Co by się stało z Ziemią gdyby z atmosfery usunąć CO2?

ResearchBlogging.orgW 1991 r. Richard Lindzen wyliczył, że para wodna i chmury to 98% efektu cieplarnianego, a dwutlenek węgla to mniej niż 2%. I chociaż łatwo sprawdzić przy pomocy obliczeń mieszczących się z tyłu zużytej koperty, że się grubo mylił, to wynik ten pokutuje po dziś dzień na blogach denialistów. Może dlatego warto wrócić do tego tematu i pokazać co na ten temat mówi współczesna nauka.

Pretekstem do tego może być ukazanie się w Science artykułu Lacisa i innych [1], nie tylko wyliczającego wkład poszczególnych składników atmosfery do całkowitego efektu cieplarnianego ale dodatkowo pokazujący przy pomocy modelu klimatycznego [2] jaki byłby skutek całkowitego usunięcia CO2 z atmosfery. A byłby on dramatyczny.

Jak już pisałem, naturalny efekt cieplarniany, czyli różnica pomiędzy temperaturą średnią “efektywną” jaką powierzchnia Ziemi miałaby gdyby atmosfera nie absorbowała w zakresie długofalowym (podczerwieni), a temperaturą obserwowaną to 33 °C. Do wyliczenia temperatury efektywnej wystarczy znać strumień promieniowania krótkofalowego (widzialnego) płynący ze słońca, oraz ile z niego jest odbijane (tzn nie zaabsorbowane) łącz nie przez atmosferę lądy i morza (czyli albedo). Obie te wartości znamy dość dobrze a fizyka (prawo Stefana-Boltzmanna) jest na poziomie dobrego programu szkoły średniej.

Ponieważ wiemy jak dużo promieniowania długofalowego jest absorbowane przez każdy ze składników atmosfery (chmury są tu traktowane jako składnik odrębny niż para wodna) możemy dość łatwo rozdzielić między nie zasługi w grzaniu Ziemi. Dość łatwo, ale nie trywialnie łatwo. Problemem jest tu to, że nie są one addytywne (nie da się ich zwyczajnie dodać). Przyczyną jest pokrywanie się pasm absorpcji różnych składników atmosfery i nieliniowość efektu względem ich koncentracji (o tym także już pisałem). Autorzy rozwiązali to prosto i sprytnie, uśredniając dla każdego składnika efekt dodania go do innych i odjęcia go od całkowitego efektu. Gdy ma się model, w który wbudowana jest spektralna absorpcja każdego z tych składników to jest to zadanie jakie można zadać studentowi “na jutro rano”. Wynikiem takiego zadania domowego jest poniższy rysunek z artykułu (wartości zaznaczone liniami kropkowanymi i przerywanymi to wyniki właśnie dodawania i odejmowania danego składnika):

Od razu widać, że Lindzen pomylił się mniej więcej 10 razy: CO2 to 20% efektu cieplarnianego a “inne” (metan, ozon, tlenek azotu i  freony) to 5%. Czyli nadal para wodna i chmury to 75%. Dwadzieścia procent to więcej niż 2% ale mimo wszystko to nie dużo. Czy jest więc w ogóle sens przejmować się tym dwutlenkiem węgla? Otóż jest. Różnica między tymi dwoma słupkami po prawej a tymi po lewej jest taka, że te po prawej w temperaturach występujących gdziekolwiek w atmosferze ziemskiej nie kondensują (skraplają się), ich koncentracja nie zależy zatem od temperatury. Dlatego nazywamy je wymuszeniami (forcings). Te po lewej natomiast  są silnie zależne od temperatury: jakakolwiek jej zmiana powoduje zmiany koncentracji pary wodnej i ilości chmur w atmosferze. Dlatego nazywamy je sprzężeniami zwrotnymi (feedbacks). Zmiany wymuszeń są tym co steruje tymi sprzężeniami zwrotnymi. I to zapewne ma symbolizować ta waga na rysunku, gdzie 25% waży więcej niż 75%.

