(Nie)rozwiązane problemy klimatologii: 1. Ile dokładnie wynosi czułość równowagowa klimatu?

May 28, 2017

IPCC rozpoczeło oficjalnie prace nad kolejnym, szóstym raportem podsumowującym stan wiedzy naukowej na temat zmian klimatu; i choć ich efekt zobaczymy dopiero w roku 2021, warto zastanowić się, jakie nowe ustalenia mają szansę znaleźć się w tym, albo i kolejnych raportach. Poniżej więc skompilowałem krótką, nie do końca poważną listę problemów klimatologii, które wciąż pozostają aktywnym przedmiotem badań naukowych. Od razu zaznaczę, że nie są to problemy “nierozwiązane” w tym sensie, że nic na ten temat nie wiemy; w niektórych przypadkach zresztą ich rozwiązanie zostało niedawno znalezione.

Lista wygląda następująco:

1. Ile dokładnie wynosi czułość równowagowa klimatu?
2. Jak silne jest wymuszenie radiacyjne antropogenicznego aerozolu?
3. Od czego zależy stabilność lądolodów Antarktydy Zachodniej i Wschodniej (oraz jak wygląda ich obecny bilans masy)?
4. Jak zmieniał się klimat w ciągu ostatnich 2000 lat?
5. Jakie procesy powodowały oscylacje Dansgaarda-Oeschgera oraz zdarzenia Heinricha?
6. Co spowodowało PETM i inne hipertermiczne epizody eocenu?
7. Czy stan permamentnego El Niño kiedykolwiek istniał (albo ma szanse zaistnieć)?
8. Jak rozwiązać paradoks słabego Słońca?
9. Czy system klimatyczny maksymalizuje produkcję entropii?
10. Jak zmieniała się temperatura powierzchni Ziemi w pierwszej połowie XX wieku i co było przyczyną tych zmian?
11. Jak zmieniała się temperatura górnych warstw atmosfery w ostatnich kilku dekadach?
12. Co spowodowało spowolnienie wzrostu temperatur powierzchni Ziemi na początku XXI wieku?

Każdemu problemowi planuję poświęcić osobne LPU.

1. Ile dokładnie wynosi czułość równowagowa klimatu?

Jest to jedno z tych naukowych pytań, które wpierw zaistniało w głowach teoretyków, a kilkadziesiąt lat później okazało się, że odpowiedź na nie może być warta dosłownie biliony dolarów. Choć łatwo je sformułować, i choć na zbadanie otaczających je zagadnień poświęcono dużo czasu i pieniędzy, wciąż nie jesteśmy dużo bliżej “prawdziwej” odpowiedzi niż 30 czy 40 lat temu.

Pytanie brzmi następująco: załóżmy, że mamy planetę taką jak Ziemia, z globalnym klimatem nie odbiegającym zbytnio od stanu współczesnego (albo przedindustrialnego).¹¹ Zależność czułości klimatu od stanu bazowego to cały osobny problem badawczy; można oczekiwać że planeta całkowicie pozbawiona pokrywy lodowej będzie miała inną czułość niż taka, w której lodowce i lądolody jeszcze występują. O ile podniesie się średnia globalna temperatura, jeśli zwiększymy zawartość dwutlenku węgla w atmosferze dwukrotnie?

Od mniej więcej 40 lat wiadomo, że odpowiedź brzmi: “o mniej więcej 3 stopnie Celsjusza, plus minus półtora stopnia”, jednak precyzja tego oszacowania pozostawia wiele do życzenia – gdybyśmy znali dokładną odpowiedź, moglibyśmy lepiej zaplanować działania zmierzające do redukcji gazów cieplarnianych, oraz adaptacji do przyszłych zmian klimatu. Jeśli mamy szczęście i czułość jest mniejsza, moglibyśmy opóźnić mitygację globalnego ocieplenia i wyemitować więcej dwutlenku węgla. Jeśli natomiast mamy pecha, a czułość klimatu leży w okolicach górnych widełek, nawet najbardziej ambitne plany mogą się okazać niewystarczające.²² Realiści w tym momencie całkiem słusznie mogą wytknąć, że obecne najbardziej ambitne plany wystarczą tylko pod warunkiem, że czułość klimatu nie jest wyższa niż 2°C na podwojenie, a w drugiej połowie XXI wieku wdrożymy na dużą skalę technologie pochłaniania CO₂ z powietrza.

