Zmiany klimatu

Pod pojęciem klimat rozumie się średni stan atmosfery i oceanu w skalach od kilku lat do milionów lat. Zmiany te wynikają z czynników zewnętrznych takich, jak ilość dochodzącego promieniowania słonecznego lub czynników wewnętrznych takich, jak działalność człowieka (zmiany antropogeniczne) lub wpływ czynników naturalnych. W ostatnich latach termin „ogólna zmiana klimatu”, używany jest w kontekście globalnego ocieplenia i wzrostu temperatury na powierzchni Ziemi, ale rozważane są scenariusze powodujące oziębienie powierzchni Ziemi (np. wywołane odbiciem energii słonecznej od zwiększonej pokrywy chmur lub aerozoli atmosferycznych). Przyczyny zmian klimatu są tematem intensywnych badań. Kolejne raporty Międzynarodowego Zespołu Do Zmian Klimatu (IPCC) precyzują obecny stan wiedzy na temat przyczyn zmian klimatu. Ostatni raport został opublikowany w 2007 roku. Raport IPCC, raport Amerykańskiej Narodowej Akademii Nauk (NAS) oraz raport opublikowany przez grupę G8 stwierdzają, że większość zmian temperatury obserwowanych w ostatnich 50 latach, należy przypisać działalności człowieka. W ostatnim stuleciu obserwowane zmiany temperatury na powierzchni Ziemi wyniosły około 0,4-0,8°C.

Metody badań zmian klimatu Przyczyny zmian klimatu są badane za pomocą (a) numerycznych modeli ogólnej cyrkulacji Ziemi (ang. General Circulation Models, w skrócie GCM), (b) badań paleoklimatycznych, (c) pomiarów bezpośrednich w atmosferze i prac polowych, (d) reanalizy istniejących danych. Każda z tych metod ma zalety i wady. Badania paleoklimatyczne Jedną z metod wnioskowania o obecnych zmianach klimatu jest zrozumienie zjawisk powodujących zmiany klimatu w przeszłości. Te metody noszą ogólną nazwę badań paleoklimatycznych

Badania polowe Zaskakującą metodą badania zmian klimatu jest prowadzenie badań eksperymentalnych w atmosferze. Jest to zaskakujące bo o zmianach klimatu myślimy w kategoriach lat, a intensywne pomiary polowe prowadzone są zazwyczaj przez kilka tygodni. W badaniach polowych wybiera się zazwyczaj pewien proces fizyczny. Reanaliza istniejących danych Jest zdumiewające, że ciągi pomiarowe nawet najbardziej podstawowych wielkości atmosferycznych, takich jak temperatura powierzchni Ziemi, są bardzo krótkie. Większość systematycznych pomiarów zaczęto dokonywać dopiero po II wojnie światowej. Jakość tych danych zależy od kraju, w którym robione były pomiary, problemem jest duża odległość pomiędzy stacjami pomiarowymi, zwłaszcza w obszarach oceanicznych. Jednym z największych sukcesów współczesnej meteorologii jest użycie metod teledetekcyjnych z satelitów meteorologicznych i z pomiarów naziemnych.

Modelowanie klimatu Zebrane dane klimatyczne służą za bazodanową podstawę do komputerowych programach modeli klimatycznych. Do modelowania klimatu używa się superkomputerów, których moc obliczeniowa ciągle rośnie, powalając na coraz dokładniejsze prognozy.

Naturalne czynniki zmiany klimatu Milutin Milanković pomiędzy 1911 a 1941 rokiem opracował teorię rekonstrukcji warunków klimatycznych panujących dawniej na Ziemi w zależności od cykli astronomicznych (cykl ekscentryczny, cykl skośny, i cykl procesyjny). Ta ogólnie przyjęta teoria jest przykładem zewnętrznego wpływu na warunki klimatyczne Ziemi.

Zmiany stałej słonecznej 'Zmienną' o podstawowym znaczeniu dla klimatu na Ziemi jest Słońce. Zmiana ilości energii dochodzącej do Ziemi ulega zmianie niezależnej od cykli Milankowića. Istnieje wiele prac naukowych łączących zmianę stałej słonecznej ze zmianami klimatu m.in. przed rewolucją przemysłową. Nawiązują one m.in. do wystąpienia średniowiecznego optimum klimatycznego i tzw. Małej epoki lodowej.

