Wpływ globalnych ruchów mas powietrza na wilgotność i temperaturę
- Szczegóły
W ostatnich tygodniach przedstawialiśmy artykuły mówiące o zmianach, jakie zachodziły w klimacie Ziemi w dawnych epokach. Czasami bywały one naprawdę spektakularne. Porównajmy obecną, antropogeniczną zmianę klimatu ze zmianami klimatu w przeszłości Ziemi.
Dla porównania - wahania aktywności słonecznej w zakresie odpowiadającym różnicy pomiędzy klimatem XX wieku a małą epoką lodową odpowiadały różnicy globalnej średniej temperatury rzędu 0,2°C. Ziemia epoki lodowej była inną planetą: gdzie indziej były strefy klimatyczne, pustynie i linia brzegowa. Gdybyśmy budowali naszą cywilizację w ówczesnym klimacie, w innych miejscach byśmy się osiedlili i pobudowali nasze miasta. To był świat różniący się od znanego nam świata holocenu o 4°C; w scenariuszu RCP8.5 zmiana temperatury będzie 2-krotnie większa.
I nawet nie o to chodzi, że klimat trochę chłodniejszy lub cieplejszy byłby dla nas gorszy - chodzi o szybkość zmiany. Dostosowaliśmy się jednak do klimatu obecnego, stabilnego od ponad 10 tys. lat, zarówno naszym miejscem zamieszkania, jak i infrastrukturą. Gdybyśmy zastali planetę z wyższą temperaturą i na niej się pobudowali, wszystko byłoby w porządku.
Czego możemy oczekiwać, podążając drogą scenariusza wysokich emisji? Wskazówkę mogą stanowić dawne zmiany klimatu. W interglacjale eemskim 125 tys. lat temu średnia temperatura powierzchni Ziemi była o ok. 1,5°C wyższa niż w XX wieku. Koncentracja CO2 wynosiła ok. 300 ppm. W pliocenie 3-3,5 mln lat temu było cieplej o 2-3°C. Koncentracja CO2 wynosiła ok. 400 ppm. W młodszym eocenie temperatura była wyższa o ok. 12°C. Koncentracja CO2 wynosiła ok. 1000 ppm (co łącznie świadczy o wysokiej czułości klimatu).
Widać, że do tej pory udało nam się już wygenerować wymuszenie radiacyjne gazów cieplarnianych typowe dla ciepłego okresu w pliocenie, a to, że nie odtworzyliśmy jeszcze zbliżonego klimatu, wynika głównie z bezwładności termicznej oceanów i lądolodów. W scenariuszu wysokich emisji stężenie CO2 równe 500 ppm możemy osiągnąć za niecałe 30 lat, a 1000 ppm - na przełomie stuleci. Po kolejnym stuleciu w atmosferze będzie już 2000 ppm CO2 (a wliczając wymuszenie radiacyjne innych gazów - ponad 2600 ppm).
Przeczytaj także: Jakość powietrza wewnątrz budynków
A jak wypada porównanie z okresami takich „wielkich zmian”? Podczas PETM do atmosfery w ciągu 6 tys. lat wyzwoliło się ok. 3000 GtC węgla, z czego zdecydowana większość była sprzężeniem zwrotnym emisji z klatratów metanu i/lub wieloletniej zmarzliny, a z początkowego czynnika wymuszającego (prawdopodobnie wulkany na Północnym Atlantyku) jedynie mała ilość.
Podczas wielkiego wymierania z przełomu permu i triasu do atmosfery w ciągu 2-20 tys. lat trafiło ok. 8000 GtC z emisji wulkanicznych i mniej więcej drugie tyle ze sprzężeń zwrotnych cyklu węglowego (głównie klatraty metanu). W scenariuszu Biznes-jak-zwykle (RCP8.5) w ciągu 300 lat (1950-2250) wyemitujemy 5000 GtC, do czego dojdzie prawdopodobnie zbliżona ilość emisji z klatratów metanu i wieloletniej zmarzliny. Średnie roczne emisje w takim scenariuszu to ok. W sumie więc impuls węglowy z naszych emisji będzie porównywalny z tym, do którego doszło podczas wielkiego wymierania z przełomu permu i triasu, tyle że jego skala czasowa będzie 10-100 razy krótsza.
Stężenie CO2 szybko rośnie do 2000 ppm, a licząc z ekwiwalentem innych gazów cieplarnianych do blisko 3000 ppm. Powierzchnia oceanów gwałtownie się zakwasza, a koncentracja jonów węglanowych spada do poziomu masowej eksterminacji organizmów z wapiennymi szkielecikami i muszlami. Rafy koralowe giną.
