Antropogeniczne zmiany klimatu: mit czy rzeczywistość?
advertisement
MATERIAŁY XXXVI ZJAZDU FIZYKÓW POLSKICH – TORUŃ 2001 – WYKŁADY SEKCYJNE Antropogeniczne zmiany klimatu: mit czy rzeczywistość? Kazimierz Różański Wydział Fizyki i Techniki Jądrowej, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków 1. Wstęp W ostatnich latach coraz więcej pisze się i mówi o możliwym wpływie działalności człowieka na procesy kształtujące klimat na naszej planecie. Przeciętny czytelnik czuje się czasami zagubiony, zapoznając się z diametralnie różnymi opiniami wygłaszanymi na ten temat w środkach masowego przekazu – od pesymistycznych stwierdzeń, że niebawem czeka nas katastrofa klimatyczna wywołana przez człowieka, do oskarżeń pod adresem naukowców zajmujących się zawodowo badaniami nad klimatem, iż celowo stwarzają atmosferę zagrożenia, chcąc w ten sposób uzyskać łatwiejszy dostęp do środków na badania naukowe. Dodatkowy zamęt wprowadzają nie zawsze rzetelne doniesienia dotyczące rozgrywającej się obecnie batalii na płaszczyźnie politycznej, dotyczącej wprowadzenia w życie Protokołu z Kioto [1], nakładającego na kraje rozwinięte obowiązek zmniejszenia emisji dwutlenku węgla do atmosfery. Jak zatem wygląda faktyczny stan naszej wiedzy o mechanizmach wpływu na klimat Ziemi w różnych skalach czasu i o potencjalnych zmianach klimatu wywołanych działalnością człowieka? To ogólne pytanie o stan naszej świadomości w sprawach klimatycznych przybiera często postać szeregu pytań szczegółowych zadawanych przy różnych okazjach. Oto niektóre z nich: 1) Jaki jest zakres naturalnych zmian klimatu? 2) Czy obecnie klimat Ziemi się zmienia? 3) Czy gazy cieplarniane powodują zmiany klimatu? 4) Czy istnieje „bezpieczny” poziom stężeń gazów cieplarnianych w atmosferze? 5) Jakie zmiany klimatu czekają nas w ciągu najbliższych kilkudziesięciu lat? Niniejszy artykuł jest próbą odpowiedzi na te pytania, opartą na aktualnym stanie wiedzy o klimacie i jego zmienności w różnych skalach czasu. Z oczywistych względów w krótkim artykule o charakterze popularnym 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. Pod pojęciem klimatu rozumiemy średni stan atmosfery i powierzchni Ziemi dla okresów dłuższych niż jeden rok. Klimat opisujemy zwykle przez podanie 162 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 itp.) oraz scharakteryzowanie zakresu ich zmienności przez podanie elementów opisu statystycznego, jak wariancja, wartości maksymalne i minimalne, częstość występowania wartości ekstremalnych i in. 2. Naturalne zmiany klimatu Klimat na Ziemi zmieniał się „od zawsze”. To ogólne stwierdzenie wypełnione jest dzisiaj bogatą treścią. Paleoklimatologia, czyli nauka zajmująca się badaniem zmian klimatu w przeszłości, przeżyła w ostatnich dziesięcioleciach prawdziwą rewolucję. Wprowadzenie nowoczesnych, fizycznych metod badawczych oraz sięgnięcie do naturalnych archiwów klimatycznych, takich jak czasze lodowe Grenlandii czy Antarktydy, pozwoliło uzyskać pełniejszy wgląd w przeszłość klimatyczną Ziemi [2,3]. Metody te nie tylko umożliwiają ilościowe rekonstrukcje zmian klimatycznych w przeszłości, np. stwierdzenie, o ile zmieniła się temperatura powietrza czy ilość opadów na danym terenie, ale dostarczają również chronologii tych zmian. Można powiedzieć, że