Znaczący wpływ chmur na ocieplenie klimatu

Ten materiał prezentujemy w ramach współpracy z Patronite.pl. Jacek Baraniak jest założycielem grupy Antropogeniczne Zmiany Klimatu i środowiska naturalnego, oraz twórcą blog klimatziemi.pl, popularyzator wiedzę o zmianach klimatu. Możesz wspierać autora bezpośrednio na jego profilu na Patronite.

Rola chmur w klimacie (w uproszczeniu):

– chmury wysokie przepuszczają większość padającego na nie promieniowania słonecznego, ale zatrzymują wypromieniowywane przez Ziemię promieniowanie podczerwone, powodując wzrost średnich temperatur,

– chmury niskie silnie rozpraszają promieniowanie słoneczne, powodując spadek średnich temperatur powierzchni Ziemi.

Coraz wyższy wzrost temperatury w atmosferze sprawia, że niska graniczna atmosfera "wysycha", na co zwrócił uwagę już w 2014 roku Steven Sherwood z Centrum Badań nad Zmianą Klimatu i Centrum Doskonałości ARC dla Nauk o Systemie Klimatu na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii w Sydney wraz ze swoimi współpracownikami: Sandrine Bony i Jeanem-Louisem Dufresne z Laboratorium Dynamicznej Meteorologii i z Instytutu im. Pierre’a Laplace’a na Uniwersytecie Pierre’a i Marii Curie (LMD/IPSL) w Paryżu 2.

Przyczyną jest zanikanie tworzenia stratocumulusów, głównie nad oceanami, z powodu mieszania się powietrza z różnych warstw atmosfery i zapobiegania tworzenia się głębokiej konwekcji, co z kolei skutkuje tym, że para wodna wędruje na wyższe wysokości, gdzie się ona skrapla i tworzy więcej chmur średnich i wysokich dających mniej deszczu i słabsze albedo niż chmury niskie. Oznacza to, że sprzężenie zwrotne jest dodatnie, dające większy efekt ocieplenia klimatu.

Na powyższym rysunku, na mapach, pokazana jest prędkość wzrostu ciśnienia ω w ciągu jednego miesiąca (wrzesień), na podstawie wartości podanych z: a) reanalizy MERRA , b) modelu IPSL-CM5A i c) modelu IPSL-CM5B , przy ciśnieniu 850 hPa (kolor czerwony) oraz przy ciśnieniu 500 hPa (kolor niebiesko-zielony).

Kolor jasnoczerwony oznacza wznoszenie, które które jest obciążone w kierunku niższej troposfery z dywergencją (rozbieżnością) środkowej troposfery. Z kolei jaśniejsze kolory oznaczają głębokie wznoszenie, a ciemniejsze opadanie. Na panelu czarne linie zarysowują region, w którym obliczany jest indeks mieszania D w niższej troposferze na dużą skalę. Region międzytropikalnej strefy konwergencji Pacyfiku i Atlantyku są konsekwentnie czerwone w reanalizach i modelach, podczas gdy pojedyncze czerwone plamy w innych mają tendencję do zmiany w czasie.

Jeszcze w trakcie ukazania się V Raportu Oceny IPCC (2013-14) dla decydentów, autorzy powyższej pracy na jej wstępie tak napisali:

Równowagowa czułość klimatu odnosi się do ostatecznej zmiany średniej globalnej temperatury w odpowiedzi na zmianę wymuszeń zewnętrznych. Pomimo dziesięcioleci badań próbujących zawęzić niepewność, szacunki równowagowej czułości klimatu, na podstawie modeli klimatycznych, nadal obejmują około 1,5 do 5 stopni Celsjusza, co oznacza podwojenie stężenia dwutlenku węgla w atmosferze, uniemożliwiając dokładne prognozy przyszłego klimatu. Rozprzestrzenianie się wynika w dużej mierze z różnic w sprzężeniu zwrotnym z niskich chmur, z powodów, które nie zostały jeszcze poznane.

Tutaj pokazujemy, że różnice w symulowanej sile mieszania konwekcyjnego między dolną i środkową troposferą zwrotnikową wyjaśniają około połowy wariancji czułości klimatu oszacowanej przez 43 modele klimatyczne. Pozornym mechanizmem jest to, że takie mieszanie powoduje odwodnienie warstwy granicznej niskich chmur, w tempie, które wzrasta wraz z ociepleniem klimatu, a ta szybkość wzrostu zależy od początkowej siły mieszania, łącząc mieszanie ze sprzężeniem zwrotnym z chmurami.

Mieszanie wywnioskowane z obserwacji wydaje się być wystarczająco silne, aby sugerować czułość klimatyczną większą niż 3 stopnie na podwojenie dwutlenku węgla. Jest to znacznie wyższa wartość niż obecnie akceptowana dolna granica 1,5 stopnia, co ogranicza prognozy modelowe w kierunku stosunkowo poważnego przyszłego ocieplenia.

Ocieplenie klimatu - zmiany wzorców chmur

Joel Norris z Instytutu Oceanografii im. Scrippsa (Scripps Institution of Oceanography) na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, w Ja Jolla, wraz ze swoim zespołem badawczym, dzięki badaniom satelitarnym, stwierdził, że wraz z dalszym wzrostem globalnej temperatury chmury wędrują też wzdłuż szerokości geograficznych.

Naukowcy zaobserwowali trzy zmiany istotne względem przesuwania się chmur. Mianowicie; z obszarów suchych subtropikalnych, jak pustynie: Sahara na północnej półkuli i Kalahari na południowej półkuli, chmury przesuwają się w kierunku biegunów. Również z obszarów średnich szerokości geograficznych, tez na obu półkulach, tory burzowe także przesuwają się w kierunku biegunów, co obserwują satelity. Wniosek z tego wypływa taki, że mniejsze zachmurzenie nad oceanami sprawi, że więcej energii słonecznej pochłoną oceany, jeszcze bardziej przyczyniając się do globalnego ocieplenia.

Ponadto badacze stwierdzili, że coraz cieplejsza atmosfera sprawia, że w niej tworzy się coraz więcej chmur na większych wysokościach. A to oznacza, że noce w pochmurne dni będą jeszcze bardziej gorące, gdyż mniej promieniowania w zakresie fal w podczerwieni będzie uchodzić w przestrzeń kosmiczną.

Joel Norris dla Carbon Brief wyjaśnił:

Chmury ograniczają również emisję termicznego promieniowania podczerwonego w przestrzeń kosmiczną – dlatego pochmurne noce są cieplejsze niż pogodne noce. Wzrost wierzchołka chmur skutecznie zagęści "koc chmur" i zmniejszy emisję termicznego promieniowania podczerwonego w przestrzeń kosmiczną, co również doprowadzi do większego globalnego ocieplenia.

Autorzy powyższej pracy na jej wstępie piszą:

Tutaj pokazujemy, że kilka niezależnych, empirycznie skorygowanych zapisów satelitarnych wykazuje wielkoskalowe wzorce zmian chmur między latami 80 a 2000 latami., które są podobne do tych wytwarzanych przez modelowe symulacje klimatu z niedawnym historycznym zewnętrznym wymuszeniem radiacyjnym.

Obserwowane i symulowane wzorce zmian chmur są zgodne z wycofywaniem się w kierunku biegunów torów burzowych na średnich szerokościach geograficznych, rozszerzaniem się subtropikalnych stref suchych i rosnącą wysokością najwyższych wierzchołków chmur na wszystkich szerokościach geograficznych.

Wydaje się, że głównymi czynnikami tych zmian w chmurach są rosnące stężenia gazów cieplarnianych i wpływ wulkanicznego chłodzenia radiacyjnego. Wyniki te wskazują, że zmiany chmur najbardziej konsekwentnie przewidywane przez globalne modele klimatyczne zachodzą obecnie w przyrodzie.

Ubywa chmur lodowych

Z pracy naukowej, której autorami są Jenny Bjordal ,Trude Storelvmo i Tim Carlsen z Wydziału Nauk o Ziemi na Uniwersytecie w Oslo oraz Kari Alterskjær z Centrum Międzynarodowych Badań Klimatu i Środowiska (CICERO) również w Oslo, dowiadujemy się, że chociaż niskie chmury uwodnione dają większy efekt albedo ochładzając klimat aniżeli te same wysokie chmury lodowe, to i tak gdy ocieplenie klimatu sprawia, że tych drugich ubywa, to tych pierwszych jednak nie przybywa na tyle dużo by było znacząco duże zachmurzenie i opady deszczu.

