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.
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 (f-gazy, czyli fluorowane gazy).
—
Trzy stany skupienia
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.
Woda jest gazem cieplarnianym, ale wysoce zmiennym. Gdy jest gorąco jest parą wodną. Gdy jest ciepło jest wodą. A gdy jest zimno zamienia się w lód.
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.
–
Rycina 1. Stan fizyczny substancji i jej temperatury przemian fazowych. Źródło: Lumen Learning / CC BY 4.0
—
Wilgotność właściwa. Wilgotność względna. Wilgotność bezwzględna
Zanim omówione zostaną zagadnienia wilgotności właściwej i względnej, należałoby wpierw przedstawić ich definicje. A więc wyjaśnić czym one są w cyklu hydrologicznym. I jaką względem nich odgrywa rolę para wodna.
Wilgotność właściwa jest to stosunek masy pary wodnej do całkowitej masy wilgotnego powietrza.
Wilgotność względna jest to stosunek cząstkowego ciśnienia pary wodnej do ciśnienia powietrza.
Wilgotność bezwzględna jest to całkowita masa pary wodnej (gazowa postać wody) obecnej w danej objętości lub masie powietrza
–
Znaczenie wilgotności właściwej i względnej w badaniach nad oceanami i lądami
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 wilgotności właściwej i względnej nad oceanami naukowcy, będąc na statkach, wykorzystali między innymi wielozmienny produkt wilgotności morskiej HadISDH (globalny, siatkowy, miesięczny zestaw danych), a także wiele innych wilgotnościowych produktów. Zauważyli, że wilgotność właściwa lądu i morza wydaje się ogólnie podobna, podczas gdy w przypadku wilgotności względnej wyraźne suszenie od 2000 r. nad lądem nie jest widoczne nad oceanem w reanalizach. A wcześniej dostępne produkty in situ (na miejscu) kończą się zbyt wcześnie.
–
Rys. Roczne średnie klimatologie w odniesieniu do lat 1981–2010 dla (a) wilgotności właściwej (g kg −1 ), (b) wilgotności względnej (%rh), (c) temperatury powietrza (∘ C) i (d) temperatury punktu rosy (∘ C) dla trzeciej iteracji wersji statku z kontrolą jakości i korektą odchyleń. Średnie klimatologiczne oblicza się dla pól siatki i miesięcy z co najmniej 10 latami obecnymi w okresie klimatologii. Roczne średnie klimatologie wymagają, aby co najmniej 9 miesięcy w roku było reprezentowanych klimatologicznie. Źródło: Willett K.M. et al., 2020 / CC BY 4.0
–
Badacze z Met Office swoje wyniki badań podsumowali tak::
Wnioskujemy, że ten produkt do monitorowania wilgotności morskiej w pierwszej wersji jest rozsądnym szacunkiem trendów i zmienności na dużą skalę i przyczynia się do naszego zrozumienia zmian klimatycznych jako nowej i metodologicznie niezależnej analizy. Pokazane trendy i zmienność są w większości zgodne z oczekiwaniami; powszechne nawilżanie i ocieplenie są obserwowane nad oceanami (z wyłączeniem w większości pozbawionej danych półkuli południowej) od 1973 r. do chwili obecnej. Są one również duże w stosunku do wielkości naszych szacunków niepewności. Naszym głównym odkryciem jest to, że wilgotność względna morza wydaje się spadać (powietrze staje się mniej nasycone). Zbadaliśmy różne procesy zapewniające dane wysokiej jakości i wykazaliśmy, że nie powodują one dużych różnic w przypadku analiz na dużą skalę wilgotności właściwej, temperatury punktu rosy i temperatury powietrza, ale że istnieje większa wrażliwość na wybory metodologiczne dotyczące wilgotności względnej.
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 to przyczyna ekstremów pogodowych
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.
—
Zestaw modeli CMIP5 niedoszacowuje spadek wilgotności względnej
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
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.
–
Dalszy wzrost emisji gazów cieplarnianych i aerozoli, a adwekcja pary wodnej
Naukowcy wyjaśniają także, że zmiany regionalne (w skali mniejszej niż 4000 km) są zdominowane przez transport (adwekcję) pary wodnej znad oceanów nad lądy.
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.
