Chmury dają wysoką niepewność. Symulacje komputerowe modeli wskazują, że przy obecnych albo wyższych emisjach gazów cieplarnianych może dojść do nieprzewidzianych zmian klimatu przyśpieszających wzrost globalnej temperatury.
– chmury wysokie (lewa część rysunku) przepuszczają większość padającego na nie promieniowania słonecznego (żółte strzałki), ale zatrzymują wypromieniowywane przez Ziemię promieniowanie podczerwone (czerwone strzałki), powodując wzrost średnich temperatur,
– chmury niskie (prawa część rysunku) silnie rozpraszają promieniowanie słoneczne, powodując spadek średnich temperatur powierzchni Ziemi. Zdjęcia chmur dzięki uprzejmości NASA (Aleksandra Kardaś, 2014) 1.
—
Fot.1. Rola chmur w klimacie: Chmury niskie chłodzą klimat. Chmury wysokie grzeją klimat. Rysunek + zdjęcia NASA. Nauka o klimacie
—
Chmury nisko położone w atmosferze chłodzą klimat. A wysoko położone go ogrzewają
Coraz wyższy wzrost temperatury w atmosferze sprawia, że niska graniczna atmosfera „wysycha”, na co zwrócił uwagę już w 2014 roku Steven Sherwood z Centrum Badań nad Zmianą Klimatu i Centrum Doskonałości ARC dla Nauk o Systemie Klimatu na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii w Sydney wraz ze swoimi współpracownikami: Sandrine Bony i Jeanem-Louisem Dufresne z Laboratorium Dynamicznej Meteorologii i z Instytutu im. Pierre’a Laplace’a na Uniwersytecie Pierre’a i Marii Curie (LMD/IPSL) w Paryżu 2.
Przyczyną jest zanikanie tworzenia stratocumulusów, głównie nad oceanami, z powodu mieszania się powietrza z różnych warstw atmosfery i zapobiegania tworzenia się głębokiej konwekcji, co z kolei skutkuje tym, że para wodna wędruje na wyższe wysokości, gdzie się ona skrapla i tworzy więcej chmur średnich i wysokich dających mniej deszczu i słabsze albedo niż chmury niskie. Oznacza to, że sprzężenie zwrotne jest dodatnie, dające większy efekt ocieplenia klimatu.
—
Rys.1. Struktura średniego miesięcznego wzrostu troposferycznego ujawnia mieszanie się niższych warstw troposferycznych na dużą skalę w obserwacjach i modelach (Steven Sherwood i inni, 2014).
—
Reanaliza i modele pokazują prędkosć wzrostu ciśnienia
Na powyższym rysunku, na mapach, pokazana jest prędkość wzrostu ciśnienia ω w ciągu jednego miesiąca (wrzesień), na podstawie wartości podanych z: a) reanalizy MERRA , b) modelu IPSL-CM5A i c) modelu IPSL-CM5B , przy ciśnieniu 850 hPa (kolor czerwony) oraz przy ciśnieniu 500 hPa (kolor niebiesko-zielony).
Kolor jasnoczerwony oznacza wznoszenie, które które jest obciążone w kierunku niższej troposfery z dywergencją (rozbieżnością) środkowej troposfery. Z kolei jaśniejsze kolory oznaczają głębokie wznoszenie, a ciemniejsze opadanie. Na panelu czarne linie zarysowują region, w którym obliczany jest indeks mieszania D w niższej troposferze na dużą skalę. Region międzytropikalnej strefy konwergencji Pacyfiku i Atlantyku są konsekwentnie czerwone w reanalizach i modelach, podczas gdy pojedyncze czerwone plamy w innych mają tendencję do zmiany w czasie.
–
Równowagowa czułość klimatu a mieszanie konwekcyjne chmur
Jeszcze w trakcie ukazania się V Raportu Oceny IPCC (2013-14) dla decydentów, autorzy powyższej pracy na jej wstępie tak napisali:
Równowagowa czułość klimatu odnosi się do ostatecznej zmiany średniej globalnej temperatury w odpowiedzi na zmianę wymuszeń zewnętrznych. Pomimo dziesięcioleci badań próbujących zawęzić niepewność, szacunki równowagowej czułości klimatu, na podstawie modeli klimatycznych, nadal obejmują około 1,5 do 5 stopni Celsjusza, co oznacza podwojenie stężenia dwutlenku węgla w atmosferze, uniemożliwiając dokładne prognozy przyszłego klimatu. Rozprzestrzenianie się wynika w dużej mierze z różnic w sprzężeniu zwrotnym z niskich chmur, z powodów, które nie zostały jeszcze poznane.
