Jest dodatni ale wcale nas to nie cieszy – najnowsze pomiary bilansu energetycznego Ziemi

Bilans energetyczny Ziemi decyduje o panującej na jej powierzchni średniej temperaturze. jeżeli jest zerowy, temperatura się nie zmienia. jeżeli dodatni – planeta się nagrzewa. W ostatnich latach ukazało się kilka prac dotyczących satelitarnych pomiarów tego bilansu i jego zmian. Badacze wyodrębnili między innymi efekty związane ze wzrostem koncentracji gazów cieplarnianych i z następującymi po nim sprzężeniami zwrotnymi. Podstawowe terminy i wyniki badań tłumaczy dla nas Piotr Florek z brytyjskiego Met Office.

Ilustracja 1: Inżynierowie i technicy firmy TRW pracujący przy dwóch urządzeniach CERES – instrumentach do pomiarów natężenia promieniowania w zakresie widzialnym i w podczerwoni zainstalowanych na satelitach badawczych NASA i NOAA. Zdjęcie zamieszczamy dzięki uprzejmości NASA (źródło).

Bilans radiacyjny – jak go opisywać?

Dwa fundamentalne dla globalnego klimatu wskaźniki to wymuszenie radiacyjne (radiative forcing, RF) i nierównowaga energetyczna Ziemi (Earth’s Energy Imbalance, EEI). Pierwszy z nich jest teoretyczną miarą zaburzenia bilansu radiacyjnego planety, na przykład wzmocnienia efektu cieplarnianego wywołanego wzrostem poziomu dwutlenku węgla w atmosferze. Drugi określa natomiast aktualne saldo strumieni radiacyjnych na górnej granicy atmosfery.

Oba wskaźniki są ze sobą powiązane, a związek ten można w uproszczony sposób wyrazić równaniem:

EEI = RF – R (1)

w którym RF to wymuszenie radiacyjne, R to odpowiedź systemu klimatycznego na wymuszenie, a EEI to nierównowaga energetyczna, definiowana jako strumień promieniowania na górnej granicy atmosfery netto (różnica pomiędzy strumieniami skierowanymi w dół i w górę, dodatnia wartość EEI oznacza zwiększone pochłanianie energii przez planetę).

Nierównowaga pojawia się dlatego, iż Ziemia potrzebuje czasu, by rozgrzać się do temperatury, która pozwoli jej wypromieniowywać w kosmos odpowiednio dużo energii (im cieplejsze ciało, tym więcej energii wypromieniowuje – patrz Efekt cieplarniany – jak to działa). Można powiedzieć, iż „nie nadąża” za dodatnim wymuszeniem.

W dobrym przybliżeniu, odpowiedź systemu klimatycznego na wymuszanie radiacyjne opisuje się proste równanie:

R = λΔT (2),

gdzie ΔT jest anomalią temperatury względem okresu w którym wymuszanie radiacyjne było zerowe lub zaniedbywalnie małe, a współczynnik proporcjonalności λ nazywamy współczynnikiem klimatycznego sprzężenia zwrotnego.

Z równań (1) i (2) wynika

EEI = RF – λΔT (3).

Współczynnik sprzężenia zwrotnego λ pojawia się na łamach Nauki o klimacie po raz pierwszy, jednak nie jest to dla naszych czytelników zupełnie nowa wielkość. To po prostu odwrotność znanej Wam czułości klimatu:

s = 1/λ,

czyli zmiany średniej temperatury planety w odpowiedzi na określone wymuszanie radiacyjne.

Najczęściej mówimy o równowagowej czułości klimatu, czyli ociepleniu, jakie nastąpi po wzroście zawartości CO₂ w atmosferze o 100% i ponownym ustabilizowaniu się równowagi radiacyjnej planety (EEI = 0).

Jak widać, jeżeli znamy czułość klimatu, i wielkość wymuszenia radiacyjnego, możemy łatwo obliczyć jaka będzie odpowiedź klimatu na to wymuszenie, na przykład w postaci globalnego ocieplenia (po osiągnięciu równowagi EEI=0, a zatem RF = λΔT, z czego wynika iż ΔT = F/λ). Co ważne, wymuszenia radiacyjne spowodowane różnymi czynnikami można ze sobą porównywać oraz je dodawać, bo wiele zjawisk w systemie klimatycznym zachodzi tak samo niezależnie od tego, co spowodowało początkowe zaburzenie bilansu energetycznego planety (chodzi przede wszystkim o sprzężenia zwrotne, o których przeczytasz między innymi w artykułach Dlaczego klimat się zmienia, czyli o wymuszeniach i sprzężeniach, Mit: Przeciwdziałanie zmianie klimatu to nic pilnego i w podręczniku Klimatyczne ABC).

A jakie wskaźniki mierzymy?

Ilustracja 2: Wizualizacja NASA pokazująca, jak wyznacza się nierównowagę radiacyjną Ziemi. Na orbicie okołoziemskiej mamy przyrządy mierzące natężenie promieniowania słonecznego docierającego do górnych granic atmosfery (Incoming Solar Radiation). Umieszczone na wielu różnych satelitach przyrządy CERES mierzą natężenie promieniowania słonecznego rozpraszanego przez powierzchnię Ziemi i atmosferę (Reflected Solar Radiation). Odejmując te wielkości od siebie, otrzymujemy strumień promieniowania pochłanianego przez system klimatyczny (Absorbed Solar Radiation). Gdy od tej wielkości odejmiemy ilość energii wypromieniowywanej przez Ziemię w postaci promieniowania w dalekiej podczerwieni (Outgoing Longwave Radiation, również mierzone przez przyrządy CERES), dostaniemy chwilową nierównowagę radiacyjną (wypadkowy strumień promieniowania, Net Radiation). Źródło: NASA’s Scientific Visualization Studio.

Problem polega na tym, iż obserwowalnym parametrem fizycznym jest tylko EEI, czyli aktualna nierównowaga energetyczna Ziemi, którą da się

• zmierzyć z ograniczoną dokładnością metodami radiometrycznymi z satelity (patrz il. 2),
• oraz oszacować niezależnie, dzięki pomiarom tempa ocieplania się wszechoceanu i innych elementów systemu klimatycznego.

Szacunki wymuszenia radiacyjnego z konieczności muszą się zatem opierać o teorię i wyniki modelowania, dzięki którym można oszacować wkład różnych czynników na zmiany mierzonych składowych bilansu radiacyjnego, i oszacować wpływ wymuszeń i sprzężeń zwrotnych w ocieplającym się klimacie.

Wymuszenie radiacyjne na początku XXI wieku

Jedną z takich analiz, Observational Evidence of Increasing Global Radiative Forcing opublikowała międzynarodowa grupa specjalistów z tej dziedziny klimatologii (Kramer i in., 2021). Autorzy wykorzystali satelitarne pomiary radiometryczne z instrumentów AIRS i CERES (patrz il. 2), oraz technikę obliczeniową bazującą na tzw. kernelach radiacyjnych (przy użyciu modelu globalnej cyrkulacji szacuje się, jak klimat reaguje na zmiany konkretnego parametru, np. temperatury czy wilgotności). Udało im się ustalić wartości trendów promieniowania długofalowego (ziemskiego) i krótkofalowego (słonecznego) w okresie 2003-2018 i określić, w jakim stopniu odpowiadają za nie wymuszenia radiacyjne i sprzężenia zwrotne, włącznie z tzw. sprzężeniem planckowskim (związanym z prawem Plancka, czyli tym, iż cieplejsze ciało emituje więcej energii).

Głównym wynikiem było wykrycie wzrostu, w ciągu 15 lat objętych badaniem, wymuszenia radiacyjnego dla całej planety o 0,53 W/m², co jest wynikiem wzrostu koncentracji gazów cieplarnianych w atmosferze (w przypadku dwutlenku węgla – od 375 ppm w roku 2003 do 407 ppm w 2018) ale również spadkiu emisji aerozoli antropogenicznych do atmosfery.

Uzupełnieniem tych badań jest analiza z opublikowanego w 2021 roku artykułu Satellite and Ocean Data Reveal Marked Increase in Earth’s Heating Rate (Loeb i in, 2021a), w której do oszacowania nierównowagi energetycznej Ziemi EEI wykorzystano również dane satelitarne CERES ale dodatkowo także pomiary temperatur oceanów wykonane przez boje systemu Argo (patrz Jak i po co mierzymy temperaturę oceanu). Podobnie jak we wcześniej omówionym artykule, oprócz samej analizy trendów dokonano też ich podziału na części składowe, odpowiadające różnym mechanizmom systemu klimatycznego.

W całym badanym okresie (od połowy 2005 do połowy 2019 roku) średni strumień pochłanianego przez planetę ciepła wynosił ~0,77 W/m², z czego ~0,62 W/m² przypadało na górne 2 km wszechoceanu. Pomiary wskazywały też, iż nierównowaga energetyczna Ziemi rosła w czasie, w tempie około ~0,5 W/m² na dekadę. Używając alternatywnej wobec kerneli radiacyjnych metody cząstkowego zaburzenia radiacyjnego (PRP), zaproponowanej jeszcze w 1988 roku przez Richarda Wetheralda i niedawnego noblistę Syukuro Manabe (Wetherland i Manabe, 1988), naukowcom udało się oszacować wkład różnych czynników w trend EEI. Najważniejszymi były zmiany zachmurzenia i zawartości gazów cieplarnianych, a także zmiany albedo powierzchni, częściowo kompensowane wzrostem temperatury atmosfery.

