bilans energetyczny naszej planety. I jest ono wzmacniane, zarówno dodatnimi, jak i ujemnymi sprzężeniami zwrotnymi.

—

Rys.1. Wymuszanie radiacyjne spowodowane przez długożyjące gazy cieplarniane w latach 1979-2019. Ten rysunek przedstawia wielkość wymuszeń radiacyjnych powodowanych przez różne gazy cieplarniane, w oparciu o zmianę stężenia tych gazów w atmosferze ziemskiej od 1750 roku. Wymuszanie radiacyjne jest obliczane w watach na metr kwadratowy, co reprezentuje wielkość nierównowagi energetycznej w atmosfera. Po prawej stronie wykresu wymuszanie radiacyjne zostało przekonwertowane na roczny wskaźnik gazów cieplarnianych, który dla 1990 r. jest ustawiony na wartość 1,0. Źródło danych: (NOAA , 2021)

—

Rys.2. Wymuszanie radiacyjne spowodowane działalnością człowieka od 1750 roku (NOAA). Ta liczba pokazuje całkowitą wielkość wymuszeń radiacyjnych spowodowanych działalnością człowieka — w tym skutki pośrednie — w latach 1750–2011. Wymuszanie radiacyjne jest obliczane w watach na metr kwadratowy, co reprezentuje wielkość nierównowagi energetycznej w atmosferze. Każdy kolorowy słupek reprezentuje najlepsze oszacowanie naukowców, podczas gdy cienkie czarne słupki wskazują prawdopodobny zakres możliwości. Jako odniesienie podano naturalną zmianę energii otrzymanej ze słońca w tym okresie Źródło danych: (IPCC, 2013)

—

Od co najmniej 170 lat mamy wymuszenia radiacyjne pochodzenia antropogenicznego z naszej cywilizacji przemysłowej, do których przede wszystkim zaliczamy emisje gazów cieplarnianych powodujące dodatnie wymuszenia oraz emisje aerozoli powodujące ujemne wymuszenia.

W pewnym sensie ujemne wymuszenie powodują zmiany użytkowania terenu w postaci np. wylesień, ale z kolei zanik szaty roślinnej sprawia, że w atmosferze kumuluje się znacznie więcej dwutlenku węgla (30% od 1750 roku), a więc, wówczas mamy do czynienia z dodatnim wymuszeniem. Obecnie pod względem wymuszenia radiacyjnego, gaz ten stanowi ponad połowę tego co pozostałe gazy jak metan, podtlenek azotu czy nawet ozon troposferyczny.

—

Hailing Jia, z Centrum Innowacji Współpracy ds. Prognoz i Oceny Katastrof Meteorologicznych w Chińskiej Akademii Nauk, wraz ze swoim zespołem naukowym zaprezentował dane satelitarne szacunków wymuszania radiacyjnego przez interakcje aerozol-chmura (RFaci), które pokazały mniejsze wartości niż dane z globalnych modeli, co jest teraz kłopotliwe w dokładnych prognozach przyszłych zmian klimatu ¹.

W badaniach interakcji aerozol-chmura wzięto pod uwagę zwiększające się tworzenie się jąder kondensacji chmur przyczyniających się do większego rozpraszania promieni słonecznych i odbijania ich z powrotem w przestrzeń kosmiczną.

W wykrywaniu błędów systematycznych w próbkowaniu pobierane były dane z chmur za pomocą satelity CERES (Clouds and the Earth’s Radiant Energy System) oraz był pobierany aerozol za pomocą spektroradiometru obrazowania o średniej rozdzielczości (MODIS – Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) i następnie została przeprowadzona długoterminowa retrospektywna analiza (MERRA-2 – Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications).

Rejestrowanie danych aerozolowych w kolumnie atmosferycznej, według MODIS o rozdzielczości 1° × 1° oraz dzięki reanalizie MERRA-2 o rozdzielczości 0,5° × 0,625°, przekładało się na obserwacje chmur w skali pikseli o wyższej rozdzielczości, dzięki generowaniu danych interakcji aerozol-chmura o rozdzielczości 20 × 20 km².

—

Rys.12. Schemat przedstawia kombinacje chmur i związane z nimi pobieranie aerozolu:      a) zielony kolor (MODIS AOD) – satelitarny odczyt aerozolu i chmur (Aero_Cld_Modis)        b) żółty kolor (MERRA-2 AOD) – odczyt samych cmur za pomocą reanalizy (Aero_Cld)(Hailing Jia i inni, 2021).

—

Podczas badań w 2021 roku interakcje aerozol – chmura pod kątem wymuszania radiacyjnego (RF_aci – Radiative Forcing aerosol cloud interaction) wyniosły od -0,38 do -0,59 W m^-2. Globalnie wzrost RF_aci wyniósł średnio 55% (nad lądami 133% i nad oceanami 33%).

Po włączeniu się głębokości optycznej aerozolu (AOD – aerosol optic depth) RF_aci wyniosło -1,09 W m^-2.

