Argument sceptyków:
Na Wenus nie ma efektu rozbuchanej szklarni. Ziemi też to nie grozi.
Co mówi nauka:
Planeta Wenus prawdopodobnie w swojej wczesnej historii przeszła okres rozbuchanej ‘wilgotnej’ szklarni, a dziś jest na niej tak ciepło w wyniku działania gęstej, składającej się głównie z dwutlenku węgla, atmosfery. Nawet jeśli spalimy wszystkie paliwa kopalne, to nie doprowadzimy do odparowania oceanów, jednak na setki tysięcy lat wywołamy umiarkowaną wilgotną szklarnię, podnosząc temperaturę Ziemi do poziomu, który uczyni z niej zupełnie inną, praktycznie nie nadającą się do zamieszkania planetę.
„Teoria rozbuchanej szklarni jest gorzej niż absurdalna” – to opinia znanego sceptyka Stevena Goddarda, którą uzasadnia w artykułach (np. tutaj i tutaj) na najbardziej znanym portalu poświęconym zaprzeczaniu wpływowi gazów cieplarnianych, zmianie klimatu i naszym w niej udziale. Według Goddarda to nie efekt cieplarniany powoduje, że na Wenus jest tak ciepło, lecz ciśnienie. Poziom naukowy tych rozważań był tak niski, że zdystansowali się od nich nawet inni sceptyczni naukowcy, m.in. dr Roy Spencer.
Skupimy się więc nie na tej alternatywnej teorii, lecz na przedyskutowaniu sytuacji na Wenus i efektu rozbuchanej szklarni jako takiego.
Należy zauważyć, że określenie „rozbuchany efekt cieplarniany” odnosi się do specyficznego procesu będącego obiektem zainteresowania zajmujących się ewolucją planet naukowców i nie chodzi w nim o to, że planeta ma po prostu bardzo gorącą i bogatą w CO2 atmosferę. Najlepiej myśleć o „rozbuchanym efekcie cieplarnianym” jako o zjawisku, do którego doszło bardzo dawno temu na Wenus (a także wielu planetach, które miały pecha znaleźć się zbyt blisko swojej gwiazdy), a nie jako o trwałym stanie, w którym obecne planeta się znajduje.
Wenus dzisiaj – wprowadzenie
Rysunek 1. Planeta Wenus w naturalnych kolorach. NASA.
Wenus to bliska siostra Ziemi, jest nie tylko planetą najbliższą w przestrzeni, ale też bardzo podobną – o prawie identycznym rozmiarze i podobnym składzie początkowym. Jednaj losy Wenus potoczyły się zupełnie inaczej niż Ziemi. Dziś atmosfera Wenus jest 100 razy gęstsza od ziemskiej i w ponad 96% składa się z dwutlenku węgla. Efekt cieplarniany podnosi temperaturę do ponad 460°C, a ciśnienie na powierzchni wynosi 92 atmosfery (92 kg/cm2), co z grubsza odpowiada ciśnieniu panującemu w oceanie na głębokości 1 kilometra. Pierwsze sondy kosmiczne, mające wylądować na planecie, nie docierały do jej powierzchni, lecz ulegały zniszczeniu wysoko w jej atmosferze.
Orbita Wenus ma promień odpowiadający 72% promienia orbity ziemskiej. W takiej odległości od Słońca natężenie promieniowania naszej gwiazdy jest mniej więcej 2-krotnie silniejsze. Widziana z kosmosu Wenus ma bardzo jasną powierzchnię, co oznacza bardzo wysoki współczynnik odbijania światła (albedo). Kompensuje to z nawiązką wyższe natężenie promieniowania słonecznego, dzięki czemu Wenus pochłania mniej energii słonecznej niż Ziemia.
