Postępujące ocieplenie klimatu Ziemi. Wpływ działalności człowieka

Postępujące ocieplenie klimatu Ziemi. Wpływ działalności człowieka

Dzięki istnieniu atmosfery i efektowi cieplarnianemu możliwe jest życie na Ziemi. Średnia temperatura powierzchni Ziemi (i powietrza) wynosi ok. 15°C, a bez atmosfery wynosiłaby −18°C. Naturalny efekt cieplarniany powoduje, iż Ziemia jest o 33°C cieplejsza.

Niektóre gazy śladowe, takie jak para wodna (H₂O), dwutlenek węgla (CO₂), metan (CH₄), freony (CFC), podtlenek azotu (N₂O), ozon (O₃) i inne są dość przezroczyste dla krótkofalowego promieniowania słonecznego (o długości fali < 4 µm). Efektem tej różnicy promieniowania jest dodatnie saldo energii słonecznej w układzie Ziemia–atmosfera, tzw. efekt cieplarniany.

Ozon i podtlenek azotu pochłaniają również niektóre pasma promieniowania krótkofalowego Słońca.

Problem polega na intensyfikacji efektu cieplarnianego w wyniku dodatkowej emisji tych gazów do atmosfery, na systematycznym wzroście ich koncentracji, głównie CO₂ i CH₄, wywołanym działalnością człowieka. Spalając 1 tonę węgla C₁₂ wprowadza się do atmosfery 3,7 ton CO₂. Łączna emisja CO₂ ze spalenia 8 Gt węgla C₁₄ (IPCC, 1992), wraz ze spalaniem drewna w 1991 wynosiła 29 Gt (mld ton). Emisja roczna metanu, drugiego ważnego gazu cieplarnianego wynosi około 300 Mt (mln ton). Co interesujące w 2020 roku pandemia Covid-19 doprowadziła do zmniejszenia zapotrzebowania na energię, co wiązało się ze zmniejszeniem emisji CO₂ o 5,2%. Jednak w 2021 roku nastąpiło ożywienie gospodarcze, a globalne emisje dwutlenku węgla związane z sektorem energetyki wzrosły o 6% do 36,3 mld ton. W tym samym roku węgiel odpowiadał za ponad 40% ogólnego wzrostu światowych emisji CO₂. Dla porównania spalanie gazu ziemnego spowodowało uwolnienie do atmosfery 7,5 mld ton CO₂, a ropy naftowej 10,7 mld ton. Warto przy tym zauważyć, iż Chiny generują aż 29% Gt CO₂, Stany Zjednoczone 15%, Unia Europejska 10% a Indie 7%.

Udział gazów śladowych w naturalnym efekcie cieplarnianym atmosfery wynoszącym +33°, tj. przyrost temperatury wynikający z obecności poszczególnych gazów cieplarnianych jest następujący:

Koncentrację CO₂ sprzed rozwoju przemysłu (przedindustrialną) równą 280 ppm (1 ppm — milionowa część objętości, 1 Gt CO₂ to 0,13 ppm) traktuje się na ogół jako obecny naturalny dwutlenek węgla w atmosferze. Od 1750 roku stężenie tego gazu wzrosło w atmosferze o blisko 50%. Różnicę między dzisiejszą koncentracją CO₂ w atmosferze (415 ppm) i z czasów przedindustrialnych (280 ppm) przypisuje się działalności człowieka.

Naturalnym zbiornikiem węgla, regulującym zawartość CO₂ w atmosferze są oceany stanowiące 70% powierzchni Ziemi. Pochłanianie CO₂ przez wody chłodniejsze (o większej zawartości biomasy) jest większe niż przez wody cieplejsze. Gdy w atmosferze znajduje się więcej CO₂, to oceany wchłaniają go więcej, ze względu na większą różnicę ciśnienia tego gazu między atmosferą i powierzchnią oceanów. Część dwutlenku węgla akumulowana jest w osadach morskich w postaci węglanów wapnia CaCO₃. Na przykład w równikowej strefie Pacyfiku stężenie CO₂ w atmosferze wzrastało o 2,12 ppm/rok podczas ciepłej fazy El Niño, a o 0,76 ppm/rok w czasie fazy chłodnej. Pojemność pochłaniania wód oceanicznych jest olbrzymia, a zasoby wapnia są wystarczające do związania wszystkich światowych zasobów C₁₂.

Drugim ważnym regulatorem zawartości CO₂ w atmosferze jest biomasa kontynentów, głównie lasy. Fotosynteza, czyli proces wytwarzania związków organicznych z dwutlenku węgla i wody przy udziale energii świetlnej wiąże około 10 Gt CO₂ na rok. Krzywa zmian koncentracji CO₂ w atmosferze w latach 1958–1984 wykazuje trzy głębokie minima przypadające na daty spokojnego Słońca (daty minimów plam słonecznych). Są to zapewne wahania wywołane pochłanianiem CO₂ przez oceany, zgodnie z rytmem zmian temperatury wód oceanów.

