1939 - O ocieplaniu się ziemskiego globu

W dyskusjach na temat zmian klimatycznych co i rusz pojawia się teza, że to nowy wymysł naukowców, coś o czym wcześniej się nie mówiło, w związku z czym jest to sprawa niesprawdzona, za słabo przebadana. Często powtarzanym mitem jest twierdzenie, że ponoć kiedyś mówiono o "ocieplaniu klimatu" a teraz ponoć więcej jest mowa o "zmianach klimatycznych" jakby nie było pewne, w którą stronę zachodzą zmiany. W dyskusjach przewija się opinia, że mówienie o ociepleniu to moda a nie wynik odkryć naukowych.  No bo jak wiadomo, jeśli my o czymś wcześniej nie słyszeliśmy, to tego nie było.

Tymczasem grzebiąc w starej prasie nie miałem problemu ze znalezieniem informacji o obserwowaniu ocieplenia klimatu jeszcze w czasach przedwojennych. Poglądy na temat przyczyn były wówczas nieco inne, ale samo zjawisko jest odnotowywane w prasie codziennej, skierowanej do przeciętnych ludzi, już od początków XX wieku.
Jednym z lepszych przykładów może być ten artykuł z 1939 roku:

Zagadki klimatu Ziemi
Wzrost energii słońca spowodował złagodzenie klimatu naszego globu

   Na oceanie Arktycznym znajduje się kilkadziesiąt stacyj meteorologicznych, które powstały w ciągu ostatnich dwudziestu lat. Stacje te prowadzą stałe obserwacje temperatury, opadów, ruchu lodów etc. co w sumie daje obraz klimatu regionów polarnych. Założone przez rząd sowiecki stacje polarne mają służyć celom dalszym, głownie zaś zorganizowaniu sieci informacyjnej i wykryciu warunków i dróg, umożliwiających bezpośrednią komunikację morską poprzez ocean Lodowaty i cieśninę Beringa z Ameryką Północną.
   Rezultaty stałych obserwacyj i badań prowadzonych przez meteorologów znajdujących się na tych stacjach, dały uboczny wynik, ciekawy ze względów naukowych. Na podstawie tych pomiarów rosyjski profesor, Berg, fizyk stwierdził, iż Południowa granica wiecznych lodów przesunęła się na północ.W związku z czym dało się zauważyć ocieplenie powietrza oraz wód, gdyż w okolicach polarnych pojawiły się ryby i zwierzęta, które bytowały dotąd w rejonach bardziej wysuniętych na południe. Dalej podkreśla prof. Berg, iż w roku 1936-ym lato było bardzo ciepłe we wschodniej Grenlandii, a pokrywa lodowa znikła w połowie lipca aż do 72 stopnia, czego nie obserwowano nigdy jeszcze w tych okolicach.
   Od 1921 roku mnożyły się raporty meteorologów donoszących o stałym ocieplaniu się klimatu w rejonach arktyki. Rzeki północnej Syberii zamarzają później niż zwykle, lody zaś ruszają wcześniej, ptaki przylatują wcześniej, niż w ubiegłych dziesięcioleciach. Sto lat temu trzeba było wiercić studnie w Mezeniu (Syberia Północna) w zlodowaciałej, twardej jak granit ziemi; obecnie zmieniło się to a w roku 1933 obliczono, iż najniższy stopień zamarzania przesunął się o 40 klm. na północ od Mezenia.
  Ale - jak twierdzi prof. Berg - ogólne złagodzenie klimatu nastąpiło nie tylko w okolicach Arktyki, lecz na całym globie ziemskim. Przeciętna temperatura podniosła się nie tylko w północnej Europie i Ameryce, lecz także na półkuli południowej - w Santiago (Chile) w Buenos Aires (Argentyna), w Kapsztadzie (Afryka Południowa), w Bombaju, nawet na wyspie Jawie.
   Wytłumaczenia ścisłego i dokładnego tego zjawiska nie potrafiła jeszcze dać nauka. Niektórzy uczeni wysunęli hipotezę, że w morzach północnych nastąpiło przesunięcie ciepłego prądu Golfstromu. Gdyby tak było, to - twierdzą inni uczeni - nie wystarczyłby jeszcze ten fakt do wytłumaczenia wzrostu ciepłoty na półkuli południowej i w okolicach podzwrotnikowych. Profesor Berg podaje ze swojej strony, jako jedną z przyczyn, wzrost energii słonecznej i zmiany w składzie powietrza otaczającego ziemię, które sprawiły, iż tropo i stratosfera stały się bardziej przepuszczalne dla promieni słonecznych. Ale i on twierdzi w końcu, że całe to zjawisko zawiera dużo jeszcze punktów ciemnych i tajemnych, których nauka nie może wyjaśnić i wytłumaczyć.
    Obserwacje meteorologiczne z innych punktów globu  potwierdzają zgodność zjawisk klimatycznych, które wywołały ogólną zmianę temperatury. znajdujemy się za tym w okresie ogólnego ocieplenia. Jak długo będzie trwał ten proces, na to nie mogą dać odpowiedzi uczeni, ograniczając się na razie do stwierdzenia faktu.

