Ostatnio badania znaczącego wzrostu temperatur dziennych w stosunku do nocnych wzbudzają zaniepokojenie. Jedno z nich mówi o fizyce chmur. Coraz wyraźniej globalne ocieplenie przyczynia się do tego, że na niebie jest coraz mniej chmur.
Chmury są bardzo trudnym elementem klimatycznym do obliczania ich dynamicznej zmienności pod wpływem dalszego ocieplania się klimatu. Działają one w dwójnasób. Z jednej strony chłodzą klimat. A z drugiej go ogrzewają. Przez wiele było bardzo trudne wykonanie pomiarów w chmurach. Nadal stanowią stopień wysokiej niepewności pod kątem tego jak globalne ocieplenie wywiera wpływ na nie.
Odkrycie asymetrii chmur
Badacze z Uniwersytetu w Lipsku oraz z Uniwersytetu Sut Yan-sena w Zhuhai (Chiny) odkryli, że pokrywa chmur w skali globalnej wykazuje coraz wyraźniejszą asymetrię. Zaobserwowali, że zmniejsza się ona bardziej w ciągu dnia niż w nocy.
W swojej pracy naukowej, zamieszczonej w Science Advances, skoncentrowali się na opisie długoterminowych trendów w dobowym cyklu chmur (CDC). Zarówno przedstawionych w czasie historycznym (1970-2014), jak i prognozowanych w latach 2015-2100. W obu przypadkach zostały przeprowadzone symulacje komputerowe na podstawie zestawu porównawczych sprzężonych modeli z szóstej fazy projektu (CMIP6).
Badanie zostało przeprowadzone na obu półkulach Ziemi. Na szerokościach geograficznych między 60°S a 60°N. Mając na względzie długoterminowy trend, naukowcy odkryli dobową asymetryczną szybkość zmian frakcji chmur. Oznaczyli ją jako różnicę w czasie między godziną 12.00 w południe a 0.00 o północy.
Dwa zmienne efekty klimatologiczne: albedo a efekt cieplarniany
Zmiany w dobowym cyklu chmur (CDC) są następstwem zmian w dobowym cyklu w efektach radiacyjnych (efektach związanych z promieniowaniem) chmur (CRE). Ta zmiana w CRE obejmuje dwa składniki:
– efekt albedo krótkofalowy
– efekt cieplarniany długofalowy
Z jednej strony chmury odbijają światło słoneczne z powrotem w przestrzeń kosmiczną (efekt albedo). Z drugiej strony wychwytują wychodzące promieniowanie długofalowe (efekt cieplarniany). W pierwszym przypadku chmury mają tendencje do chłodzenia powierzchni planety. A w drugim do jej ogrzewania.
Ogólnie w skali globalnej pokrywa chmur wykazuje wyraźnie dobową asymetrię. Zarówno poprzez zmniejszenie dziennego efektu krótkofalowego albedo chmur, jak i zwiększenie nocnego efektu cieplarnianego długofalowego chmur.
Czułość klimatu jest niepewna w reakcji chmur na temperaturę powietrza przy powierzchni
Naukowcy oczekują, że globalne ocieplenie z biegiem czasu może zmienić dzienną średnią frakcję zachmurzenia. Ponieważ chmury mogą albo zwiększyć, albo też zmniejszyć wzrost temperatury.
Dobowe zmiany, które mają miejsce w sprzężeniu zwrotnym chmur, mogą w określonych porach dnia wpływać na zmianę temperatury powietrza przy powierzchni (SAT).
Sprzężenie zwrotne chmur, czyli reakcja chmur na zmianę tejże temperatury oraz na wpływ na późniejsze zmiany budżetu radiacyjnego, przyczynia się w jakimś stopniu do wytworzenia się bardzo dużej niepewności pod względem oszacowania czułości klimatu. Czyli przewidywanej zmiany średniej temperatury na powierzchni Ziemi przy dwukrotnej zmianie koncentracji dwutlenku węgla.
