W ciągu ostatnich 10 tysięcy lat klimat Ziemi był relatywnie stabilny, nie przesuwały się strefy klimatyczne, opady były w miarę stabilne, nie zmieniał się też poziom mórz – mogliśmy osiedlać się, budować porty i miasta bez szczególnej obawy o to, że dogodne do zamieszkania miejsca przestaną takimi być.
Jednak wcześniej klimat był zupełnie inny – zaledwie 20 tysięcy lat temu znaczną część półkuli północnej przykrywał potężny lądolód. Średnia globalna temperatura była o 5°C niższa niż dziś. Przyjrzyjmy się zmianom zachodzącym w ostatnich setkach tysięcy lat. Klimat Ziemi oscyluje pomiędzy krótkimi okresami ocieplenia i epokami lodowcowymi, przy czym obecnie żyjemy w okresie interglacjalnym – najwyższych temperatur i najmniejszych lodowców. Płaski, liczący 10 tysięcy lat okres temperatur z prawej strony to trwający wciąż Holocen – okres rozwoju rolnictwa i historii naszej cywilizacji.
Rys. Zmiany temperatury, koncentracji atmosferycznej CO2 i poziomu oceanów w ostatnich 425 tysiącach lat. „0” odpowiada 1750 n.e. http://www.columbia.edu/~mhs119/Storms/Storms_Fig.03.pdf
Górna część wykresu pokazuje temperaturę na Antarktydzie, określoną za pomocą analizy 3-kilometrowego długości rdzenia lodowego. Dawne temperatury określamy też za pomocą innych metod. Gromadzące się przez lata osady oceaniczne zawierają muszle mikroskopijnych zwierząt, których cechy budowy, skład chemiczny i izotopowy zależą od temperatury środowiska. Zapis dawnej temperatury możemy też uzyskać z badania słojów pnie drzew, koralowców, stalagmitów tworzonych w jaskiniach przez kapiącą wodę i wiele innych sposobów. Uzyskane różnymi metodami wyniki są ze sobą zgodne, a badania prowadzone są na całym świecie, co pozwala też stwierdzić, że duże wahania temperatury mają skalę globalną. Ich amplituda zależy jednak od miejsca. Zmiany na równiku są zwykle trzykrotnie mniejsze niż w rejonach polarnych, a średnie zmiany temperatury planety są mniej więcej o połowę mniejsze, niż na biegunach.
Koncentrację dwutlenku węgla również znamy dzięki badaniom powietrza uwięzionego w rdzeniach lodowych. Rzuca się w oczy zgodność zmian koncentracji dwutlenku węgla ze zmianami temperatury. Kiedy temperatura wzrośnie, podgrzane oceany są w stanie pomieścić mniej gazów (podobnie bąbelkuje podgrzana woda sodowa), więc wypuszczają je do atmosfery. Pewną rolę grają tu też mechanizmy usuwające do atmosfery węgiel z osadów oceanicznych związane z przyspieszeniem cyrkulacji oceanicznej podczas okresów cieplejszych. Podobnie do koncentracji dwutlenku węgla zmienia się koncentracja metanu, wzmacniając działanie całości gazów cieplarnianych.
Z pomiarów wynika, że najpierw wzrasta temperatura, a dopiero kilkaset lat później koncentracja CO2, a więc zmiany koncentracji dwutlenku węgla są inicjowane przez wzrost temperatury. Kiedy dochodzi do wyzwolenia tego gazu do atmosfery, zaczyna on (jak to gaz cieplarniany) dodatkowo podnosić temperaturę i w konsekwencji dalszy wzrost koncentracji CO2 w atmosferze. Wzrost temperatury i koncentracji CO2 w atmosferze nawzajem się nakręcają w dodatnim sprzężeniu zwrotnym, o którym za chwilę opowiem wyjaśniając tajemnicę działania maszyny zmian klimatu epok lodowcowych.
Z wykresu widać też, że w ciągu setek tysięcy lat koncentracja dwutlenku węgla w atmosferze oscylowała w zakresie 180-300 ppm. Obecna koncentracja jest bliska 400 ppm, a tempo jej narastania wyjątkowo szybkie.
