OCIEPLANIE SIĘ KLIMATU Energia słoneczna dociera na Ziemię w postaci stosunkowo krótkich fal elektromagnetycznych, obejmujących m.in.: promieniowanie podczerwone (cieplne), widzialne (światło) i ultrafioletowe. Promienie podczerwone ogrzewają podłoże, na które padają i sprawiają, że zgodnie z prawami fizyki zaczyna ono emitować istotne ilości promieniowania tego samego typu, ale o znacznie większej długości fal. Dwutlenek węgla oraz inne gazy obecne w atmosferze wchłaniają i zatrzymują wystarczającą ilość tego właśnie ciepła, aby utrzymać temperaturę na naszej planecie. Stężenie dwutlenku węgla jednak rośnie, a jego działanie potęguje występowanie coraz większego stężenia innych gazów, które również skutecznie hamują wtórną emisję promieni podczerwonych wyzwolonych z nagrzanej
powierzchni Ziemi. W wyniku zatrzymania większych ilości ciepła rośnie temperatura na Ziemi, co może mieć nieobliczalne niszczące skutki. Promieniowanie kosmiczne wchodzi w atmosferę Ziemi i uderza w atomy powietrza. Czasami te zderzenia dają wynik w postaci tworzenia się radioaktywnej formy węgla węgla 14 ( 14 C), który jest trochę cięższy od zwykłego węgla, ale chemicznie jest prawie identyczny. Proces ten trwa od bardzo długiego czasu, tak, więc węgiel 14 C powstaje jak i ulega rozpadowi. Rośliny pobierają węgiel 14 C wraz z przyswajaniem dwutlenku węgla jako pożywienia. Ludzie i zwierzęta jedząc te rośliny także pochłaniają 14 C. W każdym przypadku proporcja węgla radioaktywnego do normalnego w pożywieniu jest taka sama jak proporcja w powietrzu. Ta proporcja pozostaje taka sama, nawet, kiedy się starzejemy, ponieważ codziennie jest odnawiana poprzez składniki naszego pożywienia i oddychanie. Jednakże po śmierci organizmu ustalona proporcja zaczyna się zmieniać, ponieważ węgiel promieniotwórczy zaczyna stopniowo zanikać przekształcając się, podczas gdy normalny węgiel pozostaje w stanie niezmienionym. Właściwość ta jest szeroko wykorzystywana np.: w archeologii, gdzie używa się jej do badania wieku danego obiektu. Dla przykładu, jeśli kawałek drewna zostanie odcięty, to w tym momencie ma on całą ilość węgla 14 C pokazaną jako 1 na wykresie 1. Po upływie tysiąca lat część radioaktywnego węgla zniknie, a jego pozostała masa będzie mniejsza niż 90 % masy, od której ten proces się rozpoczął. Po 5730 latach, czyli tzw. okresie połowicznego rozkładu węgla 14 C, jego ilość zmniejszy się dokładnie o połowę jego początkowej wartości. Jeśli archeolog znajduje kawałek węgla drzewnego zagrzebanego w określoną warstwę na dnie jeziora i chce wiedzieć, jak długo tam przebywał, to wtedy stosunek ilości węgla radioaktywnego do węgla normalnego może być wykreślony na wykresie 1.
WYKRES 1. Teoretyczna krzywa wzorcowa uwzględniająca stosunek węgla radioaktywnego do węgla normalnego w próbce w odniesieniu do wieku tej próbki. Wartość równa 1 oznaczałaby, że proporcja w próbce była taka sama, jak proporcja w atmosferze. Linia na wykresie 1 jest tworzona na podstawie prostej teorii zaniku radioaktywności, która jest bez wątpienia poprawna, ale kiedy używa się jej do określania wieku próbek i wierzy się wtedy, że tempo ubytku właściwości radioaktywnych jest zawsze takie samo, ale także zakłada się, że zawsze była taka sama proporcja węgla 14 C w atmosferze. Używając tej metody określania wieku bezwzględnego korzystamy z założonej niezmienności sił kosmosu. Promienie kosmiczne pochodzą z całego obszaru Drogi Mlecznej. Ich ilość dochodząca w pobliże Ziemi jest regulowana przez Słońce, jego pole magnetyczne oraz strumienie korpuskularne. Natężenie promieni kosmicznych na górnej granicy atmosfery ziemskiej jest kontrolowane przez pole magnetyczne Ziemi. Tak, więc ilość ich nie ulega zmianie. Są jednak mierzalne zmiany, powodujące, że rzeczywista krzywa służąca do interpretacji próbek nie jest regularna, jak ta na wykresie 1. Cechują ją dość liczne przegięcia i miejscowe zniekształcenia. Zarówno pole magnetyczne Słońca, jak i Ziemi ulegają czasem zmianom, wyznaczając lata o nieco zwiększonej i zmniejszonej ilości węgla 14C. Zatem w praktyce należy użyć bardziej dokładnej krzywej, którą można skonstruować mierząc stosunek węgla radioaktywnego i węgla normalnego w wielu próbkach, których wiek jest dokładnie znany. Naukowcy zaobserwowali, że pewien współczesny rodzaj materii (zewnętrzne warstwy świeżo ściętego drzewa)
wykazywał wiek setek lat. Widocznie ostatnia część krzywej wzorcowej powinna bardziej przypominać tę z wykresu 2. WYKRES 2. Krzywa wzorcowa dla ustalenia wieku węgla radioaktywnego. Nie potwierdziły się przypuszczenia naukowców, co do zwiększenia ilości radioaktywnego węgla w powietrzu. Zamiast tego nastąpił znaczący przyrost normalnego węgla, wprowadzanego do powietrza poprzez spalanie paliwa stałego. Ta nadwyżka po prostu rozrzedziła węgiel radioaktywny i obniżyła udział procentowy radioaktywnego węgla we współczesnej materii organicznej. Naukowcy stwierdzili ponad wszelką wątpliwość, że ludzie zmienili ważną i jednocześnie mierzalną cechę całej kuli ziemskiej. Zaobserwowane zmiany w składzie atmosfery postępują nadal i są szybsze niż kiedykolwiek. Świat nauki czyni próby, aby upewnić się, że te zmiany są odpowiednio udokumentowane i próbuje ocenić, co to oznacza dla przyszłości rodzaju ludzkiego. W rezultacie utrwala się pomiędzy naukowcami zdanie, że zmiany w składzie ziemskiej atmosfery powodują gwałtowne ocieplenie się powierzchni Ziemi. To ocieplenie jest zwykle nazywane efektem cieplarnianym lub problemem dwutlenku węgla. Wykres nr 3 przedstawia stężenia dwutlenku węgla mierzone od 1958 roku w obserwatorium Mauna Loa na Hawajach. Obserwatorium leży na lawowym zboczu jednego z hawajskich wulkanów, z dala od upraw, centrów przemysłowych i dużych skupisk ludzkich, aby uniknąć zakłóceń pomiarowych. Krzywa na wykresie 3 pokazuje duże roczne oscylacje, które wynikają z faktu, że
rośliny absorbują dwutlenek węgla z powietrza na wiosnę, kiedy są w fazie wzrostu, a wydzielają go z powrotem do powietrza na jesieni, kiedy obumierają. Najbardziej uderzającą cechą tej krzywej nie jest fakt rocznych zmian, ale stały wzrost przez cały okres pomiaru. Pomiary sugerują, że atmosfera ziemska zawiera obecnie około 750 miliardów ton węgla w postaci dwutlenku węgla, i że ta ilość wzrasta z każdym rokiem. WYKRES 3. Stężenie dwutlenku węgla w powietrzu w okresie pomiarowym 1958 1986 w obserwatorium Mauna Loa. Jednostkami są części na milion ( objętościowo ). Te szczegółowe pomiary sięgają zaledwie 1958 roku, ale naukowcy poprzez badania w lądolodach, określili zawartość dwutlenku węgla w powietrzu w okresach wcześniejszych. Wykres 4 jest wynikiem tych właśnie badań. Gwałtowny wzrost węgla w atmosferze rozpoczął się około dwustu lat temu i wykazuje przyspieszenie w ostatnich dziesięcioleciach.
Stężenie dwutlenku węgla stwierdzone w próbkach powietrza uwięzionych w lądolodzie na różnych głębokościach. Stężenie wyrażone zostało w częściach milionowych ( objętościowo ). Eksperci zajmujący się promieniowaniem w atmosferze stwierdzili, że niektóre gazy, poza dwutlenkiem węgla, mogą także wychwytywać promieniowanie podczerwone. Badania z zakresu chemii powietrza wykazały, że stężenia niektórych z tych innych gazów wykazują silny wzrost. Oprócz dwutlenku węgla, drugą poważną substancją pochłaniającą promieniowanie podczerwone jest metan. Współczesne pomiary dowodzą, że stężenie tego gazu w atmosferze rośnie prawie dwa razy szybciej niż stężenie dwutlenku węgla. Podobnie jak dwutlenek węgla, metan także wykazuje przyspieszony wzrost w ostatnich latach. Kolejne na liście są freony (CFC 11 i CFC 12 ), które niszczą ozon w stratosferze. Stężenia tych gazów rosną bardzo gwałtownie. Ponieważ gazy te były nowo syntetyzowane w warunkach laboratoryjnych, a więc wzrost tych stężeń w powietrzu objawił się dopiero niedawno. Dwa inne gazy warte odnotowania to: podtlenek azotu i ozon w niższej warstwie atmosfery (troposferze). Stężenie podtlenku azotu w powietrzu wzrasta wyraźnie, chociaż wolniej niż stężenie dwutlenku węgla. Stężenie ozonu troposferycznego uznano za narastające, ale ze względu na to, że jego żywotność w atmosferze jest krótka, a przestrzenne zróżnicowanie stężeń dość znaczne, trudno powiedzieć, że następuje ogólny wzrost stężenia. Jednakże dla wszystkich tych gazów z wyjątkiem ozonu, pomiary wskazują wyraźnie, że ich stężenia w atmosferze wzrastają i dla każdego z tych gazów wzrost stężenia jest ściśle związany z rozwojem przemysłu i powiększaniem się ziemskiej populacji.
Ziemia musi wypromieniowywać taką samą ilość energii, jaką otrzymuje od Słońca i ta równowaga musi zostać zachowana bez względu na to, jakie zmiany powodujemy w powietrzu. Procesy powodujące wypromieniowywanie ciepła poza atmosferę silnie uzależnione są od składu powietrza. Gazy stanowiące kilka setnych części procenta mogą wpływać na klimat. Jeśli wszystkie gazy zdolne do pochłaniania promieniowania podczerwonego mogłyby być usunięte z powietrza, a bilans radiacyjny na granicy atmosfery nie uległby zmianie, wówczas powierzchnia Ziemi miałaby średnią temperaturę około -18 o C. Kiedy powierzchnia Ziemi wysyła ku górze ciepło drogą promieniowania podczerwonego, wówczas wspomniane gazy absorbują większą część tego ciepła, zanim zdoła ono umknąć w przestrzeń. Gazy te ogrzewają się dzięki promieniowaniu, które pochłaniają i z kolei one same wypromieniowują energię we wszystkich kierunkach. Dlatego część tego promieniowania wraca i ogrzewa powierzchnię Ziemi. Promieniowanie, które jest w stanie opuścić Ziemię, powstaje w większości, w górnej warstwie atmosfery, gdzie temperatura jest niska, utrzymując przez to ogólną równowagę w przebywającym krótkofalowym promieniowaniem słonecznym. Średnia temperatura powierzchni Ziemi wynosi dziś około +15 o C, pochłanianie promieniowania podczerwonego, które występuje dzisiaj, ogrzewa, zatem powierzchnię Ziemi średnio o 33 o C. Najprostszy model klimatu oparty na uśrednionej atmosferze globu, skonstruowany na podstawie pomiaru wielkości dochodzącej energii słonecznej, optycznych właściwościach gazów w atmosferze i tempa wzrostu temperatury wraz z wysokością daje poprawną wartość ocieplania się klimatu. Trudności pojawiają się, gdy takich prostych metod używa się do precyzyjnego obliczenia, o ile podwyższy się temperatura powierzchni Ziemi wraz z podwyższeniem się koncentracji dwutlenku węgla i innych gazów pochłaniających promieniowanie podczerwone w atmosferze. Wyniki prostych obliczeń są np.: zależne od ilości pary wodnej w powietrzu, ponieważ para wodna jest także silnym pochłaniaczem promieniowania podczerwonego, nawet bardziej skutecznym niż dwutlenek węgla. Kiedy powietrze przy powierzchni Ziemi ogrzewa się w rezultacie wprowadzenia śladowych ilości gazów, ilość pary wodnej w powietrzu będzie wzrastać, gdyż wzrośnie parowanie cieplejszej powierzchni oceanów. Kolejny element, który powinien być brany pod uwagę, to informacja o miejscach, gdzie wprowadzana jest dodatkowa ilość pary wodnej. Warunki w różnych miejscach Ziemi są bardzo różne. Promieniowanie
odbite lub pochłonięte i promieniowanie wyemitowane w przestrzeń w ogromnym stopniu zależą od warunków lokalnych. Chociaż stężenie dwutlenku węgla w powietrzu jest prawie wszędzie takie samo w każdym miejscu, to ilość pary wodnej ulega znacznym zmianom. Co więcej para wodna, energia cieplna, strefy ruchów pionowych, zapylenie i pewne substancje lub stany atmosfery mogą przemieszczać się z jednego miejsca na drugie w wyniku cyrkulacji powietrza i z jednej wysokości na drugą wskutek procesów konwekcji i turbulencji. Czyni to pełne prognozowanie zachowania się atmosfery niezwykle skomplikowanym. Obliczenia te wymagałyby ogarnięcia wszystkich tych zawiłości nie tylko w jednym określonym momencie, ale z uwzględnieniem zmian tych procesów, co kilka minut. Oprócz wyżej wymienionej metody opracowano jeszcze kilka innych, które dały jednak spójne wyniki, co do następujących kwestii: Mamy do czynienia z wyraźną tendencją ocieplania się klimatu Ocieplenie klimatu będzie większe w wyższych szerokościach geograficznych niż na równiku. Gdy temperatura Ziemi podniesie się, temperatura stratosfery obniży się. Średnia wielkość ocieplenia powierzchni Ziemi, która wyniknęłaby z podwojenia ilości dwutlenku węgla w atmosferze leży w zakresie 1,5 do 6,5 o C. Prawdopodobieństwo tego wyniku wynosi 2 : 3. Zatem poprawna odpowiedź znajduje się pomiędzy 2,5 do 4,5 o C. Najnowsze badania wykazują, że średnia temperatura powierzchni Ziemi będzie się prawdopodobnie zwiększać o około 0,3 o C w każdej dekadzie w nadchodzących latach z tendencją do przyspieszenia, jeśli tempo emisji gazów wychwytujących ciepło będzie stale wzrastać. Dzisiejsze tempo zmian jest dużo szybsze niż jakiekolwiek przeszłe zdarzenie związane z klimatem, mające wpływ na cywilizację. Dlatego nie ma sprawdzonych informacji na temat rodzaju deformacji, jakie te zmiany mogą przynieść dla Ziemi. Wysoce prawdopodobne przypuszczenia można snuć, co do przesuwania się zasięgu lasów podczas szybkiego wzrostu temperatur. Wydaje się nieprawdopodobne, aby większość gatunków drzew mogła przesuwać swój zasięg dostatecznie szybko, aby dotrzymać kroku narastającym zmianom. Nastąpią również poważne zmiany poziomu morza. W okresie największego zasięgu ostatniego zlodowacenia duże masy wód zostały uwięzione w lodach Grenlandii, w północnej
Kanadzie, na Antarktydzie i w wysokich łańcuchach górskich, w efekcie poziom morza był dużo niższy niż dzisiaj. Część lodu została już stopiona, ale większa część ciągle pozostaje w stanie stałym. Trwający proces ocieplania przyspieszy proces topnienie lodu i nieustanny wzrost poziomu morza. Szacunki na temat tempa wzrostu poziomu morza, podobnie jak szacunki na temat poziomu wzrostu temperatury, wykazują dziesięciokrotne przyspieszenie w stosunku do wartości osiąganej w zeszłym stuleciu. Przewiduje się, że poziom morza pod koniec przyszłego stulecia będzie o jeden metr wyższy niż obecnie. Wszystkie ujścia rzek przesuną się w głąb lądu, kiedy morza zwiększą swój zasięg, zmuszając ludzi do dokonania trudnego wyboru pomiędzy opuszczeniem obecnie zajmowanych terenów, a rezygnacją z dotychczasowego użytkowania ziemi, otoczeniem się systemem grobli i kanałów na wzór holenderski. Ta druga ewentualność podroży utrzymanie i zwiększy koszty produkcji rolnej do granic opłacalności. Ostatnie badania wykazały, że Stany Zjednoczone utracą połowę swych nizin przybrzeżnych już w nadchodzącym stuleciu. Długa jest lista innych możliwych następstw. Kultury roślinne przystosowane do określonego zakresu temperatur będą musiały być zastąpione innymi, podczas gdy stare uprawiane będą bliżej bieguna. Cieplejsze wiatry nie będą sprzyjać gromadzeniu się śniegu w górach, co warunkuje wiosenne wezbrania. Tym samym niedobór wody umożliwi przeżycie pewnych szkodników, których liczba jest obecnie regulowana przez zimowe mrozy i wiosenne powodzie. Nastąpi spowolnienie przyrostu gatunków drzew, które wymagają odpowiedniego okresu zimowych chłodów. Różny rozdział temperatury ponad powierzchnią Ziemi będzie miał znaczący wpływ na zmianę struktury opadów. Nawet w obszarach o takich samych jak poprzednio opadach, z powodu wyższej temperatury, wzrośnie parowanie i aby utrzymać wilgotność gleby w okresie sezonu wegetacyjnego trzeba
będzie więcej deszczu niż poprzednio.