Geologia i globalne ocieplenie: co nowego?

Jak wielokrotnie pisaliśmy, badania geologiczne i paleoklimatologiczne dostarczają szeregu różnorodnych dowodów, że obecnie obserwowane globalne ocieplenie jest procesem wyjątkowym w historii naszej planety. W dzisiejszym tekście przyjrzymy się dwóm ostatnio opublikowanym ważnym pracom na ten temat.

Zdjęcie: prace na statku badawczym. Pod pokładem, grupa ludzi w kaskach trzyma długi, cylindryczny obiekt i układa go na specjalistycznych podstawach

Rysunek 1: Badacze przygotowujący się do opracowania wydobytego rdzenia osadowego na pokładzie statku badawczego JOIDES Resolution. Zdjęcie pobrane ze strony IODP dzięki uprzejmości JOIDES Resolution Science Operator (licencja CC BY 4.0).

W skrócie:

  • Naukowcy dokonali bardzo precyzyjnej rekonstrukcji klimatu Ziemi w ostatnich 66 milionach lat na podstawie analizy ogromnego zbioru danych uzyskanych z rdzeni osadów dennych w oceanach
  • Rdzenie były pobierane przez ponad 50 lat na całym świecie w serii międzynarodowych ekspedycji wiertniczych
  • Wykazano, że w kenozoiku istniały cztery dominujące stany klimatyczne: cieplarniany, ciepły, chłodny i lodowy • Dane geologiczne pokazują, że stężenie CO2 w atmosferze, obecnie na najwyższym poziomie od co najmniej ostatnich 3 milionów lat, jest kluczowym czynnikiem kształtującym klimat Ziemi
  • Wg stanowiska The Royal Geological Society of London zapis geologiczny zmian klimatu ujawnia dowody na istnienie punktów krytycznych i progów w systemie klimatycznym, w wyniku których może dojść do nagłych i z ludzkiej perspektywy czasowej nieodwracalnych zmian stanu klimatycznego naszej planety
  • Badania geologiczne wspierają konsensus naukowy w sprawie przyczyn i skali współczesnej zmiany klimatu.

Szczegółowa rekonstrukcja klimatu kenozoiku

Międzynarodowy zespół badaczy na podstawie analizy ogromnego zbioru danych uzyskanych z rdzeni osadów dennych w oceanach, dokonał nadzwyczaj precyzyjnej rekonstrukcji klimatu Ziemi w ostatnich 66 mln lat (Westerhold i in., 2020). Przy interpretacji danych wykorzystano innowacyjne metody statystyczne stosowane w badaniach złożonych systemów dynamicznych, co pozwoliło wyodrębnić podstawowe stany klimatyczne, jakich doświadcza Ziemia, i przejścia między nimi. Wskazują one na deterministyczny (czyli nie przypadkowy, a wymuszony warunkami i prawami fizyki) charakter zmian klimatu w bardzo długich skalach czasu.

Wykres: Rekonstrukcja zmian średniej temperatury dla ostatnich 66 mln. Lat.

Rysunek 2: Górny panel: rekonstrukcja zmian średniej temperatury powierzchni Ziemi w ciągu ostatnich ~66 milionów lat (skala czasu jest nieliniowa). Na dane opublikowane w pracy Westerhold i inni, 2020 naniesiono reprezentacje temperatur w skali kolorów i dołączono projekcje klimatyczne do roku 2300. Panel dolny: zrekonstruowane i prognozowane koncentracje CO2 w atmosferze. Źródło: CENOGRID. Kliknij aby powiększyć.

Jak wyjaśnia główny autor publikacji, Thomas Westerhold (źródło):

Naszym celem było stworzenie nowego zestawu danych o przeszłości klimatu, który nie tylko uwzględnia dane o najwyższej rozdzielczości, ale także jest precyzyjniej datowany. Wiemy teraz dokładniej, kiedy na naszej planecie było cieplej lub zimniej, a także lepiej rozumiemy rządzącą tymi zmianami dynamikę… To był ogromny wspólny wysiłek wielu kolegów z całego świata, aby odzyskać próbki materiału, przeanalizować je i skompilować do postaci jednej krzywej.