Tutaj pokazujemy, że różnice w symulowanej sile mieszania konwekcyjnego między dolną i środkową troposferą zwrotnikową wyjaśniają około połowy wariancji czułości klimatu oszacowanej przez 43 modele klimatyczne. Pozornym mechanizmem jest to, że takie mieszanie powoduje odwodnienie warstwy granicznej niskich chmur, w tempie, które wzrasta wraz z ociepleniem klimatu, a ta szybkość wzrostu zależy od początkowej siły mieszania, łącząc mieszanie ze sprzężeniem zwrotnym z chmurami.
Mieszanie wywnioskowane z obserwacji wydaje się być wystarczająco silne, aby sugerować czułość klimatyczną większą niż 3 stopnie na podwojenie dwutlenku węgla. Jest to znacznie wyższa wartość niż obecnie akceptowana dolna granica 1,5 stopnia, co ogranicza prognozy modelowe w kierunku stosunkowo poważnego przyszłego ocieplenia.
—
Chmury z obszarów pustynnych przesuwają się na północ w kierunku biegunów polarnych
Joel Norris z Instytutu Oceanografii im. Scrippsa (Scripps Institution of Oceanography) na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, w Ja Jolla, wraz ze swoim zespołem badawczym, dzięki badaniom satelitarnym, stwierdził, że wraz z dalszym wzrostem globalnej temperatury chmury wędrują też wzdłuż szerokości geograficznych 3.
—
Fot.2. Zmiany wzorców chmur w ciągu ostatnich trzech dekad, które prawdopodobnie miały wpływ na ocieplenie planety, są zsynchronizowane z symulacjami modeli klimatycznych. Zdjęcie dzięki uprzejmości NASA Goddard Space Flight Center.
—
Naukowcy zaobserwowali trzy zmiany istotne względem przesuwania się chmur. Mianowicie; z obszarów suchych subtropikalnych, jak pustynie: Sahara na północnej półkuli i Kalahari na południowej półkuli, chmury przesuwają się w kierunku biegunów. Również z obszarów średnich szerokości geograficznych, tez na obu półkulach, tory burzowe także przesuwają się w kierunku biegunów, co obserwują satelity. Wniosek z tego wypływa taki, że mniejsze zachmurzenie nad oceanami sprawi, że więcej energii słonecznej pochłoną oceany, jeszcze bardziej przyczyniając się do globalnego ocieplenia.
–
Coraz częściej chmury także tworzą się na dużych wysokościach
Ponadto badacze stwierdzili, że coraz cieplejsza atmosfera sprawia, że w niej tworzy się coraz więcej chmur na większych wysokościach. A to oznacza, że noce w pochmurne dni będą jeszcze bardziej gorące, gdyż mniej promieniowania w zakresie fal w podczerwieni będzie uchodzić w przestrzeń kosmiczną.
Joel Norris dla Carbon Brief wyjaśnił 4:
Chmury ograniczają również emisję termicznego promieniowania podczerwonego w przestrzeń kosmiczną – dlatego pochmurne noce są cieplejsze niż pogodne noce. Wzrost wierzchołka chmur skutecznie zagęści „koc chmur” i zmniejszy emisję termicznego promieniowania podczerwonego w przestrzeń kosmiczną, co również doprowadzi do większego globalnego ocieplenia.
Autorzy powyższej pracy na jej wstępie piszą:
Tutaj pokazujemy, że kilka niezależnych, empirycznie skorygowanych zapisów satelitarnych wykazuje wielkoskalowe wzorce zmian chmur między latami 80 a 2000 latami., które są podobne do tych wytwarzanych przez modelowe symulacje klimatu z niedawnym historycznym zewnętrznym wymuszeniem radiacyjnym.
