Czy klimat Ziemi jest stabilny jak zegarek, czy raczej przypomina układ zdolny do nagłych przeskoków? Praca Wallace’a Broeckera, Dorothy Peteet i Davida Rinda z 1985 roku pokazała, że odpowiedź wzbudza pewien niepokój. Okazuje się, że interakcja ocean–atmosfera może funkcjonować w więcej niż jednym stanie równowagi. Potrafi ona przełączać się między nimi, i to w sposób dość gwałtowny.
To interesujące odkrycie stało się jednym z fundamentów współczesnej nauki o nagłych i wykładniczych zmianach klimatu, a także kluczowym argumentem przeciwko nieprawdziwemu twierdzeniu, że klimat reaguje wyłącznie powoli i liniowo.
Fot. Amerykański klimatolog i geochemik Wallace Smith Broecker stoi przed tablicą z napisem „CO2”, zdjęcie z ok. 2010 r. Źródło: Bruce Gilbert/CC BY-SA 4.0
Zapis lodu: dowód na niestabilny klimat
W latach 80. po raz pierwszy naukowcy zaczęli analizować rdzenie lodowe na dość znacznych głębokościach pokrywy lodowej Grenlandii. To właśnie one ujawniły serię krótkotrwałych, aczkolwiek gwałtownych zmian klimatu podczas trwania ostatniej epoki lodowej. Temperatura wówczas potrafiła w zaskakujący sposób nie tylko zmieniać się skokowo w skali tysięcy lat, lecz nawet dekad.
Broecker i jego współpracownicy zestawili te dane z palinologicznymi zapisami pyłków roślinnych na wszystkich kontynentach Ziemi. Okazało się, że zmiany te były szczególnie silne w regionie północnego Atlantyku, a niemal nieobecne w innych częściach planety.
To był pierwszy poważny trop w badaniach zmian klimatu. Pierwsze wyniki badań tego zespołu naukowego wskazały, że nie zmienia się on wszędzie tak samo i również nie zawsze przebiega ta zmiana stopniowo.
Wniosek z tego nasuwał się taki, że skoro zmiany są szybkie i regionalnie zróżnicowane, to musi istnieć mechanizm, który jest zdolny do nagłego przełączania całego systemu klimatycznego w skali globalnej.
Fot. Rdzeń lodowy Dye 3 na południu Grenlandii we wczesnych latach 80. Żródło: SobStory 78/CC BY-SA 4.0
Silnik klimatu ziemskiego: cyrkulacja termohalinowa
Autorzy w swojej pracy naukowej wskazali na kluczowy element tego złożonego dynamicznego układu: tworzenie się głębokich wód w północnym Atlantyku Tak zwany system północnoatlantyckie głębinowe wody (NADW – North Atlantic Deep Water). jest to część globalnego transportera oceanicznego „taśmociągu oceanicznego”, czyli cyrkulacji termohalinowej.
Mechanizm jest prosty fizycznie. Gdy wody w tej części świata ochładzają się, zwiększone ich zasolenie (fizycznie słone wody są cięższe od słodkich) powoduje energiczne opadanie ich w głąb oceanu. To właśnie ten proces napędza globalny transport ciepła.
Jednak proces ten zależy od bardzo delikatnej równowagi między:
- parowaniem,
- opadami,
- dopływem wód słodkich z lądów.
Już wtedy badacze zauważyli (co dziś z niepokojem współcześni obserwują), jeśli ten bilans hydrologiczny się zmieni, produkcja głębokich wód może w przyszłym, coraz cieplejszym świecie, mocno osłabnąć lub się nawet zatrzymać.
A to oznacza bardzo ponury prognostyk, że cały system klimatyczny może przeskoczyć w inny stan. Dziś wiemy, że zupełne zatrzymanie NADW (dziś wiemy, że jest to część południkowej atlantyckiej cyrkulacji wymiennej (AMOC – Atlantic Meridional Overturning Circulation) ) może grozić znacznym ochłodzeniem Europy i wschodnich wybrzeży Ameryki Północnej.
Rys. Wzory cyrkulacji w północnym Oceanie Atlantyckim. Zimna, gęsta woda oznaczona jest kolorem niebieskim i płynie na południe z wyższych szerokości geograficznych, natomiast ciepła, mniej gęsta woda oznaczona kolorem czerwonym płynie na północ z niższych szerokości geograficznych. Źródło: Allegra LeGrande/Domena publiczna
Dwa (a może więcej) stany równowagi
Najważniejsza teza pracy z 1985 roku brzmi: klimat nie ma jednej stabilnej konfiguracji.
