Sprzężenia zwrotne kształtują zręby klimatu w skali planetarnej. To właśnie ich wzajemne interakcje decydują, czy planeta jest w stanie epoki lodowcowej lub jego ciepłej odwrotności. Czy jest przyjazną ludziom Gają (nasza obecna Ziemia), czy też Ziemią – śnieżką lub przypominającą wnętrze piekarnika Ziemią-Wenus.
Przyjrzyjmy się kilku zjawiskom – sprzężeniom zwrotnym. Jeśli nawet dla kogoś pojęcia „sprzężenia zwrotnego” nie jest zrozumiałe, to po zapoznaniu się z przykładami pojęcie to stanie się oczywiste.
- Zanik pokrywy lodowej przy wzroście temperatury. Wzrost temperatury powoduje stopienie się lodu (lub śniegu) – na lądzie lub na morzu. Lód działa jak lustro, odbijając światło. Po roztopieniu warstwy lodu odkryta ziemia albo woda pochłaniają światło, nagrzewają się, a następnie wypromieniowują je w podczerwieni. Wypromieniowane w podczerwieni światło jest pochłaniane przez gazy cieplarniane. W konsekwencji temperatura powierzchni rośnie i lód topi się dalej, odsłaniając ciemną powierzchnię. I odwrotnie – nawet niewielkie obniżenie temperatury spowoduje narastanie powłoki lodowej, skutkujące dalszym obniżaniem się temperatury.
- Para wodna – „efekt supercieplarniany”. Wzrost temperatury nad oceanem powoduje wyparowanie większej ilości wody. Para wodna jest gazem cieplarnianym, więc jej większa koncentracja w atmosferze skutkuje podniesieniem się temperatury, co z kolei prowadzi do wyparowania jeszcze większej ilości wody. Efekt cieplarniany nakręca się.
- Zanik planktonu w związku ze wzrostem temperatury. Wyższa temperatura powietrza to wyższa temperatura powierzchniowej warstwy oceanów. Jej wyższa temperatura skutkuje mniejszym mieszaniem warstwy powierzchniowej i głębinowej, dostarczającej planktonowi składników odżywczych. W połączeniu ze słabszą rozpuszczalnością tlenu i wzrostem kwasowości wody oznacza to pogorszenie się warunków rozwoju planktonu i jego populacja maleje. Ponieważ plankton jest istotnym czynnikiem usuwającym dwutlenek węgla z atmosfery, spadek jego populacji oznacza redukcję możliwości usuwania tego gazu i dalsze podnoszenie temperatury.
- Rozgrzany ocean absorbuje mniej dwutlenku węgla. Podniesienie się temperatury oceanu oznacza, że woda nie jest w stanie rozpuścić w sobie tak dużej ilości dwutlenku węgla. Wydziela się on z oceanu do atmosfery, powodując dalszy wzrost temperatury...
- Uwalnianie metanu i dwutlenku węgla uwięzionego w wiecznej zmarzlinie. Wieczna zmarzlina Syberii i Kanady jest zamarznięta od 3 milionów lat. Kiedy w wyniku podnoszenia się temperatury nastąpi stopienie jej części, uwięzione w niej gazy trafią do atmosfery, intensyfikując efekt cieplarniany, co spowoduje podnoszenie się temperatury i dalsze topnienie większej zmarzliny, która uwolni jeszcze większe ilości uwięzionych gazów...
Są to tylko niektóre ze sprzężeń zwrotnych. Jak to więc w ogóle się dzieje, że klimat Ziemi jest w miarę stabilny, i Ziemia nie stacza się w rozgrzane piekło Wenus lub nie skuwa jej lód jak Ziemi – śnieżki?
Odpowiedź jest prosta – to były DODATNIE sprzężenia zwrotne. Oczywiście są i UJEMNE sprzężenia zwrotne, stabilizujące klimat Ziemi w stanie taki, jaki znamy (i lubimy...).
Ujemne sprzężenia zwrotne, to w szczególności:
- Wyższa temperatura to wyższa emisja ciepła. Im większa temperatura Ziemi, tym więcej energii nasza planeta wypromieniowuje w przestrzeń. Wypromieniowywana energia jest proporcjonalna do temperatury w czwartej potędze (T4 ,czyli T*T*T*T). Oznacza to, że wzrost temperatury powierzchni o 1% (niecałe 3°C) oznacza wzrost wypromieniowywanej przez Ziemię w przestrzeń energii o ponad 4%. Analogicznie spadek temperatury będzie oznaczał, że ochłodzona Ziemia będzie wypromieniowywać energię dużo wolniej. Przyjmując, że ilość energii otrzymywanej ze Słońca jest względnie stała, oznacza to, że istnieje termiczny punkt równowagi.
- Para wodna powoduje powstawanie chmur. Podniesienie temperatury skutkuje wyższym parowaniem wody, a więc zwiększeniem koncentracji pary wodnej będącej gazem cieplarnianym, ale to dodatnie sprzężenie zwrotne jest dość dobrze zrównoważone faktem zwiększonego powstawania chmur, które wysoko nad ziemią odbijają światło z powrotem w przestrzeń.
Gdyby nie ujemne sprzężenia zwrotne, to faktycznie klimat Ziemi znalazłby się na którymś krańcu skali...
Na razie klimat Ziemi jest stabilny, ale kto da głowę, że to się nie zmieni? A zmiana może być gwałtowna i kiedy nadejdzie ostrzeżenie, po prostu będzie już za późno na działanie.
