GLOBALNE I REGIONALNE ZMIANY KLIMATU

Transkrypt

1 ROZDZIAŁ GLOBALNE I REGIONALNE ZMIANY KLIMATU Global and regional changes of climate Kazimierz RÓŻAŃSKI Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej, Akademia Górniczo-Hutnicza, im. S. Staszica, Al. A. Mickiewicza 30, Kraków Streszczenie Systematyczne obserwacje parametrów klimatycznych prowadzone od ponad stu pięćdziesięciu lat jednoznacznie wskazują na postępującą ewolucję klimatu w skali globalnej. Średnia globalna temperatura powierzchniowej warstwy atmosfery wzrosła od połowy XIX wieku o ok. 0,8 C i wykazuje dalszą tendencję wzrostową. Wyniki modelowania ewolucji klimatu w XX wieku z wykorzystaniem globalnych, sprzężonych modeli cyrkulacji oceanu i atmosfery pokazują jednoznacznie, iż wzrost temperatury globalnej obserwowany w ostatnich dziesięcioleciach może być wyjaśniony tylko przy założeniu istnienia znaczącej ingerencji człowieka w globalny system klimatyczny, związanej głównie z rosnącymi stężeniami gazów cieplarnianych w atmosferze. Nawet przy optymistycznym założeniu, że globalny system klimatyczny będzie w sposób liniowy odpowiadał na rosnące wymuszenia radiacyjne pochodzenia antropogenicznego, dynamika globalnego obiegu węgla w przyrodzie oraz duża bezwładność termiczna oceanu światowego sprawiają iż nawet natychmiastowe, drastyczne redukcje antropogenicznych emisji gazów cieplarnianych do atmosfery nie spowodują odwrócenia obecnych trendów wzrostu globalnej temperatury atmosfery przy powierzchni Ziemi i wzrostu poziomu oceanu światowego w tym stuleciu. Stąd, obok wysiłków na rzecz ograniczenia emisji antropogenicznych gazów cieplarnianych do atmosfery w celu zminimalizowania tych trendów, konieczne są szeroko zakrojone działania adaptacyjne umożliwiające funkcjonowanie i dalszy rozwój cywilizacji w warunkach stopniowo ocieplającego się klimatu. Słowa kluczowe: zmiany klimatu, gazy cieplarniane, modele klimatyczne Abstract Systematic observations of Earth s climate system performed for more than 150 years reveal distinct evolution of climate on the global scale. The mean global surface air temperature has increased since the mid 19th century by approximately 0.8 C and continues to rise. The results of modeling of global climate in the 20th century showed beyond any doubt that the rise of temperature in the past several decades can be explained only if significant radiative forcing of anthropogenic origin is postulated, in addition to natural forcing. This anthropogenic forcing is caused mainly by growing concentrations of major greenhouse gases in the atmosphere. Due to internal dynamic of the global carbon cycle and large thermal inertia of the global oceans, even drastic reductions of greenhouse gas emissions will not lead to trend reversals of global surface air temperature and sea level in this century. Therefore, apart of various mitigation strategies aimed at reducing emis- Maciej J. Kotarba (red.) Przemiany środowiska naturalnego a rozwój zrównoważony Wydawnictwo TBPŚ GEOSFERA 2008, Kraków, str

2 sions of greenhouse gases, broad adaptation programs are also required, which would allow further functioning and growth of human civilization in the gradually warming world. Keywords: climate change, greenhouse gases, climate models 1. Wstęp Rok 2007 był szczególnym rokiem dla światowej klimatologii. W lutym Międzyrządowy Komitet ds. Zmian Klimatu (IPCC) rozpoczął publikację kolejnego, 4-go Raportu stanowiącego podsumowanie badań nad zmianami klimatu prowadzonych na świecie między rokiem 2000 i 2006 (IPCC, 2007). W marcu Unia Europejska zadeklarowała redukcję emisji gazów cieplarnianych o 20% do roku 2020, w porównaniu z poziomem emisji w 1990 roku. W październiku, były wiceprezydent Stanów Zjednoczonych Al Gore oraz Komitet IPCC otrzymali wspólnie Pokojową Nagrodę Nobla za zasługi w propagowaniu wiedzy dotyczącej klimatu i zmian klimatu. Wreszcie, w grudniu 2007 odbyła się kolejna konferencja klimatyczna ONZ gdzie dyskutowano możliwe porozumienia międzynarodowe po wygaśnięciu protokołu z Kioto w 2012 roku. W toczącej się na różnych płaszczyznach dyskusji dotyczącej stopnia ingerencji człowieka w naturalne procesy kontrolujące klimat i zmiany klimatu można wyodrębnić kilka kluczowych pytań: (i) czy obecnie klimat na Ziemi zmienia się?, (ii) jeżeli istotnie jesteśmy świadkami zmian klimatu o zasięgu globalnym to kto jest odpowiedzialny za to zjawisko: natura czy człowiek? (iii) jakie zmiany klimatu czekają nas w ciągu najbliższych kilkudziesięciu lat? Niniejszy artykuł jest próbą odpowiedzi na te pytania, opartą o aktualny stan wiedzy o klimacie i jego zmienności w różnych skalach czasu. Z oczywistych względów, w krótkim artykule o charakterze popularyzatorskim odpowiedzi te nie zawsze będą mogły być w pełni udokumentowane. Niemniej jednak, opierają się one na obiektywnej ocenie stanu badań, bez próby forsowania jakiegokolwiek punktu widzenia. Sformułowano wiele definicji klimatu. Na potrzeby tego artykułu możemy przyjąć, że pod pojęciem klimatu będziemy rozumieć średni stan układu Ziemia-atmosfera dla okresów czasu rzędu kilku lat i dłuższych. Klimat opisujemy zwykle przez podanie średnich wartości wybranych parametrów charakteryzujących stan atmosfery i powierzchni Ziemi (temperatura powietrza przy powierzchni, ilość opadów, wilgotność względna, zachmurzenie, wilgotność gleby, temperatura powierzchni oceanu, grubość i zasięg lodu morskiego, i inne) oraz scharakteryzowanie zakresu ich zmienności poprzez podanie elementów opisu statystycznego takich jak rozkład danej wielkości, wariancja tego rozkładu, wartości maksymalne i minimalne, częstość występowania wartości ekstremalnych. 2. Czy klimat się zmienia? Klimat na Ziemi zmieniał się od zawsze. To stwierdzenie wypełnione jest dzisiaj bogatą treścią. Paleoklimatologia, nauka zajmująca się badaniem zmian klimatu w prze- 24

3 szłości, przeżyła w ostatnich dziesięcioleciach prawdziwą rewolucję. Wprowadzenie nowoczesnych metod badawczych oraz sięgnięcie do naturalnych archiwów klimatycznych takich jak czasze lodowe Grenlandii czy Antarktydy, pozwoliło uzyskać pełniejszy wgląd w przeszłość klimatyczną Ziemi (np. Jouzel et al., 2007). Metody te pozwalają nie tylko na ilościowe rekonstrukcje zmian klimatycznych w przeszłości, np. na stwierdzenie o ile zmieniła się temperatura powietrza czy ilość opadów na danym terenie, ale dostarczają również chronologii tych zmian. Paleoklimatologia dysponuje dziś w miarę precyzyjną wiedzą o globalnych zmianach klimatu na Ziemi w ciągu ostatnich kilkuset tysięcy lat. Oczywiście, im bardziej cofamy się w czasie, tym rekonstrukcje te są mniej dokładne. Choć systematyczne obserwacje wybranych parametrów klimatycznych (temperatura, wielkość opadów) prowadzono w niektórych krajach od bardzo dawna, dopiero w połowie dziewiętnastego wieku sieć tych obserwacji stała się wystarczająco gęsta, aby na jej podstawie można było wyciągać wnioski co do globalnych zmian tych parametrów. Najczęściej obserwowanym parametrem klimatycznym jest temperatura powietrza przy powierzchni Ziemi. W chwili obecnej, jest ona mierzona regularnie na kilku tysiącach stacji meteorologicznych. Ponadto, regularne obserwacje temperatury powietrza i powierzchni oceanu prowadzi się również na statkach. Od lat 70. ubiegłego wieku prowadzone są systematyczne pomiary temperatury różnych rejonów atmosfery z wykorzystaniem satelitów meteorologicznych (NRC, 2000). Na rysunku 1A przedstawiono globalne zmiany temperatury powietrza od roku 1880 (GISS, 2008). Zmiany te pokazane są jako odchylenie od średniej temperatury globalnej wyliczonej dla okresu Jak wynika z rysunku, średnia globalna temperatura powierzchniowej warstwy atmosfery wzrosła od 1880 roku o ok. 0,8 C. Należy zauważyć, że wzrost ten nie był regularny - pierwszy okres wzrostu przypada na lata , po którym nastąpił niewielki spadek temperatury i stabilizacja trwająca ok. 30 lat. Drugi okres wzrostu rozpoczął się w latach i trwa do dzisiaj. Osiem najcieplejszych lat dla całego okresu pokazanego na Rys. 1A wystąpiło w ostatniej dekadzie ( ). Mapa rozkładu przestrzennego anomalii temperatury dla 2007 roku, zdefiniowanych jako różnica między średnią roczną temperaturą w 2007 i średnią dla okresu dla danego rejonu, pokazana została na Rys. 1B (GISS, 2008). Widoczne jest wielkie zróżnicowanie przestrzenne zmian temperatury; obok silnego ocieplenia obserwowanego dla wysokich szerokości geograficznych półkuli północnej (dodatnie anomalie temperatury na poziomie 2-4 C), występują również obszary o ujemnych anomaliach, np. niektóre obszary Oceanu Spokojnego, południowe rejony kontynentu południowo-amerykańskiego, czy też wybrzeża Antarktydy w rejonie Morza Weddella. Wzrost temperatury globalnej w ostatnich trzydziestu latach nie ograniczył się tylko do przypowierzchniowych warstw atmosfery. Pomiary satelitarne jednoznacznie pokazują analogiczny wzrost dla obszaru dolnej i górnej troposfery, przy ochładzającej się dolnej stratosferze (IPCC, 2007). Stopniowy wzrost temperatury powietrza nie pozostaje bez wpływu na stan kriosfery Ziemi. Postępuje proces cofania się lodowców górskich na całej kuli ziemskiej. Jak widać na Rys. 2, w okresie średnia długość lodowców kontynentalnych zmniejszyła 25

4 się ok m (Oerlemans, 2005). Szczególnie dramatyczne zmiany obserwowane są w Arktyce. Zasięg lodu morskiego w tym rejonie w lecie zmniejsza się w tempie ok. 7,5% na dekadę (IPCC, 2007). Zmniejszyła się też znacznie średnia grubość lodu morskiego. Mnożą się doniesienia naukowe dotyczące zmian głównych rezerwuarów lodu na Ziemi tzn. wielkich czasz lodowych Grenlandii i Antarktydy. Na podstawie precyzyjnych pomiarów satelitarnych szacuje się ubytek mas lodu na Grenlandii na poziomie gigaton rocznie, w ciągu ostatnich kilku lat (Shepherd & Wingham, 2007; Wintze, 2008). Aktualny bilans lodu zgromadzonego na Antarktydzie wciąż jest przedmiotem intensywnych prac badawczych. Najprawdopodobniej mamy do czynienia z redukcją masy zachodniej Antarktydy na poziomie gigaton rocznie oraz niewielkim przyrostem masy lodu wschodniej Antarktydy na poziomie ok. 50 gigaton/rok (Shepherd & Wingham, 2007). Rys. 1. (A) zmiany średniej globalnej temperatury powietrza w okresie (GISS, 2008). Punkty na wykresie oznaczają średnie roczne odchylenia od wartości średniej temperatury dla okresu Pionowe, zielone odcinki oznaczają niepewności wyznaczenia średnich rocznych dla poszczególnych partii wykresu, (B) mapa rozkładu przestrzennego odchyleń temperatury powietrza od średniej długoterminowej w 2007 roku. Kolor szary oznacza brak danych 26

5 Rys. 2. Zmiany długości lodowców kontynentalnych w okresie , względem stanu w 1950 roku (Oerlemans, 2005; IPCC, 2007) Topniejące lodowce kontynentalne i wzrost objętości wód oceanu światowego na wskutek rozszerzalności termicznej wody powodują stopniowy wzrost jego poziomu. Precyzyjne pomiary z wykorzystaniem altymetrii satelitarnej jednoznacznie pokazują, że poziom oceanu światowego wzrósł w ostatnich 15-tu latach o ok. 4 cm (Rys. 3). Dla okresu wzrost ten wyniósł ok. 20 cm (IPCC, 2007). Rys. 3. Zmiany globalnego poziomu oceanu w okresie , względem średniej za lata , wyznaczone na podstawie danych z dwóch satelitarnych programów obserwacyjnych: TOPEX/Posejdon (czerwone kropki) oraz Jason (zielone kwadraty) Dane pomiarowe reprezentują 10-dniowe okresy obserwacji. Niebieska linia odpowiada 60-dniowej średniej kroczącej (IPCC, 2007) 27

6 W ostatnich latach jesteśmy świadkami rosnącej liczby ekstremalnych zjawisk meteorologicznych w postaci tornad i cyklonów, powodzi i susz. Jaskrawym przykładem takiego zjawiska ekstremalnego była fala upałów w Europie Zachodniej w sierpniu 2003 roku. Średnia temperatura trzech miesięcy letnich (czerwiec-sierpień) w Szwajcarii wyniosła dla 2003 roku 20,2 o C i była wyższa od średniej długoterminowej (dla okresu ) o ponad 5 o C (Schär et al., 2004). Według Europejskiej Bazy Ekstremalnych Zjawisk Pogodowych ( w okresie w Polsce zarejestrowano 4 tornada, natomiast w okresie aż 117. Tylko dla dwóch ostatnich lat ( ) liczba ta wyniosła 83. Wszystkie te obserwacje jednoznacznie wskazują na postępującą ewolucję klimatu w skali globalnej. Podstawowym pytaniem w toczącej się obecnie dyskusji klimatycznej jest pytanie o związek przyczynowy między obserwowanymi tendencjami zmian parametrów klimatycznych a czynnikami antropogenicznymi, w szczególności zmianami w składzie atmosfery wywołanymi działalnością człowieka. 3. Kto zawinił: Natura czy człowiek? Z fizycznego punktu widzenia, zmiany klimatu mogą być postrzegane jako wynik okresowego zaburzania równowagi energetycznej układu Ziemia-atmosfera. Energia dociera do Ziemi ze Słońca głównie w postaci strumienia promieniowania elektromagnetycznego w zakresie widzialnym (Lean, 2005). Część tego promieniowania ulega odbiciu z powrotem w przestrzeń kosmiczną (albedo). Reszta jest absorbowana przez składniki atmosfery i przez powierzchnię Ziemi. Powierzchnia Ziemi emituje promieniowanie elektromagnetyczne o widmie przesuniętym w stronę fal dłuższych (podczerwień). Przy założeniu całkowitego braku atmosfery, warunek równowagi energetycznej prowadzi do tzw. temperatury radiacyjnej powierzchni Ziemi wynoszącej ok. -17 C. Obecność atmosfery zmienia równowagę energetyczną na dwa sposoby: modyfikuje albedo Ziemi, oraz zmienia bilans energetyczny atmosfery i powierzchni Ziemi poprzez obecność w atmosferze tzw. gazów cieplarnianych oraz aerozoli. Gazy cieplarniane, do których należy przede wszystkim para wodna, dwutlenek węgla i metan, są w dużym stopniu przeźroczyste dla promieniowania słonecznego, natomiast silnie absorbują promieniowanie długofalowe wysyłane przez powierzchnię Ziemi. W warunkach równowagi radiacyjnej, część promieniowania długofalowego zaabsorbowanego przez gazy cieplarniane w atmosferze jest wysyłana z powrotem ku powierzchni Ziemi, prowadząc do podniesienia się jej temperatury i ogrzania dolnej atmosfery. W ten sposób osiągany jest nowy stan równowagi, charakteryzujący się wyższą temperaturą powierzchni. Najważniejszym gazem cieplarnianym jest para wodna. Obecność gazów cieplarnianych w atmosferze Ziemi przesuwa średnią temperaturę jej powierzchni z ok. -17 C (Ziemia bez atmosfery) do obserwowanej wartości ok. +15 C. Bilans energetyczny układu Ziemia-atmosfera może być okresowo zaburzany nie tylko przez zmieniające się stężenia gazów cieplarnianych, ale również poprzez duże erupcje wulkaniczne, wprowadzające do stratosfery znaczne ilości drobnych cząstek pyłu (aerozo- 28