Inny autor, Norbert Marwan dodaje:

Nasze analizy matematyczne ujawniły to, co z początku trudno w danych z osadów zauważyć – ukryte zależności i powtarzające się wzorce w klimacie. Spojrzenie w przeszłość jest więc również spojrzeniem w przyszłość. Z powolnych naturalnych fluktuacji klimatycznych zachodzących na przestrzeni milionów lat możemy wyciągnąć wnioski na temat oszałamiająco szybkich antropogenicznych zmian w naszym obecnym stuleciu.

Rdzenie z odwiertów w osadach dennych były pobierane przez ponad 50 lat na całym świecie w serii międzynarodowych ekspedycji wiertniczych prowadzonych w ramach projektu International Ocean Discovery Program (IODP) i jego poprzedników. Już wcześniej część tych danych została wykorzystana do stworzenia referencyjnej skali zmian przeszłego klimatu (czyli czegoś w rodzaju kalendarza) w trwającym od 66 mln lat kenozoiku (Zachos i inni 2001). Jednak dane starsze niż 34 miliony lat były w tym zbiorze dosyć ubogie i charakteryzowały się nie najlepszą rozdzielczością czasową. Od czasu publikacji pracy zespołu Zachosa zapisy klimatyczne, dzięki danym uzyskanym z wielu nowych rdzeni osadowych, uległy poprawie zarówno pod względem ilościowym jak jakościowym. W ostatnich dwóch dekadach programy wierceń skoncentrowano na starszych warstwach geologicznych. Pozwoliło to zyskać dostęp do lepszej jakości, bardziej kompletnych archiwów osadów, dzięki czemu naukowcy mogli zrekonstruować globalny klimat znacznie bardziej szczegółowo niż kiedykolwiek wcześniej.

Nowy wykres, zwany CENOGRID (CENOzoic Global Reference benthic carbon and oxygen Isotope Dataset), jest rekonstrukcją zmian klimatu Ziemi od ostatniego wielkiego wymierania 66 milionów lat temu, które wyznaczyło początek ery kenozoiku. Skład izotopowy tlenu i węgla w przebadanych osadach dostarcza informacji o przeszłych temperaturach oceanu, objętości lodu zamkniętego w lądolodach i lodowcach oraz cyklu węglowym. Graficznie wyniki badań można przedstawić jak fascynujący kod kreskowy, pokazany na rys. 2.

Znakomita rozdzielczość czasowa CENOGRID pozwala na zastosowanie do jego interpretacji zaawansowanych matematycznych procedur analizy danych. Jedną z nich jest tzw. analiza rekurencji, stosowana do badania złożonych systemów dynamicznych, która pozwala znajdywać w przebiegu wykresów podobne zdarzenia, a w sytuacji, gdy wykresy są dostatecznie długie i dokładne, wyciągać wnioski na temat prawdopodobieństwa tych zdarzeń. Zastosowanie jej w tym przypadku pozwala śledzić zmiany i wynajdywać charakterystyczne „wzorce” czy stany klimatu naszej planety. Te podstawowe stany (oraz drobniejsze przeskoki klimatyczne wewnątrz nich) zaznaczone są pionowymi paskami kolorów.

Przeskoki klimatu Ziemi między czterema stanami

„Możemy wykazać, że w kenozoiku istniały cztery dominujące stany klimatyczne: cieplarniany, ciepły, chłodny i lodowy” (Rys. 4), wyjaśnia Marwan. Klasyfikacja ta była używana już od jakiegoś czasu, jednak dopiero analiza rekurencji ujawniła dynamikę zmian złożonego systemu klimatycznego i określenie wzorców charakterystycznych dla tych stanów, a także przejść między nimi, związanych z wymuszeniami astronomicznymi (cykle Milankovicia i aktywności słonecznej), koncentracjami gazów cieplarnianych i wielkością polarnych czap lodowych. Wyniki sugerują, że rola tych ostatnich w klimacie kenozoiku jest większa, niż do tej pory uważano. Ich obecność i rozmiar wzmacniają wymuszenia orbitalne związane ze zmianami nachylenia osi ziemskiej. Pojawienie się lądolodu Antarktyki Wschodniej ~35 milionów lat temu (na granicy eocenu i oligocenu) związane było z „przeskokiem” stanu planety z klimatów ciepłych do chłodnych. Pojawienie się lądolodu półkuli północnej i wzrost lądolodu Antarktydy Zachodniej ok. 14 milionów lat temu zapoczątkowały kolejne ochłodzenie, które wraz ze wzrostem lądolodu Grenlandii ok. 3 mln lat temu spowodowało pojawienie się regularnych zlodowaceń (patrz też Klimat dawnych epok: od dinozaurów do lądolodu).

