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 😉

Hits: 254