7 li), które odbijają część promieniowania słonecznego z powrotem w przestrzeń kosmiczną, zmniejszając tym samym ilość energii docierającej do powierzchni Ziemi (IPCC, 2007). Wreszcie, fluktuacje wielkości strumienia energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi, wynikające bądź to z fluktuacji jasności Słońca (Lean, 2005) bądź ze zmian parametrów orbitalnych Ziemi (Imbrie et al., 1989), będą również w naturalny sposób wpływać na równowagą energetyczną układu ziemia-atmosfera w różnych skalach czasu. Z powyższej dyskusji jasno wynika, iż globalne zmiany klimatyczne mogą być wywołane przez różnego rodzaju czynniki modyfikujące bilans energetyczny układu Ziemiaatmosfera, mające swe źródło w procesach naturalnych bądź wynikające z działalności człowieka. Najszerzej dyskutowanym czynnikiem antropogenicznym jest wzrost stężenia dwutlenku węgla, metanu, podtlenku azotu i innych gazów cieplarnianych w atmosferze, związany z technologiczną działalnością człowieka. Stężenie dwutlenku węgla w atmosferze wzrosło o ponad 30% w ciągu ostatnich 150 lat i wynosi obecnie ok. 380 ppm (Keeling, 2008). Jest ono najwyższe, od co najmniej 800 tysięcy lat (Brook, 2008). Ponad 75% antropogenicznych emisji CO 2 do atmosfery w ciągu ostatnich 20 lat pochodziło ze spalania paliw kopalnych, a pozostała część pochodziła głównie z wylesiania. Ocean i biosfera kontynentalna pochłaniają obecnie ok. 55% antropogenicznej emisji dwutlenku węgla (Canadell, 2008). Stężenie metanu wzrosło o około 150% w stosunku do roku 1850 i jest obecnie najwyższe od 800 tysięcy lat (Brook, 2008). Połowa obecnych emisji metanu do atmosfery jest pochodzenia antropogenicznego (paliwa kopalne, hodowla bydła, uprawa ryżu, składowiska śmieci). Poza gazami cieplarnianymi, działalność człowieka prowadzi do zwiększenia zawartości aerozoli w atmosferze, powiązanych głównie z emisją dwutlenku siarki oraz sadzy w procesach spalania paliw kopalnych i wypalania lasów. Aerozole siarczanowe rozpraszają promieniowanie słoneczne, częściowo redukując efekt cieplarniany, natomiast niespalone cząstki węgla wpływają na bilans radiacyjny bezpośrednio (rozpraszanie i absorpcja promieniowania) jak i pośrednio (modyfikacja własności chmur). Aerozole są stosunkowo najmniej zbadanym elementem bilansu radiacyjnego układu Ziemia-atmosfera (IPCC, 2007). Przyjęto wyrażać wpływ różnych czynników antropogenicznych na bilans radiacyjny układu Ziemia-atmosfera poprzez dodatkowy strumień energii docierający do jej powierzchni, noszący nazwę antropogenicznego wymuszenia radiacyjnego. Tab. 1 podaje aktualne oceny (dla roku 2005) wielkości antropogenicznego wymuszenia radiacyjnego dla gazów cieplarnianych, aerozoli i innych czynników wpływających na bilans radiacyjny (IPCC, 2007). Jak wynika z Tabeli 1, sumaryczne wymuszenie radiacyjne pochodzące od gazów cieplarnianych wyniosło w roku 2005 około 1,6 W/m 2. Dla porównania, jeden metr kwadratowy powierzchni Ziemi otrzymuje ze Słońca średnio 236 W energii. Pojawia się zatem pytanie jakich efektów klimatycznych można się spodziewać jako odpowiedzi globalnego systemu klimatycznego na dodatkowe wymuszenie radiacyjne związane ze wzrostem stężeń gazów cieplarniach w atmosferze. Odpowiedź nie jest prosta, m.in. dlatego, iż w ramach globalnego systemu klimatycznego funkcjonują zarówno dodatnie jak i ujemne sprzężenia zwrotne które mogą osłabiać bądź wzmacniać odpowiedź 29

8 systemu na zadane wymuszenie radiacyjne. Miarodajną odpowiedź na to pytanie uzyskać można jedynie w ramach fizycznych modeli klimatu. Tabela 1 Globalne wartości antropogenicznych wymuszeń radiacyjnych w 2005 roku (IPCC, 2007) Typ wymuszenia radiacyjnego Gazy cieplarniane: Dwutlenek węgla Metan Podtlenek azotu Związki chlorowcowe (freony) Ozon: Ozon troposferyczny Ozon stratosferyczny Wielkość wymuszenia radiacyjnego w 2005 [W/m 2 ] 1,66 (1,49 do 1,83) 0,48 (0,43 do 0,53) 0,16 (0,14 do 0,18) 0,34 (0,31 do 0,37) 0,35 (0,25 do 0,65) -0,05 (-0,15 do 0,05) Para wodna z rozkładu CH 4 w stratosferze Albedo powierzchni: Użytkowanie gruntu Sadza na pokrywie śniegowej Aerozole: Efekt bezpośredni Wpływ na albedo chmur Samolotowe smugi kondensacyjne 0,07 (0,02 do 0,12) -0,2 (-0,4 do 0,0) 0,1 (0,0 do 0,2) -0,5 (-0,9 do -0,1) -0,7 (-1,8 do 0,3) 0,01 (0,003 do 0,03) Sumaryczny efekt 1,7 (0,6 do 2,4) W nawiasach podano oceny niepewności wyznaczenia wartości wymuszeń (odpowiednio, minus i plus jedno odchylenie standardowe) Modelowanie klimatu ma długą historię. Pierwsze próby podjęto już w końcu XIX wieku. Dzisiaj dysponujemy całą gamą modeli klimatycznych o różnym stopniu komplikacji - od stosunkowo prostych, jednowymiarowych modeli opartych o bilans radiacyjny atmosfery, poprzez modele rezerwuarowe typu "black box", aż po skrajnie skomplikowane, trójwymiarowe modele cyrkulacji globalnej, uwzględniające wzajemne oddziaływanie atmosfery, oceanu i biosfery. Dla tej ostatniej klasy modeli, podstawowym ograniczeniem jest wciąż niewystarczająca moc obliczeniowa istniejących superkomputerów. Niemniej jednak, to one są najlepszym narzędziem, jakie posiadają naukowcy dla modelowania klimatu w skali globalnej. Obecnie wykorzystywanych jest na świecie ponad dwadzieścia sprzężonych modeli cyrkulacji globalnej atmosfery i oceanu, o różnym stopniu skomplikowania. 30

9 Wykorzystując istniejące modele klimatyczne, w latach wykonano szereg niezależnych symulacji zmian klimatu Ziemi w XX wieku stosując realistyczne warunki brzegowe i początkowe, oraz różne scenariusze wymuszeń radiacyjnych w modelowanym okresie (IPCC, 2007). Symulacje zostały wykonane przez różne zespoły badawcze, z wykorzystaniem różnych modeli. Podzielić je można na dwie klasy: (i) symulacje, w których uwzględniono tylko wymuszenia radiacyjne pochodzenia naturalnego tzn. fluktuacje ilości energii docierającej do powierzchni Ziemi ze Słońca oraz zmiany stężenia aerozoli w atmosferze wynikłe z erupcji wulkanicznych, oraz (ii) symulacje uwzględniające wymuszenia zarówno pochodzenia naturalnego jak i wymuszenia antropogeniczne, w postaci rosnących stężeń gazów cieplarnianych. Rys. 4. Porównanie mierzonych i modelowanych zmian globalnej temperatury atmosfery przy powierzchni Ziemi w okresie (IPCC, 2007). (A) naturalne i antropogeniczne wymuszenia radiacyjne, 58 symulacji wykonanych przez 14 różnych modeli, (B) tylko naturalne wymuszenia, 19 symulacji wykonanych przez 5 różnych modeli. Na wykresach podano odchylenia od wartości średniej temperatury dla okresu Pionowe linie oznaczają wybuchy wulkanów 31