[Łodzianin nr. 57 Niedziela 26 lutego 1939, Łódzka Biblioteka Cyfrowa http://bc.wimbp.lodz.pl/Content/71066/Lodzianin1939_no_057a.pdf ]

Co ciekawsze, podpowiedź co do innych możliwych przyczyn obserwowanych zmian pojawia się w tej samej gazecie, pod artykułem, gdzie w krótkiej notatce autor opisuje energię słońca zgromadzoną pod ziemią w formie złóż węgla, która teraz jest uwalniana przez człowieka.

Wprawdzie hipotezę, iż spalanie paliw kopalnych i wzrost zawartości dwutlenku węgla w powietrzu, którego właściwości gromadzenia energii cieplnej z promieniowania zaobserwował eksperymentalnie, wysunął już w 1898 roku Svante Arrhenius, ale przez długi czas efekt ten był nie doceniany. Nie było za bardzo wiadomo jaka jest czułość klimatu na ten gaz, to jest jak duży musi być wzrost zawartości, aby średnia temperatura globu wzrosła o stopień. Na podstawie ogólnego stężenia oceniano, że efekt jest słaby, dlatego przyczyn obserwowanych zmian szykano w zmianach aktywności słońca lub siły magnetyzmu. Było to w tym czasie o tyle prawdopodobne, że obserwowana aktywność słońca rosła. Jednak począwszy od lat 70. następne maksima aktywności były coraz słabsze, a przyrost temperatur zamiast zahamować, wystrzelił w górę jeszcze wyraźniej.

Co do informacji podanych w artykule - Mezeń to miasto w obwodzie Archangielskim, w pobliżu zatoki mezeńskiej na północ od stolicy obwodu, nad rzeką o tej samej nazwie, w pobliżu Morza Białego. Wedle nowszych danych linia wiecznej zmarzliny, to jest obszaru z ciągłą warstwą gruntu zamarzającego na dłużej niż rok, przesunęła się już poza cieśninę łączącą Morze Białe z Oceanem Arktycznym. W okolicy Mezenia zmarzlina ma już postać izolowanych wysp, głównie w miejscach porośniętych lasem, większe obszary pojawiają się nad samym morzem na zachód od miasta, obszary z ciągłą zmarzliną pojawiają się już na półwyspie Kanin.

Jeśli zaś chodzi o pokrywę lodową latem, to w ostatnich latach zwykle cała mieści się powyżej 75 stopni szerokości geograficznej a podczas minimum z roku 2012 większość mieściła się powyżej 80 stopni:

W porównaniu z minimami notowanymi w latach 20. różnica jest spora:

zasięg lodu w sierpniu 1926 (link)

Cykle Milankovicia, czyli naturalne zmiany klimatu

Czy istnieją jakieś naturalne procesy, które wpływają na klimat Ziemi? I to tak bardzo, że decydują o tym, czy będzie na niej ciepło i przyjemnie, czy może zimno i lodowato? Owszem, znamy takie zjawiska i potrafimy przewidzieć ich skutki w przyszłości. Jednymi z nich są cykle Milankovicia, przewidziane teoretycznie w latach 40. przez serbskiego astronoma. Drobne wahania ziemskiej orbity i osi powodują zmianę nasłonecznienia półkul, co przy długim czasie oddziaływań może wpływać na klimat globalnie.

