Recenzja: prof. dr hab. Jacek Piskozub (Instytut Oceanologii PAN),

prof. dr hab. Zbigniew W. Kundzewicz (Instytut Środowiska Rolniczego i Leśnego PAN)

Redakcja: Paulina Płatkowska, Agnieszka Jeż-Kaflik / Słowne Babki

Korekta: GAB Media

Ilustracja na okładce: © Bernard „Pyzz” Piechal i NASA Scientific Visualization Studio

Projekt grafiki: Anna Popkiewicz

Projekt okładki: Tomasz Majewski

ISBN: 978-83-8110-752-5

Copyright © 2018 by Marcin Popkiewicz, Aleksandra Kardaś, Szymon Malinowski

(under exclusive license to Wydawnictwo Sonia Draga and GAB Media)

Copyright © 2018 for this edition by Wydawnictwo Sonia Draga and GAB Media

Wszelkie prawa zastrzeżone. Nieautoryzowane rozpowszechnianie całości lub fragmentu niniejszej publikacji w jakiejkolwiek postaci jest zabronione i wiąże się z sankcjami karnymi.

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując ją, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo!

Polska Izba Książki

Więcej o prawie autorskim na www.legalnakultura.pl

WYDAWNICTWO SONIA DRAGA Sp. z o.o.

ul. Fitelberga 1, 40-588 Katowice

tel. 32 782 64 77, fax 32 253 77 28

e-mail: info@soniadraga.pl

www.soniadraga.pl

www.postfactum.com.pl

www.facebook.com/PostFactumSoniaDraga

www.facebook.com/wydawnictwoSoniaDraga

Wydawnictwo Nieoczywiste – imprint GAB Media

www.nieoczywiste.pl

e-mail: wydawnictwo@nieoczywiste.pl

E-wydanie 2018

Skład wersji elektronicznej: Kamil Raczyński

konwersja.virtualo.pl

Spis treści

Opinie o książce

Słowo wstepne

1. Wprowadzenie

1.1. Klimatyczne kontrowersje i metoda naukowa

1.2. Klimat wczoraj i dziś

2. Maszyna klimatyczna

2.1. Bilans energetyczny

2.2. Promieniowanie

2.3. Albedo

2.4. Temperatura emisyjna planety

2.5. Efekt cieplarniany – model szyby

2.6. Termiczna struktura atmosfery

2.7. Zmiany strumienia promieniowania słonecznego

2.8. Gazy cieplarniane i ich cechy

2.9. Wpływ gazów cieplarnianych na widmo promieniowania ziemskiego

2.10. Zmiany koncentracji gazów cieplarnianych a transport energii

2.11. Chmury

2.12. Aerozol

2.13. Bilans energetyczny Ziemi

2.14. Globalna cyrkulacja atmosferyczna i strefy klimatyczne

2.15. Oceany

2.16. Szybki cykl węglowy

2.17. Sprzężenia w systemie klimatycznym Ziemi

2.18. Wolny cykl węglowy i termostat węglowy

2.19. Impuls węglowy

2.20. Czułość klimatu

2.21. Czułe punkty systemu klimatycznego

2.22. Podsumowanie

3. Zmiany klimatu w historii Ziemi

3.1. Epoki lodowe

3.2. Dalej wstecz w czasie...

3.3. Paleo-eoceńskie maksimum termiczne (PETM)

3.4. Wielkie wymierania

3.5. Ziemia-śnieżka

3.6. Podsumowanie

4. Obecna zmiana klimatu

4.1. Świat paliw kopalnych

4.2. Zaburzony cykl węglowy

4.3. Inne gazy cieplarniane

4.4. Zmiana bilansu radiacyjnego Ziemi

Podsumowanie

4.5. Bilans energetyczny Ziemi: gdzie przybywa energii?

4.6. Fluktuacje wzrostu temperatury

4.7. Obserwacje i niektóre konsekwencje zmiany klimatu

4.8. Klimatyczne kontrowersje

4.9. Podsumowanie

5. Prognoza na przyszłość

5.1. Odpowiedź klimatu na emisje gazów cieplarnianych

5.2. Potencjalna pula emisji

5.3. Scenariusze emisji i zmiany klimatu

5.4. Zmiany w cyklu węglowym

5.5. Skutki ocieplania się klimatu

Wzrost poziomu morza

5.6. Czarny scenariusz

5.7. Geoinżynieria

5.8. Próg 2°C (oraz próg 1,5°C)

5.9. Z polskiej perspektywy

5.10. Droga do przyszłości

Podsumowanie

6. Materiały dodatkowe

6.1. Historia badań klimatu

6.2. Badanie klimatu – teraźniejszość i nieodległa przeszłość

6.3. Badanie klimatu – paleoklimat

6.4. Źródła kontrowersji w kwestii zmiany klimatu

6.5. Mity klimatyczne – instrukcja obsługi

6.6. Pochłanianie i emisja promieniowania przez gazy

6.7. Modele klimatu

6.8. Źródła danych klimatycznych

Odpowiedzi do zadań

Bibliografia

Spis ilustracji

Wszystkie rozdziały dostępne w pełnej wersji książki.

OPINIE O KSIĄŻCE

Znakomicie napisana i przystępna książka na temat, który budzi powszechne zainteresowanie. Brakowało takiej pozycji na polskim rynku wydawniczym. Kompetentni autorzy przedstawili nawet najbardziej złożone zagadnienia z lekkością i polotem, nie tracąc wysokiego poziomu i naukowej ścisłości. Must read dla każdego, kto interesuje się problematyką klimatu i jego zmian. Mam nadzieję, że książka pomoże w edukacji polskiego społeczeństwa, które jest dramatyczne podzielone w opiniach na temat zmian klimatu. Niech wiedza, a nie postprawda, oświetla nasze osądy.

prof. dr hab. Zbigniew Kundzewicz, członek-korespondent PAN, hydrolog i klimatolog z Instytutu Środowiska Rolniczego i Leśnego Polskiej Akademii Nauk w Poznaniu

To fenomenalna książka. Chwilami czyta się ją jak kryminał, choć powinna być potraktowana przez większość czytelników jako Biblia. A co najważniejsze, została napisana przez polskich naukowców – pasjonatów. To obowiązkowa lektura dla wszystkich – bez wyjątku – pragnących zdobywać wiedzę, jak też i tę wiedzę szerzących, lub też wiedzą podpierających się w życiu i w pracy. To lektura dla nauczycieli, studentów, polityków i ...prezenterów pogody. To dzieło wybitne, monumentalne i pierwsze w Polsce tak przekrojowo, dogłębnie, tak obszernie, mądrze, ale i przystępnie traktujące zmiany klimatu, które dla ludzkości są już bez wątpienia najpoważniejszym problemem. Nauka o klimacie powinna stać się obowiązkową lekturą każdego świadomego mieszkańca naszej planety.

Jarosław Kret, dziennikarz telewizyjny, prezenter prognoz

pogody, członek Climate Without Borders

Pierwszy znany mi kryminał przygodowy, którego zakończenie czytelnik sam współtworzy. Tak naprawdę Nauka o klimacie to dość nietypowy podręcznik, stopniowo odkrywający olbrzymią wiedzę o klimacie, która nie ogranicza się tylko do gazów cieplarnianych działających jak koc i podnoszących temperaturę planety. Te kilkaset stron to jak puzzle wielkiej „klimatycznej układanki”, odsłaniającej obraz wielu skomplikowanych i współzależnych mechanizmów, mających poprzez klimat i nasze działanie wpływ na całe nasze otoczenie. Zupełnie jak w powieści przygodowej – chcemy wiedzieć, co dalej, poznając jednocześnie „kryminalne” i podstępne skutki pozornie niegroźnych działań. Jako inżynier, teraz już świadomy wielu tych skomplikowanych procesów, mogę przez propagowanie wiedzy starać się również współtworzyć dalsze rozdziały tej książki.

Rafał Bryjak, specjalista w koncernie energetycznym

Nauka o klimacie zapełnia bardzo istotną lukę na polskim rynku wydawniczym, wręcz bolesną dla każdego, kto uczy o klimacie, czy też zajmuje się popularyzacją współczesnej wiedzy naukowej na ten dość ważny temat. Od lat prowadzę kurs wykładów „Ocean i klimat”, obejmujący bardzo szeroki zakres zagadnień i praktycznie wszystkie poruszone są w Nauce o klimacie. Książka skierowana jest do czytelnika o pewnym przygotowaniu, nie wykraczającym jednak poza program liceum – może więc służyć zarówno jako podręcznik na pierwszych latach wielu kierunków studiów jak i książka popularnonaukowa.

prof. dr hab. Jacek Piskozub, członek Komitetu Geofizyki PAN,

fizyk morza, Instytut Oceanologii PAN w Sopocie

Wobec narastającego szumu informacyjnego i coraz bardziej oddalonych od rzeczywistości opinii na temat otaczającego nas świata, ta książka dostarcza rzetelną informację, podaną w zrozumiały sposób i obejmującą bardzo szeroki zakres problemów. To idealne źródło skondensowanej wiedzy do samodzielnego oddzielania faktów od fake news na temat zmian naszej Planety.

prof. dr hab. Jan Marcin Węsławski, biolog, Instytut Oceanologii PAN w Sopocie

Zadziwiająco powszechne są wciąż w naszym kraju opinie negujące zmianę klimatu i jej antropogeniczny charakter. Ze smutkiem i zażenowaniem odbieram takie głosy. W tej wołającej o zmianę rzeczywistości ukazuje się na naszym rynku czytelniczym książka wyjątkowa, autorstwa wyśmienicie piszącego o bolączkach naszego świata Marcina Popkiewicza, który wraz z prof. Szymonem Malinowskim i dr Aleksandrą Kardaś przygotowali bezwzględnie potrzebne kompendium aktualnej wiedzy o klimacie i globalnym ociepleniu. Każdy, kto chce uzyskać pełny obraz dotyczący zmian klimatu, ma go teraz zebrany w jednym miejscu i podany na tacy. Liczę, że z Nauki o klimacie skorzystają politycy, ludzie nauki, mediów i polskie społeczeństwo.

prof. dr hab. Piotr Skubała, ekolog, akarolog, działacz na rzecz ochrony przyrody,

Uniwersytet Śląski, Wydział Biologii i Ochrony Środowiska

Pojęcie „zmiana klimatu” jest już wszechobecne. Mało kto jednak rozumie, o co chodzi z tym klimatem: ociepla się czy nie, mamy jako ludzie na to wpływ czy nie. Ile osób, tyle opinii. A przecież nie o opinię chodzi, lecz o oparte na faktach stanowisko. Książka w ciekawy sposób przeprowadza czytelnika przez meandry wiedzy naukowej o zjawiskach klimatycznych od czasów prehistorycznych po dzień dzisiejszy. Daje także naukową prognozę czekających nas zmian w tym zakresie. Cieszę się, że po jej przeczytaniu nie mam już wątpliwości, co się dzieje za oknem i co będzie się działo w niedalekiej przyszłości. Dzięki skrupulatności autorów mam wiedzę, a nie pogląd. I wiem, co powinnam zrobić z tą wiedzą. Polecam.