Naukowcy tych cennych informacji na temat zmienności chmur dowiedzieli się dzięki symulacjom środowiskowego modelu systemu Ziemi w fazie 2 (CESM2 – Community Earth System Model phase 2), w okresie przyszłych 150 lat, który oszacował średnio równowagową czułość klimatu (ECS – Equilibrium Climate Sensitivity) na 5,3 stopnia Celsjusza.

Na podstawie powyższego rysunku, dr Tim Carlsen, współautor badania, w serwisie Carbon Brief zwrócił szczególną uwagę na dynamikę sprzężenia zwrotnego chmur 6:

Nasze symulacje rzeczywiście pokazują, że za wysokiemu ECS odpowiada ogólnie całkowite dodatnie sprzężenie zwrotne chmur. Ale w szczególności pokazują te symulacje, że dodatnie sprzężenie zwrotne w chmurze wzmacnia się z czasem.

Głębokość optyczna chmur

Aby to zrozumieć, musimy przyjrzeć się różnym wkładom w sprzężenie zwrotne chmur. W naszych symulacjach zmiany wysokości chmur (21%) i ilości chmur (16%) mogą wyjaśnić tylko niewielką część zmiany sprzężenia zwrotnego. Głównym czynnikiem przyczyniającym się do tego jest zmiana ilości światła słonecznego odbijanego przez chmurę, która jest również znana jako "głębokość optyczna" chmur (63%).

Głębokość optyczna chmur zależy głównie od całkowitej ilości wody w chmurze i jej fazy. Byliśmy w stanie zidentyfikować Ocean Południowy jako region, w którym nastąpi większość zmian głębokości optycznej.

W pierwszej dekadzie symulacji głębokości optycznej sprzężenia zwrotnego nad Oceanem Południowym było silnie ujemne. Widać to po ciemnoniebieskim cieniowaniu regionu na górnej mapie poniżej. Nie jest to zaskoczeniem, ponieważ wiadomo, że Ocean Południowy obfituje w chmury o mieszanych fazach. Jeśli przypomnimy sobie nasz wcześniejszy eksperyment myślowy, w chmurach jest dużo lodu, który po ociepleniu staje się płynny, zwiększając w ten sposób głębokość optyczną chmur i ochładzając powierzchnię.

Analizując złożoną i chaotyczną dynamikę chmur w systemie klimatycznym Ziemi od 2020 do do 2170 roku, badacze oszacowali, że w ciągu pierwszego okresu 15 lat jeszcze jest umiarkowana przewaga dodatnich sprzężeń zwrotnych nad ujemnymi, ale gdy badacze wzięli pod obserwację w symulacjach ostatni okres 15 lat (już w 2 połowie XXII w.), to dodatnie sprzężenia zwrotne bardzo wyraźnie przeważają nad ujemnymi.

Symulacje CESM2 pokazały, że po 150 latach ujemne sprzężenie zwrotne prawie zniknęło na Oceanie Południowym (które dziś jeszcze przeważa w tamtym regionie Ziemi), za to już pojawiło się.

Ogólnie mówiąc, w drugiej połowie XXII wieku może wystąpić wyższa równowagowa czułości klimatu z powodu spadku niskiego zachmurzenia. I w takim razie można wyciągnąć taki wniosek, że rośnie ona wraz z dalszym zmniejszaniem się ilości niskich chmur uwodnionych.

Aczkolwiek paradoksalnie, gdy w chłodniejszym klimacie mieliśmy więcej wysokich chmur lodowych słabiej odbijających promienie słoneczne, a silniej absorbujących promieniowanie podczerwone, wówczas ilość takich chmur dramatycznie spadła, zwłaszcza nad oceanami. A na ich miejsce pojawiła się większa ilość niskich chmur uwodnionych powodujących silniejsze ochłodzenie klimatu.

Jednak obecnie, gdy klimat ociepla się, naukowcy zaobserwowali, że gdy ubywa chmur lodowych, toteż zaczęło jeszcze szybciej ubywać chmur uwodnionych. Dlatego też czułość klimatu według zestawu modeli CMIP6 jest obliczana na 5-6 stopni Celsjusza powyżej okresu 1850-1900, z powodu narastania dodatniego sprzężenia zwrotnego, właśnie z przyczyny zanikania wspomnianych chmur uwodnionych.

