Gdy działają wymuszenia radiacyjne musi być na nie odpowiedź w postaci sprzężeń zwrotnych. Pierwsze działają w pewnym sensie niezależnie od systemu planetarnego, np. podnosząc lub obniżając temperaturę planety jaką jest Ziemia, a drugie już tylko wzmacniają lub osłabiają oddziaływanie tych pierwszych, np. w postaci zwiększenia lub zmniejszenia zawartości pary wodnej w atmosferze czy też wzmocnienia lub osłabienia efektu albedo lodu i śniegu czy też wzmocnienia albedo promieniowania słonecznego przez chmury niskie lub zwiększenia efektu cieplarnianego przez pochłanianie gazów cieplarnianych przez chmury wysokie.
Rys.1. Sprzężenia zwrotne
Pierre Friedlingstein, ze Szkoły Inżynierii, Matematyki i Nauk Fizycznych na Uniwersytecie w Exeter (Wielka Brytania) i z Laboratorium Meteorologii Dynamicznej w Instytucie Pierre’a Simona Laplace’a w Paryżu, zauważa, że obserwacje zawsze wskazują na dodatnie sprzężenie zwrotne, czyli ocieplenie prowadzące do uwolnienia węgla do atmosfery. Jednak procesy, które mają miejsce, różnią się w zależności od ram czasowych. Najnowocześniejsze modele systemu ziemskiego reprezentują teraz te sprzężenia zwrotne cyklu klimatyczno-węglowego, zawsze symulując pozytywne sprzężenie zwrotne w dwudziestym i dwudziestym pierwszym wieku, choć z dużą niepewnością 1.
Zdaniem naukowca cykl klimatyczny i węglowy są ze sobą ściśle powiązane w wielu skalach czasowych, od rocznych po wielotysiącletnie.
Dalej Friedlinstein wskazuje na ważne badanie z 1989 roku na temat sprzężeń zwrotnych cyklu klimatyczno-węglowego, zaprezentowane przez Dana A. Lashofa z World Resources Institute, w którym naukowiec ten zidentyfikował kilka biogeochemicznych sprzężeń zwrotnych, obejmujących reakcję biosfery i geosfery w ekosystemach lądowych i oceanicznych, przed 2015 r. nieuwzględnionych w modelach klimatycznych, w tym zapewne w V Raporcie Oceny IPCC 2.
Globalny budżet węglowy w okresie historycznym (1750–2011) według 5 Raportu Oceny IPCC (w gigatonach węgla – GtC) (Rys.10.):
Czynniki antropogeniczne
Żródła węgla:
- Emisje z paliw kopalnych – 375±30 GtC
- Zmiana użtkowania gruntów netto – 180±80 GtC
Czynniki naturalne
Pochłaniacze węgla:
- Oceaniczne pochłanianie – −155±30 GtC
- Lądowe pochłanianie – −160±90 GtC
Uwalnianie węgla:
- Oceaniczne uwalnianie – +5±5 GtC
- Lądowe uwalnianie – +25±10 GtC
Rys.2. Globalny budżet węglowy w okresie historycznym (1750–2011) zaadaptowany z IPCC AR5. Emisje z paliw kopalnych (czarna strzałka) i zmiany użytkowania gruntów (brązowa strzałka), jak w IPCC oraz przypisanie lądowych i oceanicznych pochłaniaczy dwutlenku węgla do atmosferycznego wzrostu CO2 (niebieskie strzałki) i zmian klimatycznych (pomarańczowe strzałki), jak to zrobiono w tym badaniu. Wszystkie strumienie węgla są przedstawione w GtC. Górne panele pokazują wzrost atmosferycznego CO2 od 1750 r. oraz globalną średnią temperaturę powierzchni od 1880 r.
Na temat atmosferycznego CO2 Friedlingstein stwierdził, że szacunkowa czułość z zapisów rdzeni lodowych, tj. zmiana atmosferycznego CO2 spowodowana zmianą globalnej temperatury, nie jest bezpośrednio porównywalna z czułością cyklu klimatyczno-węglowego oznaczoną symbolami γ i β oraz oszacowaną przez symulacje Modelu Systemu Ziemi (ESM – Earth System Model).
—-
Joshua F. Dean z Wydziału Nauk o Ziemi na Uniwersytecie Vrije w Amsterdamie wraz ze swoim zespołem naukowym opisał emisje metanu jako dodatnie sprzężenia zwrotne 3.
Złożona materia organiczna jest rozkładana przez mikroorganizmy w środowiskach beztlenowych w wieloetapowym procesie obejmującym hydrolizę, fermentację, homoacetogenezę i utlenianie octanu syntroficznego, co prowadzi do powstania CO2 i CH4 jako produktów końcowych. CH4 dyfunduje w górę przez warstwę gleby/osadu, gdzie może być utleniany przez (bez)tlenowe metanotrofy. Tutaj pokazano teoretyczny rozkład dostępnych akceptorów elektronów na podstawie ich potencjału elektronowego; zasięg stref akceptora elektronów będzie różny w różnych środowiskach. Część tego CH4 może ostatecznie dotrzeć do atmosfery. Część CH4 może zostać uwolniona przez rośliny lub ebulicję (wzburzenie); należy zauważyć, że te szlaki uwalniania CH4 mogą również zachodzić w środowiskach wodnych (na rysunku nie pokazane). Roślinność reprezentuje rośliny naczyniowe, które zapewniają bezpośrednią drogę pionowego uwalniania CH4 przez aerenchymę.
