Media donoszą: „trzynaście z piętnastu najcieplejszych w historii pomiarów lat zdarzyło się w XXI wieku”, „zawartość CO2 w atmosferze jest prawdopodobnie największa od kilkunastu milionów lat”, „jest niemal pewne, że za globalne ocieplenie odpowiada człowiek”.

Jednocześnie słyszymy: „klimat zmieniał się zawsze”, „wielokrotnie w historii geologicznej było cieplej niż dziś”, „dwutlenku węgla w atmosferze było kiedyś znacznie więcej niż teraz”. Wszystkie informacje zacytowane wyżej są prawdziwe i zgodne z nasza wiedzą.

Jak je rozumieć?

Czy rzeczywiście globalne ocieplenie, które sobie sprawiamy, może mieć poważne skutki dla cywilizacji? Lubimy ciepłą, słoneczną pogodę. Nie chcemy dużo płacić zimą za ogrzewanie. Czy cieplej znaczy „będzie przyjemniej, łatwiej i taniej”? Dlaczego naukowcy „straszą” globalnym ociepleniem? Przecież klimat jest złożony. Czy mają pewność?

System klimatyczny to atmosfera, ocean, powierzchnia gruntu i wszystko, co na powierzchni się znajduje. Podstawowym źródłem energii zasilającym ten układ jest Słońce. Inne źródła energii – wnętrze Ziemi (energia geotermalna) i ludzka działalność (spalanie) są zaniedbywalnie małe, odpowiednio 3500 i 10000 razy słabsze. Chłodnicą oddającą energię w pustkę kosmiczną jest atmosfera.

Po co chłodnica?

Żeby energia nie gromadziła się w systemie. System klimatyczny, w którym warunki są ustabilizowane, oddaje dokładnie tyle samo energii, ile dostaje, a charakteryzująca go temperatura jest stała.

Ale... Ziemia i jej system klimatyczny nigdy nie osiągają idealnej równowagi. Klimat zmieniał się zawsze. Wszystkie aktualne, przeszłe i przyszłe zmiany temperatury globu wynikają, wynikały i wynikać będą z naruszeń równowagi i z odpowiedzi systemu klimatycznego. Prowadzą one bądź do przywrócenia starej równowagi, bądź do powstania nowej. Dotyczy to wszystkich planet, także tych spoza najbliższego otoczenia Ziemi, które mają własne, specyficzne dla siebie systemy klimatyczne.

Czynniki powodujące zmiany stanu klimatu można podzielić na dwa rodzaje: zaburzenia i zmiany w dopływie energii oraz zaburzenia w pracy chłodnicy. Spadek w dopływie energii (wskutek spadku aktywności Słońca, zmian orbitalnych czy zmian w odbijaniu/pochłanianiu energii promieniowania) lub wzrost efektywności chłodnicy będzie prowadził do ochłodzenia klimatu. Wzrost w dopływie energii lub utrudnienia w jej odpływie będą skutkowały ociepleniem.

Płynie stąd wniosek, że wystarczy znać dopływ i wypływ energii, żeby wiedzieć, czy klimat się ociepla, czy ochładza i nie potrzebna jest do tego szczegółowa znajomość działania systemu klimatycznego.

Rozumiał to już Joseph Fourier, autor „Analitycznej teorii ciepła”, który w 1824 r. pokazał, że temperatura powierzchni Ziemi jest wyższa, niż byłaby, gdyby nie utrudnienia w odpływie ciepła z planety i nazwał to zjawisko efektem cieplarnianym.

Sprawę komplikuje nieco fakt, że albedo (ułamek energii promieniowania słonecznego odbijany przez planetę) i efekt cieplarniany mogą być zależne od zjawisk zachodzących wewnątrz systemu klimatycznego. W takim wypadku mówimy nie o wymuszeniach z zewnątrz, ale o sprzężeniach zachodzących wewnątrz systemu. Mogą one wzmacniać lub osłabiać efekty wymuszeń. To, jak klimat zareaguje na wymuszenia zależy od wymuszeń i od sprzężeń.

Dobrym przykładem pokazującym te efekty są epoki lodowcowe, które od kilku milionów lat co ok. 100 tys. lat nawiedzają Ziemię. Wymuszeniami odpowiedzialnym za przejścia między okresami zlodowaceń i interglacjałów są zmiany orbity Ziemi związane z oddziaływaniem innych planet, przede wszystkim Jowisza i Saturna.

