Obok dwutlenku węgla, metanu i podtlenku azotu, jest jeszcze jeden gaz cieplarniany bardzo ważny w systemie klimatycznym Ziemi. Jest nim para wodna. Gaz jednak inny od wspomnianych wyżej, gdyż jest zmienny pod wpływem temperatury.
Woda występuje najczęściej w postaci cieczy, jednak może być ona również ciałem stałym (lód lub śnieg), a także gazem (para wodna). Prawie wszystkie substancje mogą przechodzić z jednego stanu skupienia w inny.
Rozróżnia się następujące przejścia fazowe wody :
– ze stanu stałego w ciekły – topnienie
– ze stanu ciekłego w stały – krzepnięcie
– ze stanu ciekłego w gazowy – parowanie
– ze stanu gazowego w ciekły – skraplanie
– ze stanu stałego w gazowy – sublimacja
– ze stanu gazowego w stały – resublimacja
Wszystkie trzy stany skupienia ciał: stały, ciekły i gazowy, odgrywają zasadniczą rolę w systemie klimatycznym Ziemi. Zaburzenie każdego z nich jest obecnie widoczne, gdy bilans energetyczny Ziemi został również zaburzony, na tyle poważnie, że oddziałuje to coraz bardziej ujemnie na ekosystemy i naszą cywilizację.
Para wodna powoduje najsilniejsze dodatnie sprzężenie zwrotne w systemie klimatycznym Ziemi. Jednak nie powoduje wymuszenia, czyli zmiany klimatu powodującej zmianę średniej temperatury powierzchni naszej planety, tak jak to powodują długożyjące gazy cieplarniane jak dwutlenek węgla, metan czy podtlenek azotu, a także przemysłowe freony.
—-
Praca zespołowa Kate M. Willett, zatytułowana: „Development of the HadISDH.marine humidity climate monitoring dataset” [„Opracowanie zestawu danych monitoringu klimatu wilgotności HadISDH.marine”], która ukazała się 17 listopada 2020 roku w czasopiśmie Earth, System, Science, Data, omawia szeroko zagadnienie znaczenia pary wodnej w systemie klimatycznym Ziemi.
—-
Rys.1. Globalne szeregi czasowe średniej rocznej wilgotności właściwej dla lądu (linia zielona), oceanu (kolor niebieski) i średniej globalnej (kolor ciemnoniebieski), w odniesieniu do lat 1981-2010. Przedstawiono dwa zakresy odchylenia standardowego dla niepewności łączące niepewność obserwacji, próbkowania i pokrycia. Fot. Met Office Climate Dashboard (Kate M. Willett i inni, 2020).
—-
Rys.2. Globalne szeregi czasowe średniej rocznej wilgotności względnej dla lądu (linia zielona), oceanu (kolor niebieski) i średniej globalnej (kolor ciemnoniebieski), w odniesieniu do lat 1981-2010. Przedstawiono dwa zakresy odchylenia standardowego dla niepewności łączące niepewność obserwacji, próbkowania i pokrycia. Fot. Met Office Climate Dashboard (Kate M. Willett i inni, 2020).
—-
Na rysunku 1 została zaznaczona w gramach na kilogramy (g / kg) różnica wilgotności właściwej w latach 1981-2010. Natomiast na rysunku 2 została zaznaczona w procentach różnica wilgotności względnej w tym samym badanym okresie czasu.
Do swoich badań na statkach naukowcy wykorzystali między innymi wielozmienny produkt wilgotności morskiej HadISDH (globalny, siatkowy, miesięczny zestaw danych), a także wiele innych wilgotnościowych produktów.
Badacze piszą o tym produkcie wilgotnościowym następująco:
Tutaj przedstawiamy opracowanie wielozmiennej analizy wilgotności morskiej HadISDH.marine.1.0.0.2018f (Willett i in., 2020). HadISDH.marine to zintegrowany zestaw danych powierzchniowych o wilgotności, prowadzony przez Met Office Hadley Centre, stanowiący produkt towarzyszący produktowi monitorującemu HadISDH.land i umożliwiający produkcję mieszanego globalnego produktu lądowego i oceanicznego. Tam, gdzie to możliwe, używamy istniejących metod z systemów używanych do budowania długotrwałego zbioru danych HadSST.
[temperatura powierzchni morza Had (SST – Sea Surface Temperature Had)]
Zgodnie z równaniem Clausiusa-Clapeyrona, każde ocieplenie klimatu w skali globalnej o jeden stopień Celsjusza, powoduje wzrost ilości pary wodnej o 7 %. I generalnie naukowcy obserwują taki wzrost, jeśli mamy na myśli jej zawartość, czyli wilgotność właściwą. Natomiast gdy mamy do czynienia już z nasyceniem pary wodnej w powietrzu atmosferycznym, czyli wilgotnością względną, to zauważają oni już jej powolny spadek, zarówno nad lądami, jak i nad oceanami. Implikacje spadku nasycenia pary wodnej nazywa się deficytem pary wodnej (VPD – Vapour Pressure Deficit). Gdy jest zbyt duży, rośliny by uniknąć straty wilgoci, zamykają swoje aparaty szparkowe (Charlotte Grossiord i inni, 2020).