Emisje metanu od początku rewolucji przemysłowej do dziś wzrosły od około 700 ppb (parts per bilion – cząsteczki metanu na miliard cząsteczek powietrza atmosferycznego) do 1800 ppb.
Na wstępie swojej pracy naukowcy piszą następujące fakty:
Zmiana klimatu może potencjalnie zwiększyć emisje CH4 z krytycznych systemów, takich jak tereny podmokłe, systemy morskie i słodkowodne, wieczna zmarzlina i hydraty metanu, poprzez zmiany temperatury, hydrologii, roślinności, zaburzenia krajobrazu i podnoszenie się poziomu morza. Zwiększone emisje CH4 z tych systemów wywołałyby z kolei dalszą zmianę klimatu, powodując dodatnie sprzężenie zwrotne klimatu.
Rys.3. Koncepcyjna ilustracja produkcji i konsumpcji CH4 przed uwolnieniem do atmosfery; wszystkie procesy konwersji mikrobiologicznej zaznaczono kursywą. Złożona materia organiczna jest rozkładana przez mikroorganizmy w środowiskach beztlenowych w wieloetapowym procesie obejmującym hydrolizę, fermentację, homoacetogenezę i utlenianie octanu syntroficznego, co prowadzi do powstania CO2 i CH4 jako produktów końcowych. CH4 dyfunduje w górę przez warstwę gleby/osadu, gdzie może być utleniany przez (bez)tlenowe bakterie metanotroficzne.
Tutaj pokazano teoretyczny rozkład dostępnych akceptorów elektronów na podstawie ich potencjału elektronowego; zasięg stref akceptora elektronów będzie różny w różnych środowiskach. Część tego CH4 może ostatecznie dotrzeć do atmosfery. Czyli, część CH4 może zostać uwolniona przez rośliny naczyniowe – które zapewniają bezpośrednią drogę pionowego uwalniania CH4 przez aerenchymę (miękisz – tkankę powietrzną) – lub poprzez proces zwany ebulicją (wzburzenie), czyli bezpośrednio z gleby/osadu.
Należy zauważyć, że te szlaki uwalniania CH4 mogą również zachodzić w środowiskach wodnych (na rysunku nie pokazane).
Naukowcy ci w swojej pracy położyli szczególny nacisk na tereny podmokłe, które ich zdaniem do końca wieku odegrają kluczową rolę w zmianie klimatu, gdyż będą stanowić większość dodatniego sprzężenia zwrotnego metanu.
—-
Z kolei Eric W. Wolff z Wydział Nauk o Ziemi na Uniwersytecie w Cambridge i jego współpracownicy w swojej pracy stwierdzili następujący fakt 4:
Jest dość proste obliczenie zmiany równowagi temperatury w skali globalnej, która wynikałaby z określonej zmiany wymuszeń, gdyby Ziemia zachowywała się jak proste ciało czarne i nie występowałyby żadne dodatkowe efekty. Na przykład, można obliczyć, że podwojenie stężenia CO2 skutkuje wymuszeniem długofalowym około 3,7 W/m2 , co samo spowodowałoby równowagowe ocieplenie o około 1,2°C.
A więc, gdy już wiemy czym jest efekt cieplarniany, czym są wymuszenia (astronomiczne i radiacyjne) i czym są sprzężenia zwrotne, to na tej podstawie możemy ocenić bilans radiacyjny Ziemi czy jest w równowadze czy nie. Niestety od co najmniej 1850 roku już nie jest. Obecnie do całego układu klimatycznego naszej planety wchodzi więcej niż wychodzi z niego energii cieplnej.
Czułość klimatu na odpowiedzi wspomnianych wyżej sprzężeń zwrotnych jest bardzo wysoka. Niepewność w obliczeniach reakcji systemu klimatycznego w odpowiedzi na dalszy wzrost koncentracji gazów cieplarnianych oraz średniej temperatury globalnej powierzchni Ziemi, jest także wysoka.
Referencje:
- Friedlingstein P. et al., 2015 ; Carbon cycle feedbacks and future climate change ; Mathematical, Physical and Engineering Sciences ; https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2014.0421
- Lashof D. A., 1989 ; The dynamic greenhouse: feedback processes that may influence future concentrations of atmospheric trace gases and climatic change ; Climatic Change ; https://link.springer.com/article/10.1007/BF00134964
- Dean J. F. et al., 2018 ; Methane Feedbacks to the Global Climate System in a Warmer World ; Reviews of Geophysics ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2017RG000559
- Eric W. W. et al., 2015 ; Feedbacks on climate in the Earth system: introduction ; Mathematical, Physical and Enigineering Sciences ; https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2014.0428