Co to jest temperatura mokrego termometru i dlaczego kiedyś może zależeć od niej nasze życie?

Czasem nas naukowców, zajmujących się klimatem, oskarżają, że jesteśmy alarmistami. A to straszymy ,że jeśli dalej będziemy zanieczyszczać atmosferę gazami cieplarnianymi to morze się podniesie i zaleje nisko położone tereny przybrzeżne, a to że więcej będzie letnich burz i trąb powietrznych, a gdzie indziej będą panowały susze, kiedy indziej czarno widzimy przyszłość niedźwiedzi polarnych. Ale przecież nie straszymy, że duża część Ziemi nie będzie się nadawała do zamieszkania i to z podaniem daty takiej katastrofy.

No właśnie. Nie jest to już prawdą. Niedawno w nielubianym przeze mnie PNAS (Proceedings of National Academy od Sciences) ukazał się artykuł przewidujący, że jeśli nie przestaniemy spalać paliw kopalnych to do roku 2300 duża część powierzchni naszej planety będzie dla nas po prostu zabójcza. Zabójczo gorąca – w sensie dosłownym. Jest to alarmizm najwyższego szczebla. Niestety nawet jeśli nieco przesadzony to oparty na podstawach naukowych. PNAS jest jednak trzecim najbardziej renomowanym czasopismem naukowym świata (po Nature i Science).

Zanim jednak napiszę czy i dlaczego mamy zacząć się bać, opiszę czym jest – grająca istotna rolę we wspominanym artykule – temperatura mokrego termometru (po angielsku wet-bulb temperature). Do dnia dzisiejszego, gdy przeczytałem wspomniany artykuł, sądziłem że jest to coś, co zainteresować może tylko obserwatora-meteorologa i to raczej starej daty. Otóż klasyczny pomiar wilgotności dokonywany był psychrometrem [1]. Zaryzykuję protest dyżurnego metrologa pisząc, że przyrząd ten składał się z następujących elementów: suchego termometru, mokrego termometru, obserwatora i tablicy psychrometrycznej. Mokry termometr różnił się od suchego tym, że zawinięty był w zmoczoną gazę. Obserwator nakręcał mechanizm wentylujący (“aspirator”), a następnie odczytywał wartości wskazywane przez oba termometry i obliczał wilgotność względną przy pomocy tablicy psychrometrycznej. Jak wyglądał psychrometr meteorologiczny można zobaczyć na tej stronie na Rys. 5). Natomiast tablicę psychrometryczną (dla poziomu morza bo wartość wilgotności w ogólności zależy również od ciśnienia) zamieszczę w całej okazałości (jeśli się kliknie poniższy obrazek):

Sądziłem zatem, że jest to jedynie techniczna wartość, przydatna przy obliczaniu wilgotności względnej, bez żadnego ciekawego sensu fizycznego. Nie byłem chyba odosobniony (przynajmniej w naszym kraju), gdyż w przeciwieństwie do zlinkowanego wyżej anglojęzycznego artykułu Wikipedii nie istnieje jego polski odpowiednik. Czym zatem jest temperatura termometru mokrego? Jest to najniższa temperatura, do której przy danej wilgotności (i ciśnieniu atmosferycznym) można ochłodzić ciało przy pomocy parowania. Dlatego termometr jest wilgotny i dlatego jest wentylowany. Parowanie musi być jak najbardziej intensywne, byśmy się przybliżyli do tej najniższej możliwej temperatury. A czemu termometr się ochładza? Ponieważ woda zamieniając się w parę wodną pobiera z otoczenia ciepło (to “zniknięte” ciepło nazywa się fachowo ciepłem utajonym i jeszcze o nim usłyszycie w następnych wpisach). Dobrze, ale czemu z tej różnicy wartości dwóch termometrów daje się wyliczyć wilgotność? Ano dlatego, że parowanie jest tym mniej efektywne im bardziej wilgotna jest atmosfera. Przy wilgotności względnej 100% (czyli, gdy powietrze nasycone jest parą wodną) parowanie netto jest zerowe – tyle samo wody się skrapla na powierzchni ciała oddając swe ciepło utajone. Czyli dla wilgotności 100% temperatura termometru mokrego i suchego jest taka sama, a im mniejsza wilgotność tym mniejsza temperatura “mokra” przy takiej samej “suchej”.

