RkBlog

Hardware, programming and astronomy tutorials and reviews.

Zmiany klimatu

Wed艂ug Wikipedii pogoda to og贸艂 zjawisk atmosferycznych zachodz膮cych w danej chwili w dolnych warstwach atmosfery (g艂贸wnie troposfery). Jej stan okre艣laj膮 sk艂adniki pogody (czyli fizyczne w艂a艣ciwo艣ci troposfery): Badaniem zjawisk pogodowych zajmuje si臋 meteorologia, ich przewidywaniem dzia艂 meteorologii - synoptyka. Dane meteorologiczne zbierane s膮 przez stacje meteorologiczne. W Polsce sie膰 tych stacji obs艂ugiwana jest przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej. Charakterystyczny przebieg zmian pogody na danym obszarze to jego klimat.
Klimat to charakterystyczny przebieg zjawisk pogodowych na danym obszarze w okresie wieloletnim (30-50 lat). Klimat na Ziemi kszta艂tuj膮 trzy podstawowe procesy klimatotw贸rcze: obieg ciep艂a, obieg wody i kr膮偶enie powietrza, oraz czynniki geograficzne: uk艂ad l膮d贸w i ocean贸w, wysoko艣膰 n.p.m. Klimat jest jednym z czynnik贸w ekologicznych wp艂ywaj膮cych na wyst臋powanie i 偶ycie organizm贸w.

Uk艂ad kszta艂tuj膮cy klimat Ziemi sk艂ada si臋 z wielu mniejszych uk艂ad贸w i system贸w po艂膮czonych ze sob膮 zawi艂ymi zale偶no艣ciami, przez co badanie klimat jest wysoce skomplikowane. Przez swoj膮 z艂o偶ono艣膰 uk艂ad mo偶e wyt艂umi膰 lub wzmocni膰 zewn臋trzny bodziec na niego dzia艂aj膮cy. Obecnie posiadamy do艣膰 dok艂adn膮 wiedz臋 na temat poszczeg贸lnych uk艂ad贸w lecz nie jeste艣my w stanie powiedzie膰 jak zmiany w jednym wp艂yn膮 na reszt臋. Dlatego nie ma jasno艣ci co do efekt贸w jakie przyniesie emisja gaz贸w cieplarnianych. G艂贸wnymi czynnikami zmieniaj膮cymi klimat s膮:

Promieniowanie s艂oneczne i cykl w臋glowo-krzemianowy

Intensywno艣膰 promieniowania S艂onecznego zmienia si臋 w czasie, zar贸wno w kr贸tkich jak i d艂ugich cyklach powi膮zanych z ewolucj膮 gwiazdy. Obecnie dociera do nas o 30% wi臋cej energii ni偶 w czasie powstawania Ziemi 4.6 miliarda lat temu. Dziewicza atmosfera Ziemi zawiera艂a znaczne ilo艣ci CO2 jak i najprawdopodobniej r贸wnie偶 metan. 殴r贸d艂em tych gaz贸w by艂a du偶a aktywno艣膰 wulkaniczna, a obecno艣膰 CO2 stabilizowa艂a klimat poprzez tzw. cykl w臋glowo-krzemianowy (carbon-silicate cycle). Gdy ska艂y wulkaniczne erodowa艂y krzemiany by艂y wyp艂ukiwane ze ska艂 i trafia艂y do oceanu. Krzemiany reagowa艂y z dwutlenkiem w臋gla daj膮c w臋glany i krzemionk臋, kt贸re opada艂y na dno oceanu. Aktywno艣膰 tektoniczna doprowadzi艂a do zapadni臋cia si臋 ska艂 w臋glanowych do wn臋trza ziemi i ich rozk艂adu. Uwolniony dwutlenek w臋gla wydosta艂a si臋 poprzez wulkany. Wzrost st臋偶enia CO2 powodowa艂 wzrost temperatury i ilo艣ci opad贸w. Wi臋ksza ilo艣膰 opad贸w przy艣piesza艂a erozj臋, kt贸ra to zn贸w przyczynia艂a si臋 do wi臋kszego poch艂aniania CO2. Natomiast znaczny spadek st臋偶enia CO2 powodowa艂 spadek temperatury i wilgotno艣ci wraz z mo偶liwym zlodowaceniem, co chroni艂o ska艂y przed erozj膮 i zapobiega艂o dalszemu poch艂anianiu CO2. Najnowsze badania dotycz膮ce Marsa wskazuj膮 i偶 do艣膰 szybki zanik aktywno艣ci wulkanicznej na tej planecie doprowadzi艂 do zwi膮zania praktycznie ca艂ego marsja艅skiego CO2 w ska艂ach, co z kolei spowodowa艂o ozi臋bienie si臋 planety.
cykl w臋glowo-krzemianowy
Wietrzenie w臋glan贸w:
CO2 + H2O + CaCO3 -> Ca2+ + 2HCO3-

