Czy dwutlenek węgla na pewno podgrzewa atmosferę? Czy jest go więcej przez ludzi? A może winę za zmiany klimatu ponoszą wulkany, słońce albo po prostu fauna i flora świata? Wątpliwości rozwiewa profesor Szymon Malinowski – kierownik Zakładu Fizyki Atmosfery Uniwersytetu Warszawskiego.
W życiu codziennym często kierujemy się intuicją. Dlatego wydaje nam się, że mamy bardzo dużo powietrza w atmosferze. Ze szkoły wiemy, że ciśnienie atmosferyczne przy powierzchni Ziemi odpowiada ciśnieniu 10 metrów słupa wody. Nie każdy jednak ma świadomość, co to właściwie oznacza: gdyby powietrze sprężyć do takiej gęstości, jaką ma woda, atmosfera Ziemi miałaby zaledwie10 metrów grubości. To wszystko, co przetacza się nad naszymi głowami, to odpowiednik dziesięciometrowej warstwy wody. Można argumentować, że tak cienka warstwa powietrza w stosunku do wielkości planety nie ma dużego znaczenia. Jednak wpływ tej warstwy na warunki życia na Ziemi łatwo można ocenić, spoglądając na Księżyc otrzymujący tyle samo energii słonecznej co Ziemia.
Wracając do CO2, to nie jest on nadzwyczajnym gazem. Ale wszystkie gazy, które mają w cząsteczce trzy atomy albo więcej (takie jak obecny w atmosferze metan, CO2 czy para wodna), absorbują promieniowanie w zakresie termicznym. Inaczej mówiąc – wpływają na zatrzymywanie energii cieplnej w atmosferze. Tej własności nie mają gazy dwuatomowe: azot i tlen – główne składniki naszej atmosfery.
Mit 2. Czy to jednak nie para wodna ma większy wpływ na globalne ocieplenie niż CO2? Jest jej przecież tysiące razy więcej.
Pary wodnej w atmosferze jest rzeczywiście bardzo dużo. Jest ona głównym gazem cieplarnianym izolującym Ziemię od kosmicznych chłodów. Ale mówimy tu nie o średniej temperaturze na Ziemi, którą zawdzięczamy parze wodnej i innym gazom cieplarnianym, ale o zmianach tej temperatury. Już sama nazwa – para wodna – mówi, że w atmosferze występują warunki do jej skraplania i opadania jako deszcz lub śnieg. W związku z tym jest ona bardzo szybko usuwana z atmosfery. Możemy teraz zapytać, co reguluje ilość pary wodnej w powietrzu. Jej źródeł jest przecież pod dostatkiem. Ocean, który zajmuje trzy czwarte powierzchni globu, zawiera 300 razy więcej wody niż atmosfera powietrza.
Otóż w ciepłym powietrzu pary wodnej „mieści się” więcej niż w zimnym. Ilość pary wodnej regulowana jest poprzez temperaturę powietrza. Temperatura powietrza zależy natomiast od ciepła otrzymywanego ze Słońca i od obecności gazów cieplarnianych. Dlatego długo żyjące gazy cieplarniane, pomimo swojego niedużego stężenia, są „zaworem”, który wpuszcza lub usuwa parę wodną z atmosfery. Pochodzący ze spalania węgla i ropy CO2 zwiększył stężenie tego gazu do wartości większych niż przed rewolucją przemysłową. Doprowadziło to do wzrostu temperatury powietrza, dalej do zwiększonego parowania i kolejnego wzmocnienia efektu cieplarnianego. To jedno z tzw. dodatnich sprzężeń zwrotnych w systemie klimatycznym.
Mit 3. W przeszłości występowało dużo wyższe stężenie CO2 oraz wyższe temperatury. Skąd więc taka obawa przed globalnym ociepleniem?
