KlimatDlaZiemi.pl - Co będzie się działo w przyszłości / Modelowanie klimatu
Klimat Dla ZiemiiSzkoła z klimatem

Co będzie się działo w przyszłości

Wiemy, jak zmieniała się koncentracja dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych w przeszłości, mamy też do dyspozycji wykonane wieloma metodami pomiary temperatur i statystyki innych zjawisk: od topnienia lodowców i powodzi, po zanik pokrywy Arktyki i huragany. Rozumiemy ogólne mechanizmy rządzące klimatem Ziemi. Mamy prognozy emisji gazów cieplarnianych w przyszłości. Stoi teraz przed nami zadanie przewidzenia, jak wzrost ich ilości w atmosferze wpłynie na klimat planety. A nie jest to zadanie banalne.

 

Modelowanie klimatu

 

Aby symulować klimat Ziemi i przewidywać jego zachowanie, należy uwzględnić szereg elementów. Są to w szczególności:

  • promieniowanie i konwekcja (pionowy przepływ energii i gazów) w atmosferze
  • zachowanie atmosfery, w tym formowanie chmur
  • wymiana gazów atmosferycznych z oceanami i glebą
  • reakcje chemiczne
  • zmiany w biosferze, z uwzględnieniem wpływu zmian środowiska na ich zachowani

Diagram pokazuje podstawowy schemat zjawisk, które należy wziąć pod uwagę podczas modelowania klimatu.

Widać, że ilość zjawisk, które trzeba uwzględnić jest bardzo duża. Do tego wpływają one wzajemnie na siebie, splatając się w bardzo skomplikowany układ.

Modele klimatu opierają się na podstawowych prawach fizyki, z uwzględnieniem mechanizmów chemicznych i biologicznych.

O modelach http://pl.wikipedia.org/wiki/Model_og%C3%B3lnej_cyrkulacji.

Naukowcy przygotowują rozbudowane programy komputerowe, symulujące rzeczywiste zjawiska zachodzące w oceanach i atmosferze przez obliczenia numeryczne. Globalne modele cyrkulacji ziemskiej mają trzy wymiary przestrzenne i opisują każdy punkt na kuli ziemskiej i w atmosferze oraz jeden wymiar czasowy. Każdemu punktowi w przestrzeni przypisuje się szereg parametrów, takich jak temperatura, ciśnienie, wilgotność, pokrywa chmur czy stan biosfery. Na tej podstawie komputer określa, jakie będące wartości w następnym kroku. Podstawą matematyczną modeli są równania przepływu płynów Naviera – Stokesa na „siatce” Ziemi.

Oczywiście, im pełniej i precyzyjniej model odzwierciedla rzeczywiste zachowanie atmosfery, oceanów i biosfery i im mniejsze są komórki przestrzenne i kroki czasowe, tym większej dokładności modelu można oczekiwać. Modelując zasady rządzące klimatem, naukowcy spotykają się z wieloma problemami, nie będąc pewnymi szeregu założeń modelu. Przykładowo weźmy kwestię wpływu zmiany koncentracji dwutlenku węgla na świat roślinny. Dobry model komputerowy powinien uwzględniać takie czynniki, jak:
  • czy rośliny lepiej rosną w atmosferze bogatej w CO2?
  • wpływ susz i gwałtownych zjawisk atmosferycznych
  • różne rośliny różnie rosną w zależności od koncentracji CO2 i kwasowości gleby
  • wpływ zmian w opadach na różne gatunki roślin, mających odmienne zapotrzebowanie na wodę
  • trafiające do gleby węglowodany powodują, że bakterie produkują mniej będących dla roślin nawozem związków azotu, co z kolei wpływa na wzrost roślin
  • zmiana wilgotności gleby wpływa na zmiany w produkcji przez robaki potrzebnych roślinom tlenków azotu
  • różne rośliny charakteryzują się odmiennymi proporcjami węglowodanów, białek i innych składników odżywczych. co zjedzą zwierzęta i jakie rośliny wygrają w tej konkurencji?
  • polepszenie się warunków wegetacji zazwyczaj oznacza, że pasożytnicze chwasty, bluszcze i liany rosną ZNACZNIE lepiej niż inne rośliny uprawne. Jak wpłynie to na roślinność regionu?
  • w ciepłym środowisku mogą rozmnożyć się owady. Jaki będzie ich wpływ na wzrost roślinności..?
  • tereny z różnymi rodzajami roślin (lub w ogóle bez nich) mają odmienne albedo (zdolność odbijania światła)
  • … [ wiele innych]

Proste, prawda?

Z takimi problemami spotykamy się na każdym kroku. Zjawisk, które należy uwzględnić, są tysiące:

  • reakcje chemiczne w glebie
  • formowanie się różnych rodzajów chmur w różnych warunkach na różnych wysokościach
  • prądy morskie
  • wpływ aerozoli
  • interakcję atmosfery z oceanami (od wymiany gazów, przez wpływ planktonu, po kwestię wpływu na to wszystko aktualnego zachmurzenia czy intensywności falowania)
    topnienie i rozpad lodowców
  • ...