–
Dane obserwacyjne i symulacyjne
W pracy między innymi wykorzystane zostały następujące dane, które posłużyły do obserwacji i symulacji:
– HadCRUT4v4.6 (1979-2018) – siatkowy zbiór danych opisujących globalne historyczne anomalie temperatury powierzchni w odniesieniu do okresu odniesienia 1961–1990
– HadCRUH (1979-2003) – zbiór danych dotyczących średnich miesięcznych anomalii powierzchni lądu i morza o rozdzielczości siatki 5° szerokości geograficznej x 5° długości geograficznej
– SSM/I (1988-2019) – specjalny czujnik mikrofalowy/obrazownik – siedmiokanałowy, czteroczęstotliwościowy, liniowo spolaryzowany pasywny system radiometru mikrofalowego
– ERA5 (1979-2019) – piąta generacja reanalizy Europejskie Centrum Prognoz Średnioterminowych (ECMWF) dla globalnego klimatu i pogody w ciągu ostatnich 8 dekad. Dane są dostępne od 1940 r.
– GPCPv2.3 (1979-2018) – zestawy danych Globalnego Projektu klimatologii i opadów atmosferycznych (GPCP – Global Precipitation Climatology Project) dostarczają miesięczne, pentadowe (pięcioletnie) i dzienne analizy opadów z pomiarów powierzchniowych i satelitarnych od 1979 r. do chwili obecnej (od 1997 r. do chwili obecnej dla pomiarów dziennych)
– AMIP6 (1980-2014) – standardowy protokół eksperymentalny dla modeli globalnej cyrkulacji atmosferycznej (AGCM – Atmospheric General Circulation Models)
–
Główne składniki atmosferycznego efektu cieplarnianego
Na podstawie opublikowanej książki w 2022 r. „The Changng Flow of Energy Through the Climate System” („Zmieniający się przepływ energii przez system klimatyczny”) Kevin Trenberth, kierownik Sekcji Analiz Klimatycznych w Narodowym Centrum Badań Atmosferycznych (NCAR – National Center for Atmospheric Research) zwrócił pilną uwagę, że para wodna odpowiada za 50 procent całkowitego efektu cieplarnianego. Dwutlenek węgla za 19 procent, ozon za 4 procent, a inne gazy za 3 procent. Chmury stanowią około jednej czwartej efektu cieplarnianego (rys. poniżej).
–
Rys. Para wodna odgrywa znaczącą rolę w naturalnym efekcie cieplarnianym Ziemi i wzmacnia obecne ocieplenie wywołane przez człowieka. Adaptacja Trenberth (2022) , CC BY-SA
—
Para wodna krótko żyje, ale wytwarza dużo ciepła
Badacz zwraca uwagę, że para wodna jest bardzo krótko żyjącą cząsteczką. Najdłużej może dotrwać do 9 dni. Potem skrapla się w cząsteczkę wody (skąd mogą być opady deszczu) albo resublimuje w cząsteczką lodu (skąd mogą być opady śniegu).
Wraz z postępującym ocieplaniem się Ziemi pod wpływem rosnących stężeń dwutlenku węgla, metanu, podtlenku azotu, ozonu oraz f-gazów, od lat 70-tych XX wieku dodatkowe ciepło wytwarzane jest przez parę wodną. I jest ono podobne do tego jakie uzyskujemy dzięki emisjom dwutlenku węgla.
–
Para wodna a chmury
Jako gaz para wodna jest niewidoczna dla ludzkich oczu. Jednak w chmurach występuje już w postaci wspomnianych widocznych kropelek wody czy też widocznych kryształków lodu.
Trenberth podkreślił, że wraz ze wzrostem wysokości w atmosferze powietrze zaczyna rozszerzać się i chłodzić. Dzięki czemu powstają bardziej sprzyjające warunki do tworzenia się chmur i w końcu w nich kropelek wody, zwiastujących opady deszczu, czy też kryształków lodu, zwiastujących opady śniegu.
–
Dodatnie i ujemne sprzężenie zwrotne chmur. Dodatnie sprzężenie zwrotne pary wodnej
W sumie cząsteczki pary wodnej (wody/lodu) w trzech stanach skupienia działają pod względem nie wymuszenia radiacyjnego jak cząsteczki dwutlenku węgla, metanu czy podtlenku azotu, ale pod wpływem sprzężenia zwrotnego. Lecz uwaga, tylko dodatniego. Pary wodnej jest dużo w atmosferze jak się robi bardzo ciepło. A robi się ciepło, gdy rośnie temperatura Ziemi pod wpływem rosnących stężeń długożyjących gazów cieplarnianych dwutlenku węgla (od ok. 300 do ok. 1000 lat), metanu (do 12 lat) czy podtlenku azotu (do 114 lat). Z kolei sprzężenia zwrotne chmur są dodatnie albo ujemne. W pierwszym przypadku w chmurach wysokopoziomowych z kryształkami lodu, a w drugim przypadku w niskopoziomowych z kropelkami wody. .