Wpływ erupcji wulkanów Erupcjia wulkanu Tambora (VEI=7)[1], 5 kwietnia do 15 kwietnia 1815 w indonezji wprowadziła 70 Gt popiołu wulkanicznego do atmosferysięgając warstw ponad 40 km i powodując największy egzystencjalny kryzys w czasach nowożytnych[2]. Mróz w maju 1815 w Ameryce Północnej zniszczył większość plonów, a w czerwcu dwie wielkie burze śnieżne we wschodniej Kanadzie i w Nowej Anglii doprowadziły do wielu ofiar śmiertelnych. Na początku czerwca w mieście Quebec leżało prawie 30 cm śniegu, co dodatkowo w konsekwencji doprowadziło do wymrożenia ziemi i zniszczenia upraw. Erupcja pogłębiła efekt minimum deltona, małej aktywnosci słonecznej w latach 1790-1830, oraz innych wulkanów Mayon w 1814 roku, Soufrière (Saint Vincent) w 1812 oraz być może nieznanego wulkanu około 1810 r . Erupcję wulkanu 'napędzały' gazy wulkaniczne S02 i głównie C02, który przyspieszył koniec małej epoki lodowej. Poziom C02 tej epoki maleje do 275 ppm około 1800[3].

Gazy cieplarniane i pyły zawieszone Wiele gazów cieplarnianych takich jak dwutlenek siarki czy dwutlenek węgla jest produkowanych w naturalnych procesach biologicznych. Dla przykładu wiele typów fitoplanktonu produkuje propionian siarczku metylu (ang. dimethyl sulphoniopropionate (DMSP)), który jest przekształcany na siarczek metylu (ang. DMS dimethyl sulphide). Obecność DMS w atmosferze prowadzi do zwiększonej ilości aerozoli siarczanowych. Podobnie aerozol soli morskiej jest związany z prędkością wiatru, czyli jest pochodzenia naturalnego z wyjątkiem sytuacji gdy prędkości jest modulowania poprzez antropogeniczne zmiany temperatury na Ziemi.

Chmury i efekty pośrednie Pomimo, że bezpośrednie czynniki zmian klimatu są powszechnie dyskutowane (takie jak gazy cieplarniane, czy sadze), to efekty pośrednie związane z tymi czynnikami maja często znacznie większe znaczenie klimatyczne. Dla przykładu, dwutlenek węgla pochłania około 2 watów na metr kwadratowy, podczas gdy chmury odbijają około 50% przychodzącego promieniowania słonecznego (czyli w tropikach w środku dnia około 500 watów na metr kwadratowy). Innymi słowy efekt chmur na zmianę klimatu może być kilkaset razy większy niż efekt cieplarniany dwutlenku węgla. Jednak nie należy z tego wyciągać wniosku, że gazy cieplarniane nie są istotne. Oddziałują one z atmosferą w sposób ciągły i mogą powodować zmianę pokrywy chmur. Innym przykładem efektu pośredniego jest zmiana wielkości i ilości kropli w chmurach w sytuacji gdy w atmosferze jest dużo małych pyłów zawieszonych (aerozoli). Ten efekt powoduje zmianę odbijalności chmur. To właśnie efekty pośrednie są jednymi z najważniejszych antropogenicznych czynników zmiany klimatu.

Przykładowe powody zmian klimatu Powody zmian klimatu można podzielić na dwie grupy: zmiany wywołane (a) czynnikami naturalnymi, (b) efektami antropogenicznymi (działalność człowieka). Wiele scenariuszy ogólnych zmian klimatu jest formułowanych w postaci prostych hipotez sprzężeń zwrotnych, w których zmiana jednego parametru powoduje zmianę innych parametrów. Przykładowe powody zmian klimatu są opisane poniżej. Istnieje wiele innych hipotez.

Hipoteza tęczówki - efekt pary wodnej Efekt tęczówki w meteorologii to kontrowersyjny mechanizm klimatycznego sprzężenia zwrotnego wiążącego parę wodną, temperaturę oceanu i pokrywę wysokich chmur w tropikach. Według tej hipotezy klimatycznej zwiększona temperatura oceanu związana z globalnym ociepleniem prowadzi do zmniejszenia pokrywy chmur w atmosferze tropikalnej. W związku z tym powierzchnia ziemi może wyemitować więcej energii cieplnej - co prowadzi do oziębienia. Zwiększona ilość pary wodnej, w tej hipotezie, prowadzi do stabilizacji klimatu. Nazwa tęczówka jest analogią do fizjologii oka, którego tęczówka może się zwężać lub rozszerzać regulując ilość dochodzącego światła.