mamy dziś dość precyzyjną wiedzę o globalnych zmianach klimatu na Ziemi w ciągu ostatnich kilkuset tysięcy lat Oczywiście, im bardziej cofamy się w czasie, tym rekonstrukcje te są mniej precyzyjne. Jak zatem wyglądała przeszłość klimatyczna Ziemi? Obraz wyłaniający się ze współczesnych badań klimatycznych jest fascynujący. Poniżej przytoczono najbardziej charakterystyczne elementy tego obrazu, odnoszące się do ostatnich kilkuset tysięcy lat: a) Występowanie cyklicznych zmian klimatu o okresie 125–130 tysięcy lat. Zwraca uwagę wyraźna asymetria tych zmian – przejście z klimatu chłodnego (glacjał) do klimatu umiarkowanego (interglacjał) następowało zawsze znacznie szybciej niż proces ochładzania klimatu. Obecnie żyjemy w okresie interglacjalnym, zwanym holocenem, który trwa już ok. 11,5 tys. lat. POSTĘPY FIZYKI TOM DODATKOWY 53D ROK 2002 MATERIAŁY XXXVI ZJAZDU FIZYKÓW POLSKICH – TORUŃ 2001 – WYKŁADY SEKCYJNE b) Okresy interglacjalne i glacjalne miały zupełnie różną dynamikę – pierwsze, trwające od kilku do kilkunastu tysięcy lat, charakteryzowały się względnie stabilnym klimatem, o stosunkowo niewielkich wahaniach parametrów klimatycznych, podczas gdy w okresach chłodnych mieliśmy do czynienia ze znacznymi zmianami tych parametrów, zachodzącymi w stosunkowo krótkim czasie. c) Charakterystyczną cechą ostatniego okresu glacjalnego było występowanie szeregu stosunkowo krótkich epizodów klimatycznych (czas trwania 1000–1500 lat), charakteryzujących się szybkimi zmianami parametrów klimatycznych [4,5]. Ostatni taki epizod, noszący nazwę Młodszego Dryasu, rozpoczął się w Europie ok. 12 700 lat temu i trwał 1200 lat. Zadziwia szybkość i zakres zmian klimatycznych inicjujących i kończących ten okres. Na przykład, przy przejściu z Młodszego Dryasu do Holocenu średnia roczna temperatura powietrza na terenie Polski wzrosła w ciągu kilkudziesięciu lat o kilka stopni Celsiusza [6], podczas gdy w centralnej Grenlandii wzrost ten wyniósł aż kilkanaście stopni [7]. d) Również w okresie historycznym klimat nie pozostawał całkowicie stabilny. W odniesieniu do kontynentu europejskiego mówi się np. o optimum klimatycznym w okresie średniowiecza (XII w.) oraz o „małej epoce lodowej” w XVII–XVIII w. Zmiany te, choć zauważalne, były jednakże znacznie mniejsze niż te występujące w okresie glacjalnym. Jakie były przyczyny tych zmian klimatycznych? Panuje niemal zgodne przekonanie, że za zmiany długookresowe odpowiedzialne są głównie wahania ilości energii docierającej do Ziemi ze Słońca, mające swoje źródło w niewielkich wahaniach parametrów orbitalnych ruchu Ziemi wokół Słońca [8]. Brak jest natomiast jednoznacznej odpowiedzi na pytanie o przyczynę wspomnianych szybkich zmian klimatu w okresach glacjalnych, choć istnieje na ten temat wiele hipotez [9]. 3. Instrumentalny zapis zmian klimatu w ciągu ostatnich 150 lat Choć systematyczne obserwacje wybranych parametrów klimatycznych prowadzono w niektórych krajach od bardzo dawna, dopiero w połowie XIX w. 