Co wiemy o zmianie klimatu? Dowody wskazujące na zmianę klimatu

Tłumaczenie Bogusław Malański, Szymon Malański

Dzięki uprzejmości Rasmunda Benestad’a

W pierwszym z dwóch artykułów, badacz klimatu, pan Rasmus Benestad z Norweskiego Instytutu Metereologicznego (the Norwegia Meteorological Institute) dokonuje przeglądu dowodów na zmianę klimatu.

W ostatnich latach zmiany klimatu stały się znaczącym problemem międzynarodowym; Protokół z Kyoto oraz dyskusje na wysokim szczeblu, takie jak np. szczyt państw G8. Ostatni, czwarty raport (AR4) sporządzony przez Międzyrządowy Panel Państw Dotyczący Zmian Klimatu (the Intergovernmental Panel on Climate Change-IPCC) stwierdza, że globalne ocieplenie, jakie zaobserwowano w ostatniej dekadzie jest najprawdopodobniej spowodowane działalnością człowieka (z prawdopodobieństwem równym 90%).

Międzynarodowe organizacje naukowe nawołują do ograniczenia ogólnoświatowego ocieplenia spowodowanego efektem cieplarnianym gazów, głównie CO₂. Zastępca prezydenta USA, Al Gore został laureatem nagrody Nobla w roku 2007 za szerzenie wiedzy na temat zmian klimatu spowodowanych przez człowieka. Były to; dokumentacja Gora zatytułowana Niewygodna Prawda oraz Raport Przeglądowy Sterna opisujący zmianę klimatu, jako główny problem stojący przed ludzkością.

W tym samym czasie media upowszechniały wiadomości wywołujące wrażenie, że opis zmian klimatu jako spowodowany działalnością człowieka jest kontrowersyjny. Obecne dyskusje na temat powodu zmian klimatu toczą się w szerokim zakresie oraz usiłują odpowiedzieć na pytanie, jak sobie poradzić z ta zmianą? Co naprawdę wiemy o zmianach klimatu? Jakie są argumenty i dowody na temat tych zmian?

Historia badania klimatu

Dobrze jest wiedzieć, że problem zmian klimatu ma swój historyczny aspekt i nie jest przedmiotem rozważań dopiero w ostatnich latach. Pod koniec XIX stulecia naukowcy zastanawiali się, czy lokalne zmiany klimatyczne nie są spowodowane wycinaniem lasów oraz czy ilość plam słonecznych ma jakiś wpływ na pogodę. W końcu XIX stulecia, w północnej Norwegii w miejscowości Mount Haldde założono obserwatorium zórz polarnych. Zakładano, że zorze polarne mają wpływ na pogodę.

Część uczonych wierzyła, że zmiany klimatu podlegają pewnym cyklom. Poznając, zatem, jak zmieniał się klimat w przeszłości daje możliwość przewidywania zmian klimatu w przyszłości. Inni uczeni już wtedy zauważyli i badali wzrost koncentracji CO₂ w atmosferze. Uważano, że zmiany koncentracji CO₂ mogą wytłumaczyć zmiany temperatury związane z epokami lodowcowymi. Niewielkie zmiany orbity Ziemi wokół Słońca uważano za nieistotne. Doskonała stroną opisującą historyczne badania zmiany klimatu jest strona ‘The Discovery of Global Warming’^w1 – „Odkrywanie Globalnego Ocieplenia”.

Skąd wiemy o istnieniu epok lodowcowych w przeszłości? Istnieje wiele dowodów i znalezisk geologicznych. Są to żłobione doliny moreny, skały narzutowe i inne formy geologiczne, które mogą być wytłumaczone najsensowniej działaniem lodu. Istnieją również dowody paleontologiczne wskazujące na zmiany klimatu, takie jak szczątki roślin oraz zwierząt mówiące o ociepleniu. Mówią one, że lokalny klimat był cieplejszy. Wiele szczątków organicznych mówi również, że poziomy wód w morzach znacznie różniły się od dzisiejszych; inny był ich zasięg.

Ostatnio uzyskano mocniejsze dowody, badając zanieczyszczenia chemiczne lodu z wierceń wykonanych w Antarktyce oraz lodów Grenlandii (patrz wykres poniżej). Pęcherzyki powietrza uwięzione w lodzie, na głębokościach odpowiadających okresom formowania się lodu, dostarczają informacji na temat temperatury oraz koncentracji elementów śladowych w atmosferze Ziemi w przeszłości. Nasza wiedza o epokach lodowcowych opiera się na dwóch filarach: teoria Milankovitcha wiążąca zmiany klimatu ze zmianami orbity Ziemi wokół Słońca oraz teoria Arrheniusa objaśniająca jak zmiany w koncentracji CO2 wpływają na globalne ocieplenie. Debaty o zmianie klimatu trwają nadal, czy jednak uczeni z końca XIX wieku mieli rację?

