Obok dwutlenku węgla, metanu i podtlenku azotu, jest jeszcze jeden gaz cieplarniany bardzo ważny w systemie klimatycznym Ziemi. Jest nim para wodna. Gaz jednak inny od wspomnianych wyżej, gdyż jest zmienny pod wpływem temperatury.
Woda występuje najczęściej w postaci cieczy, jednak może być ona również ciałem stałym (lód lub śnieg), a także gazem (para wodna). Prawie wszystkie substancje mogą przechodzić z jednego stanu skupienia w inny.
—
Rycina 1. Stan fizyczny substancji i jej temperatury przemian fazowych. Źródło: Lumen Learning
—
Powyżej na przedstawionym graficznie diagramie fazowym widać punkt potrójny łączący trzy stany skupienia substancji stałej, ciekłej i gazowej.
Gdy ciało stałe, np. lód, (kolor niebieski) jest na granicy z cieczą, np. wodą, (kolor fioletowy), zachodzą procesy zamarzania i topnienia. A gdy jest na granicy z gazem, np. parą wodną, (kolor brązowy), zachodzą procesy depozycji i sublimacji. Natomiast gdy ciecz jest na granicy z gazem, zachodzą procesy kondensacji i parowania.
—
Rozróżnia się następujące przejścia fazowe wody :
– ze stanu stałego w ciekły – topnienie
– ze stanu ciekłego w stały – krzepnięcie
– ze stanu ciekłego w gazowy – parowanie
– ze stanu gazowego w ciekły – skraplanie
– ze stanu stałego w gazowy – sublimacja
– ze stanu gazowego w stały – resublimacja
Wszystkie trzy stany skupienia substancji: stały, ciekły i gazowy, odgrywają zasadniczą rolę w systemie klimatycznym Ziemi. Zaburzenie każdego z nich jest obecnie widoczne, gdy bilans energetyczny Ziemi został również zaburzony, na tyle poważnie, że oddziałuje to coraz bardziej ujemnie na ekosystemy i naszą cywilizację.
Para wodna powoduje najsilniejsze dodatnie sprzężenie zwrotne w systemie klimatycznym Ziemi. Jednak nie powoduje wymuszenia, czyli zmiany klimatu powodującej zmianę średniej temperatury powierzchni naszej planety, tak jak to powodują długożyjące gazy cieplarniane jak dwutlenek węgla, metan czy podtlenek azotu, a także przemysłowe freony.
—
Praca zespołowa Kate M. Willett z Centrum Hadleya Met Office w Exeter, omawia szeroko zagadnienie znaczenia pary wodnej w systemie klimatycznym Ziemi 1.
Do swoich badań na statkach naukowcy wykorzystali między innymi wielozmienny produkt wilgotności morskiej HadISDH (globalny, siatkowy, miesięczny zestaw danych), a także wiele innych wilgotnościowych produktów.
Badacze piszą o tym produkcie wilgotnościowym następująco:
Tutaj przedstawiamy opracowanie wielozmiennej analizy wilgotności morskiej HadISDH.marine.1.0.0.2018f (Willett i in., 2020). HadISDH.marine to zintegrowany zestaw danych powierzchniowych o wilgotności, prowadzony przez Met Office Hadley Centre, stanowiący produkt towarzyszący produktowi monitorującemu HadISDH.land i umożliwiający analizowanie łącznie globalnego produktu lądowego i oceanicznego. Tam, gdzie to możliwe, używamy istniejących metod z systemów używanych do budowania długotrwałego zbioru danych HadSST.
[temperatura powierzchni morza Had (skrót od Hadley) (SST – Sea Surface Temperature Had)]
Zgodnie z równaniem Clausiusa-Clapeyrona, każde ocieplenie klimatu w skali globalnej o jeden stopień Celsjusza, powoduje termodynamiczny wzrost koncentracji pary wodnej przy powierzchni o 7%. I generalnie naukowcy obserwują taki wzrost, jeśli mamy na myśli jej zawartość, czyli wilgotność właściwą. Natomiast gdy mamy do czynienia już z nasyceniem pary wodnej w powietrzu atmosferycznym, czyli wilgotnością względną, to zauważają oni już jej powolny spadek, zarówno nad lądami, jak i nad oceanami. Implikacje spadku nasycenia pary wodnej nazywa się deficytem pary wodnej (VPD – Vapour Pressure Deficit). Gdy jest zbyt duży, rośliny by uniknąć straty wilgoci, zamykają swoje aparaty szparkowe (Charlotte Grossiord i inni, 2020).
