Modelowanie klimatu

Aby symulować klimat Ziemi i przewidywać jego zachowanie, należy uwzględnić szereg czynników. Są to w szczególności:

• promieniowanie, konwekcja (pionowy przepływ energii i gazów) i przewodzenie w atmosferze;
• zachowanie atmosfery, w tym formowanie się różnych rodzajów chmur w różnych warunkach na różnych wysokościach;
• uwzględnienie cyklu węglowego, wymiana gazów w oceanach (od wymiany gazów, przez wpływ planktonu, po kwestię wpływu na to wszystko aktualnego zachmurzenia czy intensywności falowania), glebie, biosferze, …;
• topnienie i rozpad czap polarnych i zmiany pokrywy śnieżnej;
• wpływ aerozoli i pyłów;
• reakcje chemiczne w oceanie, glebie i skałach;
• zmiany w biosferze, z uwzględnieniem wpływu zmian środowiska na ich zachowanie;
• prądy morskie;
• sprzężenia zwrotne…

Ilość zjawisk, które należy uwzględnić w modelu jest bardzo duża, a do tego wpływają one wzajemnie na siebie, splatając się w bardzo skomplikowany układ. 

Rys. Zobrazowanie składników systemu klimatycznego, procesów i wzajemnych oddziaływań. Źródło: IPCC .

Modele klimatu opierają się na podstawowych prawach fizyki, z uwzględnieniem mechanizmów chemicznych i biologicznych.

Czytaj więcej o modelach  .

Naukowcy przygotowują rozbudowane programy komputerowe, które symulują rzeczywiste zjawiska zachodzące w oceanach i atmosferze przez obliczenia numeryczne. Globalne modele cyrkulacji ziemskiej mają trzy wymiary przestrzenne i opisują każdy punkt na kuli ziemskiej i w atmosferze oraz jeden wymiar czasowy. Każdemu punktowi w przestrzeni przypisuje się szereg parametrów, takich jak temperatura, ciśnienie, wilgotność, pokrywa chmur czy parametry biosfery. Na tej podstawie komputer określa, jakie będą wartości w następnym kroku. Podstawą matematyczną modeli są równania przepływu płynów Naviera – Stokesa na „siatce” Ziemi.

Rys. Poglądowe równania będące podstawą symulacji klimatu.

Oczywiście, im pełniej i precyzyjniej model odzwierciedla rzeczywiste zachowanie atmosfery, oceanów i biosfery i im mniejsze są komórki przestrzenne i kroki czasowe, tym większej dokładności modelu można oczekiwać. Modelując zasady rządzące klimatem, naukowcy spotykają się z wieloma problemami, nie będąc pewnymi szeregu założeń modelu. Przykładowo weźmy kwestię wpływu zmiany koncentracji dwutlenku węgla na świat roślinny. Dobry model komputerowy powinien uwzględniać takie czynniki, jak:

• lepszy wzrost roślin w atmosferze bogatej w CO₂?
• wpływ przesuwania się stref klimatycznych, susz i pustynnienia;
• wpływ zmian w opadach na różne gatunki roślin, mających odmienne zapotrzebowanie na wodę;
• wpływ zmian kwasowości gleby na wzrost różnych roślin;
• trafiające do gleby węglowodany powodują, że bakterie produkują mniej będących dla roślin nawozem związków azotu, co z kolei wpływa na wzrost roślin;
• zmiana wilgotności gleby wpływa na zmiany w produkcji przez robaki potrzebnych roślinom tlenków azotu;
• różne rośliny charakteryzują się odmiennymi proporcjami węglowodanów, białek i innych składników odżywczych. Co zjedzą zwierzęta i jakie rośliny wygrają w tej konkurencji?
• polepszenie się warunków wegetacji zazwyczaj oznacza, że pasożytnicze chwasty, bluszcze i liany rosną ZNACZNIE lepiej niż inne rośliny uprawne. Jak wpłynie to na roślinność regionu?
• w ciepłym środowisku mogą rozmnożyć się owady. Jaki będzie ich wpływ na wzrost roślinności?
• tereny z różnymi rodzajami roślin (lub w ogóle bez nich) mają odmienne albedo (zdolność odbijania światła)
• i wiele innych…

Modele mają w sobie wiele różnorodnych parametrów, które są bardzo słabo określone. Jak więc przewidywać zjawiska na skalę planetarną i do tego w długim horyzoncie czasowym? Wraz z doskonaleniem metod numerycznych klimatologii, wzrostem mocy obliczeniowej komputerów, a przede wszystkim postępów w badaniach dotyczących poszczególnych komponentów układu klimatycznego i danych historycznych tworzymy modele, które coraz dokładniej odtwarzają świat rzeczywisty. Postęp w tej dziedzinie obrazuje poniższy rysunek, przedstawiający procesy symulowane w kolejnych modelach.

