Gdzie się podziała energia z globalnego ocieplenia?

Przerywam na razie cykl wpisów o efekcie cieplarnianym, aby napisać o czymś, co aktualnie zajmuje klimatologów. Taki zresztą był plan od początku, jak napisałem jeszcze przed pierwszym wpisem na stronie “O blogu“.

Czy pamiętacie jeszcze “aferę” z wykradzionymi e-mailami klimatologów? Jednym z “największych skandali w historii nauki” było stwierdzenie Kevina Trenbertha z NCAR w Boulder, Colorado, o tym, że nie wiadomo czemu nie ma takiego ocieplenia, jakie powinno być. Rzeczywiście: dynamit! A oto co Trenberth w tym mailu napisał:

The fact is that we can’t account for the lack of warming at the moment, and it is a travesty that we can’t. The CERES data published in the August BAMS 09 supplement on 2008 shows there should be even more warming: but the data are surely wrong. Our observing system is inadequate.

Brzmi to rzeczywiście na potajemne przyznanie do czegoś, jeśli nie popatrzymy jeden akapit powyżej:

Well I have my own article on where the heck is global warming ?

No, właśnie. Trenberth napisał o tym artykuł naukowy i wysłał list do kogoś w CRU, aby zwrócić na niego uwagę.  Czyli jest to dziwna forma ukrywania problemów (chyba, że przed denialistami, bo Ci i tak wiedzą swoje, nie brukając się czytaniem artykułów naukowymi). Artykuł, o którym pisał,  jest zresztą dostępny on-line [PDF] w wersji złożonej do redakcji. Sens jego jest taki, że nie mamy dość obserwacji, aby stwierdzić gdzie w systemie ocean – atmosfera – lód z roku na rok przesuwa się energia cieplna.  Mówimy, że El Niño jest ciepłe, a La Niña zimna, ale czy w pełni rozumiemy skąd się bierze całe to ciepło podczas El Niño i gdzie podziewa podczas la Niñii?

Temat ten jest na tyle ciekawy, że Science poprosiło Trenbertha o napisanie artykułu  do działu  “Perspectives”, gdzie znani  naukowcy omawiają i tłumaczą jakieś nowe istotne odkrycie albo, jak w tym wypadku, nadal otwarty problem. Trenberth wziął za współautora Johna Fasullo, z którym opublikował już kilka artykułów o bilansie energetycznym Ziemi (rysunek z jednego z nich już tu zamieściłem).

Efektem jest dwustronicowy artykuł: Trenberth, K., & Fasullo, J. (2010). Tracking Earth’s Energy Science, 328 (5976), 316-317 DOI: 10.1126/science.1187272. Ukazał się we wczorajszym numerze Science.  Redakcja dała mu podtytuł “Where has the energy from global warming gone?“.  Naprawdę szkoda, że nie zachowali formy bliższej tej z wykradzionego e-maila…

Ideę tego tekstu najlepiej odda rysunek z niego:

Na górnym panelu widzimy, o ile  nie domyka się bilans energetyczny ziemi uzyskany z pomiarów satelitarnych zarówno płynącego ze Słońca promieniowania krótkofalowego, jak i sumy wracających w górę  z ziemskiej atmosfery odbitego i rozproszonego krótkofalowego oraz wyemitowanego długofalowego (promieniowania termicznego). Jest to ilość energii (średnio na sekundę i na metr kwadratowy), która służy do podgrzewania Ziemi. Podgrzewania to znaczy zmiany temperatury, a nie do utrzymania status quo. Jest to niewielka różnica dość dużych strumieni, można mieć zatem wątpliwość, czy nie jest ona efektem błędu pomiarowego. Błąd jest i to całkiem duży ±0,5 W/m2 (z poziomem ufności 95%), wobec wartości o jaką bilans się nie domyka, wynoszącej 0,9 W/m2, średnio od roku 2000. Czyli błędem tej różnej od zera wartości strumienia netto energii płynącego w dół wytłumaczyć się nie da i jest to chyba najbardziej bezpośredni dowód na istnienie globalnego ocieplenia.