Jedna z najnowszych prac na temat interakcji: chmura – aerozol, wskazuje na podstawie symulacji modelowania chmur, że równowagowa czułość klimatu (ECS), którą pokazuje większość modeli z zestawu CMIP6, jest nie tylko wyższa niż w poprzednim zestawie CMIP5, ale również to, że pokazuje podobne efekty równoważenia się emisji dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych w kontrze do chłodzących emisji aerozoli, ale tylko przez większą część XX wieku.

Chenggong Wang i Gabriel Vecchi z Programu Nauk Atmosferycznych i Oceanicznych na Uniwersytecie w Princeton, Brian Soden ze Szkoły Nauk Morskich i Atmosferycznych im. Rosenstiela na Uniwersytecie w Miami oraz Wenchang Yang z Wydziału Nauk o Ziemi na Uniwersytecie w Princeton dokonali w swojej pracy badawczej analizy w okresie 1850-2014 na podstawie przeprowadzonych symulacji dziewięciu modeli B9 i dziewięciu modeli T9.

Naukowcy wykonali niezależny dwupróbkowy test studenta t, aby rozróżnić statystycznie istotne cechy w tychże modelach. I zaobserwowali, że kompensacja w interakcji: gazy cieplarniane – aerozole, nie występuje w przyszłych scenariuszach emisji gazów cieplarnianych (GHG – Greenhouse Gases), w których przewiduje się, że emisje aerozoli ulegną zmniejszeniu w miarę dalszego wzrostu CO2 i innych gazów cieplarnianych. A więc, oznaczać to będzie zmaksymalizowanie dodatniego sprzężenia zwrotnego w przyszłości przy kontynuacji obecnych emisji według scenariusza "biznes jak zwykle".

Na powyższym rysunku, modele o mniejszej czułości na klimat są bardziej zgodne z obserwowanymi różnicami temperatur, szczególnie między półkulą północną i południową.

Oba wykresy przedstawiają:

a) zmiany rocznej średniej temperatury powierzchni

b) zmiany różnicy temperatur między półkulą północną i południową w latach 1850-2000

Czerwona linia reprezentuje modele T9 o wysokiej czułości na klimat, a niebieska linia reprezentuje modele B9 o niskiej czułości na klimat.

Czarna linia pokazuje obserwowane fluktuacje temperatury zebrane przez NASA Goddard Institute for Space Studies projekt analizy temperatury powierzchni, które są bardziej zbliżone do niebieskiej linii, jeśli chodzi o temperaturę między półkulami.

Szare tła wskazują lata, w których różnice między modelami o wysokiej i niskiej czułości na klimat są znaczące.

Na lewym panelu rysunku, ukazany jest parametr ΔTs , czyli przyrost temperatury powierzchni w stopniach K (Kelwina). Natomiast prawy panel przedstawia dodatkowo skróty NH-SH (północna półkula-południowa półkula).

Do obliczenia siły sprzężenia zwrotnego chmur, naukowcy zastosowali tzw. jądra radiacyjne wzięte z modelu GFDL (Brian Soden i inni, 2008), w celu uzyskania odpowiedzi radiacyjnej na szczycie atmosfery (TOA – Top of Atmosphere) wymuszonej zmianami temperatury, pary wodnej, albedo powierzchni i chmur.

Modele klimatyczne dotychczas pokazywały, że większa ilość aerozoli jest na półkuli północnej, aniżeli na południowej, co jest sprzeczne z obserwacjami, wykonanymi na podstawie globalnej analizy obserwacji temperatury powierzchni, wziętej z danych GISS Surface Temperature Analysis version 4 (GISTEMP v4).

Ze względu na większy efekt chłodzenia w interakcji: aerozol – chmura (ACI – Aerosol, Cloud – Interaction), modele T9 (czerwona linia) symulują nieco chłodniejsze anomalie temperatury powierzchni od połowy do końca XX wieku w porównaniu z modelami B9 (niebieska linia), pomimo, że modele T9 mają bardziej dodatnie sprzężenie zwrotne chmur i wyższą równowagową czułość klimatu (ECS).

Chociaż, jak piszą autorzy w pracy, ta różnica między anomalią temperatury powierzchni w modelach B9 i T9 jest niewielka, to jest ona uśredniona globalnie. Asymetria obu półkul Ziemi pod względem historycznego wymuszania aerozolu powoduje z kolei znaczne różnice asymetryczne w ociepleniu międzypółkulowym.

