Dlaczego globalne ocieplenie przyspieszyło

Globalne i lokalne rekordy temperatury, o których często ostatnio słyszymy, prowokują pytania, czy z klimatem nie dzieje się coś niespodziewanego, i czy tempo globalnego ocieplenia nie wzrosło względem trendów obserwowanych w ostatnich kilku dekadach oraz dotychczasowych przewidywań naukowców. Jednocześnie, w krótkim odstępie czasu ukazało się kilka głośnych artykułów naukowych (np. Hansen i in., 2023) dotykających tego problemu z różnych stron i perspektyw. O przyspieszeniu globalnego ocieplenia mówił także Komitet Problemowy ds. Kryzysu Klimatycznego przy Prezydium PAN w opublikowanym niedawno komunikacie. Poniższy artykuł jest próbą uporządkowania dotychczasowej, toczącej się w środowisku naukowym dyskusji.

Ilustracja 1: Wypuszczanie do oceanu pływaka “Argo” – jednego z tysięcy urządzeń nurkujących w oceanie i służących do pomiarów jego temperatury. Zdjęcie: John Polling, źródło: NOAA.

Co pokazują pomiary temperatury?

Zaczniemy od rzeczy najmniej kontrowersyjnej, czyli samych pomiarów. Porównując trendy średniej globalnej temperatury o długości do mniej więcej 15 lat, bezsprzecznie można powiedzieć, iż tempo globalnego ocieplenia jest większe niż na początku XXI wieku, albo w poprzedzających dekadach. W analizie HadCRUT5 brytyjskiego Centrum Hadleya, w latach 2008-2023 trend liniowy wynosił 0,29 °C/dekadę, i był o połowę większy od wielodekadowego trendu z lat 1980-2020, kiedy to nasza planeta ocieplała się w tempie 0,19 °C/dekadę. W reanalizie ERA5 europejskiego projektu Copernicus ta różnica pozostało większa (0,35 °C/dekadę wobec 0,19 °C/dekadę).

Ilustracja 2: Odchylenie (anomalia) globalnej średniej temperatury od średniej z czasów przedprzemysłowych (1850-1900) na podstawie analizy HadCRUT. Linia czarna: trend liniowy obliczony na podstawie lat 1980-2020, linia czerwona: trend liniowy policzony na podstawie danych z lat 2008-2023 (ostatnie 15 lat).

Wisienką na torcie była wartość średniej globalnej anomalii temperatury za cały rok 2023, która nie tylko była rekordowo wysoka, ale otarła się o próg 1,5 stopnia Celsjusza ponad poziomem przedindustrialnym (tj. średnią 1850-1900), bijąc poprzedni rekord z 2016 roku o około 0,15 stopnia (0,13-0,17°C, w zależności od analizy).

W sensie statystycznym, odnosząc się do szeregów średniej temperatury całej planety, globalne ocieplenie zatem przyspieszyło. Wiąże się z tym jednak kolejne, bardziej interesujące pytanie: co jest przyczyną tego przyspieszenia?

Wiemy, iż choćby przy stabilnym, długoterminowym tempie ocieplenia oczekiwalibyśmy krótkoterminowych wahań tempa zmian temperatury, związanych z naturalną zmiennością klimatyczną. Klimatolodzy są więc ostrożni w wyrokowaniu, iż ocieplenie „naprawdę” przyspieszyło, i iż nie jest to tylko efekt krótkoterminowy. Wciąż pamiętamy zamieszanie związane ze spowolnieniem wzrostu temperatury w pierwszej dekadzie XXI wieku, które sprowokowało sceptyków do odwołania globalnego ocieplenia. Jak wtedy ostrzegali naukowcy, okresowe spowolnienia i przyspieszenia tempa zmiany klimatu nie są niczym niezwykłym, i należy się ich na dłuższą metę spodziewać (Meehl i in., 2013).

Czy kilkanaście lat wystarczy, by stwierdzić przyśpieszenie ocieplenia?