Modele mają w sobie wiele różnorodnych parametrów, które są bardzo słabo określone. Jak więc przewidywać zjawiska na skalę planetarną, i do tego w długim horyzoncie czasowym?

Jak naukowcy sobie z tym radzą? Przede wszystkim od modelu wymaga się, aby poprawnie odtwarzał zachowanie klimatu Ziemi. Wszystkie obserwowane zjawiska powinny wychodzić z podstawowych praw zakodowanych w modelu – pory roku z temperaturami, opadami i wilgotnością, zmiany pokrywy lodowej, niże i wyże, opady, huragany, wiatry strumieniowe. Wszystko.

Jeśli model potrafi poprawnie odtwarzać obecny klimat, zasila się go danymi historycznymi, takimi jak zmiany orbity Ziemi, aktywność Słońca, koncentracja gazów cieplarnianych czy wielkie wybuchy wulkanów. Wprowadza się stan początkowy dziesiątki, setki czy tysiące lat temu i uruchamia się symulację. Następnie patrzy się, co z tego wyjdzie. Od modelu oczekuje się, że poprawnie odtworzy wszystkie zmiany temperatury, przesuwanie się stref klimatu, zmiany pokrywy lodowej, fale upałów, huragany itp. Oczywiście na poziomie statystycznym, a nie pogodowym na dany dzień. Takie modelowanie wymaga oczywiście dostosowywania szeregu parametrów, ale efekty jakościowe i ilościowe są coraz lepsze.

Załączone wykresy pokazują przykładowe wyniki symulacji klimatu.

  • uwzględnienie jedynie wpływu czynników naturalnych
  • uwzględnienie jedynie wpływu czynników antropogenicznych
  • uwzględnienie zarówno czynników naturalnych, jak i antropogenicznych

 

Dopiero uwzględnienie w symulacji zarówno wpływu czynników naturalnych i antropogenicznych (pochodzących od ludzi) pozwala na uzyskanie zgodności między obserwacjami, a symulacją.

Przy modelowaniu ziemskiego klimatu dużo można się nauczyć badając inne planety i księżyce posiadające atmosfery. Zachodzące na nich zjawiska są krańcowo różne od tych, z którymi spotykamy się na Ziemi. Dzięki temu możemy przyglądać się nie tylko jednemu systemowi, lecz wielu, co pozwala na ekstrapolację naszej wiedzy. A także uświadomienie sobie, że Ziemia jest miejscem szczególnym...

Przy tej złożoności i dowolności kształtowania parametrów z jaką mamy do czynienia w zaawansowanych modelach klimatu nic dziwnego, że sceptycy globalnego ocieplenia zwracają uwagę, że modele są niewiarygodne i w zasadzie z modelu może wyjść to, co sobie tworzący model naukowcy wymyślą. To w zasadzie prawda.

Prawdą też jest, że nawet w krótkim horyzoncie czasowym nasze modele szwankują. Jako przykład najprościej jest tu chyba przytoczyć przykład wysiłków czynionych w celu przewidywania zjawiska El Niño.

Ze względu na silny wpływ na klimat, szczególnie w Australii, w analizę i przewidywania zjawiska El Niño zaangażowano znaczne środki. Możliwość prognozowania pogody choćby na kilka miesięcy do przodu umożliwiałoby określenie, jakich opadów i temperatur można oczekiwać, co pozwoliłoby zaplanować sadzenie upraw i nie narażać się na nieprzewidziane susze lub opady. Jak na razie sukcesy w prognozowaniu El Niño są dość mizerne – pomimo zrozumienia podstaw zjawiska pozwalają na prognozowanie raptem na kilka tygodni do przodu. Nie są też do końca jasne przyczyny nasilania się tego zjawiska w długiej skali czasowej.

Na tym przykładzie widać, że nasze modele są wciąż bardzo powierzchowne i niepełne.

Do tego przykład modelowania El Niño uświadamia nam, że mamy trudności nawet z modelowaniem tego, co się dzieje na naszych oczach. Kiedy czynimy wysiłki, aby modelować nieznane, trafiamy w rejony, w których nasze prognozy, oparte o dotychczasowe obserwacje, stają się szczególnie niepewne. Jak bez danych historycznych, wieloletnich obserwacji i kalibracji pomiarowej uwzględnić takie zjawiska, jak wpływ na klimat metanu i dwutlenku węgla wyzwalanych z rozmarzającej wiecznej zmarzliny, przewidywać rozwój bakterii siarkowych, albo warunki i częstotliwość pojawiania się hiperkanów? Albo przewidzieć coś, co czeka na nas „za rogiem”, ale z czym ludzkość jeszcze nigdy się nie zetknęła i siłą rzeczy nie można tego uwzględnić w historycznej kalibracji modeli?

Nasze przewidywania co do przyszłych zmian klimatu, są tak niedokładne, że najprawdopodobniej o tym, że coś się stanie, dowiemy się dopiero wtedy, kiedy już się wydarzy...