Ocieplenie destabilizuje wieloletnią zmarzlinę, a uwięziona w niej materia organiczna w formie metanu i dwutlenku węgla trafia do szybkiego cyklu węglowego. Podobnie zaczynają się destabilizować złoża klatratów metanu na szelfie kontynentalnym Oceanu Arktycznego. Średnia temperatura powierzchni Ziemi rośnie o 10°C. W strefie międzyzwrotnikowej robi się zbyt ciepło dla dużych zwierząt i wielu roślin.
Roślinność na lądach masowo wymiera, gleba jest wypłukiwana do oceanów, powodując odtleniające wodę zakwity glonów. Gwałtowny wzrost temperatury powierzchni oceanów (jego skala czasowa jest krótsza niż skala czasowa mieszania przez krążenie oceaniczne, co nie ma precedensu w przeszłości) prowadzi do stratyfikacji oceanów, w których ciepła woda nie będzie chciała się mieszać z chłodniejszą (gęstszą) wodą w głębinach.
Przeczytaj także: Jak wymienić filtr powietrza w Oplu Astrze?
Dochodzi do wyłączenia obecnie działającej cyrkulacji termohalinowej oraz osłabienia mechanizmów usuwania CO2 z atmosfery i dotleniania głębin oceanicznych. Docierając na dno oceaniczne, destabilizuje ona złoża hydratów metanu w głębinowych osadach dennych.
Z początku metan z tych złóż wyzwala się stopniowo - wychwytują go bakterie, reaguje też z tlenem w wodzie (reakcje CH4 + 202 → CO2 + 2H2O). W głębinach oceanicznych zaczyna brakować tlenu, w rezultacie czego opanowują je nietolerujące tlenu bakterie siarkowe, które w tych warunkach rozkwitają, zastępując życie tlenowe.
W takich warunkach zaczynają masowo ginąć oddychające tlenem organizmy morskie, natomiast doskonale funkcjonują fotosyntetyzujące bakterie siarkowe, które otrzymawszy dostęp do światła słonecznego, mogą się namnażać już na samej powierzchni beztlenowego oceanu. Ogromne ilości trującego siarkowodoru bez przeszkód trafiają do atmosfery.
Dostawszy się do atmosfery, siarkowodór powoduje zniszczenie powłoki ozonowej, chroniącej przed promieniowaniem ultrafioletowym. Zabija to nie tylko organizmy lądowe, ale także morskie, w tym trzymający się wciąż jeszcze przy życiu plankton.
Metan wydobywający się ze złóż klatratów będzie absorbowany w wodzie i utleniany do dwutlenku węgla. Jednak kiedy proces ucieczki metanu zacznie się nasilać, zmniejszenie ciśnienia gazu w złożu może powodować jego gwałtowną destabilizację i ulotnienie się do atmosfery milionów lub nawet miliardów ton metanu.
Przeczytaj także: Wymiana osłony filtra powietrza w Fiacie 126p
Po wymieszaniu z powietrzem, przy stężeniu 5-15%, metan tworzy mieszankę wybuchową. Zapłon metanu uwolnionego nawet z relatywnie niewielkiego złoża wyzwoliłby energię równą eksplozji setek największych bomb wodorowych. Z punktu widzenia wymuszenia radiacyjnego spalenie się metanu byłoby dobrą wiadomością, zmieniłoby go bowiem w dwutlenek węgla. Gdyby do tego nie doszło, to wyzwolenie tak wielkich ilości metanu podbiłoby wymuszenie radiacyjne.
To świat tak odległy od tego, co widzimy za oknem, że aż nierealny. Cóż, do podobnych zdarzeń dochodziło już w przeszłości, a jeśli coś miało już miejsce, to oznacza to, że jest możliwe. Nie wiemy tego. Nie jesteśmy pewni, przy jakich dokładnie warunkach może dojść do opisanego łańcucha zdarzeń: odtlenienia oceanów, wielkoskalowej destabilizacji pokładów hydratów metanu i rozkwitu bakterii siarkowych. Wiemy za to, że kiedy rozpoczęty cykl stanie się dostrzegalny, nie będzie już możliwości zatrzymania go.
Owszem, tak jak wcześniej, Ziemia najprawdopodobniej znów powróci do stanu sprzed wielkiego wymierania. Nanieśmy teraz na ten sam wykres scenariusze RCP, uzupełnione dodatkowo o scenariusz Win12K, odpowiadający spaleniu większości zasobów paliw kopalnych - 12 000 GtC.
