Naukowcy wykonują szereg badań w podsystemach Ziemi (atmosferze, hydrosferze, litosferze, kriosferze, biosferze). Obserwują, mierzą, obliczają, zapisują i monitorują zbadane zjawiska i procesy w dynamice zmian klimatu.
Od co najmniej 70 lat są przeprowadzane pomiary temperatury przy powierzchni Ziemi dzięki globalnej sieci stacji meteorologicznych. Pomiary radiosondowe, radarowe, satelitarne i balonowe temperatury i koncentracji gazów cieplarnianych w górnej i dolnej atmosferze. Pomiary grawimetryczne i altymetryczne masy lądolodów Grenlandii i Antarktydy, poziomu morza, poziomu pokrywy śniegowej również nie tylko za pomocą satelitów, ale i też za pomocą samolotów i balonów. Pomiary energii cieplnej, temperatury powierzchni oceanu i na jego różnych głębokościach za pomocą satelitów, boi, pływaków, dronów oceanograficznych.
Modele
Klimatolodzy wiedzą coraz więcej na temat dynamiki systemu klimatycznego. Dobrze prezentują się symulacje klasycznych modeli bilansu energetycznego. Zwłaszcza modeli radiacyjno-konwekcyjnych (Earth Balance Model – EBM) oraz nieco nowszych modeli ogólnej cyrkulacji (Global Circulation Model – GCM), a także ulepszonych atmosferyczno-oceanicznych modeli ogólnej cyrkulacji (Atmospheric and Oceanic Global Circulation Model – AOGCM).
Za pomocą modeli, np. CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project phase 5) (były V Raport Oceny IPCC 2013-14) i CMIP6 (trwający obecnie VI Raport Oceny IPCC 2021-22) oraz PMIP (Paleoclimate Modelling Intercomparison Project), naukowcy prowadzą coraz precyzyjniejsze symulacje komputerowe klimatu przyszłego i przeszłego, czyli jak przebiegać będą zmiany klimatu w najbliższej przyszłości, także rozumiejąc przebieg tychże zmian w niedawnej czy dawniejszej przeszłości geologicznej.
–
Rys.1. Modele klimatyczne to układy równań różniczkowych oparte na podstawowych prawach fizyki , ruchu płynów i chemii . Aby „uruchomić” model, naukowcy dzielą planetę na trójwymiarową siatkę, stosują podstawowe równania i oceniają wyniki. Modele atmosferyczne obliczają wiatry , przenoszenie ciepła , promieniowanie , wilgotność względną i hydrologię powierzchni w obrębie każdej sieci i oceniają interakcje z sąsiednimi punktami. [1]
–
Pomiary na oceanach
Od około 1977 roku naukowcy zwrócili uwagę na potencjalnie szybko rosnącą ilość energii cieplnej w oceanach, a od 1979 roku zaczęto po raz pierwszy dokonywać pomiarów satelitarnych, zwłaszcza lodu w Arktyce, na Grenlandii i na Antarktydzie. Pomiarów tych dziś dokonują satelity GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) i GRACE Follow-On.
Od końca XX wieku naukowcy również zwrócili dużą uwagę, że oceany nie tylko ocieplają się, ale i ulegają coraz silniejszemu zakwaszaniu i odtlenianiu. W szczególności zaczęło się to w 1998 roku podczas bardzo silnego El Niño (oscylacji południowopacyficznej ENSO (El Niño Southern Oscillation)), gdy naukowcy zaobserwowali spektakularne blaknięcia koralowców na całym świecie, a zwłaszcza na Wielkiej Rafie Koralowej u wybrzeży północno-wschodniej Australii, co też miało przełożenie na przeżywalność gatunków żyjących w tych wrażliwych ekosystemach. Następny taki kataklizm miał miejsce podczas równie bardzo silnego i zarazem bardzo długiego El Niño w latach 2015-16. To wtedy też w 2016 roku padł rekord średniej temperatury powierzchni Ziemi, który w większości stacji meteorologicznych jest nadal rekordowy.
–
Rys.2. Podobnie jak GRACE, bliźniacze satelity GRACE-FO będą podążać za sobą na orbicie wokół Ziemi, oddalonej o około 137 mil (220 km). Widziany w renderowaniu artysty. Grafika: NASA
–
Dzięki pomiarom altymetrycznym, prowadzonym od 1992 roku przez następujące satelity NASA: TOPEX / Poseidon (1992-2006), Jason-1 (2001-2013), Ocean Surface Topography Mission (OSTM) / Jason-2 (2008-2019 ) i Jason-3 (2016 do chwili obecnej), na wzrost poziomu morza, obecnie największy wpływ ma rozszerzalność termiczna. W dalszej kolejności są odpowiedzialne lodowce górskie oraz spływy lądowe, np. z rzek i dopiero potem wkład swój mają pokrywy lodowe Grenlandii i Antarktydy. Te ostatnie nie zostały dokładnie uwzględnione w V Raporcie Oceny IPCC (2013-14). Np. nie zostały wzięte pod uwagę takie procesy dynamiki utraty masy lodowej jak, niestabilność morskiej pokrywy lodowej (MISI – Marine Ice Sheet Instability) oraz niestabilność morskich klifów lodowych (MICI – Marine Ice Cliffs Instability), które prawdopodobnie będą miały poważny wkład w podnoszenie się poziomu morza podczas dalszego ocieplania się klimatu. Oczywiście w VI Raporcie Oceny IPCC (2021-22) będzie położony na to szczególny nacisk.
–
Rys.3. Jason-1 kontynuował pomiary powierzchni morza rozpoczęte przez TOPEX/Poseidon. Po nim nastąpiła misja Ocean Surface Topography na Jason-2 i Jason-3 (Wikipedia.pl).
