Nie tylko CO₂, ale też inne gazy cieplarniane: praca zespołowa Veerabhadrana Ramanathana z 1987 roku

W 1987 roku zespół Veerabhadrana Ramanathana – między innymi z udziałem Jamesa Hansena – opublikował pracę naukową, która w trafny sposób ukazała wpływ ocieplenia klimatu nie tylko z powodu CO2, ale też innych gazów cieplarnianych. Okazało się, że mają one nie mniejszy wkład w te zmiany. Badacze pokazali również, że globalne ocieplenie to wysoce złożona sieć interakcji chemii atmosfery, promieniowania słonecznego i ziemskiego oraz złożonej dynamiki tych komponentów w systemie klimatycznym. Dziś ich wnioski brzmią jak odpowiedź na większość argumentów denialistów.

To jedna z pierwszych prac, która naukowo dowiodła, że system klimatyczny jest sprzężonym układem fizyczno-chemicznym. Badanie wykazało, że wprawdzie CO2 jest najważniejszym gazem cieplarnianym tworzącym wzmocnienie efektu cieplarnianego (są to gazy które mają pochodzenie naturalne jak i antropogeniczne), ale są też inne podobne gazy, jak metan (CH4), podtlenek azotu (N2O) czy ozon (w stratosferze naturalny, a w troposferze antropogeniczny) oraz tylko antropogeniczne gazy przemysłowe, freony. W tej pracy zostały one po raz pierwszy uwzględnione jako dodatkowy składnik ocieplenia klimatu. Dziś już dokładnie wiemy, że zwiększają one wymuszenie radiacyjne, nawet gdy występują w atmosferze w niewielkich stężeniach. Już wtedy sumaryczny wpływ tych gazów śladowych był mocno porównywalny do wpływu CO2. Dziś ta różnica jest jeszcze mniejsza, ponieważ przez te prawie cztery dekady silnie wzrosło wymuszenie radiacyjne metanu. Jednak dziś też wiemy, że gdy nastąpiła z początkiem trzeciej dekady XXI w. silna redukcja freonów to wpłynęło to na złagodzenie ocieplenia klimatu. Tym samym badanie to bardziej wyraźnie nakreśliło nowy paradygmat w klimatologii. W tym przypadku zrozumienie zmian klimatu wymagało analizy całej chemii atmosfery, a nie tylko pojedynczego składnika.

Fot. Portret Veerabhadrana Ramanathana w Papieskiej Akademii Nauk, 6 lutego 2020 r. Źródło: Gabriella Clare Marino/CC BY-SA 4.0

Od „problemu CO₂” do „problemu gazów śladowych”

Jeszcze w latach 70. do połowy lat 80. XX wieku klimatologia koncentrowała się głównie na analizie dwutlenku węgla. Praca zespołowa z 1987 r. fizyka atmosfery Veerabhadrana Ramanathana, emerytowanego profesora z Instytutu Oceanografii im. Scrippsa (SIO – Scripps Institution of Oceanography) na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego oraz jego współpracowników (w tym Jamesa Hansena i Andrew A. Lacisa z Instytutu Badań Kosmicznych im. Goddarda (GISS – Goddard Institute for Space Studies)) dokonała fundamentalnego przesunięcia: pokazała, że takie podejście jest niewystarczające, by zrozumieć dokładnie dlaczego i jak ociepla się klimat ziemski.

Autorzy jasno stwierdzili, że problem efektu cieplarnianego „rozszerzył się z samego problemu CO₂ do złożonego problemu gazów śladowych” . To zdanie naukowców w swojej ważnej pracy z drugiej połowy lat 80. jest kluczowe. Oznacza ono, że klimat reaguje nie na jeden gaz, lecz na całą mieszankę substancji chemicznych o podobnych własnościach cieplnych. Czyli, w pracy zwrócono uwagę na wspomniane wcześniej gazy – metan (CH₄), podtlenek azotu (N₂O), ozon (O₃) czy freony (CFC).

Co więcej, jak już wspomnieliśmy, już wtedy oszacowano, że gazy inne niż CO₂ mogą dawać efekt cieplarniany porównywalny z samym CO₂ . I to jest bezpośredni argument naukowy, który podważa popularne mity denialistów klimatycznych, że „CO₂ to za mało, by coś zmienić”. Naukowcy już cztery dekady temu wiedzieli, że klimat reaguje na sumę wymuszeń radiacyjnych, a nie tylko na jeden składnik.