Rysunek 3: „Trajektoria” zmian klimatu Ziemi w czasie (kolorowa linia, zmiany kolory oddają przebieg czasu) w funkcji koncentracji CO2 w atmosferze (oś pozioma) i proxy temperatury (oś pionowa, wysokie wartości δ18O odpowiadają niskim temperaturom, patrz Paleoklimatologia: izotopy tlenu a temperatura). Pionowe czarne linie odpowiadają koncentracjom CO2 dla maksimów glacjalnych (180 ppm), holocenu (280 ppm), stanu aktualnego (415 ppm) i możliwego w roku 2100 w wyniku realizacji scenariusza wysokich emisji RCP 8.5 (935 ppm). Kolorowymi plamami zaznaczono dominujące tryby klimatyczne (zimny, chłodny, ciepły i cieplarniany). Skrót ‘Ma’ oznacza „miliony lat temu”, LGM to ostatnie maksimum glacjalne (ang. Last Glacial Maximum), mMCT to okres wzrostu powłok lodowych podczas tzw. śród-mioceńskiej zmiany klimatu (ang. middle Miocene Climate Transition), MCO to klimatyczne optimum mioceńskie (ang. Miocene Climate Optimum), EOT – przejście klimatyczne między eocenem a oligocenem (ang. Eocene-Oligocene Transition), EECOto eoceńskie optimum klimatyczne (ang. Early Eocene Climate Optimum), a K/Pg to granica między kredą a palogenem 66 mln lat temu. Źródło Westerhold i inni, 2020.

Jak piszą autorzy, przedstawione wyniki potwierdzają hipotezę, że jeśli koncentracje gazów cieplarnianych będą nadal rosnąc (np. do wartości 935 ppm CO2 w roku 2100 w scenariuszu RCP 8.5) to planecie grozi gwałtowne przejście ze stanu „lodowego” do „ciepłego” lub nawet „cieplarnianego”. Byłoby to „gwałtowne” nie tylko w skali geologicznej, lecz wręcz ludzkiej i społecznej.

Zmiany klimatu okiem geologów

Niemal równolegle z publikacją Westerhold i in., 2020 w Journal of the Geological Society pojawiła się kolejna ważna praca „Co zapis geologiczny mówi nam o naszym obecnym i przyszłym klimacie” („What the geological record tells us about our present and future climate”) Lear i inni, 2020. Lista autorów liczy 16 osób, a autorem wiodącym jest prof. Caroline Lear z Uniwersytetu w Cardiff. Jest to dość nietypowy tekst, bo zamiast zwyczajowym streszczeniem zaczyna się stanowiskiem The Royal Geological Society of London w sprawie współczesnej zmiany klimatu, które zacytujemy tu w całości:

Geologia jest nauką o tym, jak Ziemia funkcjonuje i ewoluowała. Jako taka może przyczynić się do naszego zrozumienia systemu klimatycznego i jego reakcji na dodanie dwutlenku węgla (CO2) do atmosfery i oceanów. Dane geologiczne pokazują, że stężenie CO2 w atmosferze jest obecnie na najwyższym poziomie od co najmniej ostatnich 3 milionów lat. Ponadto, obecne tempo spowodowanych przez człowieka zmian stężenia CO2 i (związanego z tym) ocieplenia, jest niemal bez precedensu w całym zapisie geologicznym, z jedynym znanym wyjątkiem: natychmiastowego, wywołanego uderzeniem meteorytu zdarzenia, które spowodowało wyginięcie dinozaurów 66 mln lat temu. Innymi słowy, chociaż na skutek naturalnych procesów stężenia CO2 w atmosferze ulegały w historii znacznym wahaniom i często były wyższe niż obecnie, to aktualne tempo zmian stężenia CO2 (a zatem i temperatury) jest bezprecedensowe w prawie całej geologicznej przeszłości Ziemi.

Zapis geologiczny pokazuje, że zmiany temperatury oraz stężenia gazów cieplarnianych mają bezpośredni wpływ na poziom mórz, cykl hydrologiczny, ekosystemy morskie i lądowe, oraz zakwaszanie i zmniejszanie się natlenienia oceanów. Ważne zjawiska klimatyczne, takie jak El Niño-Southern Oscillation (ENSO) oraz monsuny, które dziś wpływają na stabilność społeczno-gospodarczą oraz bezpieczeństwo żywnościowe i wodne miliardów ludzi, podlegały istotnym zmianom w wyniku występujących w przeszłości zmian klimatu.