Ten strumień energii musi zamienić się na ogrzanie atmosfery i oceanu oraz na topienie lądolodu, lodowców, oraz lodu morskiego (i powierzchniowej warstwy gleby, ale to naprawdę najmniejsza pozycja tego bilansu). Dobrze by było, gdyby z zsumowania zmian temperatur tych elementów pomnożonych przez ich pojemność cieplną oraz wartości ciepła topienia stopionego lodu, wyszła nam ta sama ilość energii, wynikająca z nierównowagi radiacyjnej. W końcu wierzymy przecież w prawo zachowania energii jak w Zawiszę, a w gruncie rzeczy nawet bardziej.

Przez dłuższy czas po rozpoczęciu pomiarów satelitarnych obliczenia tego, jak szybko przybywa energii cieplnej Ziemi, zgadzały się z pomiarami satelitarnymi. Około 90% całej dodatkowej energii pochodzącej z globalnego ocieplenia szło na podgrzewanie oceanu, reszta na topienie lodu, ogrzewanie atmosfery i gleby. Niestety od 5 lat bilans ogrzewania planety nie zgadza się z bilansem radiacyjnym (żółte pole na górnym panelu rysunku). Ten pierwszy wynosi w ostatnich latach średnio 0,6 ± 0,2 W/m2. To ta czerwona linia na górnym panelu. Czyli Ziemia ociepla się wolniej niż wynika z bilansu radiacyjnego. Jak to wytłumaczyć? Ale może najpierw czego na pewno to nie oznacza:

  • Nie oznacza to, że nie ma globalnego ocieplenia. Oba bilansy, ten satelitarny i ten wynikający z obserwacji zmian temperatury są przecież dodatnie, co znaczy że  wskazują na ocieplenie, z tym że nie o tej same wartości.
  • Nie oznacza to, że nie działają prawa fizyki, strumienie ciepła wpadają w inne wymiary lub porywa je UFO.

Co więc zostaje? Zostaje błąd pomiarowy. Formalnie rzecz biorąc błędy pomiarowe mogą bez kłopotu w pełni (a nawet z nadmiarem) wytłumaczyć tę rozbieżność. Bilans radiacyjny ma nadwyżkę 0,9 ± 0,5 W/m2, a “temperaturowy” 0,6 ± 0,2 W/m2. Zatem ten pierwszy może mieć minimalnie 0,4 a drugi maksymalnie 0,8 W/m2. Problem rozwiązany!

Pozostaje tylko jeden problem: który bilans jest błędny? Pozornie najbardziej podejrzany powinien być bilans radiacyjny (większy błąd pomiaru). Jest jednak niezależny argument jego poprawności. Mianowicie przyrost poziomu morza. Drugi panel rysunku z artykułu pokazuje jak poziom morza rośnie bardzo równomiernie ze wzrastającą koncentracją atmosferyczną  CO2. Drobne odstępstwa występują w latach ciepłego El Niño i zimniej La Niñii, co nie jest dziwne, bo poziom morza zależy nie tylko od topienia lodu, ale także od temperatury wody (rozszerzalność cieplna). Oba te wykresy zachowują się jednak w sumie podobnie do nadwyżki bilansu radiacyjnego. Natomiast średnia globalna temperatura powierzchniowa (pokazana jako średnia 12-miesięczna i 10-letnia) zachowuje się podobnie, jak mniejsza nadwyżka bilansu temperaturowego. Co nie jest dziwne, bo stanowi ona jedną z głównych podstaw do wyliczenia tego bilansu. Oprócz temperatur powierzchniowych, mamy także potrzebne do tego bilansu dane o temperaturze atmosfery (satelitarne oraz z balonów meteorologicznych) oraz dane oceanograficzne dla głębin morskich: dość rzadkie pomiary ze statków badawczych i od niedawna ponad 3000 automatycznych pływaków programu ARGO, w tym jeden polski postawiony przez Instytut Oceanologii PAN (widać go na poniższej mapce z września 2009 koło Spitsbergenu, jeśli się go kliknie, żeby zobaczyć mapkę w pełnej rozdzielczości).

