Zmiany klimatu

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
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.