Katarzyna Kordas, Inspektor w Biurze Zarządzania Energią

Urzędu Miejskiego w Bielsku-Białej

SŁOWO WSTĘPNE

Globalne ocieplenie to temat bardzo gorący, wywołujący emocje i ożywione dyskusje. W tych dyskusjach spotykamy wiele niezrozumienia, odległych od stanu wiedzy wyobrażeń i często powtarzanych mitów klimatycznych, wypowiadanych z niezmąconą pewnością siebie na zasadzie „na czym jak na czym, ale na klimacie to każdy się zna”.

Nauka o klimacie – jak każda dziedzina współczesnej nauki – jest bardzo rozbudowana i kompetentne wypowiadanie się w jej zakresie wymaga sporej wiedzy. Jej zdobywanie jest niezwykłą przygodą intelektualną, nie tylko z powodu wagi problemu ochrony klimatu, ale również ze względu na możliwość zrozumienia wielu mechanizmów funkcjonowania otaczającego nas świata.

Od 2013 roku prowadzimy portal „Nauka o klimacie”, na łamach którego dzielimy się wynikami badań naukowych dotyczącymi klimatu i jego zmian, a także wyjaśniamy pokutujące w przestrzeni publicznej mity klimatyczne. Opublikowane na stronie artykuły stały się kamieniem węgielnym i katalizatorem powstania niniejszej książki, która zbiera całość tematyki w jednym miejscu i łączy w spójny obraz.

W Polsce dotychczas nie było podręcznika wprowadzającego w fascynujący temat procesów sterujących klimatem Ziemi, jego zmian w przeszłości i tego, jak obecnie go zmieniamy. Pisząc tę książkę, dołożyliśmy starań, żeby przybliżyć te kwestie w możliwie przystępny i interesujący sposób, zachęcając nie do „wykucia” formułek, lecz do zrozumienia podstaw nauki o klimacie. Liczymy, że książka przyda się nie tylko studentom, ale też wszystkim pragnącym poszerzyć wiedzę na ten temat. Włożyliśmy duży wysiłek w udokumentowanie tekstu, w tym ilustracji, tak aby każdy miał możliwość zweryfikowania wszystkich ważniejszych stwierdzeń i sięgnięcia do źródeł opisujących interesujące go zagadnienia.

Osoby, które chcą podzielić się z nami swoimi uwagami i przemyśleniami, zapraszamy do kontaktu za pośrednictwem portalu Naukaoklimacie.pl lub na spotkania na piknikach naukowych i festiwalach nauki.

1. WPROWADZENIE

Na pewno zdarzyło ci się spotkać z różnymi opiniami na temat obecnej zmiany klimatu – czy się ociepla czy nie, czy to wynik naszych działań czy część naturalnych procesów, czy będzie to problemem czy też raczej powodem do zadowolenia.

1.1. Klimatyczne kontrowersje i metoda naukowa

Zmiany klimatu to temat trudny i przez wiele osób odbierany jako kontrowersyjny. Na co dzień doświadczasz zmian pogody, podróżując, zauważasz zmiany stref klimatycznych, masz w tym zakresie wiele wspomnień i przemyśleń. Być może uważasz, że wiesz już dużo o klimacie i jego zmianach – możliwe nawet, że tak jest. Dlatego na początek proponujemy ci quiz, w którym będziesz mógł wykazać się swoją wiedzą. Zaznacz, które z poniższych stwierdzeń są prawdziwe.

• W ciągu ostatnich stu lat średnia temperatura powierzchni Ziemi wzrosła jedynie o niewiele ponad 1 stopień Celsjusza.

• Jeśli porównać strumień energii docierający do Ziemi od Słońca z temperaturą powierzchni Ziemi, to widać bardzo dobrą korelację między nimi, trwającą tysiące, a nawet setki tysięcy lat – to energia promieniowania Słońca sterowała klimatem Ziemi.

• Aktywność Słońca w XX wieku była bardzo wysoka – lodowce na świecie zaczęły się cofać już w połowie XIX wieku, zanim jeszcze nasza emisja gazów cieplarnianych stała się znacząca.

• Klimatem steruje wiele różnorodnych czynników – m.in. Słońce, wulkany, zmiany zawartości gazów cieplarnianych, ułożenie kontynentów, zmiany prądów oceanicznych i inne.

• Erupcja dużego wulkanu może znacząco obniżyć temperaturę na Ziemi.

• Aktywność wulkaniczna wpływała na klimat Ziemi przez setki milionów lat.

• Gazy cieplarniane to tylko ułamek procenta gazowych składników powietrza, przy czym ponad 90% cząsteczek wszystkich gazów cieplarnianych stanowi para wodna.

• 95% emisji dwutlenku węgla do atmosfery jest pochodzenia naturalnego.

• Według większości modeli klimatycznych podwojenie zawartości dwutlenku węgla w powietrzu bez zmiany innych elementów systemu klimatycznego spowodowałoby ocieplenie tylko o około 1°C.

• Gdy w atmosferze jest więcej dwutlenku węgla, rośliny rosną szybciej.

• Klimat zmieniał się zawsze, powodowały to czynniki naturalne, a zmiany klimatu bywały znacznie większe niż w ostatnim stuleciu.

• Podczas małej epoki lodowej było tak zimno, że zimą na zamarzniętej Tamizie handlarze rozstawiali kramy.

• Kilka tysięcy lat temu klimat był łagodniejszy niż w XX wieku, a strefa lasów na półkuli północnej dochodziła aż pod koło podbiegunowe.

• 20 tys. lat temu lodowiec zajmował Kanadę, znaczną część obecnych terenów USA, Europy i Azji północno-zachodniej, średnia temperatura Ziemi była niższa o 4°C, a poziom oceanów był niższy o 120 metrów.

• 125 tys. lat temu, podczas interglacjału eemskiego, średnia temperatura naszej planety była o 1,5°C wyższa niż w XX wieku – w Tamizie żyły nawet hipopotamy.

• 35 mln lat temu na Ziemi było o kilka stopni cieplej niż obecnie. Na Ziemi w ogóle nie było lądolodów, nawet na Antarktydzie, a poziom oceanów był wyższy o 75 metrów od obecnego.

• 55 mln lat temu na Ziemi było tak ciepło, że na Alasce rosły bananowce, a w Oceanie Arktycznym pławiły się krokodyle.

• W czasach dinozaurów temperatura Ziemi była o kilka stopni wyższa niż obecnie, a stężenie dwutlenku węgla było kilkukrotnie wyższe.

Które z tych stwierdzeń są prawdziwe? Odpowiedzi znajdziesz na następnej stronie.

Ilustracja 1.1.1. Dwa spojrzenia na obecną zmianę klimatu. Powodowane przez ludzkość poważne zagrożenie czy nic specjalnego, czym należałoby się przejmować.

Ilustracja 1.1.2. Ziemia w czasie maksimum epoki lodowej 20 tys. lat temu.

Otóż wszystkie te stwierdzenia są prawdziwe.

Tak, zmiany klimatu to rzecz zupełnie normalna, mająca miejsce na długo wcześniej, zanim w ogóle pojawili się ludzie i na znacznie większą skalę. Gazem mającym największy wkład w efekt cieplarniany jest bezdyskusyjnie para wodna, a antropogeniczne emisje CO_2 to tylko drobny ułamek tych ze źródeł naturalnych.

Jak to więc jest z tym globalnym ociepleniem? Czy klimat Ziemi się ociepla, czy jednak nie? Czy to część naturalnych cykli zmian klimatu, czy rezultat naszej działalności? A jeśli przyczyniamy się do tego, to w jakim stopniu? No i czy zmiana klimatu będzie poważnym problemem?

Naukowcy badają tę kwestię od dawna. Niewątpliwie najbardziej znaną organizacją zajmującą się tym tematem jest założony w 1988 roku przez ONZ Międzyrządowy Zespół do spraw Zmiany Klimatu (ang. Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC), powołany właśnie w celu oceny ryzyka związanego z wpływem człowieka na klimat. Tysiące naukowców dokonuje przeglądu stanu wiedzy naukowej w tym obszarze i co kilka lat publikuje obszerne raporty. Wnioski? W ostatnim, piątym raporcie IPCC z 2013 roku czytamy[1]:

Ocieplenie systemu klimatycznego jest bezdyskusyjne. Wiele zmian, obserwowanych w systemie od lat pięćdziesiątych XX wieku nie ma precedensu w skali wielu dziesięcioleci, a nawet tysiącleci (…). Jest niezwykle prawdopodobne [przyp. aut.: w języku IPCC „niezwykle prawdopodobne” oznacza prawdopodobieństwo przekraczające 95%], że człowiek wpłynął w sposób dominujący na obserwowane od połowy XX wieku ocieplenie. (…) Kontynuacja emisji gazów cieplarnianych spowoduje dalsze ocieplenie oraz zmiany wszystkich elementów systemu klimatycznego, zwiększając prawdopodobieństwo dotkliwych, powszechnych i nieodwracalnych następstw dla gospodarki i ekosystemów.

Inaczej mówiąc, IPCC stwierdza, że globalne ocieplenie zachodzi i jest powodowane przez nasze emisje gazów cieplarnianych, głównie dwutlenku węgla ze spalania paliw kopalnych, oraz że spowoduje bardzo poważne problemy.

Ale przecież na świecie jest też wiele innych organizacji naukowych, nie samo IPCC… Jak myślisz: jak duży odsetek z kilkuset instytucji naukowych o renomie międzynarodowej lub ogólnokrajowej w swoich opublikowanych stanowiskach zgadza się z wnioskami IPCC, a jaki ma odmienne zdanie (stwierdzając na przykład, że wcale się nie ociepla, ewentualnie że jest to głównie rezultat naturalnych cykli zmian klimatu, a jeśli nawet mamy w to jakiś wkład, to niewielki lub następstwa będą mało istotne)? Czy pamiętasz nazwę chociaż jednej instytucji z tej drugiej grupy?

Przypuszczamy, że nie pamiętasz. Nie dziwimy się, ponieważ… żadna instytucja naukowa o międzynarodowej renomie w obszarze badania klimatu w swym oficjalnym stanowisku nie odrzuca wniosków IPCC. Ostatnią taką organizacją było (co znamienne) Amerykańskie Stowarzyszenie Geologów Naftowych, które w 2007 roku zmieniło swoje oświadczenie z 1999 r., odrzucające prawdopodobieństwo wpływu ludzi na obecną zmianę klimatu, zastępując je brakiem opinii w tej kwestii[2].

Ilustracja 1.1.3. Po lewej przykładowe logotypy dużych organizacji naukowych, które w swoim stanowisku stwierdzają, że klimat Ziemi się ociepla, główną tego przyczyną są emitowane przez nas gazy cieplarniane – przede wszystkim CO_2 ze spalania paliw kopalnych oraz będą z tego powodu poważne problemy. Po prawej logotypy wszystkich dużych organizacji naukowych, które mają odmienne zdanie, np., że się nie ociepla, a nawet jeśli, to jest to naturalna zmiana klimatu albo przyczyną nie są emitowane przez nas gazy cieplarniane lub nawet jeśli tak, to nie będzie to problemem.

Nie ma obecnie już ANI JEDNEJ dużej organizacji naukowej, która zaprzeczałaby realności zmiany klimatu i jej antropogenicznym korzeniomI.

Rzecz jasna nauki nie uprawia się przez głosowanie. Były czasy, kiedy panowało przekonanie, że Ziemia jest płaska czy że Słońce krąży wokół Ziemi, która jest środkiem Wszechświata. Odmienne zdania zgłaszali pojedynczy badacze, tacy jak Arystarch, Kopernik czy Galileusz, którzy opowiadali się za heliocentrycznym modelem Układu Słonecznego. I okazało się, że to nie większość miała rację, tylko oni.

Nauka nie jest demokracją. Nauka jest dyktaturą. Dyktaturą obserwacji, faktów i dowodów naukowych. Czas pokazał, że to Arystarch, Kopernik i Galileusz mieli rację, bo swoje tezy oparli na wynikach krytycznie zweryfikowanych obserwacji. Ich oponenci trwali w błędzie, bo „wiedzieli swoje”, nie trudząc się obserwacjami i ich krytyczną analizą. Warto dodać, że wspomniani naukowcy nie obalili całej wcześniejszej wiedzy, podali tylko lepsze niż poprzednicy wyjaśnienie wyników obserwacji, nie tylko własnych, ale wielu innych badaczy.

Zmiana klimatu i jej związek z działalnością człowieka to sprawdzalne naukowo zjawiska, potwierdzone licznymi dowodami – i stąd właśnie bierze się tak jednogłośna opinia instytucji badawczych. Gdyby dziś Arystarch, Kopernik czy Galileusz przyjrzeli się dyskusjom dotyczącym zmiany klimatu, gdzie po jednej stronie stoją naukowcy z wynikami badań, a po drugiej ludzie, którzy „wiedzą swoje”, kogo by poparli?

Wielokrotnie słyszeliśmy pytanie: „Czy wierzycie w globalne ocieplenie?”. Odpowiadamy pytaniem: „A czy wierzysz w elektrony, prawa Maxwella i teorię względności?”. Rozmówca jest zwykle skonsternowany, bo do elektronów czy praw Maxwella pytanie o „wiarę” jakoś nie pasuje. Jest oczywiste, że to nie kwestia wiary, lecz wiedzy, jaką uzyskaliśmy w wyniku wielu badań naukowych. Dokładnie tak samo jest ze zmianą klimatu, która jest sprawdzalnym naukowo, opisywanym prawami fizyki zjawiskiem.

W nauce wszystko zaczyna się od faktów, obserwacji i pomiarów. Może to być pojedyncza intrygująca obserwacja, która zwróci uwagę naukowca, może też być cały zbiór mniej lub bardziej różnorodnych obserwacji, które łącznie nie dają się dobrze wyjaśnić w ramach istniejącego paradygmatu. Kiedy badacz spotyka się z takimi obserwacjami, stara się je wyjaśnić, tworząc hipotezę. Zazwyczaj zaczyna się od hipotez pasujących do dobrze ugruntowanej wiedzy naukowej i uzupełniających ją. W szczególnych przypadkach okazuje się, że pomimo wysiłków nie udaje się stworzyć wyjaśniającej obserwacje hipotezy, która byłaby zgodna z obowiązującym paradygmatem. W takiej sytuacji trafiamy na coś naprawdę ważnego i ciekawego!

Gdy coraz dokładniejsze pomiary prędkości światła dawały taki sam wynik, niezależnie od tego, czy mierzyło się ją w kierunku ruchu Ziemi wokół Słońca, czy przeciwnym, Albert Einstein zaproponował wprowadzenie szczególnej zasady względności, obalając obowiązujące „od zawsze” przekonanie od niezależności czasu i przestrzeni od obserwatora[3].

Tworzone hipotezy należy zweryfikować, planując i przeprowadzając eksperyment o nieznanym wcześniej wyniku, najlepiej taki, w którym przewidywania hipotezy różnią się od tego, co prognozują inne hipotezy, a być może i ugruntowane teorie.

Albert Einstein szukając wytłumaczenia dla obserwowanej precesji orbity Merkurego, wyjaśnił ją na fundamencie swojej ogólnej teorii względności. Z równań wynikało jednak znacznie więcej, w tym widoczny wpływ masy na zakrzywienie toru promieni świetlnych – co potwierdził Arthur Eddington obserwacją zaćmienia Słońca w 1919 roku. Nie oznacza to jednak, że wraz z przyjęciem ogólnej teorii względności do kanonu wiedzy, teoria grawitacji Newtona została wyrzucona do kosza. Jej równania w bardzo dobrym przybliżeniu opisują zachowanie ciał w zdecydowanej większości sytuacji, z którymi mamy w praktyce do czynienia i są wciąż wykorzystywane przez naukowców – ze świadomością ich ograniczeń i zakresu stosowalności.

Analiza wyników eksperymentu wraz z wnioskami powinna być zweryfikowana przez innych ekspertów. Odbywa się to przez publikację w recenzowanym czasopiśmie naukowym, w którym artykuły przechodzą najpierw przez proces weryfikacji (w szanujących się czasopismach prowadzony przez kilka osób i wieloetapowo), podczas którego zgłaszane są pytania i uwagi do autorów badania, a w razie niesatysfakcjonujących odpowiedzi i wyjaśnień pracę się odrzuca. W rezultacie znakomita większość publikowanych artykułów pozbawiona jest poważnych błędów, a wiele z nich wnosi coś nowego do stanu wiedzy. Rzecz jasna, nie wszystkie publikowane artykuły są przełomowymi badaniami – ogromna większość dotyczy drobnych aspektów teorii naukowych lub pogłębiających naszą wiedzę wyników pomiarów czy ich interpretacji (w końcu to na pomiarach i obserwacjach bazuje nasza wiedza!).

Publikacja w prestiżowym, recenzowanym periodyku naukowym, takim jak Nature czy Science nie gwarantuje, że praca jest na 100% pozbawiona błędów, jest jednak dobrą rękojmią jej poprawności merytorycznej. Publikacje w prasie popularnej, na blogach, wypowiedzi celebrytów czy oświadczenia polityków mogą bardzo daleko od takiej poprawności odbiegać. Żaden zespół specjalistów naukowych nie poddaje ich przecież weryfikacji.

Proces poznawania świata przez stawianie hipotez, ich weryfikację eksperymentalną, odrzucanie hipotez niezgodnych z doświadczeniem i rozwijanie teorii na podstawie coraz lepszych danych i obserwacji nazywamy metodą naukową.

W praktyce bardzo często obserwacje i analizy teoretyczne wielowątkowo przeplatają się i uzupełniają, tworząc stopniowo coraz bardziej spójny obraz, jak w wielkiej układance. Jeśli gdzieś są puste miejsca, naukowcy wypełniają je za pomocą badań, pomiarów i nowych hipotez, po pomyślnym zweryfikowaniu stających się teoriami. Pomiary zwykle nie są robione na ślepo, lecz służą wypełnieniu konkretnych luk i weryfikacji określonych hipotez, na przykład na zasadzie: „jeśli nasza hipoteza dotycząca zmian cyrkulacji oceanicznej jest poprawna, to w położonych w rejonie X osadach z tego okresu powinniśmy obserwować określone zmiany w występowaniu toru oraz takie-a-takie zmiany we względnej zawartości izotopów tlenu”. Ekipa badaczy wybiera się więc w rejon X, pobiera próbki i stwierdza, czy prognozowane przez hipotezę zmiany w składzie osadów rzeczywiście występują. Proces weryfikacji teorii i wyjaśniania potencjalnych wątpliwości przebiega nieustannie, z wykorzystaniem coraz bardziej zaawansowanych metod badawczych. Przywołana wcześniej ogólna teoria względności, mimo stulecia istnienia, wciąż podlega weryfikacji – głównie dzięki instrumentom, o których eksperymentatorzy z czasów Einsteina mogli tylko pomarzyć. Tak samo jest z klimatologią – badamy widma promieniowania, zachodzące w chmurach procesy, dane paleoklimatyczne i wiele innych z pomocą coraz bardziej zaawansowanych instrumentów.

Owszem, coś może pójść nie tak. Pomiary mogły zostać błędnie przeprowadzone, dane mogą zostać nieprawidłowo opracowane, ludzie mogą się pomylić lub w skrajnym przypadku oszukiwać. Ale system recenzji naukowej oraz wzajemnej weryfikacji obserwacji, analizy danych i wniosków teoretycznych wcześniej czy później wychwytuje i koryguje takie przypadki. Metoda naukowa to najlepsze narzędzie poznawania świata i rządzących nimi praw, jakie udało nam się opracować.

Nowożytne badania nad klimatem są prowadzone od ponad dwóch stuleci. Stopniowo do układanki dodawane były kolejne elementy, a w miarę postępu obserwacji, metod obliczeniowych, pogłębiania wiedzy w zakresie mechaniki kwantowej, elektrodynamiki i wielu innych obszarów fizyki, chemii, biologii, geologii oraz innych dyscyplin naukowych, obraz stawał się coraz bardziej precyzyjny i kompletny. O tym, jaką drogą przebiegały badania nad klimatem, przeczytasz w rozdziale 6.1. pt. „Historia badań klimatu”.

Czy jeśli metoda naukowa doprowadzi do powstania jakiejś uznawanej powszechnie za obowiązującą teorii, to będzie ona na pewno prawdziwa i będzie obowiązywać zawsze? Oczywiście nie – tylko do czasu, aż zostanie obalona i zastąpiona inną lub (częściej) rozszerzona. Żeby obalić czy rozszerzyć teorię, także trzeba posłużyć się metodą naukową. Potrzebne są obserwacje i inne zweryfikowane dowody. Własne przemyślenia, przekonania, petycje, artykuły czy filmy w mediach i internecie NIE MAJĄ mocy obalania teorii naukowych.

