Chmury to zjawiska meteorologiczne, które uczestniczą na trzy sposoby w globalnym ociepleniu. Pierwsze badania naukowe nie dawały pewnych informacji, że klimat bardziej ociepla się z powodu dodatkowego sprzężenia zwrotnego – chmur. Jednak następne badania wskazują, że klimat staje się cieplejszy nie tylko dzięki rosnącym w astronomicznym tempie emisjom gazów cieplarnianych, zwłaszcza dwutlenku węgla, ale i coraz intensywniejszym pokrywom chmurowym.
Rysunek 1. Kompozycja zdjęć z amerykańskich (GOES) i europejskich (METEOSAT) satelitów geostacjonarnych (źródło). Copyright: EUMETSAT 2016.
Chmury niskie
Gdyby na Ziemi istniały tylko chmury w najniższych warstwach atmosfery, to by sama planeta mocno ochładzała się. Być może energia cieplna w podczerwieni blokowana przez gazy cieplarniane antropogenicznego pochodzenia nie wzrastałyby w tak szybkim tempie jak to się dzieje dziś przy obecności dodatkowych chmur wysokich.
W chmurach niskich, dokładnie w kłębiastych cumulusach i w warstwowych stratusach gromadzą się gęsto rozmieszczone kropelki wody. W dziennej porze chmury te mają znacznie silniejsze własności odbijania promieni słonecznych niż ich pochłaniania. Natomiast w nocy efekt cieplarniany jest silniejszy. Ale wówczas to promieniowanie w podczerwieni emitowane z Ziemi jest skutecznie blokowane przez gazy cieplarniane. W sumie można oszacować, że kłębiaste chmury niskie odbijają ok. 80-90%, a pochłaniają 10-20% promieni słonecznych. Natomiast konwekcyjne chmury wysokie odbijają ok.10-15%, a pochłaniają 85-90% promieni słonecznych (Dorota Matuszko, 2012).Z kolei ziemskie promieniowanie w zakresie podczerwieni jest mniej pochłaniane przez chmury niskie niż przez wysokie.
W nieodległej przeszłości, jakieś 30-40 lat temu w atmosferze tworzyło się więcej chmur niskich niż wysokich. Panowało wówczas większe zapylenie atmosfery z powodu globalnych przemysłowych emisji aerozoli siarczanowych. Emitowane na ogromną skalę związki siarki mają własności silnie odbijające promienie słoneczne, tak więc dość skutecznie chłodziły świat w tamtych latach. Jednak problem globalnego ocieplenia był już wówczas poruszony, ale nie było jeszcze eksperymentalnych dowodów, choć efekt cieplarniany i czułość klimatu na podwojenie koncentracji dwutlenku węgla (od początku rewolucji przemysłowej) były już po raz pierwszy zbadane ponad 100 lat temu przez chemika szwedzkiego Svante Arrheniusa (Svante Arrhenius, 1896).
Wszelkie luki naukowe, czyli niższą ilość dowodów niż dziś na rzecz antropogenicznego globalnego ocieplenia, jeszcze 15-20 lat temu wykorzystali min. naukowcy negujący zmiany klimatu wywołane przez człowieka, tacy jak Roy Spencer i Richard Lindzen. Pierwszy był pracownikiem NASA badającym atmosferę na poziomie satelitarnym. Zakwestionował publicznie zgodność naukowców badających klimat co do antropogenicznego globalnego ocieplenia. Natomiast drugi jest fizykiem atmosfery i profesorem meteorologii w MIT (Massachusetts of Technology). Wcześniej napisał 7 rozdział do III raportu IPCC. Zaproponowali oni obaj tzw. hipotezę tęczówki, według której ocieplanie klimatu miałoby mieć wpływ na to, że spadek pokrycia nieba chmurami wysokimi na rzecz niskich wpłynąłby jednocześnie na spadek ilości gazów cieplarnianych, emitowanych do atmosfery przez człowieka. Ta hipoteza została jednak obalona już ponad 10 lat temu.
Dwie niezależne grupy naukowców prowadzonych przez Axela Lauera i in. 2010 oraz przez Amy’ego C. Clementa i in. 2009 podjęły analizę zmian zachmurzenia w rejonie równikowym i podzwrotnikowym, przy okazji wykorzystując obserwacje meteorologiczne z pokładów statków, pomiary satelitarne oraz modele klimatu. Wyciągnięte wnioski z obu prac były bardzo podobne: sprzężenie zwrotne mające związek z pokrywami chmur jest w tych obszarach dodatnie, co oznacza dodatkowy wzrost temperatur.
