O losie naszej planety mogą zdecydować cirrusy i stratocumulusy

Obserwacje satelitarne pokazały, że chmury zakrywają średnio 70 proc. powierzchni globu. Najmniej jest ich w strefie wyżów podzwrotnikowych i ponad lądolodem Antarktydy, najwięcej – nad południowym Pacyfikiem, wzdłuż równika i w umiarkowanej strefie półkuli północnej, czyli u nas. Wszystkie są oczywiście przedmiotem wielu badań naukowych. Bardzo poważnie interesują się nimi również klimatolodzy, którzy w ostatnich dekadach zdali sobie sprawę, że te efemeryczne byty uformowane z małych kropelek wody mogą mieć znacznie większy wpływ na klimat niż wcześniej sądzono.

Co więcej, wiele wskazuje, że ich znaczenie jako aktywnych graczy będzie rosło w miarę podnoszenia się temperatury na globie. Kłopot polega na tym, że wciąż nie za bardzo wiemy, w jaki dokładnie sposób chmury zachowają się na klimatycznej planszy – ze względu na ich olbrzymią różnorodność. I nie ma jednego wzoru matematycznego, za pomocą którego dałoby się opisać zarówno reakcję chmur na zmiany zachodzące w atmosferze, jak i reakcję atmosfery na zmiany zachodzące w chmurach. Tymczasem to właśnie w nich może się kryć odpowiedź na pytanie, o ile ociepli się świat do końca tego stulecia.

Klimatolodzy tworzący scenariusze przyszłości często posługują się pojęciem czułości systemu klimatycznego. Chodzi tu o próbę przewidzenia, o ile podniesie się temperatura na Ziemi, jeśli stężenie gazów cieplarnianych w atmosferze podwoi się w stosunku do czasów sprzed epoki przemysłowej. Wówczas koncentracja dwutlenku węgla wynosiła 280 części na milion (ppm), podczas gdy dziś przekracza 420 ppm. Ten wzrost – błyskawiczny, gdyby upływ czasu mierzyć zegarem geologicznym – przypadł głównie na drugą połowę XX w. oraz na obecne stulecie. Jeśli to szalone tempo z ostatnich dekad utrzyma się w kolejnych, wówczas za ok. 70–80 lat w ziemskiej atmosferze będzie się znajdowało dwa razy więcej dwutlenku węgla niż w czasach przedprzemysłowych. Jak ta gigantyczna nadwyżka gazów cieplarnianych, liczona w tysiącach gigaton wiszących nad naszymi głowami, przełoży się na klimat? Na razie średnia temperatura na Ziemi wzrosła od drugiej połowy XIX w. o blisko 1,5 st. C. O ile mogłaby wzrosnąć po podwojeniu ilości CO₂?

Wszystko zależy od tego, jak czuły okaże się ziemski klimat na taki ocieplający impuls, a tego właśnie nie wiemy. Modele nie dają nam jednoznacznej odpowiedzi. Ta niejednoznaczna brzmi: temperatura podniesie się w zakresie 2–4,5 st. C, licząc od początku epoki przemysłowej. Zmiana może być umiarkowanie uciążliwa lub też… katastrofalna. W tym drugim scenariuszu, znanym badaczom z epoki pliocenu sprzed 3 mln lat, poziom oceanów podnosi się o 15–20 m w ciągu kilkuset lat.