Rys. Zobrazowanie postępów w modelowaniu klimatu.
Połowa lat ’70 XX wieku: promieniowanie słoneczne, efekt cieplarniany, deszcz.
Połowa lat ’80 XX wieku: dochodzi powierzchnia lądowa z roślinnością, pokrywa lodowa i zachmurzenie.
FAR (pierwszy raport IPCC): dochodzi ocean traktowany jako nieruchomy zbiornik wodny.
SAR (drugi raport IPCC): dochodzą aerozole siarkowe i wulkany.
TAR (trzeci raport IPCC): dochodzą inne aerozole, cykl węglowy, rzeki i cyrkulacja oceaniczna.
AR4 (czwarty raport IPCC): dochodzi dynamicznie reagująca roślinność i reakcje chemiczne.

To jest bardzo skomplikowane, a wiele parametrów jest wciąż słabo określonych. Jak więc można uważać, że modele faktycznie w miarę poprawnie symulują rzeczywistość?
Przede wszystkim od modelu wymaga się, aby poprawnie odtwarzał zachowanie klimatu Ziemi. Wszystkie obserwowane zjawiska powinny wychodzić z podstawowych praw zakodowanych w modelu – strefy klimatyczne, pory roku z temperaturami, opadami i wilgotnością, zmiany pokrywy lodowej, niże i wyże, opady, huragany, wiatry strumieniowe, rozkład temperatur w atmosferze. Wszystko. 

Załączone wykresy pokazują przykładowe wyniki symulacji klimatu.

• uwzględnienie jedynie wpływu czynników naturalnych;
• uwzględnienie jedynie wpływu czynników antropogenicznych;
• uwzględnienie zarówno czynników naturalnych, jak i antropogenicznych

Rys. Wyniki modelowania temperatury powierzchni Ziemi; 
a)    uwzględnienie zarówno czynników naturalnych jak i antropogenicznych – bardzo dobra zgodność modelu z doświadczeniem.
b)    same czynniki naturalne – model nie jest w stanie poprawnie odtworzyć wzrostu temperatury pod koniec XX w.
Źródło: 4 raport IPCC.

Dopiero uwzględnienie w symulacji zarówno wpływu czynników naturalnych i antropogenicznych (pochodzących od ludzi) pozwala na uzyskanie zgodności między obserwacjami, a symulacją.

Jeśli model potrafi poprawnie odtwarzać obecny klimat, zasila się go danymi historycznymi, takimi jak zmiany orbity Ziemi, aktywność Słońca, koncentracja gazów cieplarnianych czy wielkie wybuchy wulkanów. Wprowadza się stan początkowy dziesiątki, setki, tysiące czy nawet setki milionów lat  temu i uruchamia się symulację. Następnie patrzy się, co z tego wyjdzie. Od modelu oczekuje się, że poprawnie odtworzy wszystkie znane z obserwacji cechy ówczesnego klimatu – temperatury, strefy klimatyczne, zasięg pokrywy lodowej itp. Model powinien poprawnie odtwarzać zarówno klimat upalnego okresu kredowego, jak i epoki lodowcowej, czy też zmiany klimatu w Holocenie.

Oczywiście na poziomie statystycznym, a nie pogodowym na dany dzień. Co ciekawe, w przypadku sprzeczności pomiędzy modelem i danymi pomiarowymi często okazuje się, że to model był poprawny, a błędy były popełniane po stronie pomiarów. Przykładowo, na korzyść modeli zostały wyjaśnione zagadnienia wykazywanego przez pomiary ochładzania się górnych warstw oceanicznych (później skorygowane ze względu na błędy pomiarowe – pobierz plik.pdf ) czy też rozkładu temperatury w troposferze (pomogło tu zastosowanie zaawansowanych metod statystycznych pozwalających skorygować błędy systematyczne w pomiarach – (przeczytaj więcej w artykule RealClimate ) .

Przy modelowaniu ziemskiego klimatu dużo można się nauczyć badając inne planety i księżyce posiadające atmosfery. Zachodzące na nich zjawiska są krańcowo różne od tych, z którymi spotykamy się na Ziemi. Dzięki temu możemy przyglądać się nie tylko jednemu systemowi, lecz wielu, co pozwala na ekstrapolację naszej wiedzy, a także uświadamia jak szczególnym miejscem jest Ziemia.

