Kiedy zrozumiemy mechanizm efektu cieplarnianego, zrozumiemy też czym są wymuszania radiacyjne (emisje gazów cieplarnianych i aerozoli powodujące przyrost lub spadek energii cieplnej w podczerwieni, wzmocnienie lub osłabienie aktywności słonecznej) i wymuszania astronomiczne (zmiany orbity Ziemi w przeciągu tysięcy lat powodujące wzmocnienie ocieplenia prowadzące do wycofywania się lądolodu ze średnich szerokości geograficznych do Arktyki lub osłabienie ocieplenia prowadzące do narastania lądolodu z Arktyki na średnich szerokościach).
—
Rys.1. Wymuszenia radiacyjne. Źródło: IPCC 2021.
—
Powyżej na rys.1. w najnowszym 6 raporcie oceny (2021-2023) opisane zostały fizyczne czynniki zmian klimatu pod względem ich wkładu w temperaturę w stopniach Celsjusza (podziałka od -1 do 1,5 °C).
Wśród gazów cieplarnianych znalazły się: dwutlenek węgla, metan, podtlenek azotu, gazy halogenowe, tlenki azotu, inne gazy. A wśród aerozoli: dwutlenek siarki, organiczny węgiel, amoniak, czarny węgiel (sadza). Ponadto nawadnianie i albedo oraz smugi kondensacyjne w lotnictwie.
—
Rys.2. Wymuszanie radiacyjne, w stosunku do 1750 roku, praktycznie wszystkich długotrwałych gazów cieplarnianych. Źródło: GML NOAA 2022.
—
Na rys.2 ukazany jest na prawej osi roczny wskaźnik gazów cieplarnianych NOAA (AGGI – Annual Greenhouse Gas Index), który jest indeksowany od 1 dla roku 1990. Główne gazy cieplarniane, pod względem emisji, to oczywiście dwutlenek węgla (CO2), metan (CH4) i podtlenek azotu (N2O). Ponadto duży udział w emisji mają gazy przemysłowe. Tzw. f-fazy (CFC, w tym: CCl4 , CH3 , CCl3 i halony, HCFC, HFC, w tym: SF6. Na lewej osi przedstwiony jest parametr wymuszania radiacyjnego w watach na metr kwadratowy (W/m2).
Obecnie trwa wymuszanie radiacyjne z powodu antropogenicznych emisji gazów cieplarnianych. Od co najmniej 170 lat ma ono wpływ zaburzający na bilans energetyczny naszej planety. I jest ono wzmacniane, zarówno dodatnimi, jak i ujemnymi sprzężeniami zwrotnymi.
Od co najmniej połowy XIX wieku mamy wymuszania radiacyjne pochodzenia antropogenicznego z naszej cywilizacji przemysłowej, do których przede wszystkim zaliczamy emisje gazów cieplarnianych powodujące dodatnie wymuszania oraz emisje aerozoli powodujące ujemne (związki siarki) i dodatnie (sadza) wymuszania, ale bilans ostateczny jest dla nich ujemny.
W pewnym sensie ujemne wymuszanie występuje również podczas zmian użytkowania terenu w postaci np. wylesień, ale zanik szaty roślinnej sprawia, że w atmosferze kumuluje się znacznie więcej dwutlenku węgla (30% od 1750 roku), a więc, wówczas mamy do czynienia z dodatnim wymuszaniem. Obecnie pod względem wymuszania radiacyjnego, gaz ten stanowi ponad połowę tego co pozostałe gazy jak metan, podtlenek azotu czy nawet ozon troposferyczny.
—
Hailing Jia z Centrum Innowacji Współpracy ds. Prognoz i Oceny Katastrof Meteorologicznych oraz Chińskiej Administracji Meteorologicznej, wraz ze swoim zespołem naukowym, zaprezentował dane satelitarne szacunków wymuszania radiacyjnego przez interakcje aerozol-chmura (RFaci), które pokazały mniejsze wartości niż dane z globalnych modeli, co jest teraz kłopotliwe w dokładnych prognozach przyszłych zmian klimatu. 1
W tych pierwszych badaniach wzięto pod uwagę chmury oraz aerozole. Ponadto zwiększające się tworzenie się jąder kondensacji chmur przyczynia się do większego rozpraszania promieni słonecznych i odbijania ich z powrotem w przestrzeń kosmiczną.
W wykrywaniu błędów systematycznych próbkowań pobierane są dane z chmur za pomocą projektu Chmury i System Energii promieniowania Ziemi (CERES – Clouds and the Earth’s Radiant Energy System) oraz jest pobierany aerozol za pomocą spektroradiometru obrazowania (MODIS – Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) i następnie tak samo są przeprowadzane badania za pomocą długoterminowej wersji 2 Retrospektywnej Analizy Ery Nowoczesnej dla Badań i Zastosowań (MERRA-2 – Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications).
Scenariusze strefy pokrycia w interakcji aerozol-chmura
Rejestrowanie danych aerozolowych dla MODIS o zgrubnej rozdzielczości 1° × 1° oraz dla reanalizy MERRA-2 o zgrubnej rozdzielczości 0,5° × 0,625° mają przełożenie na obserwacje chmur w skali pikseli o wyższej rozdzielczości, generując dane interakcji aerozol-chmura o rozdzielczości 20 × 20 km2.