Efekt motyla Hipoteza wpływu skrzydeł motyla jest jedną z najbardziej znanych hipotez zmian klimatu i pogody. Jest to hipoteza mówiąca o telekonekcjach (oddziaływania na odległość) pomiędzy zjawiskami pozornie nie związanymi ze sobą. W szczególności uważa się, że małe lokalne zaburzenie w przepływie powietrza może powodować duże zaburzenie przepływu w znacznej odległości od początkowego zaburzenia. Hipoteza ta tłumaczy dlaczego zjawiska pogodowe są trudne do prognozowania. Ogólne modele numeryczne cyrkulacji ziemskiej są oczywiście podatne na tego typu błędy. Wobec tego przeprowadza się obliczenia dla wiązek (kilkunastu) zbliżonych sytuacji, a średnia z wyników opisuje klimat. Patrz też Edward Lorenz.

Hipoteza CLAW W 1987 Charlson, Lovelock, Andreae oraz Warren zaproponowali, że wzrastająca temperatura Ziemi doprowadzi do rozwoju większej ilości fitoplanktonu. Wiele typów fitoplanktonu produkuje propionian siarczku metylu (ang. dimethyl sulphoniopropionate (DMSP)), który jest przekształcany na siarczek metylu (ang. DMS dimethyl sulphide). Obecność DMS w atmosferze prowadzi do zwiększonej ilości aerozoli siarczanowych. Autorzy zakładają, że aerozole siarczanowe nad oceanami służą jako jądra kondensacji chmur. Chmury zwiększają ilość promieniowania słonecznego odbitego co powoduje zmniejszenie temperatury powierzchni Ziemi. Hipoteza CLAW jest przykładem (ujemnego) sprzężenia zwrotnego zjawisk klimatycznych. Modele ogólnej cyrkulacji atmosfery mogą być używane do testów hipotezy CLAW. Obecnie coraz większą uwagę zwraca się na sprzężenia zwrotne pomiędzy zmiennymi atmosferycznymi i innymi parametrami otoczenia (np biologia morza jak w przypadku hipotezy CLAW).

Hipoteza termostatu tropikalnego Jedną z hipotez ogólnych zmian klimatu jest oddziaływanie chmur lodowych typu cirrostratus i ich wpływ na regulacje temperatury oceanu w atmosferze tropikalnej. Obserwuje się, że w tropikach temperatura oceanu prawie nigdy nie przekracza pewnej granicznej temperatury. Hipoteza kontroli temperatury oceanu w tropikach zakłada, że zwiększona temperatura oceanu powoduje powstawanie najpierw wypiętrzonych chmur cumulus, a potem rozległych chmur cirrus. Chmury te odbijają promieniowanie słoneczne dochodzące do Ziemi i zmniejszają jej temperaturę. Jest to przykład ujemnego sprzężenia zwrotnego. Hipotezę tę opublikował w 1993 Ramanathan i Collins i była ona następnie badana w eksperymencie CEPEX.

Hipoteza gazów cieplarnianych Jedną z najbardziej głośnych hipotez sprzężenia zwrotnego jest absorpcja promieniowania podczerwonego przez gazy, Np dwutlenek węgla. Gazy te absorbują promienie odbite od powierzchni Ziemi przez co zwiększają temperaturę troposfery, co doprowadza do wzrostu temperatury. Bezpośredni efekt absorpcji promieniowania ziemskiego przez dwutlenek węgla jest mały. Jednak efekty wtórne związane ze zwiększoną ilością pary wodnej w atmosferze (ze względu na większą temperaturę troposf ery) mogą spowodować zmianę w pokrywie chmur i w efekcie znacznie większe zmiany klimatyczne.

Hipoteza wpływu aerozoli atmosferycznych Hipoteza oziębiającego wpływu aerozoli atmosferycznych (pyłów zawieszonych) związana jest z ich własnościami odbijania promieniowania słonecznego z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Przez wiele lat myślano o aerozolach (czyli cząstkach siarczanów, pyłach mineralnych, aerozolu soli morskiej) jako o cząstkach głównie odbijających. Obecnie coraz częściej bada się rolę aerozoli związków węglowo-grafitowych (sadza), które są w stanie absorbować promieniowanie atmosferyczne. Żeby rozważyć ten scenariusz sprzężenia zwrotnego, ogólne numeryczne modele cyrkulacji atmosfery muszą uwzględniać procesy zmian chemicznych atmosfery i emisję (powstawanie) i transport pyłów zawieszonych.

Wpływ temperatury na cyklony tropikalne Pod koniec 2005 roku duży rozgłos zyskały dwie prace pokazujące, że wzrastająca temperatura oceanów powoduje zwiększenie intensywności cyklonów tropikalnych[4]. Prace te spotkały się z dużym zainteresowaniem, ponieważ zostały opublikowane po tym, jak Nowy Orlean został zatopiony przez huragan Katrina. Przeciw tej hipotezie wystąpił m.in. William Gray.