Ta arytmetyka może wydawać się skutkiem fanatyzmu klimatologów, ale byłby to błędny wniosek. Po prostu jeśli usunąć gazy cieplarniane “niekondensujące” z atmosfery to koncentracja pary wodnej także spadnie. I to spadnie stanowczo: jej zależność od temperatury jest prawie eksponencjalna. Skutkiem tego jest trzykrotne wzmocnienie każdej zmiany równowagi radiacyjnej przez łączy efekt zmian ilości pary wodnej i chmur. Autorzy zrobili zresztą eksperyment numeryczny: zmniejszyli w modelu klimatycznym momentalnie koncentracje niekondensujących gazów cieplarnianych do zera i śledzili efekt tego przez 50 lat. Jest to odpowiednikiem wykonania przez złotą rybkę życzenia dziecka, które nauczono że dwutlenek węgla, metan itp. są “złe”. Jak widać z poniższego rysunku nie jest to do końca prawdą:

Efekty są dramatyczne. Ziemia bez CO2, O3, CH4, N2O i freonów w atmosferze ochładza się w ciągu kilku dekad o około 35 stopni. Koncentracja pary wodnej spada 10 razy.  Dwie trzecie oceanów pokryte jest lodem.

Uważny czytelnik zapyta jak to jest możliwe, że temperatura spadnie o 35 stopni podczas gdy efekt cieplarniany to 33 C.  Tak, 33 stopnie ale przy założonej stałej wartości albedo. A jak widać z powyższego rysunku na tak zimnej Ziemi albedo (przynajmniej w zastosowanym modelu [3]) wzrasta pod wpływem wzrostu ilości chmur w coraz zimniejszej atmosferze. Dla porównania napiszę, że Lindzen w 1995 roku oceniał efekt usunięcia CO2 z atmosfery na oziębienie o zaledwie 3,53 C (zakładając 40% pokrycie chmurami). Czyli znów mylił się około dziesięciokrotnie.

A jak by wyglądał rozkład temperatur na takiej Ziemi? Proszę bardzo:

Na osi pionowej mamy szerokość geograficzna a na poziomej czas. Widać, że pod koniec tych 50 lat oziębiania [4] temperatury dodatnie (czyli otwarta niezamarznięta woda) występują tylko w okolicach równika.  Czyli mamy epokę lodową? Nawet gorzej: to jest kula śnieżna Ziemia (“Snowball Earth“) czyli sytuacja jaka się rzeczywiście zdarzyła kilkakrotnie w historii planety około 2,2 mld lat temu i parę razy z rzędu miedzy 800 a 600 mln lat temu [5]. Zlodowacenia były wówczas praktycznie wszędzie, a to że tu teraz jesteśmy zawdzięczamy tylko i wyłącznie dwutlenkowi węgla. W skali geologicznej jedynymi procesami jakie maja znaczenie dla jego koncentracji to wulkanizm (jako źródło) i rozpuszczanie (erozja) skał wulkanicznych (powodujący ubywanie CO2). Wulkanizm w czasie tego kataklizmu działał nadal ale skały były przykryte lodem. Po iluś tam milionach lat musiało to doprowadzić do takiego wzrostu koncentracji CO2, że pomimo olbrzymiego albedo lodu, Ziemia w końcu się odlodziła. Ślady tych olbrzymich koncentracji w postaci złóż skał węglanowych widać po każdym takim epizodzie. Olbrzymie ilości zakopanego węgla z CO2 po każdym z tych zlodowaceń powodowały wzrost koncentracji atmosferycznego tlenu [6] i nie przypadkiem po każdym z nich jego koncentracja atmosferyczna wzrastała. Zaraz po ostatnim takim epizodzie 635 mln lat temu zaczyna się “wybuchowo” rozwój życia wielokomórkowego. Najwyraźniej wreszcie jest dla niego wystarczająco dużo tlenu. Ale to już inna historia…

[1] Lacis, A., Schmidt, G., Rind, D., & Ruedy, R. (2010). Atmospheric CO2: Principal Control Knob Governing Earth’s Temperature Science, 330 (6002), 356-359 DOI: 10.1126/science.1190653

[2] ModelE produkcji Goddard Institute for Space Studies (GISS), z rozdzielczością 4 na 5 stopni.

