Badania zmian klimatu

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.

Klimatolodzy wiedzą coraz więcej na temat dynamiki systemu klimatycznego. W szczególności najlepiej 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).
——
Rys.1. GEOS-5 Atmosphere-Ocean General Circulation Model (AOGCM) został opracowany w celu symulacji zmienności klimatu w szerokim zakresie skal czasowych, od synoptycznych skal czasowych po wielowiekowe zmiany klimatu, i został przetestowany w połączonych symulacjach i trybie asymilacji danych . Jego głównymi składnikami są model atmosfery GEOS-5, model powierzchni zlewni lądowej oraz MOM4, model oceanu opracowany przez Laboratorium Geofizycznej Dynamiki Płynów. Ocean i atmosfera wymieniają strumienie pędu, ciepła i świeżej wody przez interfejs „warstwy skóry”, który obejmuje parametryzację cyklu dobowego i model lodu morskiego, LANL CICE. Wszystkie komponenty są połączone ze sobą za pomocą Earth System Modeling Framework (ESMF). Celem posiadania wieloskalowego systemu modelowania z ujednoliconą fizyką jest możliwość płynnego i wydajnego propagowania ulepszeń wprowadzonych w procesie fizycznym w jednym komponencie do innych komponentów. GEOS-5 AOGCM został skonfigurowany do udziału w 5 fazie projektu Coupled Model Intercomparison Project (CMIP-5), który zapewnia standardowy protokół oceny sprzężonych GCM. Aby ocenić zdolność modelu do symulowania klimatu Ziemi, poddano go walidacji na podstawie danych obserwacyjnych i produktów ponownej analizy.
—–
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.
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.1. 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.2. Poziom morza wzrósł o ponad 9 cm od 1993 r. I przy tym tempie do końca stulecia nastąpiłby wzrost poziomu morza o ponad 30 cm (źródło: NASA Global Climate Change).
——
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.
——
Rys.3. Typowy cykl pływania obejmuje zejścia na 1000, a następnie 2000 metrów przed wypłynięciem na powierzchnię. Obraz zaadaptowany z programu obserwacji klimatu oceanicznego NOAA .
——
Od początku XXI wieku są też coraz lepiej usprawniane badania paleoklimatyczne. W szczególności badanie rdzeni lodowych, rdzeni oceanicznych, koralowców, słojów drzew, stalaktytów.
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. Natomiast 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.
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.
Z kolei 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. Z kolei 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, których wiek możemy obliczyć nawet w setkach milionów lat.
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.
——-

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *