Sprzężenia zwrotne

Sprzężenia zwrotne kształtują klimat w skali planetarnej. To właśnie ich wzajemne interakcje decydują czy planeta jest w stanie epoki lodowcowej lub jego ciepłej odwrotności. Czy jest przyjazną ludziom Gają (nasza obecna Ziemia), czy też Ziemią - Śnieżką lub przypominającą wnętrze piekarnika Ziemią-Wenus.Przyjrzyjmy się kilku zjawiskom - sprzężeniom zwrotnym. Jeśli nawet dla kogoś pojęcia "sprzężenia zwrotnego" nie jest zrozumiałe, to po zapoznaniu się z przykładami pojęcie to stanie się oczywiste.

Odbijanie energii przez pokrywę lodową. 

Kiedy Słońce świeci na lód, ten odbija 90% padającego światła, jedynie 10% jest pochłaniane i wypromieniowywane przez ziemię w podczerwieni. Kiedy nastąpi wzrost temperatury (czy to w wyniku zmiany energii otrzymywanej przez Ziemię od Słońca w cyklu Milankovicia, czy to w wyniku wzmożonego działania gazów cieplarnianych), trochę lodu się stopi. Kiedy woda nie jest pokryta lodem, sytuacja wygląda dokładnie odwrotnie - woda pochłonie 90% padającej energii, nagrzewając się i emitując energię w podczerwieni, które to promieniowanie zostanie wychwycone przez gazy cieplarniane. W wyniku tego wzrośnie temperatura atmosfery, co spowoduje dalsze roztapianie się i zanik pokrywy lodowej. I koło się zamknie. Właśnie to dodatnie sprzężenie zwrotne odpowiada za tak wysoką czułość pokrywy lodowej Arktyki na temperaturę i jej zanik. Dodatkowa energia pochłaniana przez Ziemię podnosi jej temperaturę. Im mniej lodu i śniegu, tym bardziej ją podnosi. Zanik pokrywy lodowej daje się wyraźnie zauważyć. Rysunek przedstawia zakres pokrywy lodowej we wrześniu - w latach 1979-2000, w roku 2005 i w 2007. Wykres nie oddaje utraty masy pokrywy lodowej - nie tylko zajmuje ona coraz mniejszą powierzchnię, ale jest także coraz cieńsza. W 1989 80% masy lodu stanowił starszy niż 10 lat, wytrzymały lód. W 2007 było go już tylko 3%.


 Lód w Arktyce

Rys. Porównanie minimalnego zasięgu lodu Arktyki w latach 1979-2000 (mediana, żółta linia), 2006 (zielona) i 2007 (czerwona).

Naukowcy przewidują dalsze przyspieszanie tego procesu. Szacuje się, że około 2040 roku będzie następowało w lecie całkowite topienie się lodów Arktyki  Pojawiają się opinie nawet głosy, że może to nastąpić w ciągu najbliższych kilkunastu lat, znacznie szybciej, niż wynikało to z wcześniejszych symulacji. Stan taki prawdopodobnie będzie miał miejsce po raz pierwszy od 3 milionów lat.

Para wodna - "efekt supercieplarniany".

Zwiększenie koncentracji innych gazów cieplarnianych w atmosferze (lub, dla cyklu epok lodowcowych, zmiana ilości otrzymywanej od Słońca energii) spowoduje podniesienie się temperatury, zwiększenie parowania oraz wzrost zawartości pary wodnej w atmosferze. Dodatkowa para wodna w atmosferze to dodatkowy wzmacniacz efektu cieplarnianego. Tak więc emitując do atmosfery dwutlenek węgla, nie tylko zwiększamy efekt cieplarniany od tego gazu, ale również od pary wodnej. Im bardziej wzrośnie temperatura, tym istotniejszy stanie się wpływ pary wodnej. Jest to przykład dodatniego sprzężenia zwrotnego.

Zmiany cyklu węglowego w oceanach.

Co godzinę oceany pochłaniają ponad milion ton CO2. Część tego gazu rozpuszcza się w wodzie zwiększając kwasowość oceanów (podobnie do powstawania wody mineralnej). Część jest wbudowywana w szkieleciki zooplanktonu i wraz ze śmiercią żyjątek opada na dno oceanów, gdzie ulega sedymentacji. W miarę, jak wzrasta nierównowaga zawartości CO2 pomiędzy atmosferą, a oceanem, pochłania on coraz więcej tego gazu. A co będzie dalej?
W oceanie zachodzi kilka zjawisk, które mogą oznaczać nadciągające kłopoty:

  • Wzrasta kwasowość oceanów i podnosi się poziom równowagi dla stężenia CO2 w atmosferze. Na dłuższą metę poziom równowagi może ustabilizować się znacznie powyżej poziomu z epoki przedprzemysłowej (280 ppmv), a nawet dzisiejszego (390 ppmv). Prognozuje się wzrost kwasowości oceanów do końca XXI wieku o ~150%, do wartości nie notowanych od 300 milionów lat, do tego w tempie setki razy szybszym od zmian naturalnych. Wiele organizmów morskich, budujących muszle wapienne, czekają ciężkie czasy...