Rekonstrukcje klimatyczne z różnych miejsc na świecie pokazują, że zmiany klimatu nie były jednolite w skali planety, ale wykazywały charakterystyczne tendencje, ze zmianami na biegunach większymi niż gdzie indziej. To wzmocnienie polarne widoczne jest w dawnych, cieplejszych niż współczesny, okresach, takich jak epoka eocenu, około 50 milionów lat temu, a bliżej naszych czasów - w pliocenie, około 3 milionów lat temu. Najcieplejsze okresy pliocenu charakteryzowały się zanikiem letniego lodu morskiego w Arktyce. Utrata pokrywy lodowej podczas pliocenu była jedną z licznie zaobserwowanych w zapisie gwałtownych zmian klimatu związanych z przekraczaniem tak zwanych klimatycznych punktów krytycznych.

Zapis geologiczny może być użyty do obliczenia wielkości zwanej równowagową czułością klimatu (ang. Equilibrium Climate Sensitivity, ECS), czyli wielkością ocieplenia spowodowaną podwojeniem stężenia CO2 w atmosferze, po czasie, w którym między rozmaitymi procesami w systemie klimatycznym ukształtuje się równowaga. Ostatnie szacunki sugerują, że globalnie, średnio przy podwojeniu koncentracji CO2 w atmosferze klimat ociepla się o 2,6-3,9°C (po uzyskaniu równowagi systemu klimatycznego).

Zapis geologiczny dostarcza mocnych dowodów na to, że stężenie CO2 w atmosferze jest czynnikiem kształtującym klimat, co współgra z wieloma innymi dowodami na to, że gazy cieplarniane emitowane w wyniku działalności człowieka zmieniają klimat Ziemi. Co więcej, ilość obecnych już w atmosferze gazów cieplarnianych pochodzenia antropogenicznego oznacza, że Ziemia jest już skazana na pewien poziom ocieplenia klimatu. Ponieważ klimat Ziemi zmienia się wskutek spalania paliw kopalnych i zmian w użytkowaniu gruntów, planeta, na której żyjemy, doświadczy dalszych zmian, które będą miały coraz bardziej drastyczne skutki dla ludzkich społeczeństw. Ocena przeszłych zmian klimatu pomaga w podejmowaniu decyzji politycznych dotyczących przyszłości. Naukowcy zajmujący się badaniem Ziemi mają do odegrania ważną rolę w realizacji wszelkich polityk mających na celu ograniczenie przyszłych zmian klimatycznych.

Znających język angielski gorąco zachęcamy do przeczytania całości artykułu Lear i inni, 2020. Jest napisany prosto, świetnie uźródłowiony i stanowi doskonałe kompendium wiedzy o przeszłym klimacie naszej planety.

Jeśli idzie o zawartość naukową, to warte uwagi jest spojrzenie na kwestię zmienności klimatu w historii geologicznej, prowadzące do podobnych wniosków jak omówiony tu wcześniej artykuł Westerhold i in., 2020.

Autorzy Lear i inni, 2020 piszą, że aktualne stężenie CO2 w atmosferze przekracza już to ze środkowego pliocenu (3,3 mln lat temu), kiedy klimat był o 2-4°C cieplejszy niż dzisiaj („chłodny” stan klimatu na Rys. 2), a większe stężenia CO2 odpowiadały stanowi klimatu „ciepłemu” lub nawet „cieplarnianemu”. Zestawiając oszacowania wymuszenia radiacyjnego i charakterystycznych temperatur, jakie panowały w odległych epokach geologicznych, autorzy oszacowują najbardziej prawdopodobną wartość równowagowej czułości klimatu.

Wykres: Zależności między stężeniem CO2 i wymuszaniem radiacyjnym oraz temperaturą

Rysunek 4: a) Zależność między stężeniem CO2 w atmosferze a średnią temperaturą powierzchni Ziemi w pięciu okresach w historii naszej planety. b) Zależność między wymuszeniem radiacyjnym a zmianą średniej temperatury powierzchni Ziemi (oba parametry w stosunku do wartości z epoki przedprzemysłowej). Paski błędów pokazują 68-procentowy przedziałów ufności i w niektórych przypadkach są mniejsze niż symbol. LGM to ostatnie maksimum epoki lodowej (ang. Last Glacial Maximum), EECO to eoceńskie optimum klimatyczne (ang. Early Eocene Climate Optimum), a PETM to paleo-eoceńskie maksimum termiczne (ang. Paleocene-Eocene Thermal Maximum). Źródło Lear i inni, 2020.

