Zmiany klimatu – regionalnie i globalnie
Mariusz-Orion Jędrysek,
1) Pracownia Geologii Izotopowej i Geoekologii, Zakład Geologii Stosowanej, Geochemii i Gospodarki Środowiskiem, Instytut Nauk Geologicznych, Uniwersytet Wrocławski, ul. Cybulskiego 30, 50-205 Wrocław
www.jedrysek.eu
2) Poseł na Sejm RP, Przewodniczący Parlamentarnego Zespołu Surowców i Energii, Zastępca Przewodniczącego Komisji Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa, członek Nadzwyczajnej Komisji Energii i Surowców Energetycznych (www.jedrysek.eu). W latach 2005-2007 wiceminister
środowiska i Główny Geolog Kraju, 2006-7 Prezydent Międzynarodowej Organizacji Dna Morskiego ONZ.
3) Obecnie także: sekretarz stanu, Główny Geolog Kraju w Ministerstwie Środowiska (także w latach 2005-2007), Pełnomocnik Rządu ds. Polityki Surowcowej Państwa, poseł na Sejm RP (KP PiS), Prezydent Rady Międzynarodowej Organizacji Dna Morskiego przy ONZ (także w latach 2006-2007).
Wstęp
Niniejszy tekst został przygotowany w 2015 r na jedną z konferencji, która ostatecznie się nie odbyła i nie został on nigdzie opublikowany. Tekst ten jest poniżej prezentowany bez zmian i aktualizacji po prostu na brak czasu i zakres obowiązków obecnie pełnionych. Uznałem bowiem, że szczególnie warto go opublikować w związku z wizytą prezydenta D. Trumpa w Polsce i jego decyzji dotyczącej generalnego podważania polityki klimatycznej ograniczającej emisji CO2 do atmosfery.
Tekst ten jest odzwierciedleniem wielu prezentacji autora dotyczących polityki surowcowo-energetycznej przy okazji, której omawiano sprawy związane z emisjami gazów cieplarnianych i zmianami klimatu. W szczególności odzwierciedla on referaty wygłoszone na Konferencji Parlamentarnego Zespołu Surowców i Energii (przew. M-O. Jędrysek, Sejm RP 2015.05.05 pt. Zmiany Klimatu – Globalnie i Regionalnie) oraz konferencji Warsztaty Ekologiczne w Tucznie - „Co należy wiedzieć o Konwencji Klimatycznej ONZ, Protokole z Kioto i pakiecie klimatyczno-energetycznym aby skutecznie reprezentować Polskę na COP 21 w Paryżu i przeciwstawić się procesowi dekarbonizacji Polski”(przew. J. Szyszko, Tuczno 1-3 lipca 2015).
W ostatnich dekadach termin zmiany klimatu nabrały swej medialno-gospodarczo-politycznej treści. W marcu b.r. Rada Unii Europejskiej podjęła decyzję o ograniczeniu emisji CO2 w krajach Unii Europejskiej do roku 2030 o 40 % w stosunku do roku 1990 oraz wzrost udziału energii ze źródeł odnawialnych do 27 %. Tak wysokie wymagania stawiane poszczególnym państwom Unii Europejskiej rażąco wpłyną na koszt produkcji przemysłowej oraz wytworzenia energii elektrycznej. W związku z tym, zdaniem autora, w celu zminimalizowania tych zawyżonych i nierealistycznych progów ograniczania emisji ditlenku węgla, należy podjąć w Polsce działania w kierunku rozwoju technologii związanych ze wzmożonym wydobyciem ropy naftowej (EOR – ang. enhanced oil recovery) oraz gazu ziemnego (EGR - enhanced gas recovery) poprzez zatłaczanie CO2 do złoża, a nie CCS (ang. Carbon Capture and Storage - wychwyt i magazynowanie CO2). W przeciwieństwie do CCS, jest to, nie tylko dla Polski, bezpieczny i ekonomicznie oraz środowiskowo uzasadniony sposób na geologiczną sekwestrację CO2 (Jędrysek 2013, Mamczar i Jędrysek 2015, Pleśniak 2015). Wydaje się, że merytoryka nie ma nic wspólnego z wiedzą, która jest używana selektywnie. Z podsumowań wspomnianych wystąpień oraz licznych publikacji (np. Jędrysek 2013, 2014) wynika, że Polska nie powinna ograniczać emisji CO2 w większym niż dotychczas zakresie, do czasu wypełnienia przez pozostałych sygnatariuszy zobowiązań Protokołu z Kioto, oraz wyjaśnienia w nie budzący wątpliwości (ściśle ilościowy) sposób co do roli człowieka w zmianach klimatu. Jednocześnie wszelkie nowe kroki ograniczające emisje gazów cieplarnianych poszczególnych krajów powinny bazować na rzetelnej wiedzy dotyczącym bilansu emisji wszystkich gazów ze wszystkich źródeł (naturalnych i antropogenicznych) oraz pochłaniania/sekwestracji (naturalnego i antropogenicznego), z uwzględnieniem wartości przyczyniania się do podnoszenia temperatury (RF) globu (w tym bilansie). W istocie więc powinno to być ograniczanie emisji zależne od kumulatywnego RF z powierzchni kraju.