Wietrzenie krzemian贸w:
2CO2 + H2O + CaSiO3 -> Ca2+ + 2HCO3- + SiO2

Wodorow臋glany b臋d膮 reagowa膰 z kationami wapnia tworz膮c nierozpuszczalne w臋glany:
2HCO3- + Ca2+ -> CaCO3 + CO2 + H2O
Cykl w臋glowo-krzemianowy reguluje poziom dwutlenku w臋gla w geologicznej skali czasu - w milionach lat. Badania jednak wykaza艂y 偶e st臋偶enie dwutlenku w臋gla drastycznie spad艂o od czasu tworzenia si臋 planety do czas贸w wsp贸艂czesnych. Najwi臋kszy spadek mia艂 miejsce 380-350 milion贸w lat temu. W okresie tym nast膮pi艂a znaczna ekspansja ro艣lin naczyniowych na nowe tereny. Pojawienie si臋 ro艣linno艣ci przy艣pieszy艂o erozj臋 ska艂, jak r贸wnie偶 zwi膮za艂o cz臋艣膰 dwutlenku w臋gla w postaci masy ro艣linnej. Gwa艂towny spadek st臋偶enia dwutlenku w臋gla obni偶y艂 temperatur臋 i ekspansj臋 ro艣lin, co spowodowa艂o zmniejszenie dalszej erozji.

Istniej膮 r贸wnie偶 bardziej dynamiczne uk艂ady powi膮zane z kontrol膮 obiegu w臋gla. Cykl "艣redni" obejmuje magazynowanie w臋gla w ropie, gazie ziemnym i w臋glu kopalnym. Cykl "kr贸tki" uwzgl臋dnia cykle wegetacji ro艣lin. Stwierdzono r贸wnie偶 wyra藕n膮 zale偶no艣膰 mi臋dzy cyklami aktywno艣ci s艂onecznej a 艣redni膮 temperatur膮 na l膮dzie dla p贸艂nocnej p贸艂kuli. Cykle aktywno艣ci S艂o艅ca trwaj膮 oko艂o 11 i wraz ze zmian膮 aktywno艣ci gwiazdy zmienia si臋 艣rednie zachmurzenie, kt贸re to wywo艂uje dalsze zmiany. Svensmark i Friis Christensen (1997) w swojej pracy zaproponowali nast臋puj膮ce wyja艣nienie zjawiska - w czasie maksimum aktywno艣ci s艂onecznej wiatr s艂oneczny jest silny i znacznie ogranicza dost臋p promieniowania kosmicznego do Ziemi. Gdy aktywno艣膰 S艂o艅ca s艂abnie do Ziemi dociera wi臋cej promieniowania kosmicznego, kt贸re to zwi臋ksza zachmurzenie. Zwi臋kszone zachmurzenie zwi臋ksza ilo艣膰 odbitej/wypromieniowanej energii - obni偶a temperatur臋.
kl1
Odchylenie w promieniowaniu kosmicznym (linia ci膮g艂a) i pokrywie chmur (punkty) [Svensmark i Friis Christensen]

Zmiana orbity Ziemi

Istniej膮 do艣膰 wyra藕ne zale偶no艣ci mi臋dzy cyklicznymi zmianami klimatu a zachodz膮cymi jednocze艣nie zmianami Ziemskiej orbity 鈥 mimo艣rodu (100 000 lat), pochylenia (41 000 lat) i precesji (19 000 - 23 000 lat) objawiaj膮cymi si臋 w postaci epok lodowcowych i cieplejszych okres贸w przej艣ciowych. Zmiana orbity Ziemi w jaki艣 spos贸b wywo艂uje globalne zmiany klimatu. Mechanizm tych cykli, nazywanych cyklami Milankovicha nie jest obecnie w pe艂ni zrozumia艂y.
kl2
Zmiany orbity Ziemi

Kszta艂t i po艂o偶enie kontynent贸w

W geologicznej skali czasu kontynenty i oceny zmienia艂y sw贸j kszta艂t i po艂o偶enie. Ruch kontynent贸w ma du偶y wp艂yw na globalny klimat. Obecno艣膰 kontynent贸w w obszarach polarnych znacznie zwi臋ksza prawdopodobie艅stwo wyst膮pienia zlodowacenia, natomiast zmiana po艂o偶enia kontynent贸w zmienia pr膮dy morskie zmieniaj膮c tym samym transport ciep艂a.
kl4
Transport ciep艂a poprzez pr膮dy morskie