[3] Chmury i ich reakcja na wymuszenia to najsłabsza część współczesnej fizyki atmosfery więc ten akurat efekt do najmocniejszych konkluzji artykułu nie należy. Jest nawet trudny do zrozumienia: skąd tyle chmur przy tak małej ilości pary wodnej? Częściową odpowiedzią może być to, że będą to głównie chmury kryształków lodu, a te utrzymują się w atmosferze dłużej niż chmury z kropelek wody. Dopisek: Po namyśle doszedłem do wniosku, że to bez znaczenia gdyż przy mniejszej ilości chmur albedo i tak by się zwiększyło jeśli pod spodem byłby głównie lód i śnieg.

[4] Ziemia potrzebuje tak długo aby się oziębić do nowej wartości równowagi jedynie dzięki olbrzymiej pojemności cieplnej oceanów. Gdyby ich nie było planeta równowagę osiągnęłaby w rok czy dwa.

[5] Właściwie uzyskany efekt to raczej Slushball Earth niz Snowball Earth gdyż mamy w tropikach trochę niezamarzniętego oceanu. Która z tych koncepcji odpowiada sytuacji podczas globalnych zlodowaceń w historii Ziemi jest nadal dyskutowane ale należy pamiętać, że Słońce było wówczas mniej jasne niż dziś (o czym też już pisałem) i wówczas bez CO2 w atmosferze Ziemia naprawdę mogła stawać się kulą lodową.

[6] Polecam tu książkę Nicka Lane’a “Tlen. Cząsteczka, która stworzyła świat” wydana także w języku polskim przez Prószyńskiego i S-kę.

Hits: 284

Subscribe
Notify of
guest

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

44 Comments
Inline Feedbacks
View all comments
doskonaleszare
9 years ago

Ich wynik trochę mnie zaskoczył – tzn. a dokładniej, zmiana albeda tylko o 10%, w sytuacji gdy dwie trzecie oceanów pokryte jest lodem (to chyba średnia roczna?). No i zastanawia mnie, jak wygląda sytuacja na lądach, gdzie też powinno spaść trochę śniegu…

doskonaleszare
9 years ago

Lacis wyjaśniał to później u Revkina:

http://dotearth.blogs.nytimes.com/2010/02/09/does-an-old-climate-critique-still-hold-up/
http://dotearth.blogs.nytimes.com/2010/02/12/nasa-scientist-adds-to-views-on-climate-panel/
http://dotearth.blogs.nytimes.com/2010/02/17/lacis-at-nasa-on-role-of-co2-in-warming/
http://dotearth.blogs.nytimes.com/2010/02/17/part-2-a-scientists-defense-of-greenhouse-warming/

“There is a great deal of irony in this basically nonsensical stuff, some of which I find rather amusing. The global warming denier blogs, where this issue first came up, seem to think that I was being critical of the I.P.C.C. report in the same way as seen from their perspective, and, as a result, I have received e-mails from the denier crowd hailing my remarks and commending me for “speaking up” on this important topic.

Little do they realize that the basic thrust of my criticism of the I.P.C.C. draft was really to register a clear complaint that I.P.C.C. was being too wishy-washy and was not presenting its case for anthropogenic impact being the principal driver of global warming as clearly and forcefully as they could, and should.”

“No, no. Artykuł naukowy, który wyrósł z wpisu na blogu o klimacie!”

To nie jest pierwszy raz, kiedy ktoś pisze artykuł w zasadzie wyłącznie po to, by zdebunkować jakiś denialistyczny nonsens.