Ponieważ nie możemy sobie pozwolić na przeprowadzenie eksperymentu na prawdziwej planecie, można sobie wyobrazić dwa sposoby rozwiązania tego problemu. Pierwszy polega na analizie danych paleoklimatycznych z odległej przeszłości geologicznej Ziemi, w których koncentracja CO₂ w atmosferze była wyższa (albo niższa) niż obecnie, a klimat cieplejszy (lub chłodniejszy); drugi opiera się o modelowanie klimatu i eksperymenty numeryczne. I choć obie metody prowadzą do spójnych wyników (tzn. wspomnianego zakresu 1,5-4,5 stopnia Celsjusza na podwojenie CO₂), złożoność systemu klimatycznego nie pozwoliła jak dotąd na zmniejszenie niepewności, którymi obciążone są nasze szacunki.

Podejście z perspektywy paleoklimatycznej ograniczone jest tym, że niemożliwe jest znalezienie dokładnej analogii współczesnej Ziemi (minus poziom dwutlenku węgla) w przeszłości geologicznej naszej planety: zawsze istnieć będą inne różnice (rozkład kontynentów, topografii, batymetrii, inna jasność Słońca, inna pokrywa roślinna lądów, obecność lądolodów), które utrudniają obliczenie czułości klimatu dla jednego tylko czynnika.

Skomplikowanie systemu klimatycznego utrudnia też, oczywiście, modelowanie: aby obliczyć czułość klimatu trzeba policzyć wpływ dwutlenku węgla, pary wodnej, chmur, zmiany albeda, cyrkulacji atmosferycznej i oceanicznej, reakcję ekosystemów lądowych i morskich, i jeszcze kilka innych rzeczy. Każdy z komponentów systemu klimatycznego wprowadza dodatkową niepewność, czego skutkiem jest duży rozrzut przewidywanych przez modele wartości czułości.

Różne szacunki czułości klimatycznej na podstawie badań z ostatniej dekady. Zakres 1,5-4,5°C został wyróżniony szarym kolorem. Źródło: IPCC AR5 WG1.

Perspektywy

Obecny stan badań nie wskazuje, by ten problem mógł zostać rozwiązany w ciągu najbliższej dekady: wymagałoby to przełomu w paleoklimatologii i modelowaniu, który się po prostu nie zdarzył. Najnowsza generacja modeli klimatu – która szerzej zadebiutuje w raporcie IPCC – będzie najprawdopodobniej przewidywać podobny rozrzut wartości czułości, co modele sprzed 10 czy 20 lat. Zakładając, że przyszłe superkomputery, oraz architektura globalnych modeli opartą o nowe rdzenie dynamiczne, umożliwią zejście z rozdzielczością poziomą pozwalającą na porzucenie co bardziej uciążliwych parametryzacji i symulowanie pewnych zjawisk wprost,³³ Tzn. konwekcji i chmur. można spodziewać się jakichś wyników dopiero pod koniec lat dwudziestych.

Znaczne postępy zostały natomiast poczynione w temacie tego, dlaczego tak trudno ustalić wartość czułości klimatu, i skąd biorą się różnice pomiędzy szacunkami wyliczonymi różnymi metodami. W szczególności, rozumiemy już, dlaczego jednowymiarowe modele bilansu cieplnego dawały niższe wyniki, niż te uzyskane przy pomocy bardziej skomplikowanych modeli, oraz oparte o dane paleoklimatyczne.

Literatura

National Research Council (1979): Carbon Dioxide and Climate: A Scientific Assessment, doi: 10.17226/12181. PALEOSENS (2012): Making sense of palaeoclimate sensitivity, Nature 491, 683–691, doi:10.1038/nature11574. Friedrich, et al (2016): Nonlinear climate sensitivity and its implications for future greenhouse warming, Science Advances 2, no. 11, e1501923, doi: 10.1126/sciadv.1501923. Armour (2017): Energy budget constraints on climate sensitivity in light of inconstant climate feedbacks, Nature Climate Change 7, 331–335, doi:10.1038/nclimate3278. Richardson, et al (2016): Reconciled climate response estimates from climate models and the energy budget of Earth, Nature Climate Change 6, 931–935, doi:10.1038/nclimate3066. Masters T. (2013): Observational estimate of climate sensitivity from changes in the rate of ocean heat uptake and comparison to CMIP5 models, Climate Dynamics 42, 7, 2173-2181. Forster P. M. (2016): Inference of Climate Sensitivity from Analysis of Earths Energy Budget](http://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev-earth-060614-105156), _Annual Review of Earth and Planetary Sciences_, vol. 44, 85-106. Royer D. (2016): [Climate Sensitivity in the Geologic Past](http://www.annualreviews.org/doi/10.1146/annurev-earth-100815-024150), _Annual Review of Earth and Planetary Sciences_, vol. 44, 277-293. Stevens B., et al (2016): [Prospects for narrowing bounds on Earths equilibrium climate sensitivity, _Earths Future, vol. 4, issue 11.