Podsumowując piszą:

Dysponując oszacowaniami przeszłego wymuszania radiacyjnego i przy wartości ECS pomiędzy 2,6 a 3,9°C, jesteśmy w stanie wyjaśnić większość ociepleń/ochłodzeń widocznych w zapisie geologicznym. Dostarczając kluczowych informacji o zakresie zmienności ECS zapis geologiczny może mieć istotny wkład w decyzje polityczne [związane z przyszłymi redukcjami emisji – red.].

Druga wymagająca podkreślenia kwestia to ogromna waga, jaką autorzy przypisują punktom krytycznym w ziemskim systemie klimatycznym, pisząc wprost:

Geologiczny zapis zmian klimatu ujawnia dowody na istnienie w systemie klimatycznym sprzężeń i punktów krytycznych, których przekroczenie w wyniku działania stopniowo narastającego wymuszania spowodować może nagłe i niekiedy nieodwracalne zmiany

Konkluzja ta w pełni współgra z pracą Westerhold i in., 2020. Nie bez powodu autorzy przytoczonych prac podkreślają jak istotne i bezprecedensowe jest tempo obecnej zmiany klimatu.

Konsensus klimatyczny w światowej geologii a polska specyfika…

Dla stałych czytelników naszego portalu nie ma w omawianych publikacjach wielu zaskakujących punktów, choć uwagę może zwracać kolejne uszczegółowienie i pogłębienie dotychczasowej wiedzy. Treść artykułów jest w pełni zgodna z konsensusem naukowym w sprawie zmiany klimatu. Samo stanowisko The Royal Geological Society of London też nie jest nowe – to doprecyzowanie stanowiska z 2007 roku, również zgodnego z konsensusem naukowym w sprawie globalnego ocieplenia. Współgra ono ze stanowiskiem The Geological Society of America oraz innych towarzystw i akademii naukowych.

Dlaczego dla nas, w Polsce, te teksty są tak ważne? Ponieważ niektórzy przedstawiciele polskiego środowiska geologów wciąż twierdzą, że „geologia daje inną perspektywę współczesnej zmiany klimatu” niż np. fizyka atmosfery czy klimatologia fizyczna.

Nie jest to prawdą.

Taką „inną perspektywę” ma nie geologia jako nauka, lecz co najwyżej nieliczni geolodzy niekoniecznie będący na bieżąco z osiągnięciami uprawianej przez siebie nauki.

Prof. Szymon Malinowski

gra kalkulator zuzycia ciepla

Informacje

  • Polecane materiały
    Portal "Ziemia na rozdrożu" powstał w 2008 roku. Opublikowaliśmy tysiące artykułów, materiałów medialnych, książki i komiksy. W tej sekcji znajdziesz linki do różnych ciekawych materiałów.Polecane książki(...)

    więcej »

  • Świat na Rozdrożu - wykresy
    "Świat na rozdrożu" przedstawia powiązania między systemem finansowo-gospodarczym, zużyciem energii i zasobów oraz podlegającym coraz większej presji środowiskiem. Pokazuje, jak kształtują się i zmieniają powoln(...)

    więcej »

  • Przewodnik do sceptycyzmu globalnego ocieplenia
    Sceptycyzm naukowy jest zdrowy.  Właściwie to nauka z natury jest sceptyczna. Prawdziwy sceptycyzm oznacza rozważenie całości dowodów przed wyciągnięciem wniosków. Jeśli przyjrzymy się bliżej argumentom wyr(...)

    więcej »

  • Źródła informacji o klimacie
    Adresy stron internetowych, zawierających kluczowe dane i informacje o klimacie. Satelitarne pomiary temperaturyRemote Sensi(...)

    więcej »

  • Marcin Popkiewicz w mediach
    Marcin Popkiewicz - notka biograficzna w TVN"O co chodzi"

    więcej »

Linkownia

Wykonanie PONG, grafika GFX RedFrosch.



logowanie | nowe konto