Dlaczego o nich piszę? Ponieważ od momentu przeczytania artykułu uważam, że głęboki ocean jest głównym podejrzanym. Pływaki ARGO dryfują na głębokości 1000 metrów i raz na dwa tygodnie najpierw nurkują do 2000 metrów, a następnie wynurzają się, aby zadzwonić do domu i przekazać zebrane dane. Mamy zatem względnie gęstą siatkę profili temperatury i zasolenia wody do głębokości 2000 metrów. Jednak średnia głębokość oceanu to 3000 metrów, a gdzieniegdzie osiąga ona prawie 10 km. Z tej 1/3 objętości oceanu nie mamy prawie żadnych danych pomiarowych. W sumie nie wiemy, co tam się dzieje.

Autorzy odrzucili możliwość, że “nadliczbowy” wzrost poziomu morza, to wyłącznie skutek topienia lądolodu Antarktydy i Grenlandii oraz lodowców górskich. Rzeczywiście, topią się one ostatnio coraz szybciej – mamy na to dane z satelitów mierzących pole grawitacyjne Ziemi – ale nie dość szybko. W dodatku do uzyskania tego samego wzrostu poziomu morza trzeba poświecić 40-70 razy mniej energii, jeśli topimy lód lądowy (który nie pływa po morzu) niż jeśli ogrzewamy ocean. Czyli widoczna na wykresie rozbieżność bilansów jest o wiele za duża, żeby wyjaśnić wzrost poziomu morza tylko topieniem lodu. Potrzebne jest jeszcze ogrzanie oceanu.

Jednak tu autorzy nie ośmielili się dopowiedzieć ostatniego słowa. W artykule nie wspominają w ogóle o głębokim oceanie. Nie wiem czemu. Myślałem początkowo, że na to nie wpadli. Jednak tak nie jest. W artykule prasowym z Guardiana, jaki przysłał mi bukowylas (dzięki!), odważają się powiedzieć więcej:

“Writing in the journal Science, the scientists say their calculations show that current measurements can only account for half the extra heat trapped by human emissions. Much of the rest is probably in the deep ocean, they say.”

No, właśnie. W głębokim oceanie. Trzeba by chyba zacząć go intensywniej badać. Szczególnie, że Trenberth i Fasullo uważaja, że to ciepło może jeszcze wyjść nam bokiem:

“The heat will come back to haunt us sooner or later,” Trenberth said. “The reprieve we’ve had from warming temperatures in the last few years will not continue. It is critical to track the build-up of energy in our climate system so we can understand what is happening and predict our future climate.”

To ciepło może ich zdaniem jeszcze się pojawić na powierzchni, a ponieważ nie rozumiemy, jakie czynniki na to wpływają, to nie znamy dnia ni godziny 😉

15 thoughts on “Gdzie się podziała energia z globalnego ocieplenia?”

  1. Dzięki za wpisy. Czytam je właśnie drugi raz, a potem przeczytam chyba jeszcze raz, z kartką i ołówkiem.

  2. “Błąd jest i to całkiem duży ±0,5 W/m2 (z istotnością na poziomie 95%),…”
    Od kilkunastu lat nie istnieje takie pojecie jak wyzej, no moze za wyjatkiem fizyki atmosfery.
    Obowiazuje conajmniej od 1995 pojecie niepewnosci i zwiazanej z nia niepewnosc rozszerzona dla omawianego zapisu, dwa sigma.
    W zwiazku z tym co Pan pisze, a o co przy innej okazji, na innym forum, pytalem perfecta, to ocena poprawnosci zapisu w pracach tych samych autorow, czesto prawie kopii, dotyczacych bilansu przeplywu mocy:
    (2,6 ±0,2) – (2,2 ±0,1) = (0,4 ±0,9) PW
    Dotyczy zapisow np.w “Changes in the flow of energy through the Earth’s climate system”, to jest recenzowany artykul, wobec tego nie powinien mi Pan odpisac, jak to uczynil perfect, ze zacytowalem mu zapis z nie recenzowanego tekstu Trenberth`a, na stronie aip.org, aczkolwiek jest identyczny.