Zamiast tego istnieją co najmniej dwa (prawie) quasi-stabilne tryby działania:
- stan z aktywną cyrkulacją oceaniczną (jak jeszcze dziś),
- stan z osłabioną lub zatrzymaną cyrkulacją (w przyszłości w coraz cieplejszym świecie).
Przejście między nimi nie musi być stopniowe. Może być nagłe — jak przełączenie przełącznika z punktu 0 na 1. Nic pomiędzy. podobnie do przeskoku kwantów fotonów w atomach z niższych energetycznie orbitali na wyższe energetycznie orbitale.
To radykalnie zmienia sposób myślenia o klimacie. Nie jest to układ liniowy („więcej CO₂ = trochę cieplej”), lecz system nieliniowy z progami krytycznymi („więcej CO₂ = bardzo ciepło”).
Późniejsze modele klimatyczne potwierdziły tę intuicję: cyrkulacja oceaniczna może być „krucha” i podatna na możliwe załamanie się.
Rys. NADW płynie na południe przez Atlantyk, zbliżając się do wód przydennych Antarktydy mijając Grzbiet Śródatlantycki . Źródło: Fred the Oyster/CC BY-SA 4.0
Argument przeciw denializmowi: klimat nie musi zmieniać się powoli
Jednym z najczęstszych argumentów sceptyków jest twierdzenie, że klimat zmienia się zawsze powoli, więc współczesne zmiany nie mogą być groźne. Praca Broeckera i jego współautorów podważa to bezpośrednio.
Pokazuje ona, że:
- w przeszłości klimat zmieniał się gwałtownie (ale dziś wiemy, że jednak zmiany te nie były tak szybkie pod kątem globalnego ocieplenia),
- zmiany te były związane z dynamiką oceanów (dziś wiemy, że były jednak znacznie powolniejsze w stosunku do współczesnych zmian klimatu),
- niewielkie zaburzenia mogą uruchomić duże reakcje systemu (ale obecne ocieplenie klimatu w trzeciej dekadzie XXI w. – jeśli dalej będą w przyszłości te same albo większe, emisje gazów cieplarnianych – będzie jeszcze bardziej dramatycznie gwałtowne).
To klasyczny przykład układu z punktami krytycznymi (tipping points).
Co więcej, dziś wiemy, że mechanizm ten, zaproponowany w 1985 roku przez Wallace’a Broeckera, Dorothy Peteet i Davida Rinda, ma dziś bardzo silne potwierdzenie w badaniach nad wspomnianą cyrkulacją atlantycką (AMOC). Współczesne analizy wskazują, że jest ona wrażliwa na dopływ słodkiej wody (głównie z topniejące pokrywy lodowej Grenlandii) czyli dokładnie tak, jak prognozowali autorzy w tym opracowaniu naukowym ponad 40 lat temu.
Dziedzictwo: „rozzłoszczona bestia klimatu”
W późniejszych latach Broecker nazwał ocieplający się klimat „rozzłoszczoną bestią”, którą człowiek zaczyna coraz bardziej nonszalancko prowokować, by czyniło zło w postaci nasilania się z dekady na dekadę bardzo ogromnych zjawisk pogodowych (jak np. huragany, fale upałów, susze, pożary, powodzie, nawalne opady deszczu), niosących z sobą często śmierć i zniszczenia. Nie była to metafora retoryczna, lecz podsumowanie wyników badań takich jak „prorocza” praca z 1985 roku.
Jej znaczenie jest trudne do przecenienia. Ukazała niestabilność klimatu. Autorzy w niej połączyli dane paleoklimatyczne z mechanizmami fizycznymi. W sumie zapoczątkowała ona badania nad nagłymi zmianami klimatu.
Dziś jest to fundament nauki o systemie Ziemi.
Najważniejszy wniosek z tego badania z lat 80. pozostaje aktualny: klimat nie jest powolnym i przewidywalnym zegarem. To dynamiczny układ, który może reagować skokowo.
A to oznacza, że ignorowanie zmian (zwłaszcza przez decydentów ze świata polityki i biznesu uzależnionego od paliw kopalnych i eksploatacji natury) nie gwarantuje wcale bezpieczeństwa dla ogółu ludzi i przyrody na Ziemi. Dziś wielu klimatologów wie, że to notoryczne ignorowanie ostrzeżeń naukowców może prowadzić do przekroczenia progów klimatycznych, po których powrót do poprzedniego stanu staje się trudny lub wręcz niemożliwy.
Referencje:
Broecker W., Peteet D. & Rind D. ; 1985 ; Does the ocean–atmosphere system have more than one stable mode of operation? ; Nature ; https://www.nature.com/articles/315021a0