Podczas epok lodowcowych czapy polarne były olbrzymie. Tworząca je zamarznięta woda czap była „wyciągnięta” z oceanów, w których poziom wody w związku z tym był znacząco niższy – wahania poziomu oceanów pomiędzy okresami glacjalnymi i interglacjalnymi sięgają 125 metrów.
Rys. Szarym kolorem jest zaznaczony zasięg lądolodów czap polarnych podczas maksimum ostatniego zlodowacenia 20 tysięcy lat temu. Wielkie ilości wody zostały przeniesione z oceanów do czap polarnych, co spowodowało spadek poziomu oceanów o około 125 m.
20 tysięcy lat temu poziom wody w oceanach był 125 metrów niższe. Brzeg oceanu cofnął się, a kontynenty stały się większe rozciągając się na obecny szelf kontynentalny –pomiędzy Azją a Ameryką utworzył się pomost lądowy, Malaje były połączone z Borneo, a Australia z Nową Gwineą.
Gdy lądolód zaczął się rozpadać, woda z niego trafiała do oceanów, podnosząc jego poziom. Około 14 tysięcy lat temu przez kilkaset lat wody podnosiły się o 4-5 metrów na stulecie, czyli o 1 metr co 20-25 lat.
Silna korelacja pomiędzy zmianami temperatury, gazów cieplarnianych i poziomem oceanów jest ewidentna. Jakie jednak mechanizmy powodowały te zmiany i dlaczego były tak regularne? I czy możemy na podstawie posiadanych informacji określić czułość klimatu?
Porównajmy klimat sprzed epoki przemysłowej z tym sprzed 20 tysięcy lat. W Holocenie temperatura była o 5°C wyższa. Wzrosła też ilość gazów cieplarnianych – dwutlenku węgla, metanu i tlenków azotu – dając dodatkowe 3 W/m2 (z dokładnością 0,5 W/m2). Na podstawie danych geologicznych znamy też zmiany powierzchni czapy lodowej, która w Holocenie pochłaniała (przeliczając średnio na powierzchnię ziemi) o 3,5 W/m2 więcej energii, niż w czasach epoki lodowcowej.
Rys. Zmiany wymuszania radiacyjnego w W/m2 wyliczone wynikające ze zmian ilości gazów cieplarnianych w atmosferze i powierzchni czap lodowych.
Działały też inne mechanizmy, takie jak zmiany rozmieszczenia roślinności czy powierzchni lądów, ale te dwa czynniki były dominujące.
W sumie więc zmiana energii wynosząca 6,5 W/m2 powodowała zmianę średniej temperatury planety o 5°C, czyli 0,75°C na każdy W/m2. Na podstawie obserwacji zmian przeszłego klimatu stwierdzamy więc, że:
1 W/m2 wywołuje zmianę temperatury o 0,75°C
albo inaczej
Podwojenie ilości CO2 (4W/m2) prowadzi do zmiany temperatury o 3°C
Dotyczy to oczywiście obecnego świata, w którym istnieją czapy polarne. Gdyby ich nie było, zmiany temperatury w odpowiedzi na zmiany wymuszania radiacyjnego (tzw. czułość klimatu) byłyby mniej więcej o połowę mniejsze.
Jeśli teraz porównamy tak wyliczone temperatury z rzeczywistą temperaturą określoną za pomocą rdzeni lodowych, otrzymamy bardzo dobrą zgodność.
Rys. Porównanie sumy obu wymuszeń radiacyjnych w poprzedniego rysunku pomnożonej przez 0,75 (w celu przeliczenia W/m2 na stopnie Celsjusza) z temperaturą Ziemi określoną na podstawie rdzeni lodowych (dla uzyskania średniej temperatury Ziemi temperatura na Antarktydzie jest podzielona przez czynnik dwa).
To bardzo eleganckie wyliczenie. Nie musieliśmy tu domyślać się, jak działają fizyczne mechanizmy w świecie rzeczywistym i sprzężenia zwrotne – wszystkie one są tu zawarte „z automatu”.