To wysokie albedo Wenus zawdzięcza gazowym związkom siarki, które reagując z pozostałą wodą, tworzą unoszące się w atmosferze powłoki chmur kwasu siarkowego (H2SO4), nawet jednak bez tych chmur albedo Wenus byłoby wysokie, ze względu na silne rozpraszanie Rayleigha w gęstej atmosferze (wpływ chmur w atmosferze Wenus jest omówiony m.in. w Bullock i Grinspoon, 2001). Do powierzchni planety dociera niecałe 10% promieniowania.
Obserwacje pary wodnej w atmosferze Wenus pokazują ekstremalnie wysoki stosunek ilości atomów deuteru 2H do atomów normalnego lekkiego wodoru 1H, co zostało spowodowane znacznie łatwiejszą ucieczką atomów 1H z pola grawitacyjnego planety, niż dwukrotnie cięższych atomów deuteru. Na podstawie zawartości izotopów wodoru można oszacować ilość wody na Wenus w okresie jej formowania się – okazuje się, że kiedyś na Wenus było co najmniej 100-krotnie więcej wody niż obecnie (Selsis 2007 i referencje artykułu).
Efekt cieplarniany na Wenus jest głównie powodowany przez CO2, chociaż znaczący wkład mają też para wodna i SO2. Gazy te powodują, że atmosfera Wenus jest bardzo nieprzezroczysta dla promieniowania podczerwonego (Rysunek 2), dlatego też większość obserwowanego z kosmosu promieniowania podczerwonego pochodzi z bardzo wysokich (i przez to chłodnych) warstw atmosfery – pomimo tego, że przecież powierzchnia Wenus jest nadzwyczaj gorąca, na zdjęciach robionych w podczerwieni planeta ta wygląda na prawie tak zimną jak Mars.
Podobnie jak na Ziemi, wenusjańskie chmury przyczyniają się do efektu cieplarnianego, choć nie absorbują/emitują tak dobrze fal podczerwonych, jak para wodna. Jednak tworzące chmury kropelki kwasu siarkowego bardzo skutecznie rozpraszają fale podczerwone, odbijając je ku powierzchni, co przyczynia się do efektu cieplarnianego. W gęstej atmosferze Wenus, wysokie ciśnienie i temperatura, wraz z obecnością szeregu dodatkowych efektów nieobecnych we współczesnej atmosferze Ziemi, prowadzą do poszerzenia pasem absorpcyjnych i dodatkowego wzmocnienia działania gazów cieplarnianych. Efekt cieplarniany CO2 na Wenus wcale nie jest nasycony, jak twierdzą niektórzy sceptycy. Dobrze sprawdzające się w obecnej atmosferze Ziemi przybliżenie logarytmicznego związku pomiędzy koncentracją CO2, a wymuszaniem radiacyjnym (Myhre 1998), w którym każde podwojenie ilości CO2 w atmosferze zmniejsza ucieczkę energii w tropopauzie o ~4 W/m2, zupełnie nie zdaje egzaminu. Dotyczy to zresztą nie tylko atmosfery Wenus, ale też np. atmosfery Ziemi wychodzącej z epizodów Ziemi-Śnieżki – w takich warunkach ocieplający wpływ dwutlenku węgla (i innych gazów cieplarnianych) jest znacząco wzmocniony. Szacunkowe obliczenia Goddarda, ekstrapolującego logarytmiczną zależność pomiędzy CO2 a wymuszaniem radiacyjnym, zupełnie nie pasują do sytuacji atmosfery Wenus i tracą sens fizyczny.
Rysunek 2: Spektrum promieniowania Wenus, Marsa i Ziemi. David Grisp (Jet Propulsion Laboratory/CIT), „Understanding the Remote-Sensing Signatures of Life in Disk-averaged Planetary Spectra: 2”
Jak zrobić rozbuchaną szklarnię?