Dodatkowo praca Andrew E. Desslera i in. z 2010 r. wykazała, że badania satelitarne pokazały, że sprzężenie ujemne w związku z chmurami występuje, ale bardzo nieznacznie. Efekt jest wyraźnie dodatni. Definitywnie to przekreśliło twierdzenie negacjonistów klimatycznych, że znaczne zachmurzenie może wpłynąć na zahamowanie ocieplania się planety.
Rysunek 2. Rola chmur w klimacie (w uproszczeniu) - chmury wysokie (lewa część rysunku) przepuszczają większość padającego na nie promieniowania słonecznego (żółte strzałki), ale zatrzymują wypromieniowywane przez Ziemię promieniowanie podczerwone (czerwone strzałki), powodując wzrost średnich temperatur, - chmury niskie (prawa część rysunku) silnie rozpraszają promieniowanie słoneczne, powodując spadek średnich temperatur powierzchni Ziemi. (źródło)
Chmury wysokie
Gdyby na Ziemi istniały tylko chmury w najwyższych warstwach atmosfery, to by nasza planeta jeszcze silniej nagrzewałaby się. A energia cieplna w podczerwieni blokowana przez gazy cieplarniane emitowane przez działalność ludzką wzrastałyby w zawrotnie szybkim tempie. Na szczęście istnieją schładzające niskie chmury, które zwalniają ten przyrost globalnej temperatury.
W wysokich chmurach, dokładnie pierzastych cirrusach, są rzadko rozmieszczone kryształki lodowe. Zarówno w dzień, jak i w nocy mają one tendencje do większego pochłaniania niż przepuszczania w kosmos promieniowania w podczerwieni wyemitowanego z Ziemi. Warto też zauważyć, że w przeciwieństwie do chmur niskich są w większym stopniu przezroczyste dla promieni słonecznych.
W sumie można stwierdzić, że efekt sumaryczny dla chmur wysokich jest więc taki, że ogólnie jest silniejsze pochłanianie promieni cieplnych niż ich przepuszczanie w przestrzeń kosmiczną. Jest to właśnie zauważalne przy pomiarach dwóch warstw atmosfery ziemskiej: troposfery i stratosfery. Ta pierwsza jest coraz cieplejsza, a ta druga coraz chłodniejsza. Co dokładnie mierzą i monitorują satelity na orbitach okołoziemskich. Ogólnie rzecz ujmując, w chmurach wysokich procesy zachodzą na korzyść ocieplania klimatu.
Tworzenie się chmur
Naukowcy z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii pod przewodnictwem profesora Stevena Sherwooda i in., 2014 zbadali korelacje pomiędzy tworzeniem się chmur a procesami mieszania się powietrza pochodzącego z różnych warstw (pięter chmur) atmosfery. Kiedy intensywnie zaczyna woda parować z powierzchni Ziemi, jej późniejszy los jest w dużym stopniu zależny od obecności i siły prądów powietrznych, które mogą wynieść ją nawet na wysokość kilkunastu kilometrów. Jest to tak zwana głęboka konwekcja, dzięki której powstają mocno rozbudowane w pionie kłębiaste chmury, z których wydzielają się intensywne opady. W wyniku czego znaczna większość wody wraca z powrotem na powierzchnię Ziemi oraz do przylegającej do niej tak zwanej „warstwy granicznej atmosfery”. W dobie globalnego ocieplenia tworzenie się tego typu chmur, zwłaszcza w obszarach intensywnej wilgotności powietrza, jest coraz częstsze. Jednak, gdy prądy powietrzne nie są zbyt silne, wówczas sięgają tylko do wysokości kilku kilometrów, a powietrze, które jest przez nie niesione rozpływa się mieszając z ośrodkiem atmosferycznym. Ale jeśli nawet tworzą się chmury na tych wysokościach, to i tak dają bardzo słabe opady deszczu.
Występuje także efekt taki, że część pary wodnej zostaje w tzw. warstwie granicznej atmosfery, a część pary wodnej unosi się wyżej. Mieszanie zapobiega powstawaniu chmur pionowych głębokokonwekcyjnych, co też sprzyja warunkom takim, w których na wysokości do 2 km jest coraz mniej chmur niskich, a jest coraz więcej na wysokości 2-8 km chmur średnich i wysokich. Ma to wpływ taki, że para wodna jest unoszona do coraz wyższych wysokości, gdzie jest coraz silniejszy efekt ogrzewający planetę. Tzn. średnie, a zwłaszcza wysokie chmury mają tendencje do silniejszego gromadzenia energii cieplnej.
Natomiast w najniższych warstwach troposfery, czyli w warstwie granicznej atmosfery zachodzą procesy wysuszające ją coraz silniej. Inaczej mówiąc jest tam coraz mniej chmur, które mogłyby dawać silniejszy efekt schładzający Ziemię.