Skomplikowane oddziaływania grawitacyjne składają się ze sobą, powodując w miarę regularne zmiany kształtu (ekscentryczności) orbity z nieco wydłużonej na zbliżoną do okręgu.

Jednak różnice w całkowitym dopływie energii od Słońca w skali roku wskutek tych zmian wynoszą mniej niż 0,2 proc. To za mało, żeby wyjaśnić dramatyczne różnice między glacjałami, a interglacjałami. Dochodzą zmiany nachylenia osi które razem ze zmianami ekscentryczności skutkują dużymi, przekraczającymi 20 proc. zmianami dopływu energii do półkul naszej planety. Przy obecnym układzie kontynentów (praktycznie stałym w ostatnich kilku milionach lat) ważne jest, czy w perihelium oświetlony jest biegun północny otoczony ze wszystkich stron kontynentami, czy południowy, otoczony oceanem.

Albedo lądu jest mniejsze od albedo wody. Na lądzie podczas długiej zimy może gromadzić się śnieg, który wiosną i przez krótkie lato odbije promieniowanie słoneczne. To taki zawór, wpuszczający w określonej sytuacji mniej energii słonecznej do systemu klimatycznego.

Według teorii Milutina Milankovicha, z lat 20. XX wieku, krytycznym dla działania tego zaworu jest obszar wokół 65 równoleżnika na półkuli północnej. Jest wiele dowodów na to, że Ziemia osuwała się w zlodowacenie, gdy latem spadał dopływ energii słonecznej w ten region, a wydobywała się z niego, gdy dopływ osiągał maksimum. Decydujące było, czy lądolód na półkuli północnej z roku na rok topniał całkowicie, czy mógł przetrwać lato i z roku na rok narastać.

Ale nawet to nie tłumaczy wielkości zlodowaceń, zmienności średniej temperatury powierzchni naszej planety między glacjałem i interglacjałem wynoszącej około 4st.C. Dochodzi zmienne działanie chłodnicy systemu klimatycznego: zawartości w powietrzu gazów cieplarnianych, w tym kluczowego dwutlenku węgla.

Od prac Johna Tyndalla w połowie XIX w. znamy zdolności pochłaniania i emitowania ciepła przez najważniejsze gazy cieplarniane: parę wodną, CO2 i metan. Wszystkie składają się na działanie chłodnicy: gdy ich koncentracja w powietrzu wzrasta, oddawanie energii w przestrzeń kosmiczną jest utrudnione i temperatura globu podnosi się; gdy ich zaś ubywa, Ziemia łatwiej wypromieniowuje energię i się ochładza.

Zmiany stężeń każdego z tych gazów podlegają innym regułom: ilość pary wodnej w atmosferze szybko, w kilka dni, dostosowuje się do warunków wywoływanych innymi czynnikami - jej parowanie i kondensacja-opady zależą od temperatury. Metan wyemitowany do atmosfery w ciągu kilku-kilkunastu lat rozkłada się pod wpływem nadfioletu, a produktem rozpadu są woda i dwutlenek węgla. Naturalne usuwanie dodanego do powietrza CO2 trwa tysiące lat. To właśnie zmiany koncentracji CO2 w atmosferze są tym trzecim czynnikiem, który domyka zrozumienie epok lodowcowych.

W ochładzającym się wskutek spadku dopływu energii od Słońca oceanie, zgodnie z prawami fizyki rozpuszczało się coraz więcej CO2 – dzięki czemu chłodnica Ziemi pracowała coraz efektywniej. Kiedy północna półkula Ziemi latem otrzymywała mniej energii, działanie dwóch sprzężeń zwrotnych: wzrostu albedo i spadku koncentracji CO2 w atmosferze wzmacniało ten efekt: klimat się ochładzał, a Ziemia staczała w epokę lodowcową. Kiedy północna półkula Ziemi latem otrzymywała więcej energii, następowało roztapianie się lądolodu, powodując wzrost ilości pochłanianej przez planetę energii, wzrost temperatury powierzchni, odgazowywanie CO2 z nagrzewających się oceanów, dalsze ogrzanie w wyniku cieplarnianego działania tego gazu, dalsze topnienie lądolodu itd. – klimat Ziemi wchodził w ciepły okres interglacjalny.