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 przez ok. 5 tys. stacji meteorologicznych. Ponadto regularne obserwacje temperatury powietrza prowadzi się również na statkach pływających po morzach i oceanach. W ostatnich 30 latach prowadzone były również systematyczne pomiary temperatury dolnej troposfery z satelitów meteorologicznych [10]. POSTĘPY FIZYKI TOM DODATKOWY 53D Rysunek 1a pokazuje globalne zmiany temperatury powietrza od roku 1860. Zmiany te pokazane są jako odchylenie od średniej temperatury globalnej wyliczonej dla okresu 1961–90 [11]. Jak wynika z rysunku, średnia globalna temperatura powierzchniowej warstwy atmosfery wzrosła od 1860 r. o ok. 0,6◦ C. Należy Rys. 1. a) Zmiany średniej globalnej temperatury powietrza przy powierzchni Ziemi w ciągu ostatnich 140 lat, wyrażone jako odchylenie od średniej wyliczonej dla okresu 1961–90. Pokazane zakresy niepewności wyznaczonych średnich rocznych temperatury odpowiadają poziomowi ufności 95%. b) Zmiany średniej temperatury powietrza przy powierzchni Ziemi dla półkuli północnej dla ostatniego tysiąca lat (odchylenia od średniej wyznaczonej dla okresu 1961–90), odtworzone na podstawie różnych archiwów klimatycznych (słoje drzew, rdzenie lodowe, zapiski historyczne itp.). Użyte metody rekonstrukcji kalibrowane były przez porównanie mierzonej i odtwarzanej temperatury dla okresu 1900–75. Szary obszar oznacza zakres niepewności odtwarzanych temperatur, odpowiadający poziomowi ufności 95%. zauważyć, że wzrost ten nie był regularny – pierwszy jego okres przypada na lata 1900–40, po którym nastąpiła stabilizacja, a następnie niewielki spadek temperatury. Drugi okres wzrostu rozpoczął się w latach 1970–80 i trwa do dzisiaj. Lata 90. ubiegłego stulecia były najcieplejszą dekadą w całym omawianym okresie. Pokazana na rys. 1b rekonstrukcja średniej temperatury powietrza, wykonana dla półkuli północnej na podstawie naturalnych archiwów klimatycznych [12], jednoznacznie pokazuje, że dekada 1990–2000 była dla ROK 2002 163 MATERIAŁY XXXVI ZJAZDU FIZYKÓW POLSKICH – TORUŃ 2001 – WYKŁADY SEKCYJNE tej półkuli najcieplejszą dekadą również w całym ostatnim tysiącleciu. Należy jednak pamiętać, że krzywa zmian temperatury pokazana na rys. 1a przedstawia uśredniony obraz globalny. Dla niektórych obszarów kuli ziemskiej faktycznie obserwowane tendencje zmian temperatury mogą się znacznie różnić od obrazu globalnego. W XX wieku zaobserwowano również stopniowe ogrzewanie się wód oceanu światowego [13,14]. Pokrywa śnieżna na wysokich i średnich szerokościach geograficznych półkuli północnej zmniejszyła się o ok. 10% od połowy lat 60. ubiegłego stulecia. Postępuje proces cofania się lodowców górskich na całej kuli ziemskiej [15]. Ma on szczególnie gwałtowny charakter dla wysokogórskich lodowców w obszarach tropikalnych. Na przykład, przysłowiowe „śniegi Kilimandżaro” zupełnie znikną już za kilkanaście lat, jeżeli obecny kierunek zmian będzie utrzymany. Zaobserwowano zmniejszenie się zasięgu lodu morskiego w lecie na półkuli północnej o 10–15% od połowy ubiegłego wieku. Zmniejszyła się również o ok. 40% średnia grubość lodu morskiego w Arktyce w ostatnich kilku dziesięcioleciach [16]. W XX w. nastąpił wzrost opadów o 0,5–1% na dekadę, na obszarach kontynentalnych średnich i dużych szerokości geograficznych. Wszystkie te obserwacje jednoznacznie wskazują na postępującą ewolucję klimatu w skali globalnej. Podstawowe 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. „przezroczyste” dla promieniowania słonecznego, natomiast silnie absorbują promieniowanie długofalowe wysyłane przez