Morskie chmury: nowo odkryte sprzężenie zwrotne destabilizujące klimat cieplarnianej Ziemi.

W ostatnich tygodniach duże poruszenie wywołał opublikowany w Nature Geosciences artykuł dotyczący możliwych zmian w zachmurzeniu w cieplejszym świecie oraz wpływ tych zmian na dalszy wzrost temperatury (Schneider i in. 2019). Przedstawione w pracy wyniki obliczeń wskazują, że w świecie wysokich koncentracji CO2 chmury kłębiasto-warstwowe występujące nad morzem (ang. marine stratocumulus) mogą przestać tworzyć rozległe, trwałe płaty, które dziś obejmują ok. 6,5% powierzchni globu. To z kolei może doprowadzić do dalszego wzrostu średniej temperatury powierzchni Ziemi - nawet o kolejne 8°C.

Rysunek 1: Płat morskich stratocumulusów w rejonie Azorów. Zdjęcie z kampanii pomiarowej ACORES, Dominika Czyżewska.

Co to za chmury?

Nie od dziś wiadomo, że morskie chmury kłębiasto-warstwowe (marine stratocumulus) odgrywają ważną rolę w bilansie energetycznym naszej planety. Tworzą one stosunkowo jednolite, rozległe pola, pokrywające ok. 20% nieba nad oceanem w rejonie niskich szerokości geograficznych (Eastman i in., 2011). Jest to obszar planety, do którego dociera najwięcej promieniowania słonecznego. Ponieważ stratocumulusy mają wysokie albedo i wydajnie (w 30-60%) odbijają promieniowanie słoneczne z powrotem w kosmos, ogranicza to jego dopływ do powierzchni morza, gdzie zostałoby pochłonięte, ogrzewając powierzchniowe warstwy wody (Wood, 2012). Każda zmiana we własnościach i powierzchni zajmowanej przez te chmury jest więc istotna dla bilansu energetycznego planety.

Swoją „kłębiastość” chmury zawdzięczają obecności turbulencji, czyli nieregularnych zawirowań powietrza w różnych skalach. W przypadku morskich stratocumulusów kluczowym zjawiskiem prowadzącym do mieszania się powietrza w nich i poniżej, aż do samej tafli oceanu, jest wydajne chłodzenie się ich wierzchołków (górnej powierzchni). Wyziębione w ten sposób powietrze robi się gęstsze i opada, wypychając do góry wilgotne powietrze zasilone parą wodną pochodzącą z powierzchni oceanu (Wood, 2012). Stałe dostawy wilgoci i ciepła utajonego z dołu i jednoczesne chłodzenie górnej powierzchni to to, czego stratocumulus potrzebuje do przetrwania. Tym bardziej, że w warstwie wierzchołkowej chmura miesza się z suchym powietrzem z wyższych warstw atmosfery, więc kropelki chmurowe, które znajdą się w otoczeniu o małej zawartości pary wodnej odparowują. Z drugiej strony wychładzanie radiacyjne górnych warstw chmury prowadzi do kondensacji pary wodnej. Delikatna równowaga między parowaniem i kondensacją, dostawą ciepła i wilgoci z dołu a usuwaniem wody w postaci mżawki i wypromieniowywaniem ciepła w górę stanowi o „być albo nie być” morskiego stratocumulusa. W dodatku silna inwersja temperatury nakrywająca chmurę – rezultat wychładzania wskutek wypromieniowania i parowania – uniemożliwia transport pary wodnej w wyższe warstwy atmosfery, tak że powietrze powyżej jest suche (Ma i inni, 2018).

Rysunek 2: Animacja pokazująca turbulencję w chmurze kłębiasto warstwowej. Superkomputerowa symulacja numeryczna wykonana przez Jespera Pedersena z IGF UW na podstawie danych z kampanii pomiarowej DYCOMS-II . Skala po prawej stronie pokazuje tzw. wodność chmury – masę wody skondensowanej w kilogramie masy chmury.