Albedo

Zlodowacenie ma du偶y wp艂yw na klimat. L贸d ma wysokie albedo 鈥 skutecznie odbija promieniowanie s艂oneczne, co prowadzi do dalszego ozi臋bienia klimatu. Epoki lodowcowe jednak ko艅czy艂y si臋 tak wi臋c och艂adzanie si臋 planety musia艂y powstrzyma膰 inne czynniki. Hoffman i inni (Hoffman P. F., Kaufman, A. J., Halverson, G. P. and Schrag, D. P. (1998): A Neoproterzoic snowball Earth Science, 281, 1342-1346.) w swojej publikacji wysnuli hipotez臋 i偶 to zwi臋kszona aktywno艣膰 wulkaniczna powstrzyma艂a i zako艅czy艂a okres zlodowacenia kilkaset milion贸w lat temu. Du偶e ilo艣ci CO2 emitowane przez wulkany a tak偶e py艂 wulkaniczny 鈥瀊rudz膮cy" l贸d (zmniejszenie albedo) doprowadzi艂y do ogrzania si臋 planety i stopienia lodowc贸w.
Zachmurzenie r贸wnie偶 wp艂ywa na albedo Ziemi. Ilo艣膰 i rozmieszczenie chmur zale偶y od temperatury, wilgotno艣ci i obecno艣ci aerozoli w atmosferze, a tak偶e od topografii terenu 鈥 np. obecno艣ci pasm g贸rskich. Powstanie G贸r Skalistych 100 milion贸w lat temu, Alp 10-60 milion贸w lat temu czy Himalaj贸w 10 milion贸w lat temu wp艂yn臋艂o na rozmieszczenie i ilo艣膰 zachmurzenia w skali planety.

Sk艂ad atmosfery

Sk艂ad gaz贸w atmosferycznych jest kluczowym czynnikiem okre艣laj膮cym klimat. R贸偶ne zwi膮zki chemiczne obecne w atmosferze w r贸偶nym stopniu poch艂aniaj膮 i emituj膮 promieniowanie. Gazy atmosferyczne poch艂aniaj膮 promieniowanie o d艂ugich falach i re-emituj膮 je p贸藕niej w postaci promieniowania o ni偶szych falach (promieniowanie podczerwone). Magazynowanie energii w atmosferze prowadzi do efektu cieplarnianego, kt贸ry w swojej naturze nie jest zjawiskiem negatywnym. Dzi臋ki niemu 艣rednia temperatura jest o 33 掳C wy偶sza od tej jaka panowa艂aby bez dzia艂ania gaz贸w cieplarnianych. Nat臋偶enie efektu cieplarnianego zale偶y od obecno艣ci pary wodnej, chmur i dwutlenku w臋gla w atmosferze. Pierwsze dwa sk艂adniki mo偶na przypisa膰 鈥瀗aturalnemu" efektowi cieplarnianemu. Gazy takie jak metan, tlenek azotu N2O i ozon r贸wnie偶 wnosz膮 sw贸j wk艂ad do tego zjawiska. Dodatkowo ozon absorbuje promieniowanie s艂oneczne (kr贸tkie fale). Natomiast dwutlenek w臋gla jest g艂贸wnym sk艂adnikiem antropogenicznego efektu cieplarnianego, do kt贸rego wk艂ad wnosi r贸wnie偶 metan, tlenek azotu i chlorowcopochodne w臋glowodor贸w pochodzenia antropogenicznego.

Charakterystyka najwa偶niejszych antropogenicznych gaz贸w cieplarnianych

CO2 CH4 CFC-11 N2O
Jednostka st臋偶enia ppmv ppmv pptv ppbv
St臋偶enie pre-industrialne ~280 ~0.7 0 ~275
St臋偶enie w 1994 358 1,72 268 312
PEC (GWP) 1 24 500-2000 360
PEC 鈥 Potencja艂 Efektu Cieplarnianego (GWP 鈥 Global Warming Potential) por贸wnawcza skala zdolno艣ci do zwi臋kszania efektu cieplarnianego. CO2 przypisano warto艣膰 1, im wy偶sza warto艣膰 tym wi臋ksza zdolno艣膰 generowania efektu cieplarnianego.
kl3
Wp艂yw r贸偶nych zwi膮zk贸w/藕r贸de艂 na efekt cieplarniany [殴r贸d艂o: Skodvin and Fuglestvedt (1997) A comprehensive approach to climate change: Political and scientific considerations, AMBIO, vol. 26, no. 6.]

kl5
Temperatura oraz st臋偶enie CO2 i metanu w atmosferze nad Antarktyk膮 w ostatnich wiekach.
Na podstawie Climate change Scientific background and process (PDF, Knut H. Alfsen, Jan Fuglestvedt, Hans Martin Seip, Tora Skodvin)
RkBlog

Opracowania Biblioteki Nauki, 14 July 2008, Piotr Mali艅ski

Comment article