Obserwowane i symulowane wzorce zmian chmur są zgodne z wycofywaniem się w kierunku biegunów torów burzowych na średnich szerokościach geograficznych, rozszerzaniem się subtropikalnych stref suchych i rosnącą wysokością najwyższych wierzchołków chmur na wszystkich szerokościach geograficznych.
Wydaje się, że głównymi czynnikami tych zmian w chmurach są rosnące stężenia gazów cieplarnianych i wpływ wulkanicznego chłodzenia radiacyjnego. Wyniki te wskazują, że zmiany chmur najbardziej konsekwentnie przewidywane przez globalne modele klimatyczne zachodzą obecnie w przyrodzie.
—
W ocieplającym się świecie uwodnionych chmur ubywa, choć lodowych nie przybywa. Tam gdzie zanikają chmury, tam też zanikają deszcze
Z pracy naukowej, której autorami są Jenny Bjordal ,Trude Storelvmo i Tim Carlsen z Wydziału Nauk o Ziemi na Uniwersytecie w Oslo oraz Kari Alterskjær z Centrum Międzynarodowych Badań Klimatu i Środowiska (CICERO) również w Oslo, dowiadujemy się, że chociaż niskie chmury uwodnione dają większy efekt albedo ochładzając klimat aniżeli te same wysokie chmury lodowe, to i tak gdy ocieplenie klimatu sprawia, że tych drugich choć nie przybywa, to tych pierwszych jednak ubywa. Dlatego też spada zachmurzenie. A tam gdzie spada zachmurzenie, tam też ubywa opadów deszczu i śniegu 5.
—
Rys.2. Przestrzenny rozkład optycznego sprzężenia zwrotnego głębokości netto (w watach na metr kwadratowy na stopień Kelvina) dla a) pierwszych 15 lat i b) ostatnich 15 lat dla 150-letniej symulacji (2020-2170) po czterokrotnym zwiększeniu CO2 za pomocą modelu CESM2. Cieniowanie wskazuje na dodatnie (czerwone) i ujemne (niebieskie) sprzężenie zwrotne (Jenny Bjordal i in., 2020).
—
Równowagowa czułość klimatu a zmiana głębokości optycznej chmur. Czyli w ciągu lat 2020-2035 nieznaczna przewaga dodatniego sprzężenia chmur nad ujemnymi. A w ciągu lat 2155-2170 znacząca przewaga
Naukowcy tych cennych informacji na temat zmienności chmur dowiedzieli się dzięki symulacjom środowiskowego modelu systemu Ziemi w fazie 2 (CESM2 – Community Earth System Model phase 2), w okresie przyszłych 150 lat, który oszacował średnio równowagową czułość klimatu (ECS – Equilibrium Climate Sensitivity) na 5,3 stopnia Celsjusza.
Na podstawie powyższego rysunku, dr Tim Carlsen, współautor badania, w serwisie Carbon Brief zwrócił szczególną uwagę na dynamikę sprzężenia zwrotnego chmur 6:
Nasze symulacje rzeczywiście pokazują, że za wysoki poziom równowagowej czułości klimatu (ECS) odpowiada ogólnie całkowite dodatnie sprzężenie zwrotne chmur. Ale w szczególności pokazują te symulacje, że dodatnie sprzężenie zwrotne w chmurze wzmacnia się z czasem.
Aby to zrozumieć, musimy przyjrzeć się różnym wkładom w sprzężenie zwrotne chmur. W naszych symulacjach zmiany wysokości chmur (21%) i ilości chmur (16%) mogą wyjaśnić tylko niewielką część zmiany sprzężenia zwrotnego. Głównym czynnikiem przyczyniającym się do tego jest zmiana ilości światła słonecznego odbijanego przez chmurę, która jest również znana jako „głębokość optyczna” chmur (63%).
Głębokość optyczna chmur zależy głównie od całkowitej ilości wody w chmurze i jej fazy. Byliśmy w stanie zidentyfikować Ocean Południowy jako region, w którym nastąpi większość zmian głębokości optycznej.
W pierwszej dekadzie symulacji głębokości optycznej sprzężenia zwrotnego nad Oceanem Południowym było silnie ujemne. Widać to po ciemnoniebieskim cieniowaniu regionu na górnej mapie poniżej. Nie jest to zaskoczeniem, ponieważ wiadomo, że Ocean Południowy obfituje w chmury o mieszanych fazach. Jeśli przypomnimy sobie nasz wcześniejszy eksperyment myślowy, w chmurach jest dużo lodu, który po ociepleniu staje się płynny, zwiększając w ten sposób głębokość optyczną chmur i ochładzając powierzchnię.