Nauka nie jest demokracją. Nie trzeba, a nawet nie należy słuchać wszystkich głosów, bo nie wnosi to niczego wartościowego, a tylko generuje szum informacyjny. Wartość mają tylko te głosy, które podają wyniki zweryfikowane metodą naukową.

1.2. Klimat wczoraj i dziś

Na początek warto przyjrzeć się ostatnio zachodzącej zmianie klimatu w perspektywie historii naturalnej Ziemi. Opis metod, którymi posługujemy się przy badaniu zachodzących obecnie zmian (nie tylko temperatury powietrza, ale też energii wewnętrznej całości ziemskiego systemu klimatycznego, aktywności słonecznej i innych istotnych parametrów) znajdziesz w rozdziale 6.2. pt. „Badanie klimatu. Teraźniejszość i niedawna przeszłość”. Przed lekturą dalszej części książki warto się z nim zapoznać. Za każdym razem, kiedy wskazane będzie skorzystanie z materiałów zawartych w materiałach dodatkowych, będziemy o tym informować w tekście.

Dopiero od drugiej połowy XIX wieku pomiary temperatury powietrza przy powierzchni Ziemi prowadzone są na wystarczająco dużym obszarze, by można było wnioskować o globalnych zmianach klimatu. W ostatnich 40 latach do pomiarów dokonywanych przy powierzchni, zarówno na lądach, jak i na morzach, doszły pomiary (a raczej zdalne obserwacje) satelitarne. Choć różne serie pomiarowe różnią się technikami pomiarowymi, stopniem pokrycia pomiarami powierzchni Ziemi oraz sposobami obróbki i analizy danych, to zgodnie pokazują, że od drugiej połowy XIX wieku średnia temperatura powierzchni naszej planety wzrosła o około 1°C, szczególnie szybko rosnąc w ostatnich dekadach.

Wielkości bezwzględne a ich zmiany

Stań na podłodze. Czy wiesz, z dokładnością do 1 milimetra, w jakiej odległości od środka Ziemi znajdują się teraz twoje stopy? Nie wiesz, prawda? Prawdopodobnie trudno byłoby ci podać tę wartość nawet z dokładnością do 1 kilometra. Stań teraz na taborecie wysokości 60 cm i powiedz, w jakiej odległości od środka Ziemi są twoje stopy. Nadal nie wiesz… ale możesz powiedzieć, że o 600 milimetrów większej (pomiar wysokości taboretu z dokładnością do 1 mm nie stanowi szczególnego problemu), nie wnikając przy okazji w rozważania o tym, czy liczymy względem spodu stóp czy ich środka ciężkości i gdzie on właściwie jest. Załóżmy, że umiesz podać odległość swoich stóp od środka Ziemi z dokładnością do kilometra (jeśli tak, gratulacje, należysz do naprawdę elitarnego grona). Czy w ramach dokładności twojego pomiaru coś się zmieni, kiedy wejdziesz na dziesiąte piętro wieżowca i znajdziesz się na wysokości 30 metrów nad ziemią? W ramach niepewności pomiarowej nic się oczywiście nie zmieni, ale… jeśli wypadniesz przez okno, ważne będzie tylko to, że wypadłeś z okna 30 metrów nad ziemią, natomiast dokładna odległość od środka Ziemi nie będzie szczególnie istotna (wyskoczenie z 10. piętra w Gdańsku albo Zakopanem będzie mieć podobny skutek, niezależnie od różnicy odległości od środka Ziemi).

Podobnie można dociekać, jaka jest średnia głębokość Wszechoceanu (ok. 3,7 km), średnia temperatura powierzchni Ziemi (ok. 14°C) czy średni strumień promieniowania słonecznego (ok. 1361 W/m^2), ale dużo dokładniej (i z większym pożytkiem praktycznym) można mierzyć zmiany średniego poziomu morza, temperatury, strumienia promieniowania słonecznego i wielu innych parametrów.

Odchylenie temperatury od średniej z danego okresu (tzw. okresu bazowego) określa się też jako „anomalię temperatury”. Określenie to nie ma nic wspólnego z potocznym użyciem słowa „anomalia” dotyczącym nietypowych zdarzeń, jak np. w sformułowaniu „anomalia pogodowa”.

Ilustracja 1.2.1. Anomalia, czyli odchylenie temperatury powierzchni Ziemi od średniej (dla pomiarów satelitarnych UAH i RSS zmiany temperatury troposfery na wysokości kilku kilometrów, patrz rozdział 6.2.) względem okresu bazowego 1981–2010.

Bardzo często jako punkt odniesienia, zarówno dla obecnej zmiany klimatu, jak i zmiany klimatu w przeszłości przyjmuje się tzw. „okres przedprzemysłowy”. W 5. Raporcie IPCC z 2013 roku jako historyczny okres bazowy były wykorzystywane lata 1850–1900, jednak z jednej strony w tym czasie miało miejsce kilka dużych erupcji wulkanicznych (działających ochładzająco na klimat za pośrednictwem aerozoli stratosferycznych), a z drugiej strony koncentracje gazów cieplarnianych już wtedy były lekko podwyższone. Za punkt odniesienia „okresu przedprzemysłowego” można też przyjąć okres 1720–1800, kiedy epoka przemysłowa jeszcze się na dobre nie zaczęła, a aktywność słoneczna i wulkaniczna były na podobnym poziomie co obecnie (patrz ilustracje 2.7.1., 2.12.2.)[1]. Różnice dla obu wyborów okresu bazowego (1720–1800 lub 1850–1900) nie są bardzo duże (różnią się o ok. 0,1°C) – można więc przyjąć w przybliżeniu, że od „okresu przedprzemysłowego” do lat 1981–2010 średnia temperatura powierzchni Ziemi wzrosła o 0,7°C, a w roku 2015 po raz pierwszy w historii pomiarów wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi przekroczył 1°C ponad poziom z „okresu przedprzemysłowego” (patrz ilustracja 1.2.1.).

Oprócz bezpośrednio mierzonych temperatur powietrza przy powierzchni Ziemi o postępującym ociepleniu świadczy wiele innych obserwacji, takich jak przesuwanie się stref klimatycznych, zanik lodu morskiego w Arktyce, topnienie lądolodów Grenlandii i Antarktydy oraz lodowców, wzrost poziomu oceanów, coraz częstsze fale upałów, nagrzewanie się oceanów od powierzchni w głąb, tajanie wieloletniej zmarzliny (kiedyś nazywanej „wieczną”), migracje gatunków w kierunku biegunów i na wyższe wysokości oraz wiele innych zjawisk.

Pojawia się oczywiście pytanie: czy obecne ocieplenie jest czymś nietypowym? I następne: jak ma się ono do zmian klimatu, które zachodziły wcześniej?

Tysiące i miliony lat temu nikt nie mierzył temperatur, stężeń gazów cieplarnianych, poziomu morza czy aktywności słonecznej. Nie tylko z braku odpowiednich instrumentów pomiarowych – przez większą część historii Ziemi brakowało również odpowiednio inteligentnego „kogoś”. Aby poznać odległe dzieje naszej planety, musimy więc sięgać po tzw. wskaźniki klimatyczne (ang. proxy), czyli dane, na podstawie których można pośrednio oszacować parametry opisujące klimat (np. temperaturę, skład atmosfery czy dostępność wody). Ślady dawnych zmian klimatu są dostępne w wielu miejscach, od głębin oceanicznych po lądolody – trzeba tylko wiedzieć, jak je wytropić i odczytać. Cennych informacji dostarczają pozostałości roślin i zwierząt, słoje drzew, szata naciekowa jaskiń, rdzenie lodowe, osady oceaniczne i jeziorne itp. Więcej na temat wskaźników klimatycznych przeczytasz w rozdziale 6.3. pt. „Badanie klimatu – paleoklimat”. To dobry moment, żeby go przejrzeć.

Najpierw udajmy się do stosunkowo niedalekiej przeszłości. Ponieważ dużo więcej badań zostało przeprowadzonych na półkuli północnej, to dla niej posiadamy pełniejszy obraz zmian klimatu. Na ilustracji 1.2.2. widzimy zmiany średniej temperatury odpowiednio półkuli północnej i południowej oraz globalnej w okresie od 1 roku n.e.

Na początku średniowiecza, w latach 950–1250 n.e., miało miejsce tzw. Średniowieczne Optimum Klimatyczne, kiedy to klimat był zauważalnie cieplejszy niż we wcześniejszych i późniejszych stuleciach, szczególnie w porównaniu z tzw. małą epoką lodową, która trwała od 1450 roku do połowy XIX wieku.

Średniowieczne Optimum Klimatyczne charakteryzowało się ciepłymi warunkami na dużej części Północnego Atlantyku, południa Grenlandii, Arktyki Eurazjatyckiej i części Ameryki Północnej (co było związane ze wzmożonym transportem ciepła przez Prąd Zatokowy w rejon Północnego Atlantyku). W tych miejscach temperatura była wyższa niż w drugiej połowie XX wieku. Jednak inne regiony, jak np. Azja Środkowa, północny zachód Ameryki czy tropikalny Pacyfik były znacznie chłodniejsze niż w drugiej połowie XX wieku. Globalnie temperatura w tym okresie była zbliżona do tej średniej z drugiej połowy XX wieku.

Warto spojrzeć na ilustrację 1.2.1. i zauważyć, że obecnie średnia temperatura powierzchni Ziemi jest o ok. 0,7°C wyższa niż średnia z drugiej połowy XX wieku, a więc także znacząco wyższa niż podczas Ciepłego Okresu Średniowiecznego. Jako ciekawostkę można podać, że o ile wtedy w Anglii uprawiano winorośl, o tyle współcześnie robi się to w Szkocji. W średniowieczu uprawiano też winorośl w północnej Polsce, bo była taka potrzeba (produkcja wina mszalnego), a transport z południa był niezwykle drogi – zbiory były jednak mizerne. Dziś klimat Dolnego Śląska jest już zbliżony do XX-wiecznego klimatu rejonu Tokaju na Węgrzech. Pojawiły się już nawet uprawy winorośli w Skandynawii[2].

Ilustracja 1.2.2. Zrekonstruowane średnie zmiany temperatury półkuli północnej (górny wykres), południowej (środkowy wykres) oraz globalne (dolny wykres) względem średniej z okresu 1881–1980. Wyniki uzyskane przez różne grupy badawcze są wyróżnione kolorami według miejsca wykonania – czerwone: tylko ląd na różnych szerokościach geograficznych; pomarańczowe: tylko ląd w wysokich szerokościach geograficznych (>30 stopni); jasnoniebieskie: ląd i morze w wysokich szerokościach geograficznych; ciemnoniebieskie: ląd i morze na różnych szerokościach geograficznych; czarne: pomiary instrumentalne serii HadCRUT4 (dla lądu i morza linia ciągła, dla lądów półkuli północnej linia przerywana, dla lądów wysokich szerokości geograficznych linia kropkowana). Pomiary wygładzone filtrem redukującym wahania w skalach czasowych poniżej 50 lat. Uwaga: dane nie obejmują ostatnich lat.