Kolejnej próby oszacowania pochłaniania ciepła przez oceany podjęła się grupa francuskich i włoskich badaczy (Marti i in., 2022). Tym razem wykorzystano zjawisko rozszerzalności cieplnej wody, za pomocą którego oceany „puchną” wraz ze wzrostem temperatury, powodując wzrost poziomu morza (mierząc zmiany poziomu morza można więc określić, ile energii w nim przybyło). Oczywiście, z powodu globalnego ocieplenia i spowodowanego przez nie topnienia lodowców i lądolodów, w oceanach jest też po prostu więcej wody niż w przeszłości. Aby rozróżnić te dwa składniki, temperaturowy i masowy, naukowcy wykorzystali zarówno satelitarne pomiary poziomu morza, jak i pomiary zmian ziemskiego pola grawitacyjnego. Uzyskany wynik – średnio 0,74 W/m² w okresie 2002-2016 – jest również zgodny z wcześniej omawianymi badaniami.

Ilustracja 3: Wodowanie pływaka programu Argo – autonomicznej boi dryfującej w morzu i prowadzącej pomiary temperatury i zasolenia wody na różnych głębokościach. Źródło: Argo Program.

Czwartą opublikowaną w ostatnim czasie pracą na ten sam temat jest Anthropogenic forcing and response yield observed positive trend in Earth’s energy imbalance (Raghuraman i in., 2021). Ponownie wykorzystano pomiary instrumentów CERES, ale do powiązania trendów z poszczególnymi zjawiskami sterującym klimatem wykorzystano zupełnie inną metodę, opierającą się o analizę symulacji modeli klimatu w ramach projektu CMIP6. Oprócz zmierzonego tempa przyrostu EEI, równego w latach 2001-2020 0,38 W/m² na dekadę, naukowcy oszacowali też zakres wahań tego parametru spowodowany naturalną, wewnętrzną zmiennością klimatyczną, wynoszący 0,19 W/m² na dekadę (zakres 2σ). Oznacza to, iż z dużym prawdopodobieństwem obserwowanego przyrostu EEI nie da się wytłumaczyć naturalnymi czynnikami.

Zanim przejdziemy dalej, warto podsumować wnioski wynikające z omówionych prac. Choć w badaniach używano różnych metod i badano trochę inne rzeczy (np. Kramer i in. (2021) obliczali natychmiastowe wymuszenie radiacyjne, a Raghuraman i in. (2021) wymuszenie efektywne), zgadzają się one co do tego, iż Ziemia pochłania ciepło w coraz szybszym tempie, i iż odpowiedzialność ponoszą tutaj antropogeniczne emisje gazów cieplarnianych. Znaczące, różnice pomiędzy szacowanymi wartościami są przejawem nie tylko błędów pomiarowych (które występują zawsze) ale głównie różnej metodologii badawczej.

Nierównowaga energetyczna Ziemi rośnie

Badania zgadzają się też ze sobą w bardziej subtelnych szczegółach. Wszystkie pokazują, iż nierównowaga energetyczna Ziemi rośnie. Jednocześnie, z pomiarów CERES wynika iż strumień promieniowania długofalowego opuszczający atmosferę ziemską rośnie, bo ogrzewająca się atmosfera i powierzchnia Ziemi emituje coraz więcej energii w podczerwieni. Z drugiej strony, Ziemia pochłania też coraz więcej promieniowania krótkofalowego, tzn. słonecznego, co wynika ze zmian albedo powierzchni, zmian zachmurzenia, a także zawartości pary wodnej i antropogenicznych aerozoli.

Pokazuje to poniższa tabelka, opracowana w oparciu o pracę Kramer i in. (2021), pokazująca szacunki zmian strumieni promieniowania oparte o pomiary CERES.

Zgodnie z użytą konwencją strumień promieniowania netto jest liczony jako różnica strumienia promieniowania skierowanego w dół i w górę, zatem wartości dodatnie oznaczają zwiększenie strumienia, a ujemne — jego zmniejszenie. Jak widać, wszystkie pozycje z kolumny promieniowania krótkofalowego (SW) są dodatnie, bo zarówno wymuszenia radiacyjne, jak i sprzężenia zwrotne (albedo powierzchni, chmur, i zwiększone pochłanianie promieniowania w bliskiej podczerwieni przez parę wodną) wzmacniają globalne ocieplenie.

W kolumnie ze składowymi promieniowania długofalowego (LW) sytuacja jest bardziej skomplikowana. Wymuszenia są dodatnie, bo zwiększana przez ludzkość zawartość gazów cieplarnianych w atmosferze coraz bardziej zwiększa zwrotny strumień promieniowania długofalowego w kierunku powierzchni Ziemi (intensyfikuje efekt cieplarniany).