Analizując złożoną i chaotyczną dynamikę chmur w systemie klimatycznym Ziemi od 2020 do do 2170 roku, badacze oszacowali, że w ciągu pierwszego okresu 15 lat jeszcze jest umiarkowana przewaga dodatnich sprzężeń zwrotnych nad ujemnymi, ale gdy badacze wzięli pod obserwację w symulacjach ostatni okres 15 lat (już w 2 połowie XXII w.), to dodatnie sprzężenia zwrotne bardzo wyraźnie przeważają nad ujemnymi.
Symulacje CESM2 pokazały, że po 150 latach ujemne sprzężenie zwrotne prawie zniknęło na Oceanie Południowym (które dziś jeszcze przeważa w tamtym regionie Ziemi), za to już pojawiło się.
Ogólnie mówiąc, w drugiej połowie XXII wieku może wystąpić wyższa równowagowa czułości klimatu z powodu spadku niskiego zachmurzenia. I w takim razie można wyciągnąć taki wniosek, że rośnie ona wraz z dalszym zmniejszaniem się ilości niskich chmur uwodnionych.
Aczkolwiek paradoksalnie, gdy w chłodniejszym klimacie mieliśmy więcej wysokich chmur lodowych słabiej odbijających promienie słoneczne, a silniej absorbujących promieniowanie podczerwone, wówczas ilość takich chmur dramatycznie spadła, zwłaszcza nad oceanami. A na ich miejsce pojawiła się większa ilość niskich chmur uwodnionych powodujących silniejsze ochłodzenie klimatu.
Jednak obecnie, gdy klimat ociepla się, naukowcy zaobserwowali, że gdy ubywa chmur lodowych, toteż zaczęło jeszcze szybciej ubywać chmur uwodnionych. Dlatego też czułość klimatu według zestawu modeli CMIP6 jest obliczana na 5-6 stopni Celsjusza powyżej okresu 1850-1900, z powodu narastania dodatniego sprzężenia zwrotnego, właśnie z przyczyny zanikania wspomnianych chmur uwodnionych.
—
Interakcja: chmura – aerozol. Modele wskazują, że równowagowa czułość klimatu w zestawie CMIP6 pokazuje w przyszłości znaczne ocieplenie podczas zaniku niskopoziomowych chmur niż w zestawie CMIP5
Jedna z najnowszych prac na temat interakcji: chmura – aerozol, wskazuje na podstawie symulacji modelowania chmur, że równowagowa czułość klimatu (ECS), którą pokazuje większość modeli z zestawu CMIP6, jest nie tylko wyższa niż w poprzednim zestawie CMIP5, ale również to, że pokazuje podobne efekty równoważenia się emisji dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych w kontrze do chłodzących emisji aerozoli, ale tylko przez większą część XX wieku.
–
W scenariuszu wysokich emisji analiza 18 modeli wskazuje, że w trakcie dalsze wzrostu stężenia gazów cieplarnianych w przyszłości nastąpi znaczna redukcja emisji aerozoli
Chenggong Wang i Gabriel Vecchi z Programu Nauk Atmosferycznych i Oceanicznych na Uniwersytecie w Princeton, Brian Soden ze Szkoły Nauk Morskich i Atmosferycznych im. Rosenstiela na Uniwersytecie w Miami oraz Wenchang Yang z Wydziału Nauk o Ziemi na Uniwersytecie w Princeton dokonali w swojej pracy badawczej analizy w okresie 1850-2014 na podstawie przeprowadzonych symulacji dziewięciu modeli B9 i dziewięciu modeli T9 7.
Naukowcy wykonali niezależny dwupróbkowy test studenta t, aby rozróżnić statystycznie istotne cechy w tychże modelach. I zaobserwowali, że kompensacja w interakcji: gazy cieplarniane – aerozole, nie występuje w przyszłych scenariuszach emisji gazów cieplarnianych (GHG – Greenhouse Gases), w których przewiduje się, że emisje aerozoli ulegną zmniejszeniu w miarę dalszego wzrostu CO2 i innych gazów cieplarnianych. A więc, oznaczać to będzie zmaksymalizowanie dodatniego sprzężenia zwrotnego w przyszłości przy kontynuacji obecnych emisji według scenariusza „biznes jak zwykle”.
