Jak dawno temu miał miejsce taki wzrost temperatury powierzchni Ziemi, do jakiego doprowadzimy spalając całość paliw kopalnych?

Zdjęcie lotnicze Andrill

Zdjęcie lotnicze Andrill – stanowiska wydobycia rdzeni osadów oceanicznych spod lodowca szelfowego w zatoce McMurdo w Antarktyce. Zdjęcie: Tim Cully, Andrill.

W atmosferze bywało już kiedyś znacznie więcej CO2 niż obecnie

Znajdujący się w ziemskiej atmosferze dwutlenek węgla (CO2) to silny gaz cieplarniany, utrudniający ucieczkę ciepła w przestrzeń kosmiczną i zapewniający sprzyjające życiu warunki na naszej planecie, a zmiany jego stężenia są ważnym czynnikiem wpływającym na ewolucję klimatu Ziemi w geologicznych skalach czasu (setki tysięcy do milionów lat).

Emitując dwutlenku węgla do atmosfery zwiększamy jego stężenie i wzmacniamy efekt cieplarniany. Czy, skoro w przeszłości geologicznej Ziemi w atmosferze bywało znacznie więcej CO2, nasze obecne działania rzeczywiście mogą prowadzić do bezprecedensowej zmiany klimatu? Czy możemy dowiedzieć się czegoś na ten temat badając przeszłość?

Rekonstruowanie stężenia CO2 w odległej przeszłości to złożony proces. Jedynie dla ostatnich 800 tysięcy lat mamy próbki dawnego powietrza uwięzionego w bąbelkach w lądolodzie i możemy po prostu wykonać pomiar. Dla wcześniejszych okresów musimy polegać na metodach pośrednich, określanych mianem „proksy”. Lista wykorzystywanych w badaniach paleoklimatu proksy znajduje się m.in. w 5 Raporcie IPCC w tabeli 5.A.2 w rozdziale 5 „Informacje z archiwów paleoklimatycznych”.

Rysunek 1: Kompilacja dostępnych danych (patrz tekst) o stężeniach CO2 w ciągu ostatnich 450 milionów lat. Skala czasu jest odcinkami logarytmiczna (podobny odcinek po lewej odpowiada setkom milionów lat, po środku setkom tysięcy lat, a po prawej setkom lat). Logarytmiczna jest również pionowa skala stężenia CO2. Dla danych geologicznych dopasowana została wygładzona linia ciągła, z rozmyciem odpowiadającym niepewnościom. Czarna linia reprezentuje najbardziej prawdopodobną historię zmian stężeń CO2 na podstawie proxy z 68% przedziałem ufności zaznaczonym kolorem czerwonym, a 95% przedziałem ufności kolorem różowym. Niebieska linia to dane o stężeniach CO2 z rdzeni lodowych. Scenariusze emisji gazów cieplarnianych RCP są zaznaczone kolorami po prawej stronie.

Na rysunku 1 zaznaczone są wszystkie dostępne rekonstrukcje CO2 dla okresu ostatnich 423 milionów lat i informacje z rdzeni lodowych (w sumie prawie 800 punktów pomiarowych), zestawione z późniejszymi zapisami i prognozami dla przyszłości. Dane z rekonstrukcji paleoklimatycznych są dostępne tutaj, dane z rdzeni lodowych tutaj i tutaj, dane historyczne i z bliskiej przeszłości (też na podstawie rdzeni lodowych) tutaj, a prognozy stężeń CO2 w przyszłości tutaj.

Widoczne na wykresie silne wahania stężeń CO2 w najdawniejszych czasach wynikają przede wszystkim ze zmienności warunków na Ziemi, powodowanych np. zmianami aktywności wulkanicznej i intensywnością wietrzenia skał (piszemy o tym dalej, w części poświęconej termostatowi węglowemu), zmianą układu kontynentów i zmianami orbity planety, powodującymi m.in. dobrze znany cykl epok lodowcowych i interglacjałów).

