Argument sceptyków:
Dodatnie sprzężenie zwrotne oznaczałoby rozbuchaną szklarnię.
„Jednym z często przytaczanych przewidywań potencjalnego ocieplenia, jest to, że podwojenie ilości CO2 w atmosferze względem poziomu przedprzemysłowego – z 280 do 560 ppm – samo w sobie doprowadziłoby do wzrostu średniej temperatury powierzchni Ziemi o 1,2°C. Uświadamiając sobie marginalne znaczenie takiego wzrostu temperatury, obóz alarmistów zaczął hipotetyzować, że nawet małe ocieplenie wywoła nieodwracalne zmiany w atmosferze, które z kolei spowodują dalsze ocieplenie. Te domniemane cykle ‘dodatniego sprzężenia zwrotnego’ mają się rozkręcać same na sobie, aż według alarmistów, doprowadzą do rozbuchanej szklarni.” (Junk Science)
Co mówi nauka:
Dodatnie sprzężenie zwrotne oznacza, że system reaguje na zaburzenie, wzmacniając je. Jednak prowadzi to do „niekontrolowanej niestabilności układu” tylko wtedy, jeśli sprzężenie jest odpowiednio silne. Jeśli tak nie jest, jak to ma miejsce w przypadku wzmacniania wpływu wzrostu ilości CO2 w atmosferze, sprzężenie zwrotne wzmacnia zaburzenie tylko w pewnym określonym i stabilnym stopniu.
Uwaga: Mamy dla Ciebie dwie wiadomości: dobrą i złą. Zła jest taka, że ponieważ argument dotyczy kwestii numerycznych (następstw dodatniego sprzężenia zwrotnego), w tym artykule wyjątkowo użyjemy matematyki. Dobra wiadomość jest taka, że będzie to matematyka na poziomie gimnazjum.
Jedną z trudności, na którą napotykają osoby stykające się z tematem globalnego ocieplenia (a szczególnie czułości klimatu, czyli wzrostu średniej temperatury powierzchni Ziemi w odpowiedzi na podwojenie ilości CO2 w atmosferze), jest to, że wzrost temperatury jest wyższy, niż wynikałoby to z samego działania cieplarnianego CO2, które samo w sobie, gdyby reszta systemu klimatycznego pozostałaby bez zmian, prowadziłoby do wzrostu temperatury o 1,2°C. Jednak stwierdzenie, że „reszta systemu klimatycznego pozostałaby bez zmian” jest nieprawdziwe – w odpowiedzi na wywołany przez CO2 wzrost temperatury rośnie parowanie i zawartość pary wodnej (silnego gazu cieplarnianego) w atmosferze, zmienia się ilość chmur, ocean pozbywa się CO2, reaguje lód pływający w Arktyce, biosfera i inne wpływające na temperaturę elementy ziemskiego systemu klimatycznego. Precyzyjne policzenie wpływu tych wszystkich czynników nie jest łatwe, jednak zajmujący się tematem naukowcy szacują tą czułość klimatu na około 3-krotnie większą (z pewną niepewnością, wg Czwartego raportu IPCC w przedziale 2-4,5°C).
Przyjrzyjmy się temu na przykładzie: wyobraź sobie świat sprzed epoki Rewolucji Przemysłowej, w którym klimat Ziemi jest w stabilnym stanie, a bilans energetyczny planety jest zrównoważony (ziemia wypromieniowuje tyle samo energii, ile pochłania). Teraz (spalając paliwa kopalne) zwiększamy ilość CO2 w atmosferze o 35%. Wzmacniamy tym samym efekt cieplarniany, blokując ucieczkę promieniowania podczerwonego. Ponieważ Ziemia wiąż otrzymuje od Słońca tyle samo energii, a ucieka jej mniej, więc energia kumuluje się w ziemskim układzie klimatycznym (głównie w oceanach), prowadząc do wzrostu temperatury powierzchni planety. Ten wzrost temperatury uruchamia cały szereg zjawisk: cieplejszy ocean zaczyna pozbywać się CO2, rośnie ilość pary wodnej w atmosferze, zmienia się zachmurzenie itd. Wszystko to wpływa zwrotnie na bilans energetyczny Ziemi i jej temperaturę.
Tutaj właśnie pojawia się przytoczone pytanie sceptyków: „Skoro więcej CO2 w atmosferze prowadzi do wzrostu temperatury, co prowadzi do uruchomienia zjawisk nasilających wzrost temperatury, który to dalej nasili te zjawiska, co spowoduje dalszy wzrost temperatury, to czy będzie to się nakręcać w nieskończoność, aż powierzchnia Ziemi stanie się gorąca jak wnętrze pieca? Jeśli efekt cieplarniany NAPRAWDĘ ma dodatnie sprzężenie zwrotne, to dlaczego nie stało się to już wcześniej? Coś tu musi być nie tak!”.
