Na długo przed politycznymi i medialnymi sporami fizycy atmosfery potrafili opisać przyszłość klimatu przy pomocy równań i prostych modeli. W 1983 roku Syukuro Manabe podsumował te badania w pracy Carbon Dioxide and Climatic Change. To nie była tylko prognoza – to był również test fizyki w dziedzinie klimatologii. I ten test czas zdał.
Praca amerykańsko-japońskiego fizyka, meteorologa, klimatologa Syukuro Manabe (pracującego wpierw w Laboratorium Dynamiki Płynów Geofizycznych (GFDL – Geophysical Fluid Dynamics Laboratory) w Waszyngtonie, a potem na Uniwersytecie w Princeton i w Nagoi w Japonii)) była przeglądem i syntezą badań nad czułością klimatu w odpowiedzi na wzrost stężenia dwutlenku węgla (CO₂). Kluczowe pytanie w niniejszej pracy brzmiało: jak bardzo zmieni się temperatura atmosfery, jeśli zmienimy skład jej gazów cieplarnianych?
Odpowiedź nie opierała się na intuicji, lecz na wynikach modeli fizycznych a ściślej na wynikach:
- równań ruchu atmosfery (mechanika płynów w fizyce, dynamika atmosfery w klimatologii),
- równań transportu promieniowania (fizyka promieniowania i atmosfery, bilans radiacyjny klimatu w klimatologii),
- równań bilansu energii i wilgoci (fizyka klimatu / procesy energetyczne i hydrologiczne atmosfery, termodynamika + fizyka procesów fazowych wody w klimatologii)
Jednak głównym założeniem samodzielnej pracy Manabe było przedstawienie wyników modeli radiacyjno-konwekcyjnych w interakcji atmosfera–powierzchnia, a także prezentacja coraz bardziej zaawansowanych ogólnych modeli cyrkulacji (GCM – Global Circulation Models).
To oznacza, że już na początku lat 80. nauka nie tylko rozumiała mechanizm efektu cieplarnianego (w tym jego wzmocnienia), ale potrafiła go również ilościowo opisać.
Fot. Syukuro Manabe, laureat Nagrody Nobla z 2021 r. (łącznie z Klausem Hasselmannem i Giorgio Parisim) za wkład w fizyczne modelowanie klimatu Ziemi , ilościowe określanie jego zmienności i prognozowanie zmian klimatu. Źródło: Bengt Nyman/CC BY 2.0
Fizyka zamiast opinii: klimat jako układ równań
U podstaw pracy Manabe leży jedno założenie: klimat można opisać jako układ równań fizycznych.
Zadaniem ogólnych modeli cyrkulacji (GCM) było przede wszystkim ukazanie w wyraźniejszym świetle prognostycznego systemu równań opisujących następujące kluczowe procesy w systemie planetarnym klimatu ziemskiego:
- dynamiczne (ruch atmosfery),
- radiacyjne (przepływ energii),
- termodynamiczne (wymiana ciepła i wilgoci).
To już nie są uproszczone analogie, lecz prezentacja ilościowa modeli, które pozwoliły symulować stan klimatu jako wynik bilansu energii.
W tym sensie klimat jest opisany prawami fizyki, które można rozwiązywać numerycznie, dzięki symulacjom komputerowym.
Modele radiacyjno-konwekcyjne
Jednym z kluczowych narzędzi, wykorzystanych w pracy Manabe, były modele radiacyjno-konwekcyjne, które analizowały zmiany temperatury atmosfery w odpowiedzi na wzrost stężenia CO₂.
Modele te pokazały, że:
- zmiana składu atmosfery (podwyższanie stężenia gazów cieplarnianych i aerozoli) zaburza równowagę radiacyjną,
- atmosfera reaguje poprzez zmiany konwekcji (średnia temperatura powierzchni planety wpływa na zmiany konwekcji pary wodnej),
- w wyniku czego efektem jest powstanie nowego pionowego profilu temperatury (troposfera wraz z wysokością ociepla się, a stratosfera ochładza).
I tu bardzo ważne spostrzeżenie. Te dynamiczne zmiany w atmosferze ziemskiej prowadzą do charakterystycznego efektu, który spostrzegamy coraz wyraźniej do dziś.
W ostatnim podpunkcie ten charakterystyczny „odcisk palca” efektu cieplarnianego został później – ściślej w latach 90-tych – potwierdzony obserwacyjnie i stanowi jeden z najmocniejszych dowodów na jego antropogeniczne pochodzenie.
Eksperyment 1×CO₂ vs 4×CO₂
Najbardziej eleganckim elementem metodologii Manabe było porównanie dwóch statystycznie stacjonarnych stanów klimatu:
- jednego dla obecnego stężenia CO₂ (1×CO₂),
- drugiego dla jego wielokrotności w przyszłym coraz cieplejszym świecie (gdyby wciąż emisje gazów cieplarnianych wzrastały) (4×CO₂).
Badaczowi nie chodziło o ukazanie symulacji „pogody”, lecz położenie definitywnego nacisku na porównanie dwóch równowag energetycznych planety (obecnej [w czasach pisania tej pracy] i przyszłej [gdyby gwałtownie ludzkość spalała paliwa kopalne i wylesiała planetę]).
W swoich modelach GCM Manabe wziął pod uwagę uchwyceniu sygnału wpływu CO₂ po usunięciu szumu krótkoterminowych naturalnych zmienności klimatu. Dzięki temu można było precyzyjnie określić różnice temperatury i wzorców cyrkulacji atmosferycznej, czyli globalnych przepływów powietrza transportujących ciepło między równikiem a biegunami.