  • Wyższa temperatura atmosfery to wyższa temperatura oceanów. A w wyższej temperaturze rozpuszczalność gazów, w tym dwutlenku węgla, maleje. Ocean zamiast pochłaniać dwutlenek węgla, chce się go pozbyć. Ale w atmosferze jego koncentracja jest tak wysoka, że ocean wciąż go pochłania, chociaż coraz wolniej. W wyższej temperaturze maleje też rozpuszczalność tlenu, co oznacza gorsze warunki rozwoju życia morskiego, w tym planktonu usuwającego węgiel z powierzchniowych warstw oceanu.

  • Wyższa temperatura powietrza to wyższa temperatura powierzchniowej warstwy oceanów. Natomiast jej wyższa temperatura skutkuje silniejszą separacją gęstych zimnych warstw głębinowych i coraz cieplejszych warstw powierzchniowych, a w rezultacie odcięciem planktonu od składników odżywczych. W połączeniu ze słabszą rozpuszczalnością tlenu i wzrostem kwasowości wody oznacza to pogorszenie się warunków rozwoju planktonu i spadek jego populacji. Ponieważ plankton jest istotnym czynnikiem usuwającym dwutlenek węgla z atmosfery, oznacza to zmniejszenie usuwania tego gazu z atmosfery i dalsze podnoszenie temperatury.

  • Najsilniejszym mechanizmem usuwającym dwutlenek węgla z powierzchniowych warstw oceanu do warstw głębinowych jest cyrkulacja prądów oceanicznych (cyrkulacja termohalinowa pl). W przypadku jej zaniku lub osłabienia związanego z rozgrzaniem się Arktyki, ten mechanizm uległby praktycznie wyłączeniu.

  • Ostatecznym mechanizmem mogącym doprowadzić do drastycznego zmiany oblicza Ziemi jest destabilizacja hydratów metanu pl z dna oceanicznego, uważana, wraz z postępującym za nią odtlenieniem oceanów, za główną przyczynę wielkich wymierań w historii naszej planety.

Zmiany cyklu węglowego na lądach (biosfera i gleba)

Rośliny do życia potrzebują dwutlenku węgla. Średnich rozmiarów drzewo w ciągu roku "wyciąga" z atmosfery 5 kg tego gazu (dla porównania jeden człowiek odpowiada dziś za emisję 5 ton, co odpowiada pochłanianiu 1000 drzew). Wyższa koncentracja CO2 służy roślinności, która rośnie lepiej. Jednak na wzrost produktywności nakłada się szereg negatywnych czynników, zmniejszających aktywność roślin: przesuwanie się stref klimatycznych, zmiany temperatur i opadów, nowe szkodniki czy pustynnienie terenów i pożary. Kiedy przesuwają się strefy klimatyczne, ptaki mogą się dostosować, ale drzewa nie wyciągną korzeni z ziemi i nie przejdą tysiąc kilometrów na północ... Uschną. A zanim na ocieplających się terenach wyrosną nowe lasy, minie dużo czasu. Po prostu zmiany są za szybkie...

Wyższa temperatura to również wyższa respiracja gleby i szybsze procesy gnilne, a więc więcej dwutlenku węgla wracającego do atmosfery. Na dalekiej północy, zajmująca 20% kontynentów wieczna zmarzlina więzi w sobie wielkie ilości gazów cieplarnianych, szczególnie dwutlenku węgla i metanu. Wzrost temperatury o ponad 2°C spowoduje osiągnięcie poziomu nie notowanego od 3 milionów lat i w rezultacie szybkie wyzwolenie do atmosfery gromadzących się w tym czasie w ziemi gazów cieplarnianych w ilości odpowiadającej 10-100% naszych emisji z paliw kopalnych.

Na razie lądy pochłaniają dwutlenek węgla. Przewiduje się, że proces ten do połowy stulecia będzie pozostawał na w miarę stałym poziomie, liczonym w miliardach ton rocznie (czyli licząc w procentach naszej rosnącej emisji będzie coraz mniej znaczący), po czym emisja z gleby zacznie dominować i do końca stulecia obszary lądowe mogą stać się dodatkowym olbrzymim źródłem emisji.

