W 1991 r. Richard Lindzen wyliczył, że para wodna i chmury to 98% efektu cieplarnianego, a dwutlenek węgla to mniej niż 2%. I chociaż łatwo sprawdzić przy pomocy obliczeń mieszczących się z tyłu zużytej koperty, że się grubo mylił, to wynik ten pokutuje po dziś dzień na blogach denialistów. Może dlatego warto wrócić do tego tematu i pokazać co na ten temat mówi współczesna nauka.
Pretekstem do tego może być ukazanie się w Science artykułu Lacisa i innych [1], nie tylko wyliczającego wkład poszczególnych składników atmosfery do całkowitego efektu cieplarnianego ale dodatkowo pokazujący przy pomocy modelu klimatycznego [2] jaki byłby skutek całkowitego usunięcia CO2 z atmosfery. A byłby on dramatyczny.
Jak już pisałem, naturalny efekt cieplarniany, czyli różnica pomiędzy temperaturą średnią „efektywną” jaką powierzchnia Ziemi miałaby gdyby atmosfera nie absorbowała w zakresie długofalowym (podczerwieni), a temperaturą obserwowaną to 33 °C. Do wyliczenia temperatury efektywnej wystarczy znać strumień promieniowania krótkofalowego (widzialnego) płynący ze słońca, oraz ile z niego jest odbijane (tzn nie zaabsorbowane) łącz nie przez atmosferę lądy i morza (czyli albedo). Obie te wartości znamy dość dobrze a fizyka (prawo Stefana-Boltzmanna) jest na poziomie dobrego programu szkoły średniej.
Ponieważ wiemy jak dużo promieniowania długofalowego jest absorbowane przez każdy ze składników atmosfery (chmury są tu traktowane jako składnik odrębny niż para wodna) możemy dość łatwo rozdzielić między nie zasługi w grzaniu Ziemi. Dość łatwo, ale nie trywialnie łatwo. Problemem jest tu to, że nie są one addytywne (nie da się ich zwyczajnie dodać). Przyczyną jest pokrywanie się pasm absorpcji różnych składników atmosfery i nieliniowość efektu względem ich koncentracji (o tym także już pisałem). Autorzy rozwiązali to prosto i sprytnie, uśredniając dla każdego składnika efekt dodania go do innych i odjęcia go od całkowitego efektu. Gdy ma się model, w który wbudowana jest to jest to zadanie jakie można zadać studentowi „na jutro rano”. Wynikiem takiego zadania domowego jest poniższy rysunek z artykułu (wartości zaznaczone liniami kropkowanymi i przerywanymi to wyniki właśnie dodawania i odejmowania danego składnika):
Od razu widać, że Lindzen pomylił się mniej więcej 10 razy: CO2 to 20% efektu cieplarnianego a „inne” (metan, ozon, tlenek azotu i freony) to 5%. Czyli nadal para wodna i chmury to 75%. Dwadzieścia procent to więcej niż 2% ale mimo wszystko to nie dużo. Czy jest więc w ogóle sens przejmować się tym dwutlenkiem węgla? Otóż jest. Różnica między tymi dwoma słupkami po prawej a tymi po lewej jest taka, że te po prawej w temperaturach występujących gdziekolwiek w atmosferze ziemskiej nie kondensują (skraplają się), ich koncentracja nie zależy zatem od temperatury. Dlatego nazywamy je wymuszeniami (forcings). Te po lewej natomiast są silnie zależne od temperatury: jakakolwiek jej zmiana powoduje zmiany koncentracji pary wodnej i ilości chmur w atmosferze. Dlatego nazywamy je sprzężeniami zwrotnymi (feedbacks). Zmiany wymuszeń są tym co steruje tymi sprzężeniami zwrotnymi. I to zapewne ma symbolizować ta waga na rysunku, gdzie 25% waży więcej niż 75%.
Ta arytmetyka może wydawać się skutkiem fanatyzmu klimatologów, ale byłby to błędny wniosek. Po prostu jeśli usunąć gazy cieplarniane „niekondensujące” z atmosfery to koncentracja pary wodnej także spadnie. I to spadnie stanowczo: jej zależność od temperatury jest prawie eksponencjalna. Skutkiem tego jest trzykrotne wzmocnienie każdej zmiany równowagi radiacyjnej przez łączy efekt zmian ilości pary wodnej i chmur. Autorzy zrobili zresztą eksperyment numeryczny: zmniejszyli w modelu klimatycznym momentalnie koncentracje niekondensujących gazów cieplarnianych do zera i śledzili efekt tego przez 50 lat. Jest to odpowiednikiem wykonania przez złotą rybkę życzenia dziecka, które nauczono że dwutlenek węgla, metan itp. są „złe”. Jak widać z poniższego rysunku nie jest to do końca prawdą:
Efekty są dramatyczne. Ziemia bez CO2, O3, CH4, N2O i freonów w atmosferze ochładza się w ciągu kilku dekad o około 35 stopni. Koncentracja pary wodnej spada 10 razy. Dwie trzecie oceanów pokryte jest lodem.