Warianty przyszłości

Modele próbujące wyliczyć czułość klimatu, a jest ich już ze dwa tuziny, nie potrafią udzielić zgodnie jednoznacznej odpowiedzi m.in. dlatego, że różnią się co do przyszłej roli chmur. W tym przypadku dochodzi bowiem do dwustronnej interakcji z ocieplającą się atmosferą, zwanej sprzężeniem zwrotnym. Niektóre z takich sprzężeń są dobrze zbadane. Na przykład lód morski, ponieważ jest biały, odbija w przestrzeń kosmiczną ponad 80 proc. światła słonecznego, czyli ma duże albedo. Kiedy jednak znika, odsłania ciemną wodę, której albedo wynosi zaledwie 10–20 proc., co oznacza, że absorbuje ona znacznie więcej ciepła niż lód, rozkręcając spiralę ocieplenia. Wchłonięte przez wodę ciepło przyspiesza topnienie lodu, co kończy się przyjęciem jeszcze większych dawek energii – konsekwencją pojawienia się takiego sprzężenia zwrotnego jest zwiększenie tempa zmian klimatycznych. Modele są tu w zasadzie zgodne.

Jednak w przypadku chmur takiej zgody nie ma. To dlatego, że chmura chmurze nierówna. Jedne zwiększają czułość klimatu, przyspieszając ocieplenie, inne z kolei schładzają glob. Do tych pierwszych należą przede wszystkim chmury pierzaste (rodzaj cirrus) powstające na wysokości ponad 6 km i zbudowane z kryształków lodu. Natomiast wśród tych drugich kluczowe znaczenie mają chmury niskie i grube, głównie należące do rodzaju stratocumulus. One z kolei powstają na wysokości poniżej 2 km.

Stratocumulusy mają albedo niemal tak wysokie jak lód morski czy śnieg. Około trzech czwartych światła słonecznego, które do nich dociera, odbija się od ich wierzchołków. W ten sposób obniżają temperaturę na Ziemi. A ponieważ są powszechne, efekt schładzający jest w skali globu bardzo silny, wielokrotnie silniejszy od ocieplającego, powodowanego przez wysoko szybujące cirrusy. Gdyby usunąć wszystkie chmury wokół Ziemi, temperatura na niej raptownie by podskoczyła. Jeszcze gwałtowniej wzrosłaby, gdybyśmy się pozbyli tylko chmur niskich. Odwrotny skutek przyniosłoby zwiększenie ich powierzchni, co zresztą marzy się wielu zwolennikom geoinżynierii, uważającym, że zasiewanie stratocumulusów to najlepszy sposób na sztuczne schłodzenie globu (POLITYKA 26/23, 47/23).

Z takich teoretycznych rozważań, czasami wspartych symulacjami komputerowymi, wynika jeden podstawowy wniosek: nawet niewielkie zmiany w powierzchni i rozmieszczeniu chmur mogą mieć olbrzymie konsekwencje dla klimatu Ziemi. Naukowcy już to wiedzą, a teraz próbują przewidzieć kierunek tych zmian. Czego właściwie możemy się spodziewać po chmurach? Czy ich ewolucja na coraz cieplejszym globie podąży w stronę silnych sprzężeń dodatnich, które wywindują czułość klimatu blisko górnej granicy przedziału 2–4,5 st. C? Czy też może dojdzie do uruchomienia sprzężeń ujemnych, które spowolnią tempo ocieplenia? Twórcy modeli matematycznych mają o czym myśleć, ale obserwacje z ostatnich dekad oraz to, czego jesteśmy świadkami od blisko dwóch lat, zdają się wskazywać, że ziemski system klimatyczny raczej jest popychany w stronę tego pierwszego, mniej dla nas korzystnego, wariantu przyszłości.

Nieznane wody

Gdy na początku zeszłego roku główne agencje meteorologiczne, dysponujące olbrzymią bazą danych obserwacyjnych z całego świata oraz szybkimi komputerami, ogłosiły, że 2023 r. okazał się najcieplejszy w historii pomiarów, badaczy najbardziej zdumiało to, że nowy rekord został pobity tak wyraźnie. Różnica pomiędzy nim a poprzednim rekordzistą – 2016 r. – wynosiła blisko 0,2 st. C. To przepaść. Dla porównania 2016 r. przegonił kolejne w rankingu lata 2020 i 2019 odpowiednio o 0,02 st. C i 0,03 st. C. „To niesamowite, że tym razem różnica była tak olbrzymia. Z pewnością pomogło w tym El Nińo, które pojawiło się na Pacyfiku wiosną 2023 r., tyle że ono powinno raczej podnieść temperaturę w drugim roku swojej aktywności, czyli w 2024 r. Z jakiegoś powodu, którego jeszcze nie znamy, system ziemski zareagował o wiele gwałtowniej niż zwykle” – komentował Adam Scaife, profesor Uniwersytetu w Exeter i szef działu prognoz długoterminowych brytyjskiej służby pogodowej Met Office. Dodajmy, że 2024 r. faktycznie okazał się jeszcze cieplejszy – o kolejne 0,1 st. C.