Ta linia rozumowania jest poprawna. Częściowo. A częściowo nie:
- Tak, w pewnym sensie wzrost nakręca wzrost w nieskończoność, jak w nieskończonej ilości odbić pomiędzy lustrami, ale
- Każdy kolejny krok tego cyklu jest coraz mniejszy i mniejszy. Dalsze wzmocnienia są już marginalnie słabe.
Rozważmy przykład: zaburzenie początkowe o mocy 1 zostaje wzmocnione o ½, to wzmocnienie zostaje wzmocnione o połowę (czyli o ¼), po czym następują kolejne wzmocnienia: 1/8, 1/16, 1/32 itd. Sumaryczne wzmocnienie wynosi więc ½+¼+1/8+1/16+1/32+… = 1. Łączne natężenie zaburzenia wyniesie więc 1 (zaburzenie początkowe) + 1 (sprzężenie zwrotne) = 2.
Działanie dodatniego sprzężenia zwrotnego w efekcie cieplarnianym i jego związku z temperaturą jest oczywiście trochę bardziej złożone. Warto przyjrzeć mu się bliżej, bo to właśnie związek pomiędzy ilością uciekającego z planety promieniowania długofalowego (podczerwonego) a temperaturą jest kluczowym mechanizmem kształtującym klimat planety.
Zacznijmy od bardzo prostego przykładu, który później stopniowo przybliżymy do rzeczywistości. Na koniec stanie się jasne, dlaczego dodatnie sprzężenie zwrotne może wpływać na czułość klimatu (oraz dlaczego ta może się zmieniać), oraz dlaczego dodatnie sprzężenie zwrotne niekoniecznie musi prowadzić do scenariusza rozbuchanej szklarni. Zobaczymy też, kiedy może do niej dojść.
Zacznijmy od najprostszego przykładu, w którym planeta nie ma atmosfery i wypromieniowuje pochłonięte promieniowanie jak ciało doskonale czarne, czyli zgodnie z prawem Stefana-Boltzmanna E ~ T4.
Rysunek 1. Wykres natężenia wypromieniowywanego przez powierzchnię planety promieniowania w funkcji temperatury dla ciała doskonale czarnego.
W kolejnym przybliżeniu, uzupełnijmy naszą planetę o atmosferę z gazem cieplarnianym, niech będzie to CO2 w ilości odpowiadającej obecnej jego koncentracji w atmosferze (400 ppm). Na razie w atmosferze nie ma pary wodnej (a więc i związanego z jej obecnością sprzężenia zwrotnego). Dodany do atmosfery CO2 będzie działał jak izolacja, utrudniając promieniowaniu podczerwonemu ucieczkę z planety. Aby wypromieniować (taką samą jak wcześniej) ilość pochłanianej energii powierzchnia planety musi mieć więc wyższą temperaturę. Ilustruje to Rysunek 2.
Rysunek 2. Wykres natężenia wypromieniowywanego przez powierzchnię planety promieniowania w funkcji temperatury jak powyżej oraz dla planety posiadającej atmosferę z 400 ppm CO2 (linia czerwona) Linia pozioma odpowiada ilości pochłanianego przez powierzchnię planety promieniowania krótkofalowego (które w stanie równowagi trzeba wypromieniować w kosmos). Źródło: obliczenia do wykresu zostały wykonane z pomocą modułu radiacyjnego NCAR CCM dołączonego do materiałów dodatkowych podręcznika R. Pierrehumberta Principles of Planetary Climate.
Dodatkowo na Rysunku 2 znajduje się pozioma linia 240 W/m2, odpowiadająca pochłanianej przez Ziemię energii słonecznej. W stanie równowagi Ziemia pochłania i emituje tyle samo energii. Punkt a odpowiada temperaturze, która jest wymagana, żeby planeta bez atmosfery mogła wyemitować całą absorbowaną energię. W przypadku posiadania przez planetę atmosfery zawierającej gaz cieplarniany wymagana temperatura powierzchni będzie wyższa (punkt b). To właśnie jest efekt cieplarniany w działaniu.
Wykonajmy teraz kolejny krok, dodając do naszej atmosfery z CO2 parę wodną. Jednak nie będzie to stała ilość (jak było w przypadku CO2) – ilość pary wodnej w atmosferze będzie rosnąć wraz ze wzrostem temperatury. To właśnie jest sprzężenie zwrotne pary wodnej. Tej sytuacji odpowiada niebieska linia na Rysunku 3.