Na podstawie symulacji komputerowych zespół naukowy Chenggonga Wanga podał informację w swojej publikacji, że dalszy wzrost temperatur pod koniec XX wieku ukazał, że asymetria międzypółkulowa w ewolucji temperatur pod koniec XX wieku odróżnia modele T9 i B9. Te pierwsze pokazały symulacje bardziej nagrzanej półkuli południowej (SH – Southern Hemisphere) niż północnej (NH – Northern Hemisphere) w ostatnim stuleciu, na podstawie nie tylko silniejszego sprzężenia zwrotnego chmur, ale i pośredniego efektu aerozolowego w interakcji z nimi, co jest sprzeczne z wynikami pomiarowymi na podstawie obserwacji. Z kolei, te drugie, pokazały symulacje, w których wprawdzie jest słabsze sprzężenie zwrotne chmur, ale i też pośredni efekt aerozolowy jest mniejszy, co jest bardziej zgodne z obserwacjami.

Symulacje pokazały, że różnice w asymetrii ocieplenia, między obu półkulami, pomiędzy modelami T9 i B9 są szczególnie wyraźne w latach 1950-2000.

Podsumowując temat, naukowcy odkryli, że modele o niższej czułości klimatycznej są bardziej zgodne z obserwowanymi różnicami temperatury między półkulą północną i południową, a zatem stanowią dokładniejszy obraz przewidywanej zmiany klimatu niż nowsze modele z wyższą czułością klimatu.

Badanie zostało wsparte przez inicjatywę łagodzenia emisji dwutlenku węgla (CMI) z siedzibą w Instytucie Środowiskowym High Meadows (HMEI – High Meadows Environmental Institute) w Princeton.

Współautor powyższej pracy Gabriel Vecchi, profesor nauk o Ziemi w Princeton i High Meadows Environmental Institute oraz główny badacz w CMI w serwisie Eurekalert, tak powiedział:

Większa czułość klimatu wymagałaby oczywiście znacznie bardziej agresywnego ograniczania emisji dwutlenku węgla.

Społeczeństwo musiałoby znacznie szybciej zmniejszyć emisje dwutlenku węgla, aby osiągnąć cele porozumienia paryskiego i utrzymać globalne ocieplenie poniżej 2 stopni Celsjusza. Zmniejszenie niepewności czułości klimatu pomaga nam opracować bardziej niezawodną i dokładną strategię radzenia sobie ze zmianami klimatu.

Ten materiał prezentujemy w ramach współpracy z Patronite.pl. Jacek Baraniak jest założycielem grupy Antropogeniczne Zmiany Klimatu i środowiska naturalnego, oraz twórcą blog klimatziemi.pl, popularyzator wiedzę o zmianach klimatu. Możesz wspierać autora bezpośrednio na jego profilu na Patronite.

Referencje:

1. Kardaś A., 2014 ; Chmury, klimat i przyśpieszony wzrost temperatur ; Nauka o klimacie ; https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/chmury-klimat-i-przyspieszony-wzrost-temperatur-32/
2. Sherwood S. C. et al., 2014 ; Spread in model climate sensitivity traced to atmospheric convective mixing ; Nature ; https://www.nature.com/articles/nature12829
3. Norris J. R. et al., 2016 ; Evidence for climate change in the satellite cloud record ; Nature ; https://www.nature.com/articles/nature18273
4. McSweeney R., 2016 ; Shifting global cloud patterns could amplify warming, study says ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/shifting-global-cloud-patterns-could-amplify-warming-study-says
5. Bjordal J. et al., 2020 ; Equilibrium climate sensitivity above 5°C plausible due to state-dependent cloud feedback ; Nature Geoscience ; https://www.researchgate.net/publication/344890474_Equilibrium_climate_sensitivity_above_5_C_plausible_due_to_state-dependent_cloud_feedback
6. Carlsen T. et al., 2020 ; Guest post: How declining ice in clouds makes high ‘climate sensitivity’ plausible ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/guest-post-how-declining-ice-in-clouds-makes-high-climate-sensitivity-plausible
7. Wang C. et al., 2021 ; Compensation Between Cloud Feedback and Aerosol-Cloud Interaction in CMIP6 Models ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2020GL091024
8. Princeton University, 2021 ; High end of climate sensitivity in new climate models seen as less plausible ; EurekAlert ; https://www.eurekalert.org/news-releases/820279