Artykuł nie wyczerpuje tematu, ale pokazuje fakty, alternatywy i niejasności – w dużym uproszczeniu - tak aby trafił do przeciętnego Polaka, którego polityka klimatyczna dotyka i dotknie jeszcze bardziej (jest to w istocie tekst popularno-naukowy). Tak się składa bowiem, że siła polityki klimatycznej jest dziś porażająca ze względów gospodarczo-ekonomicznych i relacji międzynarodowych, a także ze względów społeczno-emocjonalnych. Stąd niniejsza próba chłodnego podejścia do problemu, z emocjonalnym dystansem bo perspektywy czasu geologicznego.
Zmiany klimatu w skali geologicznej - narzędzia
Możemy wyjść z założenia, że jedyną niezmienną cechą klimatu jest to, że się on zmienia - stale, w różnym tempie i różnych amplitudach. Zmiany te mogą mieć wymiary regionalne bądź charakter globalny. Geolodzy zajmujący się rekonstrukcjami zmian klimatu (paleoklimatolodzy) używali pojęcie „globalnego ocieplenia” i „globalnego ochłodzenia” od bardzo dawna. W historii Ziemi, w skali ostatniego miliarda lat, tj. wtedy gdy życie było już ważnym elementem środowiska i wpływało zdecydowanie na obieg materii w przyrodzie, odnotowano okresy gdy w skali globu było dużo cieplej lub zimniej niż dziś. Przy czym dziś oznacza zarówno tysiące lat jak i ostatnie kilka lat. Dlatego zarówno ocieplenie jak i oziębienie w tej skali nie jest niczym nadzwyczajnym. Były okresy, gdy Ziemia w całości była pokryta lodem i takie, w których lodowców nie było. Z tego powodu dziś mamy prawo określić globalny klimat jako przeciętny. Skłaniają do tego również treści polskich zapisków historycznych o zamarzaniu Bałtyku w XVII wieku, czy też wyjątkowych okresach niemal bez zimy kiedy w lutym w Polsce przystępowano do prac polowych (Pasek 1656).
Wiarygodność oceny wielkości zmiany klimatu, czy zasięgu czaso-przestrzennego, może być różna. Rekonstrukcje te opierają się bowiem na obserwacji parametrów przyrodniczych zawartych w skałach profili geologicznych, a dla ostatnich co najwyżej kilku tysięcy lat także przyrostach rocznych pni drzew. Parametry te nie są więc faktycznym pomiarem np. temperatury czy wielkości opadów, ale ich funkcją, którą należało wykalibrować. Nazywamy ten parametr proxy - czasem używa się terminu wskaźniki, ale jest to wg. autora niezbyt adekwatny termin, bo proxy w istocie jest/powinno być jakąś funkcją w sensie wykalibrowanych relacji liczbowych. Jakość kalibracji proxy, jakościowe i ilościowe reakcje na zmiany jednego czynnika (np. temperatury), niepodatność na inny czynnik, (np. odczyn pH wód, wielkości opadów w okresie wegetacji, wilgotność, zasolenie wód??…), a także trwałe utrzymanie pierwotnego zapisu (bez zmian np. geochemicznych) itd., decyduje o wiarygodności proxy a więc o wiarygodności rekonstrukcji paleoklimatycznych. W istocie, zagadnienie staje się daleko bardziej skomplikowane, gdy poznajemy mechanizmy procesów przyrodniczych, poszukując lub kalibrując proxy. W zasadzie nigdy nie mają one charakteru liniowego i podlegającego zależności tylko od jednego czynnika klimatu – kwestia przyjęcia/zgody na generalizację i wielkość błędu jest tu zasadnicza. A jednak, wiarygodność rekonstrukcji paleoklimatycznych proxy może być zaskakująco wysoka.
Zmiany klimatu w skali regionalnej
Popatrzmy choćby na tegoroczny gorący sierpień - miał on swój odpowiednik ponad 100 lat temu w roku 1834, a po nim, a szczególnie przed nim, były sierpnie dużo, wręcz katastroficznie, chłodniejsze (Ryc. 1). Pomiary temperatury zostały wykonane w Krakowie i jest to jeden z najstarszych ciągłych monitoringów temperatury na świecie.
Ryc. 1. Zmiany średniej temperatury sierpnia w Krakowie w okresie 1826 do 1990.
Ewidentnie widać, że od blisko 200 lat obserwujemy stały wzrost temperatury. Wątpliwości budzi jednak fakt, że równolegle do wzrostu temperatury rosło miasto, a jak wiadomo, w dużym mieście temperatura jest zwykle wyższa nawet o 2oC. Serie pomiarowe z wielu miejsc na świecie potwierdzają jednak tendencję globalnego ocieplenia od około wieku. Czy to jest czymś nadzwyczajnym? Śmiem przyjąć, że nie.