Biorąc pod uwagę złożoność parametrów w zaawansowanych modelach klimatu nic dziwnego, że sceptycy globalnego ocieplenia uważają modele za niewiarygodne. I w pewnym sensie mają rację.

Prawdą jest także fakt, że nawet w krótkim horyzoncie czasowym nasze modele szwankują. Jako przykład najprościej jest tu chyba przytoczyć wysiłki czynione w celu przewidywania zjawiska El Niño. Ze względu na jego silny wpływ na klimat, szczególnie w Australii, w analizę i przewidywania zjawiska El Niño zaangażowano znaczne środki. Możliwość prognozowania pogody choćby na kilka miesięcy do przodu umożliwiałaby określenie, jakich opadów i temperatur można oczekiwać, co z kolei pozwoliłoby zaplanować sadzenie upraw i uniknąć narażania się na nieprzewidziane susze lub opady. Jak na razie sukcesy w przewidywaniu El Niño są dość mizerne – pomimo zrozumienia podstaw zjawiska potrafimy w miarę wiarygodnie prognozować raptem na kilka tygodni do przodu. Na tym przykładzie widać, że nasze modele są wciąż bardzo powierzchowne i niepełne.

Do tego powyższy przykład uświadamia nam, że mamy trudności nawet z modelowaniem tego, co się dzieje na naszych oczach. Kiedy czynimy wysiłki, aby modelować nieznane, trafiamy w rejony, w których nasze prognozy, oparte o dotychczasowe obserwacje, stają się szczególnie niepewne. Jak bez danych historycznych, wieloletnich obserwacji i kalibracji pomiarowej uwzględnić takie zjawiska, jak wpływ na klimat metanu i dwutlenku węgla wyzwalanych z rozmarzającej wiecznej zmarzliny, przewidywać rozwój bakterii siarkowych, albo warunki  pojawienia się hiperkanów? Albo jeszcze przewidzieć coś, co czeka na nas „za rogiem”, ale z czym ludzkość nigdy jeszcze się nie zetknęła i czego siłą rzeczy nie uwzględniamy w naszych modelach?

Nasze przewidywania co do przyszłych zmian klimatu są tak niedokładne, że najprawdopodobniej o tym, że coś się stanie, dowiemy się dopiero wtedy, kiedy już się wydarzy… 

Z jednej strony możemy rozważać i modelować klimat składając wszystkie zjawiska razem, wprowadzając do układu zaburzenie wywołujące wymuszanie radiacyjne (np. antropogeniczne gazy cieplarniane), a następnie uwzględniając wszystkie znane nam zjawiska i sprzężenia zwrotne, wyliczyć, co z tego wyjdzie i jak w różnych rejonach Ziemi zmieni się temperatura.

Z drugiej strony, w oparciu o pomiary historyczne, np. cykl epok lodowcowych, można określić jakie było zaburzenie (w tym przypadku zmiany energii Słońca) i jakie spowodowały one zmiany w temperaturze i klimacie.
Oba te podejścia powinny być ze sobą zgodne.

I wszystko wskazuje na to, że są. Wyliczone metodą pierwszą wymuszanie radiacyjne wynosi 1.6 W/m², z kolei dla epok lodowcowych współczynnik wzrostu temperatury w zależności od wymuszania radiacyjnego wynosi 0.75°C na każdy 1 W/m². Oznacza to, że dla obecnego wymuszania radiacyjnego wywołanego naszym działaniem temperatura powinna wzrosnąć o mniej więcej 1.2°C. Pomiary wykazują, że wzrosła tylko o 0.7-0.8°C, ale klimat jeszcze w pełni nie zareagował na tak szybkie zmiany – oceany jeszcze nie zmieniły znacząco swojej temperatury, a pokrywa lodowa dopiero zaczyna topnieć. Z jednej strony to dobrze – bezwładność klimatu daje nam więcej czasu na reakcję (pytanie tylko jak to wykorzystamy?). Z drugiej jednak strony, koncentracja gazów cieplarnianych w atmosferze może przekroczyć określone punkty krytyczne, i to znacząco, a kiedy już objawią się ich konsekwencje, łatwej drogi powrotnej już nie będzie.

Dwutlenek węgla przyczynia się do ocieplania planety. Duży wpływ na jego ilość w atmosferze ma działalność człowieka. Spore ilości może „wypuścić” sama natura. Przeczytaj więcej o zjawisku sprzężeń zwrotnych .