1. Światowy klimat i efekt cieplarniany

1.6 Wpływ człowieka na atmosferę: nadejście ery przemysłowej

Nie ma najmniejszych wątpliwości co do faktu, iż CO₂ kumuluje się w atmosferze. Dane z hawajskiego Obserwatorium Mauna Loa ukazują ciagły wzrost atmosferycznego stężenia CO₂ od początku obserwacji w 1958 roku, gdy poziom CO2 wynosił 315 ppm. Do końca XX w. poziom ten wzrósł do 370 pmm, a w 2008 roku przekroczył już 380 ppm (Wykres). Musimy być jednak świadomi, że człowiek przyczynia się do zwiększenia efektu cieplarnianego nie tylko poprzez zmiany zawartości CO₂ w atmosferze. Programy monitoringowe zapoczątkowane w latach 80-tych XX w. ujawniły również tendencje wzrostowe poziomów dwóch innych naturalnych gazów cieplarnianych – metanu (CH₄) i podtlenku azotu (N₂O). Skąd wiadomo, że w ostatnich dziesięcioleciach poziomy tych gazów wzrosły w wyniku działalności człowieka?

Istotnych dowodów dostarczyły lodowce Grenlandii i Antarktyki. Mianowicie, gdy poszczególne warstwy śniegu ulegały sprasowaniu i przekształceniu w lód lodowcowy, zostały w nim uwięzione drobne pęcherzyki powietrza. Ponadto warstwy lodu z poszczególnych lat łatwo wyodrębnić i zidentyfikować, gdyż okresy letnie wyróżniają się dużą zawartością pyłu, w przeciwieństwie do okresów zimowych. Badanie rdzeni lodu i analiza składu uwięzionego w ich warstwach powietrza umożliwia więc uzyskanie informacji o składzie powietrza atmosferycznego nawet w dość odległej przeszłości. Stąd czerpane są m.in. informacje o stężeniach gazów atmosferycznych, takich jak CO₂, CH₄ i N₂O, w czasach historycznych. Rysunek 12 przedstawia współcześnie notowane stężenia atmosferyczne tych trzech gazów w kontekście danych z rdzeni lodowych, które ukazują zmiany ich stężeń na przestrzeni ubiegłego tysiąclecia.

W perspektywie całego tysiąclecia, łatwo zauważyć, że przez ponad 800 lat atmosferyczne stężenie CO₂ nieznacznie oscylowało wokół poziomu 280 ppm. Dopiero pod koniec XVIII w. zaczęło ono wzrastać i trend ten utrzymał się do końca tysiąclecia. Podobne tendencje wykazują stężenia atmosferyczne metanu i podtlenku azotu. Dlatego też uśrednione dane z rdzeni lodowych dla pierwszych 750 lat ubiegłego tysiąclecia (czyli do roku 1750) traktowane są jako miarodajna informacja o przedindustrialnych (sprzed początku ery przemysłowej) stężeniach gazów w atmosferze. Warto zauważyć, że wzrost poziomu tych gazów zachodzi coraz szybciej. Przykładowo, trzeba było ok. 200 lat aby stężenie CO₂ wzrosło z 280 do 330 ppm (między 1750 a 1975 rokiem) i zaledwie 30 lat – aby wzrosło o kolejne 50 ppm.

Gazy przedstawione w Tabeli 2 określane są w jezyku angielskim terminem „well-mixed” (dobrze wymieszane), co oznacza że są rozmieszczone w troposferze w miarę jednorodnie. Dzieje się tak, gdyż przebywają w atmosferze dostatecznie długo, aby ruchy powietrza rozniosły je równomiernie po całym świecie i wymieszały z innymi składnikami powietrza. Stąd też ich zawartości w powietrzu w różnych miejscach świata nie różnią się znacząco.

Tabela 2 pokazuje czas przebywania w atmosferze gazów CO₂, CH₄ i N₂O oraz dla porównania – niektórych absorbujących podczerwień freonów będących fluorowcopochodnymi węglowodorów alifatycznych. Freony nie występują naturalnie, jednak są wykrywane w śladowych ilościach w atmosferze w wyniku zastosowań przemysłowych. Są to pochodne węglowodorów (np. metanu), w których część atomów wodoru zastąpiono atomami fluorowców – najczęściej fluoru (F) i chloru (Cl), jak np. w chloroflourowęglowodorach (CFC) lub wodorochlorofluorowęglowodorach (HCFC).