Inny przykład:

http://www.agu.org/journals/ABS/2009/2009GL037810.shtml

Opublikowany w International Journal of Modern Physics B komentarz do Gerlicha i Tscheuschnera też powstała na blogu (Rabett Run).

Piotr
Piotr
9 years ago

To nie jest artykuł naukowy. Grinpisowski bajzel. CO2 prawdopodobnie ma 10 krotnie ale niższy od 2% wpływ na zmianę klimatu czyli 0,2% a nie 20%. Tym którzy wierzą w takie artykuły proponuję stanąć w kolejce po zdrowy rozsądek no i kupić trochę oleju do głowy

doskonaleszare
9 years ago

“To nie jest artykuł naukowy. Grinpisowski bajzel.”

A czytałeś go w ogóle? Czy bez czytania wiesz, jak każdy denialista, że to wszystko kłamstwo i spisek naukowców?

Piotr
Piotr
9 years ago

@doskonaleszare
Bardziej polityczny spisek niż naukowców. Cała nauka wokół efektu cieplarnianego jest bardzo upolityczniona. Pieniądze które są wydawane na badania w kierunku dowodów na to że global warming istnieje są wydawane w przeraźliwie wysokich ilościach. Natomiast na badania naukowe związane z obaleniem TEZY nie wydano ani centa. Oczywiście wszystko to pociąga za sobą korzyści po pierwsze dla naukowców którzy te pieniądze dostają a po drugie dla polityków którzy pieniądze zabierają przemysłowi za emisje CO2. Poszukam poważnych publikacji i podam linka. Powinniście poznać też argumenty tej drugiej strony, a nie ślepo wierzyć w ekosrake

Piotr
Piotr
9 years ago

jak by się dało wlepiać pliki w pdf to może bym wrzucił jakieś artykuły jeszcze na które nie ma linka

Piotr
Piotr
9 years ago

Streszczenie dla menadżerow: to jest blog o nauce a nie o pseudonauce. Więcej nie będę tolerował wrzucania tutaj tekstów rażących kompletnym brakiem wiedzy o omawianym temacie.

W takim razie wycofuje z uczestnictwa tego blogu o nauce i przepraszam za wypowiedź na naukowym blogu. Nie da się dyskutować po za tym przeczytał byś te wypociny medyków (i nie tylko) w końcu. Boisz się że Cie argumenty przygniotą. Co Ty mi podajesz linki do wikipedii? Przecież to jest jasne że jak taki artykuł wychodzi to musi być kontrowersyjny, bo daje inne światło na problem, po za tym takie artykuły trzeba zbesztać i zlinczować bo poważnie szkodzą pieniądzom ekologów (zarówno pieniądzom tych głupich jak i tych mądrych ekologów). A tego pierwszego linka nie chciało mi czytać jak znajdę czas to rzucę okiem.

Koncentracja CO2 ZALEŻY od temperatury na ziemi. Dowodem na to jest to że klimat nie staje się cieplejszy od wyższego stężenia tego gazu natomiast można zauważyć odwrotną zależność. Zawsze kiedy robiło się cieplej CO2 po jakimś czasie rosło.

Ziemia sobie poradzi i tak i tak i beze mnie i bez marnych ekologów i z elektrowniami węglowymi i bez nich. Poradziła sobie wcześniej poradzi i w przyszłości. Jak jeszcze nie było roślinności było mnóstwo CO2 w atm. później rośliny to przerobiły na swoją biomasę i mamy teraz dzięki temu potężne magazyny węgla kamiennego brunatnego, ropy które znowu możemy uwolnić do atmosfery. Ziemia, rośliny są na takim etapie że zachowają tą równowagę homeostazę i wszystko się samo ureguluje czy z Tobą czy bez. Bo widzisz pytałeś jaką dziedzinę nauki reprezentuje, nie jest to ekologia, powiedzmy dziedzina przyrodniczo-techniczna, ale co najważniejsze skończyłem gimnazjum a później szkołę średnią i tam na lekcjach biologii uczyłem się, wchłaniałem wiedzę o tym że CO2 jest wchłaniane przez rośliny z udziałem UV by móc to zamienić później na swoją biomasę. Nie jest tajemnicą że do upraw szklarniowych dodawane jest CO2 ŻEBY ROŚLINY SZYBCIEJ ROSŁY i tu już widać (sam obserwowałem wzrost szklarniowy z CO2) że stężenie tego gazu ma bardzo duży wpływ na szybszy wzrost roślin. I tu nie jest trudno wywnioskować co się stanie z nadwyżką dwutlenku węgla w przyrodzie. Ziemia sobie z tym nie poradzi? A najbardziej mnie śmieszą dodatki do czegoś tam biopaliw tj. bioetanol w celu redukcji emisji CO2 no istny absurd