Przyjrzyjmy się zmianom temperatury w ostatnim nieco ponad tysiącu lat. Z rekonstrukcji i własnych kalibracji proxy izotopowego w profilach torfowych i przyrostach rocznych pni drzew (drewna późnego) wynika (Ryc.2), że dziś mamy mniej więcej średnią milenijną, choć regionalnie pomiędzy np. Anglią a Polską, zmiany temperatury nie zachodziły synchronicznie (zakres niniejszego artykułu nie pozwala na szczegółowe zreferowanie stąd odsyłam zainteresowanych do publikacji w tym zakresie: Jędrysek et al. 2003).
Ryc. 2. Zmiany składu izotopowego węgla w przyrostach rocznych pni drzew okolic Krakowa i w profilach torfowych Szrenicy oraz proxy zmian temperatury w środkowej Anglii (Jędrysek et al. 2003).
Ograniczeniem tego proxy jest to, że rejestruje ono temperaturę okresu wegetacyjnego i to nierównomiernie. Ponadto, w przypadku przyrostów rocznych pni drzew, temperatura w naszym warunkach klimatycznych (opady, temperatura, nasłonecznienie) bardziej odzwierciedla wielkość opadów i wilgotność, niż temperaturę. Dzieje się tak dlatego, że aparaty szparkowe, przez które asymilowane jest CO2, zwiększają swoją średnicę, gdy jest wilgotniej. W konsekwencji zwiększa to możliwość wentylacji i „wydalania” 13CO2, a co za tym idzie drewno uzyskuje niższe stosunki izotopowe 13C/12C. Tymczasem, rośliny torfotwórcze (Politrychum i Sphagnum) nie mają aparatów szparkowych sensu stricte, więc zmiany wilgotności nie zafałszowują zależnego od temperatury (tzw. termodynamicznego efektu izotopowego) reakcji chemicznych biosyntezy związków organicznych – kompensację tych efektów można uzyskać poprzez analizę pyłkową np. w torfach (Jędrysek M.O. 2008, Barszczowska, Jędrysek, 2005; Jędrysek et al. 1994, 2003, 2005, Skrzypek et al. 2007, 2008). Ponadto, jak wykazano w innych pracach zapylenie lub pojawienie się zanieczyszczeń gazowych znacząco wpływa na zapis proxy izotopowego (Jędrysek et al. 2001) co z jednej strony daje szanse na tworzenie nowych proxy a z drugiej ogranicza proxy temperaturowe.
W konsekwencji dla terenów Polski proxy oparte na analizie izotopowej celulozy przyrostów rocznych pni drzew okresu wegetacji, gdy przyrasta drewno tzw. późne tj. połowa lipca do połowy września, jest dość problematyczne, a rekonstrukcje paleoklimatu oparte na analizie izotopowej profili torfowych zdaje się lepiej odzwierciedlać temperaturę. Oczywiście, każda z metod ma swojej wady i zalety – omawianie tego zagadnienia leży daleko poza celem tego artykułu.
Ze skali tysięcy lat przejdźmy do milionów lat. Rekonstruując proxy globalnego poziomu morza, temperaturę powierzchni mórz tropikalnych czy akumulację pyłu w tzw. „Oceanie Południowym” od 3,5 do 2,5 mln lat temu stwierdzamy, że wszystkie wskaźniki przyjmowały wartości wskazujące na warunki klimatu cieplejszego niż obecnie. Patrząc z perspektywy ery kenozoicznej tj. powiedzmy ostatnich około 70 mln lat (Zachos et al 2008), z rekonstrukcji różnych geochemicznych proxy wynika, że dziś znajdujemy się w okresie globalnych chłodów (Ryc. 3) a lodowce stref okołobiegunowych zaczęły się pojawiać mniej więcej 10 mln lat temu, po tym jak zniknęły może około 270 mln lat temu (po kilkudziesięciu milionach lat istnienia) w większym niż dziś zakresie.
Ryc. 3. Schemat rekonstrukcji paleoklimatycznych (Pleśniak 2015 na podstawie IPCC, 2013) Skrót ŚPGO oznacza Środkowo-Plioceński Gorący Okres od 3,3 do 3 mln lat temu. Na wykresach dotyczących stężenia CO2 w atmosferze występują 2 poziome linie przerywane (dłuższe i krótsze linie przerywane) wskazujące odpowiednio stężenie CO2 w 2012 roku oraz przed „erą przemysłową” (1750 r.) w atmosferze. „Wskaźnik CO2” oznacza metody zastępcze wykorzystane do określania stężenia CO2 w atmosferze, czyli wartości będących funkcją różnych parametrów środowiskowych (ang. proxy).
Geologicznie rzecz ujmując, zagłębiając się w starsze (w tzw. normalnym profilu) skały, proxy wskazuje na niższe temperatury (niemal stałe ocieplenie w profilu geologicznym - idąc w dół mamy stały wzrost temperatury w jakiej tworzyły się badane osady morskie). Oczywiście i tu są wady, np. czy badane elementy skał zachowują swoje pierwotne cechy geochemiczne, albo czy inny parametr (np. temperatura czy pH wody) nie wzmacnia lub nie kompensuje rekonstruowanego parametru tj. proporcji masy oceanów w stosunku do masy lądowców (lodowce kumulują w sobie skrajnie mało izotopu 18O a wody morskie skrajnie dużo). Na to nakładane są następne kalibracje i rekonstrukcje, które pozwalają na kompensowanie takich rekonstrukcji paleoklimatycznych. Im dalej w przeszłość tym zwykle mniej danych geochemicznych czy paleobiologicznych, a więcej wątpliwości.