CO2 (szary)i temperatura (niebieski) na podstawie z rekonstrukcji pochodzącej z próbek lodu, ze stacji Vostok Dzięki uprzejmości Rasmunda Benestad’a

Kilka faktów na temat klimatu

Naturalne zmiany klimatu mówią, że jest on bardzo wrażliwy na zmianę czynników zewnętrznych, np. zmianę ilości energii uzyskiwanej ze Słońca. Temperatura powierzchni Ziemi powinna być niższa, jeżeli rozważymy ilość energii otrzymywanej od Słońca oraz ciepła uciekającego w przestrzeń.

Widok Ziemi z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej Dzięki uprzejmości NASA

Temperatura powierzchni Ziemi jest około 30ºC wyższa, niż by to wynikało z bilansu energii. Spowodowane jest to tzw. efektem cieplarnianym. Z zasad fizyki ( prawa promieniowania) wynika, że nasza planeta otrzymuje energię od Słońca tylko w postaci światła w ilości około 1370 W/m2 (tzw. stała słoneczna). Jeżeli w przeciągu pewnego czasu planeta ani nie oziębia, ani nie ogrzewa się i osiąga stan równowagi termicznej, to ilość traconej energii w przestrzeń pozaziemską musi być równa ilości energii otrzymywanej Straty energii można opisać przez dobrze znane fizykom prawo Stefana-Boltzmana (prawo promieniowania ciała doskonale czarnego). Prawo to wielokrotnie było sprawdzone w warunkach laboratoryjnych. Mówi ono, że ilość wypromieniowanej energii zależy od temperatury ciała promieniującego. Należy również wziąć pod uwagę, że część energii słonecznej ulega odbiciu od planety (np. od chmur, lodu).

Bilans energetyczny może być użyty do oszacowania temperatury powierzchni planet w naszym Układzie Słonecznym. Porównanie ze zmierzonymi temperaturami powierzchni planet jest dobrą weryfikacją bilansu energetycznego. Natężenie oświetlenia powierzchni poszczególnych planet może być łatwo policzone, jeżeli znamy stałą słoneczną oraz odległość planety od Słońca.

Ogólnie temperatura planety jest tym niższa im większa jest jej odległość od Słońca. Tego wyniku się spodziewano stosując metodę bilansu energetycznego. Są jednak wyjątki- np. Ziemia ma większą temperaturę powierzchni niż wynikałoby to z obliczeń stosując model balansu energetycznego. Podobnie zachowują się planety posiadające atmosferę zawierającą gazy powodujące efekt cieplarniany – GHG (greenhouse gases – gazy cieplarniane). Na przykład powierzchnia planety Wenus zawierającej duże ilości GHG, ma większą temperaturę powierzchni niż planeta Merkury, chociaż Merkury krąży bliżej Słońca niż Wenus.

Doświadczenia laboratoryjne potwierdzają właściwości cieplarniane CO2. Gazy CHG, takie, jak CO2 wykazują, tę właściwość, że są przezroczyste dla światła widzialnego ale nieprzezroczyste dla światła podczerwonego (promieniowanie cieplne). Efekt cieplarniany można jeszcze rozpatrywać z punktu widzenia fizyki kwantowej; absorbowane fotony promieniowania zwiększają rotację oraz wibracje pewnych molekuł. Kiedy molekuły tracą energie przechodząc do stanu podstawowego.

Widok naszej planety z przestrzeni pozaziemskiej Dzięki uprzejmości NASA

W przybliżeniu połowa emitowanej energii jest skierowana w kierunku powierzchni planety. Dodając do tego energią Słoneczną bezpośrednio padającą na powierzchnię, uzyskujemy w efekcie jej ocieplenie.

Podsumowując; teoretyczny opis efektu cieplarnianego jest potwierdzona zarówno teorią, jak i badaniami doświadczalnymi. Zostało również potwierdzone, że klimat Ziemi podlegał zmianom w przeszłości. Zmiany te można wyjaśnić zmiennymi czynnikami mającymi wpływ na bilans energetyczny Ziemi.

W następnym wydaniu Science in School…

Co wiemy na temat klimatu? Globalne ocieplenie spowodowane działalnością człowieka

Zasoby informacji w sieci

w1 – Odkrywanie Globalnego Ocieplenia: www.aip.org/history/climate/index.html

Źródła

Strona o nazwie Nauka o Zmianach Klimatu (Climate Change Education) oraz wiele innych, są wspaniałym źródłem informacji zarówno dla uczniów oraz nauczycieli: http://climatechangeeducation.org

Prawda o Klimacie (RealClimate) jest to strona z komentarzami naukowców oraz dziennikarzy na temat klimatu. Jej celem jest dostarczenie szybkiej odpowiedzi na pytania, które nie zawsze znajdują się w głównym nurcie dziennikarskim. Dyskusja na tej stronie jest ściśle naukowa i nie zajmuje się skutkami politycznymi czy ekonomicznymi związanych z klimatem, patrz www.RealClimate.org