Odkąd dostrzeżono niszczący wpływ chloroflourowęglowodorów (CFC) na stratosferyczny ozon, zaczęto te zwiazki wycofywać z produkcji i użycia w związku z postanowieniami Protokołu Montrealskiego w sprawie substancji zubożających warstwę ozonową (z 1987 r.). Dwa freony z grupy CFC ujęto w Tabeli 2 z dwóch powodów. Po pierwsze, proces rozkładu tych związków w atmosferze jest powolny, co sprawia że przebywają w niej bardzo długo. Usunięcie z atmosfery wszystkich śladów tych związków potrwa wiele dziesiątków lat (np. Rysunek 13). Po drugie, związki CFC są silnymi gazami cieplarnianymi. Niestety podobne właściwości wykazuje wiele innych fluorowcopochodnych węglowodorów (np. HCFC-22 ujęty w Tabeli 2), stosowanych jako substytuty związków CFC i stopniowo przedostających się do atmosfery. Groźnym zjawiskiem jest, iż fluorowcopochodne węglowodorów silnie absorbują promieniowanie podczerwone o długościach fal z zakresu „okna atmosferycznego” (Rozdział 1.2.2). Naturalne gazy cieplarniane bardzo słabo pochłaniają to promieniowanie, w wyniku czego mogło ono swobodnie uchodzić w przestrzeń kosmiczną.

Rysunek 13: Zmiany stężenia CFC-12 w atmosferze w latach 1950-1998. Dzięki Protokołowi Montrealskiemu wzrost jego stężenia został zahamowany, jednak minie wiele dziesięcioleci zanim CFC-12 zgromadzony w atmosferze zostanie z niej usunięty w wyniku naturalnych procesów.

Dlaczego jest to groźne, wyjaśniają nam dane z ostatniej kolumny Tabeli 2 zatytułowanej „Potencjał Tworzenia Globalnego Ocieplenia” (ang. Global Warming Potential – GWP). Wskaźnik GWP został wprowadzony, aby umożliwić ilościową ocenę wpływu poszczególnych substancji na efekt cieplarniany, w porównaniu z wpływem dwutlenku węgla (GWP=1). Informuje on, jakie wymuszenie radiacyjne zostanie wywołane przez dodanie określonej masy (np. 1 kg) danego gazu cieplarnianego w porównaniu w wymuszeniem radiacyjnym wywołanym przez dodanie takiej samej masy CO₂. Stąd też możemy uważać wartość GWP za wskaźnik „skuteczności” danego gazu cieplarnianego jako czynnika zmian klimatycznych w porównaniu z dwutlenkiem węgla – ale koniecznie w odniesieniu do masy. To zastrzeżenie jest bardzo ważne. Na pierwszy rzut oka wartości GWP z Tabeli 2 w mogłyby sugerować, że CO₂ jest słabym gazem cieplarnianym. Oczywiście freony są 1000 razy skuteczniejsze, gdy porównywać uwolnienie jednakowych mas tych związków. Jednak dwutlenkowi węgla poświeca się tak wiele uwagi, gdyż ilości tego gazu emitowane przez ludzkość są wielokrotnie wyższe od ilości jakiegokolwiek innego gazu cieplarnianego. Stężenie atmosferyczne dwutlenku węgla wzrosło od czasów przedindustrialnych o prawie 100 ppm, podczas gdy np. stężenie metanu w tym czasie podniosło się zaledwie o ok. 1000 ppb, czyli 1 ppm (Ramka 3).

Obecność w atmosferze typowo syntetycznych związków, takich jak freony, można całkowicie przypisać działalności człowieka. A jak jest w przypadku gazów, które naturalnie występują w przyrodzie? Atmosferyczny dwutlenek węgla jest składnikiem światowego obiegu węgla (cyklu węglowego) – podobnie jak atmosferyczny metan, choć to może wydawać się mniej oczywiste. Podobnie, N₂O jest składnikiem naturalnego obiegu azotu (cyklu azotowego).