To podejście do dziś pozostaje kluczowym standardem w badaniach klimatu.
Nie tylko średnia: gdzie klimat zmienia się najbardziej
Analiza Manabe nie ograniczała się do globalnej średniej temperatury, lecz obejmowała również przestrzenną i czasową strukturę zmian klimatu.
Badanie to uwzględniało także zróżnicowanie zmian w zależności od szerokości geograficznej. A więc, rozpatrzona została odpowiedź klimatu w okresie sezonowym. W szczególności jednak dokładniejszej analizie został poddany stosunek sygnału (wzrostu stężenia CO₂) do szumu (oddziaływania naturalnych zmienności klimatu (np. oscylacje oceaniczne jak El Niño, dynamiczne zmiany wzorców parowania i opadów) dla temperatury powierzchni planety, szczególnie nad obszarami lądowymi.
Dopiero na tej podstawie określono charakter zmian temperatury. Wyniki pokazały, że ocieplenie nie jest jednorodne:
- jest silniejsze nad lądami niż nad oceanami,
- ulega wzmocnieniu w wyższych szerokościach geograficznych, oraz
- wykazuje istotne zróżnicowanie sezonowe.
A to oznacza, że wcześniejsze modele jedynie sugerowały ten wzorzec ocieplenia. Manabe pokazał go w pełnej skali i z precyzyjną dokładnością, którą dziś potwierdzają liczne obserwacje.
Klimat symulowany: realizm modelu Manabe
W niniejszej pracy zastosowane modele Manabe–Stouffera (czyli wspomnianego naukowca Manabe i Ronalda J. Stouffera, meteorologa i profesora nadzwyczajnego na Uniwersytecie Arizony, także pracującego w GDFL) pozwalały symulować realistyczny klimat Ziemi. Były to pierwsze modele łączące atmosferę i ocean w celu tworzenia prognoz globalnego ocieplenia klimatu. W ich zakres pracy wchodziły:
- globalna cyrkulacja atmosfery,
- transport ciepła między równikiem a biegunami,
- interakcje atmosfery z powierzchnią planety.
Na przestrzeni minionych czterech dekad dziś wiemy, że to nie był wcale model „abstrakcyjny”, lecz układ zdolny odtworzyć podstawowe cechy (kluczowe parametryzacje (np. chmur, słońca, lodu, konwekcji atmosferycznej)) rzeczywistego klimatu. Z perspektywy minionego czasu, dziś wiemy, że były to trafne prognozy naukowe. A zmiany wywołane przez wzrost stężenia CO₂ nie były żadnym artefaktem modelu, lecz konsekwencją dynamicznych termodynamicznych i radiacyjnych zmian struktury atmosfery Ziemi.
Czułość klimatu
Praca Manabe zawierała także przegląd badań nad czułością klimatu na wzrost CO₂. Zamiast jednej wartości, naukowiec analizował zakres możliwych reakcji systemu klimatycznego, które wynikały z różnych założeń dotyczących procesów fizycznych.
Kluczowy wniosek brzmiał jednak jednoznacznie: niezależnie od szczegółów modelu, wzrost stężenia CO₂ prowadził do dalszego ocieplenia Ziemi.
To pokazuje, że niepewność w nauce nie oznacza niewiedzy – oznacza jedynie zakres możliwych scenariuszy.
Mechanizm, a nie magia: bilans energii planety
U podstaw wszystkich tych wyników leży prosty, ale nieubłagany mechanizm: zwiększenie stężenia CO₂ zmniejsza efektywność wypromieniowania energii w przestrzeń kosmiczną.
To prowadzi do akumulacji ciepła w troposferze, powodującej powiększanie się dodatniego bilansu energetycznego (zwiększanie się nierównowagi radiacyjnej Ziemi). Można to krótko podsumować – prowadzi to do osiągania nowej, cieplejszej równowagi.
Ocieplenie nie jest więc przypadkowym efektem – jest konsekwencją termodynamicznych i radiacyjnych praw fizyki, wynikających z tego, że ludzkość bezmyślnie od ponad 250 lat spala paliwa kopalne i wylesia planetę.
Konkluzja: prognoza Manabe, która stała się obserwacją
Praca Syukuro Manabe z 1983 roku pokazuje, że współczesne ocieplenie nie jest zaskoczeniem. Zostało ono przewidziane na podstawie wielu wcześniejszych modeli fizycznych. Zarówno modele Manabe-Stouffera, jak i wcześniejsze: np. Gilberta Plassa, zostały precyzyjnie opisane ilościowo oraz jakościowo.
Dzisiejsze obserwacje – od wysokich szerokości Arktyki do Antarktyki poprzez kontynenty średnich i niskich szerokości – odpowiadają temu obrazowi z niezwykłą dokładnością.
Dziś wiemy, dzięki takim badaczom zmian klimatu jak Syukuro Manabe, klimatologia to jest najtrudniejszy do podważenia rodzaj wiedzy: taki, który najpierw przewiduje (jak np. w latach 80. XX w.), a dopiero potem zostaje potwierdzony (np. dziś w latach 20 XXI w.).
Referencje:
Syukuro Manabe ; 1983 ; Carbon Dioxide and Climatic Change ; Advances in Geophysics ; https://www.sciencedirect.com/science/chapter/bookseries/abs/pii/S0065268708601715
Syukuro Manabe & Ronald J. Stouffer ; 1980 ; Sensitivity of a Global Climate Model to an Increase of CO₂ Concentration in the Atmosphere ; Journal of Geophysical Research: Oceans ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/JC085iC10p05529