Prognoza sumarycznych zmian ilości zgromadzonego przez lądy węgla w okresie 1850-2100

Rys. Prognoza sumarycznych zmian ilości zgromadzonego przez lądy węgla w okresie 1850-2100. Czerwona krzywa pokazuje zmiany w ilości węgla związanego w roślinności, a niebieska - w glebie. Widać, że około roku 2050 gleba przestaje pochłaniać węgiel, lecz zaczyna się go pozbywać, stając się dodatkowym źródłem dwutlenku węgla (niebieska krzywa zaczyna opadać), a roślinność 20 lat później. Sumaryczna ilość wyrzuconego do atmosfery węgla w latach 2050-2100 to ok. 170 miliardów ton węgla (czyli ponad 600 miliardów ton CO2, co odpowiada ponad 20 latom naszych obecnych emisji z paliw kopalnych). Model Hadley Centre for Climate Prediction and Research.

Węgiel - zmiany 

Rys. Prognoza zmian ilości zgromadzonego przez lądy węgla w okresie 1860-2100 z podziałem na rejony, ten sam model Hadley Centre for Climate Prediction and Research, co dla wykresu powyżej. Wylesianie nie jest uwzględnione. Wzrastające niedobory wody, które model przewiduje dla obszaru Amazonii powodują ich stepowienie, co wyjaśnia dramatyczną utratę przez nie węgla (chociaż część modeli nie potwierdza tych wyników).

Tracony przez lądy glebę i rośliny dwutlenek węgla trafia do atmosfery. 

Koncentracja CO2

Przewidywana koncentracja CO2 w atmosferze. Niebieska krzywa reprezentuje model nie uwzględniający dodatnich sprzężeń lądowego cyklu węglowego, czerwona - z uwzględnieniem opisywanych sprzężeń osłabiających absorpcję CO2 przez glebę i rośliny. W tym drugim przypadku, koncentracja w 2100 roku jest o 30% wyższa (1000 ppmv zamiast 760). W modelu założono emisje antropogeniczne odpowiadające scenariuszowi "Business as usual" IPCC IS 92a. Model Hadley Centre for Climate Prediction and Research.

Przykład, jak wiele węgla (w formie CO2) trafia do atmosfery przy zmianie klimatu może stanowić roślinność Europy podczas suchego i upalnego roku 2003.

zmiana ilości węgla w roślinności

Rys. Różnica średniorocznej produktywności roślinności z lat 1998-2002 z rokiem 2003, kiedy Europę dotknęły wyjątkowe susze i upały. Wartości w gramach węgla przypadających na metr kwadratowy rocznie. W roku 2003 w znacznej części Europy masa roślinności była nawet o kilkaset gramów na metr kwadratowy mniejsza niż normalnie. Wyniki są ekstrapolowane numerycznie na podstawie bezpośrednich pomiarów wykonanych w zaznaczonych na czarno miejscach.

Warto zaznaczyć, że wyjątkowo suche i upalne lato 2003 roku za kilkadziesiąt lat prawdopodobnie będzie najzupełniej typowe. Oznacza to utratę olbrzymiej ilości węgla przez rośliny i wyrzucenie do atmosfery olbrzymich ilości dwutlenku węgla, dalej nakręcających spiralę rozgrzewania się klimatu.

Te dodatnie sprzężenia zwrotne cyklu węglowego mogą dodatkowo nakręcić spiralę wzrostu temperatury.

Badania wskazują, że przy emisji rzędu 4000-5000 miliardów ton CO2 (spalenie całości dostępnego węgla, ropy i gazu) nawet po 1000 lat 40-60% dwutlenku węgla pozostanie w atmosferze, permanentnie podnosząc temperaturę planety, mniej więcej o 5°C po upływie 1000 lat. Dla osób przyzwyczajonych, że zanieczyszczenia znikają z atmosfery po kilku dniach lub miesiącach od zaprzestania ich emisji, może to być prawdziwe zaskoczenie... 

Są to tylko niektóre ze sprzężeń zwrotnych. Jak to więc w ogóle się dzieje, że klimat Ziemi jest w miarę stabilny i Ziemia nie stacza się w rozgrzane piekło Wenus lub nie skuwa jej lód jak Ziemi - śnieżki?
Odpowiedź jest prosta - to były DODATNIE sprzężenia zwrotne. Oczywiście są i UJEMNE sprzężenia zwrotne, stabilizujące klimat Ziemi w stanie takim, jaki znamy i lubimy.