Precesja
Pierwszy efekt jest związany z precesją osi obrotu planety. Ziemia wiruje z dostateczną prędkością aby jej usytuowanie przestrzenne stabilizował efekt żyroskopowy. Jest jak bączek który po rozkręceniu nie przewraca się, bo tajemnicza siła utrzymuje go w pionie. Efekt ten jednakowoż nie jest wciąż dostatecznie silny aby całkiem oprzeć się zaburzeniom. Oddziaływania grawitacyjne słońca i księżyca, nie działające na oś zupełnie prostopadle z powodu jej lekkiego przekrzywienia, powodują że oś zatacza koło w długim okresie około 26 tysięcy lat.
Sam ten fakt nie miał by specjalnego znaczenia dla klimatu, gdyby orbita ziemi była zupełnie kolista. Jest jednak elipsą, toteż raz Ziemia jest bliżej słońca a raz dalej. Może się to wydać zaskakujące, ale Ziemia jest najbliżej słońca wtedy, gdy panuje u nas zima, dokładnie 3-4 stycznia, a najdalej w lipcu. Wynika to tylko stąd, że aktualnie oś ziemi jest skierowana w okolice Gwiazdy Polarnej. W takim ustawieniu zimą biegun północny jest skierowany nieco od słońca a latem nieco do, a to właśnie różnice nasłonecznienia mają dla danej półkuli najistotniejsze znaczenie jeśli chodzi o pogodę sezonową.
Do tego dochodzi cykl obrotu w przestrzeni punktów aphelium (najdalej) i peryhelium (najbliżej), powodujący, że trochę doganiają zmiany precesyjne. W efekcie co 21 tysięcy lat dana półkula doznaje zimy bądź w największym oddaleniu bądź w największym zbliżeniu

Za kilka  tysięcy lat precesja skieruje oś ziemi w inną stronę, wówczas w trakcie naszej, północnopólkulowej zimy ziemia będzie najdalej a w czasie lata najbliżej. I znów, samo to nie miało by wielkiego znaczenia dla klimatu, bo w końca raz bardziej przygrzeje jedną półkulę a raz drugą, gdyby nie fakt że najwięcej lądów jest położonych na półkuli północnej. Lądy mają to do siebie że część ich stanowią góry i wyżyny, tereny położone wyżej niż średni poziom morza a co za tym idzie nieco chłodniejsze. Niektóre tak bardzo, że lodowce utrzymują się tam cały rok. Lądy ponadto łatwiej się wychładzają niż morza. Morze pod wpływem mrozu częściowo zamarza, lecz cyrkulacja powoduje, że tuż pod lodem woda ma zwykle kilka stopni na plusie, co hamuje narastanie warstwy lodu a za sprawą pewnego przewodnictwa cieplnego lodu, także zbytnie ochładzanie się powietrza. Nic więc dziwnego, że na naszej półkuli zimą jądrami mrozu z których na okoliczne tereny spływa najchłodniejsze powietrze, nie jest ocean arktyczny, tylko wielki obszar lądowy Syberii, Kanady i czapa lodowcowa Grenlandii.

Gdy precesja spowoduje, że na półkuli z przewagą lądów największe oddalenie nałoży się na okres zimowy a zbliżenie na letni, te drobne zmiany natężenia promieniowania spowodują zaostrzenie klimatu. Zimy będą nieco zimniejsze a lata nieco cieplejsze. Wbrew pozorom nie nastąpi jednak całkowite "wyrównanie" na zasadzie tu trochę na plus, tam na minus więc wychodzi na zero. Zimą spada śnieg, który odbija promienie słońca i potem gdy przychodzi cieplejsza pora utrudnia nagrzewanie powietrza. Zimniejsze zimy to więcej śniegu i dłuższe jego topnienie. Więcej śniegu to także więcej pożywki dla lodowców górskich. Dla trwania lodowca mniejsze znaczenie ma to jak bardzo stopnieje latem, a większe ile urośnie zimą. Zmiany precesji wobec eliptycznej orbity powodują zatem, że na półkuli z przewagą lądów, co pewien czas lodowce łatwiej przybierają na wadze.