Jak wygląda przepis na uzyskanie rozbuchanej szklarni? Potrzeba dwóch składników: promieniowania słonecznego oraz dostępności jakiegoś gazu cieplarnianego pozostającego w równowadze ze zbiornikiem na powierzchni planety (przy czym koncentracja tego gazu w atmosferze rośnie wraz z temperaturą zgodnie z równaniem Clausiusa-Clapeyrona). Dla Ziemi i dla Wenus, tym gazem cieplarnianym jest woda, a zbiornikiem powierzchniowym z którego paruje i do którego się skrapla – oceany (choć w ogólności może to być inny gaz cieplarniany o tych cechach).
Bez obecności atmosfery i innych „przeszkadzających” ucieczce promieniowania czynników, normalna zależność pomiędzy wzrostem temperatury, a uciekającej energii (w przybliżeniu ciała doskonale czarnego) jest dana zależnością Stefana-Boltzmanna E ~ T4, co oznacza, że dwukrotny wzrost temperatury (mierzonej w stopniach Kelwina) spowoduje szesnastokrotny wzrost uciekającej energii.
Obecność pary wodnej powoduje, że w miarę wzrostu temperatury powierzchni rośnie ilości pary wodnej w atmosferze, co z kolei zmniejsza przezroczystość atmosfery i wzmacnia efekt cieplarniany. W konsekwencji tego sprzężenia zwrotnego, na wykresie ilości uciekającego promieniowania w funkcji temperatury zobaczymy, że wraz ze wzrostem temperatury ucieka mniej energii, niż wynikałoby z zależności Stefana-Boltzmanna.
Rysunek 3. Ilustracja sprzężenia zwrotnego pary wodnej: ilość uciekającego z Ziemi promieniowana długofalowego w funkcji temperatury powierzchni dla różnych wartości CO2 i wilgotności względnej. Dla ustalonej wilgotności względnej, wilgotność właściwa rośnie wraz z temperaturą. Poziome zielone linie to zaabsorbowane promieniowanie krótkofalowe dla wartości 260 W/m2 i 300 W/m2. W stanie równowagi radiacyjnej musi ono zostać wypromieniowane. Czerwona linia pokazuje jak będzie rosła ilość wypromieniowywanego przez Ziemię promieniowania krótkofalowego przy małej (10%) wilgotności względnej, linia niebieska przy dużej wilgotności względnej (70%), a linia czarna przy dużej ilości CO2. (Pierrehumbert 2002, Box 1).
Dodawanie do atmosfery gazów cieplarnianych zmniejsza ilość uciekającego promieniowania krótkofalowego (przy ustalonej temperaturze), co oznacza, że temperatura musi wzrosnąć, żeby budżet radiacyjny planety zbilansował się. Dla absorbowanego promieniowania słonecznego S=260 W/m2, 100 ppm CO2 w atmosferze i 10% wilgotności względnej, równowaga zostaje osiągnięta przy temperaturze 276 K (punkt a na rysunku). Jeśli Dla wilgotności względnej 70% (czyli większej ilości pary wodnej w atmosferze) punkt równowagi wzrośnie do 288 K (punkt b). Jeśli w atmosferze będzie znacząco więcej CO2, to temperatura pozwalająca na wypromieniowanie docierającej do planety energii będzie jeszcze wyższa (dla 0,2 bar CO2 będzie to ~330 K (punkt c).
Ponieważ koncentracja pary wodnej (gazu cieplarnianego) rośnie wraz z temperaturą, coraz większe jest też blokowanie wypromieniowywanego przez planetę promieniowania długofalowego – nachylenie krzywej staje się coraz mniejsze. Oznacza to, że czułość klimatu na wzrost wymuszania radiacyjnego staje się coraz wyższa, co widać na Rysunku 3. Przy 10% wilgotności (linia czerwona) wzrost wymuszania radiacyjnego z 260 W/m2 do 300 W/m2 spowoduje wzrost temperatury równowagowej o 14K (punkt a’ względem punktu a).