–
Od 1999 roku ruszył w oceanach projekt badawczy Argo, w którym automatyczne boje były początkowo zanurzane na głębokość do 700 metrów. Teraz są zanurzane do 2000 metrów. A wkrótce mają być przystosowane do zanurzeń do 6000 metrów. Sondy te przeprowadzają regularnie pomiary temperatury, zasolenia i przepływu prądów w oceanach, na ich powierzchni oraz na ich różnych głębokościach. Dzięki temu dowiadujemy się coraz więcej o najgłębszych i najbardziej pojemnych zbiornikach cieplnych w systemie klimatycznym Ziemi.
Fot.1. Argo to globalny zestaw 3800 swobodnie dryfujących pływaków profilujących, który mierzy temperaturę i zasolenie górnych 2000 metrów (około 6562 stóp) oceanu.
–
Rys.4. Typowy cykl pomiarowy boi Argo (Nauka o klimacie.pl).
–
Pomiary pośrednie (paleoklimatyczne)
Od początku XXI wieku są też coraz lepiej usprawniane badania paleoklimatyczne.
Pomiary koncentracji CO2 w atmosferze są, zarówno pośrednie (proxies), tu głównie za pomocą rdzeni lodowych, obliczanych na razie od około 800 tysięcy lat do dziś czy też w setkach milionów lat dzięki np. wydobywaniu rdzeni z osadów oceanicznych, jak i od 1958 roku również do dziś wykonywane są pomiary instrumentalne za pomocą spektroskopii masowej.
co najmniej od lat 70 za pomocą pomiarów pośrednich, czyli proxies, poznajemy dokładniej temperatury dzięki wspomnianym rdzeniom lodowym z późnego plejstocenu od 800 tysięcy lat do dziś, jak i też dzięki rdzeniom z osadów oceanicznych czy jeziornych, których wiek możemy obliczyć nawet w setkach milionów lat.
Fot.2. Ciemna pasma w tym rdzeniu lodowym z Zachodniej Antarktydy Podziału Pokrywy Lodowej (WAIS Divide) to warstwa pyłu wulkanicznego, która osiadła na pokrywie lodowej około 21 000 lat temu. – Źródło: Heidi Roop.
–
Instrumentalne pomiary klimatyczne i meteorologiczne
Coraz lepiej poznajemy takie aspekty w fizyce klimatu jak czułość klimatu, wymuszenia radiacyjne, sprzężenia zwrotne (dodatnie i ujemne), cykl węglowy i hydrologiczny, gazy cieplarniane i aerozole jako główne czynniki wymuszeń radiacyjnych, aspekty atrybucji klimatu, czyli umiejętne rozróżnianie wpływu czynników naturalnych od antropogenicznych, a także poznajemy w końcu coraz lepiej wprowadzone w życie w V Raporcie Oceny IPCC scenariusze emisji antropogenicznych.
Poznajemy też coraz lepiej emisje ze źródeł naturalnych jak choćby klasyczna wieloletnia zmarzlina, ale i też torfowiska i lasy tropikalne. Dzięki rozpoczętym wynikom badań już na przełomie XIX i XX w., dowiadujemy się więcej na temat czułości klimatu, a z I połowy XIX w. na temat efektu cieplarnianego, który jest oczywiście czymś naturalnym, a nie spowodowanym przez człowieka.
Globalne ocieplenie to jest właśnie nadwyżka ciepła, umownie obliczana od około 1850 roku, z powodu bardzo znaczącego spalania paliw kopalnych (choć jeszcze dominowały emisje ze zmian użytkowania terenu, przede wszystkim z deforestacji), które wpłynęły po raz pierwszy na zauważalny skład atmosfery, w której zaczęło przede wszystkim wzrastać stężenie dwutlenku węgla z poziomu 278 ppm (parts per milion – cząsteczek CO2 na milion cząsteczek powietrza atmosferycznego) aż do dziś do poziomu 412,5 ppm. Co również wpłynęło na fluktuacyjny wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi o ok. 1,02 stopnia Celsjusza do 2016 roku oraz do 2019 roku względem okresu referencyjnego 1951-1980, według danych NASA GISS. Przy czym minimalnie 2016 był cieplejszy niż 2020 rok. Z kolei dane z Berkeley Earth według okresu referencyjnego 1851-1900 wyniosły dla 2016 roku 1,29 stopnia Celsjusza, a dla 2020 roku – 1,27 stopnia Celsjusza.
Instrumentalne pomiary średniej temperatury powierzchni Ziemi (2 m n.p.m.) są wykonywane, od 1880 r. do dziś i są przeprowadzane na wielu stacjach meteorologicznych w różnych regionach naszej planety.
–
Fot.3. Obserwatorium Mauna Loa (NOAA).
–
Inne badania, w tym atrybucyjne
Podsumowując temat, trzeba też podkreślić jeszcze jedno. Aby zrozumieć dogłębnie zachodzące zmiany w systemie klimatycznym Ziemi, powinniśmy poznać nie tylko podstawy fizyki klimatu o efekcie cieplarnianym, bilansie energetycznym Ziemi, globalnych cyrkulacjach atmosferyczno-oceanicznych, obiegu węgla i wody, wymuszeniach radiacyjnych, sprzężeniach zwrotnych, czułości klimatu itp., ale i również powinniśmy głębiej zrozumieć wyniki prac atrybucji zmiany klimatu w kontekście oddziaływania ekstremalnych zjawisk pogodowych jak susze, upały, pożary, nawalne opady deszczu i śniegu, powodzie czy huragany.
—
Źródła: