„Emitowanie do atmosfery dużych ilości CO2 w związku ze spalaniem paliw kopalnych zwiększa atmosferyczny efekt kołderki” Svante Arrhenius, 1896 www.su.se

W ciągu ostatniego stulecia temperatura Ziemi wzrosła średnio o blisko 0,8°C. Wykres zmian temperatury pokazuje, że szczególnie szybki wzrost jest obserwowany w ciągu ostatnich 20-tu lat.
Od momentu rozpoczęcia regularnych pomiarów w 1850 roku aż 11 spośród ostatnich 12 lat było najcieplejszymi w historii pomiarów.
Jest niezwykle mało prawdopodobne, aby to był przypadek...

www.actewagl.com.au

Z pozoru wydaje się, że wzrost o 0,8°C w ciągu stulecia to niewiele... Kto z nas zauważa spadek lub wzrost temperatury o taką wartość? Bez pomocy precyzyjnego termometru nie zwrócimy na to uwagi, ani z dnia na dzień, ani nawet z minuty na minutę... A w ciągu stulecia? O czym my w ogóle mówimy!?

Aby móc powiedzieć, czy obserwowane ocieplenie jest czymś wyjątkowym w historii Ziemi, czy może jest to zjawisko będące czymś normalnym, trzeba sięgnąć głębiej w przeszłość. Pomiary temperatury i zawartości gazów cieplarnianych w czasach prehistorycznych wykonuje się kilkoma niezależnymi metodami, z wzajemnym porównywaniem i kontrolowaniem wyników.

Patrz: Sposoby pomiarów temperatury Ziemi i stężenia CO₂ w atmosferze

Przyjrzyjmy się podobnemu wykresowi zmian temperatur, ale tym razem za ostatnie 2000 lat.

www.klimanotizen.de

Uwagę zwracają okresy „średniowiecznego ocieplenia klimatu” w IX-XIII wieku oraz „małej epoki lodowcowej” w XV – XVIII wieku, no i oczywiście niespotykanie szybki wzrost temperatury w ostatnich latach.
W trakcie ocieplenia średniowiecznego Wikingowie skolonizowali Grenlandię. Kiedy temperatury zaczęły opadać, porty Grenlandii zaczęły zamarzać, zamarł handel z Islandią i Norwegią, skończyła się trawa dla bydła. Populacja wyspy zaczęła wymierać z głodu. Kiedy John Cabot w 1497 roku dopłynął na Grenlandię, zastał tam jedynie osady, których ostatni mieszkańcy zginęli kilkadziesiąt lat wcześniej. Nie doczekali pomocy... Podczas „średniowiecznego ocieplenia klimatu” w Anglii kwitła uprawa winorośli.
Z kolei w czasach „małej epoki lodowcowej” z Polski do Szwecji jeździło się przez Bałtyk saniami, a na środku Bałtyku budowano sezonowe karczmy.

Pomiędzy rokiem 1000 i rokiem 1600 temperatura zmieniła się średnio o niecałe 0,5°C. Zmiany trwały stulecia. Teraz zmiany temperatury już są większe, a tempo ich zmian znacznie szybsze.

Sceptycy negujący wpływ człowieka na globalne ocieplenie używają często argumentu, że klimatem Ziemi od wieków sterowała aktywność Słońca.

Można ją mierzyć zarówno liczbą plam na Słońcu, jak i zawartością izotopu 10Be w odwiertach lądolodów Grenlandii i Antarktydy.
10Be jest izotopem produkowanym w atmosferze przez promieniowanie kosmiczne pochodzenia pozasłonecznego. Im aktywniejsze jest Słońce, tym skuteczniej jego magnetosfera ochrania układ planetarny przed tym promieniowaniem. W konsekwencji, im większa jest aktywność słoneczna, tym mniej tego promieniowania dociera do Ziemi i tym mniej powstaje 10Be. Ponieważ czas istnienia atomów berylu w atmosferze nie przekracza kilku lat, na podstawie zawartości 10Be można określić aktywność słoneczną.

Wykres: Aktywność słoneczna w ciągu ostatnich 600 lat, mierzona liczbą plam i zawartością ¹⁰Be (skala na wykresie jest odwrócona).

Widać, że aktywność Słońca osiągnęła minimum (tzw. minimum Maundera) w drugiej połowie XVII wieku, a potem rosła, ze spadkiem w początkach XIX wieku. Dobrze koresponduje to ze zmianami temperatury, w szczególności z „małą epoką lodowcową”.
Jeśli spojrzeć na wykres ujmujący łącznie temperaturę, aktywność słoneczną i zawartość dwutlenku węgla w atmosferze w przeciągu ostatnich 150 lat, znowu widać bardzo dobrą korelację pomiędzy zmianami aktywności Słońca i temperaturą. Tu sceptycy mają rację – klimatem Ziemi, na przestrzeni stuleci, sterował dopływ energii ze Słońca.

http://solar-center.stanford.edu

Do czasu. Od lat 50-tych XX wieku aktywność Słońca maleje, a temperatura mimo to coraz szybciej wzrasta. Tak więc – Słońce przez wieki sterowało klimatem Ziemi, ale od około 50 lat klimat zaczęły kształtować inne czynniki.

Aby zobaczyć skalę zmian w temperaturze Ziemi i zawartości CO2 w atmosferze, przyjrzyjmy się im teraz w dłuższej perspektywie czasowej.
Metodą pozwalającą na wykonywanie precyzyjnych pomiarów panujących kiedyś temperatur są w szczególności odwierty w zamarzniętym od setek tysięcy lat lądolodzie Grenlandii i Antarktydy. Uwięzione w lądolodzie pęcherzyki powietrza pozwalają jednocześnie badać skład ówczesnej atmosfery, w tym koncentrację gazów cieplarnianych. Załączony wykres pokazuje koncentrację CO2 w atmosferze oraz temperaturę w przeciągu ostatnich 400 000 lat.

Wyraźnie widoczna jest okresowość zmian klimatu. Ziemia z częstotliwością ~120tys lat oscyluje pomiędzy krótkimi okresami ocieplenia i epokami lodowcowymi. W czasie epok lodowych (okresów glacjalnych) czapy lodowe narastają, na terenie Europy pokrywając nawet cały teren Polski, a w Ameryce tereny Kanady.
Uważa się, że jest to spowodowane przez zmiany orbity Ziemi – zmianę jej mimośrodu (oscylacje między orbitą kołową i eliptyczną), precesję (obrót w przestrzeni osi obrotu Ziemi, jak w kręcącym się bąku) oraz zmiany nachylenia osi obrotu Ziemi do płaszczyzny orbity. Zmiany orbity Ziemi powodują okresowe zmiany w ilości otrzymywanej od Słońca energii. Zmiany temperatury nie byłyby tak znaczące, gdyby nie dodatnie sprzężenia zwrotne, wzmacniające wpływ Słońca. Naukowcy uważają, że główny wpływ mają tu zmiany pokrywy lodowej i śnieżnej (spadek temperatury oznacza narastanie pokrywy lodowej, która w przeciwieństwie do powierzchni ziemi i wody odbija światło słoneczne, zamiast je pochłaniać; wzrost temperatury powoduje topnienie lodu i jeszcze silniejsze nagrzewanie się powierzchni Ziemi) oraz właśnie zmiany w ilości gazów cieplarnianych, szczególnie dwutlenku węgla i metanu, w atmosferze.
Kiedy temperatura wzrośnie, podgrzane oceany są w stanie pomieścić mniej gazów (ich rozpuszczalność w wyższej temperaturze jest mniejsza), więc wypuszczają je do atmosfery. Wpuszczone do atmosfery gazy cieplarniane powodują dalszy wzrost temperatury, podgrzanie oceanów i w konsekwencji dalszy wzrost koncentracji CO2 i metanu w atmosferze.
Rzucająca się w oczy korelacja pomiędzy ilością CO2 w atmosferze a temperaturą jest właśnie związana z silnym dodatnim sprzężeniem temperatura – ilość CO2 w atmosferze.
Z wykresu widać też, że w ciągu setek tysięcy lat koncentracja dwutlenku węgla w atmosferze oscylowała w zakresie 180-300 ppm. Obecna koncentracja bliska 400 ppm i tempo jej narastania są absolutnie wyjątkowe.

Przyjrzyjmy się teraz bliżej zmianom temperatury w zależności od regionu. Mapa Ziemi z naniesionymi zmianami temperatur pozwala lepiej zrozumieć zachodzące zjawiska.

Fakty, które od razu rzucają się w oczy, to:

• wzrost temperatury nie jest wszędzie równomierny
• temperatura nad lądami zmieniła się znacząco, a nad oceanami nieznacznie
• największy wzrost temperatury obserwuje się w Arktyce i w środku Azji
• większy wzrost temperatury zanotowano na półkuli północnej

Wyjaśnienie tych faktów jest dość proste.

Olbrzymia masa wody w oceanach charakteryzuje się wielką bezwładnością termiczną. Oceany mogą zmieniać swoją temperaturę, ale będzie to trwać dziesiątki i setki lat. W przeciągu kilku lat temperatura oceanów pozostanie praktycznie niezmieniona. Co innego na lądzie, szczególnie z dala od łagodzących zmiany temperatury zbiorników wodnych. Nad lądem efekt szklarniowy może bez większych przeszkód wpływać na temperaturę powierzchni Ziemi. Najlepszym przykładem są tu centralne, odległe od oceanów, obszary Azji. W tych rejonach temperatura w przeciągu ostatnich 30 lat wzrosła nie o ułamek stopnia, lecz o ~2°C, czyli znacznie bardziej, niż średnia. Ponieważ masa lądowa na półkuli północnej jest znacznie większa, niż na półkuli południowej, tam też wpływ gazów cieplarnianych objawia się najwyraźniej i tam ocieplenie jest wyraźniejsze.
Temperatura znacząco zmieniła się również w Arktyce, na dalekiej północy. Podniesienie się temperatury oznacza topnienie śniegu i jego mniejszą powierzchnię. Odsłonięta gleba pochłania więcej światła i wyświeca je w podczerwieni, którą z kolei pochłaniają gazy cieplarniane. W wyniku tego temperatura rośnie jeszcze bardziej, topi się jeszcze więcej śniegu, ziemia rozgrzewa się jeszcze bardziej. Efekt nakręca się, powodując gwałtowny wzrost temperatury.

Skoro wzrost zawartości CO2 w atmosferze w tym okresie z 330 do 380 cząsteczek na milion spowodował podniesienie się temperatury nad lądami o ~2°C, to czy taki właśnie jest wpływ gazów cieplarnianych?
Niekoniecznie: po pierwsze nawet w centralnych rejonach Azji temperatura powietrza nie pozostaje oderwana od temperatury kontrolowanej przez zajmujące ¾ powierzchni Ziemi oceany, a po drugie, podnoszącemu temperaturę planety wpływowi dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych towarzyszy ograniczanie temperatury przez wyrzucane podczas spalania paliw kopalnych do atmosfery aerozole. Stanowią onę jądra kondensacji dla pary wodnej i powodują powstawanie odbijających światło chmur, co z kolei powoduje spadek temperatury. Ponadto unoszące się w powietrzu drobiny wpływają na klimat także bezpośrednio, odbijając lub pochłaniając promieniowanie. Według oszacowań, ochładzający efekt emitowanych przez człowieka do atmosfery aerozoli aktualnie niweluje 30-40% ocieplenia pochodzącego od wyemitowanych przez człowieka gazów cieplarnianych.
Biorąc to pod uwagę, można oszacować, że obecny wpływ gazów cieplarnianych na naszą planetę to ~3°C. Stopniowo oceany będą dążyć do stanu równowagi, podnosząc swoją temperaturę, a nasze postępy w eliminowaniu zanieczyszczeń powinny prowadzić do dalszej redukcji emisji aerozoli atmosferycznych. Tak więc, gdybyśmy nawet „zamrozili” poziom CO2 w atmosferze na dzisiejszym poziomie, i tak temperatura Ziemi rosłaby nadal do poziomu 2-3°C wyższego, niż obecnie.