Zmiany klimatu w okresie tysiąca lat
Szacowanie temperatury w czasach historycznych wykonywane jest wieloma niezależnymi metodami (pomiary bezpośrednie, słoje drzew, proxy roślinne, długość lodowców górskich, odwierty głębione).
Uwagę zwracają okresy „średniowiecznego ocieplenia klimatu” w IX-XIII wieku oraz „małej epoki lodowcowej” w XV – XVIII wieku, no i oczywiście niespotykanie szybki wzrost temperatury w ostatnich latach.
W trakcie ocieplenia średniowiecznego Wikingowie skolonizowali Grenlandię. Kiedy temperatury zaczęły opadać, porty Grenlandii zaczęły zamarzać, zamarł handel z Islandią i Norwegią, skończyła się trawa dla bydła. Populacja wyspy zaczęła wymierać z głodu. Kiedy John Cabot w 1497 roku dopłynął na Grenlandię, zastał tam jedynie opustoszałe osady, a w kościele zapisy, że ostatni ślub odbył się tam kilkadziesiąt lat wcześniej. Nikt już jednak nie żył. Osadnicy nie doczekali pomocy… Podczas „średniowiecznego ocieplenia klimatu” w Anglii kwitła uprawa winorośli.
Z kolei w czasach „małej epoki lodowcowej” londyńscy handlarze na zamarzniętej Tamizie rozstawiali zimą kramy. Pomiędzy rokiem 1000 i rokiem 1600 temperatura zmieniła się średnio o ~0.5°Ca, a zmiany trwały stulecia. Teraz zmiany temperatury już są większe, a tempo ich zmian znacznie szybsze. Naukowcy uważają, że kluczowym czynnikiem kształtującym klimat Ziemi w horyzoncie setek i tysięcy lat są zmiany aktywności słonecznej. Dopiero przez ostatnie kilkadziesiąt lat nasza emisja gazów cieplarnianych do atmosfery zaczęła wyraźnie zmieniać klimat planety.
Zmiany klimatu w okresie setek tysięcy i milionów lat
Przyjrzyjmy się teraz zmianom temperatury Ziemi i zawartości CO2 w atmosferze w dłuższej perspektywie czasowej – setek tysięcy lat, na podstawie pomiarów z rdzeni lodowych.
Rys. Zmiany temperatury Antarktydy w przeciągu ostatnich kilkuset tysięcy lat (na podstawie stosunków izotopów wodoru w rdzeniach lodowych EPICA i Wostok) oraz porównania w masie globalnej masy lodowej (na podstawie pomiarów stosunku izotopów tlenu głębinowych Foraminifera z odwiertów osadów oceanicznych).
Źródło: www.globalwarmingart.com
Wyraźnie widoczna jest okresowość zmian klimatu. Ziemia z częstotliwością ~120tys lat oscyluje pomiędzy krótkimi okresami ocieplenia i epokami lodowcowymi, przy czym obecnie żyjemy w okresie interglacjalnym – najwyższych temperatur i najmniejszych lodowców.
Płaski, liczący 9000 lat okres temperatur z prawej strony to Holocen – okres rozwoju rolnictwa i historii naszej cywilizacji. W czasie epok lodowych (okresów glacjalnych) czapy lodowe pokryły na terenie Europy dużą część terenu Polski, a w Ameryce tereny Kanady. Woda czap polarnych jest „wyciągnięta” z oceanów, w których poziom wody w okresach glacjalnych w związku z tym znacząco się obniża – wahania poziomu oceanów pomiędzy okresami glacjalnymi i interglacjalnymi sięgają 130 metrów.
Rys. Szarym kolorem jest zaznaczony zasięg lądolodów czap polarnych podczas maksimum ostatniego zlodowacenia 18 tysięcy lat temu. Wielkie ilości wody zostały przeniesione z oceanów do czap polarnych, co spowodowało spadek poziomu wody o około 125 m – brzeg oceanu cofnął się, a kontynenty stały się większe – widać wyraźnie pomost lądowy pomiędzy Azją, a Ameryką, połączenie Malajów z Borneo czy Australii z Nową Gwineą. Źródło: wikipedia
Z kolei wzrost temperatury powoduje topnienie czap polarnych – woda z topniejących lodowców obficie spływa z powrotem do oceanów, a poziom wody rośnie.
Rys. Zmiany poziomu oceanów podczas ostatnich 20 tysięcy lat (rozpoczętego w epoce lodowcowej, z ociepleniem do klimatu współczesnego).
Uważa się, że trwające ~120tys lat oscylacje temperatury i towarzyszące im cykle lodowcowe są wywoływane przez zmiany orbity Ziemi, powodujące zmiany w ilości otrzymywanej przez Ziemię energii, tzw. cykle Milankovicia 
.
Z wykresu widać też, że temperatura dziś jest około 2°C niższa, niż w maksimum poprzedniego interglacjału Eemskiego (około 125 tys. lat temu) i innych. Jeśli przyjrzeć się temperaturom z ostatnich kilku milionów lat, widać, że były to maksima termiczne i nigdy nie było tak ciepło jak teraz już od blisko 3 milionów lat.
Rys. Pomiary temperatury sięgające poza okres pokrywany przez rdzenie lodowe: dane na podstawie 57 głębokich odwiertów osadów oceanicznych, dla których mierzono stosunek izotopów stosunku ilości 18O/16O w osadach głębokowodnych (żyjących w stałej temperaturze 4°C) Foraminifera (będących miernikiem rozmiaru czap polarnych). Źródło: wikimedia
Przyjrzyjmy się w powiększeniu ostatniemu cyklowi glacjalnemu z uwzględnieniem maksimum termicznego interglacjału Eemskiego.
Rys. Zmiany temperatury w przeciągu ostatnich 150 tysięcy lat na podstawie rdzenia lodowego Wostok.
Uwaga: dziś jest po lewej stronie, najstarsze dane są po prawej.
Dane NOAA .
Płaski, liczący 9000 lat okres temperatur z lewej strony (czasy współczesne) to Holocen – okres rozwoju rolnictwa i historii naszej cywilizacji, cały wcześniejszy okres to czasy pierwotnych łowców zbieraczy. Holocen poprzedził szybki wzrost temperatury, w którym topniały lądolody Europy, Ameryki Północnej i Antarktydy (na rysunku Termination I). Cofając się dalej w czasie – kilkanaście tysięcy lat temu miało miejsce maksimum zlodowacenia – na Antarktydzie temperatura była o około 8°C niższa niż obecnie (z pomiarów rdzeni lodowych). Średnie ochłodzenie obszarów oceanów wynosiło do 2°C, a Ziemi jako całości 3-4°C.
Wcześniejszy okres, od 100 tysięcy lat temu, to stopniowy spadek temperatury i narastanie czap polarnych – pomiary wskazują, że czapy polarne (i temperatura) narastają powoli, a rozpadają się znacznie szybciej. I tak dochodzimy do ciepłego okresu interglacjału Eemskiego, szczytu temperatury około 125 tysięcy lat temu, poprzedzonego szybkim ociepleniem do niego prowadzącym (Termination II).
Zestawmy historię temperatur w obecnym i Eemskim okresie interglacjalnym.
Rys. Odchylenia temperatury względem roku 1950 w okresie Holocenu (linia zielona), zestawione z odchyleniami temperatury z okresu Eemskiego po przesunięciu o 121 tysięcy lat (linia pomarańczowa) na podstawie rdzenia lodowego Wostok.
Uwaga: dziś jest po lewej stronie, najstarsze dane są po prawej.
Dane NOAA .
Temperatury w okresie Eemskim były o 2-3°C wyższe niż dziś, przynajmniej na Antarktydzie. Nie jest pewne, o ile stopni była wyższa średnia temperatura Ziemi – prawdopodobnie około 2°C względem XXw (czyli 1° względem sytuacji obecnej).
Im wyższa temperatura, tym wyższy też poziom wody. Pomiary wskazują, że podczas okresu ocieplenia Eemskiego, wyższe temperatury spowodowały podniesienie się poziomu oceanów o 5 metrów lub więcej, co wynikało z większego niż dziś zaniku czap polarnych Grenlandii i Antarktydy Zachodniej. Według przewidywań naukowców najprawdopodobniej przekroczymy ten poziom temperatur. Abstrahując nawet od dodatnich sprzężeń zwrotnych, które mogą jeszcze bardziej podnieść temperaturę, to taki wzrost poziomu wody spowodowałby zalanie wszystkich delt rzek, wysp koralowych i portów.
Stosunkowo niewielkie zmiany energii otrzymywanej przez Ziemię od Słońca, związane z cyklami Milankovicia, powodowały znaczące zmiany temperatury i oscylowanie klimatu Ziemi pomiędzy zimnymi epokami lodowcowymi i ciepłymi okresami interglacjalnymi. Naukowcy od dawna zastanawiali się, jak relatywnie niewielkie zaburzenia zewnętrzne mogą powodować tak znaczące zmiany klimatu. Szacuje się, że zmiana energii otrzymywaną przez półkulę północną o 1W/m2 powodowała zmianę temperatury aż o 0.75°C. Obecnie uważa się, że odpowiedzialne za to są dodatnie sprzężenia zwrotne, takie jak:
- zmiana rozmiaru czap polarnych i związane z tym zmiany energii pochłanianej przez Ziemię – wzrost temperatury prowadzi do stopienia odbijających światło lodów i dalszego wzrostu pochłanianej przez Ziemię energii;
- zmiany koncentracji w atmosferze gazów cieplarnianych – dwutlenku węgla i metanu, przede wszystkim z oceanów – ocieplenie oceanów powoduje, że rozpuszczone w wodzie gazy, w tym będące gazami cieplarnianymi dwutlenek węgla i metan wyzwalają się do atmosfery, powodując zwrotnie wzrost efektu cieplarnianego i dalszy wzrost temperatury;
- zmiany koncentracji pary wodnej w atmosferze – w wyższej temperaturze znajduje się w atmosferze większa ilość pary wodnej, która jako gaz cieplarniany powoduje dalszy wzrost temperatury, i w konsekwencji dalszy wzrost parowania wody.
Rysunek przedstawia wyniki badań rdzenia lodowego Wostok z Antarktydy.
Rys. 420 000 lat na podstawie rdzenia lodowego Wostok na Antarktydzie. Oś pozioma przedstawia czas – chwila obecna znajduje się z lewej strony, okres 420 000 lat temu znajduje się z prawej.
Od dołu do góry:
- energia słoneczna na 65°N wynikająca z cykli Milankovicia;
- koncentracja w rdzeniu izotopu 18O (proxy temperatury);
- koncentracja metanu (CH4);
- temperatura względna względem czasów obecnych;
- koncentracja dwutlenku węgla (CO2).
Przyjrzyjmy się bliżej korelacji pomiędzy temperaturą a koncentracją dwutlenku węgla w atmosferze. Korelacja jest bardzo wyraźna. Czy to CO2 steruje temperaturą, czy temperatura koncentracją CO2 w atmosferze?
Z pomiarów wynika, że najpierw wzrasta temperatura, a dopiero około 800 lat potem koncentracja CO2. Kiedy temperatura wzrośnie, podgrzane oceany są w stanie pomieścić mniej gazów (ich rozpuszczalność w wyższej temperaturze jest mniejsza), więc wypuszczają je do atmosfery. Wpuszczone do atmosfery gazy cieplarniane powodują dalszy wzrost temperatury, skurczenie się czap polarnych, podgrzanie oceanów i w konsekwencji dalszy wzrost koncentracji CO2 i metanu w atmosferze. Wzrost temperatury i koncentracji CO2 w atmosferze nawzajem się nakręcają w silnym dodatnim sprzężeniu zwrotnym.
Z wykresu widać też, że w ciągu setek tysięcy lat koncentracja dwutlenku węgla w atmosferze oscylowała w zakresie 180-300 ppmv. Obecna koncentracja jest bliska 400 ppmv, a tempo jej narastania wyjątkowo szybkie.
Czy grozi nam kolejna epoka lodowcowa?
Pojawiają się stwierdzenia, że do pewnego stopnia nasze ocieplanie atmosfery można uznać za korzystne. Dlaczego? Ponieważ stabilizuje klimat Ziemi w ciepłej fazie interglacjalnej. Niektórzy naukowcy wyrażają nawet opinię, że długi okres stabilnej temperatury zawdzięczamy podwyższonej koncentracji metanu w atmosferze, za którą odpowiada emisja tego gazu z pól ryżowych oraz zwierzęta hodowlane, a także wyższej koncentracji CO2 spowodowanej wylesianiem. Bez tego mogłoby się okazać, że stabilna temperatura Holocenu spadłaby, powodując powrót epoki lodowcowej.
Czy jednak powinniśmy obawiać się nadejścia epoki lodowcowej?
Nie. Cyklem epok lodowcowych i interglacjałów sterują zmiany orbity Ziemi skutkujące zmianą nasłonecznienia północnej półkuli, tzw. Cykle Milankovicia.
Cykle Milankovicia i epoki lodowcowe. Na czerwono, zielono, i niebiesko
zaznaczone są zmiany parametrów astronomicznych w czasie ostatniego
miliona lat. Na żółto zaznaczona jest ilość dochodzącej energii
słonecznej na 65N. Na czarno zaznaczone są stadia oblodzenia na Ziemi,
pokrywające się z maksimami otrzymywanej od Słońca energii.
Uwaga: dziś jest po lewej stronie, najstarsze dane są po prawej. Źródło: wikipedia
Jeśli obecne minimum letniego nasłonecznienia nie wprowadziło nas w
epokę lodową, to nie grozi nam to przez co najmniej kolejne 50 tysięcy lat, bo właśnie teraz jesteśmy w minimum cyklu i w najbliższych latach ilość energii otrzymywanej przez północną półkulę Ziemi będzie rosła.
Nasłonecznienie na 65 stopniu szerokości geograficznej północnej w ciągu ostatnich 200 tysięcy lat i najbliższych 130 tysięcy lat.
Nawet bez udziału ludzkości i naszych emisji gazów cieplarnianych modyfikującej skład atmosfery, obecny interglacjał trwałby znacznie dłużej od wcześniejszych (jego długość była by zbliżona do interglacjału sprzed 400 000 lat, kiedy to również mimośród orbity Ziemi był bardzo mały).
Zmiany klimatu w okresie setek milionów lat
A jak zmieniała się temperatura i koncentracja CO2 w atmosferze w przeciągu ostatnich setek milionów lat? To już jest błądzenie we mgle – mnóstwo wątpliwości, znaczne błędy pomiarów, zmienne parametry pomiarów, które przy krótszych skalach czasowych w ogóle nie występują. Chociażby dryf i zmiana układu kontynentów i wynikające z tego złożone zmiany w układzie prądów oceanicznych, okresy aktywności wulkanicznej i reakcje skał na powierzchni, ewolucja organizmów żywych zmiany mocy promieniowania Słońca czy wreszcie zmiany położenia Układu Słonecznego względem ramion spiralnych Galaktyki, w których ilość wpływającego na powstawanie chmur promieniowania kosmicznego może być 3-krotnie większa niż poza nimi.
Zdarza się, że pomiary wykonywane różnymi metodami i w różnych miejscach planety dają trudne do wyjaśnienia wyniki – na przykład to, że kilkadziesiąt milionów lat temu w Arktyce panowały warunki tropikalne, a Antarktyda była skuta lodem – można to próbować wyjaśniać (na wiele sposobów), można weryfikować i korygować pomiary. Ale to skomplikowana układanka.
