Co nam mówią o globalnym ociepleniu przeszłe zmiany klimatu?

Co mówi nauka...

Jeśli jest jedna rzecz, co do której wszystkie strony obecnej debaty o globalnym ociepleniu się zgadzają, to że klimat zmieniał się naturalnie w przeszłości. Na długo przed rewolucją przemysłową nasza planeta doznawała wielu okresów ociepleń i ochłodzeń. Niektórzy wyciągnęli z tego wniosek, że jeśli globalne temperatury zmieniały sie naturalnie w przeszłości - na długo przed istnieniem samochodów i plazmowych telewizorów - to natura musi też być przyczyną obecnego globalnego ocieplenia. Ten wniosek jest sprzeczny z tym co mówi recenzowana nauka.

Nasz klimat zmienia się według następującej, prostej reguły: kiedy dodasz dodatkową ilość ciepła do naszego klimatu to temperatury rosną. I na odwrót, kiedy klimat traci ciepło, temperatury spadają. Powiedzmy że nasza planeta ma dodatni bilans energii. To znaczy więcej energii do niej dopływa niż promieniuje w przestrzeń kosmiczną. Ta zmiana netto przepływu energii w górnych warstwach atmosfery jest nazywana "wymuszaniem radiacyjnym". Kiedy Ziemia odczuwa dodatnie wymuszanie radiacyjne, nasz klimat akumuluje ciepło i globalna temperatura rośnie (oczywiście nie monotonicznie bo zmienność wewnętrzna dodaje zaburzenia do zewnętrznego sygnału).

O ile stopni zmieni się temperatura przy danym wymuszeniu radiacyjnym? To zależy od czułości klimatycznej planety. Im bardziej czuły jest klimat, tym większe są zmiany temperatury. Najbardziej popularną metodą opisania czułości klimatycznej jest zmiana globalnej temperatury spowodowana podwojeniem zawartości CO2. Co to znaczy? Ilość energii absorbowanej przez CO2 może być obliczona używając symulatorów przepływu promieniowania (radiative transfer codes). Wyniki tych symulacji zostały potwierdzone eksperymentalnie przez pomiary satelitarne i powierzchniowe. Obliczone wymuszanie radiacyjne z podwojenia CO2 jest równe 3.7 Wm^-2 (IPCC AR4 Section 2.3.1)

Zatem kiedy mówimy o czułości klimatu na podwojenie ilości CO2, mówimy o zmianach globalnych temperatur spowodowanych wymuszaniem radiacyjnym wielkości 3.7 Wm^-2. To wymuszanie nie musi być koniecznie wywołane przez CO2. Może ono być spowodowane przez jakikolwiek czynnik który powoduje nierównowagę energii.

Jak bardzo klimat się ociepli kiedy ilość CO2 się podwoi? Jeśli mieszkalibyśmy w klimacie bez sprzężeń zwrotnych, globalne temperatury wzrosłyby o 1.2°C (Lorius 1990). Ale nasz klimat ma sprzężenia dodatnie i ujemne. Najsilniejsze sprzężenie dodatnie powoduje para wodna. Ze wzrostem temperatury rośnie ilość pary wodnej w atmosferze. Ale para wodna jest gazem cieplarnianym powodującym dodatkowe ocieplenie, które z kolei prowadzi do wzrostu ilości pary wodnej, itd. Istnieją też sprzężenia ujemne - więcej pary wodnej prowadzi do wzrostu zachmurzenia które może mieć efekt chłodzący lub ocieplający.

Jakie jest zatem sprzężenie netto? Czułość klimatyczna może być obliczona z obserwacji doświadczalnych. Trzeba tylko znależć okres czasu, dla którego mamy dane temperatury i pomiary różnych wymuszeń wpływających na zmianę klimatu. Rysunek 1 pokazuje podsumowanie recenzowanych badań naukowych które określiły czułość klimatyczną z przeszłych okresów  (Knutti & Hegerl 2008).

Rysunek 1: Rozkład i przedziały prawdopodobieństwa czułości klimatycznej z różnych źródeł. Kółko oznacza najbardziej prawdopodobną wartość. Najgrubsza kolorowa linia oznacza prawdopodobną liczbę (ponad 66% prawdopodobieństwa). Średniej grubości linie oznaczają prawdopodobieństwo powyżej 90%. Linie kreskowane oznaczają, że nie istnieje znaczące ograniczenie od góry. Prawdopodobny przedział według organizacji IPCC (2 do 4,5°C) i najbardziej prawdpopodobna liczba (3°C) są oznaczone - odpowiednio - szarym kolorem i czarną linią.

Zrobiono wiele oszacowań czułości klimatycznej opartych na bezpośrednich pomiarach (z ostatnich 150 lat). Niektóre badania używały obserwowane ocieplenie powierzchni Ziemi i oceanu w dwudziestym wieku wraz z oszacowanym wymuszeniem radiacyjnym. Stosowano różne metody: proste albo średnio skomplikowane modele, modele statystyczne albo obliczenia bilansu energii. Pomiary satelitarne bilansu promieniowania też były analizowane w celu obliczenia czułości klimatycznej.

Niektóre niedawne analizy używały precyzyjnie mierzonego wymuszania i reakcji na wielkie wybuchy wulkanów w XX wieku. Kilka badań analizowało rekonstrukcję paleoklimatu z ostatniego tysiąclecia albo z okresu ok. 12.000 lat temu, kiedy planeta wyszła z wieku lodowcowego (Ostatnie Maksimum Lodowcowe).

Co możemy z tego wywnioskować? Mamy wiele niezależnych badań pokrywających różne epoki, studiujących różne aspekty klimatu i używających różne metody analizy. Wszystkie dają spójny przedział czułości klimatycznej, z najbardziej prawopodobną wartością 3°C przy podwojeniu ilości CO2.

Połączone dane wskazują że sprzężenie netto na wymuszenie radiacyjne jest wyraźnie dodatnie. Nie ma wiarygodnych dowodów, które pokazują bardzo dużą albo bardzo małą czułość klimatu jako najbardziej prawdopodobną.

Dodatkowa ilość CO2 spowodowała akumulację ciepła w naszym klimacie. Wymuszanie radiacyjne wywołane przez CO2 jest bardzo dobrze rozumiane i potwierdzone przez obserwacje doświadczalne. Wielkość reakcji klimatu na tą akumulację ciepła zależy od czułości klimatycznej.

Jak na ironię, kiedy sceptycy cytują przeszłe zmiany klimatu, to w zasadzie dostarczają oni dowodów dużej czułości klimatycznej i dodatniego sprzężenia zwrotnego. Wyższa czułość klimatyczna oznacza większy wpływ CO2 na zmiany klimatu. Przeszłe zmiany klimatu tak naprawdę dowodzą, że ludzie mogą mieć wpływ na klimat.