Nasze obawy nie dotyczą bezpośrednio wzrostu temperatury, ale bardzo szybkich zmian w naszym otoczeniu. Ziemia bez wątpienia zmianę klimatu przetrwa, nasz gatunek także. Natomiast wiele innych gatunków już niekoniecznie. Otwarte pozostają pytania: jak ludzkość udźwignie zmiany klimatu, ile będą nas one kosztować i czy ich skutki nie doprowadzą do zapaści cywilizacyjnej. Problemem, z którym się zetkniemy, będzie więc koszt globalnej zmiany klimatu, nie tylko finansowy, ale także w sensie jakości życia.
Najważniejszym z praktycznego punktu widzenia zagadnieniem fizyki atmosfery nie jest to, czym ekscytują się media, czyli określenie zmian temperatury powietrza przy powierzchni Ziemi. Kluczową sprawą jest zrozumienie, jak ciepło gromadzone dziś w wyniku narastającego efektu cieplarnianego – przede wszystkim w oceanach – wpłynie na mechanizmy klimatyczne. Atmosfera jest tylko małym dodatkiem do masy wody na naszej planecie. Większość ocieplenia, jakie obecnie obserwujemy, zachodzi nie w atmosferze, ale w oceanach. Magazynują one ciepło, któremu coraz szczelniejsza warstwa wokół planety nie pozwala uciec w kosmos. Ogrzanie całej atmosfery Ziemi o jeden stopień wymaga tyle samo ciepła co ogrzanie warstwy wody w oceanach o grubości zaledwie 2,5 metra. To olbrzymia pojemność cieplna oceanów sprawia, że patrząc na wykresy zmian temperatury powietrza, widzimy zaledwie wierzchołek góry lodowej.Globalne ocieplenie jest jak lawina, która już się toczy. Kwestią otwartą pozostaje jednak, jak się rozwinie i czy za 30-50 lat jej skutki nie staną się dramatyczne. A to zależy wprost od tempa wzrostu „izolacyjności” atmosfery, czyli od naszej emisji gazów cieplarnianych.
Mit 4. Metan jest gazem cieplarnianym pochłaniającym promieniowanie podczerwone lepiej niż CO2. Czy nie powinniśmy zatem bardziej martwić się metanem?
Martwimy się metanem bardzo, ale jest go w atmosferze dużo mniej niż CO2. Mimo że określona ilość metanu wpływa 27 razy mocniej na ocieplenie niż ta sama ilość CO2, to na razie przeważa wpływ CO2. Drugą cechą metanu – sprawiającą, że w długim okresie czasu metan jest mniej groźny – jest jego czas życia w atmosferze. Metan pod wpływem promieniowania słonecznego (nadfioletu) rozkłada się, a czas jego życia wynosi kilka lat. CO2 nie rozkłada się w atmosferze, ale rozpuszcza się w oceanie lub jest przyswajany w procesie fotosyntezy. Typowy czas naturalnych zmian koncentracji CO2 w atmosferze to setki lat, emisje CO2 odcisną piętno w dłuższym czasie niż emisje metanu.
Mit 5. A co z wulkanami? Podobno emitują one więcej CO2 niż cała nasza cywilizacja?
To jest po prostu nieprawda. Łatwo się o tym przekonać, patrząc na wykresy stężenia CO2 w atmosferze. Brak w nich sygnału wyróżniającego nawet wielkie erupcje. Ludzkość w tej chwili emituje blisko 140 razy więcej CO2 niż wulkany! Nasza elektrownia w Bełchatowie emituje w ciągu roku więcej CO2 niż Etna – najbardziej aktywny wulkan w Europie.
Mit 6. Oceany, rozkładająca się roślinność, świat zwierząt i ludzi przecież także emitują CO2 do atmosfery, i to wielokrotnie więcej niż spalanie paliw kopalnych. Dlaczego więc spalanie paliw kopalnych ma tak złą opinię?