Cząsteczki wody (H2O) ogrzewają Ziemię, gdy jest ich dużo w powietrzu atmosferycznym w formie gazowej jako cząsteczki pary wodnej, będące silnym gazem cieplarnianym i zatrzymujące w znacznym stopniu promieniowanie podczerwone w niskiej troposferze. Największa jego ilość jest zatrzymywana tuż przy powierzchni planety, zwłaszcza w gorących tropikach. Zwłaszcza na równiku gdzie jest silna konwekcja atmosferyczna.
Podobnie ciepło podczerwone jest zatrzymywane w wysokopoziomowych chmurach lodowych. Wytwarzające się w nich kryształki lodowe mniej odbijają o krótszych falach elektromagnetycznych promieniowania słonecznego w kosmos, a właśnie więcej zatrzymują wyemitowywanego z Ziemi o dłuższych falach elektromagnetycznych promieniowania podczerwonego we wspomnianych chmurach lodowych.
Natomiast niskopoziomowe chmury uwodnione więcej odbijają promieniowania słonecznego odbijają w kosmos. Kropelki wody w chmurach mają takie właściwości, że je rozpraszają albo odbijają w efekcie albedo. A ziemskie promieniowanie podczerwone jest mniej pochłaniane przez tego typu chmury. W szczególności taki duży efekt dają chmury morskie stratocumulusy, które niestety pod wpływem dalszego wzrostu temperatury globalnej zaczynają zanikać. W sumie efekt cieplarniany, albedo, chmury i para wodna razem tworzą ważny komponent w cyklu hydrologicznym. A więc, gdy mamy chmury, to mamy też opady deszczu i śniegu.
–
Parowanie .
Parowanie jako jeden z najważniejszych elementów cyklu hydrologicznego to bardzo ważny proces w dynamice systemu klimatycznego i meterologicznego Ziemi. Mamy jego dwa rodzaje:
– ewaporacja z gleb i oceanów (przyrody nieożywionej)
– transpiracja z aparatów szparkowych w liściach roślin (przyrody ożywionej)
–
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
–
Czułość hydrologiczna
Bardzo interesującym parametrem w pomiarach zawartości pary wodnej w cyklu hydrologicznym Ziemi jest czułość hydrologiczna ( η ).
W sumie ten termin naukowy w hydroklimatologii oznacza powszechnie stosowaną miarę oceny wzrostu średnich globalnych opadów w wyniku ocieplenia powierzchni. Dokładniej to określenie definiuje się jako zmianę tych średnich na każdy stopień Kelvina (K) pod kątem wzrostu temperatury powierzchni ziemi, spowodowaną zwiększaniem się stężeń gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla (CO2).
Oszacowanie czułości hydrologicznej badaczom sprawia pewien problem. Czyli pozostaje w dużej mierze niepewne i trudne do dokładnej identyfikacji.
—
Rys. Atrybucja niepewności wrażliwości hydrologicznej w modelach CMIP5. Wartości wrażliwości hydrologicznej (czarne kropki), terminu wzorca ocieplenia (czerwone kropki) i terminu różnicy modeli atmosferycznych (niebieskie kropki) dla 24 modeli CMIP5 znormalizowanych przez średnią wielomodelową. Źródło: Zhang S. et al. 2023 / CC BY 4.0
–
Shipeng Zhang, ekspert z dziedziny z instytutu Fizyki atmosferycznej, oceanicznej i planetarnej na Wydziale Fizyki na Uniwersytecie Oksfordzkim, wraz ze swoimi współpracownikami z Wielkiej Brytanii, Chin i Izraela zbadał wzorce ocieplenia powierzchni planety pod względem czułości hydrologicznej.