Jak właściwie działa wspomniane chłodzenie radiacyjne wierzchołków chmur? By odpowiedzieć na to pytanie, trzeba przyjrzeć się wymianie promieniowania podczerwonego pomiędzy kolejnymi piętrami atmosfery. Jak dowiecie się na przykład z naszego tekstu Efekt cieplarniany – jak to działa, podstawowym źródłem tego promieniowania w naszym systemie klimatycznym jest nagrzewana promieniami Słońca powierzchnia Ziemi, zaś dzięki obecności gazów cieplarnianych, kolejne warstwy powietrza mogą je pochłaniać i emitować. Również kropelki wody tworzące chmury kłębiasto-warstwowe skutecznie absorbują i emitują takie promieniowanie. Ze strony powierzchni Ziemi i przylegającego do niej nagrzanego powietrza (czyli z dołu) chmury te mogą liczyć na stałe dostawy energii w procesie konwekcji. Powyżej znajdują się jednak chłodniejsze warstwy atmosfery, zawierające już mniej pary wodnej, a co za tym idzie – pochłaniające i emitujące mniej promieniowania podczerwonego (inaczej mówiąc, związany z nimi efekt cieplarniany jest stosunkowo słaby, czytaj też Mit: para wodna jest najważniejszym gazem cieplarnianym). W rezultacie górna warstwa stratocumulusów bardzo skutecznie się wychładza – wypromieniowuje energię w stronę wyższych warstw atmosfery, ale nie dostaje wiele w zamian (Wood, 2012). Na tej samej zasadzie w gwiaździstą noc dochodzi do silnego wychłodzenia powierzchni Ziemi.

Rysunek 3: Morskie chmury kłębiasto-warstwowe u wybrzeży Ameryki Południowej, 26.06.2018. Zdjęcie satelitarne za serwisem NASA Worldview.

Co się może zmienić?

Jeśli ludzkość będzie w dalszym ciągu emitować do atmosfery coraz więcej długożyjących gazów cieplarnianych (patrz Emisje CO2 dalej rosną - budżet węglowy 2018), należy spodziewać się dalszego wzrostu ich koncentracji w atmosferze. W przeciwieństwie do pary wodnej, są one stosunkowo dobrze wymieszane, to znaczy znajdują się nie tylko w pobliżu powierzchni Ziemi, ale też wyżej. Wyższe piętra atmosfery staną się dzięki temu mniej przezroczyste dla promieniowania podczerwonego, ogrzeją się i zaczną silniej emitować promieniowanie podczerwone w dół. W rezultacie wzmocni się efekt cieplarniany nad stratocumulusami. Chłodzenie wierzchołków chmur stanie się mniej wydajne i opisana wyżej delikatna równowaga podtrzymująca istnienie stratocumulusów załamie się (Bretherton i Wyant, 1997, Schneider i in., 2019). Mniej wydajne chłodzenie i będące jego efektem osłabienie kondensacji nie pozwolą na skompensowanie parowania wynikającego z mieszania z suchym powietrzem i chmury wyparują. W efekcie biała powierzchnia odbijająca promieniowanie słoneczne zniknie, a odsłoni się leżąca pod nią znakomicie pochłaniająca to promieniowanie powierzchnia oceanu (to efekt przypominający związane z zanikiem lodu morskiego Arktyczne wzmocnienie). Zniknie też inwersja temperatury utrudniająca mieszanie i transport pary wodnej w wyższe warstwy atmosfery.

Rysunek 4: Schemat zmian w bilansie energii i własnościach morskiej warstwy granicznej atmosfery nakrytej chmurą stratocumulus w sytuacji, gdy koncentracja CO2 w atmosferze wzroście z wartości obecnych (ok. 400 ppm) do ok. 1600 ppm. (przyszłe stulecie w scenariuszu Biznes-jak-zwykle) Proste żółte linie ze strzałkami schematycznie pokazują bilans promieniowania słonecznego, czerwone – promieniowania podczerwonego (cieplnego). Fioletowe strzałki ilustrują transport konwekcyjny (mieszanie wskutek konwekcji) w dolnych warstwach atmosfery: pokazują, że przy konwekcji stratocumulusowej wymiana pary wodnej i wody ograniczona jest do płytkiej warstwy pokrytej chmurami, w przeciwieństwie do sytuacji z konwekcją cumulusową, gdzie mieszanie i transport pary wodnej z powierzchni oceanu obejmuje znacznie głębszy obszar..