Tacy jak ty będą się wysilać i prężyć byle by wcisnąć kit porządnym ludziom. Wymyślono teraz nowy o absorbcji promieniowania przez CO2 i dalej z uporem wciskanie kitu. CO2 w jeszcze niższych stężeniach niż aktualnie absorbowało by i tak tyle samo fal w tym zakresie więc podwyższanie stężenia mało zmieni. Odpowiedzialne za trzymanie ciepła według mnie może być para wodna, chmury.

Jeżeli chodzi o wyniki badań to w mojej ocenie klimatolodzy “wierzący” nie mają za grosz obiektywizmu i teorię o globasie kutasie przyjmują za pewnik. Tym czaem nie ma jeszcze dowodów naukowych na istnienie tego zjawiska. No chyba że badania pani która w telewizji pokazuje dwie butelki i ogrzewa je żarówkami uznać z naukowe odkrycie to się zgodzę (pewnie wiesz o czym mówię). Według mnie czasopismo ekologiczne nie odważy się podać artykułu naukowego “przeciwko” bo by wywołało kontrowersje jak wcześniej wspomniałeś i nie będą ryzykować. Dlatego artykuł ukazał się w jakimś medicinal sience czy cos takiego

Gammon No.82
Gammon No.82
9 years ago

@Piotr
Poszukam poważnych publikacji

Powodzenia. Od czegoś trzeba zacząć.

PTR
PTR
9 years ago

Witam,
Czy “kula śnieżna Ziemia” to już fachowe określenie na “Snowball Earth” (lub “Snowball event”)? “Snowball” to “śnieżka”. Ja bym proponował nazwę “Ziemia-śnieżka”.

pozdrawiam

pohjois
pohjois
9 years ago

Na blogu Elli Rabeta pojawiło się video z wykładu/debaty Andy Desslera z Richardem Lindzenem. W tej debacie jak się wydaje zgodzili się obaj z oszacowaniem podstawowej czułości klimatu na podwojenie CO2 w wysokości 1.2 K.
http://rabett.blogspot.com/2010/10/andy-dessler-smokes-richard-lindzen.html

A poza tym ditlenek węgla powoduje u mnie ból zębów promieniujący do czaszki. Mam nadzieję, że chemicy jednak wrócą u siebie do przyjętej powszechnie nazwy.

doskonaleszare
9 years ago

@pohjois

1,2 K to wartość czułości bez sprzężeń, i można ją znaleźć na s. 78 pierwszego raportu IPCC 😉

Lindzen twierdzi natomiast, że sprzężenia są słabe i niwelują się wzajemnie, Dessler – wręcz przeciwnie.

