Nauka o klimacie – czym zajmuje się współczesna klimatologia?

Nauka o klimacie, czyli klimatologia, bada statystykę pogody z wielu lat: średnie, rozkłady i częstość zjawisk skrajnych w danym regionie. Meteorologia prognozuje konkretne dni, a klimatologia pyta, jak często i jak obficie pada w poszczególnych porach roku. Dlatego mroźny tydzień w styczniu nie przeczy ociepleniu. O klimacie mówi dopiero wieloletnia seria pomiarów.

Czym jest nauka o klimacie?

Pogoda to stan atmosfery w danej chwili i w danym miejscu, a klimat to statystyka takich stanów z wielu lat. Klimatologia, czyli nauka o klimacie, nie pyta więc, czy jutro spadnie deszcz. Pyta, jak często, jak obficie i w jakich porach roku pada w danym regionie. Meteorologia prognozuje konkretne dni, a klimatologia opisuje średnie, rozkłady i częstość zjawisk skrajnych.

Taka perspektywa wynika z natury samej atmosfery. Pojedynczy rok bywa wyjątkowo ciepły albo chłodny z powodu naturalnej zmienności klimatu, dlatego stosuje się średnią z długiego okresu. Dopiero ona wygładza przypadkowe odchylenia. Czy mroźny tydzień w styczniu przeczy ociepleniu? Nie, bo tydzień to pogoda, a o klimacie mówi dopiero wieloletnia seria pomiarów.

W polskich tekstach często pojawia się formuła „co najmniej 30 lat”, jakby ta liczba wynikała z samej definicji klimatu. Trzydzieści lat to jednak konwencja Światowej Organizacji Meteorologicznej. Standard WMO przewiduje trzydziestoletnie okresy odniesienia i zaleca ich aktualizację co dekadę. Obecnie obowiązuje okres 1991–2020. Konwencja służy porównywalności danych między stacjami i krajami. Klimat da się przy tym opisać także dla stuleci albo epok geologicznych.

Dziedzina wyrosła z geografii fizycznej, która traktowała klimat jako cechę krajobrazu. Dziś opiera się przede wszystkim na fizyce atmosfery i korzysta z oceanografii, glacjologii, geologii, chemii oraz informatyki.

Pytania, na które odpowiada współczesna klimatologia

Klimatologia bada klimat jako system połączonych elementów. Zadaje mu cztery pytania: jak działa, jak go opisać, jak zmieniał się sam z siebie i dokąd zmierza.

System klimatyczny i procesy klimatotwórcze

System klimatyczny tworzy pięć połączonych elementów: atmosfera, hydrosfera z oceanami, kriosfera, czyli lód i śnieg, powierzchnia lądu oraz biosfera. Każdy magazynuje i przenosi energię w innym tempie. Ocean nagrzewa się powoli i długo oddaje ciepło, a atmosfera reaguje w ciągu dni. Podstawowe pytanie dotyczy więc tego, jak energia ze Słońca rozchodzi się po tym systemie. Ten rachunek to bilans energetyczny Ziemi. Obieg ciepła, obieg wilgoci i cyrkulację atmosferyczną nazywa się procesami klimatotwórczymi. Przebieg tych procesów w danym miejscu zależy od czynników kształtujących klimat.

Opis i klasyfikacja klimatów

Najstarsza część dziedziny polega na zebraniu wieloletnich obserwacji, uśrednieniu ich i podzieleniu Ziemi na typy klimatu. Opisuje się przy tym elementy klimatu: temperaturę, opady, wilgotność, wiatr i zachmurzenie. Z takich średnich wynika na przykład amplituda temperatur, która odróżnia klimat morski od kontynentalnego.

Najszerzej stosowana klasyfikacja Köppena-Geigera opiera się na miesięcznych danych o temperaturze powietrza i opadach. Metody statystyczne i kartograficzne przekładają je na mapy stref klimatycznych. Ta praca trwa nadal. Mapy klasyfikacji Köppena-Geigera w rozdzielczości 1 km wyznaczono dla okresu 1980–2016. Na podstawie projekcji modelowych wyznaczono je też dla lat 2071–2100. Taka mapa daje jeden z punktów odniesienia dla zmian.

Naturalna zmienność i dawne zmiany klimatu

Klimat zmieniał się zawsze. Poszczególne zjawiska działają jednak w skalach czasowych różniących się o rzędy wielkości:

• El Niño – ocieplenie wschodniego Pacyfiku wraca nieregularnie co 2–7 lat i na rok lub dwa podnosi średnią temperaturę globu.
• Erupcje wulkaniczne – aerozole siarczanowe w stratosferze chłodzą klimat przez rok do trzech lat.
• Cykle słoneczne – aktywność Słońca waha się w rytmie około 11 lat.
• Epoki lodowcowe – zmiany orbity Ziemi przesuwają klimat między glacjałami a interglacjałami co około 100 000 lat.