—
Rys.3. Schematyczny diagram czterech podstawowych scenariuszy w badaniu strefy pokrycia w interakcji aerozol-chmura (Hailing Jia i inni, 2021).
—
Na powyższym rysunku dane te zostały pokazane jako kolumny (prostopadłościany) dla różnych scenariuszy (zaznaczonych jasnoniebieskim tłem). Przedstawiono na nim kombinacje chmur i związane z nimi pobieranie aerozolu. Na lewym panelu pokazana jest strefa pokrycia w interakcji aerozol-chmura, czyli głębokość optyczna aerozolu (AOD – Aerosol Optic Depth), za pomocą spektroradiometru MODIS (zielony kolor). Na środkowym i prawym panelu strefa pokrycia w interakcji aerozol-chmura, czyli tak samo głębokość optyczna aerozolu. została przedstawiona za pomocą reanalizy MERRA-2 (żółty kolor).
Scenariusz Aero_Cld_Modis na lewym panelu reprezentuje kombinację chmur, które nie pokrywają w pełni obszaru 1° × 1° i sąsiedniego pobierania aerozolu za pomocą spektroradiometru MODIS.
Scenariusz Aero_Cld zawiera te same próbki chmur co Aero_Cld_Modis, ale wykorzystuje badania przy próbkowaniu za pomocą reanalizy MERRA-2 AOD.
Scenariusz Cld obejmuje chmury w pełni pokrywające obszar 1° × 1°, na którym brakuje reanalizy AOD, więc trzeba ten obszar ją wypełnić.
Scenariusz All_Cld wykorzystuje połączone zestawy danych w Aero_Cld i Cld, w tym wszystkie dostępne chmury otoczenia.
Podczas badań w 2021 roku, wymuszanie radiacyjne, w interakcji aerozol- chmura (RFaci – Radiative Forcing aerosol cloud interaction), wyniosło od -0,38 do -0,59 W m-2. Czyli średnio globalnie jego wzrost wyniósł 55% (nad samymi lądami 133%, a nad samymi oceanami 33%). Natomiast po włączeniu się głębokości optycznej aerozolu (AOD – aerosol optic depth) RFaci wyniósł -1,09 W m-2.
Parametr jąder kondensacji chmur
Efektywniejszym od AOD badaniem pośrednim (proxy) jest wykorzystanie parametru jąder kondensacji chmur (CCN – cloud condensation nuclei).
Aerozol może zmieniać właściwości chmur i opadów atmosferycznych, wpływając w ten sposób na bilans promieniowania Ziemi, a tym samym na zmianę klimatu. Wzrost stężenia CCN powoduje zwiększenie kropel chmur, które efektywniej rozpraszają promieniowanie słoneczne, które odbite od chmur trafia z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Jest to ujemne wymuszenie radiacyjne, dzięki czemu w danym regionie zachmurzonym klimat się ochładza.
Jest to zjawisko znane jako efekt albedo chmury lub efekt Twomeya.
Satelitarny pobór aerozolu kolumnowego opartego na RFaci mieści się w mniejszym zakresie, od -0,2 do -0,7 W m-2, aniżeli w symulacjach modelowych, od -0,3 do -1,8 W m-2.
Dzięki badaniom satelitarnym zamieszczonym w IPCC, RFaci spadło z -0,7 do -0,45 W m-2.
—
Ryan Kramer z Narodowej Agencji Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej im. Goddarda z Centrum Lotów Kosmicznych (NASA GSFC – National Aeronautics and Space Agency Goddard Space Flight Center) na Wydziale Nauk o Ziemi w Greenbelt oraz współautor Brian Soden z Uniwersytetu w Miami są autorami nowatorskiej metody badawczej w obliczaniu nierównowagi energetycznej Ziemi (EEI – Earth’s Energy Imbalance). 3
—
Rys.4. Satelitarne pomiary (w watach na metr kwadratowy w ciągu roku) chwilowych wymuszań radiacyjnych (IRF – Instantaneocous Radiative Forcing) krótkofalowego promieniowania (SW – Shortwave) oraz przyrostu w ciągu roku (Δ) aerozolu oraz głębokości optycznej aerozolu (AOD – Aerosol Optic Depth) w latach 2003-2018 (satelitarne dane: CERES/AIRS, MERRA-2 i MODIS. a) SW IRF CERES/AIRS b) SW IRF MERRA-2 c) SW IRF MERRA-2 Aerosol d) MODIS AOD e) MERRA-2 AOD (Ryan Kramer i inni, 2021).