Efektywniejszym od AOD badaniem pośrednim (proxy) jest wykorzystanie parametru jąder kondensacji chmur (CCN – cloud condensation nuclei).

Aerozol może zmieniać właściwości chmur i opadów atmosferycznych, wpływając w ten sposób na bilans promieniowania Ziemi, a tym samym na zmianę klimatu. Wzrost stężenia CCN powoduje zwiększenie kropel chmur, któe efektywniej rozpraszają promieniowanie słoneczne, które odbite od chmur trafia z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Jest to ujemne wymuszenie radiacyjne, dzięki czemu w danym regionie zachmurzonym klimat się ochładza.

Jest to zjawisko znane jako efekt albedo chmury lub efekt Twomeya.

Satelitarny pobór aerozolu kolumnowego opartego na RF_aci mieści się w mniejszym zakresie, od -0,2 do -0,7 W m^-2, aniżeli w symulacjach modelowych, od -0,3 do -1,8 W m^-2.

Dzięki badaniom satelitarnym zamieszczonym w IPCC, RF_aci spadło z -0,7 do -0,45 W m^-2.

—

Natalie M. Mahowald z Uniwersytetu im. Cornella (Cornell University) w Nowym Jorku zwróciła szczególną uwagę o niedoszacowanie wpływu zmian użytkowania gruntów oraz zmian ich pokrycia (LULCC – Land Use / Land Cover Change) w V Raporcie IPCC ².

W tejże pracy naukowcy do obliczeń szeregów czasowych wymuszenia radiacyjnego (RF – Radiative Forcing), dla LULCC i dla nie-LULCC, dla różnych scenariuszy emisji, zastosowali głównie następujące modele: środowiskowy model lądowy (CLM – Community Land Model) w ramach środowiskowego modelu systemu Ziemi (CESM – Community Earth System Model) (James W. Hurrell i in. 2013 , Peter Lawrence i in. 2012a).

—

Rys.4. (a) Antropogeniczne wymuszanie radiacyjne (W/m²) dla roku 2010 względem 1850 podzielone na źródła LULCC i nie-LULCC dla różnych czynników wymuszających, z niepewnością części całkowitego wymuszania radiacyjnego z powodu LULCC podaną przez słupki błędów (Daniel S. Ward i in., 2014). (b) Szeregi czasowe antropogenicznego wymuszania radiacyjnego (W/m²) dla źródeł LULCC i nie-LULCC z niepewnością reprezentowaną przez zacienienie (Natalie M. Mahowald i inni, 2017).

—

Naukowczyni stwierdziła następujące fakty:

Obecnie, chociaż tylko 20% skumulowanego antropogenicznego wzrostu dwutlenku węgla pochodzi z użytkowania gruntów i zmiany pokrycia terenu (LULCC), 40% dodatniego wymuszenia radiacyjnego netto z działalności człowieka można przypisać źródłom LULCC Dzieje się tak, ponieważ współemisje metanu i podtlenku azotu w ramach LULCC zwiększają ocieplenie, podczas gdy współemisje aerozoli chłodzących w procesach niezwiązanych z LULCC, takich jak spalanie paliw kopalnych, mają tendencję do kompensowania wymuszania radiacyjnego niezwiązanego z LULCC (Daniel S. Ward i in . 2014).

—

Oto liczbowo podane dane najważniejszych wymuszeń radiacyjnych zamieszczonych w książce „Nauka o klimacie” (rozdział 4.4. Zmiana bilansu radiacyjnego Ziemi, str. 58):

Dwutlenek węgla – 2,00 W/m² [roczne wymuszenie – 0,04 W/m²

Pozostałe gazy cieplarniane bez ozonu – 1,00 W/m²

Chłodzące aerozole bez sadzy –  -0,80 W/m²

Cieplarniany aerozol sadza – 0,65 W/m²

Zmiany albedo w związku ze zmianami użytkowania terenu –  -0,15 W/m²

Ozon troposferyczny – 0,40 W/m²

Ozon stratosferyczny – 0,10 W/m²

Nasłonecznienie – 0,10 W/m²

Zmiany w chmurach dzięki aerozolom – 0,55 W/m²

—-

Ryan Kramer z Narodowej Agencji Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej im. Goddarda z Centrum Lotów Kosmicznych (NASA GSFC –  National Aeronautics and Space Agency Goddard Space Flight Center), z Wydziału Nauk o Ziemi w Greenbelt oraz współautor Brian Soden z Uniwersytetu w Miami są autorami nowatorskiej metody badawczej w obliczaniu nierównowagi energetycznej Ziemi ³.

W 2021 roku naukowcy zastosowali po raz pierwszy metodę satelitarną (satelita CERES), a nie jak dotychczas metodę za pomocą symulacji komputerowych modeli. Badania zostały zarejestrowane w okresie 2003-2018, a więc, w okresie gdy zaczęto zmniejszać emisje aerozoli w atmosferze, a jak wiadomo, ich usunięcie podwyższa temperaturę globalną Ziemi. Chociaż z drugiej strony został zaobserwowany dalszy wzrost emisji gazów cieplarnianych. Dlatego też obliczanie wymuszeń radiacyjnych ochładzających atmosferę aerozoli, jak i gazów cieplarnianych ją ogrzewających, za pomocą modeli komputerowych nie było do końca doskonałe. Obecne instrumentalne pomiary techniką tzw. jąder radiacyjnych pokazują dokładniejsze wyniki.

—

Rys.5. Satelitarne pomiary (w watach na metr kwadratowy w ciągu roku) chwilowych wymuszeń radiacyjnych (IRF – Instantaneocous Radiative Forcing) krótkofalowego promieniowania (SW – Shortwave) oraz przyrostu w ciągu roku (Δ) głębokości optycznej aerozolu (AOD – Aerosol Optic Depth) w latach 2003-2018 (dane satelitarne: CERES/AIRS, MERRA-2 i MODIS): a) SW IRF CERES/AIRS b) SW IRF MERRA-2 c) SW IRF MERRA-2 Aerosol d) MODIS AOD e) MERRA-2 AOD (Ryan Kramer i inni, 2021).

—

W 2021 roku naukowcy zastosowali po raz pierwszy metodę satelitarną (satelita CERES), a nie jak dotychczas metodę za pomocą symulacji komputerowych modeli. Badania zostały zarejestrowane w okresie 2003-2018, a więc, w okresie gdy zaczęto zmniejszać emisje aerozoli w atmosferze, a jak wiadomo, ich usunięcie podwyższa temperaturę globalną Ziemi. Chociaż z drugiej strony został zaobserwowany dalszy wzrost emisji gazów cieplarnianych. Dlatego też obliczanie wymuszeń radiacyjnych ochładzających atmosferę aerozoli, jak i gazów cieplarnianych ją ogrzewających, za pomocą modeli komputerowych nie było do końca doskonałe. Obecne instrumentalne pomiary techniką tzw. jąder radiacyjnych pokazują dokładniejsze wyniki.

Autorzy pracy piszą:

Zmiany w składzie atmosfery, takie jak wzrost ilości gazów cieplarnianych, powodują początkową nierównowagę radiacyjną systemu klimatycznego, określaną ilościowo jako chwilowe wymuszenie radiacyjne. Ta fundamentalna metryka nie była bezpośrednio obserwowana globalnie, a wcześniejsze szacunki pochodziły z modeli. Częściowo dzieje się tak dlatego, że obecne instrumenty kosmiczne nie są w stanie odróżnić chwilowego wymuszania radiacyjnego od reakcji radiacyjnej klimatu. Stosujemy jądra radiacyjne do obserwacji satelitarnych, aby rozwiązać te składniki i stwierdzić, że chwilowe wymuszenie radiacyjne na całym niebie wzrosło o 0,53 ± 0,11 W/m² od 2003 do 2018 roku, biorąc pod uwagę pozytywne trendy w całkowitej planetarnej nierównowadze radiacyjnej.

—-

Mamy jeszcze wymuszenia astronomiczne, mianowicie, słoneczne, które działa w okresie od kilku dekad do dwóch, trzech stuleci, np. jak to było podczas średniowiecznego optimum klimatycznego czy w pierwszej połowie XX wieku oraz orbitalne, które działa w skali długofalowej powyżej kilku tysięcy lat, np. tak jak to było podczas nadejścia cykli glacjalnych lub interglacjalnych.

Wymuszenie astronomiczne słoneczne w porównaniu z obecnie zachodzącym antropogenicznym wymuszeniem radiacyjnym jest nieznaczne. W całym holocenie nie odgrywało ono poważnej roli by mieć wpływ na zaburzenie klimatu. Generalnie wywoływało ono regionalne ocieplenia jak np. we wspomnianym średniowieczu w rejonie wokół Grenlandii w latach 950-1250. Wtedy były tam obszary lokalne nawet cieplejsze niż wynosiła średnia globalna temperatura Ziemi na przełomie XX i XXI wieku.

Marcin Popkiewicz, współredaktor serwisu „Nauka o klimacie”, w swoim artykule „Aktywność słoneczna w ostatnich 9000 latach” pisze ⁴:

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 πR ² 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.

—

Referencje:

1. Jia Hailing et al., 2021 ; Significant underestimation of radiative forcing by aerosol-cloud interactions derived from satelllite-based methods ; Nature Communications ; https://www.nature.com/articles/s41467-021-23888-1
2. Mahowald N. M. et al., 2017 ; Are the impacts of land use on warming underestimated in climate policy? ; Environmental Research Letters ; https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/aa836d/meta
3. Kramer R. J. et al., 2021 ; Observational Evidence of Increasing Global Radiative Forcing ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2020GL091585
4. Popkiewicz M., 2020 ; Aktywność słoneczna w ostatnich 9000 latach ; Nauka o klimacie ; https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/aktywnosc-sloneczna-w-ostatnich-9000-lat-399/