Gazy cieplarniane
Ditlenek węgla, metan, tlenek diazotu czy niektóre gazy fluorowane, są uznawane za gazy podgrzewające atmosferę, a ich stężenie w atmosferze Ziemi jest zmienne w bardzo szerokim zakresie. Z badaniem zmian klimatu wiąże się pojęcie wymuszania radiacyjnego (ang. radiation forcing), które oznacza różnicę w ilości energii docierającej do systemu klimatycznego z zewnątrz oraz energii, która ten system opuszcza. Dodatnie wymuszanie radiacyjne oznacza, że mamy do czynienia ze wzrostem energii absorbowanej i co za tym idzie wzrostem temperatury. Jak to się dzieje, że niektóre gazy podgrzewają atmosferę? Otóż, nie grzeją gazy, tylko energia cieplna (gł. słoneczna) którą molekuły gazu absorbują – co przejawia się drganiami każdej z molekuł – a drganie to ciepło – promieniowanie elektromagnetyczne (podobne jak promieniowanie światła widzialnego tyle, że dłuższej fali czyli tzw. podczerwieni). Ciepły kaloryfer „świeci” w podczerwieni, lecz nasze oko tego nie widzi – za to zbliżając rękę na nawet 20 cm czujemy ciepło – to właśnie odczuwamy promieniowanie w podczerwieni. Molekuły CO2 dla światła widzialnego są przezroczyste, to brak jest „dostrojenia” do drgań atomów w CO2 (zbyt wysoka częstość drgań fali świetlnej (tj. zbyt wysoka energia kwantów). Podczerwień wzmacnia wibracje (ciepło) a ultrafiolet (promieniowanie o fali krótszej niż światło widzialne) jest zdolny do wzbudzeń atomów (przeskoków elektronów na wyższe orbity) i ich jonizacji (oderwania elektronu od atomu), która prowadzi często do rozpadu molekuły. Jednak, dla podczerwonego (cieplnego) promieniowania molekuły CO2 nie są przezroczyste – są pochłaniane przez tzw. stany wibracyjne molekuły (drgania rozciągające atomów O wzgl. C i drgania zginające prostoliniową molekułę O-C-O) – (Ryc. 4).
Ryc. 4. Schemat budowy molekuły CO2 podlegającej wzbudzeniu.
Molekuła staje się gorąca i następuje reemisja kwantu w przypadkowym kierunku. Statystycznie w połowie kwanty zawracane jest ku powierzchni Ziemi, a w połowie emitowane w kierunku do Kosmosu i najprawdopodobniej pochłonięte przez jakąś molekułę CO2 w wyższej warstwie atmosfery i znowu z prawdopodobieństwem 1/2 reemitowane do powierzchni Ziemi. itd. Efektem tego jest ograniczenie emisji ciepła z Ziemi – atmosfera a stąd powierzchnia Ziemi staje się cieplejsza. Podobna sytuacja jest w przypadku innych gazów cieplarnianych, ale ich zdolność pochłaniania energii a potem reemisji może być większa, choćby ze względu na inną konfigurację budujących je atomów. Badania wskazały na zadziwiający fakt, że wymuszenie radiacyjne (RF) nie rośnie liniowo wraz ze wzrostem stężenia gazów, lecz ma skalę logarytmiczną (RF = 5.35 * ln [CO2]). Oznacza to, że wzrostowi stężenia [CO2] z 380 do 760 ppm towarzyszy wzrost RF z 31.8 do 35.5 Wm–2 (pozornie 100% wzrost [CO2] dałby tylko 11.6% wzrost RF, ale nie jest to dokładnie tak). Zaznaczyć trzeba, ze opisane zjawisko jest tu pokazane w sporym uproszczeniu a autor nie jest specjalistą z zakresu fizyki atmosfery.
Niemniej jednak widać jak bardzo ważnym jest to, co dzieje się z gazami i czy czasem jego sekwestracja i emisja w postaci innego gazu pośrednio nie przyczynia się do wzrostu efektu cieplarnianego. Tak mocno forsowane odnawialne źródło energii (OZE) jakim są m.in. elektrownie wodne, wymaga zbiorników wodnych, które w istocie są potężnymi zbiornikami zamieniającymi mniej radiacyjny CO2 na bardzo radiacyjny CH4 (np. Jędrysek 1997). Co ważne, nie do końca znane są mechanizmy naturalnej sekwestracji, a nawet wątpliwości budzi rola niektórych gazów w bilansie cieplnym w nawiązaniu do zjawisk kosmicznych (Słońce).