Ilustracja 1.2.3. Zrekonstruowane na podstawie wskaźników klimatycznych różnice temperatury pomiędzy drugą połową XX wieku a kluczowymi dla klimatu okresami w ostatnim tysiącleciu. Górna mapa: różnica temperatur pomiędzy drugą połową XX wieku a ciepłym okresem średniowiecznym (ang. Medieval Warm Period, MWP) z lat 950–1250. Dolna mapa: różnica temperatur pomiędzy drugą połową XX wieku a małą epoką lodową (ang. Little Ice Age, LIA) z lat 1450–1850. Kropki oznaczają miejsca, dla których różnice temperatur nie są statystycznie istotne. Kolor szary oznacza obszary, dla których informacje nie zostały pozyskane.

Sięgając dalej w przeszłość, widzimy, jak stabilny był klimat w ostatnich 11,5 tys. lat, możemy też prześledzić wyjście klimatu Ziemi ze stanu epoki lodowej (co miało miejsce wcześniej).

Ilustracja 1.2.4. Anomalie średniej temperatury powierzchni Ziemi w okresie ubiegłych 22 000 lat względem okresu referencyjnego 1961–1990. Mapa w dolnym prawym rogu przedstawia lokalizacje wraz ze wskaźnikami klimatycznymi wykorzystane w badaniu oznaczonym linią zieloną.

Widać, że zmiany klimatu to coś normalnego w historii naszej planety – 20 tys. lat temu mieliśmy maksimum epoki lodowej, kiedy to północną Polskę oraz znaczne obszary Ameryki i Azji pokrywała wielka czapa lądolodu. Zupełnie gdzie indziej znajdowały się strefy klimatyczne, pustynie i linia brzegowa (bo duża ilość wody znajdowała się nie w oceanach, lecz w lądolodach). Później Ziemia zaczęła wychodzić z epoki lodowej, a około 10 tys. lat temu klimat Ziemi ustabilizował się na obecnym poziomie, z temperaturą około 4°C wyższą niż w czasach maksimum epoki lodowej (różne rekonstrukcje pokazują zakres zmian temperatury od 3 do 5,5°C).

Ta epoka niezmieniających się znacząco temperatur to holocen – okres rozkwitu naszej cywilizacji. Stabilny klimat bardzo nam odpowiadał – nie przesuwały się strefy klimatyczne, rozmieszczenie pustyń czy terenów nadających się pod rolnictwo. Osiedliliśmy się więc: założyliśmy wsie, a następnie miasta. Ustabilizowała się też linia brzegowa, więc mogliśmy pobudować wzdłuż niej miasta portowe.

Ostatni wzrost temperatury, zaznaczony na ilustracji 1.2.4. czerwonym kolorem, wyraźnie odbiega charakterem od pozostałej części wykresu. Średnia globalna temperatura w dekadzie 2007–2016 przekraczała średnią z holocenu o ok. 1,2°C, a średnią temperaturę najcieplejszego stulecia holocenu o ponad 0,3°C[3]. Oznacza to, że jest ona obecnie największa co najmniej od interglacjału eemskiego 125 tys. lat temu.

Podobnie nietypowe zmiany w ostatnim okresie zobaczymy, przyglądając się zmianom składu atmosfery, do której doszło wraz z rewolucją przemysłową. Tempo wzrostu atmosferycznego stężenia dwutlenku węgla jest bezprecedensowe w skali ostatnich tysiącleci.

Koncentracje (określane też jako stężenia) gazów w atmosferze wyrażamy w cząsteczkach na milion cząsteczek powietrza (ang. particles per million – ppm), a jeśli gaz występuje w mniejszych koncentracjach, to w cząsteczkach na miliard cząsteczek powietrza (ang. particles per billion – ppb) lub nawet w cząsteczkach na bilion cząsteczek powietrza (ang. particles per trillion – ppt). Używa się też skrótów ppmv, ppbv i pptv („v” oznacza ang. volume, czyli objętość), wprost wskazujących, że chodzi o proporcje objętości/ilości, a nie masy cząsteczek w mieszaninie, ale ponieważ skróty ppm, ppb i ppt są ugruntowane i wynikają z kontekstu, będziemy ich konsekwentnie używać.

Ilustracja 1.2.5. Zmiany atmosferycznej koncentracji CO_2 w ostatnich 10 000 lat. „0” oznacza 1 rok n.e. Kolorami zaznaczono miejsce pochodzenia próbek, na podstawie których ustalano skład atmosfery.

Dotyczy to zresztą nie tylko dwutlenku węgla, ale i innych gazów cieplarnianych.

Ilustracja 1.2.6. Zmiany stężeń CH_4 oraz N_2O w atmosferze w ostatnich 10 000 lat. „0” oznacza 1 rok n.e. Kolorami zaznaczono miejsce pochodzenia próbek, na podstawie których ustalano skład atmosfery.

Cofnijmy się dalej w przeszłość i przyjrzyjmy zmianom atmosferycznej koncentracji CO_2, CH_4 i N_2O w ciągu ostatnich 800 tysięcy lat.

Ilustracja 1.2.7. Zmiany atmosferycznej koncentracji CO_2, CH_4 i N_2O w ostatnich 800 000 lat.

Gdy Ziemia wychodziła z epoki lodowej, stężenie CO_2 w ciągu 10 000 lat wzrosło o niecałe 100 ppm, z ok. 180 do 270 ppm – rosnąc w tempie poniżej 1 ppm na stulecie. W ostatniej dekadzie rosło w średnim tempie ponad 2 ppm rocznie – 200 razy szybciej. Również w przypadku innych gazów cieplarnianych obecne tempo wzrostu jest bezprecedensowe. Uwagę na ilustracji 1.2.7. zwracają też oscylacje stężeń gazów cieplarnianych w okresie około 100 000 lat. Skorelowane oscylacje stwierdzamy też dla wielu zmiennych klimatycznych, w tym m.in. temperatury, rozmiaru czap lodowych czy poziomu morza (ilustracja 1.2.8.).

Ilustracja 1.2.8. Górny wykres: anomalia temperatury powierzchni morza w strefie międzyzwrotnikowej. Drugi wykres od góry: anomalia temperatury na Antarktydzie. Trzeci od góry: δ^18O jako wskaźnik globalnej objętości lądolodów (więcej na ten temat w rozdziale 6.3.). Dolny wykres: rekonstrukcje średniego globalnego poziomu morza. Prawy dolny róg: tempo zmian średniej globalnej temperatury podczas wychodzenia z ostatniej epoki lodowej. Uwaga: dane na wykresie nie uwzględniają zmian w ostatnich dekadach.

Widzimy tu cykl epok lodowych i ciepłych okresów interglacjalnych. Poprzedni interglacjał (tzw. eemski, określany też bardziej technicznie jako MIS5e) miał miejsce około 125 tys. lat temu i był średnio o ok. 0,5–1°C cieplejszy od obecnego (czyli holocenu). Uwagę zwraca zgodność oscylacji różnych elementów systemu klimatycznego Ziemi: stężeń gazów cieplarnianych, temperatury, rozmiarów lądolodów i poziomu morza. Tego zresztą powinniśmy się spodziewać: wysokie temperatury oznaczają kurczenie się lądolodów, spływająca zaś z topniejących lądolodów woda podnosi światowy poziom morza. Podczas maksimum ostatniej epoki lodowej poziom morza był aż o 120 metrów niższy niż w holocenie. W cieplejszym od holocenu interglacjale eemskim poziom morza był zaś wyższy o 6–9 metrów.

Na uwagę zasługuje też korelacja pomiędzy średnią globalną temperaturą a stężeniem gazów cieplarnianych. Co jest przyczyną, a co skutkiem? Czy to wzrost koncentracji gazów cieplarnianych w atmosferze powoduje wzrost temperatury, czy też wzrost temperatury powierzchni planety powoduje wzrost koncentracji gazów cieplarnianych? Precyzyjne badania pokazują, że najpierw rośnie temperatura, a dopiero kilka stuleci później następuje wzrost stężenia gazów cieplarnianych. Sugeruje to, że to wzrost temperatury powoduje wzrost stężenia gazów cieplarnianych. To z kolei zwrotnie wpływa na temperaturę. Przyjrzymy się temu bliżej w rozdziale 3.1.

Zdecydowane oscylacje temperatury charakterystyczne dla cyklu epok lodowych i interglacjałów to domena ostatniego miliona lat. Cofając się w przeszłość o 2–3 mln lat, trafiamy na cieplejszy okres w pliocenie, z wyższym poziomem morza i stężeniem CO_2.

Ilustracja 1.2.9. Zmiany globalnego poziomu morza na podstawie trzech wskaźników: izotopu 18O dla objętości lądolodów (linia niebieska), pozostałości koralowców (linia zielona) i izotopowych rekonstrukcji z Morza Czerwonego (linia czerwona). Czerwone kropki w okolicach 3 mln pokazują uśrednione rekonstrukcje maksymalnych poziomów morza podczas interglacjałów. Pozioma przerywana linia to obecny poziom morza. Drugi panel od góry (linia czarna): Rekonstrukcja temperatury powierzchni morza w strefie międzyzwrotnikowej na podstawie alkenonów (patrz rozdział 6.3.). Dolny panel: atmosferyczna koncentracja CO_2 na podstawie rdzeni lodowych (linia zielona) i innych wskaźników (czerwone kwadraty – fitoplankton, niebieskie trójkąty – bor). Atmosferyczne stężenia CO_2 w epoce przedprzemysłowej (280 ppm) oraz 2012 roku (390 ppm) są zaznaczone szarymi przerywanymi liniami. Uwaga: dane na wykresach nie uwzględniają zmian w epoce przemysłowej. MPWP oznacza ciepły okres w środkowym pliocenie (ang. mid-Pliocene Warm Period).

Widać, że obecne stężenie CO_2 (ok. 410 ppm) jest prawdopodobnie najwyższe w ciągu ostatnich milionów lat. Widać też, że już niewiele wyższa temperatura wystarcza, aby światowy poziom morza był wyższy o ok. 20 metrów.

