Algorytmy w służbie klimatu - ebook

PRZEDMOWA

Nie ma wątpliwości, że skład atmosfery i klimat Ziemi uległy zmianie od czasu rewolucji przemysłowej, a główną tego przyczyną jest działalność człowieka. W stosunku do czasów przedindustrialnych stężenie dwutlenku węgla w atmosferze wzrosło o ponad 40%, głównie w wyniku spalania paliw kopalnych w celu wytwarzania energii. Średnia globalna temperatura przy powierzchni, która była stosunkowo stabilna przez 1000 lat, od czasów przedindustrialnych wzrosła już o około 1°C. Jeśli te działania związane z wytwarzaniem energii nie ulegną znacznej zmianie, trend ten będzie nieuchronnie kontynuowany. Przewiduje się, że w XXI wieku globalna średnia temperatura wzrośnie o dodatkowe 2–3°C, przy czym obszary lądowe ocieplą się znacznie bardziej niż oceany, a Arktyka znacznie bardziej niż tropiki.

Na kontynentach prawdopodobnie zmieni się również dostępność wody. W regionach już w nią bogatych prawdopodobnie wody będzie więcej, co zwiększy jej tempo przepływu w rzekach oraz częstotliwość powodzi. Natomiast w subtropikach i innych ubogich w wodę regionach, które już obecnie są stosunkowo suche, zwiększy się niedobór wody i częściej będą występować susze. Obserwacje sugerują, że częstotliwość zarówno powodzi, jak i susz rośnie. O ile nie zostanie osiągnięta radykalna redukcja emisji gazów cieplarnianych, globalne ocieplenie prawdopodobnie wywrze dalekosiężny wpływ na społeczeństwo ludzkie i ekosystemy naszej planety do końca obecnego wieku i przez wiele nadchodzących stuleci.

Modele klimatyczne są najpotężniejszymi narzędziami do przewidywania globalnego ocieplenia wywołanego przez człowieka. Opierają się na prawach fizyki i wyewoluowały z modeli używanych do numerycznego przewidywania pogody. Wykorzystując ogromne zasoby obliczeniowe jednych z najpotężniejszych superkomputerów na świecie, użyto modeli klimatycznych do prognozowania przyszłych zmian klimatu i ich skutków, co dostarczyło cennych informacji decydentom politycznym. Modele klimatyczne są przydatne nie tylko do przewidywania zmian klimatycznych, ale także do ich zrozumienia. Służąc jako „wirtualne laboratoria” sprzężonego systemu atmosfera-ocean-ląd, mogą być wykorzystywane do przeprowadzania kontrolowanych eksperymentów, które okazały się bardzo skuteczne w systematycznym wyjaśnianiu mechanizmów fizycznych związanych ze zmianą klimatu.

Tytuł tej książki, _Algorytmy w_ __ _służbie klimatu, czyli sekrety globalnego ocieplenia_, odzwierciedla nasze silne przekonanie, że największą wartością modeli klimatycznych jest to, że możemy je wykorzystywać do przewidywania zmian klimatu, ale także do głębszego zrozumienia działania systemu składającego się na klimat. Książka ta przedstawia historię wykorzystania modeli w badaniach zmian klimatu, zaczynając od pionierskich badań przeprowadzonych ponad 100 lat temu przez Arrheniusa. Bazując na analizie wielu eksperymentów numerycznych przeprowadzonych na hierarchii modeli klimatycznych o coraz większej złożoności, postaramy się wyjaśnić podstawowe procesy fizyczne, które powodują nie tylko globalne ocieplenie, a także miały wpływ na zmiany klimatu w przeszłości geologicznej. Nie chcemy jednak przedstawiać pełnej analizy literatury na temat dynamiki i zmian klimatycznych, lecz skupić się na badaniach, w których Manabe był uczestnikiem, i tych, które wpłynęły na jego myślenie. Zamierzamy opisać podróż naukową, która pozwoliła mu lepiej zrozumieć procesy leżące u podstaw zmian klimatycznych. W części tej podróży towarzyszył mu Broccoli, który również był zainspirowany badaniami opisanymi w tej książce i czerpał z nich informacje.