Zmiana elipsy

Ale eliptyczna orbita Ziemi wiąże się z drugim efektem - otóż stopień tego jak bardzo jest ona spłaszczona (ekscentryczność), nie jest stały. Oddziaływania planet powodują, że raz jest nieco bardziej wydłużona a raz nieco bardziej kolista. Jest to proces trochę nieregularny, ale można go opisać jako cykl długi na 100 tysięcy lat.Co to powoduje? 

Bardziej kołowa orbita to także średnio rzecz biorąc nieco większa odległość od słońca, co ma wpływ na nasłonecznienie całej planety. Ilość energii docierającej do Ziemi przez cały rok zmniejsza się wtedy w stosunku do stanu gdy orbita jest bardziej eliptyczna, o około 0,1%. Dodatkowo większa ekscentryczność orbity wzmacnia efekt klimatyczny związany z precesją osi. Okresy największej eliptyczności orbity bardzo dobrze nakładają się na okresy przerw między epokami lodowcowymi.

Zmiana pochylenia osi
Ale powróćmy do osi ziemi. Oprócz tego, że wykonuje ona w długim okresie obroty precesyjne, to dodatkowo nie jest stale przekrzywiona wobec orbity o taki sam kąt. Obecnie jest odchylona od kierunku prostopadłego o 23,5°, może jednak naprostować się do 21° lub bardziej przekrzywić do 24,5°.

Przekrzywienie osi ziemi przy jej stałym (w krótkim czasie) położeniu, powoduje dwa ważne efekty związane z naświetleniem - słońce nie pada dokładnie prostopadle na ląd tylko na równiku, lecz każdego dnia odchyla się od niego nieco na północ lub południe. W dniu przesilenia zimowego północnego, gdy oś jest najbardziej odchylona od słońca, świeci ono w zenicie 23,5° na południe od równika, a w dniu przesilenia letniego, 23,5° na północ. Dokładnie na równiku świeci w zenicie dwa razy do roku w równonoc. Linie maksymalnego odchylenia od równika to zwrotniki, a strefa między nimi, to strefa międzyzwrotnikowa. Jest ona najlepiej oświetlona a co za tym idzie najgorętsza.

Drugi natomiast efekt to istnienie stref polarnych. W dniu przesilenia zimowego oś ziemi jest odchylona w stronę przeciwną niż słońce, i to o kąt 23,5°. Obszar oddalony o tyleż od bieguna jest wówczas zacieniony całą dobę, panuje tam noc polarna, co stwarza idealne warunki dla wychładzania powietrza i powierzchni. W miarę upływu dni od przesilenia słońce zaczyna docierać coraz dalej aż w dniu równonocy pojawia się na samym biegunie. W związku z tym trwająca pół roku noc polarna występuje tylko na samym biegunie, wbrew częstemu mniemaniu, że tyle trwa noc za kołem podbiegunowym ogółem. Na polskiej stacji arktycznej Hornsund noc polarna trwa 3,5 miesiąca a nie 6.

Co takiego powoduje dla tych stref zmiana pochylenia osi? Gdy jest bardziej pochylona, strefa międzyzwrotnikowa się poszerza, toteż pasy dziennych górowań w zenicie oddalają się, a obszary po przeciwnej stronie niż aktualnie najlepiej doświetlane, widzą słońce pod nieco większym kątem. Efekt jest taki że tereny przyrównikowe nieco się ochładzają.
Z kolei przy biegunach większe obszary doznają zarówno nocy polarnej jak i dnia polarnego. Efektem ogólnym jest lekkie schłodzenie obszarów przyrównikowych i lekkie ocieplenie przybiegunowych, czyli większe wyrównanie temperatur globalnych.
Większe naprostowanie osi (zmniejszenie pochylenia) lekko ochładza tereny przybiegunowe a nagrzewa równikowe.

Nie miało by to znaczenia na planecie o równomiernym rozłożeniu lądów, ale w naszym przypadku najwięcej lądów znajduje się na północ od równika. A te, jak wspominałem, chętniej ulegają zlodzeniu niż morza.