Ilustracja 1.2.10. Oszacowania zmian średniej temperatury powierzchni Ziemi w czasie ostatnich 540 mln lat względem okresu bazowego 1961–1990 (średnia temp. Ziemi ok. 14°C). UWAGA: Skala pozioma liniowa w ramach każdego segmentu jest inna – im bliżej teraźniejszości, tym wyższa rozdzielczość czasowa. Granice między segmentami związane są ze znaczącymi zmianami geologiczno-klimatycznymi: 65 mln lat temu granica KT między mezozoikiem i kenozoikiem (wymarcie dinozaurów); 5,3 mln lat temu granica miocen–pliocen; 1 mln lat temu rozpoczęcie trwających ok. 100 tys. lat cykli zlodowaceń na półkuli północnej; 20 tys. lat temu – maksimum ostatniego zlodowacenia. Niebieskie linie oznaczają epizody zlodowaceń, pola jasnoniebieskie pokazują częściowe zlodowacenie, pola ciemnoniebieskie – trwałe. 34 mln lat temu powstał lądolód Antarktydy (okresowo malejąc lub wręcz znikając na przełomie oligocenu i miocenu), lądolód w Arktyce liczy sobie zaledwie kilka milionów lat.

We wcześniejszej historii Ziemi temperatura bywała jeszcze wyższa. Zestawienie rekonstrukcji na ilustracji 1.2.10. nie jest oczywiście bardzo dokładne, szczególnie w przypadku dawnych epok geologicznych, jednak pozwala wyrobić sobie wyobrażenie o skali zmian klimatu, przez które przechodziła nasza planeta.

Podczas epok lodowych średnia temperatura powierzchni Ziemi była o 4–5°C niższa niż w holocenie, w pliocenie kilka milionów lat temu była wyższa o 2–3°C, w czasach dinozaurów (jurze i kredzie) była wyższa o 4–8°C, a w eocenie, dewonie czy kambrze o 6–14°C. To były naprawdę Wielkie Zmiany Klimatu, przy których obecny wzrost temperatury o ok. 1°C (czerwona linia po prawej stronie wykresu) nie wygląda szczególnie imponująco.

Zdarzały się też epizody ekstremalnych zmian temperatury, kiedy w krótkim w skali geologicznej czasie (kilka – kilkadziesiąt tysięcy lat) następował jej gwałtowny wzrost o kilka stopni. Na ilustracji 1.2.10. maksimum temperatury podczas PETM (paleo-eoceńskie maksimum termiczne) 55,8 mln lat temu lub podczas przełomu permu i triasu 251 mln lat temu wyskoczyłoby w górę poza skalę rysunku. Jak do nich dochodziło? Dlaczego te zjawiska wiązały się z epizodami wielkich wymierań? Aby rozwiązać te zagadki, trzeba wziąć pod uwagę wiele innych wskaźników i danych, nie tylko zmiany temperatury.

Przyjrzyjmy się jeszcze stężeniom dwutlenku węgla w ostatnich setkach milionów lat, pokazanym na ilustracji 1.2.11.

Widzimy, że stężenie CO_2 bywało znacznie wyższe niż obecnie, ponad 50 mln lat temu sięgając aż 1000 ppm. W okresie 50–20 mln lat temu stężenie CO_2 zmniejszyło się o ok. 700 ppm, spadając w średnim tempie 1 ppm na 40 tys. lat. Wartości zbliżone do obecnych (400 ppm) po raz ostatni miały miejsce około 3–5 mln lat temu, a długoterminowo średnie stężenie utrzymywało się ostatnio na tym poziomie w miocenie 16 mln lat temu. Jeśli sięgniemy jeszcze dalej w przeszłość, setki milionów lat wstecz, zobaczymy, że przez większość ostatnich 420 mln lat stężenie CO_2 w atmosferze Ziemi utrzymywało się na znacznie wyższym poziomie niż obecnie, w kredzie i jurze stężenia rzędu 1000 ppm były normą, a jeszcze wcześniej sięgały one nawet 2000 ppm. W zestawieniu z tym ostatni wzrost stężenia CO_2 z 280 ppm do 410 ppm nie wydaje się szczególnie wysoki.

Tym niemniej warto zauważyć, że obecne zmiany następują tak szybko, że jeszcze niedawno mogliśmy mówić o „najwyższych stężeniach CO_2 od kilku milionów lat”, teraz powinniśmy mówić o „najwyższych stężeniach CO_2 od kilkunastu milionów lat”, a jeśli szybkie tempo wzrostu jego koncentracji w atmosferze utrzyma się w kolejnych dekadach, to już wkrótce będziemy mówić o „najwyższym stężeniu CO_2 od kilkudziesięciu milionów lat”.

Gdy patrzymy na ilustracje 1.2.10. i 1.2.11., ponownie – jak podczas cyklu epok lodowych – można zauważyć korelację pomiędzy temperaturą i stężeniem CO_2.

Cofnęliśmy się w przeszłość niemal o pół miliarda lat. Wcześniej dochodziło do jeszcze większych zmian klimatu, łącznie z sytuacją, kiedy to lądolody pokrywały całą planetę aż po równik (przynajmniej raz, ponad 650 mln lat temu, a bardzo możliwe, że nawet kilka razy w okresie 580–780 mln lat temu). Taki stan naszej planety nazwano „Ziemią-śnieżką” (ang. Snowball Earth).

Ilustracja 1.2.11. Rekonstrukcja zmian koncentracji CO_2 w atmosferze w ostatnich 400 mln lat. UWAGA: skala czasowa nie jest liniowa. Panele a–b) na podstawie różnych wskaźników klimatycznych (niebieskie kropki odpowiadają konkretnym pomiarom, a linia – dopasowanej do nich krzywej, czerwona wstęga pokazuje zakres, w którym faktyczny przebieg zmian temperatury mieści się z prawdopodobieństwem 68%, a wstęga różowa odpowiada prawdopodobieństwu 95%, panel c) rdzenie lodowe, panel d) rdzenie lodowe i obserwacje.

Ziemia skuta lądolodem po równik? Jak do tego mogło dojść? I jak Ziemia, zamieniona w odbijające światło Słońca lodowe zwierciadło, zdołała wyjść z tego stanu?

Wiemy, że mroźne okresy, w których Ziemia była Ziemią-śnieżką były jedynie epizodami na tle długich okresów umiarkowanych temperatur. Zupełnie uzasadnione jest postawienie kolejnego pytania: dlaczego przez pierwsze miliardy lat swojego istnienia nasza planeta nie znajdowała się w permanentnym stanie Ziemi-śnieżki? Wiemy przecież, że kiedyś Słońce świeciło znacznie słabiej, zwiększając swoją moc stopniowo mniej więcej w tempie 1% na 100 milionów lat. Gdy więc Układ Słoneczny był młody, Słońce świeciło aż o 30% słabiej niż obecnie. Jednocześnie mamy zaś dowody na to, że już wkrótce po powstaniu naszej planety były na niej oceany z ciekłą wodą – i z wyjątkiem krótkich epizodów globalnych zlodowaceń był to stan typowy. Gdyby Ziemia u swojego zarania miała atmosferę podobną do obecnej, to aby panowały na niej wystarczająco wysokie temperatury do istnienia ciekłej wody, musiałaby być idealnie czarną kulą, pochłaniającą całą energię padającego na nią promieniowania, co nie mogło mieć miejsca. Oczywiście dawna atmosfera Ziemi różniła się od obecnej – i tu tkwi rozwiązanie „paradoksu słabego Słońca”. Jak zobaczymy, nasza planeta posiada mechanizmy całkiem skutecznie stabilizujące panujące na jej powierzchni warunki.

Poszukiwanie odpowiedzi na te wszystkie pytania to fascynująca przygoda. Pozwala lepiej zrozumieć i docenić, jak wspaniałym i ciekawym miejscem jest planeta, na której żyjemy.

2. MASZYNA KLIMATYCZNA

Wiedza o tym, co i kiedy się działo, jest bardzo ważna. Aby odpowiedzieć na pytanie, dlaczego to się działo, trzeba zrozumieć szereg mechanizmów i zjawisk, będących „trybikami” systemu klimatycznego.

2.1. Bilans energetyczny

Jeśli pojęcia przepływów i bilansów energii (nie mówiąc o efekcie cieplarnianym, cyklu węglowym czy transferze radiacyjnym) brzmią dla ciebie egzotycznie, nie obawiaj się – wprowadzimy cię w temat za pomocą prostych przykładów.

Wyobraź sobie stojący na polu dom. Jest zimowy dzień, a temperatura na zewnątrz wynosi 0°C. Budynek jest słabo ocieplony i pomimo dostarczania do niego energii, na przykład z ciepłowni do węzła cieplnego w piwnicy, panuje w nim dość niska temperatura 10°C.

W stanie równowagi energetycznej układ otrzymuje i emituje tyle samo energii.

Temperatura jest miarą energii wewnętrznej. Skoro temperatura w domu jest stała, to stała jest też zawartość energii wewnętrznej. Jak to możliwe, skoro dostarczamy do budynku ciepło? Odpowiedź jest prosta: tyle samo energii jednocześnie ucieka z domu na zewnątrz, przenikając przez ściany, okna itd., dzięki czemu bilans energetyczny jest zerowy, a temperatura jest stała. Inaczej mówiąc, aby utrzymać wewnątrz budynku temperaturę wyższą niż na dworze, należy dostarczać do niego tyle energii, ile jej ucieka.

Ilustracja 2.1.1. Przykładowa sytuacja w stanie równowagi termicznej: do domu dostarczamy energię w tempie 1 kW (czyli 1000 dżuli na sekundę), ucieka również 1 kW, a więc zawartość energii wewnętrznej w budynku jest stała (co przekłada się na stałą temperaturę, w naszym przykładzie 10°C).

Oczywiście w praktyce sytuacja jest trochę bardziej złożona. Wiele zależy od tego, jak rozprowadzimy gorącą wodę po mieszkaniu, jak rozmieściliśmy grzejniki, jaka jest powierzchnia ścian zewnętrznych w konkretnych pomieszczeniach, czy w piwnicy mamy duży zbiornik, w którym gromadzimy ciepłą wodę wykorzystywaną do ogrzewania itd. Nawet przy ustalonym dopływie energii do domu, temperatury w różnych pokojach nie będą identyczne, lokalnie lub chwilowo równowaga energetyczna może być zaburzana. Ostatecznie można jednak przyjąć, że przy stałych warunkach, gdy powstrzymamy się od kręcenia zaworami (fizycy mówią „w stanie stacjonarnym”), po pewnym czasie we wnętrzu ustabilizuje się rozkład przepływów ciepła i temperatur (w naszym przykładzie odpowiadający średniej temperaturze wynoszącej 10°C).

Mieszkańcy budynku, w którym panuje temperatura 10°C raczej nie będą z tej sytuacji zadowoleni, woleliby mieć wyższą temperaturę. Aby to osiągnąć, mają do wyboru dwie drogi: mocniej ogrzewać lub zmniejszyć ucieczkę ciepła z budynku, na przykład ocieplając go. Przyjrzyjmy się obu opcjom przez pryzmat bilansu energetycznego i jego zmian.