Rysunek 3. Wykształcenie się głębokiej (8-16 km, zależnie od szerokości geograficznej) konwekcji oznacza, że para wodna zabierana z warstwy granicznej atmosfery (poniżej ok. 2 km) i zużywana do tworzenia chmury powraca na powierzchnię Ziemi w postaci opadów. Mieszanie może zapobiegać powstawaniu rozbudowanych w pionie chmur a w rezultacie – opadów. W efekcie w „wysuszonej” warstwie granicznej chmur ubywa a przybywa chmur na piętrach średnich i wysokich (2-8 km). (źródło)
Podsumowując opisane procesy można stwierdzić krótko. Planeta Ziemia nagrzewa się coraz bardziej. Aby para wodna mogła się skondensować, tak by mogły powstać chmury w niskich warstwach atmosfery ziemskiej, potrzebuje już wyższych wysokości niż 0-2 km. A na wyższych wysokościach gdy tworzą się w końcu chmury w procesie kondensacji pary wodnej, to dają one silny efekt cieplarniany.
W pracy badawczej Stevena C. Sherwooda i in. 2014, modele klimatu, które odwzorowują procesy atmosferyczne, czyli tzw. płytkie mieszanie (prawdopodobnie na pograniczu warstwy granicznej atmosfery i nad nią leżącej wyższej warstwy troposfery) odznaczają się wyższą czułością klimatyczną. A wyższa czułość klimatyczna to nic innego jak zwiększony wzrost temperatury przy powierzchni Ziemi w odpowiedzi na podwojenie koncentracji dwutlenku węgla w powietrzu atmosferycznym.
Według V raportu IPCC czułość klimatu mieści się w przedziale 1,5-4,5 stopni Celsjusza. Sherwood jednak uważa, że jeśli mieszanie powietrza będzie coraz silniej wpływać na zaburzenia rozkładu chmur na poszczególnych piętrach atmosfery, to efekt cieplarniany będzie jeszcze bardziej się nasilał potęgując globalne ocieplenie. Tak więc, ten przedział temperatur zaproponowany przez IPCC w 2014 r. raczej trzeba przesunąć zdecydowanie w prawą stronę. Według Sherwooda i jego zespołu badawczego, optymalnie czułość klimatyczna wyniesie powyżej 3°C.
Chmury sięgają coraz wyżej i przesuwają się w stronę biegunów
Dotychczas badania chmur i ich zmienność na poszczególnych piętrach atmosfery opierały się raczej tylko na modelowaniu numerycznym. Symulacje chmur w skali planetarnej są bardzo trudne, gdyż większość chmur często jest za mała aby mogła być lepiej zaprezentowana w modelach systemu klimatycznego Ziemi. Jednak najnowsze badania chmur ukazują nam nowe oblicze chmur, które potęgują narastanie globalnego ocieplenia. Procesy te zachodzą zarówno w pionie, jak i w poziomie troposfery.
W pracy opublikowanej w Nature przez Joela R. Norrisa i in. w 2016 r., potwierdzona została zgodność badania chmur pomiędzy modelowaniem numerycznym a badaniem satelitarnym. Norris dokonał głębokiej analizy zestawów pomiarów z lat 1983-2009. I zaobserwował dokładnie ten sam przebieg dynamiki chmur w systemie klimatycznym, zarówno w symulacjach komputerowych, jak i w obliczeniach satelitarnych. To znaczy, zauważył korelacje systematycznego ogrzewania się Ziemi przerwanego dwoma większymi wybuchami wulkanicznymi. El Chichon w 1982 r. i Pinatubo w 1991 r. ze zmniejszaniem się lub zwiększaniem pokryw chmurowych. Czyli, ze zmniejszaniem się chmur w atmosferze naszej planety podczas niezaburzonego wzrostu antropogenicznych emisji gazów cieplarnianych i z krótkotrwałym (najwyżej kilkuletnim) zwiększaniem się chmur podczas silnych erupcji wulkanicznych.
Rysunek 4. Rejony, w których zaobserwowano zwiększanie się (kolor niebieski) i zmniejszanie (kolor brązowy) pokrywy chmurowej pomiędzy latami osiemdziesiątymi a pierwszą dekadą XXI wieku. Na górnym panelu wyniki pomiarów satelitarnych a na dolnym - modelowania klimatu. (Joel R. Norris i in., 2016)
Na Ziemi nastąpiła w pewnym sensie roszada rozkładu chmur. Tam gdzie powinny być, nie ma ich. I na odwrót. Obecnie jest zauważalny drastyczny spadek ilości chmur nad oceanami w szerokościach umiarkowanych, zwłaszcza nad północnym Atlantykiem oraz w części południowo-wschodniej Oceanu Indyjskiego pomiędzy Australią a Archipelagiem Malajskim. Natomiast przyrost liczby chmur nastąpił w w wielu obszarach międzyzwrotnikowych, zwłaszcza w części północno-zachodniej Oceanu Spokojnego oraz pomiędzy Archipelagiem Malajskim a tropikalną Wschodnią Azją, a także na wyższych szerokościach geograficznych, od borealnych do polarnych. Ten trend będzie utrzymywał się pod warunkiem, że nie nastąpią jakieś potężne erupcje wulkaniczne.