Dodatkowo, „rozrzut” danych pomiarowych wynika ze sporego „szumu”, związanego z określaniem koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze za pomocą metod pośrednich z próbek geologicznych, co jest dużo trudniejsze i obciążone większą niepewnością niż współczesne pomiary prowadzone na bieżąco. Aby uwidocznić długoterminowy trend, do punktów pomiarowych dopasowaliśmy wygładzoną krzywą, uwzględniającą niepewność zarówno datowania jaki i stężenia CO2 w każdym z punktów pomiarowych. Dane tej wygładzonej krzywej są dostępne tutaj.

Analiza zmian prowadzi do szeregu interesujących wniosków:

• Pomimo znaczących wahań, w ostatnich 450 milionach lat zachodzi stopniowy spadek stężenia CO2. Średnio rzecz biorąc wynosił on 13 ppm na milion lat.

• Wartości zbliżone do obecnych (400 ppm) po raz ostatni miały miejsce około 3-5 milionów lat temu, choć po raz ostatni długoterminowe średnie stężenie było na tym poziomie w Miocenie – 16 milionów lat temu (patrz dyskusja tutaj).

• Przez większość ostatnich 450 milionów lat stężenie CO2 w atmosferze Ziemi utrzymywało się na wyższym poziomie niż obecnie (za wyjątkiem okresu Perm-Karbon ~300 milionów lat temu), kiedy to stężenie CO2 było zbliżone do obecnego.

• Zgodnie ze scenariuszem emisji „Biznes-jak-zwykle” (RCP8.5 na rysunkach), atmosferyczne stężenie CO2 osiągnie na początku XXII wieku (za niecałe 100 lat) 1000 ppm. Po raz ostatni tak wysokie stężenie CO2 było w Eocenie – najcieplejszym okresie w ostatnich 50 milionach lat. Temperatura naszej planety była wtedy tak wysoka, że lądolody całkowicie zniknęły (poziom morza był wyższy o około 65 m), a ostatnie analizy pokazują, że średnia temperatura powierzchni Ziemi mogła być wyższa nawet o +13 ± 2,6°C niż obecnie (Cabellero and Huber, 2013). Za blisko połowę tej zmiany odpowiadało nie samo wysokie stężenie CO2, lecz uruchomione przez nie „wolne sprzężenie zwrotne”, czyli zjawiska nasilające zmianę klimatu (takie jak utrata przez Ziemię lądolodów, zmiany wegetacyjne), a także inny układ kontynentów.

• Zgodnie ze scenariuszem „Biznes-jak-zwykle” (RCP8.5), do 2250 roku atmosferyczne stężenie CO2 sięgnie 2000 ppm. Po raz ostatni miało to miejsce około 200 milionów lat temu, na przełomie Triasu i Jury, kiedy to doszło do wzmożenia aktywności wulkanicznej i wielkich wylewów lawy (pokrywających obszar 11 mln km2), rozpadł się superkontynent Pangea i powstał Atlantyk. Więcej na ten temat tutaj.

Temperaturą steruje nie tylko CO2

Trzeba pamiętać, że ewolucja klimatu nie była związana jedynie ze zmianami stężenia CO2. Zmieniało się także rozmieszczenie kontynentów, wegetacja oraz czapy lodowe wpływające na albedo planety (http://www.scotese.com/). Co najistotniejsze, ewolucja naszej gwiazdy – Słońca – powodowała wzrost jego mocy w czasie. O ile w relatywnie krótkich skalach czasowych (do ok. 5 milionów lat) ten ostatni efekt można ignorować, to przez ponad 400 milionów lat natężenie promieniowania słonecznego wzrosło o około 4%, co przekłada się na wzrost wymuszania radiacyjnego (czyli wzrost ilości energii docierającej do Ziemi) o ~12 W/m2.

Rysunek 2 przedstawia zmiany wymuszania radiacyjnego w rozpatrywanym okresie, zarówno związane ze zmianami atmosferycznego stężenia CO2, jak i aktywności Słońca (na podst. Byrne i Goldblatt, 2014). Okazuje się, że pomimo znacznego wzrostu mocy Słońca, sumaryczne wymuszanie CO2 i promieniowania słonecznego utrzymywało się na bardzo stabilnym poziomie. Odpowiada za to silne ujemne sprzężenie zwrotne, stabilizujące temperaturę planety, zwane termostatem węglowym (patrz m.in. tutaj i tutaj).

