Globalne ocieplenie, modele klimatyczne i kolor chmur w pliocenie

Po pierwsze, z naszego codziennego doświadczenia doskonale wiemy, że przewidywanie pogody jest praktycznie niemożliwe. Tym trudniej jest nam uwierzyć klimatologom, że są w stanie przewidzieć, jaka będzie pogoda za 50 lat (albo jaka była 5 milionów lat temu), skoro nie mogą nam powiedzieć, czy w przyszły weekend będzie deszcz. Trzeba jednak uczciwie przyznać, że w odpowiednio dużej skali pogoda wydaje się zachowywać znacznie bardziej regularnie niż w skali dni. Przykładowo, długofalowy związek między stężeniem dwutlenku węgla (CO₂) a temperaturą jest ewidentny (Rys. 1). Nie da się jednak zaprzeczyć, że trudno jest wyzbyć się ziarna nieufności wobec nauki, która w skali czasowej, w której każdy może ją zweryfikować, posiada bardzo kiepską zdolność przewidywania („moc predykcyjną”), a wypowiada się na temat tego, co dzieje się w skali setek, tysięcy i milionów lat.

Rys. 1. Porównanie stężenia CO₂ i temperatury (średniej temperatury powierzchni Ziemi wyrażonej jako różnica względem temperatury obecnej). Źródło: Wikipedia.

Drugi problem to kwestia metody, co oczywiście wiąże się z pierwszym. Dlaczego właściwie klimatolodzy nie potrafią jednoznacznie przewidywać pogody? Cóż, sprzężony układ atmosfery, hydrosfery, biosfery i litosfery jest po prostu nieprawdopodobnie złożony. Każdy wyobrażalny i niewyobrażalny proces naturalny może wpływać na wszystkie pozostałe na potencjalnie niemożliwy do przewidzenia sposób. Ponieważ zaś modele klimatyczne mogą zawierać wyłącznie skończoną liczbę elementów, tylko od decyzji określonego naukowca lub grupy badawczej zależy, jakie składniki porządku naturalnego zostaną uwzględnione w danym przypadku. Cytowany wyżej artykuł doskonale ilustruje ten mechanizm – przyjrzyjmy więc mu się bliżej.

Autorzy zastanawiają się, jakie były przyczyny charakterystycznego stanu klimatu Ziemi ok. 4-5 milionów lat temu. W artykule rozważane są w szczególności 3 cechy tegoż klimatu:

• wysoka oraz stabilna średnia temperatura powierzchni Ziemi;
• niewielki strefowy (czyli wzdłuż kierunku wschód-zachód) gradient temperatury oceanu;
• niewielki południkowy gradient temperatury oceanu.

Po poddaniu krytyce opublikowanych wcześniej modeli klimatycznych (niezbędny element każdego porządnego artykułu naukowego!) autorzy testują kilka możliwych mechanizmów przyrodniczych, które mogą tłumaczyć plioceński klimat, które – ich zdaniem – nie zostały dotychczas odpowiednio uwzględnione w modelach. Już sama lista tych mechanizmów wiele mówi o ciężkiej pracy klimatologa. Oto one:

• zwiększone stężenie CO₂;
• większy przepływ wody oceanicznej przez Archipelag Malajski;
• otwarcie Przesmyku Panamskiego;
• zwiększone mieszanie warstw wody oceanicznej;
• niższe albedo chmur(albedo to miara jasności powierzchni; ściślej: stosunek ilości promieniowania odbitego do padającego – czysty śnieg ma albedo 0,9; świeży asfalt: 0,04.)

Mechanizmy czysto atmosferyczne przemieszane są tu z geologicznymi i oceanograficznymi – a to tylko skromna próbka tego, co dostępne jest klimatologowi przy budowaniu modeli. Ponieważ to właśnie dwa ostatnie czynniki zostały uznane za decydujące, warto jest przyjrzeć się im odrobinę bliżej.