Energia pochłoniętego promieniowania słonecznego spowoduje wzrost temperatury powierzchni morza i nasilenie parowania. W pierwszej chwili można by przypuszczać, że taki efekt sprzyja rozwojowi chmur. Nie jest to jednak takie proste: gdy w unoszącym się powietrzu znajduje się więcej pary wodnej niż dotąd, to gdy dociera ono do poziomu kondensacji (wysokości, na której temperatura jest na tyle niska, że woda zaczyna się skraplać), dochodzi do uwalniania większej niż dotąd ilości energii (ciepło utajone). To z kolei oznacza nasilone ogrzewanie powietrza na tej wysokości, co sprzyja unoszeniu się go i mieszaniu z suchym powietrzem powyżej w znacznie grubszej warstwie niż w wypadku obecności przykrytego inwersją temperatury stratocumulusa. Wzrośnie grubość warstwy powietrza zawierającego duże ilości pary wodnej, co wzmocni lokalnie efekt cieplarniany (tak zwane „sprzężenie pary wodnej”, o którym przeczytasz w tekście Mit: para wodna jest najważniejszym gazem cieplarnianym). Miejsce zanikających pól stratocumulusów (Bretherton i Wyant, 1997, Schneider i in., 2019) zajmą rzadko rozrzucone chmury cumulus. Pokrycie nieba chmurami spadnie z 90-100% (stratocumulus) do 10-15% (cumulus).

Rysunek 5: Wyniki symulacji zachmurzenia w rejonie podzwrotnikowym przy różnych średnich koncentracjach dwutlenku węgla. Po lewej – 400 ppm (stan obecny, ze średnią temperaturą powierzchni morza w tym rejonie ok. 17°C), po prawej – 1600 ppm (możliwy stan przyszły, ze średnią temperaturą morza w tym rejonie ok. 35°C. Źródło: Schneider i in. 2019

Z symulacji przeprowadzonych przez Schneidera i in. (2019) wynika, że utrzymywanie się rozległych pól chmur kłębiasto-warstwowych nad morzami w niskich szerokościach to kolejne zjawisko w systemie klimatycznym Ziemi, które posiada swój punkt krytyczny. Po jego przekroczeniu wystąpi zasadnicza zmiana, którą niełatwo będzie cofnąć: gdy koncentracja dwutlenku węgla osiągnie około 1200 ppm, warunki meteorologiczne nie będą sprzyjać powstawaniu stratocumulusów, lecz raczej rozproszonych chmur kłębiastych. Jak obliczyli badacze, może to w sumie spowodować dodatkowy wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi nawet o 8°C.

Niepokojącą wiadomością jest też to, że obniżenie koncentracji gazów cieplarnianych poniżej punktu krytycznego nie wystarcza do cofnięcia zjawiska, ponieważ występuje tu efekt histerezy: wyniki symulacji wskazują, że ponowne formowanie się pól stratocumulusów możliwe byłoby dopiero po znaczącym spadku stężenia CO2 – być może nawet do poziomu zaledwie ok. 300 ppm (obecna średnia to nieco powyżej 400 ppm).

Jak to odkryto?

Swoje wnioski zespół Schneider i in. (2019) opiera na wynikach podwójnego modelowania numerycznego, czyli obliczeń przeprowadzonych z użyciem programu komputerowego (czytaj więcej w tekście Wirtualny klimat).

W systemie klimatycznym Ziemi zachodzi jednocześnie wiele zjawisk o najróżniejszych skalach czasowych i przestrzennych: od trwających ułamki sekund zawirowań o promieniu pojedynczych milimetrów do utrzymujących się przez wiele dni huraganów czy zwykłych niżów atmosferycznych o średnicy 1000-2000 km. Dokładne rozwiązanie równań opisujących ruch każdej najmniejszej cząstki powietrza byłoby niemożliwe. Dlatego, przygotowując model konkretnego zjawiska, naukowcy upraszczają równania, pozostawiając w nich tylko te człony, które są dla niego kluczowe. Zjawiska w mniejszej i większej skali uwzględnia się w sposób uproszczony.