10 Rysunek 4 pokazuje rezultaty przeprowadzonych symulacji zmian średniej temperatury globalnej przypowierzchniowej atmosfery Ziemi w XX wieku. Wskazują one jednoznacznie, iż tylko połączenie czynników pochodzenia naturalnego i antropogenicznego daje zadowalającą zgodność obserwowanej i modelowanej krzywej zmian temperatury globalnej dla rozważanego okresu. W szczególności, wzrost temperatury globalnej obserwowany od lat 70. ubiegłego wieku może być wyjaśniony na gruncie globalnych modeli klimatycznych tylko przy założeniu istnienia w tym okresie znaczących wymuszeń pochodzenia antropogenicznego, obok wymuszeń naturalnych. Fakt ten jest obecnie jedynym, naukowo uzasadnionym argumentem potwierdzającym hipotezę, że to człowiek w sposób znaczący modyfikuje klimat w skali globalnej. 4. Jaki klimat jutro? Miarodajna odpowiedź na pytanie o możliwe zmiany klimatu w skali globalnej i regionalnej w najbliższych dziesięcioleciach jako wynik technologicznej działalności człowieka może być udzielona jedynie w ramach fizycznych modeli ewolucji klimatu, uwzględniających naszą aktualną wiedzę o mechanizmach kontrolujących klimat w skali globalnej i regionalnej. Przedstawione na Rys. 4 wyniki symulacji zmian temperatury globalnej przypowierzchniowej atmosfery Ziemi w XX wieku wskazują, iż rozwój globalnych modeli klimatycznych osiągnął obecnie poziom uzasadniający budowanie w oparciu o te modele realistycznych scenariuszy ewolucji klimatu Ziemi we wspomnianej wyżej perspektywie czasowej. Czwarty raport Komitetu IPCC (IPCC, 2007) przynosi m.in. uaktualnione prognozy ewolucji klimatu w skali globalnej i regionalnej do końca XXI wieku. Obliczenia objęły kilka kontrastowych scenariuszy rozwoju społeczno-gospodarczego świata w bieżącym stuleciu, opracowanych w oparciu o metodologię wypracowaną w poprzednim, trzecim raporcie IPCC (IPCC, 2001). Rozważane scenariusze objęły szeroki wachlarz prognozowanych ścieżek rozwoju społeczno-gospodarczego świata, od wariantu pesymistycznego zakładającego ciągły wzrost populacji i szybki wzrost ekonomiczny oparty przede wszystkim na paliwach kopalnych, po wariant optymistyczny zakładający spadek populacji globalnej w drugiej połowie XXI wieku i zrównoważony wzrost oparty głównie o odnawialne źródła energii. Wynikające z tych scenariuszy przewidywane emisje do atmosfery gazów cieplarnianych oraz aerozoli posłużyły do wyliczenia odpowiednich wymuszeń radiacyjnych wykorzystanych w modelach klimatycznych wyliczających spodziewaną ewolucję klimatu w rozważanym okresie czasu. Modele przewidują wzrost średniej globalnej temperatury powietrza przy powierzchni Ziemi w roku 2100, w stosunku do średniej za lata , między 1,8 a 4,0 C, w zależności od przyjętego scenariusza rozwoju społeczno-gospodarczego świata (IPCC, 2007). Mimo znacznego rozwoju modeli klimatycznych w ostatnich latach, niepewność prognozowanych zmian temperatury, zarówno w ramach poszczególnych modeli jak i pomiędzy różnymi modelami, pozostaje jednak stosunkowo wysoka, nawet w obrębie jednego przyjętego scenariusza rozwoju społeczno-gospodarczego świata (Rys. 5). 32

11 Rys. 5. Rozkłady gęstości prawdopodobieństwa zmian średniej globalnej temperatury powietrza dla dwóch 10-letnich okresów w XXI wieku ( oraz ) przewidywanych przez globalne model klimatyczne. Zmiany te odniesione są do okresu Rozważono trzy scenariusze rozwoju społeczno-gospodarczego świata: (A2) ciągły wzrost populacji do końca XXI wieku, heterogeniczny świat, gospodarka oparta na paliwach kopalnych. (A1B) maksimum populacji w połowie XXI wieku, zacieranie się różnic ekonomicznych pomiędzy regionami, wprowadzenie nowych bardziej wydajnych technologii, zrównoważony udział wszystkich źródeł energii, (B1). maksimum populacji w połowie XXI wieku, szybkie zmiany struktur społecznych w kierunku usług i społeczeństwa informacyjnego, zrównoważony wzrost (IPCC, 2007) Przewidywane globalne ocieplenie spowoduje podniesienie się poziomu oceanu światowego w XXI wieku między 0,2 a 0,6 metra, w zależności od przyjętego scenariusza rozwoju społeczno-gospodarczego, wynikające głównie z ekspansji termicznej oceanu oraz topienia się lodowców kontynentalnych i czasz lodowych Grenlandii i Antarktydy (IPCC, 2007). Niektórzy autorzy uważają (np. Hansen, 2007; Meier et al., 2007) że oceny te są zaniżone i że do końca XXI wieku wzrost poziomu oceanu światowego może być znacznie większy, głównie z uwagi na możliwe procesy nieliniowe związane z topnieniem czasz lodowych. Z uwagi na dynamikę procesów klimatycznych, w szczególności na bezwładność termiczną oceanu i stosunkowo długi średni czas przebywania dwutlenku węgla w atmosferze, trendy wzrostowe globalnej temperatury i poziomu oceanu będą się utrzymywały 33

