W 1956 roku kanadyjski fizyk Gilbert Norman Plass opublikował artykuł „The Influence of the 15 μ Carbon-Dioxide Band on the Atmospheric Infra-Red Cooling Rate”, który stał się jednym z najważniejszych kamieni milowych w powojennej klimatologii. Była to pierwsza tak precyzyjna, numeryczna analiza wpływu dwutlenku węgla na bilans promieniowania Ziemi. Plass wykorzystał dane za pomocą metody spektroskopowej. Ponadto po raz pierwszy w badaniu klimatologicznym posłużył się komputerami cyfrowymi w celu policzenia czegoś, co wcześniej było uznawane jedynie za hipotezę: w jak dokładny sposób zmiana stężenia CO₂ zaczęła wpływać na tempo wypromieniowywania energii w podczerwieni i temperaturę powierzchni planety.
Praca z 1956 r. jest uważana za wybitnie rygorystyczną, w której Gilbert Plass dokonał obliczeń transferu radiacyjnego w atmosferze, Ziemi. Ściślej koncentrowały się one na kluczowym paśmie absorpcyjnym CO₂ o długości fali około 15 μm. Naukowiec pokazał, że zmiany koncentracji CO₂ powodują modyfikację tempa chłodzenia radiacyjnego atmosfery. Ponadto obliczył, że przy podwojeniu stężenia tego gazu temperatura planety prowadzi do ocieplenia rzędu kilku stopni Celsjusza. Tyle właśnie w tamtych czasach wynosiła czułość klimatu.
Fot. Gilbert Plass w 1955 r. Hodges Photographers, courtesy of AIP Emilio Segrè Visual Archives/CC BY-SA 4.0
Dlaczego pasmo 15 μm było kluczowe
Plass jako pierwszy naukowiec ściśle skoncentrował się na jednym, konkretnym obszarze widma: silnym paśmie absorpcyjnym CO₂, skoncentrowanym na długości 15 mikrometrów (około 667 cm⁻¹). To właśnie w tym zakresie promieniuje większa część energii cieplnej promieniuje, która jest emitowana przez powierzchnię Ziemi i dolną troposferę, zgodnie z prawem Plancka dla temperatur około 288 K (kelvinów) – około 15 stopni Celsjusza.
Wcześniejsze analizy: Svantego Arrheniusa na przełomie XIX i XX w., a kilka dekad później Guya Stewarta Callendara były oparte na bardziej uproszczonych metodach całkowania widmowego, a także przybliżeniach, które dotyczyły nasycenia wspomnianego pasma 15 mikrometrów. Wielu fizyków, zarówno w poprzednich latach, jak iw czasach Plassa, błędnie uważało, że linie absorpcyjne CO₂ są „wysycone”. Uważali, że dalszy wzrost stężenia nie zwiększy istotnie absorpcji. Plass jednak podszedł do tego problemu w sposób nowatosrski. Uwzględnił szczegółową strukturę linii widmowych oraz tzw. ich skrzydła.
Okazało się, że w tym przypadku kluczowe było zrozumienie zjawiska poszerzenia linii spektralnych przez ciśnienie atmosferyczne. W dolnej atmosferze, gdzie występują dość częste zderzenia molekuł, linie absorpcyjne rozszerzają się. Z kolei ich skrzydła zaczęły odgrywać ważną rolę w pochłanianiu promieniowania. To właśnie w tych skrzydłach dodatkowy CO₂ nadal przyczyniał się do zwiększania absorpcji.
Dzięki temu Plass wykazał, że nawet jeśli centralna część linii jest bliska nasycenia, wzrost koncentracji tego gazu powoduje zwiększanie się szerokości efektywnego pasma absorpcji. Oznacza to, że efekt cieplarniany CO₂ nie „kończy się” przy określonym stężeniu, ponieważ rośnie logarytmicznie wraz z koncentracją.
Metoda: numeryczne rozwiązanie równania transferu radiacyjnego
Głównym sednem pracy z 1956 r. było rozwiązanie równania transferu radiacyjnego dla atmosfery, która został podzielona na warstwy aż do wysokości około 75 km. Dzięki temu Plass po kolei obliczał strumienie promieniowania skierowane w górę i w dół, uwzględniając jego emisję i absorpcję w każdej warstwie.
W praktyce oznaczało to numeryczne całkowanie równania:
dI/ds = -κρI + κρB(T)
gdzie:
-
I to natężenie promieniowania,
-
κ współczynnik absorpcji,
-
ρ gęstość,
-
B(T) funkcja Plancka,
-
s droga optyczna.
Atutem pracy Plassa jest to, że w jego dyspozycji były szczegółowe laboratoryjne dane spektroskopowe, które dotyczyły współczynników absorpcji CO₂. Przy tym wszystkim, nie posługiwał się uśrednionymi parametrami, ale mógł analizować strukturę widma z dość dużą rozdzielczością pozwalającą zidentyfikować odpowiednie profile linii.
Jednak co najważniejsze, posłużył się wczesnymi komputerami cyfrowymi w celu wykonania tysięcy operacji całkowania. Z perspektywy dzisiejszych czasów, w połowie lat 50. było to i tak podejście bardzo nowatorskie. Jak wiadomo, ręczne obliczenia nie umożliwiałyby na to, by precyzyjnie dokonać symulacji ocieplenia klimatu ziemskiego z powodu antropogenicznych emisji.