Na przykład, jeśli chcemy analizować rozwój pojedynczej chmury, skoncentrujemy się na zjawiskach w skali 1-1000 m, założymy natomiast, że powstaje ona w warunkach jakiejś średniej prędkości wiatru lub że prędkość wiatru zmienia się w określony sposób w ciągu dnia itd. – nie będziemy starać się obliczać dokładnej jej wartości na podstawie wielkich układów wysokiego i niskiego ciśnienia. Z kolei gdy chcemy przeanalizować przemieszczanie się niżu atmosferycznego, nie będziemy analizować zachowania pojedynczych chmur. Założymy, że wypełniają one część układu i mają jakieś uśrednione własności (np. zależne od wilgotności i temperatury). Takie uproszczone reprezentacje nazywamy „parametryzacjami”. Oczywiście formułuje się je na podstawie pomiarów i sprawdza, czy dobrze działają.

W globalnych modelach klimatu dokładnie rozwiązuje się równania opisujące dynamikę wielkich układów synoptycznych, natomiast zachowanie poszczególnych chmur podlega parametryzacji. Schneider i in., 2019 wykorzystali te obliczenia, ale dla szczegółowego przebadania chmur w cieplejszym klimacie posłużyli się metodą LES („Large Eddy Simulation” – symulacji dużych wirów). Pozwoliło to dokładnie przeanalizować dynamikę zjawisk chmurowych nad oceanem w niskich szerokościach geograficznych. W przeciwieństwie do wcześniejszych opracowań, pozwolili, by średnia temperatura powierzchni oceanu zmieniała się w zależności od zmian w bilansie energetycznym. Dzięki temu możliwe było zaobserwowanie sprzężeń, których nie udałoby się stwierdzić korzystając osobno z globalnego modelu klimatu i modeli do symulacji LES.

Wniosek: niemiła niespodzianka

Jakie szersze wnioski można wyciągnąć z referowanej pracy? Im klimat (bilans radiacyjny) planety będzie dalszy od tego, w którym żyjemy, tym więcej mechanizmów (sprzężeń) w systemie klimatycznym będzie innych niż te, które znamy. Sprzężenia te będą jeszcze bardziej destabilizować klimat i bardzo szybko zmieniać warunki, w których żyjemy. A zmiana będzie nieodwracalna w długiej skali czasu (Ziemia stabilna czy cieplarniana?). Im lepiej poznajemy mechanizmy klimatyczne, tym lepiej rozumiemy, jak ważne jest dla nas utrzymanie klimatu w ryzach i nieprzekroczenie progu ocieplenia o 1,5 stopnia…

dr Aleksandra Kardaś, prof. Szymon Malinowski

P.S. Stratocumulusy, pomiary ich właściwości a także symulacje tych chmur metodą LES to jedna ze specjalności naszego Zakładu Fizyki Atmosfery. Tapio Schneider i inni wykorzystywali bezpośrednio lub pośrednio wyniki nadań naukowych do których się przyczynialiśmy i przyczyniamy. Trójka naszych absolwentów, którzy uzyskali doktorat w Warszawie, działa w zakresie modelowania chmur w grupie w Jet Propulsion Laboratory NASA w której pracuje też prof. Schneider.

Komentarze

05.04.2019 13:35 Felek

Czyli co, dokładnie odwrotnie niż zakładali do tej pory? Wzrost temperatury = więcej wilgoci = więcej materii do kreacji chmur. W kazdym razie 35°C średnio na poziomie morza. Nie dziękuję, ja wymiękam. To juz jest odlot absolutny. Ciężko mi uwierzyc w to, że taki jeden z drugim biznesman jak podano mu te dane na tacy, to nie zastanowił się nad tym czy jednak nie warto coś robić. Po prosru zdają sobie sprawę, że nie jest to wykonalne przy obecnyn systemie. Bo niby jak? Nakaz? Przykaz? Obowiązek? Przymus nie działa a na systematyczną naprawę rozciágniętą w czasie, nie ma już czasu. Czyli zapewne powiedzieli "Jeden ch** z tym wszystkim, bawmy się dalej"

06.04.2019 0:40 Mariusz R.

@Felek

Większość bardzo bogatych ludzi posiada umysły o cechach psychopatycznych, czyli sprawnie wypierają z umysłu fakty nie przystające do ich wizji świata.