Warto tu wspomnieć, że przy tworzeniu tych modeli i obliczaniu wymuszania radiacyjnego podaje się tzw. składnik antropogeniczny netto, co zdaniem autora jest sugestią wprowadzającą w błąd, że tylko i wyłącznie ludzie są odpowiedzialni za wzrost stężenia ditlenku węgla, metanu i tlenku diazotu w atmosferze. Jeśli zgrubnie porównać stężenia różnych gazów cieplarnianych i zgrubny bilans zdolności podgrzewania (radiative forcing) atmosfery (Ryc. 5 i 6), już na pierwszy rzut oka widać, że zdecydowanie dominujące znaczenie dla podgrzewania atmosfery ma para wodna (a na jej stężenie w atmosferze człowiek ma niezmiernie mały wpływ).
Ryc. 5. Udział w stężeniach gazów cieplarnianych w atmosferze Ziemi
Ryc. 6. Szacunkowy udział głównych gazów cieplarnianych w radiacji wymuszonej suchej atmosfery Ziemi, uwzględniając ich stężenia i RF.
Gazy cieplarniane, które pojawiają się w atmosferze nie zostają tam na zawsze, ale ulegają reakcjom chemicznym pomiędzy sobą czy minerałami, asymilacji biologicznej, rozpuszczaniu w wodzie itd. (sekwestracja gazów). Na przykład, trzeba około 15 lat aby się w połowie on „rozpadł” w atmosferze. Produktem rozpadu jest między innymi CO2., który jest około 30 razy mniej podgrzewający atmosferę niż metan (CH4). Z drugiej strony, z zaasymilowanego CO2, (przez glony, które opadają na dno zbiornika wodnego) czy torfowce (budujące torfowiska) w wyniku fermentacji powstaje m.in. metan (Jędrysek 1995, 1997, 1999). Oznacza to, że ten sam atom węgla, w zależności od tego czy jest w metanie czy w ditlenku węgla może odpowiednio 30 razy bardziej lub mniej podgrzewać atmosferę. Oczywiście, bez takiego podgrzewania atmosfery nie byłoby życia na Ziemi (przynajmniej dla człowieka).
W okresie od ok. 1750 do 2014 roku stężenie ditlenku węgla i metanu w atmosferze wzrosło z 278 do 400 ppm (ang. parts per milion czyli 10-6), metanu w z 722 do 1803 ppb (ang. parts per billion czyli 10-9) a tlenku diazotu z 271 do 324,4 ppb. Stężenia te rekonstruowano głównie z pęcherzyków powietrza z rdzeni lodowych, parametrów roślin, minerałów i skał (czyli proxy). Wzrosty te zdecydowanie można to przypisać w znaczącej części działalności człowieka, ale pamiętajmy, że proxy dla tych gazów w atmosferze Ziemi, wskazują, że także w ostatnich ok. 10000 lat był niemal niezmienny wzrost stężenia CO2. W tej skali, rola człowieka jest w zasadzie żadna. Stąd pojawiające się wątpliwości czy korelacje zmian temperatury i stężenia gazów cieplarnianych nie mają raczej wspólnej przyczyny, albo to ocieplenie nie zwiększyło stężeń niektórych gazów w atmosferze Ziemi, albo wręcz czy czynniki astronomiczne nie zmieniły czynników ziemskich kontrolujących temperaturę i stężenia gazów w atmosferze. Wielu badaczy widzi bowiem przyczyny tych zmian w procesach geologicznych (emisje endogeniczne) i/lub astronomicznych (aktywność Słońca, zmiany konfiguracji cykli orbitalnych - cykle Milankovicia).
Zmiany stężeń niektórych gazów mogą mieć charakter sprzężenia zwrotnego. Na przykład, obniżenia poziomu wód morskich spowodowane np. zlodowaceniem, powinno powodować nieznaczny spadek ciśnienia w osadach morskich, w których w formie tzw. hydratów gazowych uwięziony jest metan (tworzy zwykle białawą substancję wypełniającą przestrzenie porowe w osadach). Ilość tego metanu jest tak wielka, że kumuluje w sobie więcej węgla w formie tzw. zredukowanej, niż wszystkie inne związki, skały, (węgiel, ropa, gaz w złożach) itd. w skałach kontynentalnych. Uważa się, że naturalne klatraty metanu (hydraty gazowe) występują na szelfach kontynentalnych i nieco w wiecznej zmarzlinie oraz tworzą się poniżej tzw. strefy stabilności hydratów gazu (GHSZ ang. Gas Hydrate Stability Zone). Granica tej strefy zależy od dwóch czynników, temperatury i ciśnienia, przy czym im niższa temperatura tym niższe może być ciśnienie aby mogły się tworzyć hydraty gazowe - wyznaczono głębokość tej strefy na ok. 280 metrów w strefach arktycznych i 1100 metrów w strefach okołorównikowych. Jednakże, przy zachodnich wybrzeżach Kanady w rdzeniach wiertniczych odkryto hydraty gazowe na głębokości 60 – 100 metrów (Amos J. 2006). Sprawa jest więc otwarta, szczególnie w zakresie czynników stabilności, a więc czynników wpływających na stężenie metanu w atmosferze. To ważne ze względu na proporcje między ilością metanu w atmosferze i hydratach. Uwolnienie najmniejszej nawet porcji metanu z hydratów musi spowodować relatywnie duży wzrost stężenia metanu w atmosferze.