Rysunek 2. Wymuszanie radiacyjne ziemskiego systemu klimatycznego powodowane zmianami stężenia CO2 i natężenia promieniowania słonecznego w ostatnich 450 milionach lat. Dane CO2 i prognozy jak na rysunku 1. Zmiany natężenia promieniowania słonecznego zgodnie z Byrne i Goldblatt, 2014.Czerwona obwódka to stopień niepewności związany z niepewnościami danych o stężeniach CO2 jak na rysunku 1.

Termostat węglowy

Jak działa termostat węglowy? Wulkany emitują dwutlenek węgla. Gdyby emisje te nie były równoważone przez procesy pochłaniania (głównie wietrzenie skał i usuwanie do osadów oceanicznych), ilość CO2 w atmosferze nieustannie by rosła. Na rysunku 3 możemy zobaczyć schemat tego wolnego cyklu węglowego.

Rysunek 3. Schemat wolnego cyklu węglowego i działania termostatu węglowego. Reakcja w zapisie skróconym. Adaptacja z Laboratory of Atmospheric and Space Physics.

Kluczowym etapem jest wietrzenie skał (punkt 3 na rysunku), które bardzo silnie zależy od temperatury. Im wyższa temperatura, tym szybciej przebiega wietrzenie.

Powiedzmy, że z jakichś względów temperatura powierzchni Ziemi wzrośnie (bo na przykład wzrośnie aktywność słoneczna, wulkany wpompują do atmosfery dużo CO2, zmieni się ułożenie kontynentów lub ich rzeźby albo suchszy klimat spowolni usuwanie dwutlenku węgla z atmosfery). W takiej sytuacji procesy wietrzenia przyspieszą, usuwając CO2 z atmosfery, co zmniejszy siłę efektu cieplarnianego i ustabilizuje temperaturę.

Co zaś się stanie, jeśli z jakichś względów temperatura spadnie (na przykład spadnie aktywność słoneczna, osłabi się aktywność wulkaniczna lub wzrośnie nasilająca procesy wietrzenia skał i usuwania dwutlenku węgla z atmosfery wilgotność)? W takiej sytuacji spadek temperatury wyhamuje reakcje wietrzenia, co zatrzyma w atmosferze więcej CO2 i wzmocni efekt cieplarniany.

Jak skuteczny jest ten mechanizm? Bardzo: analiza proksy paleoklimatycznych pokazuje, że decydujące o temperaturze planety wymuszanie radiacyjne w ostatnich ponad 400 milionach lat wahało się w niewielkim przedziale ± 5 W/m2 (rysunek 2).

Oczywiście, stabilizujący klimat mechanizm termostatu węglowego jest dość powolny i nie jest w stanie zadziałać dość szybko, by uporać się z naszymi błyskawicznymi w skali geologicznej (o skali czasowej stuleci) emisjami CO2. W scenariuszu spalenia całości paliw kopalnych (RCP8.5) „przełamiemy” więc stabilizujący wpływ termostatu węglowego i katapultujemy klimat planety do absolutnie ekstremalnych warunków, nie mających precedensu w historii geologicznej Ziemi. Do tego zrobimy to w niespotykanym tempie.

Jak jest więc odpowiedź na pytanie: „Jak dawno temu miał miejsce wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi rzędu 10°C w przeciągu 300 lat (do czego doprowadzimy spalając całość węgla, ropy i gazu)?”. Brzmi ona: NIGDY. Przeprowadzimy eksperyment bez precedensu w historii naszej planety.