Ci nielicznie, którzy w temacie zmian klimatu coś tam wiedzą uważają, że nadchodzące problemy ich bezpośrednio nie dotkną, ba, być może nawet sądzą, że jak zrobi się na prawdę źle, to powstaną warunki do robienia jeszcze lepszych interesów niż teraz, jak miało to miejsce podczas obu wojen światowych.

06.04.2019 9:46 Kloszard

@Mariusz R.
W punkt. W większości to psychopaci. Tak samo jak politycy.

06.04.2019 17:51 Felek

Zgadzam się z tym co napisaliście.

Nie od dzisiaj z resztą wiadomo, że na zbrojeniu, handlu bronią i rozpętywaniu wojen oraz konfliktów można zarobić kolosalne pieniądze i zyskać jeszcze większe wpływy. Odsyłam do historii niejakiego Basila Zaharoff, jeśli jeszcze nie mieliście okazji poczytać.. A nie on jeden zajmował się tym procederem, z szerzej znanych i bardziej współczesnych, to jeszcze Wiktor But.

Więc niektórym nadciągający chaos jest zbawieniem i tęczowym mostem z garncem złota, nie tylko na jego końcu ale również i po drodze.

https://en.wikipedia.org/wiki/Basil_Zaharoff

(To prawdopodobnie jemu świat zawdzięczał WW1 i wiele innych)

10.04.2019 18:25 Szulu

Modelowania numerycznego, mozna source code dostac do kompliacji i testow. Czy te wyniki sa powtarzalne ???

14.04.2019 10:18 Misha_XL

@MARIUSZ R.
Bogaci nie są "w większości" psychopatami - według badań na górze jest ich więcej niż na dole drabiny społecznej, ale bynajmniej nie większość. Ta niepsychopatyczna większość niczego nie wypiera. Jak myślisz, dlaczego bogacze budują schrony, składają złoto w szwajcarskich Alpach i kupują ziemię na wyspach Nowej Zelandii? Chronią siebie, swoich bliskich i swoje majątki. Trudno im się dziwić, skoro nawet ekolodzy nie mają odwagi powiedzieć, że uratować planetę możemy tylko w jeden sposób: radykalnie ograniczając zakupy dóbr wszelakich, bez względu na konsekwencje. Zmiana modelu konsumpcji nic nie da, co najwyżej opóźni katastrofę - a ograniczenie konsumpcji spowoduje, że oparta na kredycie globalna gospodarka padnie na pysk. Nie mamy już luksusu wyboru wariantu bez katastrofy. Pozostało tylko zdecydować, czy wolimy katastrofę gospodarczą teraz, czy ekologiczną później.
Celowo napisałem "katastrofa gospodarcza", a nie "kryzys", bo to zupełnie inna liga. W polskich warunkach efekty kryzysu to likwidacja 500+, zamrożenie emerytur czy zasiłków. Efekty katastrofy to upadek władzy, gigantyczne bezrobocie, zero socjalu, zero emerytur i rent, zero darmowej opieki medycznej - i najprawdopodobniej wojna domowa. Kto się odważy wybrać ten scenariusz jako mniejsze zło?
Gdybym miał milion dolarów, starałbym się zrobić z niego jak najszybciej dziesięć milionów, a potem jeszcze więcej, żeby przeżyć. Gdybym miał małe dzieci, harowałbym jak wół - nie po to, żeby zapewnić im dostatnie życie, tylko szansę na przetrwanie. Choćby i w nowozelandzkim bunkrze.
Wiem, że gadam jak potrząsający dzwonkiem uliczny kaznodzieja. Takie czasy, niestety...

21.04.2019 3:07 gupol(szukam w OZE)

ale czemu 1600 ppm? to jakiś nonsens. równie dobrze mogliby wróżyć stan zachmurzenia przy 3 000 ppm. dużo bardziej prawdopodobne byłoby 800 ppm. i tak ciężko będzie do tego poziomu "dobić".

Dodaj komentarz

Kod
grakalkulator kalkulator zuzycia ciepla

Informacje

Linkownia

Wykonanie PONG, grafika GFX RedFrosch.



logowanie | nowe konto