Zmiany temperatury: przyroda versus człowiek
Wg IPCC (2013) ocean ocieplał się w tempie 0,011 °C rok-1 w latach 1971-2010. Ale idąc w detale, - nie są znane dobrze rozkłady temperatur dla całej kolumny wodnej oceanów, a jedynie dla powierzchni tj. dla do głębokości od 0 do 75 m czyli dla kilku procent całej masy wodny która termicznie a nawet chemicznie jest bardzo stratyfikowana i niejednorodna.
Samo wyznaczenie średniej temperatury globalnej też nie jest łatwe. Wprowadzenie nowego modelu spowodowało rewizję danych w tym zakresie nie tylko ze względu na reprezentatywność pomiarów ale także ze względu na reinterpretację danych (dane satelitarne). Starsza (UAH Ver. 5.6) i nowsza (Ver. 6) wersja modelu pozwoliły na rewizję (Roy Spencer, John Christy and William Braswell) trendów ocieplenia oC na dekadę, odpowiednio: globalnie. +0.140 i +0.114; USA +0.23 i +0.17; Arktyka +0.43 i +0.23; Antarktyda – b.d. i 0 (Kurc L, Kurc J., 2011). Zważywszy na powyższe, pytanie, jak bardzo człowiek wpływa a jak bardzo uważa że wpływa na temperaturę powierzchni Ziemi wydaje się więc zasadne.
Istnieje także spory rozdźwięk pomiędzy klimatologami a paleoklimatologami (gł. geolodzy) w ocenie przyczyn zmian klimatu. Ci pierwsi wiążą nasilenie ekstremalnych zjawisk klimatycznych z rosnącym stężeniem gazów cieplarnianych (gł. CO2). Z bilansu geochemicznego wynika jednak, że antropoemisji (emisja z działalności człowieka) w globalnej emisji ditlenku węgla to ledwie kilka procent całej emisji CO2 czy CH4. Zatem, pytanie o faktyczną rolę człowieka jest zasadne, tym bardziej, że udział emisji tych gazów ze źródeł naturalnych jest słabo znany. Jednemu nie możemy zaprzeczyć – spalanie węgla może powodować nawet kilkuprocentową nadwyżkę (względnie) emisję CO2 i oraz że pojawia się emisja gazów cieplarnianych o charakterze wybitnie antropogenicznym (np. gazy fluorowane, halogenki alkilowe), które w naturze niemal nie występują (choć ich rola w bilansie cieplarnianym jest relatywnie mniejsza). Należy też przyznać, że dzisiejszy wzrost stężenia głównych gazów cieplarnianych jest w ujęciu geologicznym wręcz nagły – choć można swobodnie przyjąć, że w sposób naturalny miało to także miejsce w przeszłości geologicznej – np. być może na przełomie permu i triasu (porównaj Ryc 3, 7, 8) – nie są autorowi znane odpowiednie interpretacje proxy. Pytanie – jak radzi sobie z tym przyroda, jaka jest rola sekwestracji oraz jak przyczynia się to do zmian klimatu pozostaje otwarte – proxy geochemiczne zdają się nas uspokajać mówiąc – wszystko to już było i przyroda reagowała sekwestracją naturalną, np. zwiększonym pochłanianiem (asymilacją CO2) z czego powstały potężne pokłady węgla, czy nawet kilometrowej miąższości skały bogate w materię organiczną, z których powstały złoża węglowodorów. Większość z nich (CH4) prędzej czy później dostawała się do atmosfery Ziemi. Niemal klasycznym dowodem na o jest powstanie złóż siarki w okolicach Tarnobrzega. Otóż emitowany z głębszych skał łupkowych CH4 natrafił a szczelnie przykryte warstwy gipsu (CaSO4) co, w procesach wybitnie mikrobiologicznych, doprowadziło do powstania organogenicznych złóż siarki (S z gipsu) w warstwach wapieni (C z metanu) – patrz Hałas, Kurpiewski 1982, Jędrysek 1990). Taka sytuacja warunków geologiczno-mikrobiologicznych jest wyjątkowa – zwykle cały metan dostawał i dostaje się do atmosfery, podobnie jak ze wspomnianych hydratów gazowych. Dziś oszacowanie tej emisji może być zgrubne, a błąd oszacowania być może bliski wielkości emisji antropogenicznego CO2, w szczególności jeśli uwzględnić wielkość zdolności podgrzewania atmosfery przez metan (geologiczny) i CO2 (antropogeniczny). Pamiętajmy też o naturalnej emisji CO2 i CH4 z działalności wulkanicznej, ryftów śródoceanicznych (podmorskie grzbiety górskie z głębokimi centralnymi rozpadlinami i poprzecznymi uskokami) o słabo znanej emisji CO2 i CH4 i tzw. smokersami (naturalnymi kominami, w strefach przyryftowych do nawet 2 tys. km, emitującymi w krążących wodach morskich wielkie ilości gazów cieplarnianych). Co prawda są badane strumienie tych gazów w wodach morskich, ale jest to bardzo krótki okres, a wątpliwości metodyczne się mnożą. Dowody na kurczenie się lądolodów też są podważane ze względu na to, że dane dotyczą powierzchni a nie miąższości lodu, a poza tym niedawno odkryto zwiększone emisje ciepła właśnie w okolicach bieguna. Mamy też słabo poznane zjawiska, które mogą kompensować podgrzewającą rolę antropoemisji, np. działalność rolnicza powodująca pochłanianie CO2 i ograniczająca emisję CH4, zwiększone albedo (odbijanie promieniowania słonecznego) w związku z użytkowaniem gruntów, czy większą powierzchnią zajmowaną przez chmury w cieplejszym klimacie (większe parowanie).