  3. @mwrona
    Tekst artykułu jest w tym punkcie raczej lakoniczny:

    “0.6 ± 0.2 W/m2 (95% error bars)”

    Tak więc myślę, że to było dokładnie 2σ – patrz http://en.wikipedia.org/wiki/68-95-99.7_rule

    Napisałem, jak napisałem bo nie chciałem wchodzić akurat w tym miejscu w dyskusje o sigmach itp. Już i tak mi tu zarzucają, że za dużo logarytmów 😉 Tak więc wina za nieprecyzyjne sformułowanie jest wyłącznie moja, nie Trenbertha.

    Przy okazji przepraszam za przerwę we wpisach ale “real life” dopadło mnie z całym impetem. Ale postaram się napisać coś o tej obiecanej pionowej strukturze atmosfery w ten weekend.

    Dodatek: Sprawdziłem: powinienem był napisać “z ufnością” zamiast “z istotnością” (już poprawiam). Problem w tym, że ja statystyki nie wykładam a artykuły piszę tylko po angielsku. A po angielsku w kontekście ilości sigm “confidence” i “significance” to praktycznie synonimy. Tu na przykład stosują je zupełnie wymiennie (chociaż zdaję sobie sprawę, że to tylko Wikipedia), jeśli poszukać słowa “sigma” tu:
    http://en.wikipedia.org/wiki/Uncertainty oraz tu http://en.wikipedia.org/wiki/Statistical_significance

  4. Tytul dotyczy “Gdzie się podziała energia z globalnego ocieplenia”. Moze bilans sie nie zgadza z powodu niepewnosci.
    W Polsce dawno umowiono sie, ze: Uncertainty – Niepewność i to od wielu lat. Pisze Pan dla polskiego czytelnika ktory nie koniecznie jest absolwentem liceum, a dodatkowo jest Pan zawodowcem zajmujacym sie pomiarami fizycznymi. Razi mnie osobiscie ten brak rozroznienia bledu od niepewnosci np. rozszerzonej.
    Błąd rozni sie od niepewnosci (uncertainty) po pierwsze tym, ze ma konkretny znak.
    Jeszcze raz pytam o ten zapis.
    (2,6 ±0,2) – (2,2 ±0,1) = (0,4 ±0,9) PW
    Jak Pan nie wie to niech Pan napisze. Tym sie Pan rozni od perfecta, ze potrafi Pan napisac nie wiem.
    Prosze przyjac, ze to o co pytam to metrologia, a ona napewno jest wykladana na studiach tak fizycznych i technicznych.
    W Polsce kazdy student tych kierunkow musi rozrozniac blad od niepewnosci.
    Prosze w google poszukac: niepewnosc typu A lub B.
    Zakladam, ze u Pana nie obowiazuje zasada: copy – paste – translate. Gdzies Pan pisal, ze jest sceptykiem.

  5. >>Moze bilans sie nie zgadza z powodu niepewnosci.<< Toteż tak właśnie napisałem. Kwestia tylko niepewności czego. A co do nauczania statystyki na fizyce to musiał Pan mieć szczęście. Mnie tego tam w ogóle nie uczyli. Metrologii tym bardziej. Po prostu nie było w programie. Co umiem sam się musiałem nauczyć. I to nie po polsku. I może dlatego nie widzę różnicy między niepewnością a błędem. A dokładniej nie widzę w ogóle powodu używania pojęcia niepewności, która (jak rozumiem) jest łącznym efektem błędu statystycznego i systematycznego. A tym bardziej typu A i B. Tzn. umiem szukać w Internecie i już wiem co to za bestie (chociaż w życiu o nich nie słyszałem) ale nie zamierzam przyjmować tej metrologicznej terminologia bo nikt kogo znam jej i tak nie używa. Podstępnie za to zapytam czy metrolodzy coś kiedykolwiek mierzyli czy tylko tworzą piękne terminologie? (Dopiszę o co mi chodzi aby uniknąć dalszej bezsensownej dyskusji. Niepewność liczona jest względem średniej wartości wynikającej z pomiarów gdy "prawdziwej" wartości nie znamy, a błąd względem owej "prawdziwej". Jednak ponieważ w badaniach naukowych nigdy nie znamy a priori wartości badanego parametru to rozróżnienie nie ma w ogóle sensu (co innego na pracowni fizycznej) i dlatego w praktyce używamy te nazwy wymiennie. Inaczej w ogóle nie powinniśmy używać słowa "błąd". Dlatego gdy mówimy, że coś zmierzono z błędem takim-a-takim to w sensie "metrologicznym" mówimy o niepewności ale jeśli ktoś nie okazuje celowo złej woli nie ma tu możliwości nieporozumienia.) A co do tej dziwnej "nierówności" to faktem jest, że odchylenia standardowe dodawanych wartości dodają się jako kwadraty pod pierwiastkiem (dlatego zresztą różnica między 2,6 ± 0,2 a 2,2 ± 0,1 powinna wynosić moim zdaniem 0,4 ± 0,22 co powinniśmy i tak podać jako 0,4 ± 0,2). Z tym, że ja żadnych wartości w moim wpisie nie dodawałem ani odejmowałem, a jedynie porównywałem. A to duża różnica, nawet dla metrologa. Szczególnie dla metrologa.

