Kiedy zrozumiemy mechanizm efektu cieplarnianego, zrozumiemy też czym są wymuszenia radiacyjne (emisje gazów cieplarnianych i aerozoli powodujące przyrost lub spadek energii cieplnej w podczerwieni, wzmocnienie lub osłabienie aktywności słonecznej) i wymuszenia 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).
Obecnie trwa wymuszenie radiacyjne z powodu antropogenicznych emisji gazów cieplarnianych teraz od co najmniej 170 lat ma wpływ zaburzający na bilans energetyczny naszej planety. I jest ono wzmacniane, zarówno dodatnimi, jak i ujemnymi sprzężeniami zwrotnymi.
Rys.1. Wymuszanie radiacyjne spowodowane przez długożyjące gazy cieplarniane w latach 1979-2019.
Ten rysunek przedstawia wielkość wymuszeń radiacyjnych powodowanych przez różne gazy cieplarniane, w oparciu o zmianę stężenia tych gazów w atmosferze ziemskiej od 1750 roku. Wymuszanie radiacyjne jest obliczane w watach na metr kwadratowy, co reprezentuje wielkość nierównowagi energetycznej w atmosfera. Po prawej stronie wykresu wymuszanie radiacyjne zostało przekonwertowane na roczny wskaźnik gazów cieplarnianych, który dla 1990 r. jest ustawiony na wartość 1,0. Źródło danych: NOAA, 2020
Rys.2. Wymuszanie radiacyjne spowodowane działalnością człowieka od 1750 roku.
Ta liczba pokazuje całkowitą wielkość wymuszeń radiacyjnych spowodowanych działalnością człowieka — w tym skutki pośrednie — w latach 1750–2011. Wymuszanie radiacyjne jest obliczane w watach na metr kwadratowy, co reprezentuje wielkość nierównowagi energetycznej w atmosferze. Każdy kolorowy słupek reprezentuje najlepsze oszacowanie naukowców, podczas gdy cienkie czarne słupki wskazują prawdopodobny zakres możliwości. Jako odniesienie podano naturalną zmianę energii otrzymanej ze słońca w tym okresie. Źródło danych: NOAA, 2020
Od co najmniej 170 lat mamy wymuszenia radiacyjne pochodzenia antropogenicznego z naszej cywilizacji przemysłowej, do których przede wszystkim zaliczamy emisje gazów cieplarnianych powodujące dodatnie wymuszenia oraz emisje aerozoli powodujące ujemne wymuszenia.
W pewnym sensie ujemne wymuszenie powodują zmiany użytkowania terenu w postaci np. wylesień, alez kolei 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 wymuszeniem. Jak widać na rys.14., obecnie pod względem wymuszenia radiacyjnego, gaz ten stanowi ponad połowę tego co pozostałe gazy jak metan, podtlenek azotu czy nawet ozon troposferyczny.
Natalie M. Mahowald z Uniwersytetu im. Cornella (Cornell University) w Nowym Jorku zwróciła szczególną uwagę o niedoszacowanie wpływu zmian użytkowania gruntów oraz zmian ich pokrycia (LULCC – Land Use / Land Cover Change) w V Raporcie IPCC 2.
Naukowczyni stwierdziła następujące fakty:
Ponadto, prognozy stosowane w Międzyrządowym Zespole ds. Zmian Klimatu (IPCC) w zakresie tempa konwersji terenów tropikalnych w przyszłości są stosunkowo niskie w porównaniu ze współczesnymi obserwacjami, co sugeruje, że przyszłe prognozy dotyczące konwersji gruntów wykorzystywane w IPCC mogą nie doceniać potencjalnych skutków LULCC. Uwzględniając przyszły scenariusz LULCC „biznes jak zwykle” dotyczący wylesiania tropikalnego, stwierdzamy, że nawet jeśli wszystkie emisje inne niż LULCC zostaną wyłączone w 2015 r., prawdopodobne jest, że do 2100 r. nastąpi ocieplenie o 1,5°C w stosunku do ery przedindustrialnej. W związku z tym polityka ograniczania emisji LULCC musi pozostać priorytetem, jeśli mamy osiągnąć cele w zakresie niskich i średnich zmian temperatury zaproponowane w ramach Porozumienia Paryskiego.
W tejże pracy naukowcy do obliczeń szeregów czasowych wymuszenia radiacyjnego (RF), dla LULCC i dla nie-LULCC, dla różnych scenariuszy emisji, zastosowali głównie następujące modele: środowiskowy model lądowy (CLM – Community Land Model) w ramach środowiskowego modelu systemu Ziemi (CESM – Community Earth System Model) (Hurrell i in. 2013 , Lawrence i in. 2012a ).
Rys.3. (a) Antropogeniczne wymuszanie radiacyjne (W/m2) dla roku 2010 względem 1850 podzielone na źródła LULCC i nie-LULCC dla różnych czynników wymuszających, z niepewnością części całkowitego wymuszania radiacyjnego z powodu LULCC podaną przez słupki błędów (Ward i inni, 2014). (b) Szeregi czasowe antropogenicznego wymuszania radiacyjnego (W/m2) dla źródeł LULCC i nie-LULCC z niepewnością reprezentowaną przez zacienienie (Natalie M. Mahowald i inni, 2017).
Oto liczbowo podane dane najważniejszych wymuszeń 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
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 badania, Brian Soden, z Uniwersytetu w Miami, są autorami nowatorskiej metody badawczej w obliczaniu nierównowagi energetycznej Ziemi 4.
W 2021 roku naukowcy zastosowali po raz pierwszy metodę satelitarną (satelita 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 wymuszeń radiacyjnych ochładzających atmosferę aerozoli, jak i gazów cieplarnianych ją ogrzewających, za pomocą modeli komputerowych nie było do końca doskonałe. Obecne instrumentalne pomiary techniką tzw. jąder radiacyjnych pokazują dokładniejsze wyniki.
Rys.4. Satelitarne pomiary (w watach na metr kwadratowy w ciągu roku) chwilowych wymuszeń 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 (satelity: 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
Autorzy pracy napisali:
Zmiany w składzie atmosfery, takie jak wzrost ilości gazów cieplarnianych, powodują początkową nierównowagę radiacyjną systemu klimatycznego, określaną ilościowo jako chwilowe wymuszenie 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 jądra radiacyjne do obserwacji satelitarnych, aby rozwiązać te składniki i stwierdzić, że chwilowe wymuszenie radiacyjne na całym niebie wzrosło o 0,53 ± 0,11 W/m2 od 2003 do 2018 roku, biorąc pod uwagę pozytywne trendy w całkowitej planetarnej nierównowadze radiacyjnej.
—-
Mamy jeszcze wymuszenie 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.
Wymuszenie astronomiczne słoneczne w porównaniu z obecnie zachodzącym antropogenicznym wymuszeniem 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:
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 wymuszenia radiacyjnego na poziomie około 0,2 W/m2; dla porównania obecny wpływ gazów cieplarnianych przekracza już 3 W/m2.
Referencje:
- Mahowald N. M. et al., 2017 ; Are the impacts of land use on warming underestimated in climate policy? ; Environmental Research Letters ; https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/aa836d/meta
- 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/