Ocieplenia i ochłodzenia klimatu odpowiadają wzrostom i spadkom zmierzonej masy CO₂ w atmosferze (wyrażonymi w jednostkach ppm), a nie wzrostowi i spadkowi CO₂ (wyrażonymi w Gt), pochodzącymi ze spalania paliw. Świadczą o tym krzywe zmian stężenia dwutlenku węgla i paleotemperatury w ciągu ostatnich 160 000 lat, odtworzone na podstawie badań rdzeni lodowych na stacji Wostok na Antarktydzie. Podczas globalnego ocieplenia klimatu 120 000 lat temu wystąpił bardzo duży wzrost koncentracji CO₂ w atmosferze, podobnie jak obecnie. Zmiany stężenia CO₂ w atmosferze (w ppm) i paleotemperatury (w °C) są synchroniczne. Maksimum sprzed 125 000 lat to naturalne ocieplenie klimatu Ziemi spowodowane wzrostem promieniowania słonecznego. Jest to maksimum promieniowania wg krzywej Milankovicia, otrzymanej z nakładania się okresów zmian kształtu orbity Ziemi. Tak więc „równoległość” zmian stężenia CO₂ i paleotemperatury wspiera raczej tezę, że zawartość dwutlenku węgla w atmosferze jest kształtowana przez temperaturę wód oceanów.

Istotną rolę w kształtowaniu klimatu odgrywają procesy fizyczne towarzyszące efektowi cieplarnianemu (tzw. sprzężenia zwrotne). Niektóre z nich intensyfikują lub osłabiają efekt cieplarniany. Ze wzrostem temperatury wzrasta parowanie wód oceanów, a więc zawartość pary wodnej w atmosferze, która jest głównym śladowym gazem cieplarnianym. Podczas ocieplania maleją powierzchnie śniegów i lodów (o dużym albedo), powodując wzrost energii słonecznej pochłoniętej przez powierzchnię Ziemi. Natomiast wraz ze wzrostem temperatury (i parowania) wzrasta zachmurzenie, ograniczając dopływ promieniowania słonecznego do powierzchni Ziemi, co powoduje osłabienie efektu cieplarnianego.

Efekt cieplarniany jest również osłabiany przez pyły emitowane do atmosfery, które pochłaniają i rozpraszają promieniowanie słoneczne, zmniejszając jego dopływ do powierzchni Ziemi. Efekt ten jest również osłabiany przez aerozole siarczanowe powstałe z dwutlenku siarki (SO₂) i innych związków siarki emitowanych przez różnego rodzaju kominy fabryczne.

Jerzy Boryczka, Maria Stopa-Boryczka

Aktualizacja: Maciej Żołnierczuk. Stan na 2022 r.

Bibliografia

A. Berger, Milankovitch theory and climate, Reviews of Geophysics, 26, 1988.

J. Boryczka, M. Stopa-Boryczka, B. Kicińska, E. Żmudzka, Atlas współzależności parametrów meteorologicznych i geograficznych w Polsce, cz. VII: Zmiany wiekowe klimatu Polski, Warszawa 1992.

J. Boryczka, M. Stopa-Boryczka, E. Błażek, J. Skrzypczuk, Atlas współzależności parametrów meteorologicznych i geograficznych w Polsce, cz. X: Cykliczne zmiany aktywności Słońca i cyrkulacji atmosferycznej w Europie, Warszawa 1997.

J. Boryczka, Zmiany klimatu Ziemi, Warszawa 1998.

J. Boryczka, M. Stopa-Boryczka, E. Błażek, J. Skrzypczuk, Atlas współzależności parametrów meteorologicznych i geograficznych w Polsce, cz. XI: Tendencje wiekowe klimatu miast w Europie, Warszawa 1998.

J. Boryczka, M. Stopa-Boryczka, E. Błażek, J. Skrzypczuk, Atlas współzależności parametrów meteorologicznych i geograficznych w Polsce, cz. XII: Ochłodzenia i ocieplenia klimatu miast w Europie, Warszawa 1999.

J. Boryczka, M. Stopa-Boryczka, E. Błażek, J. Skrzypczuk, Atlas współzależności parametrów meteorologicznych i geograficznych w Polsce, cz. XIV: Prognoza zmian klimatu Warszawy w XXI wieku, Warszawa 2000.

M. I. Budyko, Klimat i życie, Warszawa 1975.

B. Haurwitz, Relation between solar activity and the lower atmosphere, Transactions, American Geophysical Union, 27, 1946.

S.J. Johnsen, W. Dansgaard, H.B. Clausen, C.C. Langway, Jr., Climatic oscillations 1200-2000 A.D., Nature 227, 1970.

N.N. Kimbal, Volcanic eruption and solar radiation intensities, Monthly Weather Review, vol.46, No 8, 1918.

K.J. Kondratiew, G.A. Nikolski, Solar radiation and solar activity, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, No 96, 1997.

K. Kożuchowski, J. Boryczka, Cykliczne wahania i trendy czasowe zmian poziomu morza w Świnoujściu (1811–1990), Przegląd Geofizyczny, 32, z.1, 1997.

H.H. Lamb, Volcanic dust in the atmosphere; with a chronology and assessment of its meteorological significance. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series A, 266, 1970.

M. Milanković, Matematiczeskaja klimatologija i astronomiczeskaja tieorija kolebanij klimata, ONTU, Moskwa 1938.

C.I. Sawinow, Najbolszije wielicziny naprażenija sołniecznoj radiacji po nabludieniam w Pawłowske, Izb. AN, ser.6, t.8, No 12, 1913.

Ch.-D. Schönwiese, Klimat i człowiek, Warszawa 1997.

The atmosphere of the planet Earth, 1990, WMO, No 735.

Hasło zaktualizowano (stan na 2022 r.) korzystając z:

https://www.iea.org/reports/global-energy-review-co2-emissions-in-2021-2