W przypadku każdego z tych gazów, w przyrodzie zachodzą procesy uwalniające gaz do atmosfery, oraz procesy usuwające go z niej. W miarę stałe stężenia atmosferyczne tych gazów w czasach preindustrialnych wskazują, iż procesy uwalniania i usuwania tych gazów były wtedy mniej więcej zrównoważone. Najwyraźnej równowaga ta została zaburzona w ciagu ostatnich ok. 200 lat, czyli w okresie gwałtownego wzrotu liczebności światowej populacji ludzkiej. Na początku XVIII w. na naszej planecie żyło mniej niż 1 miliard ludzi. Obecnie jest nas ok. 6,7 miliarda, a oficjane prognozy przewidują, że tendencja wzrostowa utrzyma się jeszcze przez jakiś czas (Rysunek 14).

Rysunek 14: Według obecnych przewidywań, populacja ludzka do roku 2050 osiągnie szczyt liczebności – ok. 9 miliardów, choć niektórzy eksperci uważają, iż tendencja wzrostowa może się utrzymać przez cały XXI wiek.

Wpływ człowieka na atmosferyczny ładunek naturalnych gazów cieplarnianych przejawia się zwykle w postaci działań dodających nowe źródło emisji gazu i/lub zwiększających na różne sposoby emisję ze źrodeł naturalnych. Weźmy dla przykładu CO₂. Spalanie paliw kopalnych nie jest jedynym antropogenicznym źródłem tego gazu w atmosferze. Przez stulecia ludzie wycinali lasy, spalali drewno i przekształcali rozległe połacie lądu w pola uprawne, w celu wykarmienia rosnącej ciagle populacji ludzkiej. Procesy deforestacji (in. wylesiania) i zagospodarowania gruntów także przyczyniają się do zwiększenia ilości CO₂ w atmosferze. W Ramce 5 opisano rodzaje działalności człowieka, które zwiększają naturalne emisje metanu i podtlenku azotu, oraz dodano krótki komentarz o innym naturalnym gazie cieplarnianym – troposferycznym ozonie.

W przeciwieństwie do gazów z Tabeli 2, ozon troposferyczny jest gazem stosunkowo nietrwałym i występuje znaczne zróżnicowanie regionalne jego stężenia w powietrzu. Stąd też trudno jest śledzić długoterminowe zmiany w całkowitej ilości ozonu w troposferze, jednak oceny podane w trzecim raporcie IPCC wskazują na wzrost tej ilości w stosunku do czasów przedindustrialnych o ok. 36%.

Wielkość wymuszenia radiacyjnego wywołanego przez poszczególne gazy w całkowitym wzmocnieniu efektu cieplarnianego przez gazy cieplarniane ukazuje Tabela 3, natomiast względny udział tych gazów jest bardziej obrazowo przedstawiony na diagramie kołowym na Rysunku 15. Widać wyraźnie, że jak dotąd dominujący wpływ wynika z ogromnego wzrostu stężenia CO₂ w atmosferze. Mimo tego, rosnąca zawartość pozostałych gazów cieplarnianych ujętych w tej tabeli, w powiązaniu z ich potencjałem tworzenia efektu cieplarnianego, oznacza, że one również odgrywają istotną rolę jako czynniki zmian klimatycznych. Razem gazy te odpowiadają za niemal połowę historycznego wzmocnienia efektu cieplarnianego przez gazy cieplarniane. Dlatego też Protokół z Kyoto dotyczy nie tylko CO₂, ale i grupy gazów cieplarnianych (w tym CH₄, N₂O i freonów) nie objętych przez Protokół Montrealski. W dalszych rozważaniach, dotyczących głównie dwutlenku węgla, nie należy zapominać o dodatkowym udziale pozostałych gazów cieplarnianych.

Rysunek 15: Udział procentowy poszczególnych gazów w całkowitym wzmacnianiu efektu cieplarnianego przez gazy cieplarniane w latach 1750-2000.

Jednakże najważniejszym gazem cieplarnianym, o którym nie należy zapominać, jest para wodna. Jak już wcześniej mówiliśmy, zawartość pary wodnej w powietrzu zależy głównie od temperatury. Całkowita ilość tego gazu w atmosferze nie zależy bezpośrednio od działalności człowieka. Jednakże może być od niej uzależniona pośrednio, istotnie wpływając na sposób, w jaki klimat może zareagować na wzrastającą zawartość innych gazów cieplarnianych.