Opcja 1: większa moc grzejnika

Przyjmijmy, że podwajamy dostarczaną do węzła cieplnego moc do 2 kW. W wyniku powstałej nierównowagi bilansu energetycznego, w domu zacznie kumulować się energia (dostarczamy energię w tempie 2 kW, a ucieka 1 kW).

Ilustracja 2.1.2. Sytuacja bezpośrednio po zwiększeniu mocy grzejnika do 2 kW. Temperatura w budynku jeszcze się nie zmieniła, więc ucieka z niego wciąż 1 kW energii. Ponieważ dostarczamy więcej energii, niż ucieka, energia wewnętrzna domu będzie więc rosnąć (czyli będzie rosnąć temperatura).

Oznacza to, że wewnątrz będzie rosła temperatura. Stopniowo rosnąć będzie też różnica temperatury między wnętrzem domu a otoczeniem, a wraz z nią tempo ucieczki energii przez ściany. W końcu ustali się nowy stan równowagi, teraz jednak odpowiadający wyższej temperaturze we wnętrzu budynku. W nowym stanie ucieczka ciepła przez ściany na zewnątrz znowu będzie równoważyć dopływ ciepła do budynku (2 kW), co widzimy na ilustracji 2.1.3.

Ilustracja 2.1.3. Sytuacja po upływie pewnego czasu. Temperatura wewnątrz domu wzrosła. Przy wyższej różnicy temperatur między wnętrzem domu a otoczeniem znów ucieka tyle energii, ile dostarczamy – osiągnięty jest więc stan równowagi energetycznej – tyle że przy wyższej różnicy temperatur (w przykładzie 20°C).

W budynku jest cieplej, mieszkańcy będą więc zadowoleni – przynajmniej do momentu, gdy przyjdzie dwukrotnie wyższy rachunek za ogrzewanie…

Opcja 2: ocieplenie budynku

Wyobraźmy sobie, że dom błyskawicznie pokrywamy izolacją. Przez grubszą izolację będzie uciekać mniej energii. W przykładzie z ilustracji 2.1.4. – już nie 1 kW, lecz 0,5 kW.

Ilustracja 2.1.4. Sytuacja po błyskawicznie przeprowadzonym dociepleniu domu. Przez grubszą izolację ucieka mniej energii, w pokazanym przykładzie 0,5 kW. Grzejnik cały czas dostarcza 1 kW. Energia wewnętrzna domu będzie więc rosnąć (czyli będzie rosnąć temperatura).

W wyniku powstałej nierównowagi bilansu energetycznego, w budynku zacznie kumulować się energia (dostarczamy energię w tempie 1 kW, a ucieka 0,5 kW). Podobnie jak w poprzednim przykładzie, ta nierównowaga energetyczna spowoduje wzrost temperatury w budynku, aż do momentu, w którym ucieczka ciepła na zewnątrz znowu będzie równoważyć dopływ ciepła do budynku, co widzimy na ilustracji 2.1.5.

Ilustracja 2.1.5. Sytuacja po upływie pewnego czasu. Temperatura wewnątrz domu wzrosła. Przy wyższej różnicy temperatur między wnętrzem domu a otoczeniem znów ucieka 1 kW – osiągnięty jest więc stan równowagi energetycznej – tyle że przy wyższej różnicy temperatur (w przykładzie 20°C).

W opisanym scenariuszu ocieplenia budynku dopływ energii cały czas wynosił 1 kW, a komfort termiczny (po dokonaniu początkowej inwestycji) nie wiąże się z wyższymi rachunkami za ogrzewanie.

Z perspektywy obserwatorów na zewnątrz i wewnątrz budynku

Strumienie dopływającej do budynku i uciekającej z niego energii można mierzyć. Żeby wiedzieć, ile nasz dom zużywa energii w jednostce czasu, można zmierzyć dopływ tej energii w rurociągu z gorącą wodą z ciepłowni. Ucieczkę ciepła przez ściany można określić, korzystając na przykład z kamery termowizyjnej.

W scenariuszu ocieplenia budynku dla kogoś z zewnątrz, kto nie sprawdzi, jak zmieniał się odpływ ciepła przez ściany, nie będzie żadnej różnicy między stanem domu bez izolacji i z izolacją, ponieważ w obu przypadkach energia jest pobierana i ucieka w tempie 1 kW.

Inaczej będzie, gdy temperatura w domu wzrośnie wskutek zwiększonej dostawy ciepła z ciepłowni. Będzie można to oszacować i na wlocie – w przewodzie ciepłowniczym, i na wylocie – mierząc, ile ciepła ucieka przez ściany, a nawet mierząc samą temperaturę zewnętrznej powierzchni ścian: będzie ona większa niż przed wzrostem dostawy ciepła.

W ten sposób, nie znając nawet szczegółów budowy budynku i instalacji, można łatwo odróżnić, czy ociepla się w środku z powodu wzrostu dostawy ciepła z ciepłowni, czy wskutek polepszenia izolacji. Można też, mierząc same tylko zmiany dostawy i ucieczki ciepła stwierdzić, że wewnątrz budynku zmienia się temperatura i co jest tego przyczyną: zmiana w ilości dostarczanego ciepła, czy zmiana w izolacji.

Czemu tak dokładnie opisaliśmy nasz przykład? Ponieważ to, co się dzieje aktualnie z ziemskim systemem klimatycznym, jest bliską analogią tego, co się działo w naszym prostym przykładzie ocieplenia domu. W stabilnym klimacie ilość opuszczającej Ziemię energii odpowiada ilości energii do niej dostarczanej, podobnie jak dla opisanej sytuacji domu. W przypadku Ziemi rolę grzejnika gra Słońce, rolę utrudniającej ucieczkę ciepła izolacji gra zaś atmosfera. Zmiana właściwości atmosfery, powodująca utrudnienie ucieczki energii z naszej planety jest odpowiednikiem ocieplenia domu.

W obu przypadkach energia przepływa od źródła o najwyższej temperaturze, przez miejsce o średniej temperaturze do ośrodka o najniższej temperaturze (odpowiednio: gorąca woda z ciepłowni → wnętrze domu → chłodne otoczenie budynku oraz Słońce → Ziemia → przestrzeń kosmiczna).

Ilustracja 2.1.6. Kierunek przepływu energii: od gorącego grzejnika (Słońce), przez dom (Ziemia) po chłodne otoczenie (przestrzeń kosmiczna).

Zadanie

2.1.1. Po obłożeniu lepszą izolacją lub zwiększeniu mocy źródła ciepła, większość wzrostu temperatury wewnątrz budynku nastąpiłaby w ciągu kilkunastu godzin. Skale czasowe zmian zachodzących w ziemskim systemie klimatycznym są znacznie dłuższe. Policz, jak długi czas byłby potrzebny, żeby strumień energii równy 1 W/m^2 zwiększył temperaturę w głębokim na 4 km oceanie o 1°C. Przyjmij gęstość wody d = 1000 kg/m^3, ciepło właściwe wody Cw = 4200 J/(kg · K). Wskazówka: dla wygody obliczeń weź pod uwagę prostopadłościenny blok wody o polu podstawy S = 1 m^2.

Odpowiedzi do zadań znajdziesz na końcu książki, przed bibliografią.

Wymuszenia i sprzężenia

Omawiając bilans energetyczny naszej planety, często będziemy określać poszczególne zjawiska przyczyniające się do zmian klimatu mianem „wymuszenia” lub „sprzężenia”.

Wymuszenia to wpływające na klimat zjawiska pochodzące z zewnątrz systemu klimatycznego (atmosfery, hydrosfery, kriosfery i biosfery). Zmianę klimatu naszej planety mogą wymuszać czynniki astronomiczne, takie jak zmiany aktywności Słońca lub orbity Ziemi. Mogą ją też wymuszać czynniki na naszej planecie, takie jak np. zmiany atmosferycznej koncentracji gazów cieplarnianych lub zapylenia atmosfery w wyniku działania czynników naturalnych, takich jak aktywność wulkaniczna czy też w wyniku działań człowieka.

Sprzężenia to wpływające na klimat zjawiska zachodzące wewnątrz systemu klimatycznego (w atmosferze, hydrosferze, kriosferze i biosferze) będące skutkiem działania wymuszeń. Początkowy bodziec wymuszający zmianę klimatu wywołuje reakcję systemu klimatycznego. Mogą to być np. nasilenie parowania, zmiany zachmurzenia albo topnienie lodu morskiego wynikające ze wzrostu temperatury powietrza i oceanu. Odpowiedzi mogą potęgować lub hamować zaburzenia, przez które zostały uruchomione. Jeśli bodźcem jest wymuszenie, to reakcję na te wymuszenia nazywamy:

• sprzężeniami ujemnymi, czyli reakcjami układu osłabiającymi działanie wymuszenia. Przykładowo, gdy temperatura ciała rośnie, rośnie też ilość wypromieniowywanej przez nie energii, co spowalnia wzrost temperatury (patrz rozdział 2.2.). Jest to mechanizm stabilizujący system.

• sprzężeniami dodatnimi, czyli reakcjami układu wzmacniającymi działanie wymuszenia. Przykładowo, wzrost temperatury powietrza niesie za sobą wzrost zawartości pary wodnej w powietrzu. Więcej pary wodnej oznacza wzmocnienie efektu cieplarnianego, a co za tym idzie – dalszy wzrost temperatury (więcej o tym w rozdziałach 2.6. i 2.9.). Niezbyt silne sprzężenie dodatnie wzmacnia początkowe zaburzenie, ale bez radykalnej zmiany stanu układu. Silne sprzężenie dodatnie może zdestabilizować układ, wprowadzając go w inny stan.

Przykłady dodatnich i ujemnych sprzężeń działających w ziemskim systemie klimatycznym omówimy dokładniej w rozdziale 2.17.

2.2. Promieniowanie

W próżni kosmicznej nie ma przewodzenia ciepła ani unoszenia go w postaci jawnej czy utajonej. Energia emitowana przez Słońce, będące głównym dostarczycielem energii do ziemskiego systemu klimatycznego, przenoszona jest za pośrednictwem promieniowania elektromagnetycznego.

Przekazywanie (transport) energii może zachodzić na kilka sposobów, w szczególności poprzez:

• przewodzenie ciepła, gdy ciało o wyższej temperaturze za pośrednictwem drgań/ruchu cząsteczek przekazuje energię ciału o niższej temperaturze;

• konwekcja lub adwekcja, gdy następuje unoszenie ciepła przez przemieszczające się ciecze lub gazy;

• przenoszenie ciepła w postaci utajonej: woda parując, pobiera ciepło w jednym miejscu, a skraplając się, oddaje je w innym;

• promieniowanie elektromagnetyczne: obiekt emitujący promieniowanie przekazuje energię obiektowi, który to promieniowanie absorbuje.

