Bezkresne pustynie między Londynem a Nowym Jorkiem

Ziemia zachowuje się w trudny do przewidzenia sposób, ponieważ wszystkie istotne dla jej ewolucji czynniki wpływają na siebie nawzajem; pisałem o tym już jakiś czas temu. Opublikowany w grudniu ubiegłego roku artykuł* francuskich uczonych pokazuje, jak dziwacznych efektów można spodziewać się po tak delikatnym i subtelnie zorganizowanym układzie, jakim jest powierzchnia naszej planety, w odpowiedzi na bardzo subtelne zwiększenie intensywności promieniowania słonecznego.

Dla zrozumienia klimatu Ziemi i występujących w nim współzależności kluczowe jest pojęcie „sprzężenia”. Pojęcie to wywodzi się z cybernetyki, czyli nauki o sterowaniu maszyn, ale zrobiło karierę w wielu innych dziedzinach wiedzy. Najprostszego przykładu sprzężenia zwrotnego dostarczają urządzenia domowe, na przykład żelazko lub toster. Obecny w tych urządzeniach element grzewczy połączony jest z urządzeniem mierzącym temperaturę. Gdy tylko miernik odnotuje określoną górną temperaturę progową, wysyła informację do grzejnika, aby ten zaprzestał grzania. Gdy jednak temperatura spadnie poniżej dolnej temperatury progowej, grzejnik zostaje ponownie włączony. W wielu tosterach i żelazkach można z łatwością usłyszeć „cyknięcie” tego przełącznika. Po sprytnym dopasowaniu parametrów grzejnika i miernika uzyskuje się stabilnie działające urządzenie, utrzymujące pożądaną temperaturę.

Działanie grzejnika wpływa na stan czujnika, mówi więc się o sprzężeniu tych dwóch urządzeń. Ponieważ jednak czujnik wysyła również informację z powrotem do grzejnika, mówi się o sprzężeniu zwrotnym. Kontrolowana praca tostera wynika z faktu, że nadmierny wzrost temperatury powoduje zaprzestanie ogrzewania – jest to więc ujemne sprzężenie zwrotne. Gdyby jednak wzrost temperatury powodował wzmożenie pracy grzejnika, wystąpiłoby bardzo niebezpieczne dodatnie sprzężenie zwrotne, które z inżynierskiego punktu widzenia jest po prostu katastrofalne. Dość powiedzieć, że niekontrolowana reakcja jądrowa, która spowodowała w 1986 roku katastrofę w Czarnobylu, była właśnie podręcznikowym przykładem dodatniego sprzężenia zwrotnego.

Z cybernetycznego punktu widzenia klimat Ziemi to bardzo złożona plątanina nie do końca zrozumiałych dodatnich i ujemnych sprzężeń zwrotnych. Prosty przykład: wzrost temperatury Ziemi powoduje topnienie lodowców. Mniejsza pokrywa lodowa oznacza więc, że Ziemia widziana  z Kosmosu jest odrobinę ciemniejsza, pochłania więc większą część padającego na nią promieniowania. Powoduje to dalszy wzrost temperatury – co stanowi klasyczne dodatnie sprzężenie zwrotne (wzrost temperatury powoduje wzrost temperatury). To jednak nie koniec. Wzrost temperatury powoduje też intensywniejsze parowanie wody, co oznacza większą ilość chmur. Chmury są jaśniejsze od oceanu i większości powierzchni lądów, tak więc silniej zachmurzona powierzchnia Ziemi robi się statystycznie jaśniejsza… co oznacza pochłanianie mniejszej części światła słonecznego, a więc mniej intensywne nagrzewanie się. Krótko mówiąc: ujemne sprzężenie zwrotne. Pytanie za milion dolarów brzmi więc: który efekt przeważy? A może wystąpi inne, trzecie zjawisko, które „unieważnia” dwa poprzednie?

Autorzy cytowanej wyżej pracy twierdzą, że podniesienie obecnej wartości tzw. stałej słonecznej – ilości energii słonecznej przypadającej na 1 metr kwadratowy powierzchni Ziemi „wystawionej do Słońca”, czyli ok. 1362 W/m² – o zaledwie 2,6% miałoby katastrofalne skutki. Stopniowe narastanie temperatury ze względu na opisane już wyżej dodatnie sprzężenie zwrotne związane z topnieniem lodowców doprowadziłoby do lokalnego rozgrzania lądów na Ziemi do ponad 100ºC (Oceany pozostałyby relatywnie chłodne).

Ziemia wysuszona na wiór. Rysunek własny na podstawie ilustracji dostępnej na licencji Creative Commons: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Atlantic_Ocean_surface.jpg.