Ujemne sprzężenia zwrotne, to w szczególności:

Wyższa temperatura to wyższa emisja ciepła. Im większa temperatura Ziemi, tym więcej energii nasza planeta wypromieniowuje w przestrzeń. Wypromieniowywana energia jest proporcjonalna do temperatury w czwartej potędze (T4, czyli T*T*T*T). Oznacza to, że wzrost temperatury powierzchni o 1% (około 3°C) oznacza wzrost wypromieniowywanej przez Ziemię w przestrzeń energii o ponad 4%. Analogicznie spadek temperatury będzie oznaczał, że ochłodzona Ziemia będzie wypromieniowywać energię dużo wolniej. Przyjmując, że ilość energii otrzymywanej ze Słońca jest względnie stała, oznacza to, że istnieje termiczny punkt równowagi.

Para wodna powoduje powstawanie chmur. Podniesienie temperatury skutkuje wyższym parowaniem wody, a więc zwiększeniem koncentracji pary wodnej będącej gazem cieplarnianym, ale to dodatnie sprzężenie zwrotne jest dość dobrze zrównoważone faktem zwiększonego powstawania chmur, które wysoko nad ziemią odbijają światło z powrotem w przestrzeń.

Wyższa koncentracja dwutlenku węgla sprzyja roślinom. Do pewnego etapu wyższa efektywność pochłaniania dwutlenku węgla przeciwdziała dodatnim sprzężeniom zwrotnym.

Gdyby nie ujemne sprzężenia zwrotne, to faktycznie klimat Ziemi znalazłby się na którymś krańcu skali...

Na razie klimat Ziemi jest stabilny, ale kto da głowę, że to się nie zmieni? A zmiana może być gwałtowna i kiedy nadejdzie ostrzeżenie, po prostu będzie już za późno na przeciwdziałanie.

Cytując wypowiedź jednego z bohaterów powieści fantastycznonaukowej:
"Wy, Ludzie, nie potraficie niczego porządnie zaplanować nawet na głupie kilka tysięcy lat do przodu".

To niestety prawda... Nie myślimy w perspektywie czasowej adekwatnej do naszych możliwości zmiany stanu planety i nie czujemy się odpowiedzialni za długofalowe następstwa naszych działań. Czy jako gatunek zasłużymy na zbiorową nagrodę Darwina?

Klimat planety, jaki znamy, może ulec zmianie. Najlepiej znana jest tu oscylacja w okresie ~120 000 lat pomiędzy epokami lodowcowymi i okresami interglacjalnymi (obecnie), ale stany Ziemi-śnieżki, Ziemi-Wenus, Ziemi-siarkowodorowej, czy też Ziemi-jakiej-jeszcze-nie–znamy-i-nie-chcemy też są możliwe.

Żeby zilustrować mechanizm przejścia fazowego, przyjrzyjmy się prościutkiemu modelowi. W punkcie A leży sobie kulka. Niewątpliwie jest to punkt stabilny - kulka może w nim pozostawać w nieskończoność.

equilibrium


Teraz jednak zobaczmy, co się stanie, jeśli pojawi się jakaś dodatkowa siła działająca na kulkę w stronę punktu B. Jakakolwiek siła - ciągnąca kulkę nitka, wiejący wiatr, magnes. Cokolwiek.
Kulka próbuje wrócić do punktu równowagi A. Z początku, dopóki pozostaje na płaskim obszarze (linia ciemnozielona), daje się z niego dość łatwo wychylić, później jednak, kiedy kulka zostaje wepchnięta w rejon o większym nachyleniu (linia czerwona) - siła utrzymująca ją w okolicy punktu A rośnie. Chociaż oddziaływanie dążące do wyprowadzenia kulki ze stanu równowagi A narasta, kulka będzie się powoli przesuwać, wręcz niezauważalnie. Kiedy jednak minie punkt największego nachylenia X i znowu znajdzie się "na płaskim" (linia jasnozielona) - zmiany przyspieszają. Jedyne, co może teraz powstrzymać kulkę przed przekroczeniem punktu Y - i znalezieniem się w punkcie B - to szybka redukcja siły oddziaływania wyprowadzającego kulkę z punktu równowagi A. Kiedy kulka minie punkt Y, to, o ile oddziaływanie nie zmieni kierunku - znajdzie się w punkcie B. Powrót kulki do zajmowanego pierwotnie punktu A może być trudny, o ile w ogóle nie niemożliwy.

To był bardzo prosty model fizyczny. Oczywiście, klimat jest wielowymiarowym układem o niepomiernie większej złożoności. 

Problem jednak w tym, że jakościowo rzecz biorąc zachowanie naszej kulki bardzo dobrze odpowiada zmianom klimatu. W wielowymiarowej przestrzeni klimatu również istnieją stany stabilne, pomiędzy którymi klimat Ziemi może przeskakiwać. Ziemia epoki lodowcowej, Ziemia-śnieżka, Ziemia-Wenus, Ziemia-siarkowodorowa to właśnie takie stany. Na mniejszą skalę może to być na przykład zanik lodów Arktyki, dżungli amazońskiej, zmiana cyrkulacji prądów oceanicznych - jak dla oscylacji południowopacyficznej El Niño - La Niña, albo na przykład związanej z zanikiem ogrzewającego Europę Golfsztromu. Naukowcy uważają też, że Arktyka może istnieć albo w zimnym stanie zamarzniętym, albo w wolnym od lodu stanie ciepłym, ale nie pośrednim. Rozpad czapy Arktyki i związane z tym dodatnie sprzężenie zwrotne wzrostu temperatury to właśnie takie przejście fazowe do zupełnie innego stanu.

Przeskok to naprawdę właściwe słowo. Do czasu osiągnięcia odpowiednika punktu Y możemy nie dostać czytelnego ostrzeżenia. A kiedy nagle uświadomimy sobie tempo zmian i działanie dodatnich sprzężeń zwrotnych drastycznie zmieniających klimat Ziemi - pozostanie nam już tylko obserwowanie, co dalej się stanie. I nawet jeśli będziemy chcieli przeciwdziałać tym zmianom, to będzie już za późno... Gdyby udało nam się doprowadzić do wyzwolenia pierwszych pokładów hydratów metanu, zmiany będą nieodwracalne - kolejne wielkie ilości gazów cieplarnianych trafią do atmosfery, kolejne pokłady metanu odtlenią oceany i zabiją życie tlenowe, oddając pole bakteriom siarkowym, które dokończą dzieła przekształcenia planety. I nie będziemy w stanie nic na to poradzić.

Kusimy los, nie wiedząc co czynimy i nie rozumiejąc następstw swoich działań. Owszem, wiemy, że zmieniamy klimat, ale jak bardzo i jakie będą tego konsekwencje - już nie. Tak podkreślana przez sceptyków niepewność modeli klimatu i fakt, że nie są one zgodne co do następstw, w kontekście zagrożenia dla stabilności klimatu naszej planety brzmi jak ponury żart.

Przyjrzyjmy się krótkiej animacji, co może się zdarzyć, kiedy klimat Ziemi przejdzie w inny, gorętszy, stan stabilny.

 

Zmiany mogą przyjąć charakter lawinowy zupełnie bez ostrzeżenia. Kilka lat temu na ekranach kin można było obejrzeć film "Pojutrze", pokazujący wizję rzeczywistości, w której w wyniku zmian klimatycznych następuje zmiana krążenia prądów oceanicznych na północnym Atlantyku, powodując nastanie epoki lodowcowej, z lodowcami pochłaniającymi Europę i Amerykę Północną.

Pokazana na sposób Hollywood wizja jest raczej przerysowana, ale sama koncepcja przejścia Ziemi do innego stabilnego stanu jest realnym zagrożeniem. Miejmy nadzieję, że nie będziemy mieć przyjemności oglądania podobnych zjawisk w wieczornych wiadomościach. Albo na własne oczy...
Zdarzenia pokazane w filmie były straszną katastrofą, ale jej następstwa nie spowodowały Armagedonu na skalę planetarną, a "jedynie" kontynentalną.

Naukowcy przewidują, że w ciągu najbliższych dekad mogą zajść zmiany, które dotychczas zachodziły w skalach geologicznych - milionów lat… Kto wie, co może się zdarzyć?

Aby zapoznać się ze sprzężeniami zwrotnymi "w działaniu", skorzystaj z symulatora klimatu.

Co wskazuje, że klimat się zmienia? Jakie zjawiska przebiegają na Ziemi? Następuje wzrost temperatury, topią się lody, podnosi się poziom oceanów. Na pewnych obszarach pojawiają się burze, huragany, powodzie, a inne tereny pustynnieją dotknięte suszą. O tych i wielu innych zjawiskach dowodzących o postępujących zmianach klimatycznych przeczytaj w rozdziale Zmiany klimatu - zjawiska .

Wykonanie PONG, grafika GFX RedFrosch.



logowanie | nowe konto