W scenariuszu RCP8.5 osiągamy 12 W/m2, a w scenariuszu Win12K 18 W/m2; i jest to sam dwutlenek węgla pochodzący z emisji antropogenicznych. Dołożenie emisji sprzężeń zwrotnych, metanu oraz gazów przemysłowych mogą dodać kolejnych kilka W/m2. Niemożliwe? To, co uczynimy, idąc drogą dalszego spalania paliw kopalnych, jest naprawdę bezprecedensowe.
Jeśli oszacowania, że do osiągnięcia granicy Kombayashiego-Ingersolla, po przekroczeniu której Ziemia przeszłaby w stan szklarniowy (patrz Para wodna - klimatyczny dopalacz), brakuje 24 W/m2 są poprawne, prawdopodobnie nie uda nam się tego uczynić. Średnia temperatura byłaby wtedy wyższa o 16-24°C, a wilgotność atmosfery stałaby się wyjątkowo wysoka. Panujące na takiej planecie warunki uczyniłyby ją, może poza wysoko położonymi obszarami Antarktydy i Tybetu, miejscem niezdatnym do zamieszkania (Hansen i in., 2013).
Przypomnijmy - Wenus najprawdopodobniej przeszła przez etap rozbuchanej lub wilgotnej szklarni, kiedy to w wysokiej temperaturze straciła wodę. Gdy wody zabrakło, ustał usuwający dwutlenek węgla z atmosfery proces wietrzenia krzemianów, a koncentracja CO2 zaczęła rosnąć do obecnego, bardzo wysokiego poziomu.
Obecnie na Ziemi para wodna jest uwięziona przy powierzchni przez „zimną pułapkę” tropopauzy, czyli warstwy atmosfery, w której temperatura spada poniżej -50°C (w takiej temperaturze ilość mogącej pozostać w powietrzu pary wodnej jest bardzo mała) i w której tłumione są pionowe ruchy powietrza.
Analizy pokazują, że wywołane przez nas wymuszenie radiacyjne może doprowadzić do takiej przebudowy struktury atmosfery, w której ta „zimna pułapka” przestanie istnieć, a wilgotna atmosfera, w której zawartość pary wodnej wzrośnie do ok. 1%, obejmie też stratosferę. To z kolei umożliwi promieniowaniu nadfioletowemu rozkład znajdującej się w stratosferze pary wodnej na tlen i wodór.
Na razie wygląda to jak scenariusz Wenus. I gdyby czynnikiem wymuszającym zmianę klimatu był stały wzrost aktywności słonecznej, życie na Ziemi znalazłoby się na prostej drodze do zagłady. Jednak, jeśli wymuszenie będzie powodowane przez dwutlenek węgla wyemitowany w procesie spalania paliw kopalnych, to procesy wietrzenia usuną nadmiar CO2 z atmosfery w czasie 104-105 lat - wystarczająco szybko, by nie nastąpił znaczący ubytek wód oceanów.
Aby Ziemia mogła nieodwracalnie utracić wodę w procesie utraty wodoru w kosmos, potrzeba bowiem czasu liczonego w setkach milionów lat, a nie zaledwie dziesiątkach tysięcy. Dziesiątki tysięcy lat takich warunków to chyba jednak i tak zbyt długo dla ludzkości.
Prawdopodobnie, nawet gdybyśmy byli technicznie zdolni do wydobycia wielkiej ilości paliw kopalnych, to zanim do tego dojdzie, katastrofy klimatyczne staną się tak poważnym obciążeniem dla naszej cywilizacji, że nastąpi jej upadek, zanim wydobędziemy i spalimy większość niekonwencjonalnych paliw kopalnych (takich jak ropa z piasków roponośnych lub niedostępne do konwencjonalnego wydobycia pokłady węgla).
I tak ludzkość prowadzi teraz jedyny w swoim rodzaju eksperyment geofizyczny, który nie wydarzył się nigdy w przeszłości, ani nie będzie mógł być w przyszłości powtórzony. Można wiele mówić o naszych zdolnościach adaptacyjnych, jednak w scenariuszu spalenia wszystkich paliw kopalnych zostałyby one wystawione na ekstremalną próbę.
Porównanie emisji w różnych scenariuszach
| Scenariusz | Emisja węgla (GtC) | Skala czasowa |
|---|---|---|
| PETM | 3000 | 6000 lat |
| Wymieranie permsko-triasowe | 8000 (wulkaniczne) + 8000 (sprzężenia zwrotne) | 2000-20000 lat |
| RCP8.5 | 5000 (antropogeniczne) + ~5000 (sprzężenia zwrotne) | 300 lat |
| Win12K | 12000 | - |
tags: #wpływ #globalnych #ruchów #mas #powietrza #na