  6. “Podstępnie za to zapytam czy metrolodzy coś kiedykolwiek mierzyli czy tylko tworzą piękne terminologie?”
    My rzeczywiscie chodzilismy do innych szkol.
    Mierza czas z niepewnoscia 10^-14, a na dodatek wymislili 3 defincje tej jednostki, czyli sekundy. Dla Pana wiadomosci – w otaczajacym Pana swiecie wystepuja 3 def. sekundy: atomowa, astronomiczna i ziemska. Dwie jednostki masy, czyli kg: klasyczna i “elektryczna” itp.
    Moze Pan mysli, ze ta dziedzina zajmuje sie trzecia zmiana, to Panu wymienie, przykladowo: Josephson (wzorce napiecia), Klaus von Klitzing (wzorzec rezystancji) itd.

  7. [Znalazłem powyższy komentarz w spamach razem z paroma prawie identycznymi kopiami z dwóch innych kont. To jednak nie moja robota. Nikogo nie banuję. Przynajmniej na razie nie było takiej potrzeby. Przywracam najstarszy i kasuję najnowszy spod niewłaściwego wpisu, jednocześnie przenosząc tu moja odpowiedź]

    Nie jest nawet istotne czy chodziliśmy do innych szkół ale czym się zajmujemy. Ja się zajmuję nauką i dlatego patrzę na to sofistyczne dzielenie włosa na czworo z dużym dystansem. Gdy na przykład czytam, że możemy mówić o błędzie gdy znamy prawdziwą wartość albo wartość “uznawaną za prawdziwą” to wiem, że tego nie napisał żaden naukowiec, ani naukowcy tego nie stosują. To typowo inżynierskie podejście i ma pewnie sens przy kalibrowaniu sensorów ale nie przy mierzeniu dotychczas nieznanych wartości (co jest sensem nauki). Bo co to jest wartość “uznawana za prawdziwą”? To wzorzec potrzebny do kalibrowania przyrządów mierniczych. Nic innego. A ja nie widzę fundamentalnej różnic miedzy kalibrowaniem na podstawie wzorca (kiedy rzekomo mamy “błąd” bo wzorzec “uznajemy za prawdziwy”) albo przez porównanie z innym sensorem (czyli inter-kalibrację) kiedy wg. metrologów powinniśmy już mówić o “niepewności”, bo przecież nie znamy prawdziwych wartości tego co mierzą oba sensory. To dla mnie różnica czysto arbitralna i takie rozróżnienie nie mówi nam nic nowego o rzeczywistym świecie. Czyli to tylko kwestia definicji. A dżentelmeni o definicjach dyskutować nie powinni.

    Zmartwię Pana. Układ SI uznaje tylko jedną definicję sekundy i kilograma: http://www.bipm.org/en/si/base_units/ . A zresztą jakie to ma znaczenie? Co Pan właściwie próbuje udowodnić?

    Zresztą jeśli nie ma Pan nic do powiedzenie w temacie wpisu to proponuję uznać to za pytanie retoryczne.