Jakiż to mógł być ów nieznany powód? Rzecz jasna za wynik z 2023 r. (oraz z 2024 r.) odpowiadała przede wszystkim długookresowa tendencja klimatyczna, którą zainicjowały nasze emisje gazów cieplarnianych. Ale co jeszcze, poza El Nińo, mogło się dołożyć do tego wystrzału temperatury? Gavin Schmidt, dyrektor afiliowanego przy Columbia University ośrodka NASA Goddard Institute for Space Studies, nie mógł się nadziwić, że choć od 30 lat zajmuje się symulacjami komputerowymi, żaden z modeli nie przewidział takiej sytuacji.

Na łamach „Nature” analizował dwie inne potencjalne przyczyny: erupcję wulkanu Hunga Tonga-Hunga Ha‘apai ze stycznia 2022 r. oraz zaostrzenie od 2020 r. przepisów dotyczących emisji zanieczyszczeń siarkowych przez transport morski – związki siarki w atmosferze odbijają promieniowanie słoneczne, schładzając w ten sposób glob. Zagadki jednak nie rozwiązał. Z jego analiz bowiem wynikało, że wszystkie trzy czynniki, łącznie z El Nińo, odpowiadają za mniej niż 0,05 st. C wzrostu temperatury, czyli za jedną czwartą jej rekordowego skoku. A co z resztą? „Wpłynęliśmy na nieznane wody. Być może ocieplający się glob właśnie zainicjował fundamentalną zmianę systemu klimatycznego. Jeśli tak jest, następuje ona znacznie wcześniej, niż zakładaliśmy” – niepokoił się Schmidt.

Znikające stratocumulusy

W tym czasie inni kierowali swój wzrok ku oceanom oraz nisko wiszącym nad nimi chmurom. Oceanografowie z amerykańskiej Narodowej Agencji Oceanów i Atmosfery (NOAA) zwrócili uwagę na gromadzenie się coraz większych ilości energii cieplnej w wierzchnich warstwach oceanów. Od ponad dekady ich średnia temperatura jest wyższa w każdym kolejnym roku. Nagrzewanie się oceanicznego kaloryfera powiązali z wynikami obserwacji prowadzonych z wysokości kilkuset kilometrów przez wpatrzone w Ziemię satelity teledetekcyjne. Kilka z nich uczestniczy w trwającym od końca lat 90. XX w. eksperymencie kosmicznym CERES (skrót od ang. Clouds and the Earth’s Radiant Energy System). Sondy mierzą bilans energetyczny globu, czyli ilość energii słonecznej docierającej do górnej granicy atmosfery oraz ilość energii oddawanej przez Ziemię w przestrzeń kosmiczną. Pomiary pokazują powiększającą się nierównowagę w tym bilansie wynikającą z tego, że coraz mniej energii opuszcza planetę. Nadwyżka gromadzi się na globie.