To prawda. CO2 wydobywa się z ciepłych oceanów, pochodzi z rozkładu materii organicznej oraz z oddychania. Z drugiej jednak strony ten sam CO2 pochłaniany jest przez rośliny w procesie fotosyntezy i rozpuszcza się w zimnej wodzie morskiej. Jeśli weźmiemy pod uwagę naturalne emisje CO2, to faktycznie są one wielokrotnie większe niż to, co emituje nasza cywilizacja. Jednak naturalne emisje są równoważone przez naturalne procesy pochłaniania. Bilans naturalnego obiegu CO2 jest więc zerowy. Jak w firmie, która ma duże obroty i zerowy zysk. W pewnym momencie „zyskiem” dla atmosfery stały się emisje CO2 pochodzące ze spalania węgla – bardzo powoli wycofanego kiedyś z obiegu i odłożonego w postaci paliw w odległych etapach historii geologicznej. Mniej więcej połowa tych emisji jest rozpuszczana obecnie w oceanach i powoduje ich zakwaszanie. Warto zdać sobie sprawę z tego, że od początku działalności przemysłowej wpuściliśmy do atmosfery w postaci CO2 prawie tyle samo węgla, ile znajduje się obecnie w całej biosferze. Gdybyśmy chcieli zatem sadzić lasy, aby zrównoważyć tę emisję, musielibyśmy dwukrotnie zwiększyć masę roślinną na świecie. To rzecz niemożliwa do przeprowadzenia.
Mit 7. Może więc aktywność Słońca wpływa na globalne ocieplenie?
Słońce jest głównym źródłem energii w systemie klimatycznym. Jednak emisja energii ze Sł ońca, choć minimalnie oscyluje w cyklach 11-letnim i dłuższych, jest bardzo stabilna. Na podstawie badań izotopowych jesteśmy w stanie odtworzyć zmienność aktywności słonecznej w ciągu ostatnich kilkudziesięciu tysięcy lat i wiemy, że zmiany emitowanej energii mogły wywołać wahania temperatury globu o zaledwie 0,1 stopnia. Obserwacje astronomiczne potwierdzają, że gwiazdy podobne do Słońca emitują energię bardzo stabilnie.
Znacznie większe zmiany w klimacie Ziemi były wywołane tzw. cyklami Milankovicia. To regularne zmiany orbity i nachylenia osi Ziemi, które wpływają na kąt padania promieni słonecznych i czas nasłonecznienia różnych obszarów globu, od czego zależą pory roku i równoleżnikowy rozkład temperatur. Wiemy, że zmiany orbitalne zapoczątkowywały i kończyły epoki lodowcowe. Zauważmy, że rozkład lądów na półkuli północnej jest inny niż na południowej. Gdy oś Ziemi nachylała się tak, że wiosną słabiej oświetlane były arktyczne połacie Syberii i Kanady, śnieg, który spadł zimą, roztapiał się wolniej. Rosnące, dłużej zalegające połacie śniegu i lodu sprawiały, że odbijało się więcej promieniowania słonecznego, a półkula północna i za nią cała planeta stygła. Proces ten był wzmacniany przez dodatnie sprzężenia zwrotne (np. związane z rozpuszczaniem atmosferycznego CO2 w ochładzającym się oceanie) i odwracał się, gdy latem na Daleką Północ dopływało więcej energii słonecznej.
Mit 8. Wrażenie globalnego ocieplenia powstało na skutek błędów pomiaru temperatury, ponieważ coraz więcej stacji meteorologicznych znajduje się w pobliżu ośrodków miejskich, cieplejszych niż otoczenie.
Ten argument był wielokrotnie weryfikowany przez usuwanie z danych pomiarów pochodzących ze stacji położonych w pobliżu miast. Po wykonaniu tego zabiegu wciąż niezmieniony jest efekt ocieplenia. Ostatnia, największa analiza zebranych danych temperatury BEST z Berkeley potwierdziła jeszcze raz, że zjawisko tzw. miejskich wysp ciepła nie ma znaczenia dla oceny globalnych zmian temperatury powietrza. Temperatura ta rośnie, także nad oceanami. Warto dodać, że analizy BEST przeprowadziła grupa naukowców sceptyczna początkowo wobec faktu globalnego ocieplenia.
]]>