  8. Dodam jeszcze, że jak widzę nadal na fizyce nie uczy się statystyki (metrologii też nie ale w tym nie widzę problemu). Przejrzałem aktualny program studiów na kierunku fizyka najlepszej pod tym względem uczelni w Polsce:
    http://www.fuw.edu.pl/tl_files/informator/FizykaIst.pdf

    To znaczy wiem gdzie oni niby maja się statystyki nauczyć. Na II semestrze mają pracownię o nazwie “Analiza niepewności pomiarowych i Pracownia wstępna (60 h)”

    To za moich czasów się nazywało Pierwszą Pracownią. I nie powiem aby tam mnie podstaw statystyki nauczyli. Przynajmniej nie teorii, a raczej paru praktycznych wzorów ( i to chyba sami musieliśmy się ich nauczyć we własnym zakresie na wejściówkę). Ot i wszystko.

    Mam nadzieje, że teraz poświęcają na to trochę więcej niż 20 minut z tych 60 godzin jakie przeznaczone są na tę pracownię.

  9. @arctic
    “Na II semestrze mają pracownię o nazwie “Analiza niepewności pomiarowych i Pracownia wstępna (60 h)””
    Ma Pan jak byk napisane, chyba, ze Pan nie rozumie co to W i L.
    “Analiza niepewności pomiarowych i Pracownia wstępna (60 h) 20W+40L w semestrze”, a kolejnej stronie tresc materialow pomocniczych.

  10. OK. Wykład i laboratorium. A na kolejnej stronie program Semestru III i IV (najwyraźniej patrzy Pan w coś innego niż podany przeze mnie link).

    Ale o czym w tej chwili dyskutujemy? Podałem fakt nauki metod statystycznych przy okazji pracowni fizycznej jedynie w kontekście Pana twierdzenia iż:

    Prosze przyjac, ze to o co pytam to metrologia, a ona napewno jest wykladana na studiach tak fizycznych i technicznych.“.

    Otóż nie jest. Natomiast obaj chyba się zgadzamy, że metody statystycznie nie powinny być nauczane jedynie “przy okazji” czegoś innego. A niestety są. Chociaż faktem jest, że wygląda to już lepiej niż za “moich czasów”.

  11. Jeszcze o “błędzie” i “niepewności” w naukach o klimacie. Zajrzałem do chyba najbardziej szanowanego podręcznika w tej kwestii: Hans von Storch i Francis W. Zwiers “Statistical analysis in climate research” i stwierdziłem z pewnym zdumieniem, że oni w ogóle unikają oby wymienionych wyżej pojęć. Konsekwentnie piszą o dystrybucjach zmiennych i ich parametrach statystycznych (średniej, wariancji, skośności itp.). Odchylenie standardowe jest w tym podejściu po prostu pierwiastkiem z wariancji a pojęcie “błędu” czy “niepewności” po prostu nie istnieje.

    Wcześniej tego nie zauważyłem i założę się, że wielu innych czytników tego dzieła również mogło to przeoczyć. Mamy po prostu własne przyzwyczajenia, a von Storh i Zwiers narzucają swoje w dość dyskretny sposób, nie komentując nigdzie swojego podejścia, które jest zupełnie odmienne niż u empiryków. U nich nie ma błędu statystycznego a jest wariancja, co ciekawe nie ma też błędu systematycznego a jest za to “niejednorodność” (inhomogenity) rozkładu wartości. Czyli oni z kolei reprezentują podejście nie fizyczne a czysto statystyczne.

    Jak widać można i tak.

  12. “(najwyraźniej patrzy Pan w coś innego niż podany przeze mnie link)”
    Na ten sam. Tylko Pan w dol, a ja w prawo. Pracownie.
    Koncze ten watek. Czesciowo pozostaje przy swoim, ale to jest trzeciorzedna sprawa.

  13. Sprawdziłem właśnie w trzytomowej “Encyklopedii fizyki” PWN, w wydaniu jakie posiadam jeszcze od studiów.

    Encyklopedia fizyki PWN

    Tam jest używany wyłącznie “błąd”: bezwzględny, względny, systematyczny, przypadkowy, nigdy “niepewność”.

    Tak więc przynajmniej jestem wierny tradycji fizyki polskiej 🙂

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *