Klimat Ziemi z perspektywy kosmosu

Wpływ otoczenia kosmicznego na klimat Ziemi wywołuje w ostatnim pół procencie jej wieku epoki lodowcowe, a w ostatnim pół promilu ich trwania szerokie naukowe kontrowersje (w ostatnich 100 latach). Epoka lodowcowa trwała nieprzerwanie przez ostatnich 2,5 miliona lat (spośród 4540 milionów odkąd istnieje Ziemia) z krótkimi przerwami interglacjałów, czyli cieplejszych okresów. Interglacjały trwają od 10 do 15 tysięcy lat, podczas gdy następujące po nich okresy zlodowaceń są kilka razy dłuższe. Ostatni interglacjał rozpoczął się 11 tysięcy lat temu, posługując się więc analogią – kolejna epoka lodowcowa powinna być tuż za progiem.

Ale co je wywołuje?

Na klimat Ziemi w skali kosmicznej działa wyłącznie Słońce. Nie ma żadnego innego znaczącego czynnika. Jednak powyższe zdanie staje się skomplikowane w szczegółach, bo oznacza, że decydujący wpływ na klimat ma interakcja Ziemi ze Słońcem, a nie własności naszej gwiazdy sensu stricto. W praktyce oznacza to, że oprócz ilości wypromieniowywanej energii i wielkości Słońca – decydujący wpływ na klimat ma ruch orbitalny Ziemi wokół niego, co przekłada się na odległość (intensywność promieni) i nachylenie naszej planety (kąt padania promieni).

W skali czasowej, która ma tutaj znaczenie – zaledwie ostatnich 2,5 miliona lat – efekt zmian jasności Słońca można pominąć, bo przebiegająca w nim przemiana paliwa fuzyjnego jest powolna, dodatkowo podgrzewając gwiazdę dopiero w skali miliardów lat. Istotne są więc tylko właściwości ziemskiej orbity.

Orbita Ziemi w Układzie Słonecznym podlega wpływom nie tylko Słońca, lecz również innych planetarnych gazowych gigantów (Jowisz i Saturn). Wywołuje to istotne zaburzenia w naszym ruchu wokół Słońca.

Zmianie ulega geometryczny mimośród, czyli jak geometrycznie elipsoidalna bądź kołowa jest ziemska orbita. Jest to stosunek odległości ogniska od środka elipsy i długości półosi wielkiej orbity (ekscentryczność orbity). Zmiana przebiega w cyklu 100000-letnim. Gdzie podczas skrajnie elipsoidalnej fazy maksymalna odległość od Słońca (przy aphelium) jest około 30% większa niż minimalna odległość (przy peryhelium).

Ten ruch orbitalny ma różne relacje wobec pór roku wywoływanych nachyleniem osi obrotu Ziemi wobec Słońca. Akurat obecnie półkula północna przeżywa zimę w trakcie zbliżenia się do Słońca, a lato podczas oddalenia, co wywołuje wpływ w postaci ocieplenia. Tylko północna półkula ma znaczenie w cyklu zlodowacenia – z powodu niskiej pojemności cieplnej masy lądów w stosunku do oceanów, przez co lód tworzy się łatwiej tylko na północy i przez to nawarstwia w kolejnych setkach lat, dzięki zwiększonemu albedo (łac. białość), czyli stosunkowi promieniowania odbitego do padającego.

Zmianie ulega również oś rotacji Ziemi obiegająca ją samą w cyklu 26000-letnim oraz precesji ulega też punkt aphelium względem płaszczyzny Układu Słonecznego (tzw. ekliptyki), co przesuwa moment występowania pór roku względem położenia na orbicie. Aby lepiej wyobrazić sobie precesję względem ekliptyki, najlepiej jest patrzeć na układ z góry – z centralnym punktem w postaci Słońca, gdzie ziemska orbita przesuwa wydłużoną cześć elipsy obracając jej skrajny punkt wokół gwiazdy. Wszystko powyższe wywołuje 21000-letni cykl decydujący o tym, czy zima na Ziemi na półkuli północnej jest umiarkowana, bo wypada przy większym zbliżeniu do Słońca, czy długa i mroźna, bo wypada podczas skrajnego oddalenia Ziemi od Słońca i to przy największym elipsoidalnym rozciągnięciu orbity.

Zima w aphelium jest dłuższa nie tylko dlatego, że przy większej odległości do Ziemi dociera mniej światła, lecz przede wszystkim dlatego, że czysto fizycznie Ziemia przebywa przestrzeń kosmiczną wolniej, gdy jest daleko od Słońca. Najpierw oddalaniu przeciwdziała słoneczna grawitacja (Ziemia na swej drodze spowalnia), a po osiągnięciu maksymalnego oddalenia – na liniowej prędkości po orbicie nie tak od razu odciska swe piętno efekt przyspieszenia w kierunku Słońca. Stały jest tylko element opisywany przez promień wodzący poprowadzony od Słońca do Ziemi, który w równych odstępach czasu zakreśla na płaszczyźnie orbity równe pola (II prawo Keplera – matematycznego fundamentu teorii grawitacji Newtona).

Do tego należy dodać także skrajność samych pór roku, które wywołuje stopień pochylenia osi obrotu Ziemi. Gdyby nie było pochylenia na półkuli północnej (tylko ona ma znaczenia w cyklu zlodowacenia), ciągle panowałaby wiosna i nie byłoby ani lata, ani także zimy. Im większe jest nachylenie, tym bardziej ekstremalne cykle ciepła i zimna. Pochyłość osi obrotu Ziemi wynosi obecnie 23,5 stopnia i zmienia się od 22,1 do 24,5 stopni w cyklu 41000-letnim. Oznacza to, że obecnie doświadczamy 58% z maksymalnego poziomu ekstremów pór roku. Teoretycznie im bardziej skrajne pory roku, tym bardziej skrajne są zimy. Lecz paradoksalnie to niskie nachylenie osi obrotu wywołuje zlodowacenia, bo przy braku ekstremów nawarstwiające się pokłady lodu nie mogą w pełni roztapiać się podczas lata (wysokie szerokości geograficzne nigdy nie otrzymują dość energii).

Oto wszystkie czynniki w znaczący sposób decydujące o klimacie na Ziemi. To one doprowadziły w ostatnich milionach lat do krótkich okresów wysokiej temperatury w ciągle pogłębiającej się erze zlodowaceń. Najważniejszy z nich to nachylenie osi obrotu Ziemi (cykl 41000-letni). To on decydował o krótkich cieplejszych okresach w ciągu ostatnich kilku milionów lat, aż do ostatnich 900 do 800 tysięcy lat. Wtedy to cykl związany z nachyleniem przestał być decydujący, bo przestał wystarczać do odmrożenia. W skali milionów lat poziom zlodowacenia Ziemi ciągle narasta – średnia temperatura w ciągu ostatnich 6 milionów lat obniżyła się bowiem aż o 3 stopnie Celsjusza. Oznacza to, że mniej więcej przed 900 tysiącami lat zwiększenie intensywności lata poprzez osiągnięcie 24,5 stopnia nachylenia obrotu Ziemi było czynnikiem koniecznym, ale niewystarczającym do cofnięcia się lądolodów.

Do tego potrzeba było dopiero nałożenia się wszystkich trzech pozytywnych temperaturowo zmian orbitalnych, aż do osiągnięcia skumulowanego efektu w postaci wysokiego kąta nachylenia (24,5 stopnia) dla intensywnego lata i zimy, ale przy lecie przypadającym akurat w aphelium, przy jednoczesnym zmniejszeniu elipsoidalności orbity Ziemi. Taki zbiorczy cykl przebiega dużo rzadziej, bo raz na 100 tysięcy lat. Cykl ekscentryczności – wydłużenia elipsoidalności orbity – jest najdłuższy, dlatego zmiany klimatu (w praktyce są to krótkie okresy odmrożenia z ery permanentnego zlodowacenia) dostosowują się właśnie do niego. Te ostatnie wahania temperatury możemy obserwować dużo dokładniej na plastrach odwiertów lodowych mogących datować własności atmosfery aż do ostatnich 420 tysięcy lat.

Oznacza to, że przez ostatnich milion lat Ziemia była już tak głęboko w erze zlodowacenia, że nie rozmrażało jej to, co uprzednio – intensywniejsze lata, czyli same pory roku. W trakcie ekstremalnych zlodowaceń z ostatnich 500 tysięcy lat średnia temperatura na Ziemi bywała niższa aż o 8 stopni, a w ekstremalnych okresach nasłonecznienia wyższa o 2, a czasami nawet o 3 stopnie cieplejsza niż obecnie.

Co nas czeka w przyszłości z punktu widzenia orbitalnego wpływu, czyli wpływu Słońca na klimat Ziemi?

Cykl intensywności pór roku, czyli pochylenie osi obrotu Ziemi, obecnie zmierza w kierunku coraz bardziej umiarkowanych pór roku, co sprzyja zlodowaceniu (śniegów zimy nie zdążą roztopić mniej intensywne lata), i osiągnie ekstremum (22,1 stopnia) za około 12 tysięcy lat. Drugi z ważnych cykli – umiejscowienie lata w ekliptyce orbity, również powoli przesuwa się w kierunku ochładzania klimatu i osiągnie ekstremalną (największa odległość od Słońca) i długą zimę przy aphelium za około 10 tysięcy lat. Trzeci z cykli, ten aktualnie decydujący o wszystkim 100000-letni cykli ekscentryczności orbity (jej elipsoidalności – wydłużenia), działa wprost przeciwnie, zwiększając kulistość orbity Ziemi. Nie wszystkie czynniki działają więc w kierunku zlodowacenia – trzeci przeciwdziała dwóm poprzednim. To dlatego ostatni okres ciepła utrzymuje się aż tak długo, a z powodu głębszego, bo aż 400000-letniego cyklu, ekscentryczność w najbliższych tysiącach lat spadnie praktycznie do zera, co sprzyja globalnemu ociepleniu.

Niektórzy twierdzą, że naukowcy mówią o problemie globalnego ocieplenia od niedawna, motywowani nie całkiem obiektywnymi pobudkami finansowymi. Oto fragment artykułu, który ukazał się dokładnie 150 lat temu na łamach miesięcznika naukowego Scientific American:

„Pierwotna atmosfera ziemi była znacznie bogatsza w gaz kwasu węglowego (czyli dwutlenek węgla –przyp. tł.) niż obecna, w związku z tym nie nadawała się do oddychania przez zwierzęta stałocieplne. Już od dawna znana jest rola roślin w oczyszczaniu takiej atmosfery. Dr Tyndall w swoich badaniach dotyczących promieniowania cieplnego stwierdził, że już zaledwie kilka tysięcznych części kwasu węglowego w atmosferze, choć nie zatrzymuje w żadnym stopniu promieni słonecznych, jednak zapobiega prawie całkowicie utracie promieniowania cieplnego. Dlatego powierzchnia lądu znajdującego się pod taką atmosferą byłaby niczym wielka szklarnia, w której warunki klimatyczne sprzyjające rozwojowi bujnej roślinności rozciągałyby się aż do rejonów okołobiegunowych” (tłum. własne).

Przed stu pięćdziesięciu laty znano więc wpływ na klimat nawet niewielkich emisji dwutlenku węgla. Z kolei przed stu laty naukowcy zaczynali już podejrzewać, że tak dynamicznej przemiany klimatycznej nie mogła wywoływać zbyt powolna natura.

Pierwszym poważnym artykułem naukowym opisującym problem wywołanego przez człowieka globalnego ocieplenia opisał szwedzki naukowiec Svante Arrhenius (1859 – 1927), który korzystał z wielu wcześniejszych osiągnięć takich badaczy jak: Josef Stefan, Arvid Gustaf Högbom, Samuel Langley, Leon Teisserenc de Bort, Knut Angstrom, Alexander Buchan, Luigi De Marchi, Joseph Fourier, C.S.M. Pouillet, a także wspomniany już John Tyndall.

W 1895 roku przedstawił on Sztokholmskiemu Towarzystwu Fizycznemu swój artykuł zatytułowany: „O wpływie bezwodnika kwasu węglowego w powietrzu na temperaturę powierzchni” (ang. On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground), w którym prognozował dalszy wzrost temperatury spowodowany emisją dwutlenku węgla do atmosfery. Nie doszacował przy tym aż tak dynamicznego poziomu zwiększenia przemysłowych emisji. Przeszacował natomiast wpływ tych emisji na temperaturę, nie uwzględniając, że znaczną większość początkowo emitowanych gazów pochłaniały jeszcze nieprzesycone oceany. Co więcej, sama pojemność cieplna oceanów redukowała ogrzewanie występujące nad lądami.

Na potrzeby swojego artykułu Arrhenius dokonał prostych, bo zaledwie dwuczynnikowych obliczeń wpływu na temperaturę powierzchni głównego gazu cieplarnianego planety – pary wodnej oraz właśnie dwutlenku węgla. Już wtedy udało mu się dokonać prognozy, że dwuipółkrotny bądź trzykrotny wzrost poziomu dwutlenku węgla w atmosferze wywoła ocieplenie Arktyki aż o 8 lub 9 stopni.

Link do oryginalnego artykułu szwedzkiego naukowca z 1895 roku - On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground:
https://drive.google.com/file/d/17MSiGcVWt3ZI1LrKuzS6U0ODTGQEhZO6/view?usp=sharing

W osiem lat później, na podstawie analogii sformułowanej 50 lat wcześniej przez Johna Tyndalla, Svante Arrhenius dodatkowo sformułował już teorię tzw. efektu szklarniowego (ang. Hot-House Theory of the atmosphere), którą próbował spopularyzować, wydając w 1903 roku popularnonaukową książkę pt. „Podręcznik fizyki kosmicznej” (niem. Lehrbuch der kosmischen Physik). Jego idea nie rozprzestrzeniła się szybko, bo problem, jaki opisywała, wydawał się odległy, jednak już wtedy formułowano alarmistyczne prognozy w oparciu o obliczalne konsekwencje.

Oto artykuł, jaki ukazał się 14 sierpnia 1912 roku w jednej z nowozelandzkich gazet (Otamatea Times):

“Wpływ zużycia węgla na klimat
Piece na całym świecie spalają obecnie 2 miliardy ton węgla rocznie. Kiedy jest on spalany, łącząc się z tlenem, dodaje on w okolicach 7 miliardów ton dwutlenku węgla do atmosfery. Sprawia to, że powietrze staje się cieplejszym kocem dla Ziemi i podnosi jej temperaturę. Ten efekt w nadchodzących stuleciach może się okazać znaczący” (tłum. własne).

Zbigniew Galar

Link do pierwszego miejsca publikacji tekstu:
http://tosterpandory.pl/klimat-ziemi-z-perspektywy-kosmosu/