12 przez dwa następne stulecia, nawet przy przyjęciu optymistycznego scenariusza rozwoju społeczno-gospodarczego świata. Rozwój modeli klimatycznych wykorzystujących globalne, sprzężone modele cyrkulacji atmosfery i oceanu oraz wzrost mocy obliczeniowej superkomputerów w ostatnich kilku latach umożliwił po raz pierwszy przygotowanie regionalnych scenariuszy zmian klimatu w bieżącym stuleciu. Na Rys. 6 pokazano przewidywane zmiany temperatury powietrza i ilości opadów (średnie roczne i sezonowe) w Europie w dwudziestoleciu w porównaniu z dwudziestoleciem (IPCC, 2007). Jak wynika z Rys. 6, dla obszaru Polski przewiduje się wzrost średniej rocznej temperatury o 3-3,5 C oraz wzrost ilości opadów między 5 i 10%. Warto zwrócić uwagę, że wzrosty te dotyczą głównie sezonu zimowego. Na ile wiarygodne są prognozy zmian klimatu w bieżącym stuleciu wyliczane przy pomocy aktualnie dostępnych modeli klimatycznych? Na pewno należy je traktować z dużą dozą ostrożności. Przyczyn jest kilka. Po pierwsze, przedstawione prognozy zmian klimatu w XXI wieku z oczywistych względów nie uwzględniają zdarzeń ekstremalnych w rodzaju kolizji globu ziemskiego z kometą bądź asteroidem, dużych erupcji wulkanicznych bądź też konfliktów nuklearnych o globalnym zasięgu, które mogą w tym okresie wystąpić. Nie obejmują również możliwych fluktuacji jasności Słońca i związanych z tym zmian strumienia energii docierającej do powierzchni Ziemi. Po drugie, modele klimatyczne wykorzystywane dotychczas do prognozowania ewolucji klimatu tylko w niewielkim stopniu uwzględniają nieliniowy charakter systemu klimatycznego - przewidywana przez modele odpowiedź globalnego systemu klimatycznego na zakładane antropogeniczne wymuszenia radiacyjne w najbliższych dziesięcioleciach jest praktycznie liniowa. Z uwagi na istniejące w ramach globalnego systemu klimatycznego sprzężenia zwrotne, zarówno dodatnie jak i ujemne, będzie on wykazywał cechy systemu nieliniowego. Oznacza to, iż dla zadanej konfiguracji warunków brzegowych, w określonych obszarach przestrzeni parametrów, możliwych jest kilka stanów równowagi (klimatów) charakteryzujących ten system i przejście pomiędzy tymi stanami, po przekroczeniu pewnego progowego poziomu wymuszenia, może być skokowe. Szybkość przejścia systemu klimatycznego do nowego stanu w obrębie takiej skokowej zmiany jest kontrolowana głównie przez wewnętrzną dynamikę systemu, a nie przez szybkość zmian czynnika wymuszającego. Te nieliniowe aspekty systemu klimatycznego przedstawione zostały schematycznie na Rys. 7. Ilustruje on zależność klimatu (określonego przez wybrany parametr bądź zespół parametrów) od wielkości wymuszenia. Poziome strzałki oznaczają wielkość czynnika wymuszającego, odpowiednio przy jego wzroście i zmniejszaniu się, natomiast symbole z literami a, b, c oznaczają poszczególne stany (klimaty) na trajektorii klimatycznej. Pionowa kropkowana linia oznacza wielkość wymuszenia progowego. Z rysunku 7 widać, iż w zależności od położenia klimatu na trajektorii klimatycznej systemu i jego pozycji w stosunku do wymuszenia progowego, wzrost a następnie zmniejszenie się wymuszenia o stałą amplitudę może prowadzić do zupełnie różnych skutków klimatycznych: możemy mieć do czynienia ze zmianą odwracalną o niewielkiej amplitudzie (Rys. 7A i 7D), zmianą odwracalną z gwałtownym przejściem klimatycznym o dużej amplitudzie (Rys. 7B), oraz nieodwracalnym, gwałtownym przejściem klimatycznym (Rys. 7C). 34

13 35 Rys. 6. Rozkłady przewidywanych zmian temperatury powietrza (T) i ilości opadów (P) w Europie w dwudziestoleciu w porównaniu z okresem , w oparciu o symulacje wykonane przy użyciu 21 modeli klimatycznych (IPCC, 2007). Przyjęto scenariusz rozwoju społeczno-gospodarczego świata zakładający maksimum populacji w połowie XXI wieku, zacieranie różnic ekonomicznych pomiędzy regionami, wprowadzenie nowych bardziej wydajnych technologii, zrównoważony udział wszystkich źródeł energii (scenariusz A1B - por. Rys. 5)

14 Rys. 7. Ilustracja zjawisk nieliniowych w globalnym systemie klimatycznym. Poziome strzałki oznaczają wymuszenie klimatyczne o stałej amplitudzie. Punkty oznaczone literami a, b i c symbolizują trzy różne klimaty. Linią kropkowaną zaznaczono wielkość wymuszenia progowego. W zależności od położenia klimatu a na trajektorii klimatycznej w stosunku do wymuszenia progowego możliwe są trzy różne przejścia klimatyczne: (A i D) zmiana odwracalna o niewielkiej amplitudzie, (B) zmiana odwracalna z przejściem klimatycznym o dużej amplitudzie oraz (C) nieodwracalne, gwałtowne przejście klimatyczne Stosunkowo najlepiej poznanym i zbadanym zjawiskiem w obrębie systemu klimatycznego Ziemi, funkcjonującym według schematu przedstawionego na Rys. 7, jest cyrkulacja Oceanu Atlantyckiego, w szczególności proces tworzenia się tzw. głębokiej wody na północnym Atlantyku. W obecnych warunkach klimatycznych ciepłe i zasolone wody środkowego Atlantyku transportowane są do wyższych szerokości geograficznych w postaci prądu powierzchniowego (Golfstrom), stopniowo oddając ciepło do atmosfery. Ich gęstość stopniowo rośnie i w końcu osiągają tzw. gęstość krytyczną (w rejonach Morza Norweskiego i Morza Labradorskiego) pozwalającą na szybki transport dużych mas wody do głębszych warstw oceanu (cyrkulacja termohalinowa). Przepływy związane z tym systemem cyrkulacji oceanicznej są ogromne - obecnie są one rzędu x 10 6 m 3 s -1 (Cunningham et al., 2007). Z przepływem tak dużych mas wody wiąże się transport znacznych ilości ciepła z obszarów równikowych w kierunku północnym. Uważa się, iż obecny klimat rejonu północnego Atlantyku oraz kontynentu europejskiego jest w znacznym stopniu zdeterminowany tym procesem. Badania modelowe nad zjawiskiem cyrkulacji termohalinowej pokazały, iż wykazuje ono silne cechy systemu nieliniowego. W schematycznym przedstawieniu tego procesu pokazanym na Rys. 7, klimat (oś pionowa) może być identyfikowany z temperaturą atmosfery w rejonie północnego Atlantyku, a wymuszenie (oś pozioma) z bilansem hydrologicznym dla tego rejonu (opad plus spływ powierzchniowy z rzek, minus parowanie). Przy dostatecznie dużym dopływie słodkiej wody z opadu 36