Fot. Coraz mniej chmur unoszących się na niebie. Źródło: Sanjany Gajbhiye/CC BY-SA 4.0
Dlaczego powstaje dobowa asymetria podczas sprzężenia zwrotnego
Reakcja temperatury powietrza przy powierzchni na długoterminowy trend pokrywy chmur jest dość skomplikowana. Ponieważ naukowcy zaobserwowali, że ten trend wykazuje w wyraźny sposób dobową asymetrię. Została ona wywołana kilkoma rozpoznanymi procesami sprzężenia zwrotnego, takimi jak:
– zmiany pokrywy chmur,
– wilgotność atmosferyczna,
– wilgotność gleby,
– aerozol antropogeniczny.
Jednak co bardzo istotne, badacze zauważyli, że emisje antropogenicznych gazów cieplarnianych odgrywają w tym procesie dość istotną rolę. Mianowicie, przyczyniają się one w dużym zakresie do powstawania asymetrii dobowej, która z kolei powstaje dzięki także asymetrycznemu trendowi stabilności dolnej troposfery. Stabilność tej dolnej warstwy atmosfery w porze dziennej przyczynia się do zmniejszania się zachmurzenia. A na wszystko mają wpływ wspomniane gazy cieplarniane.
W sumie dobowa asymetria powoduje pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego, która coraz mocniej wzmacnia globalne ocieplenie.
Jakie w badaniu jeszcze wykorzystano narzędzia?
W celu dokładniejszej analizy dobowo asymetrycznych zmian frakcji zachmurzenia w badaniu powyższym zostały wzięte pod uwagę dwie kluczowe światowego formatu reanalizy (narzędzia klimatologiczne):
- z Europejskiego Centrum Prognoz Średnioterminowych (ECMWF)
ERA5 (reanaliza piątej generacji dotycząca globalnego klimatu, obejmująca okres od stycznia 1940 r. do chwili obecnej)
- z Narodowej Agencji Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) MERRA-2 (pierwsza długoterminowa globalna reanaliza mająca na celu przyswojenie obserwacji aerozoli z przestrzeni kosmicznej i przedstawienie ich interakcji z innymi)
Ponadto, naukowcy w badaniu jeszcze wykorzystali serię tak zwanych produktów chmurowych ISCCP-H. Piszą następująco: – Oferują one globalne długoterminowe dane klimatyczne dotyczące chmur, które pochodzą z kombinacji satelitów polarnych i geostacjonarnych.
Co mówią naukowcy
Yong Han z Uniwersytetu Sun Yat-sena w Zhuhai (Chiny), współautor badania, wyjaśnia: – Zmiana pokrywy chmur nie jest równomiernie rozłożona w ciągu dnia. W ciągu dnia, gdy promieniowanie słoneczne jest najsilniejsze, zaobserwowaliśmy większą redukcję chmur. W nocy, gdy powierzchnia Ziemi normalnie się ochładza, pokrywa chmur zatrzymuje ciepło, a tym samym wzmacnia efekt cieplarniany.
– W ciągu dnia chmury odbijają światło słoneczne z powrotem w przestrzeń kosmiczną, chłodząc powierzchnię Ziemi. W nocy natomiast działają jak koc, zatrzymując ciepło. Dzięki temu powierzchnia Ziemi pozostaje ciepła. „Dlatego chmury odgrywają decydującą rolę w klimacie Ziemi — mówi meteorolog, profesor Johannes Quaas z Uniwersytetu w Lipsku
– Ponieważ w skali globalnej zachmurzenie zmniejsza się bardziej w ciągu dnia niż w nocy, prowadzi to do zmniejszenia krótkofalowego efektu albedo w ciągu dnia i zwiększenia długofalowego efektu cieplarnianego w nocy – wyjaśnia Hao Luo, główny autor badania z Uniwersytetu w Lipsku i z Uniwersytetu Sun Yat-sena w Zhuhai.
Referencje:
Hao Luo, Johannes Quaas i Yong Han, 2024 ; Diurnally Asymmetric Cloud Cover Trends Amplify Greenhouse Warning ; Science Advances ; https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado5179
Suzann Sika, 2024 ; How Shifting Cloud Patterns are Exacerbating Climate Change ; Phys.Org ; https://phys.org/news/2024-06-shifting-cloud-patterns-exacerbating-climate.html