powierzchnię Ziemi. Stąd analogia do procesów mających miejsce w szklarni – gazy cieplarniane pełnią funkcję szyby. W warunkach równowagi radiacyjnej część energii zaabsorbowanej przez gazy cieplarniane jest wysyłana w postaci promieniowania długofalowego z powrotem ku powierzchni Ziemi, prowadząc do podniesienia się jej temperatury i ogrzania dolnej atmosfery. W ten sposób osiągany jest nowy stan równowagi, odznaczający się wyższą temperaturą powierzchni. W tabeli 1 podano wkład poszczególnych gazów cieplarnianych do tzw. naturalnego efektu cieplarnianego, odnoszącego się do okresu przedindustrialnego [17]. Jak wynika z tab. 1, najważniejszym gazem cieplarnianym jest para wodna. Obecność gazów cieplarnianych w atmosferze Ziemi zmienia średnią temperaturę jej powierzchni z ok. −17◦ C (Ziemia bez atmosfery) do obserwowanej wartości ok. +15◦ C. Tabela 1. Udział poszczególnych składników atmosfery ziemskiej w naturalnym efekcie cieplarnianym. Udział w naturalnym efekcie cieplarnianym Gaz Para wodna (H2 O) Dwutlenek węgla (CO2 ) Ozon (O3 ) Podtlenek azotu (N2 O) Metan (CH4 ) [◦ C] [%] 20,5 7,1 2,4 1,3 0,7 64 22 8 4 2 4. Rola gazów cieplarnianych i aerozoli Z fizycznego punktu widzenia zmiany klimatu mogą być postrzegane jako wynik okresowego zaburzenia równowagi energetycznej układu Ziemia–atmosfera. Energia dociera do Ziemi ze Słońca głównie w postaci strumienia promieniowania elektromagnetycznego w zakresie widzialnym. Część tego promieniowania ulega odbiciu i rozproszeniu z powrotem w przestrzeń kosmiczną (albedo układu Ziemia–atmosfera). Reszta jest absorbowana przez składniki atmosfery i powierzchnię Ziemi, która 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 oraz zmienia bilans energetyczny dolnej atmosfery i powierzchni Ziemi wskutek obecności w atmosferze tzw. gazów cieplarnianych oraz aerozoli. Gazy cieplarniane, do których należy przede wszystkim para wodna, dwutlenek węgla i metan, są 164 Bilans energetyczny układu Ziemia–atmosfera może być również okresowo zaburzany poprzez duże erupcje wulkaniczne, wprowadzające do stratosfery (na wysokość 10–15 km) znaczne ilości drobnych cząstek pyłu (aerozoli), które odbijają część promieniowania słonecznego z powrotem w przestrzeń kosmiczną, zmniejszając tym samym ilość energii docierającej do powierzchni Ziemi [18]. Wreszcie, fluktuacje wielkości strumienia energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi, wynikające bądź to z fluktuacji jasności Słońca [19], bądź ze zmian parametrów orbitalnych Ziemi [8], będą w naturalny sposób wpływać na równowagę energetyczną układu Ziemia–atmosfera. Z powyższej dyskusji jasno wynika, iż globalne zmiany klimatyczne mogą być wywołane przez różnego rodzaju czynniki modyfikujące bilans energetyczny układu Ziemia–atmosfera, mające swe źródło w procesach naturalnych, bądź też 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 działal- POSTĘPY FIZYKI TOM DODATKOWY 53D ROK 2002 MATERIAŁY XXXVI ZJAZDU FIZYKÓW POLSKICH – TORUŃ 2001 – WYKŁADY SEKCYJNE nością człowieka [11,20]. Wzrost ten pokazany jest na rys. 2. Rys. 2. Zmiany stężeń w atmosferze głównych gazów cieplarnianych (CO2 , CH4 , N2 O) w okresie ostatniego tysiąca lat. Bezpośrednie pomiary stężeń tych gazów w atmosferze, prowadzone w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat, uzupełnione