Globalne ocieplenie to nie tylko wzrost w atmosferze koncentracji gazów długożyjących, takich jak dwutlenek węgla, metan czy podtlenek azotu, powodujący wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi. To również wzrost w atmosferze koncentracji pary wodnej.
Według danych American Chemical Society, para wodna prawdopodobnie odpowiada za około 60% efektu cieplarnianego na Ziemi. Jednak nie kontroluje ona temperatury naszej planety. Robi to za nią mniej liczny, ale trwalszy w atmosferze, dwutlenek węgla 1.
Im dalej w stronę biegunów lub wysokich szczytów górskich (w stronę zimna), tym mniej pary wodnej w atmosferze. Im bliżej równika oraz nizin zalesionych z mokradłami (w stronę ciepła), tym więcej pary wodnej w atmosferze.
—
Rys.1. MODIS – spektroradiometr obrazowy o średniej rozdzielczości na międzynarodowym naukowym satelicie badawczym NASA Terra ukazał 30 stycznia 2005 roku globalną średnią atmosferyczną pary wodnej w atm-cm (centymetry słupa wody w słupie atmosferycznym, jeśli się skondensowała) (Wikipedia).
—
Para wodna jest to dość wyjątkowy gaz cieplarniany potrafiący dostosować swoją zawartość w atmosferze do innych parametrów, takich jak temperatura czy ciśnienie. Woda z powierzchni wód i wilgotnych gleb kieruje się w górę powietrza dzięki procesowi parowania, którego tempo silnie jest zależne od temperatury oceanu i powietrza, zgodnie z równaniem Clausiusa-Clapeyrona.
—
Rys.2. Równanie Clausiusa-Clapeyrona pokazując wzrost nasycenia powietrza parą wodną podczas wzrostu w nim temperatury (Nauka o klimacie).
—
Raymond T. Pierrehumbert, z Wydziału Fizyki na Uniwersytecie Oksfordzkim, oraz Feng Ding, z Wydziału Nauk Geofizycznych, na Uniwersytecie Chicagowskim, zauważyli, że skoro obecność pary wodnej wpływa na przyrost temperatury w skali planetarnej, to jednak ma ona właściwości schładzające. Im wyżej wznosi się ona w atmosferze, tym szybciej schładza się, by po minięciu tzw. punktu rosy zamienić się w kropelki wody w chmurach niskich (zarówno na niższych, jak i na wyższych szerokościach geograficznych) lub w kryształki lodu i płatki śniegu w chmurach wysokich (głównie na wyższych szerokościach geograficznych) 2.
I tu zachodzi kluczowe zastanowienie. Para wodna nie tylko skrapla się do kropel wody, ale i też w chłodniejszych warunkach atmosferycznych dolnej troposfery, przekształca się do postaci kryształków lodu, czyli płatków śniegu. Jednak ten proces fizyczny jest coraz rzadszy, bo dolna atmosfera (troposfera) wraz z wysokością staje się coraz cieplejsza.
Tair Plotnik, ze Szkoły Nauk o Środowisku i Ziemi im. Portera na Uniwerytecie w Tel Awiwie, w swojej pracy zespołowej napisał, że para wodna będąc w górnej troposferze jest kluczowym gazem cieplarnianym, mającym bezpośredni wpływ na powstanie wzrostu temperatury powierzchni. I zarówno ilość pary wodnej, jak i wysokość, na której ona się znajduje, mają wpływ na równowagę radiacyjną i efekt cieplarniany atmosfery. Ciekawą rzeczą jest dostawanie się pary wodnej do górnej troposfery dzięki tworzeniu się głębokich burz konwekcyjnych, często mających związek z wyładowaniami atmosferycznymi. I intensywność tych wyładowań atmosferycznych oddziałuje jednocześnie na powstawanie intensywności konwekcji tych burz, a tym samym na zwiększenie koncentracji pary wodnej przenoszonej z dolnej do górnej troposfery 3.
Jednakże para wodna nie może występować bez długożyjących gazów cieplarnianych, jak wspomniany dwutlenek węgla, metan czy podtlenek azotu. Ma, owszem, tak samo własności cieplarniane jak tamte gazy, ale jednak bez nich nie mogłaby istnieć. To nie ona podtrzymuje efekt cieplarniany na Ziemi. To jest przede wszystkim dwutlenek węgla, uczestniczący w cyklu węglowym planety oraz podtrzymujący jej termostat.