Rys. Obserwowane trendy temperatury powietrza przy powierzchni dla mas lądowych półkuli północnej. Źródło: Kelly i in., 1984/CC BY 2.0

Chemia, promieniowanie i dynamika – sprzężony system

Największą wartością pracy nie jest jednak sama lista gazów cieplarnianych – zarówno CO₂, jak i pozostałych gazów śladowych w atmosferze – lecz precyzyjne ukazanie mechanizmu działania klimatu planety w interakcji ze wszystkimi tymi gazami jednocześnie.

Ramanathan i jego zespół wykazali, że wpływ gazów cieplarnianych jest w dużej mierze bardzo mocno zależny od trzech powiązanych z sobą procesów:

chemii atmosfery (występowania reakcji chemicznych między różnymi gazami, w tym oczywiście cieplarnianymi),
promieniowania słonecznego i ziemskiego (absorpcji i emisji energii cieplnej, zarówno pochodzącej z promieniowania widzialnego (słonecznego), jak i z promieniowania podczerwonego),
dynamiki systemu klimatycznego Ziemi ((czyli ruchów powietrza i wód, które rozprowadzają energię i składniki w atmosferze oraz oceanach).

To oznacza, że klimat nie jest prostym układem „więcej gazu = więcej ciepła”, lecz stanowi złożoną sieć dodatnich i ujemnych sprzężeń zwrotnych. Czyli inaczej mówiąc, jeden gaz cieplarniany – jak np. CO2 czy CH4 – może uruchamiać kolejne zmiany. Przykładowo:

dwutlenek węgla bezpośrednio ogrzewa atmosferę, a cieplejsze powietrze może utrzymać więcej pary wodnej – silnego gazu cieplarnianego, co dodatkowo wzmacnia ocieplenie.
metan nie tylko ogrzewa atmosferę bezpośrednio, ale też poprzez reakcje chemiczne w atmosferze zwiększa stężenie ozonu w troposferze, który dodatkowo wzmacnia efekt cieplarniany.

W troposferze efekty pośrednie (chemiczne) mogą być tak samo silne jak bezpośrednie efekty radiacyjne . To kolejny punkt, który rozbraja uproszczone argumenty sceptyków ignorujących złożoność systemu.

Atmosfera i oceany: opóźniona reakcja planety

Autorzy w tej pracy naukowej pokazali, że oceany działają jak ogromny magazyn ciepła, którego bezwładność sprawia, że jako komponent fizyczny planety (o bardzo dużej masie, stanowiący gigantyczny „roztwór” wodny) reagują wolniej niż lądy – zarówno w procesie ocieplania, jak i ochładzania. Ściślej, pochłaniają nadmiar skumulowanej energii cieplnej z dolnej atmosfery (troposfery) i stopniowo, w czasie, przekazują ją – w ciągu dekad, a nawet stuleci – w głąb wód poprzez mieszanie i cyrkulację.

Dlatego część ocieplenia może być w nich „ukryta” (np. podczas fazy La Niña w silnych oscylacjach oceaniczno-atmosferycznych), co daje złudzenie chwilowego spowolnienia ocieplenia lub nawet jego przejściowego zahamowania. Z kolei odwrotnie – gdy zgromadzona energia cieplna jest przekazywana z oceanów do atmosfery (np. podczas silnej fazy El Niño), atmosfera ulega dodatkowemu ogrzaniu, mimo że same oceany w warstwach powierzchniowych i głębszych mogą być w tym czasie relatywnie chłodniejsze.

To bezpośrednia odpowiedź na argument denialistów: „skoro emisje trwają od dawna, dlaczego ocieplenie nie było natychmiastowe?”.

Odpowiedź naukowa brzmi: ponieważ system klimatyczny ma dużą bezwładność, a szczególnie wysoką bezwładnością charakteryzują się oceany.

Jednak w bardziej uproszczony sposób wyjaśniając ten mechanizm, nie jest on trudny do zrozumienia. Ciepło to nie tylko atmosfera – w dużej mierze gromadzą je również oceany, a także lądy i lądolody Ziemi. Dziś wiemy, że ich rola w magazynowaniu i redystrybucji energii jest jeszcze lepiej rozpoznana niż w 1987 r., gdy Ramanathan i współpracownicy publikowali tę pracę naukową.

Redystrybucja energii w systemie klimatycznym Ziemi to fundamentalny proces fizyczny, odpowiadający za przemieszczanie ciepła z rejonów o jego nadmiarze (okolice okołorównikowe) do rejonów o niedoborze (bieguny polarne). Proces ten jest napędzany promieniowaniem słonecznym i odbywa się poprzez atmosferę oraz oceany, warunkując w ten sposób klimat na całej planecie.

Autorzy oszacowali, że do 1980 r. klimat już ocieplił się o ok. 0,4–0,8°C w stosunku do epoki przedindustrialnej. Można to dziś porównać z późniejszymi rekonstrukcjami klimatu oraz pomiarami temperatury – co z dzisiejszej perspektywy okazuje się uderzająco trafne.

Prognozy, które wyprzedziły epokę

Jednym z najbardziej imponujących elementów pracy są zaskakująco trafne prognozy.

Zespół Ramanathana przewidywał wówczas, że w zależności od scenariuszy emisji ocieplenie do ok. 2030 roku może wynieść 0,8–4,1°C. Tak szeroki zakres wynikał z niepewności co do dalszych emisji przez naszą cywilizację oraz do czułości klimatu (czyli jego reakcji na dalszy wzrost temperatury globalnej), jednak sam fakt przewidywania silnego ocieplenia był jednoznaczny.

Co ważne, już wtedy wskazano, że tempo wzrostu wymuszenia radiacyjnego w XX wieku (chodzi tu gównie o jego przyspieszenie po drugiej wojnie światowej względem wcześniejszego okresu referencyjnego) było aż 3–6 razy szybsze niż w latach 1850–1960 . To oznaczało, że współczesna zmiana klimatu nie jest wcale naturalną fluktuacją, lecz gwałtownym zaburzeniem systemu, o czym dwa lata wcześniej pisał Wallace Broecker z Dorothy Peteet i Davidem Rindem.

Niepewności – ale naukowe, nie ideologiczne

Autorzy nie ukrywali niepewności. Wskazywali m.in. na uciążliwą niepewność związaną ze sprzężeniami chmur, zarówno dodatnimi, jak i ujemnymi. Ponadto nadal w skali planety nie były jak w XXI w. silnie zaawansowane technologie satelitarne i naziemne (choć już ich obecność miała miejsce w kluczowych punktach planety). Dlatego też naukowcy borykali się z wieloma ograniczeniami danych obserwacyjnych,

Ponadto chemia atmosfery, w tym gazów niecieplarnianych, jak tlenki azotu (NOx) czy tlenku węgla (CO), inaczej czadu, sprawiała wiele trudności w dokładniejszych pomiarach.

Ta praca wskazuje na te wadliwe elementy. Naukowcy, zarówno jej autorzy, jak wielu innych badaczy ocieplenia klimatu, podkreślają, że nauka nie stwierdza jednoznacznie, że „wie wszystko”, ale podkreślają, że zna ona coraz lepiej mechanizmy jej funkcjonowania, jeśli chodzi o rozwój klimatologii. I przy okazji już potrafi określić jej zakresy.

Denializm często wykorzystuje niepewność jako argument przeciwko całej teorii globalnego ocieplenia. Tymczasem ta praca pokazuje coś odwrotnego: niepewność jest częścią metody naukowej, a nie jej zaprzeczeniem.

Dlaczego ta praca jest dziś tak ważna

Publikacja z 1987 roku, której głównym autorem był Veerabhadran Ramanathan, była przełomowa w dalszym zrozumieniu ja działa klimat ziemski oraz jak działa jego zaburzenie z powodu gazów cieplarnianych pochodzenia antropogenicznego, bo przede wszystkim:

rozszerzyła perspektywę z CO₂ na wszystkie gazy cieplarniane, które są zawarte w atmosferze
pokazała sprzężenie chemii atmosfery i oceanów oraz całego klimatu,
wprowadziła realistyczne modele uwzględniające nie tylko atmosferę, ale też oceany,
przewidziała tempo i skalę ocieplenia, co po wielu dekadach widzimy bardzo wyraźnie.

Dzisiaj współczesna nauka klimatu – od początku lat 90. poczynając od raportów Międzyrządowego panelu ds. zmian klimatu (IPCC – Intergovernmental Panel on Climate Change) po zaawansowane sprzężone modele w projektach porównawczych (CMIP – Coupled Models Intercomparison Project) – rozwija dokładnie te same idee.

Najważniejszy wniosek pozostaje aktualny:

klimat to system fizyczny, który reaguje na zmiany składu atmosfery zgodnie z prawami fizyki, a nie opiniami.

Referencje:

V. Ramanathan, L. Callis, R. Cess, J. Hansen, I. Isaksen, W. Kuhn, A. Lacis, F. Luther, J. Mahlman, R. Reck, Pan Schlesinger , 1987 ; Climate-chemical interactions and effects of changing atmospheric trace gases ; Reviews of Geophysics ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/RG025i007p01441