Dalsze podnoszenie ilości światła słonecznego doprowadziłoby jednak do „uruchomienia” kolejnego dodatniego sprzężenia zwrotnego. Para wodna jest obecnie – mimo dużej „reklamy”, jaką cieszy się dwutlenek węgla – głównym gazem cieplarnianym na Ziemi, a skuteczność, z jaką podwyższa temperaturę na powierzchni naszej planety, można łatwo zwiększyć poprzez silniejsze parowanie oceanów. Nie ma zaś na to łatwiejszego przepisu niż… zwiększenie temperatury. Autorzy cytowanej pracy twierdzą, że ten proces jest już nie do zatrzymania, co ładnie wyraża angielskie określenie „runaway”, czyli „niekontrolowany”, „ucieczkowy”. Stąd runaway greenhouse effect, czyli „niekontrolowany efekt cieplarniany”.

Scenariusz jest następujący: wzrost stężenia pary wodnej w atmosferze powoduje „uwięzienie” większej ilości ciepła, co powoduje silniejsze parowanie oceanów i tym samym wzrost stężenia pary wodnej w atmosferze… Ponieważ górna granica atmosfery ziemskiej nie jest całkowicie szczelna (pewna ilość atomów zawsze ucieka do przestrzeni międzyplanetarnej), proces ten prowadzi do całkowitego wyparowania i zniknięcia z powierzchni Ziemi wody we wszelkiej postaci.

Autorów pracy zainteresowały głównie aspekty kosmiczne, a nie klimatologiczne, uzyskanych wyników, zostawmy więc na boku nasuwające się pytania związane z samą „jakością” tego modelu. Przy poszukiwaniu „interesujących” planet pozaziemskich używa się często określenia „ekosfera” lub „strefa zamieszkiwalna” (habitable zone), którą definiuje się jako taki przedział odległości od gwiazdy macierzystej, w których planeta o składzie podobnym do Ziemi może posiadać na powierzchni wodę w stanie płynnym. Opisany wyżej efekt oznacza zaś, że w przypadku naszego Słońca wewnętrzna granica tej strefy leży tuż-tuż – jeżeli rzeczywiście podniesienie stałej słonecznej o zaledwie kilka procent może spowodować wyparowanie ziemskiej hydrosfery, planety leżące o te same kilka procent bliżej Słońca musiałyby być suche jak pieprz. Wydaje się to odsyłać nas do klasycznych rozważań na temat „wyjątkowości Ziemi” i szczęścia, jakie w skali kosmicznej nas spotkało – gdyby tylko orbita Ziemi była o parę procent „ciaśniejsza”, nasza planeta znalazłaby się poza „strefą zamieszkiwalną”, przez co nie byłoby też tu nas samych, aby w ogóle rozważać to pytanie. Myślenie tego typu prowadzi do tzw. zasady antropicznej.

Wszystkie te rozważania są jednak grubymi nićmi szyte. Z perspektywy tego artykułu warto zwłaszcza zauważyć, że bezmiar możliwych do wyobrażenia sobie zjawisk przyrodniczych oraz występujących między nimi sprzężeń zwrotnych może praktycznie dowolnie poszerzyć „strefę zamieszkiwalną”, o ile zjawiska te działają „w odpowiednią stronę”. Warto pamiętać choćby o tym, że gdyby nie efekt cieplarniany wywierany przez obecne w naszej atmosferze gazy (głównie para wodna i dwutlenek węgla), średnia temperatura powierzchni na naszej planecie wynosiłaby… ok. -18ºC.

Wielki naukowy wizjoner XX wieku, James Lovelock, w oparciu o tego typu wyniki rozwinął słynną koncepcję, zgodnie z którą cała nasza planeta powinna być traktowana jako żywy organizm – Gaja – który kontroluje działające w jego ramach sprzężenia zwrotne. Przecież nasz własny organizm potrafi doskonale reagować na zmianę temperatury otoczenia, utrzymując ciało w bezpiecznych okolicach 37ºC: od pocenia się i gęsiej skórki, przez picie wody i gorącego kakao, aż po konstruowanie lodówek i klimatyzacji oraz piekarników i piecyków. Idea, że Ziemia reaguje na zmiany temperatury równie sprytnie – lub sprytniej! – to piękna, głęboka, pobudzająca i wciąż „obecna na rynku” idea. Jeżeli zaś życie pozaziemskie jest choć trochę podobne do ziemskiego, można spodziewać się po nim zapierającej dech w piersiach pomysłowości.

Łukasz Lamża

* J. Leconte i in.: Increased insolation threshold for runaway greenhouse processes on Earth-like planets; Nature 12.12.2013, str. 268-271