Redukcja pary wodnej na coraz bardziej gorących i suchych obszarach Ziemi, coraz częściej prowadzi do wielkoskalowych pożarów (np. w Kalifornii, w basenie Morza Śródziemnego, na południu Australii). Natomiast obfitość jej wzmacnia fale upałów, powodując stres cieplny u wielu roślin i zwierząt, w tym ludzi. Najbardziej niebezpiecznym zjawiskiem jest coraz częstsze pojawianie się wilgotnych fal upałów. Na szczęście jeszcze nie dotykających w znaczący sposób społeczności ludzkich, choć niektóre gatunki zwierząt i roślin już zapewne mocno ucierpiały takie epizody letnich fal upałów w ciągu minionych dwóch dekad XXI wieku.
—
Wyniki badań, przedstawione przez zespół naukowy Richarda P. Allana z Katedry Meteorologii i Narodowego Centrum Obserwacji Ziemi na Uniwersytecie w Reading w Wielka Brytanii, pokazują, że w skali planetarnej w bilansie energetycznym Ziemi łączny wzrost globalny parowania i opadów wynosi około 2-3% / °C 2
Naukowcy wyjaśniają także, że zmiany regionalne (w skali mniejszej niż 4000 km) są zdominowane przez transport (adwekcję) pary wodnej znad oceanów nad lądy.
Bardzo interesującym parametrem w pomiarach zawartości pary wodnej w cyklu hydrologicznym Ziemi jest czułość hydrologiczna.
—
Rys. Obieg wody na Ziemi: Pobór przez rośliny, transpiracja, kondensacja, transport, opady, spływ wód roztopowych, spływ powierzchniowy, infiltracja do wód gruntowych, przepływ wód gruntowych. Źródło: NASA
—
Według termodynamicznego równania Clausiusa-Clapeyrona powszechny wzrost pary wodnej w atmosferze wraz z ociepleniem atmosfery przyczynia się do takich dynamicznych hydrologicznych procesów jak:
- Powstawanie najsilniejszego w systemie klimatycznym planety wzmacniającego dodatniego sprzężenia zwrotnego.
- Intensyfikacja transportu wilgoci atmosferycznej przynoszącej silne opady deszczu.
Symulacje zestawu w projekcie porównywania sprzężonych modeli w fazie 5 (CMIP5) jednak niedoszacowują spadku wilgotności względnej, który jest obserwowany na całym świecie.
Nie jest jasne, czy tę rozbieżność można wytłumaczyć potencjalnymi brakami wspomnianego transportu wilgoci znad oceanów nad lądy (adwekcji wilgoci), czy też jest to spowodowane niejednorodnością zapisów obserwacyjnych.
Modele klimatyczne przewidują, że dalszy wzrost emisji gazów cieplarnianych w atmosferze będzie przebiegać w połączeniu z bardziej intensywnymi przepływami wilgoci. Ale też oczekuje się, że towarzyszący tym emisjom GHG wzrost ilości aerozoli będzie silnie równoważyć niektóre skutki ocieplenia, a więc ochładzać pewne regiony i zmniejszać tam dopływy adwekcyjne pary wodnej znad oceanów nad lądy, co będzie skutkować zmniejszeniem opadów deszczu i śniegu.
Ogólnie jednak dalsze postępujące ocieplenie klimatu będzie powodować intensyfikację cyklu hydrologicznego, przynajmniej w skali regionalnej, w zależności od regionu i pory roku w rozkładzie charakterystyk opadów, takich jak intensywność, częstotliwość i czas trwania.
—
Referencje:
- Willett K. M. et al., 2020 ; Development of the HadISDH.marine humidity climate monitoring dataset ; Earth System Science Data ; https://essd.copernicus.org/articles/12/2853/2020/
- Allan R. P. et al., 2020 ; Advances in understanding large-scale responses of the water cycle to climate change ; Annals of the New York Academy of Sciences ; https://nyaspubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nyas.14337