Pamiętajmy, w historii Ziemi nie tylko zmieniał się klimat w sposób skrajny czy wręcz katastroficzny, ale zmieniały się stężenia gazów cieplarnianych, w zakresach kilkadziesiąt razy większych niż czyni to dziś człowiek (Berner, Kothavala 2001, Royer et al. 2004). W ostatnich kilkudziesięciu milionach lat obserwujemy stały spadek stężenia CO2, i często nieskorelowany z nim spadek temperatury (Ryc. 7, 8). Stężenia te były wielokrotnie wyższe niż dziś, a spektakularnie spadły do dzisiejszego poziomu przy ogromnym wzroście asymilacji karbońskich lasów (dziś budujących złoża węgla kamiennego) - potem ponownie wzrosły wielokrotnie (Ryc. 7). Jedyne, co może budzić czujność to tempo w jakim rośnie stężenie CO2 CH4 i innych gazów dziś.
Ryc. 7. Zmiany stężenia CO2 atmosferycznego i średniej temperatury na powierzchni Ziemi w ostatnich 600 mln lat (http://deforestation.geologist-1011.net , http://www.geocraft.com/WVFossils/PageMill_Images/image277.gif).
Ryc. 8. Diagramy zmian stężenia ditlenku węgla, metanu i tlenku diazotu (Pleśniak 2015 - na podstawie IPCC, 2005).
Zapisy omawianych zmian znajdują się w proxy geochemicznych głównie skał osadowych reprezentujących nawet miliardy lat. Co ważne, także zmiany klimatu zmieniają stężenia gazów poprzez zmiany środowiskowe. Pojawia się zatem pytanie – co jest przyczyną ,a co skutkiem oraz czy nie ma wspólnych wielu przyczyn zarówno dla zmian stężeń gazów jak i klimatu – czyli emisje gazów i ciepła Ziemi (np. hot spots) , a także zmiany aktywności Słońca.
Wnioski
1. Jedyną niezmienną cechą klimatu jest to, że on się zmienia.
2. Gazy cieplarniane podgrzewają atmosferę, bez czego nie byłoby życia na Ziemi
3. Brak jest jednoznacznych zależności fizycznych pomiędzy stężeniem gazów i globalnym wzrostem temperatury, a także brak zrandominizowanych niepodważalnych danych reprezentujących zmiany temperatury na całej Ziemi.
4. Składowa antropogeniczna emisji gazów cieplarnianych i czynników kompensujących, sekwestracyjnych (asymilacja, reakcje geochemiczne, oceany etc.), niedoszacowanie przewodnictwa cieplnego atmosfery itd. są trudne do precyzyjnego obliczenia, ale zdaje się, że rola człowieka w tym bilansie jest znikoma.
5. Nowe dane dotyczące wymuszenia radiacyjnego metanu (RF (CH4) = ok. 30*RF (CO2), w świetle polityki klimatycznej, nakazują baczniej przyjrzeć się emisjom metanu.
6. Polska nie powinna ograniczać emisji CO2 w większym niż dotychczas zakresie, do czasu wypełnienia przez pozostałych sygnatariuszy zobowiązań Protokołu z Kioto, oraz wyjaśnienia w nie budzący wątpliwości (ściśle ilościowy) sposób co do roli człowieka w zmianach klimatu.
7. Wszelkie nowe kroki ograniczające emisje gazów cieplarnianych poszczególnych krajów powinny bazować na rzetelnej wiedzy dotyczącym bilansu emisji wszystkich gazów ze wszystkich źródeł (naturalnych i antropogenicznych) oraz pochłaniania/sekwestracji (naturalnego i antropogenicznego), z uwzględnieniem wartości RF w tym bilansie. W istocie więc powinno to być ograniczanie emisji zależne od kumulatywnego RF z powierzchni kraju.
Rekomendowane źródła
Amos J. 2006, Methane ices pose climate puzzle, http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/6166011.stm
Barszczowska L., Jędrysek M. O., 2005, Carbon Isotope distribution along Pine needles (Pinus Nigra Arnold). Acta Societatis Botanicorum Poloniae 74: 93-98.
Berner R.A. and Kothavala Z., 2001, Geocarb III A Revised Model Of Atmospheric CO2-Over Phanerozoic Time, American Journal Of Science, Vol 301, pp.182-184,-2001 .pdf
Hałas S., Kurpiewski A., 1982, Sklad izotopowy tlenu i siarki w siarczanach rudy siarkowej ze złóż tarnobrzeskich., Przegl. Geol., 7, 374-379.