—
Rys.3. Na panelach a) i b) jest zaprezentowana modelowana (T9 i B9) i obserwowana (GISTEMP) zmiana temperatury powierzchni (Chenggong Wang i inni, 2021).
—
Opis modeli T9 i B9
Na powyższym rysunku, modele o mniejszej czułości na klimat są bardziej zgodne z obserwowanymi różnicami temperatur, szczególnie między półkulą północną i południową.
Oba wykresy przedstawiają:
a) zmiany rocznej średniej temperatury powierzchni
b) zmiany różnicy temperatur między półkulą północną i południową w latach 1850-2000
Czerwona linia reprezentuje modele T9 o wysokiej czułości na klimat, a niebieska linia reprezentuje modele B9 o niskiej czułości na klimat.
Czarna linia pokazuje obserwowane fluktuacje temperatury zebrane przez NASA Goddard Institute for Space Studies projekt analizy temperatury powierzchni, które są bardziej zbliżone do niebieskiej linii, jeśli chodzi o temperaturę między półkulami.
Szare tła wskazują lata, w których różnice między modelami o wysokiej i niskiej czułości na klimat są znaczące.
Na lewym panelu rysunku, ukazany jest parametr ΔTs , czyli przyrost temperatury powierzchni w stopniach K (Kelwina). Natomiast prawy panel przedstawia dodatkowo skróty NH-SH (północna półkula-południowa półkula).
–
Nowe badania wskazują, że jest więcej aerozolu na półkuli południowej niż na północnej
Modele klimatyczne dotychczas pokazywały, że większa ilość aerozoli jest na półkuli północnej, aniżeli na południowej, co jest sprzeczne z obserwacjami, wykonanymi na podstawie globalnej analizy obserwacji temperatury powierzchni, wziętej z danych GISS Surface Temperature Analysis version 4 (GISTEMP v4).
–
Zdumiewające sprzężenia zwrotne. W przeszłości modele o niskiej czułości klimatu pokazują wyższe wartości temperatury globalnej. A w przyszłości modele o wysokiej czułości klimatu pokazują tak samo wyższe wartości
Do obliczenia siły sprzężenia zwrotnego chmur, naukowcy zastosowali tzw. jądra radiacyjne wzięte z modelu GFDL (Brian Soden i inni, 2008), w celu uzyskania odpowiedzi radiacyjnej na szczycie atmosfery (TOA – Top of Atmosphere) wymuszonej zmianami temperatury, pary wodnej, albedo powierzchni i chmur.
Ze względu na większy efekt chłodzenia w interakcji: aerozol – chmura (ACI – Aerosol, Cloud – Interaction), modele T9 (czerwona linia) symulują nieco chłodniejsze anomalie temperatury powierzchni od połowy do końca XX wieku w porównaniu z modelami B9 (niebieska linia), pomimo, że modele T9 mają bardziej dodatnie sprzężenie zwrotne chmur i wyższą równowagową czułość klimatu (ECS).
Chociaż, jak piszą autorzy w pracy, ta różnica między anomalią temperatury powierzchni w modelach B9 i T9 jest niewielka, to jest ona uśredniona globalnie. Asymetria obu półkul Ziemi pod względem historycznego wymuszania aerozolu powoduje z kolei znaczne różnice asymetryczne w ociepleniu międzypółkulowym.
–
Sprzężenie zwrotne chmur i pośredni efekt aerozolowy wyjaśniają, ze modele B9 o niższej czułości klimatu są dokładniejsze od modeli T9 o wyższej czułości klimatu
Na podstawie symulacji komputerowych zespół naukowy Chenggonga Wanga podał informację w swojej publikacji, że dalszy wzrost temperatur pod koniec XX wieku ukazał, że asymetria międzypółkulowa w ewolucji temperatur pod koniec XX wieku odróżnia modele T9 i B9. Te pierwsze pokazały symulacje bardziej nagrzanej półkuli południowej (SH – Southern Hemisphere) niż północnej (NH – Northern Hemisphere) w ostatnim stuleciu, na podstawie nie tylko silniejszego sprzężenia zwrotnego chmur, ale i pośredniego efektu aerozolowego w interakcji z nimi, co jest sprzeczne z wynikami pomiarowymi na podstawie obserwacji. Z kolei, te drugie, pokazały symulacje, w których wprawdzie jest słabsze sprzężenie zwrotne chmur, ale i też pośredni efekt aerozolowy jest mniejszy, co jest bardziej zgodne z obserwacjami.