Przy wyższej wilgotności (linia niebieska), wzrost temperatury wyniesie już aż 30 K. Tak właśnie manifestuje się sprzężenie zwrotne pary wodnej. Jego ostatecznym wcieleniem jest rozbuchana szklarnia – wzrost temperatury powoduje tak intensywne parowanie i szybki przyrost ilości pary wodnej w atmosferze, że ilość wypromieniowywanej w przestrzeń kosmiczną energii przestaje rosnąć – to tzw. „granica Kombayashiego-Ingersolla”. Planeta z wilgotną atmosferą nie może wypromieniować w podczerwieni więcej energii.
Granica Kombayashiego-Ingersolla stanowi oczywiście pewne przybliżenie obliczeniowe, dokładniejsze oszacowania maksymalnej ilości promieniowania długofalowego, które może wypromieniowywać planeta z wilgotną atmosferą, biorące pod uwagę więcej procesów zachodzących w troposferze i stratosferze zostały przedstawione m.in. w artykule Nakajima (1992).
Gdy wymuszanie czynników zewnętrznych (szczególnie Słońca) osiągnie granicę Kombayashiego-Ingersolla, dojdzie do rozbuchanej szklarni: temperatura planety będzie rosła, aż temperatura powierzchni osiągnie około 1400 stopni (rozgrzana planeta zrobi się wtedy tak gorąca, że zacznie intensywnie świecić w świetle widzialnym, tracąc w ten sposób energię). Przy takim wzroście temperatury oceany odparują i cała para wodna będzie już znajdować się w atmosferze. Nastąpi rozkład cząsteczek wody na wodór i tlen. Lekki wodór ucieknie wtedy z pola grawitacyjnego planety, co dla planety będzie oznaczać ostateczną i nieodwracalną utratę wody. Gdy już nie będzie opadów wody na powierzchnię, przestanie działać usuwający z atmosfery dwutlenek węgla proces wietrzenia skał krzemianowych (przy czym CO2 będzie nadal pompowany przez wulkany do atmosfery, gdzie jego ilość będzie ciągle rosła).
Mniej więcej takie zdarzenia zaszły na Wenus (alternatywnym wytłumaczeniem jest proces tzw. „wilgotnej szklarni”, o którym za chwilę) – w rezultacie Wenus stała się miejscem wrogim dla życia. (Pierrehumbert 2002).
Rysunek 4. Jakościowy schemat znikania oceanu podczas przechodzenia przez planetę procesu rozbuchanej szklarni. (R. Pierrehumbert, Principles of Planetary Climate, Rozdz. 4.3).
Wilgotna szklarnia
Obecnie na Ziemi, para wodna jest uwięziona przy powierzchni przez „zimną pułapkę” tropopauzy, w której temperatura spada poniżej -50°C – w takiej temperaturze ilość mogącej pozostać w powietrzu pary wodnej jest bardzo mała; w tropopauzie kończy się też konwekcja (aby zachodziła, temperatura musi spadać na tyle szybko, by unosząca się ciepła masa powietrza, ochładzająca się adiabatycznie, cały czas była cieplejsza od otoczenia). Tak więc znacząca ilość pary wodnej nie może osiągnąć wyższych warstw atmosfery, zamiast tego kondensując i opadając w postaci deszczu.
W scenariuszu rozbuchanej szklarni ta „zimna pułapka” przestaje istnieć, a wilgotna atmosfera obejmuje też stratosferę. To z kolei umożliwia promieniowaniu nadfioletowemu (które nie dociera do troposfery), rozkład znajdującej się w stratosferze pary wodnej na tlen i wodór. Ten zaś ucieka w kosmos, w procesie, który doprowadził do utraty wody przez Wenus. Scenariuszem pośrednim jest „wilgotna szklarnia” (Kasting 1988), w której nie dochodzi do odparowania oceanów w wyniku wzrostu temperatury, jednak stratosfera jest wilgotna, więc proces utraty wody przez ucieczkę wodoru postępuje. W dalszych badaniach (Kasting 1993) Kasting zastosował te obliczenia do oszacowania rozmiarów ekosfer (stref wokół gwiazd, w których mogą leżeć planety nadające się dla życia) wokół gwiazd ciągu głównego. Obliczenia Kastinga prowadzą do wniosku, że planeta posiadająca atmosferę z parą wodną nie może pozbywać się więcej niż 310 W/m2 (co jest wartością o 40% większą od obecnej stałej słonecznej oraz o 10% większą od obecnego progu „wilgotnej szklarni”). Przy obecnym natężeniu promieniowania słonecznego Ziemia mogłaby być bezpieczna, krążąc nawet o 5% bliżej Słońca.