Inne mechanizmy transportu energii, takie jak wiatr słoneczny, fale grawitacyjne czy dźwiękowe itp. nie mają w systemie klimatycznym większego znaczenia.

Ilustracja 2.2.1. Widmo promieniowania elektromagnetycznego.

Promieniują (a więc wysyłają promieniowanie elektromagnetyczne) wszystkie ciała we Wszechświecie – im wyższa jest ich temperatura, tym więcej energii wypromieniowują. Zjawisko to nazywamy czasem promieniowaniem termicznym. Za opisanie rządzących nim praw przyznano kilka nagród Nobla. Jedną z nich otrzymał w roku 1918 Max Planck, który odkrył, że promieniujące ciała wysyłają fotony – kwanty promieniowania elektromagnetycznego – i opisał to zależnością, zwaną dziś prawem Plancka. Ma ono postać:

{W2.2.1.}

gdzie I jest natężeniem promieniowania o danej długości fali λ (wyrażonej w metrach) ciała doskonale czarnego w temperaturze T (wyrażonej w kelwinach, odpowiadających stopniom Celsjusza powiększonym o 273,16), c – prędkością światła w próżni (3 · 10^8 m/s), h – stałą Plancka (6,626 · 10-34 J · s), k – stałą Boltzmanna (1,38 · 10-23 J/K).

Jak często bywa z wzorami fizycznymi, prawo Plancka jest dokładnie spełnione w przypadku wyidealizowanym – tak zwanego „ciała doskonale czarnego”. Nazwa bierze się stąd, że takie ciało pochłaniałoby w całości każde padające na nie promieniowanie, niezależnie od długości jego fali czy kąta padania. Jego przeciwieństwem jest „ciało doskonale białe”, odbijające każde padające na nie promieniowanie. Ciało doskonale czarne to nie tylko idealny absorber, ale też emiter promieniowania. Emituje fale wszystkich długości, a w dodatku dla każdej długości fali jego promieniowanie termiczne jest silniejsze niż jakiegokolwiek innego ciała o tej samej temperaturze. Promieniowanie ciała doskonale czarnego jest emitowane równomiernie we wszystkich kierunkach.

Ciała doskonale czarne nie istnieją w rzeczywistości. W praktyce jednak obiekty, z którymi będziemy mieli do czynienia w kolejnych rozdziałach – takie jak Słońce czy Ziemia – przypominają je wystarczająco dobrze, żebyśmy z dobrym przybliżeniem mogli posługiwać się w ich przypadku prawami wyprowadzonymi dla ciał doskonale czarnych.

Wykres pokazujący moc promieniowania dla poszczególnych długości lub częstotliwości fali nazywamy widmem promieniowania. Widmo promieniowania ciała doskonale czarnego zależy wyłącznie od jego temperatury. Ilustracja 2.2.2. pokazuje widma takich ciał o kilku temperaturach.

Ilustracja 2.2.2. Rozkład mocy promieniowania (w kW/nm) emitowanego przez ciała doskonale czarne o powierzchni 1 m^2 w funkcji długości fali dla ciał doskonale czarnych o kilku wybranych temperaturach.

Im wyższa temperatura ciała, tym więcej energii wypromieniowuje ciało, co na rysunku objawia się coraz wyżej sięgającymi krzywymi. Całkowitą emitowaną przez ciało doskonale czarne energię opisuje prawo Stefana-Boltzmanna, stwierdzające, że jest ona proporcjonalna do czwartej potęgi temperatury ciała:

E = σT^4

{W2.2.2.}

gdzie E jest strumieniem energii emitowanej z jednostki powierzchni takiego ciała mierzonym w W/m^2, T to temperatura ciała wyrażona w kelwinach (K), a σ to stała Stefana-Boltzmanna równa 5,67 · 10-8 W/(m^2 · K^4). Oznacza to, że ciało o dwukrotnie wyższej temperaturze będzie wypromieniowywać aż 16 razy więcej energii.

Widmo i ilość energii wypromieniowywanej przez ciało doskonale czarne zależy tylko od jego temperatury.

Im wyższa temperatura ciała doskonale czarnego, tym bardziej maksimum widma promieniowania przesuwa się w kierunku fal krótkich (spójrz jeszcze raz na ilustrację 2.2.2.). Zależność między temperaturą ciała T, a długością fali λMAX, dla której natężenie promieniowania ciała doskonale czarnego przyjmuje wartość maksymalną, opisuje prawo Wiena:

{W2.2.3.}

gdzie AW to tzw. stała Wiena, równa 2,898 · 10-3 [m·K], a T to temperatura ciała wyrażona w kelwinach [K]. Prawo to można wykorzystać do określania, jakiej długości fale emitują ciała o określonej temperaturze. Przykładowo, reakcje termojądrowe (zamiana wodoru w hel) rozgrzewają nasze Słońce tak, że zewnętrzne warstwy gwiazdy mają temperaturę około 5770 K. Podstawiając tę temperaturę do prawa Wiena, widzimy, że maksimum promieniowania przypada na długość fali:

λMAX = 2,898 · 10-3 [m · K]/ 5770 [K] ≈ 5 · 10-6 m = 0,5 μm = 500 nm

{W2.2.4.}

Słońce emituje więc promieniowanie głównie w świetle widzialnym oraz bliskiej podczerwieni. Nasze oczy nie przez przypadek wykształciły się w taki sposób, aby być czułymi na promieniowanie w zakresie 400–700 nm – po prostu mamy go na co dzień najwięcej do dyspozycji.

Oczywiście nie mamy możliwości umieszczenia na powierzchni Słońca klasycznego termometru i zmierzenia występującej tam temperatury. Podana przez nas wartość ustalona została pośrednio, na podstawie pomiarów promieniowania słonecznego. Konkretnie jest to tzw. temperatura efektywna, czyli temperatura, jaką miałoby ciało doskonale czarne wypromieniowujące tyle samo energii co Słońce. W literaturze możesz spotkać się też z innymi wartościami temperatury powierzchni Słońca, ustalanymi w oparciu o inne kryteria, np. temperaturą Wiena, barwną, kinetyczną czy jonizacyjną.

Skąd tyle różnych wersji? Wynika to z tego, że Słońce jest ciałem doskonale czarnym tylko w przybliżeniu. Jego widmo ma kształt zbliżony do teoretycznego widma ciała doskonale czarnego, ale znajdziemy w nim wiele fluktuacji, związanych z jego składem i budową. Utrudnia to jednoznaczne określenie, jakie ciało doskonale czarne (o jakiej temperaturze) najlepiej odpowiada promieniowaniu słonecznemu. Różnie zdefiniowane temperatury powierzchni Słońca różnią się w granicach kilku procent.

Ilustracja 2.2.3. Moc promieniowania słonecznego padającego na ustawioną prostopadle do Słońca powierzchnię 1 m^2 w odległości promienia orbity Ziemi przed wejściem do atmosfery (kolor żółty) i na poziomie morza (kolor czerwony), a także widmo ciała doskonale czarnego o temperaturze T = 5525 K, zbliżonej do temperatury powierzchni Słońca (szara linia). Podczas przechodzenia przez (bezchmurną) atmosferę część światła jest pochłaniania przez gazy, a część podlega rozpraszaniu Rayleigha, odpowiadającemu za niebieski kolor nieba.

Niemal wszystkie ciała, z którymi mamy na co dzień do czynienia (z egzotycznymi wyjątkami, takimi jak np. lampy czy piece łukowe), mają temperaturę niższą niż Słońce, a więc emitowane przez nie promieniowanie ma większe długości fali niż promieniowanie słoneczne. Podstawiając do wzoru na prawo Wiena {W.2.2.3.} temperaturę pokojową 290 K (17°C), widzimy, że maksimum promieniowania przypada na częstotliwość:

λMAX = 2,898 · 10-3 [m · K]/ 290 [K] ≈ 10-5 m = 10 μm = 10 000 nm

Powierzchnia Ziemi wypromieniowuje więc energię w dalekiej podczerwieni. To, jak promieniują ciała o takiej temperaturze, możemy stwierdzić, na przykład kierując na budynek czy człowieka kamerę rejestrującą promieniowanie podczerwone.

Ilustracja 2.2.4. Obraz ulicy w podczerwieni. Po prawej stronie widoczna jest skala temperatury w stopniach Celsjusza.

Rozpraszanie Rayleigha

Gdy promieniowanie elektromagnetyczne trafia na cząstkę, w której ładunki elektryczne nie są rozłożone identycznie w przestrzeni (a taką własność mają znajdujące się w atmosferze atomy i cząsteczki gazów, których ładunki dodatnie skupione są w jądrach, a ujemne to otaczające je elektrony), pobudza ją do drgań. Drgająca cząstka wypromieniowuje tę energię jako falę elektromagnetyczną o tej samej częstości, ale niekoniecznie w tym samym kierunku. Mówimy wtedy o rozpraszaniu. Silna zależność rozpraszania od długości fali powoduje, że promieniowanie o małej długości fali jest silniej rozpraszane od promieniowania o dużej długości fali. Światło niebieskie i fioletowe jest więc rozpraszane kilkukrotnie silniej niż czerwone. To rozproszone promieniowanie dociera do nas ze wszystkich stron nieba – widzimy więc, że jest ono zabarwione na niebiesko (to, że nie widzimy nieba w kolorze fioletowym wynika z tego, że dochodzące do nas światło składa się z wymieszanych w stopniowo malejących wraz z długością fali proporcjach różnych kolorów – od fioletu przez niebieski, zielony, żółty, pomarańczowy po czerwony; a także tego, że nasze oczy są mniej czułe na światło fioletowe).

Gdy patrzymy na zachodzące Słońce, jego promienie docierają do nas prawie poziomo po przejściu przez bardzo grubą warstwę atmosfery – w takiej sytuacji promieniowanie o mniejszej długości fali (fioletowe, niebieskie) jest rozpraszane na boki tak bardzo, że prawie do nas nie dochodzi. Promieniowanie o większej długości fali (pomarańczowe, czerwone) jest rozpraszane znacznie słabiej i dociera go do nas proporcjonalnie więcej – w rezultacie widzimy tarczę zachodzącego Słońca zabarwioną na kolor czerwony.

Ilustracja 2.2.5. Osoba z ręką w foliowej torbie – po lewej obraz w świetle widzialnym, po prawej w podczerwieni. Na obrazie w świetle widzialnym ręka jest niewidoczna; jednak wyemitowane przez rękę promieniowanie podczerwone przechodzi przez folię i jest widoczne na obrazie wykonanym za pomocą kamery termowizyjnej. Różne materiały mogą pochłaniać promieniowanie o różnych długościach fali. Na przykład znajdujące się w okularach szkło przepuszcza większość promieniowania widzialnego, pochłania zaś większość podczerwonego – z tego powodu okulary na zdjęciu z kamery termowizyjnej są ciemne.