OK. Znamy zatem teorię i praktykę. Zatem czego mamy się bać? Tu dochodzimy do omawianego artykułu: Steven C. Sherwood i Matthew Huber “An adaptability limit to climate change due to heat stress” [1]. Jego autorzy przypominają oczywisty fakt, że my też jesteśmy ciałami chłodzącymi się przy pomocy parowania. Dlatego się pocimy i dlatego podobnie jak termometrowi mokremu chłodniej nam gdy wieje wiatr. Człowiek w spoczynku wytwarza około 100 W ciepła, które musi oddać otoczeniu, jeśli nie chce umrzeć z przegrzania. Temperatura naszego wnętrza to około 37 °C, a powierzchni skóry ok. 35 °C (musi być zimniejsza, aby strumień ciepła płynął w stronę skóry). Jeśli sobie teraz przypomnimy definicję temperatury termometru mokrego, to zdamy sobie sprawę, że jeśli będzie ona dla powietrza wokół nas równa lub wyższa 35 °C, to człowiek przebywający w takiej atmosferze nie ma szansy na przeżycie. Żadne polewanie się wodą ani wachlowanie nie pomoże. Po prostu z definicji jest to temperatura, poniżej której ciała nie da się ochłodzić przy pomocy parowania, przy danej temperaturze (tej prawdziwej czyli “suchej”) i wilgotności.

Autorzy nie przeprowadzali oczywiście doświadczeń na ludziach, ale szacują przeżywalność człowieka w temperaturze mokrego termometru równej 35 °C na najwyżej sześć godzin. W wyższych temperaturach męka będzie trwała oczywiście krócej.

“Zaraz, zaraz” – zakrzyknie uważny czytelnik – “ale czy takie temperatury w ogóle występują na świecie?” Otóż nie występują. I to od wielu milionów lat. Dlatego nie czytaliśmy jeszcze w gazecie, ani nie widzieliśmy w telewizji, aby gdzieś w wyniku upałów wszyscy umarli. Przy dużych upałach umierają ludzie starsi o słabym krążeniu, ale to na szczęście raczej nieliczne wyjątki, niż reguła. Jednak jak daleko jesteśmy od tych magicznych 35 °C? (przypominam, że mówimy o temperaturze mokrego termometru, a nie o dobrze nam znanej “zwykłej” temperaturze). Otóż niedaleko. Poniższy rysunek z artykułu przedstawia histogram i mapkę maksymalnych temperatur występujących w różnych punktach lądów w latach 1999-2008  (histogram dotyczy szerokości geograficznych 60 S do 60 N, czyli z pominięciem szeroko rozumianych stref polarnych):

Górny panel to obserwacje (dokładniej oparte na nich reanalizy), a dolny to wyniki z modelu atmosferycznego CAM 3.1 dla porównania. Widać, że model dobrze sobie daje radę. Czarne linie na histogramach to rozkład prawdopodobieństwa temperatur przy powierzchni ziemi, niebieski to maksymalne temperatury roczne a czerwony to maksymalne temperatury termometru mokrego. To one nas interesują. Widać, że nigdzie na świecie nie przekraczają one 31 °C, a nawet 30 °C przekraczane jest w bardzo niewielu miejscach. Histogram gwałtownie się ucina przy tych wartościach. Wydaje się, że głęboka konwekcja (dla laików: burze) chłodzi skutecznie powierzchnię ziemi, jeśli zbliżymy się do tej granicy. Taka jest przynajmniej sugestia autorów.

Nie jest to jednak takie oczywiste. Z mapek widać, że pustynie subtropikalne i puszcze tropikalne maja zasadniczo te same maksymalne temperatury termometru mokrego. Działa to tak, że w puszczy (wilgotność prawie 100%) “prawdziwa” temperatura jest też około 30 °C a na pustyni (wilgotność poniżej 30%) ta sama “mokra” temperatura będzie odpowiadała “prawdziwej” nawet ponad 50 °C. Proszę sprawdzić na załączonej wyżej tablicy psychrometrycznej. I to jak najbardziej rozumiem. Trudniej mi natomiast zrozumieć, co limituje temperaturę mokrego termometru na pustyni. O ile mechanizm wspomniany przez autorów artykułu działa świetnie nad puszczami (oraz – dodam od siebie – oceanami), to nie spodziewałem się, aby głęboka konwekcja mogła być efektywna przy niskiej wilgotności.  (Dla fizyków: związane jest to być może z faktem związku temperatury mokrego termometru z bliższą fizykowi atmosfery temperaturą potencjalną). Ale fakty są faktami – coś ten parametr trzyma w ryzach i jest to wynik ciekawy sam w sobie.  Właśnie o tym pisałem wyżej: nie oczekiwałem po temperaturze mokrego termometru żadnego ciekawego sensu fizycznego. A jednak najwyraźniej jakiś ma.