Ziemia i rozbuchana szklarnia
Na Wenus doszło do efektu rozbuchanej szklarni. Czy Ziemię mógłby spotkać podobny los? Oczywiście tak. Gdybyśmy magicznie przenieśli Ziemię na orbitę Wenus, naszą planetę spotkałby taki sam los – oceany wyparowałyby, a powierzch¬nia Ziemi zamieniłaby się w wypaloną, gorętszą od wnętrza piekarnika pustynię.
Oczywiście nie przesuniemy Ziemi na orbitę Wenus. Ale wzrost mocy Słońca miałby ten sam skutek. To zresztą nastąpi – za około miliard lat Słońce będzie świecić o 10% silniej niż dziś – będzie to tożsame dodatkowemu wymuszaniu radiacyjnemu równemu mniej więcej 25 W/m2, co wystarczy, by Ziemia osiągnęła próg „wilgotnej szklarni” i zaczęła w coraz szybszym tempie tracić wodę.
Ponieważ obecny klimat Ziemi znajduje się znacząco poniżej progu rozbuchanej szklarni, parująca woda kondensuje i opada w postaci deszczu, a nie gromadzi się bez końca w atmosferze. Inaczej jest z CO2, który pozostaje w atmosferze, o ile nie usuną go procesy wietrzenia krzemianów (bardzo powolne) lub nie zostanie pochłonięty przez oceany/biosferę (procesy te mają ograniczoną „pojemność absorpcji CO2”).
Czy jest możliwe, że naszymi emisje gazów cieplarnianych spowodują tak znaczący wzrostu wymuszania radiacyjnego, że dojdzie do tej ostatecznej katastrofy i końca życia na Ziemi?
Klimatologiem, który najgłośniej podnosi kwestię możliwego wystąpienia rozbuchanej szklarni jest James Hansen, dyrektor Instytutu Badań Przestrzeni Kosmicznej NASA im. Goddarda w Nowym Jorku, który w swojej książce „Storms of My Grandchildren” z 2009 roku, stwierdza:
„(…) jeśli spalimy całość zasobów ropy, gazu i węgla, istnieje możliwość, że zainicjujemy nieodwracalny już efekt rozbuchanej szklarni. Jeśli zaś spalimy piaski roponośne i łupki bitumiczne, to myślę, że mamy tego gwarancję. To byłby ostateczny faustowski pakt z szatanem. Za wspaniałe chwile i dobrobyt osiągnięty dzięki paliwom kopalnym zapłacilibyśmy cenę najwyższą – nieodwracalnie niszcząc całe życie na Ziemi”.