Za tę nierównowagę odpowiadają głównie gazy cieplarniane, ale obserwacje satelitarne wskazują, że w tej grze w ciepło-zimno coraz większą rolę zaczynają odgrywać chmury. Z kosmosu widać bowiem jak na dłoni, że powierzchnia grubych stratocumulusów, nisko wiszących nad oceanami, kurczy się stopniowo w strefie tropikalnej i umiarkowanej. Ten ubytek wynosi ok. 1,5 proc. na dekadę. Z pozoru nie jest to dużo, ale z wyliczeń wynika, że skutki mogą być daleko idące. Tam, gdzie chmury zniknęły, promieniowanie słoneczne nie ulega już odbiciu od ich wierzchołków, lecz zostaje wchłonięte przez oceany, rozgrzewając je. Efekt? Wyższy od spodziewanego skok średniej temperatury globalnej. Tak uważa Helge Gössling z Alfred-Wegener-Institut (AWI) w Bremerhaven w Niemczech, główny autor badań opublikowanych w „Science” na początku tego roku. „To, co się stało w dwóch ostatnich latach, to w dużym stopniu zasługa ubywania niskich chmur. Nie byłoby ostatnich rekordów temperatury, gdyby pokrywa stratocumulusów ponad morzami była taka jak jeszcze dekadę temu” – mówi.

Szukając rozwiązania zagadki, zespół Gössling, podobnie jak wcześniej zespół Schmidta, uwzględnił w kalkulacjach silne El Nińo, erupcje wulkaniczne i aerozole siarkowe, dorzucając jeszcze aktywność Słońca znajdującego się w maksimum 11-letniego cyklu. Wciąż jednak czegoś brakowało w tym równaniu. Jeszcze raz przyjrzano się więc obserwacjom satelitarnym zachmurzenia na globie oraz wynikom modelowań tego zachmurzenia wykonanych w Europejskim Centrum Prognoz Średnioterminowych (ECMWF) w Reading w Wielkiej Brytanii. „Kiedy analizowaliśmy wszystkie te dane, uderzyło nas to, że w 2023 r. albedo Ziemi było najniższe od co najmniej pół wieku” – mówi Gössling.

Za ten spadek albedo odpowiada znane nam już sprzężenie zwrotne, czyli topnienie lodów morskich, jednak w ostatniej dekadzie główną rolę zdaniem badaczy odegrały morskie stratocumulusy. „Ubyło ich nad wschodnią częścią północnego Atlantyku, głównie w tropikach i umiarkowanych szerokościach geograficznych. Znikając, podkręciły tempo wzrostu temperatury” – napisali Gössling i jego współpracownicy w swojej publikacji.

Jeśli znikające stratocumulusy tak podkręciły temperaturę, to wypadałoby jeszcze się dowiedzieć, dlaczego znikają. Naukowcy nie kryją obaw, że może to być sprawka kolejnego sprzężenia zwrotnego, uruchomionego przez efekt cieplarniany. Niektóre modele odtwarzające system klimatyczny globu już wcześniej zwracały uwagę na to, że emisje dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych mogą doprowadzić do zmniejszenia się pokrywy niskich chmur wokół globu. Inne modele wskazywały, że zmiana klimatu, redukując różnice temperatury pomiędzy strefą tropikalną a szybciej się ocieplającą strefą polarną, znacznie zmodyfikuje krążenie mas powietrza na Ziemi. Jedną z wielu konsekwencji tej modyfikacji będzie przesunięcie się części niskich chmur ku wyższym szerokościom geograficznym, gdzie słońce świeci mniej intensywnie, więc ich efekt schładzający jest słabszy.

Swoje pięć groszy może dołożyć roślinność. Grupa badaczy z Holandii i Niemiec zwróciła ostatnio uwagę, że niskich chmur ubywa także nad lasami tropikalnymi degradowanymi przez susze i fale upałów. „Jeśli wszystkie te sprzężenia zwrotne rozkręcą się na dobre, możemy przekraczać kolejne limity klimatyczne o wiele szybciej, niż zakładaliśmy. Zobaczmy, co się zdarzy w najbliższych latach” – mówi Gössling.

Więcej o zjawiskach pogodowych i zmianach klimatu w Niezbędniku Inteligenta „POGODA”. Dostępny na stronie: www.sklep.polityka.pl