Badacze uznali, że wzrost średnich globalnych opadów wraz ze średnią globalną temperaturą (czułość hydrologiczna ( η )) jest ograniczony przez budżet energii atmosferycznej. Następnie odkryli, że ocieplenie w silnie tropikalnych regionach wstępujących może powodować większą czułość hydrologiczną ( η ) większe niż tempo przewidywane przez zależność Clausiusa-Clapeyrona (wzrost o 7 proc.pary wodnej w atmosferze na każdy stopień Celsjusza/Kelvina). Oznacza to ich zdaniem, że globalne tempo wzrostu opadów może przekroczyć tempo wzrostu pary wodnej w tych konkretnych (i wyidealizowanych) okolicznościach.
Ponadto klimatolodzy z Wielkiej Brytanii, Chin i Izraela zwrócili uwagę, że zrekonstruowane na wykresie poniżej średnie globalne opady z uwzględnieniem efektu wzorca temperatury powierzchni morza (SST- Sea Surface Temperature) zgadzają się znacznie lepiej z obserwowanymi rocznymi średnimi globalnymi opadami niż zrekonstruowane, które wykorzystują jedynie średnią globalną temperaturę powietrza.
–
Rys. Szeregi czasowe obserwowanej anomalii opadów z GPCP (ciągła czarna linia), zrekonstruowanej anomalii opadów bez efektu wzorca (czarna przerywana linia) oraz zrekonstruowanej z efektem wzorca (pomarańczowa linia) w oparciu o zaobserwowane zestawy danych SST HadCRUT. Źródło: Zhang S. et al. 2023 / CC BY 4.0
–
Dr Shipeng Zhang na łamach Research Communities temat czułości hydrologicznej, jak widać ważnego narzędzia badawczego w hydroklimatologii, podsumował następująco:
Poprzez rozwikłanie nieliniowej zależności między wzorcami ocieplenia a czułością hydrologiczną ( η ), zbliżamy się do kompleksowego zrozumienia, w jaki sposób globalne ocieplenie kształtuje cykl wodny naszej planety. Ostatecznie nasze badania mają na celu poinformowanie decydentów, naukowców i interesariuszy, pomagając im w poprawie ich zdolności do lepszego przewidywania przyszłego klimatu i odpowiedniego tworzenia polityk łagodzenia.
–
Metody badawcze naukowców z Wielkiej Brytanii, Chin i Izraela
W oszacowaniu efektu wzorca temperatury powierzchni morza (SST) zastosowano modele ogólnej cyrkulacji (GCM – Global Circulation Models – Community Atmospheric Model 5.3
Z kolei w oszacowaniu atrybucji niepewności czułości hydrologicznej posłużono się zestawem 24 modeli pod nazwą Projektu wzajemnego porównania modeli sprzężonych w fazie piątej (CMIP5 – Coupled model intercomparison project).
Ponadto badacze zrekonstruowali dane opadów na podstawie danych SST z (HadCRUT -Hadley Centre/Climatic Research Unit).
Następnie udało im się poprawić współczynnik korelacji między zaobserwowanymi a zrekonstruowanymi opadami, szczególnie po 1995 r., kiedy zbiór danych Globalnego projektu klimatologii opadów (GPCP – Global Precipitation Climatology Project) jest uważany za najbardziej wiarygodny.
Do analizy historycznych opadów w tej pracy wykorzystano nowszy zestaw 11 modeli w fazie szóstej CMIP6.
Jeśli chodzi o zestawy danych obserwacyjnych i reanalizy z lat 1980-2020 naukowcy posłużyli się obserwowanymi danymi temperatury powierzchni morza (SST) z dwóch źródeł:
– HadCRUT w formie siatki z Met Office Hadley Centre ,
– miesięcznych zrekonstruowanych NOAA
Ponadto badacze wykorzystali swoje zestawy danych o opadach i temperaturze powierzchni morza (SST) z tego samego okresu (1980–2020). Dokładniej chodzi o dane reanalizy atmosferycznej ERA5. A dane o opadach z lat 1979–2020 zaczerpnęli z zestawu danych obserwacyjnych GPCP, który pochodzi ze stacji deszczomierzy, sondowań gruntu i obserwacji satelitarnych.
–
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
- Trenberth K., 2022 ; The Changng Flow of Energy Through the Climate System ; Cambridge University Press https://www.cambridge.org/core/books/changing-flow-of-energy-through-the-climate-system/F6DEF9F0033FCD43398BFA9A2BF64FAD
- Zhang S.et al., 2023 ; Sea Surface Warming Patterns Drive Hydrological Sensitivity Uncertainties ; Nature Climate Change