Niniejsza publikacja została opracowana na podstawie notatek z wykładów, które Manabe prowadził w ramach programu studiów magisterskich dotyczącego nauk o atmosferze i oceanach (Atmospheric and Oceanic Sciences Program) na Uniwersytecie Princeton. Książka może być przydatna jako podręcznik na studiach magisterskich i zaawansowanych licencjackich z zakresu dynamiki klimatu i zmian klimatycznych, ale także innych dyscyplin, które dotyczą środowiska, ekologii, energii, zasobów wodnych i rolnictwa. Ale przede wszystkim mamy nadzieję, że ta książka będzie służyć tym, którzy są ciekawi, jak i dlaczego klimat zmienił się w przeszłości i jak będzie się ewoluował w przyszłości.PODZIĘKOWANIA

Tę książkę chcemy zadedykować Josephowi Smagorinsky’emu, nieżyjącemu już dyrektorowi i założycielowi Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL) w amerykańskiej instytucji rządowej National Oceanic and Atmospheric Administration, w której przeprowadziliśmy prawie wszystkie nasze badania w niej wymienione. Jego doskonałe kierowanie, inspiracja i wpływ zawodowy umożliwiły nam skonstruowanie modeli klimatycznych i przeprowadzenie niezliczonych eksperymentów numerycznych, które badały fizyczne mechanizmy przeszłych, obecnych i przyszłych zmian klimatu.

Dziękujemy Kirkowi Bryanowi, który był pionierem w rozwoju ogólnych modeli cyrkulacji w oceanach. Współpraca z nim nad opracowaniem sprzężonego modelu ocean-atmosfera i zbadanie roli oceanów w zmianach klimatu były wielkim przywilejem i przyjemnością.

Publikacja tej książki nie byłaby możliwa bez zachęty i pełnego wsparcia obecnego dyrektora GFDL, dr. V. Ramaswamy, i byłego dyrektora Atmospheric and Oceanic Sciences Program na Uniwersytecie Princeton, profesora Jorge Sarmiento, którzy hojnie udostępnili zasoby swoich instytucji dla tego przedsięwzięcia.

Dziękujemy Dennisowi Hartmanowi, Matthew Huberowi i Raymondowi Pierrehubertowi, którzy przeczytali wstępną wersję tej książki i dostarczyli komentarze, które pomogły nam ulepszyć rękopis. Jesteśmy również wdzięczni za wysiłki pracowników Princeton University Press, którzy pracowali z nami nad doprowadzeniem tego projektu do końca.

Na koniec dziękujemy naszym żonom i partnerkom życiowym, Nobuko Manabe i Carol Broccoli, za ich niesłabnącą motywację podczas przygotowywania tej książki. Nie moglibyśmy jej ukończyć bez ich cierpliwego i niezachwianego wsparcia.1

WPROWADZENIE

Globalna temperatura przy powierzchni wzrasta stopniowo od przełomu XIX i XX wieku. Widać to na rysunku 1.1, który pokazuje szereg czasowy anomalii globalnej średniej temperatury przy powierzchni (w stosunku do linii bazowej z lat 1961–90) od połowy XIX wieku. Chociaż temperatura wahała się w skali lat, dziesięcioleci i okresów dłuższych niż dziesięciolecia, to w ciągu ostatnich 100 lat rosła stopniowo, a w ostatnich kilkudziesięciu latach nastąpił dość duży skok. Przed drugą połową XIX wieku podejmowano wiele prób rekonstrukcji wielkoskalowych trendów temperatury przy powierzchni ziemi na podstawie naturalnych archiwów danych związanych z klimatem, w tym przy użyciu zestawów ponad tysięcy zbiorów danych dotyczących słojów drzew, rdzeni lodowców, koralowców, osadów i innych danych pochodzących z oceanów i lądów na całym świecie (Jansen i in., 2007). Rysunek 1.2 przedstawia jeden z przykładów takich wysiłków – szeregi czasowe średniej temperatury przy powierzchni półkuli północnej zrekonstruowane przez Manna i in. (2008, 2009) dla ostatniego półtora tysiąca lat. Według tej rekonstrukcji temperatura przy powierzchni była stosunkowo niska między latami 1450 i 1700 (tzw. mała epoka lodowcowa), ale stosunkowo wysoka przed rokiem 1100, podczas średniowiecznego optimum klimatycznego. Wyniki te sugerują jednak, że w skali co najmniej ostatnich 1500 lat ocieplenie występujące w minionym półwieczu jest dość niezwykłe.