Zwiększone mieszanie warstw wody oceanicznej miałoby być spowodowane przez większą częstość i intensywność cyklonów tropikalnych, wynikającą z kolei z podwyższonej średniej temperatury oceanu i atmosfery. Lepiej wymieszane wody oceaniczne oznaczają zaś brak „zimnego języka” wody oceanicznej u zachodnich wybrzeży Ameryki Południowej i Afryki, charakterystycznego dla obecnej konfiguracji przepływów oceanicznych i podwyższającego średni południkowy gradient temperatur, odpowiednio, Oceanu Spokojnego i Atlantyckiego. Uff…

Niższe albedo chmur oznacza w tym kontekście jedną z dwóch rzeczy. Jeśli na jakimś obszarze jest po prostu mniej chmur, powierzchnia Ziemi widziana z Kosmosu robi się odpowiednio ciemniejsza (w ogólności chmury są jaśniejsze od znajdującego się pod nimi lądu lub oceanu). Z drugiej strony, ilość chmur może pozostać stała, jednak zmianie może ulec ich kolor, np. ze względu na obecność w nich pyłu, odmienny skład „zawieszonych” w powietrzu aerozoli itp. Tak czy inaczej niższe albedo powierzchni Ziemi oznacza pochłanianie większej ilości ciepła, co wpływa oczywiście na globalny bilans termiczny.

Koszmar, prawda? Przecież każdy z tych pobieżnie wspomnianych elementów domaga się własnego szczegółowego wyjaśnienia i odsyła nas ponownie do całości wiedzy o przyrodzie, w tym również i do elementów dopiero co wspomnianych! Weźmy pod uwagę ciemniejszy odcień chmur wynikający z obecności w nich większej ilości pyłów:

Rys. 2. Chmura pyłu nad Oceanem Atlantyckim. Źródło: Wikipedia.

Żeby przewidzieć, ile pyłu trafiało do chmur 5 milionów lat temu, trzeba założyć między innymi określony rozkład geograficzny pustyń i terenów pokrytych roślinnością. To zaś wynika ze średniej temperatury powietrza, układu i wilgotności wiatrów i wielu innych czynników, wynikających z kolei między innymi z… ilości pyłu w chmurach.

Nie da się obliczyć wszystkiego – tym bardziej w pojedynkę. Klimatolodzy posługują się więc jawnymi, rozwijanymi przez setki badaczy pakietami modeli o ustalonym zestawie parametrów. Autorzy cytowanej pracy posiłkowali się popularnym modelem CESM (Community Earth Model System), za pomocą którego symulowali okres 500 lat, obliczając wartości wszystkich parametrów na powierzchni całej Ziemi (podzielonej na kwadraty o boku 1-3º) dla kolejnych kroków czasowych, odległych od siebie o… 30 minut. Dla każdego takiego kroku obliczono więc m.in. grubość pokrywy lodowej, przepływ wody w rzekach, masę liści spadających z drzew (sic!), wilgotność gleby, zasolenie wody morskiej…

Co kilka miesięcy publikowane są zaś coraz to nowe dane na temat wpływu wilgotności gleby na unoszenie się pyłu do atmosfery czy wpływu nasłonecznienia na opad liści z drzew – dane te są następnie umieszczane w globalnych modelach klimatycznych i służą naukowcom do generowania coraz to bardziej wyrafinowanych i zgodnych z obserwacjami symulacji procesów klimatycznych. Cytowany artykuł to kolejna tego typu cegiełka.

Żmudne, prawda? Ale czy ktoś ma lepszy pomysł?

Opisana wyżej metoda, polegająca na rozłożeniu świata przyrody na małe cegiełki i analizę każdej z nich z osobna, a następnie złożeniu całej tej konstrukcji do kupy, została szczegółowo i przejrzyście opisana przez Kartezjusza w jego Rozprawie o metodzie już w 1637 roku (świetna książka!). Sama idea pozostała w pełni aktualna aż do dziś, a perspektywę tę określa się dziś zwykle jako „redukcjonizm” (jeszcze precyzyjniej: „redukcjonizm epistemologiczny”). Istnieje alternatywa zwana „holizmem”, zgodnie z którą świat przyrody należy badać „globalnie” – bez żmudnego rozkładania świata na czynniki pierwsze jak na sekcji zwłok, lecz od razu z perspektywy całości. Co by to jednak miało oznaczać w praktyce i w jaki sposób wyglądałaby „holistyczna klimatologia” – tego chyba nikt nie wie. Na razie chyba pozostaje nam grzebanie się w pyłach atmosferycznych, prądach oceanicznych i Przesmykach Panamskich.

Łukasz Lamża

* Link do cytowanego artykułu