Rysunek 3. Wykres natężenia wypromieniowywanego przez powierzchnię planety promieniowania w funkcji temperatury jak powyżej oraz dla planety posiadającej atmosferę z 400 ppm CO2 i parą wodną o stałej wilgotności względnej (linia niebieska).Źródło: obliczenia do wykresu zostały wykonane z pomocą modułu radiacyjnego NCAR CCM dołączonego do materiałów dodatkowych podręcznika R. Pierrehumberta Principles of Planetary Climate.
Widzimy, że przy niskich temperaturach wpływ pary wodnej jest bardzo słaby, a niebieska linia jest nieodróżnialna od czerwonej. To zrozumiałe, bo w taki niskich temperaturach (odpowiadających warunkom Ziemi-Śnieżki), w powietrzu prawie wcale nie będzie pary wodnej. Jednak już dla temperatur odpowiadających obecnie panującym na Ziemi (blisko 290 K), wpływ pary wodnej staje się bardzo istotny. Przyjrzyjmy się mu na Rysunku 4, na którym usunęliśmy czerwoną linię oraz dodaliśmy dwie linie poziome, o których można myśleć jak o dwóch możliwych wartościach natężenia pochłanianej przez Ziemię energii promieniowania słonecznego.
Rysunek 4. Wykres natężenia wypromieniowywanego przez powierzchnię planety promieniowania w funkcji temperatury jak powyżej (linia czarna – planeta bez atmosfery, linia niebieska – planeta z atmosferą zawierającą CO2 i parę wodną o stałej wilgotności względnej). Dwie linie poziome odpowiadają dwóm różnym wartościom natężenia pochłanianej przez Ziemię energii promieniowania słonecznego, a kształty (a, a’, c, c’) punktom równowagi. Źródło: obliczenia do wykresu zostały wykonane z pomocą modułu radiacyjnego NCAR CCM dołączonego do materiałów dodatkowych podręcznika R. Pierrehumberta Principles of Planetary Climate.
Wynika z tego, że gdyby nasza planeta nie miała atmosfery, to przy obecnym natężeniu promieniowania słonecznego (pozioma linia czerwona) temperatura powierzchni wynosiłaby 255 K, co pokazuje punkt a. Wprowadzenie do atmosfery dwutlenku węgla i pary wodnej podniosło temperaturę punktu równowagi do 280 K. Nasz model jest oczywiście uproszczony: nie uwzględnia innych gazów cieplarnianych, zmiany albedo planety w wyniku zmian rozmiarów czap lodowych czy wegetacji i innych czynników. Czynniki te mogą przesuwać temperaturę równowagi, jednak nie zmieniają ogólnego obrazu sytuacji.
Jak zmieniłaby się temperatura planety, gdyby natężenie promieniowania słonecznego wzrosło tak, że odpowiadałaby mu pozioma linia zielona? Gdyby Ziemia była ciałem doskonale czarnym bez atmosfery, punkt równowagi temperatury przesunąłby się z a do a’ – temperatura powierzchni wzrosłaby o kilka stopni. Jednak w świecie z atmosferą z parą wodną różnica temperatur pomiędzy punktami c i c’ będzie wynosić kilkanaście stopni. Obecność pary wodnej spowodowała wyraźny wzrost czułości klimatu – jednak nie doszło do rozbuchanej szklarni.
Czy jest możliwe, żeby do niej doszło? Owszem. Przy dalszym wzroście temperatura niebieska linia staje się coraz bardziej płaska, a w końcu wypłaszcza się w ogóle. Dzieje się tak, 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.
Ostatecznym wcieleniem dodatniego sprzężenia pary wodnej 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.
Rysunek 5. Jak powyżej, ale zielona linia odpowiada zwiększonemu natężeniu promieniowania słonecznego. Źródło: obliczenia do wykresu zostały wykonane z pomocą modułu radiacyjnego NCAR CCM dołączonego do materiałów dodatkowych podręcznika R. Pierrehumberta Principles of Planetary Climate.
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 – w rezultacie planeta ta stała się miejscem wrogim dla życia. (Pierrehumbert 2002).
Konkluzja
Rozumiejąc jak działa dodatnie sprzężenie pary wodnej, wiemy, że nie musi ono prowadzić do niestabilności i rozbuchanej szklarni, ale (w pewnym zakresie temperatur) tylko przesuwa w górę równowagową wartość temperatury powierzchni. Koniec końców zawsze wygrywa ujemne sprzężenie zwrotne, związane ze wzrostem emisji energii wraz ze wzrostem temperatury – nawet jeśli potrzebny będzie do tego taki wzrost temperatury, że planeta zacznie świecić w świetle widzialnym.
Na podstawie: Skeptical Science