Po stronie sprzężeń zwrotnych, dodatnie są niektóre sprzężenia związane z chmurami, a także zwiększone pochłanianie w dalekiej podczerwieni przez parę wodną. Nie mogą się one jednak równać z silnym ujemnym sprzężeniem planckowskim. Sumarycznie trend w zakresie długofalowym jest więc bliski zeru (choć lekko ujemny, co oznacza iż Ziemia coraz efektywniej wychładza się radiacyjnie), a główną częścią składową trendu EEI jest zmiana strumienia promieniowania krótkofalowego, czyli odbitego od powierzchni Ziemi i rozproszonego w atmosferze promieniowania słonecznego, a nie długofalowego.

Zmiana strumienia promieniowania krótkofalowego została zaobserwowano również pośrednio, dzięki pomiarom światła słonecznego odbitego od Ziemi i oświetlającego Księżyc pomiędzy nowiem a pełnią. Pomiary takie wykonywało w latach 1998-2017 obserwatorium astronomiczne Big Bear w Kalifornii i wykryło spadek strumienia promieniowania odbitego od Ziemi o około 0,5 W/m² w tym okresie (Goode i in., 2022). Jest to wynik z grubsza zgodny, w granicach niepewności i uwzględniając ograniczenia zastosowanej metody, z pomiarami CERES omawianymi wcześniej, i potwierdza iż Ziemia pochłania więcej promieniowania słonecznego.

Bardziej szczegółowo przyczynom tego zjawiska przyglądano się w opublikowanej niedawno analizie danych satelitarnych z CERES oraz symulacjom modeli klimatu wykonanych w ramach projektu CMIP6 (Stephens i in., 2022). Okazuje się, iż głównymi czynnikami były zmiany zachmurzenia oraz zmniejszenie koncentracji cząsteczek aerozoli w atmosferze, wywołanej poprawą jakości powietrza przede wszystkim w Chinach, Europie i Stanach Zjednoczonych. Zmiany zawartości aerozoli atmosferycznych w ostatnich dwóch dekadach zostały potwierdzone również innymi badaniami (Quaas i in., 2022, Loeb i in., 2021b).

Zmiany w bilansie są zgodne z przewidywaniami

Powyższe wnioski zostały niewłaściwie zinterpretowane przez autorów artykułu Radiative Energy Flux Variation from 2001–2020, opublikowanego w październiku 2021 r. w czasopiśmie MDPI Atmosphere (Dübal i Vahrenholt, 2021). Podobnie jak we wcześniej omawianych pracach, wykorzystano w niej dane CERES, podobnie zauważając iż trend EEI jest wypadkową zmian promieniowania długofalowego i krótkofalowego o przeciwnych znakach, z dominującą drugą składową. Autorzy nie podjęli się jednak próby modelowania przyczyn tych zmian, ograniczając się zamiast tego do spostrzeżeń opartych o analizę samych trendów.

W związku z tym artykułem pojawiły się sugestie, iż obserwowany wzrost pochłaniania promieniowania krótkofalowego i wzrost emisji promieniowania długofalowego w kosmos jest sprzeczny z teorią antropogenicznego globalnego ocieplenia. W samej pracy wniosek ten jest wspomniany tylko mimochodem (nie ma o nim np. mowy w streszczeniu pracy), jednak autorzy nagłaśniali go w artykułach popularno-naukowych.

Jak widzieliśmy wcześniej, taka konkluzja jest nieuprawniona, a zmiany strumieni promieniowania krótkofalowego i długofalowego są zgodne z podstawami fizycznymi efektu cieplarnianego i zachowaniem chmur w systemie klimatycznym. Są też zgodne z przewidywaniami modeli klimatu, co pokazali Kevin Trenberth i John Fasullo w artykule Global warming due to increasing absorbed solar radiation opublikowanym jeszcze w 2009 roku (Trenberth i Fasullo, 2009). Praca ta oparta jest zresztą o dane pochodzące z archiwum symulacji modeli klimatu trzeciej fazy projektu CMIP, wykonanych przed rokiem 2005. Można więc argumentować, iż modele klimatu przewidywały taki efekt, na długo zanim zauważyli to klimatolodzy i zanim potwierdzono go pomiarami detektorem satelitarnym CERES.

Podsumowując, wyniki ostatnich badań to obserwacyjne potwierdzenie przewidywań teoretycznych, opartych o nasze rozumienie efektu cieplarnianego i konsekwencji wzrostu zawartości cieplarnianych w atmosferze.

Piotr Florek (Met Office Hadley Centre), konsultacja merytoryczna: dr hab. Krzysztof Markowicz