Większość klimatologów uważa, że nie spalimy wszystkich istniejących na Ziemi paliw kopalnych, próg rozbuchanej szklarni jest wystarczająco wysoko, a do skrajnego scenariusza Wenus nie dojdzie. Ostatnio przeprowadzona kompleksowa analiza teoretyczna (Goldblatt 2012) stwierdza:
„Czy przedwczesne spowodowanie takiej katastrofy naszymi obecnymi zmieniającymi klimat działaniami jest możliwe? Aby udzielić odpowiedzi na to pytanie, w naszej pracy dokonujemy przeglądu stanu wiedzy o rozbuchanej szklarni, opisując różne ograniczenia uciekającego promieniowania i tego jak w ich ramach będzie ewoluował klimat. Dobra wiadomość jest taka, że prawie wszystkie dowody prowadzą nas do wniosku, że wywołanie pełnoskalowej rozbuchanej szklarni przez emisję niekondensujących gazów, takich jak CO2, jest mało prawdopodobne, nawet w teorii. Jednak nasze rozumienie dynamiki, termodynamiki, transferu radiacyjnego i fizyki chmur gorących i przesyconych parą atmosfer jest słabe. Nie możemy więc zupełnie wykluczyć możliwości, że nasze działania doprowadzą do zmiany stanu klimatu, jeśli nawet nie do pełnoskalowej rozbuchanej szklarni, to co najmniej do znacznie cieplejszego stanu niż obecny. Ostrzeżeniem może być wysoka czułość klimatu. Jeśli staniemy (a raczej nasze dzieci) przed zagrożeniem rozbuchanej szklarni, to odbijająca światło słońca geoinżynieria może być jedyną nadzieją dla życia.”
W późniejszych pracach także Hansen (Hansen 2013) łagodzi stanowisko, stwierdzając:
„Nasze symulacje wskazują na to, że racjonalne szacunki emisji gazów cieplarnianych przez ludzkość nie wywołają destabilizacji i rozbuchanej szklarni zgodnej z definicją Ingersolla, co jest też zgodne z analizą teoretyczną Goldblatt 2012.
Jednak z drugiej strony, realnie możliwy, wywołany przez nas wzrost wymuszania radiacyjnego, może doprowadzić do lekkiego efektu szklarniowego. Wymuszanie radiacyjne 12-16 W/m2, które wymagałoby wzrostu koncentracji CO2 o 8-16 razy (gdyby wymuszanie radiacyjne pochodziło tylko z CO2), podniosłoby średnią temperaturę powierzchni Ziemi o 16-24°C, ze znacznie większym ociepleniem w rejonach polarnych. Na pewnie doprowadziłoby to do stopienia całego lodu na planecie, destabilizacji i uwolnienia hydratów metanu, uwolnienia węgla z wypalonych torfowisk i lasów tropikalnych. Takie wymuszanie radiacyjne nie doprowadzi do ekstremalnego wypalenia powierzchni planety podobnego do tego, jakie zaszło na Wenus, do którego nie dojdzie, zanim wody oceanów nie wyparują, ulatniając się w przestrzeń kosmiczną. Ocieplenie o 16-24°C doprowadziłoby do warunków umiarkowanej „wilgotnej szklarni”, prowadząc do wzrostu ilości pary wodnej w atmosferze do około 1% jej masy, przyspieszając tym samym ucieczkę wodoru w kosmos. Jednak, jeśli wymuszanie będzie powodowane przez dwutlenek węgla wyemitowany w procesie spalania paliw kopalnych, to procesy wietrzenia usuną nadmiar CO2 z atmosfery w skalach czasowych 104-105 lat, wystarczająco szybko, by nie nastąpił znaczący ubytek wód oceanów.”
Konkluzja
Wenus przeszła przez proces rozbuchanej lub wilgotnej szklarni, w którym w wysokiej temperaturze straciła wodę. Gdy wody zabrakło, zatrzymał się usuwający dwutlenek węgla proces wietrzenia krzemianów, a koncentracja CO2 zaczęła rosnąć do obecnego bardzo wysokiego poziomu. To właśnie gęsta atmosfera CO2 czyni powierzchnię Wenus tak ekstremalnie gorącą.
Nam najprawdopodobniej nie uda się teraz przeprowadzić tego procesu. Nawet jeśli spalimy wszystkie paliwa kopalne, to co najwyżej na setki tysięcy lat wywołamy umiarkowaną wilgotną szklarnię, podnosząc temperaturę Ziemi do poziomu, który uczyni z niej zupełnie inną, praktycznie nie nadającą się do zamieszkania planetę. Nie ma się więc czym przejmować.
Na podstawie Skeptical Science