Symulacje pokazały, że różnice w asymetrii ocieplenia, między obu półkulami, pomiędzy modelami T9 i B9 są szczególnie wyraźne w latach 1950-2000.
–
Czyżby starsze modele pokazujące niższą czułość klimatu były naprawdę dokładniejsze od nowszych modeli pokazujących wyższą czułość klimatu?
Podsumowując temat, naukowcy odkryli, że modele o niższej czułości klimatycznej są bardziej zgodne z obserwowanymi różnicami temperatury między półkulą północną i południową, a zatem stanowią dokładniejszy obraz przewidywanej zmiany klimatu niż nowsze modele z wyższą czułością klimatu.
Badanie zostało wsparte przez inicjatywę łagodzenia emisji dwutlenku węgla (CMI) z siedzibą w Instytucie Środowiskowym High Meadows (HMEI – High Meadows Environmental Institute) w Princeton.
Współautor powyższej pracy Gabriel Vecchi, profesor nauk o Ziemi w Princeton i High Meadows Environmental Institute oraz główny badacz w CMI w serwisie Eurekalert, tak powiedział 8:
Większa czułość klimatu wymagałaby oczywiście znacznie bardziej agresywnego ograniczania emisji dwutlenku węgla.
Społeczeństwo musiałoby znacznie szybciej zmniejszyć emisje dwutlenku węgla, aby osiągnąć cele porozumienia paryskiego i utrzymać globalne ocieplenie poniżej 2 stopni Celsjusza. Zmniejszenie niepewności czułości klimatu pomaga nam opracować bardziej niezawodną i dokładną strategię radzenia sobie ze zmianami klimatu.
—
Rekordowo ciepły 2023 rok. Przyczyną było też wysokie zachmurzenie
2023 rok był rekordowo ciepły. Według danych Światowej Organizacji Meteorologicznej (WMO – World Meteorological Organization) średnia temperatura powierzchni Ziemi wyniosła aż 1,45 stopnia Celsjusza. Od prawie dekady jest wiadomo, że zmienia się zachmurzenie naszej planety. A właściwie zanikają chmury na niskim poziomie czy też wędrują w obszary polarne. Na ten temat przed chwilą zostało już powiedziane.
Co wyjątkowego przyniósł z sobą 2023 rok? Okazało się, że obok wpływu oscylacji południowopacyficznej El Nino na ogrzewanie planety, redukcji aerozoli siarczanowych w światowej żegludze morskiej poważnym czynnikiem sprawczym znaczącego ocieplenia Ziemi w 2023 r. była równie znacząca redukcja niskich chmur. Spadek aerozoli siarczanowych w żegludze także miał swój udział w zmniejszeniu się tworzenia aerozolowych jąder kondensacyjnych – zalążków tworzenia się chmur, gdyż na nich właśnie z reguły koncentrują się cząsteczki pary wodnej.
Ponadto w ociepleniu planety mogły mieć swój udział takie czynniki jak zwiększona aktywność słoneczna w maksimum 25 cyklu słonecznym oraz emisje do stratosfery dużych ilości pary wodnej podczas erupcji wulkanu Hunga Tonga na południowym Pacyfiku. W pierwszym przypadku było to wymuszenie słoneczne. A w drugim wulkaniczne. Z reguły jest tak, że wulkany wydzielają do stratosfery duże ilości aerozoli siarczanowych. Tym razem jednak podwodny wulkan wyemitował duże ilości gazu cieplarnianego takiego jak para wodna.