Pomiary są podstawą dla złożonych komputerowych modeli klimatu. Jednym z testów modeli jest odtwarzanie paleoklimatu Ziemi w różnych epokach – epok lodowcowych, ciepłego okresu Kredy, zamarzania i rozmarzania Antarktydy czy Ziemi Śnieżki. Modele są często sprzeczne z pomiarami. Pomiary mówią, że coś miało miejsce, a modele mówią „to niemożliwe”. Doskonali się więc modele, ale także sposoby pomiarów. Wielokrotnie okazywało się, że to modele miały rację, a pomiary były błędne.
Rys. Diagram temperatury i koncentracji CO2 w atmosferze w przeciągu ostatnich 600 milionów lat. W zależności od metod pomiarowych i stosowanych korekcji otrzymywane wyniki różnią się znacząco. Większość badań wskazuje, że w przeszłości historii Ziemi zarówno koncentracja CO2 w atmosferze, jak i temperatura bywały znacząco wyższe, a okresy istnienia czap polarnych były dość krótkie (pionowe szare pasy) w porównaniu do całej historii Ziemi.
Pomiary sugerują, że przez ostatnie dziesiątki milionów lat temperatura opadała, a obecny okres jest jednym z chłodniejszych w historii Ziemi.
Ktoś może zapytać – i co z tego, że nawet podniesiemy temperaturę Ziemi o kilka stopni – przecież nasza planeta widziała już takie temperatury. Przed 100 milionami lat, w czasach dinozaurów, średnia temperatura Ziemi temperatura była wyższa o 2-4°C, a w rejonach polarnych znacznie bardziej, nawet do 20°C – w Kanadzie żyły krokodyle, na Spitsbergenie lemury, a na Alasce i Grenlandii rosły drzewa tropikalne, np. bananowce. Tam, gdzie dziś żyją pingwiny i niedźwiedzie polarne, żyły dinozaury. Także ilość dwutlenku węgla w atmosferze najprawdopodobniej bywała nawet kilkukrotnie wyższa niż obecnie – bez tego zresztą nie potrafilibyśmy wytłumaczyć okresów tak wysokich temperatur.
To jaka koncentracja gazów cieplarnianych czy temperatura Ziemi jest właściwa, można zapytać? Trudno powiedzieć, czy temperatura wyższa lub niższa o kilka stopni jest „zła” lub „dobra”. To co powoduje problemy to ZMIANY temperatury, a szczególnie SZYBKIE ZMIANY. Oraz kierunek tych zmian.
Z przewidywań naukowców wynika, że do końca XXI wieku temperatura może wzrosnąć w najbardziej prawdopodobnym scenariuszu o 3-4°C, a w scenariuszach z wysoką emisją gazów cieplarnianych i silnymi dodatnimi sprzężeniami zwrotnymi nawet o ponad 6°C. I bynajmniej nie przestanie rosnąć z końcem naszego stulecia. Jednym słowem – w ciągu dekad możemy zmienić klimat planety w skali charakterystycznej raczej dla dziesiątek milionów lat (nawet zmiany epok lodowcowych trwały millenia, a nie dekady).
Sama zmiana temperatury o 2°C przesunie temperatury na powierzchni Ziemi do warunków, jakie nie istniały od 3 milionów lat, czyli od okresu środkowego Pliocenu. Zmiana o 4°C będzie oznaczać, że w przeciągu stulecia przeniesiemy klimat Ziemi do czasów wolnego od lodu świata, który skończył się 35 milionów lat temu. Tymczasem typowy okres istnienia gatunku to tylko 1-3 milionów lat. Najprawdopodobniej więc w przeciągu dekad – geologicznym mgnieniu oka – dokonamy transformacji warunków panujących na naszej planecie do stanu, z którym obecnie żyjące gatunki nie miały nigdy w historii do czynienia.
To eksperyment na skalę planetarną… A biorąc pod uwagę czas życia dwutlenku węgla w atmosferze liczony w dziesiątkach tysięcy lat – eksperyment ten nie ma możliwości zatrzymania ani cofnięcia…
O wpływie aktywności słonecznej na zmiany temperatury na
ziemi, o tym co to są cykle Milankovicia i jaki ma to wszystko związek ze zmianami
klimatu przeczytasz w kolejnym artykule – Wpływ Słońca na zmiany temperatury Ziemi .