RYSUNEK 1.1 Roczne globalne anomalie średniej temperatury przy powierzchni (w stosunku do średniej z okresu odniesienia, czyli lat 1961–90) na podstawie najnowszych wersji trzech połączonych zbiorów danych dotyczących temperatury powietrza nad powierzchniami lądów (LSAT) i temperatury nad powierzchniami mórz (SST) (HadCRUT4, GISS, i NCDC MLOST). Trzy instytucje oznaczone akronimami – patrz Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu (IPCC) (2013a). Na podstawie Hartmanna i in. (2013).

RYSUNEK 1.2 Szeregi czasowe średniej temperatury przy powierzchni na półkuli północnej. Cienka linia przedstawia przebieg zmienności dziesięcioletniej anomalii temperatury przy powierzchni (°C) w okresie ostatnich 1500 lat, uśrednionej dla całej półkuli północnej. Anomalie zostały zdefiniowane w stosunku do średniej z okresu odniesienia, czyli lat 1961–1990; cieniowanie wskazuje poziom ufności 95%. Dla ostatniego okresu, za pomocą grubszej linii, przedstawiono anomalie uzyskane przez pomiary z użyciem termometrów. Na podstawie Manna i in. (2008, 2009).

Jak stwierdzono w _Piątym raporcie IPCC_ (IPCC, 2013b), „jest niezwykle prawdopodobne, że wpływ człowieka był dominującą przyczyną ocieplenia postępującego od połowy XX wieku” (17). W dalszej części raportu stwierdza się, że większość zaobserwowanego ocieplenia można przypisać antropogenicznemu wzrostowi stężeń gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla, metan i podtlenek azotu. Zgodnie z rysunkiem 1.3, który pokazuje czasową zmienność stężenia dwutlenku węgla (CO₂) w ciągu ostatnich 1200 lat, poziom atmosferycznego CO₂ wahał się w okolicach 280 ppmv (części na milion, objętościowo) przy końcu XVIII wieku, a potem zaczął stopniowo rosnąć. Ten wzrost przyspieszył w XX wieku, kiedy również wzrosła temperatura, co pokazano na rysunku 1.1. W tym samym okresie w podobny sposób również wzrosło stężenie innych gazów cieplarnianych, takich jak metan i podtlenek azotu. Chociaż gazy cieplarniane są pomniejszymi składnikami atmosfery (tabela 1.1), silnie pochłaniają i emitują promieniowanie podczerwone, wywołując tak zwany „efekt cieplarniany”, który pomaga utrzymać na powierzchni Ziemi ciepły i zdatny do zamieszkania klimat.

RYSUNEK 1.3 Przebieg zmienności stężenia CO₂ w powietrzu w okresie ostatnich 1100 lat, na podstawie danych uzyskanych z rdzeni lodowych pochodzących z Antarktyki (D57, D47, Siple, Biegun Południowy) oraz (od 1958 r.) ze stanowiska pomiarowego Manna Loa. Te pierwsze opierają się na analizie pęcherzyków powietrza w pokrywie lodowej Antarktyki, a te ostatnie – na obserwacji z użyciem instrumentów pomiarowych. Gładka krzywa jest oparta na 100-letniej średniej kroczącej. Na podstawie Schimela i in. (1995).

W pozostałej części tego rozdziału opiszemy mechanizm, za pomocą którego gazy te wpływają na temperaturę przy powierzchni Ziemi, modyfikując unoszący się w górę strumień emitowanego przez nią promieniowania podczerwonego. Następnie omówimy, w jaki sposób efekt cieplarniany potęguje się wraz ze wzrostem stężenia tych gazów, ocieplając nie tylko powierzchnię Ziemi, ale także całą troposferę z powodu transportu ciepła w górę przez zjawiska turbulencji i konwekcji.

TABELA 1.1. Skład powietrza.

+--------------------------------------+--------------------------------------+
| Składnik | W przybliżeniu % wagowo |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| Azot (N₂) | 75,3 |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| Tlen (O₂) | 23,1 |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| Argon (Ar) | 1,3 |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| Para wodna (H₂O)* | ~0,25 |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| Dwutlenek węgla (CO₂)* | 0,046 |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| Tlenek węgla (CO) | ~1 × 10−5 |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| Neon (Ne) | 1,25 × 10−3 |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| Hel (On) | 7,2 × 10−5 |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| Metan (CH₄)* | 7,3 × 10−5 |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| Krypton (Kr) | 3,3 × 10−4 |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| Podtlenek azotu (N₂O)* | 7,6 × 10−5 |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| Wodór (H₂) | 3,5 × 10−6 |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| Ozon (O₃)* | ~3 × 10−6 |
+--------------------------------------+--------------------------------------+

* gazy cieplarniane