Jędrysek M. O., 1990, Isotope effects in geological systems. In: Course-book of Isotope Geology, M. O. Jedrysek (ed.), Third School on Physics of Minerals, Part I – Isotopes, Wrocław University and Committee on Mineralogical Sciences, pp. 19-41.
Jędrysek M. O., 1995, Carbon isotope evidence for diurnal variations in methanogenesis in freshwater lake sediments. Geochim. Cosmochim. Acta 59: 557-561.)
Jędrysek M. O., 1997, Spatial and temporal variations in carbon isotope ratio of early-diagenetic methane from freshwater sediments: methanogenic pathways. Acta Universitatis Wratislaviensis - Prace Geologiczno-Mineralogiczne 63: 1-110.
Jędrysek M. O., 1999, Spatial and temporal patterns in diurnal variations of carbon isotope ratio of early-diagenetic methane from freshwater sediments. Chemical Geology 159: 241-262.)
Jędrysek M.O. 2008, Wywód praktyczny o geotermometrii izotopowej par minerałów dla geologów na sposób krótki i prosty podany: kurs rekonstrukcji zdarzeń termicznych Pierwszego Polskiego Kongresu Geologicznego w Krakowie (A.D. 2008), Metody badań historii termicznej basenów osadowych., Materiały kursu szkoleniowego 25 czerwca 2008, I Polski Kongres Geologiczny Kraków 26−28 czerwca 2008. Redakcja i koordynacja Jarosław Tyszka, Polskie Towarzystwo Geologiczne, Kraków 2008, str. 22-31.
Jędrysek M.O., 2013, Polscy naukowcy pierwsi, a politycy ostatni w Europie:CO2 i CCS (2013.05.01) http://morion.salon24.pl/504508,polscy-naukowcy-pierwsi-a-politycy-ostatni-w-europie-co2-i-ccs
Jędrysek M.O., 2013, Nowa polityka klimatyczna rozczarowuje http://www.naszdziennik.pl/ekonomia-gospodarka/105377,nowa-polityka-klimatyczna-rozczarowuje.html
Jędrysek M.O., 2014, Niemcy spalają blisko połowę węgla, jaki spala się w całej UE. Ale dzięki propagandzie to nas uważa się za ekologicznego "brudasa". http://wpolityce.pl/wydarzenia/71505-prof-jedrysek-niemcy-spalaja-blisko-polowe-wegla-jaki-spala-sie-w-calej-ue-ale-dzieki-propagandzie-to-nas-uwaza-sie-za-ekologicznego-brudasa-nasz-wywiad
Jędrysek M.O., Kałużny A., Hoefs J., 2002, S and O isotope ratios in spruce needles as a tracer of atmospheric pollution., Jour. Geophysical Research - Atmospheres, 107: 4353-4365.
Jędrysek M.O., Krąpiec M., Skrzypek G., and Kałużny A., 2003, Air-pollution effect and Paleotemperature Scale versus δ13C Records in Tree Rings and in a Peat Core (Southern Poland). Water, Air and Soil Pollution 145: 359-375.
Jędrysek M. O., Wada E., Kral T., Pazdur A., Hałas S., Skrzypek G., Takai Y., Vijarnsorn O.. 1994: Preliminary carbon and sulphur isotope studies on depth core profiles of peat from Thailand and Poland., In: Extended Abstracts, Isotope Workshop II, Książ Castle, 25-27 may 1994, s. 78-81.
Kurc L, Kurc J., 2011, CO2: Different interpretation of the same data, Natural Science vol.3, No.6, 456-458.
Mamczar.M, Jędrysek M.O.- Podziemne składowanie ditlenku węgla w świetle art. 4 ust. 1 Dyrektywy 2009/31/WE w Polsce i w Niemczech: implikacje do polskiego ustawodawstwa, Prz. Geol., 63(1): 36-41.
Pasek J.C. 1656, Pamiętniki.
Pleśniak Ł., 2015, Analizy izotopowe C, H, S jako wskaźnik migracji składników gazu ziemnego w złożu. Praca doktorska, ING Uniwersytet Wrocławski (w przygotowaniu).
Royer D.L., Berner R.A., Montanez I.P., Tabor N.J., Beerling D.J. 2004, CO2 as a-Primary Driver of Phanerozoic Climate, Geological Society of America,-Vol.14, No.3, 2004.pdf
Skrzypek G., Akagi T., Drzewicki W., Jędrysek M. O., 2008, Stable isotope studies of moss sulfur and sulfate from bogsurface waters. Geochemical Journal 42: 481-492.
Skrzypek G., Kałużny A., Wojtuń B, Jędrysek M.O., 2007, The carbon stable isotopic composition of mosses - the record of temperature variations. Organic Geochemistry 38: 1770-1781.
Zachos J., Dickens G. Zeebe R., 2008, An early Cenozoic perspective on greenhouse warming and carbon-cycle dynamics, Nature 451, 279-283(17 January 2008)
Inne tematy w dziale Gospodarka