Dlatego też, jak już w 1905 roku ustalił amerykański geolog Thomas Chamberlin, para wodna jest w pewnym sensie wzmacniaczem ocieplenia (wówczas jeszcze nie globalnego) ze strony Słońca czy dwutlenku węgla, czyli stanowi ona dodatnie sprzężenie zwrotne. I to najsilniejsze w systemie klimatycznym planety 4.
Brian J. Soden, ze Szkoły Morskich i Atmosferycznych Nauk im. Rosenstiela na Uniwersytecie w Miami, Floryda, oraz Isaac M. Held, z Narodowej Administracji Atmosferyczno-Oceanicznej (NOAA – National Administration Atmospheric and Oceanic)/Laboratorium Geofizycznej Dynamiki Płynów w Princeton, New Jersey, stwierdzili, że para wodna zapewnia nie tylko największe dodatnie sprzężenie zwrotne we wszystkich badanych modelach klimatycznych, ale i również zaobserwowali, że jej wzmocnienie powoduje zwiększenie wilgotności względnej. Ponadto zauważyli, że sprzężenia zwrotne z chmur i albedo powierzchni są dodatnie w zbadanych wszystkich modelach 5.
Na podstawie obserwacji satelitarnych i naziemnych, reanaliz (ERA5) oraz symulacji modeli klimatycznych CMIP6, brytyjscy naukowcy: Richard P. Allan z Wydziału Meteorologii i Narodowego Centrum Obserwacji Ziemi na Uniwersytecie w Reading, Kate M. Willett z biura Met Office Hadley Centre w Exeter oraz Tim Trent ze Szkoły Fizyki i Astronomii i Narodowego Centrum Obserwacji Ziemi na Uniwersytecie w Leicester, a także niemiecki naukowiec Viju O. John z EUMETSAT w Darmstadt, wywnioskowali, że globalna średnia zintegrowana z kolumną pary wodnej wzrosła o 1% / dekadę w latach 1988–2014 w obserwacjach i symulacjach samej atmosfery 6.
Ogólnie mówiąc, para wodna parując z gleb lub roślinności czy z oceanów i dostając się wzwyż do atmosfery, ma zdolności do zatrzymywania ciepła, dzięki procesom pochłaniania termicznej energii promieniowania podczerwonego oraz światła słonecznego. Ponadto, gaz ten, na większych wysokościach schładzając się, już jako woda lub lód, w chmurach stanowi „paliwo” dla opadów deszczu i śniegu. Gdy klimat się coraz bardziej ociepla, para wodna wzrasta w najniższych kilku kilometrach atmosfery, co powoduje zarówno większe zatrzymywanie ciepła, jak i także większe opady atmosferyczne.
—
Referencje:
- American Chemical Society ; 2022 ; Water vapor and climate change ; American Chemical Society ; https://www.acs.org/climatescience/climatesciencenarratives/its-water-vapor-not-the-co2.html
- Pierrehumbert R. T. i in. ; 2016 ; Dynamics of atmospheres with a non-dilute condensible component ; Proceedings of the Royal Society A ; https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspa.2016.0107
- Plotnik T. i in. ; 2021 ; Transport of Water Vapor from Tropical Cyclones to the Upper Troposphere ; Atmosphere ; https://www.mdpi.com/2073-4433/12/11/1506
- Fleming J. R. ; 1998 ; 837 T. C. Chamberlin and the Geological Agency of the Atmosphere ; Oxford Academic ; https://academic.oup.com/book/41694/chapter-abstract/353937054?redirectedFrom=fulltext&login=false
- Soden B. J. ; 2006 ; An Assessment of Climate Feedbacks in Coupled Ocean–Atmosphere Models ; Journal of Climate ; https://journals.ametsoc.org/view/journals/clim/19/14/jcli3799.1.xml
- Allan R. P. ; 2022 ; Global Changes in Water Vapor 1979–2020 ; JGR Atmospheres ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2022JD036728?campaign=woletoc