Zmiany klimatu były więc powodowane przez zmianę powierzchni lądolodu i zmianę stężenia gazów cieplarnianych. Ale oba te mechanizmy nie są przyczyną zmian, a jedynie powolnymi dodatnimi sprzężeniami zwrotnymi, działającymi w odpowiedzi na inny czynnik – niewielkie zmiany orbity i ustawienia osi obrotu Ziemi, spowodowane oddziaływaniem innych planet. Znane są one pod nazwą cykli Milankovicia, od nazwiska serbskiego naukowca, który zapostulował ich działanie jako podstawowy mechanizm epok lodowcowych. Z początku teoria ta nie została przyjęta – jej sprawdzenie było trudne z powodu braku dostatecznej wiedzy o cyklach epok lodowcowych oraz zbyt małym zmianom energii wynikającej ze zmian orbity Ziemi. Dopiero rdzenie lodowe i osady oceaniczne oceanów pozwoliły na wykazanie powiązań zmian orbity Ziemi z cyklami zmian klimatu.
Zmiany orbity praktycznie nie wpływają na całkowitą ilość otrzymywanej przez Ziemię w ciągu roku energii. Wpływają jednak na to, jak wiele energii i w jakiej porze roku otrzyma dany region Ziemi – szczególne znaczenie mają zaś zmiany na dalekiej północy, gdzie wrażliwe dodatnie sprzężenie zwrotne związane z narastaniem i znikaniem lądolodu potrafi doprowadzić do znacznych zmian klimatu na skalę planetarną.
Nachylenie osi obrotu Ziemi do płaszczyzny jej orbity zmienia się od 22,1 stopnia do 24,5 stopnia i z powrotem w cyklu trwającym 41 tysięcy lat. Obecnie kąt ten wynosi 23,5 stopnia i prostuje się – minimalne odchylenie 22,1 stopnia osiągnie za 8 tysięcy lat.
Jeśli oś obrotu Ziemi jest mocniej nachylona, regiony polarne podczas lata otrzymują więcej energii (co prowadzi do wzrostu temperatury latem), zimą zaś otrzymują jej mniej (co wpływa na obniżenie temperatury). Jedno i drugie przyczynia się do zaniku czap lodowych. Kiedy temperatury latem są wysokie, lodowiec topnieje, odsłaniając ciemną powierzchnię ziemi i oceanu, co przyspiesza topnienie. Zanikowi czapy polarnej sprzyjają nie tylko wysokie temperatury latem, ale też niskie temperatury zimą. Dlaczego? Niższym temperaturom towarzyszy mniejsza ilość pary wodnej w atmosferze, a przez to mniejsze opady akumulacji śniegu, przez co topniejąca latem czapa lodowa nie uzupełnia masy zimą.
Zmniejszanie się nachylenia osi obrotu Ziemi działa w drugą stronę – chłodne lata nie sprzyjają roztapianiu lodu, podczas cieplejszych zim opady śniegu są większe, lodowiec więc przyrasta i może pełznąć w kierunku niższych szerokości geograficznych.
Lato na półkuli północnej. Kiedy oś obrotu Ziemi jest mocniej nachylona, a Ziemia jest bliżej Słońca, lata są cieplejsze, co prowadzi do zaniku czapy polarnej. Kiedy oś obrotu jest słabiej nachylona, a Ziemia jest dalej od Słońca, lata są chłodniejsze, co prowadzi do narastania czapy lodowej.
Podobnie działa mechanizm związany z tzw. precesją osi obrotu Ziemi. Co około 26 tysięcy lat zakreśla ona w przestrzeni stożek. Ponieważ orbita Ziemi nie jest kołowa, lecz eliptyczna (stopień jej spłaszczenia również oscyluje w okresie rzędu 100 tysięcy lat), więc czasem północna półkula jest zwrócona latem ku Słońcu gdy Ziemia jest blisko niego (wtedy lata są ciepłe), a czasem latem gdy jest daleko od niego (wtedy lata są chłodniejsze). Obecnie podczas lata na półkuli północnej Ziemia jest daleko od Słońca, co sprzyja chłodnym latom (ale ponieważ obecna orbita Ziemi jest bliska kołowej, efekt ten jest dość słaby) i ciepłym zimom.
Następna część: Antarktyczny lądolód