Odchylenie trwające kilka lat to zmienność, bo po nim system wraca do stanu wyjściowego. Według glosariusza raportu IPCC o zmianie klimatu mówi się dopiero przy zmianie trwałej. Taka zmiana utrzymuje się przez dłuższy czas, zwykle dekady lub dłużej. Wśród możliwych przyczyn takiej zmiany glosariusz wymienia wahania cykli słonecznych, erupcje wulkaniczne i trwałe zmiany wywołane przez człowieka. Najdłuższe z tych skal odtwarza paleoklimatologia.

Scenariusze przyszłego klimatu

Prognoza pogody mówi, co się wydarzy. Projekcja klimatyczna mówi, co się wydarzy, jeśli spełni się założony warunek. Ta różnica wynika z natury systemu: jego chaotyczny charakter ogranicza przewidywalność konkretnego stanu w przyszłości, ale zmiany statystyk wciąż mogą być przewidywalne. Nikt nie poda temperatury w Krakowie 15 lipca 2070 roku, ale da się policzyć, jak przesunie się rozkład letnich temperatur.

Warunkiem projekcji są scenariusze emisji gazów cieplarnianych, od szybkiej redukcji po dalszy wzrost. Modele klimatyczne liczą odpowiedź systemu na każdy z nich, więc wynik ma postać wachlarza: każda ścieżka emisji daje własny przedział ocieplenia.

Jak klimatolodzy zbierają dane?

Wiedza o klimacie pochodzi z trzech źródeł o różnym zasięgu: pomiarów instrumentalnych, naturalnych archiwów i symulacji komputerowych. Pomiary są najdokładniejsze, ale najkrótsze. Globalne serie temperatury ze stacji meteorologicznych sięgają około 1850 roku. Pomiary satelitarne prowadzi się od końca lat 70. XX wieku.

Skąd zatem wiadomo, jaki był klimat, zanim ktokolwiek go mierzył? Tę wiedzę dają archiwa, w których przyroda zapisała dawny stan atmosfery i oceanu. Najdokładniejszy zapis daje lód. Badanie rdzenia lodowego EPICA ustaliło dawne stężenia dwutlenku węgla. Odczytano je ze składu powietrza uwięzionego w rdzeniach z Antarktydy. Najniższe 200 metrów rdzenia EPICA zapisało okres od 650 000 do 800 000 lat przed współczesnością.

Rdzenie osadowe z dna oceanów, którymi zajmuje się paleoceanografia, sięgają jeszcze dalej. Mikroskamieniałości, głównie wapienne skorupki otwornic, wbudowują lżejszy tlen-16 i cięższy tlen-18 w proporcji zależnej od temperatury wody i ilości lodu na lądach. Kolejne warstwy osadu dają zapis sięgający milionów lat, choć mniej szczegółowy niż zapis z lodu.

Trzecim źródłem są modele klimatyczne: równania fizyki atmosfery i oceanu rozwiązywane na siatce obejmującej cały glob. Model zdobywa zaufanie, gdy poprawnie odtwarza klimat, który już znamy: przebieg temperatury z czasów pomiarów i warunki epoki lodowcowej zapisane w archiwach. Dopiero po takim teście na przeszłości model liczy projekcje na przyszłość.

Skąd pewność, że za obecne ocieplenie odpowiada człowiek?

Przyczynę obecnego ocieplenia ustalono metodą atrybucji, czyli oceną względnego udziału wielu czynników przyczynowych w zmianie albo zdarzeniu. Według ustaleń szóstego raportu IPCC jest jednoznaczne, że wpływ człowieka ogrzał atmosferę, ocean i ląd.

Ostatecznie rozstrzyga ślad w danych. Każde wymuszenie, czyli czynnik zmieniający bilans radiacyjny planety, zostawia w nich inny wzór. Silniejsze Słońce ogrzewałoby całą atmosferę, od powierzchni po stratosferę. Gazy cieplarniane zatrzymują ciepło niżej, więc troposfera się ogrzewa, a stratosfera jednocześnie się ochładza, i taki wzór widać w pomiarach. Bardzo prawdopodobne jest, że gazy cieplarniane były głównym czynnikiem ocieplenia troposfery od 1979 roku. Same dobrze wymieszane gazy cieplarniane prawdopodobnie przyczyniły się do ocieplenia o 1,0–2,0°C względem początku globalnych pomiarów temperatury. Inne czynniki ludzkie, głównie aerozole, w tym samym czasie chłodziły klimat.

Skąd więc wrażenie, że naukowcy wciąż się spierają? W recenzowanych publikacjach zgoda co do tego, że zmianę klimatu powoduje człowiek, przekracza 99%. W losowej próbie 3000 prac autorzy analizy literatury naukowej znaleźli cztery sceptyczne. Na odbiór społeczny mogą jednak wpływać media, które przedstawiają obie strony jako równorzędne, oraz mity klimatyczne.

Otwarte pozostają inne pytania: jak szybko będzie postępować ocieplenie i jakie skutki przyniesie w poszczególnych regionach, na przykład dla opadów, susz i lądolodów. Te badania dotyczą skali i rozkładu zmian, a nie samej ich przyczyny.