Jest jeszcze coś, o czym należy pomyśleć w kontekście „wpływu człowieka na atmosferę”. Od samego początku ery przemysłowej ludzie wprowadzali do tropofery nie tylko gazy cieplarniane, ale też różne inne gazy i pyły. W szczególności spalanie węgla (w elektrowniach, procesach przemysłowych, domowych paleniskach itp.), który często zawiera znaczne domieszki siarki, przyczyniało się do uwalniania dwutlenku siarki (SO₂). W „niezanieczyszczonej” troposferze w sposób naturalny występują pewne ilości aerozoli siarczanowych powstałych z różnych zawierających siarkę gazów pochodzenia wulkanicznego oraz biologicznego. Antropogeniczne emisje SO₂ zwiększają ilość tego gazu w atmosferze, co przynosi podobne skutki, jak sporadyczne emisje aerozoli wulkanicznych do stratosfery, czyli zwiększa rozpraszanie promieniowania słonecznego.

Dla wielu rejonów uprzemysłowionych o dużym zagęszczeniu ruchu drogowego typowe jest występowanie tzw. „miejskiej mgły”. Zawiera ona m.in. drobne, bogate w węgiel cząstki materii, pochodzące z niekompletnego spalania paliw kopalnych – w tym kropelki związków organicznych oraz różne ilości ciemnych drobin związków węglowo-grafitowych (tzw. czarny węgiel). Podobne aerozole „węglowe” występują w gęstych pióropuszach dymu unoszących się nad wielkimi pożarami roślinności, które regularnie występują w różnych częściach świata. W niektórych regionach obok pożarów naturalnych (zapoczątkowanych przez uderzenia piorunów), celowo wywołuje się mniejsze, kontrolowane pożary mające służyć oczyszczeniu lasów (np. Amazonia i niektóre części pd-zach. Azji), czy też będące elementem działalności rolniczej (np. by pobudzić wzrost świeżych traw dla zwierząt hodowanych na południowoafrykańskiej sawannie). Dane z pomiarów satelitarnych (Rysunek 16) umożliwiają badaczom sporządzanie map rozmieszczenia drobnych aerozoli (zarówno siarczanowych, jak i węglowych) charakterystycznych dla źródeł antropogenicznych (Rysunek 16a) oraz odróżnianie ich od bardziej gruboziarnistych cząstek (kurz, pył, aerozole soli morskiej), które pochodzą głównie ze źródeł naturalnych (Rysunek 16b).

Rysunek 16: Rozmieszczenie aerozoli (a) drobnych i (b) gruboziarnistych wg pomiarów NASA wykonanych przez satelitę Terra dla września 2000 roku.

Wymuszanie promieniowania przez gazy cieplarniane, szczególnie te trwałe, równomiernie rozmieszczone w atmosferze, jest wymuszaniem dodatnim (zwiększa efekt cieplarniany), które zachodzi na całym świecie. Wzrost ładunku aerozoli w troposferze oddziałuje na klimat inaczej, pod trzema istotnymi względami:

1. Podobnie jak siarczany, większość aerozoli silnie rozprasza promieniowanie słoneczne, zwiększając tym samym albedo planety i wywołując ujemne wymuszanie promieniowania (tzn. ochładzają powierzchnię planety). Wyjątkiem od tej reguły jest tzw. czarny węgiel, który silnie pochłania zarówno dochodzące promieniowanie słoneczne, jak i uchodzące promieniowania ziemskie, co przyczynia się do ogrzewania powierzchni planety.

2. Aerozole antropogeniczne krótko przebywają w troposferze (siarczany wracają na powierzchnie jako opady „kwaśnych deszczy”), więc ich stężenia różnią się znacząco w różnych miejscach świata (Rysunek 16a) i w różnym czasie. Dlatego też wpływ aerozoli na promieniowanie ma raczej zasieg lokalny, niż globalny.

3. Aerozole antropogeniczne (zwłaszcza siarczany) wykazują także potencjalnie istotne pośrednie oddziaływanie na bilans promieniowania Ziemi, związane z ich rolą jako jąder nukleacji dla chmur (Rozdział 1.3.2). W rejonach zanieczyszczonych, gdzie jest zwiększona ilość cząstek aerozoli, powstają chmury zawierające więcej drobniejszych kropelek; chmury takie mocniej odbijają promieniowanie (tzn. mają większe albedo), co dodatkowo wzmacnia efekt ochładzania powierzchni Ziemi. Zjawisko to nazywane jest pośrednim efektem aerozolowym (indirect aerosol effect.