15 i spływu z kontynentów, wody powierzchniowe północnego Atlantyku nie mogą osiągnąć gęstości krytycznej i cyrkulacja termohalinowa słabnie bądź zanika całkowicie. To z kolei prowadzi do gwałtownego spadku temperatury wód powierzchniowych Oceanu Atlantyckiego na wysokich szerokościach geograficznych i ochłodzenia atmosfery w tym rejonie. Uważa się obecnie, iż gwałtowne zmiany klimatu, jakie miały miejsce w przeszłości (miedzy ok. 80 i 10 tys. lat temu), szczególnie widoczne w zapisach paleoklimatycznych dla półkuli północnej (tzw. epizody Dansgaarda-Oeschgera) najprawdopodobniej wiązały się z czasowym osłabianiem bądź całkowitym zanikiem cyrkulacji termohalinowej. Dawało to efekt przełączania się systemu klimatycznego z jednego stanu w drugi. Jako źródło wymuszenia progowego ingerującego w funkcjonowanie cyrkulacji termohalinowej proponuje się m.in. okresowe pojawianie się na północnym Atlantyku dużej liczby gór lodowych będących wynikiem niestabilności mechanicznej wielkich czasz lodowych półkuli północnej (Bard, 2002), jak również zjawisko rezonansu stochastycznego związane z okresowymi fluktuacjami ilości promieniowania słonecznego docierającego do Ziemi (Ganopolski & Rahmstorf, 2002; Braun et al., 2005). 5. Podsumowanie Systematyczne obserwacje parametrów klimatycznych prowadzone od ponad stu pięćdziesięciu lat jednoznacznie wskazują na postępującą ewolucję klimatu w skali globalnej. Średnia globalna temperatura powierzchniowej warstwy atmosfery wzrosła od połowy XIX wieku o ok. 0,8 o C i wykazuje dalszą tendencję wzrostową. Ostatnia dekada była najcieplejszą dekadą w całym zapisie instrumentalnym. Postępuje proces cofania się lodowców górskich na całej kuli ziemskiej. Topniejące lodowce kontynentalne i ekspansja termiczna wód oceanu światowego powodują stopniowy wzrost jego poziomu. Od drugiej połowy XIX wieku poziom oceanu światowego podniósł się o ok. 20 cm. Rośnie również liczba ekstremalnych zjawisk pogodowych. Jakie argumenty przemawiają za uznaniem obecnie obserwowanych zmian klimatycznych za wywołane czynnikami antropogenicznymi? Kluczowym argumentem na korzyść takiej hipotezy są niewątpliwie wyniki modelowania ewolucji klimatu w XX wieku z wykorzystaniem globalnych, sprzężonych modeli cyrkulacji oceanu i atmosfery, pokazujące jednoznacznie, iż wzrost temperatury globalnej, obserwowany w ostatnich dziesięcioleciach może być wyjaśniony tylko przy założeniu obecności znaczącej ingerencji człowieka w globalny system klimatyczny, głównie w postaci rosnących emisji gazów cieplarnianych do atmosfery. W kontekście przewidywanych zmian klimatu często stawiane jest pytanie o bezpieczne poziomy stężeń gazów cieplarnianych w atmosferze, tj. takie, przy których przewidywane skutki klimatyczne będą jeszcze społecznie akceptowalne. Pytanie to pozostaje jak dotąd bez jednoznacznej odpowiedzi. Przedstawione w artykule prognozy zmian klimatu w bieżącym stuleciu dla różnych scenariuszy rozwoju społeczno-gospodarczego świata zakładają liniową odpowiedź globalnego systemu klimatycznego na antropogeniczne wymuszenia radiacyjne. Jednakże wiadomo dzisiaj, iż z uwagi na istniejące w ramach globalnego systemu klimatycznego sprzężenia zwrotne ma on cechy systemu nieliniowego 37