Brak pary wodnej w coraz bardziej gorącym i suchym świecie, coraz częściej prowadzi do wielkoskalowych pożarów. Natomiast obfitość jej wzmacnia fale upałów, powodując stres cieplny u wielu roślin, zwierząt, w tym ludzi. Najbardziej niebezpiecznym zjawiskiem jest coraz częstsze pojawianie się wilgotnych fal upałów. Na szczęście jeszcze nie dotykających w znaczący sposób społeczności ludzkich, choć niektóre gatunki zwierząt i roślin już zapewne mocno ucierpiały takie epizody letnich fal upałów w ciągu minionych dwóch dekad XXI wieku.
—-
Bardzo interesująca pod tym względem jest praca hinduskich naukowców, którzy w swojej ojczyźnie, w Indiach, zauważyli, że intensywne rolnictwo pod względem nawadniania sprzyja powstawaniu warunków meteorologicznych, które są bardzo złe dla wielu mieszkańców nie tylko Indii, ale i sąsiedniego Pakistanu, a także wschodniej części Afganistanu. Jest to region, w którym mamy do czynienia z coraz częstszymi wilgotnymi falami upałów.
Vimal Mishra z Wydziału Inżynierii Lądowej i Nauk o Ziemi na Indyjskim Instytucie Technologii w Gandhinagar wraz ze swoimi współpracownikami, opisał swoje spostrzeżenia, 26 października 2020 roku, w czasopiśmie Nature, w pracy „Moist heat stress extremes in India enhanced by irrigation” [„Ekstremalny stres cieplny w Indiach wzmocniony przez nawadnianie”].
Intensywne nagrzewanie gruntów powoduje odparowanie. W ten sposób zmniejszony strumień ciepła jawnego z powodu nawadniania przyczynia się do obniżania się ku powierzchni Ziemi planetarnej warstwy granicznej w troposferze, co z kolei zwiększa wzrost wilgoci na niskim poziomie. I nie tylko dzięki intensywnemu nawadnianiu zwiększa się wilgotność właściwa, czyli ilość pary wodnej w atmosferze tuż nad powierzchnią Ziemi, ale i też zwiększa się wilgotność względna, czyli nasycenie, nawet do 100 % pary wodnej w powietrzu, co skutkuje tym, że wzrasta stres cieplny, grożący dziś 37-46 milionom mieszkańców Azji Południowej, przy dalszym wzroście temperatury globalnej, i to nawet przy ochłodzeniu powierzchni lądu. Naukowcy apelują by tak intensywnie nie nawadniać pól uprawnych.
—-
Na temat kwantyfikacji, czyli ilościowego określenia pary wodnej, ciekawa jest też praca „A 10 per cent increase in global land evapotranspiration from 2003 to 2019” [„10-procentowy wzrost globalnej ewapotranspiracji ziemi w latach 2003-2019”], która została wydana niedawno, w czasopiśmie Nature, 26 maja 2021 roku, przez zespół naukowy Madeleine Pascolini-Campbell z NASA, z Laboratorium Napędów Odrzutowych w Instytucie Technologii w Pasadenie.
—-
Rys.3. Szeregi czasowe dla ewapotranspiracji (u góry), opadów (drugi od góry), spływu rzecznego (drugi od dołu) i zmian w magazynowaniu wód gruntowych (na dole) w latach 2003-2019. Czarna linia pokazuje średni trend, a cieniowanie pokazuje zakres ufności, gdzie czerwone obszary oznaczają wysoki poziom ufności. Źródło: Pascolini-Campbell i in. ( 2021).
—-
Na podstawie globalnych produktów ewapotranspiracji pochodzących z różnych źródeł, w tym modeli, teledetekcji oraz obserwacji in situ, naukowcy przedstawili w tej pracy obraz globalnej ewapotranspiracji. Zaobserwowali, że w badanym okresie czasu 2003-2019 wzrosła ona o 10 ± 2 procent, czyli o 2,3 mm rocznie.
Dla porównania opady atmosferyczne wzrosły o 3 %, a spływ rzeczny spadł o 6 % w tym samym okresie badanym.
Pascolini-Campbell wyjaśnia, że ten spadek spływu może mieć wpływ na dostępność wody:
Wzrost ewapotranspiracji wpływa na ilość wody powierzchniowej dostępnej dla rolnictwa i zaopatrzenia w wodę. W przyszłości rosnąca ewapotranspiracja może również oznaczać zwiększoną utratę wody z lądu w niektórych regionach – prowadząc do suszy – podczas gdy inne obszary mogą doświadczyć bardziej intensywnych opadów, ponieważ ma to wpływ na cyrkulację atmosferyczną.
Ponadto, główna autorka pracy wyjaśnia, że to badanie wprowadza nową linię dowodów na to, że cykl wodny staje się coraz bardziej intensywny wraz z ocieplaniem się temperatur.
W sumie szeregi czasowe bilansu wodnego globalnej ewapotranspiracji lądu naukowcy przeanalizowali na podstawie badań grawimetrycznych satelitów GRACE i GRACE-Follow On. Zaobserwowali również, że zmienność globalnej ewapotranspiracji gruntów jest dodatnio skorelowana z oscylacją południowopacyficzną El Niño (ENSO – El Niño Southern Oscillation) (wpływ 17 % naturalnych zmienności klimatycznych). Jednak głównym motorem tego trendu jest rosnąca temperatura gruntu. Autorzy wysnuli hipotezę taką, że globalna ewapotranspiracja lądowa powinna wzrosnąć w ocieplającym się klimacie.
—-