1. Światowy klimat i efekt cieplarniany

1.5 „Wymuszanie promieniowania” jako czynnik zmian klimatycznych

Już w swoim piewszym głównym raporcie z 1990 roku, Międzyrządowy Panel do spraw Zmian Klimatu (ang. Intergovernmental Panel on Climate Change, w skrócie IPCC) zastosowała pojęcie „wymuszania promieniowania” do określania wagi potencjalnych mechanizmów w zmianach klimatycznych. Pod pojeciem wymuszania promieniowania (in. wymuszania radiacyjnego), jednostką którego jest w W m^-2, rozumiemy zmianę w globalnej równowadze między promieniowaniem docierającym do atmosfery a promieniowaniem wychodzącym z niej. Założono, że jakikolwiek czynnik zaburzający równowagę na szczycie atmosfery ma potencjał „wymusić” zmiany światowego klimatu, który będzie się ochładzał lub ogrzewał aż do osiągnięcia nowego stanu równowagi.

Analizując Rysunek 10 możemy wskazać trzy czynniki zdolne zaburzyć równowagę promieniowania na szczycie atmosfery. Są to: zmiana w dopływie promieniowania od Słońca, a więc stałej słonecznej, zmiana albedo Ziemi oraz zmiana emisji promieniowania podczerwonego w przestrzeń kosmiczną.

Rysunek 11 pokazuje domniemane skutki zmiany stałej słonecznej o zaledwie 1%, czyli zmiany ilości promieniowania słonecznego dochodzącego do Ziemi (100 jednostek na Rysunku 11a). Zakładając, iż albedo planety pozostaje niezmienione (31%), wzrost stałej słonecznej (Rysunek 11b) wywoła dodatnie wymuszenie promieniowania: Ziemia będzie absorbować więcej promieniowania słonecznego (69,69 jednostek) niż wyemitowuje promieniowania podczerwonego (69 jednostek), czego skutkiem będzie ocieplenie. Dla odmiany zmniejszenie stałej słonecznej (Rysunek 11c) wywoła ujemne wymuszenie promieniowania, które zaowocuje ochłodzeniem Ziemi.

Rysunek 11: (a) Uśredniony dla całej Ziemi bilans promieniowania na szczycie atmosfery z Rysunku 10 (tzn. 100 jednostek równa się 342 W m⁻²). (b) i (c) Zaburzenie równowagi wywołane przez, odpowiednio, zwiększenie lub zmniejszenie o 1% stałej słonecznej, przy założeniu, że albedo planety nie zmieniło się.

Erupcje wulkanów wyrzucają do atmosfery ogromne ilości gazów i pyłów (popioły wulkaniczne). Największe erupcje są dostatecznie silne, by wyrzucić materiał bardzo wysoko, aż do stratosfery, w której może się on rozprzestrzeniać dookoła całej Ziemi, stając się przyczyną istotnego i rozległego efektu ochłodzenia klimatu. Dzieje się tak, ponieważ zwiększona ilośc aerozoli w stratosferze zwiększa pochłanianie dochodzącego promieniowania słonecznego oraz odbijanie tego promieniowania z powrotem w przestrzeń kosmiczną.

Pomimo, że popioły wulkaniczne są najbardziej widocznym elementen erupcji, ich wpływ na klimat jest dość krótkotrwały, gdyż przebywają one w stratosferze co najwyżej przez kilka miesięcy. Znacznie większe znaczenie ma emisja dwutlenku siarki (SO₂), będącego jednym z gazów wulkanicznych. W wyniku reakcji chemicznych gaz ten zostaje szybko przekształcony w kropelki kwasu siarkowego, a aerozole siarczanowe mogą pozostać w stratosferze nawet przez kilka lat, dając efekt ciągłego zamglenia. Ich główne działanie polega na zwiększeniu odbijania światła słonecznego. Dla przykładu, wielka erupcja filipińskiego wulkanu Pinatubo w czerwcu 1991 roku wprowadziła do stratosfery aż 25 mln ton SO₂. Przez kolejny rok zamglenie wywołane przez aerozole siarczanowe rozeszło się po świecie i obniżyło średnią temperaturę powierzchni Ziemi na północnej półkuli o ok. 0,5ºC.

Chociaż ochłodzenie klimatu spowodowane silnymi erupcjami wulkanicznymi może być bardzo wyraźne (jak w przypadku wulkanu Pinatubo), jednak jest ono stosunkowo krótkotrwałe i zazwyczaj obejmuje okres co najwyżej 1-3 lat. Ruch powietrza stopniowo przenosi aerozole siarczanowe w dół do troposfery, z której najczęściej w okresie kilku tygodni zostają wymyte przez opady deszczu.

W takim razie jakie wymuszenie radiacyjne wywrze na klimat zwiększone obciążenie atmosfery gazami cieplarnianymi? Przyjrzyjmy się temu na przykładzie. Załóżmy, że zawartość CO₂ w atmosferze nagle się podwoi, a wszystkie inne parametry (dopływ promieniowania słonecznego, albedo planety, stężenia innych gazów cieplarnianych, itp.) pozostaną bez zmian. Jakie będą tego skutki? Ponieważ w atmosferze będzie więcej cząsteczek CO₂, pochłoną one większy procent promieniowania podczerwonego emitowanego przez Ziemię, co ostatecznie zmniejszy ilość promieniowania uchodzącego w przestrzeń kosmiczną. Przeprowadzając pewne skomplikowane obliczenia dowiedzielibyśmy się, iż zmniejszenie to w przypadku podwojenia ilości CO₂ wyniosłoby ok. 4 W m^-2 (z 236 W m⁻² do 232 W m⁻²). Takie oddziaływanie jest oczywiście dodatnim wymuszaniem promieniowania, które wywołuje skutki analogiczne do zwiększenia stałej słonecznej (i to o więcej niż 1%, co ilustrował Rysunek 11). Właściwie nie budzi niczyich wątpliwości stwierdzenie, że wzrost stężenia w atmosferze dwutlenku węgla, lub jakiegokolwiek innego gazu cieplarnianego, wywołuje ocieplenie klimatu. Zjawisko to nazywane jest wzmocnieniem efektu cieplarnianego albo wymuszeniem radiacyjnym wywołanym przez gazy cieplarniane (ang. greenhouse forcing). Jednakże obszerne opracowania wydane przez IPCC wyraźnie ukazują, iż „diabeł tkwi w szczegółach”! Przede wszystkim, nadal nie ma pewnej odpowiedzi na pytanie, być może najbardziej fundamentalne w całej debacie o zmianach klimatycznych: o ile zwiększy się średnia temperatura powierzchni Ziemi w odpowiedzi na daną wielkość wymuszania radiacyjnego wywołanego przez gazy cieplarniane? W trakcie dalszego wywodu będziemy jeszcze wracać do tego pytania. Teraz natomiast przyjrzyjmy się, co do tej pory wiadomo na temat wielkości wymuszenia radiacyjnego wywołanego przez gazy cieplarniane.