Co więcej, wzrost stężenia CO2 do poziomów z Eocenu w scenariuszu emisji „Biznes-jak-zwykle” bynajmniej nie spowoduje prostego odtworzenia tamtego klimatu. Moc Słońca jest obecnie większa, wyższy będzie też wzrost temperatury. Tempo wzrostu temperatury będzie absolutnie bezprecedensowe, prowadząc do szeregu zjawisk, do których mogłoby nie dojść w scenariuszu znacznie powolniejszego tempa zmian: gwałtowne procesy destabilizacji lądolodów prowadzące do skokowego wzrastania poziomu morza, masowe wymieranie gatunków, nie będących w stanie zaadaptować się do gwałtownych zmian klimatu (ani drogą ewolucji, ani drogą migracji), gwałtowny spadek dostępności jonów węglanowych w oceanie (niezbędnych do budowy szkielecików i muszli przez wiele gatunków zooplanktonu, małży itp.), gwałtowny rozpad wiecznej zmarzliny prowadzący do emisji metanu, destabilizacja oceanicznych pokładów hydratu metanu prowadząca do anoksji oceanicznej a być może do odtworzenia scenariusza zbliżonego do wielkiego wymierania z przełomu Permu i Triasu, kiedy to wymarło ponad 90% zamieszkujących Ziemię gatunków.

Marcin Popkiewicz, prof. Szymon Malinowski, w oparciu o „Past and future CO2” Gavin Foster, Dana Royer i Dan Lunt

Komentarze

23.02.2015 18:49 papa ohara

Ciekawe jak do artykułu odniesie się Filstrant?

p.s. coś dla niego: http://www.skyscrapercity.com/showthread.php?t=1466943
swoją drogą chłodnia kominowa będzie miała imponujące 200m wysokości

23.02.2015 19:35 Neferkariusz

"(...) dopasowaliśmy wygładzoną krzywą(...). Dane tej wygładzonej krzywej są dostępne tutaj."
Czyli gdzie?

"Zgodnie ze scenariuszem „Biznes-jak-zwykle” (RCP8.5), do 2250 roku atmosferyczne stężenie CO2 sięgnie 2000 ppm(...). Więcej na ten temat tutaj."
To samo pytanie. :]

A bardziej na temat: mam szczerą nadzieję, że scenariusz RCP 8.5 ostatecznie okaże się nierealny dla światowej gospodarki...
Swoją drogą, wspomniany wyżej scenariusz próbowałem zrealizować w grze "Świat na Rozdrożu", ale o tym napiszę w komentarzu pod artykułem na ten temat.

23.02.2015 23:00 gupol

całe szczęście że scenariusz BAU jest nierealny:)
a co do rekonstrukcji paleoklimatycznych. wie ktoś jaki klimat panował na terenie Polski 3,5-3 mln lat temu? Chodzi mi konkretnie o roczne sumy opadów w mm oraz temperatury lipca i stycznia w stopniach Celsjusza.
a co do prehistorycznych ekosystemów to znalazłem taką jedna paleomapę:

http://en.wikipedia.org/wiki/Pliocene_climate#mediaviewer/File:Pliocene_megabiome.png

widać tam że na terenie naszego kraju rosły lasy strefy umiarkowanej ciepłej. widac to samo rosło we francjii, turcjii albo włoszech. nawet białoruś jest objęta tym biomem:) ciekawe czy tak było naprawdę.
warto zauważyć że obszar Sahary jest przedstawiony jako dużo mniejszy niz obecnie. także australia jest o wiele mniej pustynna. przeważają sawanny.
obszary trawiaste (stepy i prerie) zajmują ogromne obszary centralnej Kanady i wschodniej Syberii.
no nie wiam jak wy ale filistrant sie ucieszy;p.

24.02.2015 10:43 Wojtek Sz.

"widać tam że na terenie naszego kraju rosły lasy strefy umiarkowanej ciepłej. widac to samo rosło we francjii, turcjii albo włoszech. nawet białoruś jest objęta tym biomem:) ciekawe czy tak było naprawdę.
warto zauważyć że obszar Sahary jest przedstawiony jako dużo mniejszy niz obecnie. także australia jest o wiele mniej pustynna. przeważają sawanny.
obszary trawiaste (stepy i prerie) zajmują ogromne obszary centralnej Kanady i wschodniej Syberii.
no nie wiam jak wy ale filistrant sie ucieszy;p"

Ale to się już nie powtórzy. kontynenty zdryfowały, a słońce jest dla nas gorętsze.

24.02.2015 13:32 Kaziu

@Gupol
Nie wiem czy filstrant się ucieszy ale pewnie dostanie dodatkowe paliwo do dalszej dyskusji,z powodu przedstawionego linka przez twoją osobę,podając takie linki możesz przekonać wiele osób co do korzyści z globalnego ocieplenia.

24.02.2015 14:06 Tadek

@ KAZIU
Jeżeli dane są wiarygodne to nawet najbardziej "niewygodne ekologicznie" powinny być przytaczane.
Po to tu jesteśmy, by rozwiewać złudne nadzieje. Choć fajnie by było gdyby się okazały prawdziwe.

25.02.2015 1:42 gupol

@wojtek sz.
gdzie zdryfowały? dokąd? jedyne róznice geograficzne to takie że nie było prawie całej Panamy i morze kaspijskie było bardziej rozległe. no i poziom oceanów ze 30 m wyższy niż obecnie. no i wtedy nie istniało dzieło epoki lodowcowej-nasze ukochane Morze Bałtyckie. zamiast niego płynęła tam potężna rzeka Eridanos, amazonka europy.
a słońce? 3 mln lat to chwila w geologicznej skali czasu a co dopiero w astrofizycznej (no chyba że gwiazda to gorący olbrzym z kategori O lub B ciągu głównego)
@ kaziu
prezentujesz bardzo naukowe podejście:) nie podałem tego linku żeby kogoś do czegoś przekonać. zmiany klimatu to ciekawe zjawisko samo w sobie. nie chcę go ideologizować choć dziś to pewnie nie do pomyślenia. a zresztą, co z tego że przekonam kogoś do korzysci z ocieplenia. większość ludzi i tak ma zmiany klimatu to w d...
i nie zauważyłem żeby straszenie katastrofą jakoś szczególnie to zmieniło. z jednej strony tej obojętności sa denialiści z drugiej jednostki które wpadają w histerię. obie strony zachowują się jak religijni fanatycy.
dla mnie temat zmian klimatu nigdy nie był istotny z punktu widzenia transformacji energetycznej. najistotniejsze jest tu wyczerpywanie sie zlóż paliw kopalnych i ekonomia która nie może dzialać bez ciągłego wzrostu zuzycia zasobów naturalnych.
a co do zmian klimatu to niestety nic na nie nie poradzimy. to juz poza wszelkimi mozliwościami działania. żadne zabiegi nie pomogą a sama transformacja jeszcze je pogłębi.
mam nadzieję że zmiany klimatu będą korzystne bo sam kryzys finansowo-energetyczny rzuci nas w takie bagno że klękajcie narody. jak jeszcze wszystkie lądy zmienią sie w pustynię to i święty boże nie pomoże. cieplejszy, wilgotniejszy i bardziej przyjazny klimat to nasza jedyna szansa na przetrwanie.
aha i ciekawe jak stabilny był plioceński klimat w Polsce. bo jak przez 3 lata z rzędu były susze a przez kolejne 4 silne powodzie to tez lipa. no i kwestia wiosennych przymrozków, czy wtedy istniały? dobrze by było gdyby paleoklimatologia potrafiła odpowiedzieć na takie pytania.

25.02.2015 11:30 Kaziu

@Gupol
Ja też uważam że problem wyczerpywania się zasobów jest istotniejszy,już teraz powinniśmy wdrażać,a raczej rząd powinien promować odnawialne śródła energii,i przestawiać staromodną energetykę,na nowoczesą,którą obecnie stosują holendrzy.
A co do ocieplenia klimatu,czy będzie aż tak korzystne to janie wiem pustynnienie lądów lub odwrotny proces to osobna kwestia,są inne zmiany klimatyczne które mogą powalić gospodarki światowe takie jak niekontrolowanie szybki wzrost poziomu mórz,a także występowanie nowego zjawiska hiperkanu,problem pustynnienia środkowego zachodu,wydaje się przy tych wyżej wymienionych zjawiskach mniej istotny.
A co do tego że większość ludzi ma zmiany klimatyczne w d....,wpełni się zgadzam.

27.02.2015 2:36 gupol

@kaziu
jaką to nową technologię stosuja holendrzy? proszę cię nie rozśmieszaj mnie. zobacz lepiej jakie jest zużycie energii per capita w holandi. ile zuzywają paliw kopalnych a potem porównaj to ze zuzyciem polskim. jak na zachodzie będą zuzywac tyle co u nas w kraju zachowując dotychczasowy standard życia to będziesz mógł stawiać ich za wzór. do tego czasu nie widze innej opcji niz ostra krytyka całej "starej 15" i ich "rozwiązań" technologicznych. z niemcami, szwecją i danią włącznie.

27.02.2015 12:38 Kaziu

@Gupol
Rozumiem że Holandia spala mnóstwo węgla ?Ja myślałem że oni pozyskują prawie całą energię z wiatru widocznie żle myślałem.

Szczerze mówiąc nie ma takich krajów jak kraje przysłowiowo nazywane zielonymi,konsumują oni inne zasoby zwykle sprowadzane z Chin,Indii,Bangladeszu,itp:,sprowadzając te produkty z tamtych krajów międzyinnymi Holendrzy,nie tylko przyczyniają się do wyzysku pracowników w tych krajach,ale sprowadzając dobra z tamtych krajów,przyczyniają się do wzrostu emisji co2 w tamtych krajach,a także wyczerpywania sięzasobów w krajach rozwijających się.

Jedyne rozsądne rozwiązanie to konsumować wyłącznie krajowe zasoby,i stawiać na recykling,ale efektywny w co najmniej 90%,a także nie spalać węgla.

27.02.2015 15:38 whiteskies

@Gupol
Według aktualnych danych:
http://www.globalcarbonatlas.org/?q=en/emissions
w roku 2013 Niemcy emitowali 9.2 t CO2 per capita, my 8.1 a Duńczycy 7.1
Z bogatych krajów o podobnym klimacie mnie od nas emitowali Brytyjczycy, mieszkańcy Nowej Zelandii, Islandczycy, Słowacy, Szwedzi (4.7), Wegrzy...
W wielu krajach emisja CO2 na jednostkę dochodu narodowego jest dwukrotnie niższa niż w Polsce...

28.02.2015 12:19 OZE

Dla kandydatów do bycia prosumentem:
http://nfosigw.gov.pl/o-nfosigw/aktualnosci/art,625.html

28.02.2015 22:28 gupol

@whiteskies
zapomniałeś jeszcze dodać francuzów którzy to (nauczeni kryzysem naftowym lat 70`) większosć swej elektryczności produkują w reaktorach jądrowych.

z tym że ty o grzybach, ja o rybach.
ja nie pytałem o emisje CO2 bo to dość idiotyczny wskaźnik. jeśli poziom emisji CO2 miałby być naszym głównym kryterium oceny to za wzór do nasladowania powinieneś postawić takie kraje jak Afganistan, Birma, Bangladesz, Etiopia, Niger, Gwinea, Republika środkowoafrykańska, Sudan Południowy, Erytrea, Mozambik itp.
najważniejsze jest ZUŻYCIE energii i surowców per capita oraz zużycie paliw kopalnych. w szczególności zaś zużycie ropy naftowej.to podstawowe źródło energii dla nowoczesnej gospodarki. to że zastąpisz polski wegiel ruskim gazem wydatnie poprawiłoby nasz bilans emisji CO2 ale to byłaby jedyna korzyść.
i teraz do rzeczy.
chodzi mi o to ze jak narazie, ku mojej rozpaczy, nie ma żadnego dowodu na to że embrion zwany OZE jest w stanie samodzielnie przeżyć poza organizmem matki- węglowej gospodarki opartej na wzroście i całej tej pępowiny z paliw kopalnych. żeby to udowodnić kraje takie jak niemcy, dania czy szwecja musiałyby obniżyć swoje zużycie ropy naftowej i gazu poniżej polskiego poziomu, zachowując w miarę godny standard życia dla większości społeczeństwa. jeśli uda im sie to udowodnić, (za co trzymam kciuki) to oddam im pokłon i swoje życie aby te rozwiązania skopiować i u nas. a tymczasem...

Dodaj komentarz

Kod
grakalkulator kalkulator zuzycia ciepla

Informacje

Linkownia

Wykonanie PONG, grafika GFX RedFrosch.



logowanie | nowe konto