—
W 2021 roku naukowcy zastosowali po raz pierwszy metodę satelitarną (instrument satelitarny CERES), a nie jak dotychczas metodę za pomocą symulacji komputerowych modeli. Badania zostały zarejestrowane w okresie 2003-2018, a więc, w okresie gdy zaczęto zmniejszać emisje aerozoli w atmosferze, a jak wiadomo, ich usunięcie podwyższa temperaturę globalną Ziemi. Chociaż z drugiej strony został zaobserwowany dalszy wzrost emisji gazów cieplarnianych. Dlatego też obliczanie wymuszań radiacyjnych ochładzających atmosferę aerozoli, jak i gazów cieplarnianych ją ogrzewających, za pomocą modeli komputerowych nie było do końca doskonałe. Obecne instrumentalne pomiary techniką tzw. kerneli, czyli jąder radiacyjnych, pokazują dokładniejsze wyniki.
Autorzy pracy piszą:
Zmiany w składzie atmosfery, takie jak wzrost ilości gazów cieplarnianych, powodują początkową nierównowagę radiacyjną systemu klimatycznego, określaną ilościowo jako chwilowe wymuszanie radiacyjne. Ta fundamentalna metryka nie była bezpośrednio obserwowana globalnie, a wcześniejsze szacunki pochodziły z modeli. Częściowo dzieje się tak dlatego, że obecne instrumenty kosmiczne nie są w stanie odróżnić chwilowego wymuszania radiacyjnego od reakcji radiacyjnej klimatu. Stosujemy tzw. kernele radiacyjne do obserwacji satelitarnych, aby rozwiązać te składniki i stwierdzić, że chwilowe wymuszanie radiacyjne na całym niebie wzrosło o 0,53 ± 0,11 W/m2 od 2003 do 2018 roku, biorąc pod uwagę dodatnie trendy w całkowitej planetarnej nierównowadze radiacyjnej.
—
W dziedzinie klimatologii mamy jeszcze wymuszania astronomiczne, mianowicie, słoneczne, które działa w okresie od kilku dekad do dwóch, trzech stuleci, np. jak to było podczas średniowiecznego optimum klimatycznego czy w pierwszej połowie XX wieku oraz orbitalne, które działa w skali długofalowej powyżej kilku tysięcy lat, np. tak jak to było podczas nadejścia cykli glacjalnych lub interglacjalnych.
Wymuszanie astronomiczne słoneczne w porównaniu z obecnie zachodzącym antropogenicznym wymuszaniem radiacyjnym jest nieznaczne. W całym holocenie nie odgrywało ono poważnej roli by mieć wpływ na zaburzenie klimatu. Generalnie wywoływało ono regionalne ocieplenia jak np. we wspomnianym średniowieczu w rejonie wokół Grenlandii w latach 950-1250. Wtedy były tam obszary lokalne nawet cieplejsze niż wynosiła średnia globalna temperatura Ziemi na przełomie XX i XXI wieku.
Marcin Popkiewicz, współredaktor serwisu „Nauka o klimacie”, w swoim artykule „Aktywność słoneczna w ostatnich 9000 latach” pisze: 4
Ziemia pochłania około 70% padającego promieniowania słonecznego. Ponieważ interesuje nas średni strumień promieniowania przypadający na jednostkę powierzchni globu, musimy wziąć pod uwagę, że powierzchnia ta jest czterokrotnie większa od powierzchni przekroju planety (4πR2 powierzchni Ziemi vs πR 2 przekroju). Zmiana mocy promieniowania słonecznego o 1 W/m2 powoduje więc zmiany energii absorbowanej przez powierzchnię Ziemi równe ¼ · 0,7 = 0,17 W/m2. W przypadku różnicy strumienia promieniowania słonecznego pomiędzy Minimum Maundera a maksimum w XX wieku równej 1,2 W/m2 oznaczałoby to zmiany wymuszania radiacyjnego na poziomie około 0,2 W/m2; dla porównania obecny wpływ gazów cieplarnianych przekracza już 3 W/m2.
—
Oto liczbowo podane dane najważniejszych wymuszań radiacyjnych zamieszczonych w książce „Nauka o klimacie” (rozdział 4.4. Zmiana bilansu radiacyjnego Ziemi, str. 58):
Dwutlenek węgla – 2,00 W/m2 [roczne wymuszenie – 0,04 W/m2
Pozostałe gazy cieplarniane bez ozonu – 1,00 W/m2
Chłodzące aerozole bez sadzy – -0,80 W/m2
Cieplarniany aerozol sadza – 0,65 W/m2
Zmiany albedo w związku ze zmianami użytkowania terenu – -0,15 W/m2
Ozon troposferyczny – 0,40 W/m2
Ozon stratosferyczny – 0,10 W/m2
Nasłonecznienie – 0,10 W/m2
Zmiany w chmurach dzięki aerozolom – 0,55 W/m2
—
Referencje:
- Jia Hailing et al., 2021 ; Significant underestimation of radiative forcing by aerosol-cloud interactions derived from satelllite-based methods ; Nature Communications ; https://www.nature.com/articles/s41467-021-23888-1
- Kramer R. J. et al., 2021 ; Observational Evidence of Increasing Global Radiative Forcing ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2020GL091585
- Popkiewicz M., 2020 ; Aktywność słoneczna w ostatnich 9000 latach ; Nauka o klimacie ; https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/aktywnosc-sloneczna-w-ostatnich-9000-lat-399/