Suma czyli jak rosną lodowce
Te cykliczne zjawiska różnie się na siebie nakładają, wywołując globalne lub lokalne zmiany ilości energii ze słońca. W najbardziej sprzyjającym układzie zmiany całkowitej energii sięgają do 10%.
Ochłodzeniom sprzyja sytuacja, gdy oś ziemi jest bardziej naprostowana (mniejszy kąt), gdy aphelium następuje gdy na półkuli z przewagą lądów jest zima i gdy orbita jest bardziej zaokrąglona, co ochładza ciepłą porę roku na całej planecie. Wówczas powierzchnia lodowców w górach i na wyżynach przyrasta i daje o sobie znać dodatnie sprzężenie zwrotne - więcej lodu to więcej odbitego słońca i mniejszy stopień nagrzania powietrza. Mniejsze nagrzanie powietrza to mniejsze topnienie i zwiększenie powierzchni lodowców. W przypadku grubych czap lodowcowych znaczenia nabiera też wzrost wysokości górnej części lodowca, którego szczyt dociera do chłodniejszych warstw atmosfery. 

Wszystkie te efekty powodują, że przy niewielkim wymuszeniu ochłodzenia związanym z cyklami nasłonecznienia, na lądach następują zmiany potęgujące efekt, i zwiększające ochładzanie. Duże ochłodzenie półkuli z przewagą lądów, na których lodowce narastają łatwiej niż na morzu, przekładają się na ochłodzenie klimatu globalnie.

Prześledzenie historii epok lodowcowych i okresów ciepłych przekonuje, że w dużym stopniu nakładanie się tych trzech cykli tłumaczy epizody ochłodzenia i ocieplenia, najlepszą korelację widać dla precesji i ekscentryczności orbity. Istnieją pewne rozbieżności, mogące wiązać się z procesami tektonicznymi czy położeniem Układu Słonecznego w galaktyce, ale w dużym stopniu tłumaczą dlaczego ocieplenia i ochłodzenia następują w pewnych określonych latach.

Jak będzie?
No właśnie. Te procesy zachodzą cały czas. 12 tysięcy lat temu zakończyła się dzięki nim epoka lodowcowa. Co zatem rysuje się w przyszłości? Coś takiego:

Niemal idealne nałożenie się peryhelium i zimy półkuli północnej, ulega rozstrojeniu. Już teraz są oddzielone o kilkanaście dni (przesilenie 22-23 grudnia, peryhelium 3-4 stycznia) a w miarę upływu czasu odchylenie będzie rosło.
Nachylenie osi ziemi wobec orbity zmniejsza się z szybkością 0,011* rocznie.
Kolistość orbity rośnie.

Wygląda zatem na to, że wszystkie efekty zmierzają ku ochłodzeniu. Obecny okres klimatyczny, holocen, rozpoczęty 12 tysięcy lat temu po zakończeniu epoki lodowcowej, osiągnął maksimum temperatur około 6 tysięcy lat temu. Od tego czasu średnie temperatury spadały. Lokalne minimum nastąpiło pod koniec średniowiecza i w renesansie, w okresie tzw. "małej epoki lodowcowej" gdy to swoje dołożyło słońce o wyjątkowo małej aktywności. Zgodnie z obliczeniami wymuszenia związane z cyklami Milankovicia powinny wywołać niezwykle powolny spadek temperatur globalnych. W ciągu ostatnich 100 lat byłby to spadek o 0,01K, właściwie trudny do zauważenia, w sumie można by było uznać klimat za stabilny. Dalsze ochładzanie następowałoby na tyle wolno, że ochłodzenie się klimatu Polski do obecnego w Szwecji zajęłoby kilkanaście wieków, a epoka lodowcowa pojawiłaby się dopiero za kilka tysięcy lat.

Zatem my i nasze prawnuki możemy spać spokojnie. Lądolód w Warszawie to rzecz która wprawdzie się zdarzy, ale wówczas gdy nie będzie już ani potomków którzy nas będą pamiętać, ani też pewnie i Polski.

Tymczasem...
Tymczasem wbrew przewidywaniom wynikłym z cykli zmian nasłonecznienia, w ciągu ostatnich 150 lat temperatura na ziemi wzrosła o 1 stopień. Jest to sytuacja bez precedensu, bo nie dość że następuje niezwykle szybko, to jeszcze wbrew wymuszeniom które w ciągu kilkuset ostatnich tysięcy lat regulowały klimat planety. Wygląda więc na to, że nie jest to zmiana naturalna. I jak na razie nie udowodniono aby odpowiadał za to czynnik w pełni naturalny, nie związany z destrukcyjnymi działaniami ludzkiej cywilizacji.