–
Redukcja aerozoli = redukcja chmur
Generalnie. Redukcja aerozoli w atmosferze planety oznacza redukcję chmur. A to z kolei oznacza większe natężenie promieniowania słonecznego i większe jej ogrzewanie. A jak wiadomo rosnące stężenia gazów cieplarnianych zatrzymują w ten sposób jeszcze więcej energii cieplnej. Energii od Słońca w zakresie fal promieniowania widzialnego, które jeszcze bardziej wzmacnia energię planety w zakresie fal promieniowania podczerwonego, zatrzymywanego przez wspomniane gazy cieplarniane.
–
Luka temperaturowa wielkości 0,2 stopnia Celsjusza
Klimatolodzy: Helge Goessling z niemieckiego Instytutu im. Alfreda Wegenera (AWI) na Uniwersytecie w Bremie oraz Thomas Rackow i Thomas Jung z Europejskiego Centrum Prognoz Średnioterminowych ECMWF) w Bonn zbadali, że 2023 rok był mocno niedoszacowany. Zasugerowali w badaniu, że wystąpiła luka temperaturowa wielkości 0,2 stopnia Celsjusza. Zaobserwowali, że albedo planety było rekordowo niskie. Przyczynę znaleźli właśnie w zanikaniu chmur na niskim poziomie na północnych średnich szerokościach geograficznych oraz w tropikach na obu półkulach. 9
– 0,2-stopniowa luka wyjaśniająca dla 2023 r. jest obecnie jednym z najbardziej intensywnie omawianych zagadnień w badaniach klimatycznych — powiedział główny autor powyższej pracy naukowej Helge Goessling ze wspomnianego instytutu w Niemczech.
–
Projekty NASA i ECMWF
Aby dokładniej zrozumieć ten problem, wspomniani modelarze z AWI i EMCWF sięgnęli samych początków danych:
a) ze zdjęć satelitarnych NASA w celu śledzenia pokrycia chmurami
b) zapisów pogodowych zebranych przez ECMWF w celu śledzenia gęstości chmur na różnych wysokościach.
Projekt NASA Chmury i ziemski system energii promienistej (CERES – Clouds and the Earth’s Radiant Energy System) kompiluje dane satelitarne z dłuższych okresów czasu, w taki sposób aby stworzyć bilans budżetu promieniowania Ziemi. Ma on za zadanie prześledzenie, ile światła słonecznego pochłania nasza planeta w porównaniu z ilością energii podczerwonej emitowanej z powrotem w przestrzeń kosmiczną..
Z kolei projekt ECMWF reanaliza ERA5 co godzinę kompiluje i analizuje różne dane z satelitów, balonów meteorologicznych i instrumentów atmosferycznych od poziomu morza aż do wysokości 50 mil (80 kilometrów). Badania te trwają od 1940 r.
W sumie celem badawczym badań NASA i ECMWF było połączenie szeregu danych obserwacyjnych ze złożonym modelem pogodowym. A także głębsze przyjrzenie się szczegółowej analizie ewolucji globalnego budżetu energetycznego i zachmurzenia na różnych wysokościach na przestrzeni minionych dekad..
– Naszą uwagę przykuło to, że zarówno w zbiorach danych NASA, jak i ECMWF rok 2023 wyróżniał się jako rok o najniższym albedo planet — powiedział współautor dr Thomas Rackow z ECMWF.
Zdaniem badaczy powierzchnia Ziemi stała się mniej odblaskowa ze względu na spadek niektórych typów chmur. To zmniejszenie odblaskowości może pomóc wyjaśnić dodatkowe ocieplenie.
W sumie wyniki badań wskazały, ze w 2023 roku mniej energii cieplnej uciekało (i nadal ucieka) w kosmos. A więcej jej zaczęło przybywać od naszej gwiazdy Słońca.
– Rok 2023 [zaskoczył] nas, a rok 2024 nadal to robi — powiedział współautor badania Thomas Jung z ECMWF.
–
Albedo a chmury
Jeszcze pół wieku temu białe powierzchnie lodu i śniegu, a także chmur na niskim poziomie troposfery skutecznie odbijały promienie słoneczne w kosmos. Ale badacze z AWI i EMCWF zwrócili uwagę, że od co najmniej lat 70-tych XX wieku albedo Ziemi spada.
A przyczyną tego jest trwające od ponad dwóch stuleci ogrzewanie planety. Emisje gazów cieplarnianych antropogenicznego pochodzenia powodują wzrost koncentracji gazów cieplarnianych, które w systemie planetarnym (troposfera + powierzchnia lądów i oceany) przyczyniają się do kurczenia się zasięgów lodu morskiego w Arktyce (od 1992 r.) i Antarktyce (od 2016 r.), a także są czynnikiem sprawczym zanikania nisko położonych chmur w troposferze.
Ich badanie z 2024 r. wskazało, że spadek albedo powierzchni w regionach polarnych stanowi jedynie około 15 procent ostatniego spadku albedo planetarnego. A więc brakuje jeszcze aż 85 procent.
–
Przy ustalaniu budżetu energetycznego Ziemi co jeszcze naukowcy niemieccy odkryli ciekawego?
Gdyby od grudnia 2020 r. nie było zmniejszonego albedo to planeta byłaby chłodniejsza o 0,23 stopnie Celsjusza.
Dr Goessling zauważył, że niskie albedo w szczególności zauważalne było na północnym Atlantyku we wschodniej części. Tam też były wysokie regionalne rekordy temperatur w 2023 r. I tam też został zaznaczony wyjątkowo wysoki spadek niskopoziomowych chmur. Następnie dodał, że to dotyczy prawie całego Atlantyku na przestrzeni minionej dekady.
– Jeśli znaczna część spadku albedo jest rzeczywiście spowodowana sprzężeniami zwrotnymi między globalnym ociepleniem a niskimi chmurami, jak wskazują niektóre modele klimatyczne, powinniśmy spodziewać się dość intensywnego ocieplenia w przyszłości – podkreślił badacz z AWI.
Ponadto Goessling podkreślił istotny fakt, zbadany już wcześniej, że lodowe zimne chmury wysokie mniej odbijają promieniowania słonecznego w kosmos, a więcej pochłaniają promieniowania ziemskiego podczerwonego. A uwodnione ciepłe chmury niskie dają właśnie odwrotny efekt, ale ich niestety w coraz cieplejszym świecie ubywa.
W sumie badacze nie wykluczają też wpływu oceanów. Cykliczne cyrkulacje oceaniczne Pacyfiku i Atlantyku, trwające nawet kilka dekad, możliwe, że też mogą mieć wpływ na ubywanie chmur w troposferze ziemskiej. Jednak są to tylko na razie domysły. Badania zapewne na temat zaniku niskopoziomowych chmur jeszcze długo potrwają.
—
Referencje:
- Kardaś A., 2014 ; Chmury, klimat i przyśpieszony wzrost temperatur ; Nauka o klimacie ; https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/chmury-klimat-i-przyspieszony-wzrost-temperatur-32/
- Sherwood S. C. et al., 2014 ; Spread in model climate sensitivity traced to atmospheric convective mixing ; Nature ; https://www.nature.com/articles/nature12829
- Norris J. R. et al., 2016 ; Evidence for climate change in the satellite cloud record ; Nature ; https://www.nature.com/articles/nature18273
- McSweeney R., 2016 ; Shifting global cloud patterns could amplify warming, study says ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/shifting-global-cloud-patterns-could-amplify-warming-study-says
- Bjordal J. et al., 2020 ; Equilibrium climate sensitivity above 5°C plausible due to state-dependent cloud feedback ; Nature Geoscience ; https://www.researchgate.net/publication/344890474_Equilibrium_climate_sensitivity_above_5_C_plausible_due_to_state-dependent_cloud_feedback
- Carlsen T. et al., 2020 ; Guest post: How declining ice in clouds makes high ‘climate sensitivity’ plausible ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/guest-post-how-declining-ice-in-clouds-makes-high-climate-sensitivity-plausible
- Wang C. et al., 2021 ; Compensation Between Cloud Feedback and Aerosol-Cloud Interaction in CMIP6 Models ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2020GL091024
- Princeton University, 2021 ; High end of climate sensitivity in new climate models seen as less plausible ; EurekAlert ; https://www.eurekalert.org/news-releases/820279
- Goessling H. F. et al., 2024 ; Recent Global Temperature Surge Intensified by Record-Low Planetary Albedo ; Science ; https://epic.awi.de/id/eprint/59831/1/adq7280_Merged_AcceptedVersion_v20241206.pdf