Obliczenia te przede wszystkim dotyczyły tzw. szybkości chłodzenia radiacyjnego – czyli tempa, w jakim atmosfera traciła energię przez emisję w podczerwieni. Zmiana stężenia CO₂ przyczyniała się do modyfikacji tego parametru, i jednocześnie wymuszała nową równowagę temperaturową.
Wyniki ilościowe: czułość klimatu i logarytmiczna zależność
Plass obliczył, że podwojenie koncentracji CO₂ (czułość klimatu) prowadzi do wzrostu temperatury powierzchni Ziemi o około 3,6°C przy uwzględnieniu omówionych parametrów strumieni promieniowania. Jednak gdy weźmie się pod uwagę wpływ chmur czułość klimatu obniżyła się do około 2,5°C.
Jest to szczególnie ważne z porównaniem dzisiejszej wartości czułości klimatu (około 2,5–4°C przy podwojeniu CO₂). Oznacza to, że już w 1956 roku, przy znacznie skromniejszych i mniej doskonałych narzędziach technologicznych, uzyskano wartości dość bliskie dzisiejszemu konsensusowi.
Plass mocno podkreślał duże znaczenie logarytmicznego aspektu zależności między koncentracją CO₂ a efektem radiacyjnym Ziemi. Już wtedy obliczenia wykazały, że każde kolejne podwojenie stężenia powoduje podobny przyrost wymuszenia radiacyjnego. Tą zależność dziś zapisuje się w uproszczonej postaci jako:
ΔF ≈ 5,35 ln(C/C₀)
Choć sam Plass nie zapisał jej w tejże dokładnej formie, to i tak jego wyniki były z nią zgodne jakościowo i ilościowo.
W pracy pokazano również, że bardzo ważny gaz cieplarniany: para wodna w ogóle nie eliminuje wpływu CO₂ pod kątem globalnego ocieplenia. O ile okazało się, że para wodna dominuje w niektórych zakresach widma, to o tyle istnieją „okna atmosferyczne” oraz obszary w widmie promieniowania podczerwonego, w których CO₂ odgrywa decydującą rolę.
Prognozy antropogeniczne: spalanie paliw kopalnych
Plass nie tylko zajmował się analizą stricte dotyczącą klasycznej fizyki radiacyjnej, ale też tak jak Guy Stewart Callendar wyraźnie wskazywał, że spalanie paliw kopalnych przyczynia się do zwiększania stężenia CO₂ w tempie, które może doprowadzić do znaczącego ocieplenia w ciągu kilku dekad.
Naukowiec oszacował, że w jego czasach tempo emisji gazów cieplarnianych do końca wieku doprowadzi do wzrostu koncentracji CO₂ nawet o około 30%. Dziś wiemy, że to oszacowanie okazało się trafne co do rzędu wielkości. Przewidywał wówczas także, że efekt ten będzie miał zasięg globalny, a nie lokalny.
I co istotne, Plass zwracał też uwagę na to, że oceany nie pochłoną całego emitowanego CO₂ w tak szybkim tempie, jak wcześniej sądziło wielu sceptycznych naukowców. A wiec, wiązało się to z tym, że część emisji będzie gromadzić się w atmosferze, wzmacniając efekt cieplarniany.
Znaczenie historyczne i naukowe
Praca z 1956 r. okazała się faktycznie pierwszą w pełni nowoczesną analizą efektu cieplarnianego, która została oparta na pełnym transferze radiacyjnym i danych spektroskopowych. Dzięki niej został ustanowiony standard metodologiczny, który później rozwinięto w modelach radiacyjno-konwekcyjnych i ogólnych modelach cyrkulacji (GCM).
Plass przywrócił do głównego nurtu klimatologii pierwsze obliczenia czułości klimatu przez Svantego Arrheniusa oraz przypomniał pierwsze pomiary stężenia CO₂ i temperatury w skali planetarnej, wykonane przez Guya Stewarta Callendara. Dzięki tym poprzednikom w powojennej klimatologii nadał twarde podstawy fizyczne w obliczaniu ocieplenia Ziemi. Jego praca stała się wyrazistym pomostem między XIX-wieczną i przedwojenną XX-wieczną klimatologią a współczesną, w której zaczęły powoli odgrywać dużą rolę komputery oraz pierwsze modele klimatu.
Co jest szczególnie istotne z dzisiejszej perspektywy: podstawowa fizyka przedstawiona w 1956 roku nie została do dziś obalona. Została tylko bardziej rozwinięta. Doprecyzowana i osadzona w bardziej złożonych współczesnych modelach, ale – co najważniejsze – rdzeń radiacyjny pozostaje wciąż ten sam.
Gilbert Plass nie stworzył jeszcze pełnego modelu klimatycznego z oceanami, chmurami i sprzężeniami zwrotnymi. Ale jako pierwszy zbudował fundament — precyzyjne, numeryczne wyliczenie wpływu CO₂ na promieniowanie. I to właśnie ten istotny fundament uczynił z jego pracy jeden z najważniejszych kamieni milowych powojennej klimatologii.
Źródła:
Gilbert Norman Plass, 1956 ; The influence of the 15p carbon-dioxide band on the atmospheric infra-red cooling rate ; The Johns Hopkins University, Baltimore, U.S.A. ; https://geosci.uchicago.edu/~archer/warming_papers/plass.1956.radiation.pdf