BTW Dessler właśnie opublikował fajny artykuł debunkujący popularny argument denialistów “reanaliza NCEP pokazuje spadek wilgotności ergo nie ma sprzężenia związanego z parą wodną”.

pohjois
pohjois
9 years ago

Rzeczywiście, słuchając tych wykładów stwierdziłem, że umysł pana Lindzena musi być dość skomplikowany. Bo z jednej strony zgodził się z czułością wyjściową wielkości 1.2, zaprezentował dość istotną dziurę w wiedzy na temat temperatur w górnych warstwach atmosfery (cytował dwa raporty opierające się na bezpośrednich pomiarach temperatur gdzie wykazana była niezgodność z ogrzewaniem przez gazy cieplarniane) na który Dessler miał odpowiedź w postaci raportu opierającego się o pomiary niebezpośrednie.
Czyli się zachował jak normalny naukowiec dyskutujący o świecie.
Z drugiej strony nie odniósł się właściwie w żaden sposób do głównej tezy Desslera, że jest ogromna ilość danych wskazujących na takie a nie inne wartości sprzężeń cząstkowych i ogromna ilość danych wskazujących spójnie na występowanie globalnego ocieplenia.
Zastosował kiepski chwyt z pokazywaniem zmienności danych dziennych indywidualnych implikując, że trend średniej takiej niewielkiej skali nie ma żadnego znaczenia w żaden sposób nie odnosząc się do zaprezentowanych przez Desslera danych – że średnia różnica temperatur między zlodowaceniami a dzisiaj to było tylko 5 stopni.

Generalnie ze strony Lindzena dyskusja na poziomie blogowych denialistów, dokładnie odpowiadająca opisanej przez Desslera strategii siania wątpliwości.

Problem polega na tym, że gdybym nie był fizykiem interesującym się amatorsko tematyką, to po tej debacie odniósłbym dokładnie takie wrażenie o jakie chodzi denialistom – że “science is not settled”.

pohjois
pohjois
9 years ago

Myślę, że nie każdy inteligentny człowiek jest dobrym manipulatorem ;-).
Natomiast obraz Lindzena po tym jego wystąpieniu jest dla mnie bardzo negatywny. Wygląda rzeczywiście na bardzo sprawnego manipulatora.

pohjois
pohjois
9 years ago

Nic nie znalazłem o związkach Lindzena z przemysłem tytoniowym. Masz jakiś link?
Swoją drogą – facet chyba niedługo przejdzie na emeryturę, więc jego siła rażenia spadnie…

pohjois
pohjois
9 years ago

Nie zgłaszam sprzeciwu.

Pawel
Pawel
9 years ago

temperaturą średnią „efektywną” jaką powierzchnia Ziemi… Szanowny panie sam pan wie że nie istenieje coś takiego jak średnia temperatura poza tym nie ma przydządu którym można by było ją zmierzyć

whiteskies
whiteskies
9 years ago

@arctic

Nie wiesz kto mu to powiedział???
To z tego słynnego gniota “Falsification Of
The Atmospheric CO2 Greenhouse Effects
Within The Frame Of Physics” gdzie wybitna spólka Gerlichi i Tscheuschner w abstrakcie piszą:
“By showing that (a) there are no common physical laws between the warming phenomenon in glass houses and the fictitious atmospheric greenhouse effects, (b) there are no calculations to determine an average surface temperature of a planet, (c) the frequently mentioned difference of 33 ◦ C is a meaningless number calculated wrongly, (d) the formulas of cavity radiation are used inappropriately, (e) the assumption of a radiative balance is unphysical, (f) thermal conductivity and friction must not be set to zero, the atmospheric greenhouse conjecture is falsified.”

Wtajemniczonym polecam formalną replikę na tego gniota którą napisał A.P.Smith:
http://arxiv.org/abs/0802.4324v1

whiteskies
whiteskies
9 years ago
pdjakow
9 years ago

Pył diamentowy fantastycznie wygląda w słoneczne dni, kiedy temperatura wynosi grubo poniżej -10. Parę razy mi się udało go zobaczyć w takich warunkach – raz w Zielonej Górze w grudniu 1996, a ostatnio we Wrocławiu w styczniu 2006 bodajże.

pdjakow
9 years ago

Ekstrapolując te warunki dalej, następnym razem zobaczę go w okolicy Ostrawy w 2016 😉

oe
oe
1 year ago

Dziwne, ze chmury maja 75%, a para wodna zaledwie 10% tego co bylo w czasie t=0.