Uważny czytelnik zapyta jak to jest możliwe, że temperatura spadnie o 35 stopni podczas gdy efekt cieplarniany to 33 C. Tak, 33 stopnie ale przy założonej stałej wartości albedo. A jak widać z powyższego rysunku na tak zimnej Ziemi albedo (przynajmniej w zastosowanym modelu [3]) wzrasta pod wpływem wzrostu ilości chmur w coraz zimniejszej atmosferze. Dla porównania napiszę, że Lindzen w 1995 roku oceniał efekt usunięcia CO2 z atmosfery na oziębienie o zaledwie 3,53 C (zakładając 40% pokrycie chmurami). Czyli znów mylił się około dziesięciokrotnie.
A jak by wyglądał rozkład temperatur na takiej Ziemi? Proszę bardzo:
Na osi pionowej mamy szerokość geograficzna a na poziomej czas. Widać, że pod koniec tych 50 lat oziębiania [4] temperatury dodatnie (czyli otwarta niezamarznięta woda) występują tylko w okolicach równika. Czyli mamy epokę lodową? Nawet gorzej: to jest kula śnieżna Ziemia („Snowball Earth„) czyli sytuacja jaka się rzeczywiście zdarzyła kilkakrotnie w historii planety około 2,2 mld lat temu i parę razy z rzędu miedzy 800 a 600 mln lat temu [5]. Zlodowacenia były wówczas praktycznie wszędzie, a to że tu teraz jesteśmy zawdzięczamy tylko i wyłącznie dwutlenkowi węgla. W skali geologicznej jedynymi procesami jakie maja znaczenie dla jego koncentracji to wulkanizm (jako źródło) i rozpuszczanie (erozja) skał wulkanicznych (powodujący ubywanie CO2). Wulkanizm w czasie tego kataklizmu działał nadal ale skały były przykryte lodem. Po iluś tam milionach lat musiało to doprowadzić do takiego wzrostu koncentracji CO2, że pomimo olbrzymiego albedo lodu, Ziemia w końcu się odlodziła. Ślady tych olbrzymich koncentracji w postaci złóż skał węglanowych widać po każdym takim epizodzie. Olbrzymie ilości zakopanego węgla z CO2 po każdym z tych zlodowaceń powodowały wzrost koncentracji atmosferycznego tlenu [6] i nie przypadkiem po każdym z nich jego koncentracja atmosferyczna wzrastała. Zaraz po ostatnim takim epizodzie 635 mln lat temu zaczyna się „wybuchowo” rozwój życia wielokomórkowego. Najwyraźniej wreszcie jest dla niego wystarczająco dużo tlenu. Ale to już inna historia…
[1] Lacis, A., Schmidt, G., Rind, D., & Ruedy, R. (2010). Atmospheric CO2: Principal Control Knob Governing Earth’s Temperature Science, 330 (6002), 356-359 DOI: 10.1126/science.1190653
[2] ModelE produkcji Goddard Institute for Space Studies (GISS), z rozdzielczością 4 na 5 stopni.
[3] Chmury i ich reakcja na wymuszenia to najsłabsza część współczesnej fizyki atmosfery więc ten akurat efekt do najmocniejszych konkluzji artykułu nie należy. Jest nawet trudny do zrozumienia: skąd tyle chmur przy tak małej ilości pary wodnej? Częściową odpowiedzią może być to, że będą to głównie chmury kryształków lodu, a te utrzymują się w atmosferze dłużej niż chmury z kropelek wody. Dopisek: Po namyśle doszedłem do wniosku, że to bez znaczenia gdyż przy mniejszej ilości chmur albedo i tak by się zwiększyło jeśli pod spodem byłby głównie lód i śnieg.
[4] Ziemia potrzebuje tak długo aby się oziębić do nowej wartości równowagi jedynie dzięki olbrzymiej pojemności cieplnej oceanów. Gdyby ich nie było planeta równowagę osiągnęłaby w rok czy dwa.
[5] Właściwie uzyskany efekt to raczej Slushball Earth niz Snowball Earth gdyż mamy w tropikach trochę niezamarzniętego oceanu. Która z tych koncepcji odpowiada sytuacji podczas globalnych zlodowaceń w historii Ziemi jest nadal dyskutowane ale należy pamiętać, że Słońce było wówczas mniej jasne niż dziś (o czym też już pisałem) i wówczas bez CO2 w atmosferze Ziemia naprawdę mogła stawać się kulą lodową.
[6] Polecam tu książkę Nicka Lane’a „Tlen. Cząsteczka, która stworzyła świat” wydana także w języku polskim przez Prószyńskiego i S-kę.
Źródło: AnomaliaKlimatyczna