16 i jako taki, przy odpowiedniej konfiguracji warunków brzegowych i przekroczeniu pewnego poziomu wymuszenia, może przejść skokowo w inny stan (klimat). Aktualna rozdzielczość przestrzenna globalnych modeli cyrkulacji oceanu i atmosfery jest wciąż niewystarczająca do poprawnego modelowania wszystkich potencjalnych procesów nieliniowych w systemie klimatycznym Ziemi. Badania paleoklimatyczne pokazują, że w warunkach klimatu glacjalnego wielokrotnie dochodziło to przełączania się systemu klimatycznego z jednego stanu w drugi. Z badań tych wiadomo również, że w ciągu ostatnich kilkuset tysięcy lat stężenia dwutlenku węgla i metanu w atmosferze fluktuowały między dwoma dobrze zdefiniowanymi poziomami - ok. 180 ppm w okresach glacjalnych i 280 ppm w okresach interglacjalnych dla CO 2 i odpowiednio 0,3 i 0,7 ppm dla CH 4. W wyniku działalności człowieka stężenie dwutlenku węgla w atmosferze wzrosło w ciągu ostatnich 150 lat do ok. 380 ppm i jest obecnie najwyższe od ponad 800 tysięcy lat. Podobnie przedstawia się obecnie stężenie metanu, które wynosi obecnie ok. 1,7 ppm. Nasza znajomość dynamiki globalnego systemu klimatycznego jest niestety wciąż niewystarczająca, aby jednoznacznie stwierdzić w jakim punkcie na trajektorii klimatycznej znajduje się obecny klimat Ziemi. Nie wiemy również czy wymuszenia, którym obecnie poddawany jest globalny system klimatyczny za sprawą rosnących stężeń gazów cieplarnianych w atmosferze oraz innych zmian globalnego ekosystemu Ziemi spowodowanych działalnością technologiczną, zbliżają się do poziomu krytycznego który mógłby uruchomić gwałtowną zmianę klimatu. Nawet przy optymistycznym założeniu, że globalny system klimatyczny będzie liniowo reagował w najbliższych dziesięcioleciach na rosnące wymuszenia radiacyjne, dynamika globalnego obiegu węgla w przyrodzie oraz duża bezwładność oceanu światowego sprawiają, iż nawet natychmiastowe, drastyczne redukcje antropogenicznych emisji gazów cieplarnianych do atmosfery nie spowodują odwrócenia obecnych trendów wzrostu globalnej temperatury atmosfery przy powierzchni Ziemi i wzrostu poziomu oceanu światowego w tym stuleciu. Stąd, obok wysiłków na rzecz ograniczenia emisji antropogenicznych do atmosfery w celu zminimalizowania tych trendów, konieczne są szeroko zakrojone działania adaptacyjne umożliwiające funkcjonowanie i dalszy rozwój cywilizacji w warunkach stopniowo ocieplającego się klimatu. Podziękowania Niniejszy artykuł został przygotowany w ramach prac statutowych Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademii Górniczo-Hutniczej nr umowy Literatura BARD E., 2002 Climate shock: abrupt changes over millennial time scales. Physics Today, 55 (12): BRAUN H., CHRISTL M., RAHMSTORF S., GANOPOLSKI A., MANGINI A., KUBATZKI C., ROTH K., KROMER B., 2005 Possible solar origin of the 1470-year glacial climate cycle demonstrated in a coupled model. Nature, 438 (7065):

17 BROOK E., 2008 Palaeoclimate: Windows on the greenhouse. Nature, 453 (7193): CANADELL J.G., LE QUERE C., RAUPACH M.R., FIELD C.B., BUITENHUIS E.T., CIAIS P., CONWAY T.J., GILLETT P., HOUGHTON R.A., MARLAND G., 2008 Contributions to accelerating atmospheric CO 2 growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 104 (47): CUNNINGHAM S.A., KANZOV T., RAYNER D., BARINGER M.O., JOHNS W.E., MA- ROTZKE J., LONGWORTH H.R., GRANT E.M., HIRSCHI J.M., BEAL L.M., MEINEN CH.S., BRYDEN H.L., 2007 Temporal variability of the Atlantic Meridional Overturning Circulation at 26.5 o N. Science, 317 (5840): GANOPOLSKI A., RAHMSTORF S., 2002 Abrupt glacial climate changes due to stochastic resonance. Physical Review Letters, 88 (3): GISS, 2008 GISS Surface Temperature Analysis. NASA Goddard Institute for Space Science, New York, USA ( HANSEN J.E., 2007 Scientific reticence and sea level rise. Environmental Research Letters, 2: IMBRIE J., MCINTYRE A., MIX A.C., 1989 Oceanic response to orbital forcing in the late Quaternary: observational and experimental strategies. In: Climate and Geosciences, A Challenge for Science and Society in the 21 st Century, A. Berger, S.H. Schneider, J.-C. Duplessy (eds.), Kluwer Academic, Boston: IPCC, 2001 Climate Change 2001: The Scientific Basis. Third Assessment Report of Working Group 1 of the Intergovernmental Panel on Climate Change, J.T. Houghton et al. (eds.), Cambridge University Press, Cambridge. IPCC, 2007 The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change Working Group I, S. Solomon et al. (eds.), Cambridge University Press, Cambridge. JOUZEL J., MASSON-DELMOTTE V., CATTANI O., DREYFUS G., FALOURD, S., HOFFMANN G., MINSTER B., NOUET J., BARNOLA J.M., CHAPPELLAZ J., FISCHER H., GALLET J.C., JOHNSEN S., LEUENBERGER M., LOULERGUE L., LUETHI D., OERTER H., PARRENIN F., RAISBECK G., RAYNAUD D., SCHILT A., SCHWANDER J., SELMO E., SOUCHEZ R., SPAHNI R., STAUFFER B., SEFFENSEN J.P., STENNI B., STOCKER T.F., TISON J.L., WERNER M., WOLFF E.W., 2007 Orbital and millennial Antarctic climate variability over the past 800,000 years. Science, 317 (5839): KEELING R.F., 2008 Recording Earth s vital signals. Science, 319 (5871): LEAN J., 2005 Living with a variable Sun. Physics Today, 58 (6): MEIER M.F., DYURGEROV M.B., RICK U.K., O NEEL S., PFEFFER W.T., ANDERSON R.S., ANDERSON S.P., GLAZOVSKY A.F., 2007 Glaciers dominate eustatic sea-level rise in the 21 st century. Science, 317 (5841): NRC, 2000 Reconciling Observations of Global Temperature Change. National Research Council, The National Academy Press, Washington, D.C. OERLEMANS J., 2005 Extracting a climate signal from 169 glacier records. Science, 308 (5722): SCHÄR CH., VIDALE P.L., LÜTHI D., FREI CH., HÄBERLI CH., LINIGER M.A., APPEN- ZELLER CH., 2004 The role of increasing temperature variability in European summer heat waves. Nature, 427 (6972): SHEPHERD A., WINGHAM D., 2007 Recent sea-level contributions of the Antarctic and Greenland ice sheets. Science, 315 (5818): WINTZE A., 2008 Loosing Greenland. Nature, 452 (7189):

18 40