Na coraz cieplejszej Ziemi satelity zaobserwowały (zgodnie z modelami numerycznymi) coraz częstsze wędrówki niżów atmosferycznych z szerokości geograficznych klimatu umiarkowanego ku szerokościom polarnym. Wraz z napływem niskich kłębiastych i warstwowych chmur masy powietrza atmosferycznego niosą z sobą ku biegunom również ogromne ilości pary wodnej. W Arktyce para wodna kondensując przekazuje jej lodom ogromną ilość cieplnej energii utajonej. Tak więc, chmury coraz bardziej przyczyniają się do topnienia lodu arktycznego, co jest w 2015 roku nowym odkryciem naukowym.
Satelity również zanotowały (zgodnie z modelami numerycznymi) coraz większy przyrost liczby chmur na najwyższych wysokościach troposfery. Norris ze swym zespołem badawczym zauważył, że im wyżej chmury znajdują się, tym coraz grubsza robi się izolacja cieplna przepuszczająca coraz mniej energii cieplnej w podczerwieni. Czułość klimatu, tak jak 2 lata temu u Sherwooda i in. 2014, wyraźnie wskazuje na liczbę 3 stopni Celsjusza w odpowiedzi na podwojenie koncentracji dwutlenku węgla.
W dzisiejszych czasach coraz mocniej zaburzony rozkład chmur, związany z przemieszczaniem się ich ku biegunom i najwyższym warstwom troposfery, ma bezpośredni wpływ na coraz większy wzrost temperatury przy powierzchni Ziemi na wszystkich szerokościach geograficznych oraz pośredni wpływ na poszerzanie się stref subtropikalnych związanych z występowaniem coraz uciążliwszych susz. Już dziś najbardziej ekstremalnie te zjawiska zachodzą pośród mieszkańców Bliskiego Wschodu, Afryki Północnej i Afryki Południowej czy Kalifornii. Wszystkie te rejony coraz mocniej są dotknięte niedoborami wody i degradacją terenów uprawnych.
Sztuczne chmury
Sztuczne chmury to nic innego jak smugi kondensacyjne, które za sobą zostawiają samoloty na dużych wysokościach. Często pojawiają się też tam, gdzie nigdzie nie powstałyby naturalne chmury. Sumarycznie smugi kondensacyjne zwiększają pokrywę chmur wysokich. I to aż o ok. 11 % (Ulrike Burkhardt i Bernd Karcher, 2011). Gdy sztuczne chmury zleją się z naturalnymi trudno je później odróżnić (John Seifeld, 1998).
Zdjęcie. Utrzymujące się smugi kondensacyjne. Zdjęcie zamieszczamy dzięki uprzejmości NASA.
Podobnie jak naturalne pierzaste chmury, sztuczne chmury, zarówno odbijają promienie słoneczne w kosmos (efekt schładzający), jak i pochłaniają promienie ziemskie (efekt ogrzewający). I tu zdecydowanie przeważa efekt ocieplający. Tak więc, chmury pochodzenia lotniczego mają znaczący wpływ na pogłębienie się wymuszenia radiacyjnego w całkowitym bilansie energetycznym Ziemi. Wynosi ono 37,5 mW/m2 (Ulrike Burkhardt i Bernd Karcher, 2011). Nie jest to tak dużo, ale jednak. W porównaniu: Według V raportu IPCC, tylko w 2011 r. wymuszenie radiacyjne mające związek z ludzką działalnością (emisje gazów cieplarnianych, emisje aerozoli, zmiany użytkowania terenu) wyniosło ok. 2290 mW/m2.
W ocieplającym się świecie chmury są coraz wyżej, zarówno obu biegunów, jak i najwyższych warstw troposfery. Sumarycznie spada ich liczba w całym systemie klimatycznym. Można sobie wyobrazić, co się będzie działo, gdy para wodna będzie chciała wznieść się jeszcze wyżej. Może nastąpić maksymalne rozregulowanie systemu klimatycznego. Dopóki jednak istnieje para wodna, dopóty istnieją chmury i życie na Ziemi.
http://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/przesuniete-chmury-177
http://naukaoklimacie.pl/fakty-i-mity/mit-chmury-zapewniaja-ujemne-sprzezenie-zwrotne-56
http://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/chmury-klimat-i-przyspieszony-wzrost-temperatur-32
http://naukaoklimacie.pl/fakty-i-mity/mit-rzad-swiatowy-kontroluje-klimat-za-pomoca-chemtrails-116