Latem 1979 roku w Woods Hole Oceanic Institution grupa wybitnych fizyków atmosfery i oceanografów zamknęła się w sali konferencyjnej, by odpowiedzieć na jedno kluczowe pytanie: co stanie się z Ziemią, jeśli podwoimy stężenie dwutlenku węgla? Ich chwytliwa odpowiedź – do dziś zaskakująco mocno aktualna – stała się jednym z fundamentów współczesnej nauki o klimacie. Raport (praca naukowa) pod przewodnictwem naukowca amerykańskiego meteorologa Jule’a Gregory’ego Charneya stał się epokowym w dziedzinie powojennej klimatologii. Stał się wyznacznikiem swego rodzaju trajektorii którą nauka zaczęła podążać przez ponad cztery dekady.
Raport Charneya z 1979 roku stanowił pierwszą spójną próbę „zamknięcia bilansu klimatu” przy zastosowaniu modeli klimatycznych. Jej rdzeniem była „magiczna” liczba 3°C po podwojeniu stężenia CO₂ (z zakresem 1,5–4,5°C), czyli w dużej mierze zgodnie z pierwszymi pięcioma Raportami Oceny IPCC (1990, 1995, 2001, 2007, 2014 r.). Co najistotniejsze, to nie był żaden przypadek lecz to był efekt wielu powtarzanych symulacji komputerowych. świadomego pogodzenia konkurujących modeli, fizyki atmosfery i pierwszych symulacji komputerowych.
Fot. Jule Gregory Charney – amerykański meteorolog (1917-1981). Źródło: MT Musem/domena publiczna
Gdzie zaczyna się przyszłość: nauka przed Charneyem
Należy przypomnieć że praca naukowa, a właściwie raport, Julesa Gregory’ego Charneya to kontynuacja badań zmian klimatu. Jak już wiemy, pod koniec XIX wieku w 1896 r. Szwed Svante Arrhenius jako pierwszy naukowiec oszacował wpływ CO₂ na temperaturę Ziemi po podwojeniu stężenia CO2. Po wojnie w 1967 r. Amerykanin japońskiego pochodzenia, Syukuro Manabe i Amerykanin Richard Wetherald stworzyli pierwsze modele konwekcyjno-radiacyjne. Za ich pomocą pokazali, że atmosfera reaguje na wzrost stężenia CO₂ w sposób systemowy.
Do końca lat 70. nauka znajdowała się jednak w stanie ciągłego napięcia. Różne modele klimatologów dawały różne wyniki, a ich wiarygodność była kwestionowana przez cały czas czujnych sceptyków i negacjonistów klimatycznych. Właśnie dlatego amerykańska Narodowa Akademia Nauk (NAS – National Academy of Sciences) powołała zespół pod kierownictwem Charneya – by przedstawić dowody na podstawie praw fizyki przeciwko dziwacznym spekulacjom pseudonaukowym.
To, co zespół zrobił, było na wskroś bardzo wyjątkowe i nowatorskie. Nie stworzył jednego modelu, lecz zestawił istniejące już tezy naukowe z własną zaproponowaną. Już wtedy było jasne, że klimat nie jest prostym układem gdyż jest to dynamiczna sieć sprzężeń zwrotnych, w której para wodna, chmury i lód wzajemnie się wzmacniają lub tłumią.
Laboratorium planety: jak działała metodologia raportu
Największą siłą raportu Charneya była jego metodologia. Była ona zaskakująco nowoczesna jak na koniec lat 70.
Zespół skupił się na tzw. „czułości klimatu” (climate sensitivity), czyli odpowiedzi temperatury globalnej na podwojenie stężenia CO₂. Wykorzystano w tym celu modele ogólnej cyrkulacji atmosfery (GCM – Global Circulation Models), ale w uproszczonej formie, czyli, zaproponował płytsze warstwy oceanu zamiast pełnej dynamiki oceanicznej.
Kluczowe w tym raporcie było uwzględnienie tzw. szybkich sprzężeń zwrotnych:
- pary wodnej (najsilniejszego wzmacniacza efektu cieplarnianego, ale przy relatywnie dużym stężeniu CO2 i wysokiej temperaturze powietrza atmosferycznego),
- lodu i śniegu (efektu wysokiego albedo, ponieważ jaśniejsze powierzchnie odbijają więcej promieni słonecznych w kosmos, przez co Ziemia mniej się nagrzewa, bo przy niskim albedo, ciemniejsze powierzchnie odbijają mniej promieni słonecznych),
- chmur (składnika w systemie klimatycznym, który wykazuje największą niepewność: chmury niskie więcej odbijają promieni słonecznych w kosmos oraz mniej są ogrzewane przez strumienie promieni podczerwonych płynących z powierzchni Ziemi, przez co mają wpływ ochładzający klimat ; a chmury wysokie mniej odbijają promieni słonecznych w kosmos oraz więcej są ogrzewane przez strumienie promieni podczerwonych płynących z tejże powierzchni, przez co mają wpływ ogrzewający klimat planety).