Jak to jednak będzie wyglądać w przyszłym cieplejszym świecie? Autorzy nie poprzestają na prognozowaniu na 100 lat do przodu jak to robi IPCC. Jeśli nie przestaniemy spalać paliw kopalnych to temperatura dalej będzie zwiększać się po roku 2100. Spalenie wszystkich paliw kopalnych (powtarzam za artykułem) równoważne jest 2,75 podwojeniu obecnej koncentracji atmosferycznej CO₂ (na skali logarytmicznej to daje się łatwo pokazać). Takie “dziwne” stwierdzenie uzasadnione jest właśnie logarytmiczną zależnością zmian temperatury od koncentracji gazów cieplarnianych. A ich podwojenie odpowiada wg. szacunków IPCC przyrostowi temperatury o 1,9 do 4,5 °C (niepewność jest tu nadal duża). Autorzy przyjmują zatem najgorszy scenariusz i mnożą 2,75 × 4,5 °C. Wynikiem tego działania jest 12,375 °C czyli w przybliżeniu 12 stopni. Poniższy rysunek pokazuje co, według tego samego modelu CAM 3.1 zdarzy się w tak rozgrzanym świecie:

Co więc pokazuje model? Okazuje się, że przyrost temperatury “mokrej” do “suchej” pozostaje w stosunku 3/4 (to też ciekawy wynik). Czyli dla 12 °C wzrostu temperatury globalnej należy spodziewać się 9 °C wzrostu temperatury termometru mokrego. A to oznacza, że w najcieplejszych częściach globu przyrostu tego wystarczy, aby zabić tam wszystkich dwukrotnie. Autorzy nie musieli zatem zakładać aż tak wysokiej czułości klimatu na CO₂ (4,5 °C, podczas gdy najbardziej prawdopodobne jej wartości to około 3 °C). Jednak taki przyrost może się zdarzyć, jeśli wystąpią dodatkowe sprzężenia zwrotne dodatnie, na przykład wzrost globalnej temperatury uwolni metan zgromadzony na dnie mórz w postaci klatratów (to temat na osobny wpis). Tak więc chyba warto sprawdzić do czego możemy doprowadzić świat. Zatem do czego? Do globalnej katastrofy. W takim świecie do zamieszkania nie nadawałaby się większość kontynentów. Nawet Syberia miewałaby większe upały (w sensie “mokrej” temperatury) niż dzisiaj mają tropiki.

A co to znaczy nienadające się do zamieszania? To znaczy, że nie byłoby tam praktycznie nie tylko ludzi, ale także ssaków (a mam silne podejrzenie że i ptaków). Biolodzy mają o ile wiem zdania podzielone na temat odporności roślin na takie temperatury. Podobna sytuacja była 55 mln lat temu (kiedy na Alasce rosły palmy, a w północnej Kanadzie pluskały się krokodyle) i zdania co do tego czy w tropikach było za gorąco na istnienie lasów są podzielone. Powiedzmy wiec, że istniałyby tam jakieś rośliny, a między nimi pełzały gady i płazy (skądinąd wiemy, że węże bywają tym większe im większa temperatura). Na opis raju jednak mi to nie wygląda.

Jeśli dopuścimy do takiej katastrofy, to życie jakie znamy (w tym nasi potomkowie) będzie istniało głównie w dzisiejszych strefach polarnych i subpolarnych oraz w górach. Ktoś mi odpowie, że przecież znamy rozwiązanie, a jest nim klimatyzacja. Ja nie wierzę jednak w możliwości jej użycia na taką skalę (skąd energia?) ani w celowość (po co trwać na placówce w okolicach, gdzie żadne rolnictwo nie jest już możliwe?). Lepiej więc do takiego stanu naszej Ziemi nie doprowadzić.

A zatem chociaż zwykle unikam tematów “politycznych” tu jednak podkreślę o jaką cenę tu gramy. Nie o kilka procent dochodu narodowego mniej lub więcej za parę lat, ale o przetrwanie cywilizacji jaką znamy.

[1] Nazwa psychrometr pochodzi od greckiego słowa psychro- oznaczającego zimny, nie od duszy psycho-. Wspominam o tym, gdyż proste użycie Google’a pokazuje jak często błędnie pomija się w nazwie tego przyrządu literę “r”.

[2] Sherwood, S., & Huber, M. (2010). From the Cover: An adaptability limit to climate change due to heat stress Proceedings of the National Academy of Sciences, 107 (21), 9552-9555 DOI: 10.1073/pnas.0913352107

Hits: 2182