są na wykresach wynikami pomiarów w rdzeniach lodowych Grenlandii i Antarktydy (różne symbole). W tym przypadku stężenie gazów cieplarnianych mierzone jest w banieczkach powietrza zamkniętych w strukturze lodu o znanym wieku. Stężenie dwutlenku węgla w atmosferze wzrosło o ok. 30% w ciągu ostatnich 150 lat. Jest ono obecnie najwyższe od 400 tysięcy lat [3], a najprawdopodobniej nawet od 20 mln lat. Ponad 75% antropogenicznych emisji CO2 do atmosfery w ciągu ostatnich 20 lat pochodziło ze spalania paliw kopalnych, a pozostała część – głównie z wylesiania. Ocean i biosfera kontynentalna pochłaniają obecnie ok. 50% antropogenicznej emisji dwutlenku węgla [21]. Stężenie metanu wzrosło o ok. 150% w stosunku do roku 1850 i jest obecnie najwyższe od 400 tys. lat [3]. 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, głównie związanych z emisją dwutlenku siarki oraz sadzy w procesach spalania paliw kopalPOSTĘPY FIZYKI TOM DODATKOWY 53D nych i wypalania lasów. Aerozole siarczanowe rozpraszają promieniowanie słoneczne, częściowo zmniejszając efekt cieplarniany, natomiast niespalone cząstki węgla wpływają na bilans radiacyjny bezpośrednio (rozpraszanie i absorpcja promieniowania) i pośrednio (modyfikacja własności chmur). Ich sumaryczny efekt jest wciąż przedmiotem dyskusji [20]. Przyjęto wyrażać wpływ różnych czynników antropogenicznych na bilans radiacyjny układu Ziemia– –atmosfera przez podawanie dodatkowego strumienia energii docierającego do powierzchni Ziemi, noszącego nazwę antropogenicznego wymuszenia radiacyjnego i wynikającego z obecności tych czynników w atmosferze. Tabela 2 podaje wyliczone antropogeniczne wymuszenia radiacyjne dla najważniejszych gazów cieplarnianych i aerozoli [20]. Jak widać, sumaryczne wymuszenie radiacyjne pochodzące od gazów cieplarnianych wyniosło w 2000 r. ok. 2,6 W/m2 . Dla porównania, 1 m2 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 cieplarnianych 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 systemu na zadane wymuszenie radiacyjne. Miarodajną odpowiedź na to pytanie uzyskać można jedynie w ramach fizycznych modeli klimatu. Modelowanie klimatu ma długą historię. Pierwsze próby podjęto już w końcu XIX w. Dzisiaj dysponujemy całą gamą modeli o różnym stopniu komplikacji – od stosunkowo prostych, jednowymiarowych modeli opartych o bilans radiacyjny atmosfery, przez modele typu „black box”, aż po skrajnie skomplikowane, trójwymiarowe modele cyrkulacji globalnej, uwzględniające wzajemne oddziaływanie atmosfery, oceanu i biosfery [22]. Dla tej ostatniej klasy modeli podstawowym ograniczeniem jest wciąż niewystarczająca moc obliczeniowa istniejących superkomputerów. Niemniej jednak to one są obecnie najlepszym narzędziem, jakie posiadają naukowcy dla modelowania klimatu w skali globalnej. Obecnie wykorzystywanych jest na świecie kilkanaście modeli cyrkulacji globalnej, o różnym stopniu skomplikowania. W ubiegłym roku w Centrum Meteorologicznym Hadleya w Wlk. Brytanii podjęto próbę modelowania globalnego klimatu Ziemi dla okresu, dla którego istnieją dane instrumentalne (1860–2000 – por. rys. 1a), wykorzystując rozwijany tam sprzężony model cyrkulacji globalnej atmosfery i oceanu [23]. Wykonano kilka symulacji klimatu dla wyżej wspomnianego okresu, stosując realistyczne warunki brzegowe i początkowe oraz różne scenariusze wymuszeń radiacyjnych w modelowanym okresie. W szczególności rozważano: ROK 2002 165 MATERIAŁY XXXVI ZJAZDU FIZYKÓW POLSKICH – TORUŃ 2001 – WYKŁADY SEKCYJNE Tabela 2. Wartości antropogenicznych wymuszeń radiacyjnych oraz charakterystyczne czasy usuwania z atmosfery wybranych gazów i aerozoli czynnych w efekcie cieplarnianym. Gazy i aerozole czynne w efekcie cieplarnianym Gazy cieplarniane: Dwutlenek węgla Metan Ozon troposferyczny Podtlenek azotu Związki chlorowcowe (freony) Aerozole: Aerozole siarczanowe Sadza a Średnie globalne wymuszenia radiacyjne, obliczone dla okresu 1860–2000 [W/m2 ] Charakterystyczny czas usuwania z atmosferya 1,3 do 1,5 0,5 do 0,7 0,25 do 0,75 0,1 do 0,2 0,01 > 100 lat 10 lat 10–100 dni 100 lat > 1000 lat −0,3 do −1,0 0,1 do 0,8 10 dni 10 dni Przy założeniu wykładniczego charakteru procesu usuwania: C(t) = C(0) exp(−t/τ ), gdzie τ jest charakterystycznym czasem usuwania. Po czasie t = τ w atmosferze pozostaje 37% stężenia początkowego C(0) danego składnika. a) 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; b) tylko wymuszenia pochodzenia antropogenicznego, wynikające ze wzrostu stężeń gazów cieplarnianych w atmosferze oraz dodatkowego obciążenia atmosfery aerozolami pochodzącymi ze spalania paliw kopalnych, przy założeniu stałego poziomu wymuszeń pochodzenia naturalnego; c) wymuszenia zarówno pochodzenia naturalnego jak i antropogenicznego. Rysunek 3 pokazuje rezultaty tego modelowania. 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 w ostatnich dziesięcioleciach może być wyjaśniony na gruncie modelu tylko przy założeniu istnienia znaczących wymuszeń pochodzenia antropogenicznego w tym okresie. 5. Jaki klimat jutro? Kwestią, która legła u podstaw Protokołu z Kioto, jest pytanie o możliwe zmiany klimatu w skali globalnej i regionalnej w najbliższych dziesięcioleciach, w kontekście technologicznej działalności człowieka. Miarodajnej odpowiedzi na tak postawione pytanie można udzielić jedynie w ramach fizycznych modeli ewolucji klimatu, uwzględniających w możliwie pełny sposób naszą aktualną wiedzę o mechanizmach wpływających na klimat w skali globalnej i regionalnej, jak również znajomość czynników naturalnych, odpowiedzialnych za zmienność klimatu w przeszłości. Przed166 stawione na rys. 3 wyniki modelowania zmian klimatu dla ostatnich 150 lat wskazują, iż rozwój globalnych modeli klimatycznych osiągnął obecnie poziom uzasadniający budowanie – przy wykorzystaniu tych modeli – realistycznych scenariuszy ewolucji klimatu Ziemi w perspektywie najbliższych kilkudziesięciu lat. W ogłoszonym w sierpniu 2001 r. kolejnym, trzecim raporcie Międzyrządowego Panelu Zmian Klimatu [11] opublikowano prognozy zmian klimatu do roku 2100. Obliczenia objęły cały wachlarz możliwych scenariuszy rozwoju społeczno-gospodarczego świata w bieżącym stuleciu (w sumie 35 scenariuszy). Wynikające z nich przewidywane emisje do atmosfery gazów cieplarnianych oraz aerozoli posłużyły do obliczenia odpowiednich wymuszeń radiacyjnych, wykorzystanych w modelach klimatycznych wyliczających spodziewaną ewolucję klimatu w tym okresie. Najważniejsze wnioski wynikające z tych obliczeń są następujące: a) Modele przewidują wzrost średniej globalnej temperatury powietrza przy powierzchni Ziemi w roku 2100, w stosunku do średniej za lata 1961–90, między 1,4◦ C a 5,8◦ C, w zależności od przyjętego scenariusza rozwoju społeczno-gospodarczego świata. b) Przewidywane globalne ocieplenie spowoduje podniesienie się poziomu oceanu światowego o 0,2– –0,7 m (w zależności od przyjętego scenariusza rozwoju społeczno-gospodarczego), wynikające głównie z rozszerzalności termicznej oceanu i częściowego topnienia lodowców kontynentalnych oraz czasz lodowych Grenlandii i Antarktydy. c) Z uwagi na dynamikę procesów klimatycznych, w szczególności na bezwładność termiczną oceanu i stosunkowo długi średni czas przebywania dwutlenku węgla w atmosferze, tendencje wzrostowe globalnej temperatury i poziomu oceanu będą się utrzy- POSTĘPY FIZYKI TOM DODATKOWY 53D ROK 2002 MATERIAŁY XXXVI ZJAZDU FIZYKÓW POLSKICH – TORUŃ 2001 – WYKŁADY SEKCYJNE mywały przez znaczną część XXII w., nawet przy przyjęciu optymistycznego scenariusza rozwoju społeczno-gospodarczego świata. Rys. 3. Porównanie obserwowanych zmian średniej temperatury powietrza przy powierzchni Ziemi w ciągu ostatnich 140 lat z wynikami modelowania tego parametru za pomocą sprzężonego modelu cyrkulacji globalnej oceanu i atmosfery: a) uwzględniono tylko wymuszenia radiacyjne pochodzenia naturalnego, b) uwzględniono tylko wymuszenia radiacyjne pochodzenia antropogenicznego, przy założeniu stałego poziomu wymuszeń naturalnych, c) uwzględniono oba rodzaje wymuszeń radiacyjnych. 6. Uwagi końcowe W kontekście naszkicowanego powyżej aktualnego stanu badań klimatycznych odpowiedź na pytanie o antropogeniczne zmiany klimatu postawione w tytule tego artykułu można sformułować w następujący sposób. Z jednej strony, systematyczne obserwaPOSTĘPY FIZYKI TOM DODATKOWY 53D cje parametrów klimatycznych prowadzone od ponad 150 lat jednoznacznie wskazują na postępującą ewolucję klimatu w skali globalnej. Średnia globalna temperatura powierzchniowej warstwy atmosfery wzrosła od 1860 r. o ok. 0,6◦ C. Lata 90. ubiegłego stulecia były najcieplejszą dekadą w całym okresie objętym pomiarami. Dekada ta była najprawdopodobniej również najcieplejszą dekadą dla ostatniego tysiąclecia. Z drugiej strony, badania paleoklimatyczne dostarczają informacji o zdumiewającej niejednokrotnie dynamice zmian klimatu w przeszłości, mającej swoje źródło wyłącznie w procesach naturalnych. Jakie zatem argumenty przemawiają za uznaniem obecnie obserwowanych zmian za wywołane czynnikami antropogenicznymi? Najważniejsze są niewątpliwie wyniki modelowania globalnych zmian klimatu w okresie 1860–2000, pokazujące jednoznacznie, iż wzrost temperatury globalnej obserwowany w ostatnich dziesięcioleciach może być wyjaśniony za pomocą modeli klimatycznych tylko przy założeniu istnienia znaczących wymuszeń radiacyjnych pochodzenia antropogenicznego, wynikających ze wzrastających stężeń gazów cieplarnianych w atmosferze oraz obecności aerozoli. W kontekście przewidywanych zmian klimatu często stawiane jest pytanie o „bezpieczne” (tj. takie, przy których przewidywane skutki klimatyczne będą jeszcze społecznie akceptowalne) poziomy stężeń gazów cieplarnianych w atmosferze. Pytanie to jak dotąd pozostaje 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 już dzisiaj, iż z uwagi na istniejące w ramach globalnego systemu klimatycznego sprzężenia zwrotne ma on cechy systemu nieliniowego i jako taki, przy odpowiedniej konfiguracji warunków brzegowych i przekroczeniu pewnego poziomu wymuszenia, może przejść „skokowo” w inny stan (klimat). Możliwość taka nie jest jeszcze uwzględniana w zadowalający sposób w istniejących globalnych modelach klimatycznych. Badania paleoklimatyczne pokazują, że w klimacie glacjalnym wielokrotnie dochodziło do „przełączania się” systemu klimatycznego z jednego stanu w drugi. Z badań tych wiadomo również, że w ostatnich kilkuset tysiącach lat stężenia CO2 i metanu w atmosferze fluktuowały między dwoma ściśle zdefiniowanymi poziomami – ok. 180 ppm w okresach glacjalnych i 280 ppm w okresach interglacjalnych dla CO2 i odpowiednio 0,3 ppm i 0,7 ppm dla CH4 . W wyniku działalności człowieka stężenie CO2 w atmosferze wzrosło do ok. 370 ppm i jest ono obecnie najwyższe od 400 tys. lat; podobnie stężenie metanu które wynosi obecnie ok. 1,7 ppm. Nasza znajomość dynamiki globalnego systemu klimatycznego jest niestety wciąż zbyt skromna, aby jednoznacznie stwierdzić, czy i na ile te wymuszenia, którym obecnie poddawany jest globalny system klimatyczny ROK 2002 167 MATERIAŁY XXXVI ZJAZDU FIZYKÓW POLSKICH – TORUŃ 2001 – WYKŁADY SEKCYJNE za sprawą rosnących stężeń gazów cieplarnianych w atmosferze, zbliżają się do poziomu krytycznego, który mógłby uruchomić skokową zmianę klimatu. Dlatego należy uznać za rozważne i celowe wszelkie działania zmierzające do ograniczenia w możliwie krótkim czasie emisji gazów cieplarnianych do atmosfery. Literatura [1] United Nations Framework Convention on Climate Change, http://www.unfccc.de/. [2] P.U. Clark, R.B. Alley, Science 286, 1104 (1999). [3] J.R. Petit i in., Nature 399, 429 (1999). [4] H. Heinrich, Quat. Res. 29, 143 (1988). [5] W. Dansgaard i in., Nature 364, 218 (1993). [6] T. Goslar i in., Nature 377, 414 (1995). [7] S.J. Johnsen i in., Tellus 47B, 624 (1995). [8] J. Imbrie i in., w: Milankovitch and Climate, cz. 1, red. A. Berger i in. (Reidel, Hingham, MA, 1984), s. 269. [9] A. Ganopolski, S. Rahmsdorf, Nature 409, 153 (2001). [10] National Research Council, Reconciling Observations 168 [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] of Global Temperature Change (The National Academy Press, Washington, D.C. 2000). Intergovernmental Panel on Climate Change, Climate Change 2001: The Scientific Basis. Third Assessment Report of Working Group 1, red. J.T. Houghton i in. (Cambridge University Presss, Cambridge 2001). M.E. Mann, R.S. Bradley, M.K. Hughes, Geophys. Res. Lett. 26, 759 (1999). S. Levitus i in., Science 292, 267 (2001). T.P. Barnett, D.W. Pierce, R. Schnur, Science 292, 270 (2001). J. Oerlemans, Science 264, 243 (1994). K.V. Vinnikov i in., Science 286, 1934 (1999). K.J. Kondratiev, N.I. Moskalenko, w: The Global Climate, red. J.T. Houghton (Cambridge University Press, Cambridge 1984). R.J. Charlson i in., Science 255, 423 (1992). J. Lean, D. Rind, Science 292, 234 (2001). National Research Council, Climate Change Science (The National Academy Press, Washington, D.C. 2001). P. Falkowski i in., Science 290, 291 (2000). H. Grassl, Science 288, 1991 (2000). P.A. Stott i in., Science 290, 2133 (2000). POSTĘPY FIZYKI TOM DODATKOWY 53D ROK 2002