W raporcie jednak nie zostały jeszcze uwzględnione powolne procesy – takie jak topnienie lądolodów czy zmiany roślinności (przesuwanie się biomów i ekosystemów w kierunku biegunów pod wpływem wzrostu temperatury). Raczej skoncentrował się on na tym, co można było wtedy wiarygodnie policzyć. Przede wszystkim porównali wyniki różnych zespołów – m.in. wyniki modelowe Manabe i Wetheralda – i wyciągnęli dość zaskakujące wnioski.
Rys. Prognoza wzrostu temperatury od 1979 do 2019 r. pod wpływem wzrostu stężenia CO2 w atmosferze Ziemi, ustalona w Raporcie Charneya (1979). Źródło: Jule Gregory Charney et al./CC BY 4.0
Wykres, który przetrwał epokę
Najbardziej poruszającym elementem raportu jest zaprezentowana krzywa zależności temperatury od stężenia CO₂.
Tu jednak warto podkreślić, iż nie był to jeszcze „wykres Charneya” w dzisiejszym sensie graficznym. Była to raczej nieomal logarytmiczna zależność pomiędzy wzrostem stężenia CO₂ a wzrostem temperatury planety. Do dziś jest to kluczowy punkt odniesienia (zapewne zespół Charneya miał na myśli 1750 r. choć tego jasno w 1979 r. nie sprecyzował). W każdy razie pytaniem zasadniczym było wówczas, o ile wzrośnie temperatura naszej planety, jeśli podwoi się stężenie CO2.
Właśnie tutaj pojawiła się liczba, która stała się ikoną nauki o klimacie (głównie wykorzystaną w 5 Raporcie Oceny IPCC:
- ~3°C jako wartość najbardziej prawdopodobna
- zakres 1,5–4,5°C jako niepewność
Ten zakres – ustalony w 1979 roku – przetrwał dekady niemal bez zmian i był powtarzany przez kolejne raporty IPCC.
To niezwykłe. W czasach pisania pracy przez zespół Charneya postęp technologiczny, w postaci superkomputerów i satelitów, nie był tak mocno zaawansowany jak teraz, a mimo to jej pierwsza synteza okazała się zadziwiająco trafna.
Między niepewnością a pewnością: co wiedzieli już wtedy
Raport nie był katastroficzny ani alarmistyczny. Jak na tamte czasy był mimo wszystko bardzo ostrożny. Jednak wyczuć można w nim było charakter stanowczy, zwłaszcza w kilku punktach.
Po pierwsze, autorzy uznali, że ocieplenie wynikające z emisji CO₂ jest realne i wynika z dobrze poznanych na przestrzeni kilku wieków praw fizyki.
Po drugie, podkreślili, że największą niewiadomą są chmury. Do dziś są problematyczne w modelowaniu klimatu w celu ustalenia jaki one wywierają wpływ całościowy na bilans radiacyjny planety.
Po trzecie, zauważyli coś, co dziś brzmi niemal proroczo: nawet przy niepewnościach, zakres możliwego ocieplenia jest wystarczająco duży, by uznać problem za poważny, co tylko przyniesie wiele realnych zagrożeń w przyszłości (autorzy zapewne mieli nasze czasy, gdy zmiany klimatu są naprawdę coraz groźniejsze dla ludzkości i przyrody).
A przede wszystkim najważniejsza konkluzja społeczna: to była pragmatyczna ocena diagnostyczna ryzyka jakie z sobą niesie dalsze ocieplanie planety.
Dziedzictwo, które nie wyblakło
Znaczenie raportu zespołu Charneya trudno przecenić. To jeden z kamieni milowych współczesnej nauki o klimacie – moment, w którym teoria, obserwacje i modele po raz pierwszy spotkały się w jednym miejscu.
Najważniejsze jest jednak coś innego: trwałość jego wniosków.
- Szacowana czułość klimatu (~3°C) pozostaje centralnym punktem współczesnych analiz pod kątem badań stężeń CO2 i temperatury Ziemi.
- Zakres niepewności (1,5–4,5°C) był powtarzany przez dekady w raportach naukowych, głównie przez IPCC
- Sama koncepcja czułości klimatu zaprezentowana przez zespół naukowy Charneya do dziś stanowi fundament modelowania klimatu.
To rzadki przypadek w nauce: praca sprzed ponad 40 lat, która nie tylko się nie zdezaktualizowała, ale nadal wyznacza ramy debaty wśród klimatologów i naukowców badających zagadnienia zmian klimatu.
W tym sensie raport Charneya nie jest tylko dokumentem historycznym. To punkt odniesienia – kompas, który nadal pokazuje właściwy kierunek naukowy.
I być może właśnie dlatego jego lektura dziś robi tak duże wrażenie. Pokazuje ona, że najważniejsze pytania o klimat zostały zadane już dawno temu. W dużej mierze wyjaśnione. I to nawet wtedy, gdy komputery miały pamięć znacznie mniejszą niż dzisiejsze telefony komórkowe.
Referencje:
Jule G. Charney et al. 1979 ; Carbon Dioxide and Climate: A Scientific Assessment ; National Academies Press ; https://geosci.uchicago.edu/~archer/warming_papers/charney.1979.report.pdf
Neville Nicholls, 2019 ; The Charney Report: 40 years ago, scientists accurately predicted climate change ; Phys.Org. ; https://phys.org/news/2019-07-charney-years-scientists-accurately-climate.html