Możemy to próbować wyjaśnić w oparciu o bardzo prosty statystyczny model zmienności klimatycznej, w którym zmiana temperatury globalnej jest kombinacją trendu liniowego i losowego szumu o rozkładzie normalnym. W modelu takim 5% okresów 15-letnich zawiera przyspieszenie wzrostu temperatury o co najmniej 0,1°C na dekadę, a zatem przy bazowym tempie ocieplenia 0,2°C/dekadę możemy się spodziewać co jakiś czas przyspieszenia ocieplenia do 0,3°C/dekadę. Ponieważ sytuacja jest symetryczna, możemy się też spodziewać z podobnym prawdopodobieństwem analogicznych okresów ze spowolnieniem ocieplenia, i siłą rzeczy będą się one zdarzać naprzemiennie (patrz rysunek poniżej).

Ilustracja 3: Ilustracja nałożenia się krótkoterminowej zmienności na długoterminowy trend na podstawie syntetycznych danych (przykładowego, abstrakcyjnego przebiegu średniej temperatury). Linia czarna obrazuje długoterminowe, stałe „globalne ocieplenie” o wartości 2 stopni na stulecie, z międzyroczną zmiennością odpowiadającą rzeczywistej. Linie czerwone pokazują wystąpienie krótkoterminowych trendów spowolnienia albo przyspieszenia o co najmniej 0,1 stopnia na dekadę.

Chcielibyśmy więc wiedzieć, na ile obserwowane przyspieszenie ocieplenia wynika z naturalnej, wewnętrznej zmienności klimatycznej, a na ile jest wymuszona czynnikami zewnętrznymi (tzw. wymuszeń radiacyjnych), zarówno naturalnymi, takimi jak erupcje wulkaniczne albo zmiany aktywności słonecznej; oraz antropogenicznymi, jak zmiana koncentracji gazów cieplarnianych oraz aerozoli. Nie jest to tylko problem akademicki, bo zdiagnozowanie przyczyny przyspieszenia ocieplenia ma duże znaczenie w kontekście dalszej zmiany klimatu w XXI wieku. Gdyby był to tylko efekt naturalnej zmienności klimatycznej, niebawem moglibyśmy się spodziewać spowolnienia wzrostu temperatury, i powrotu do wartości trendów z poprzednich kilku dekad. jeżeli jednak są za to odpowiedzialne inne czynniki, przyspieszenie zostanie z nami tak długo, jak długo wciskany jest „klimatyczny pedał gazu” w postaci wymuszeń radiacyjnych.

Czemu rok 2023 był tak rekordowo gorący?

Osobnym problemem jest wyjaśnienie rekordów, które padły w roku 2023. Nie koniecznie jest ono takie samo, jak w przypadku wieloletniego trendu. Tak duży skok temperatury globalnej przynajmniej częściowo można wytłumaczyć trwającym od lipca 2023 do kwietnia 2024 El Nino, ale nie wiadomo, czy jest to wyjaśnienie wystarczające, i jaką rolę odegrały inne czynniki. Przede wszystkim, największego wpływu El Nino należałoby się spodziewać w drugim roku jego trwania, czyli dopiero w roku 2024. Tymczasem największe wartości anomalii miesięcznych były obserwowane jesienią roku 2023, na kilka miesięcy przed szczytem intensywności El Nino, którego wskaźnik definiowany jest jako średnia temperatura równikowego Pacyfiku pomiędzy 120 i 170 południkiem zachodnim (wskaźnik NINO3.4, patrz: Pięć pytań o ENSO).

Ilustracja 4: Wskaźnik NINO3.4: odchylenia temperatury powierzchni oceanu w regionie NINO3.4 od wieloletniej średniej. Szare linie pokazują przebiegi w latach z silnymi zjawiskami El Nino od roku 1950 do 2022. Linia fioletowa pokazuje wartości dla El Nino z lat 2023-2024. Linie czerwona i niebieska wyznaczają granice powyżej/poniżej których stwierdza się zjawisko El Nino/La Nina. Wykres autorstwa Emily Becker (na podstawie danych CPC. Źródło: NOAA.

Wskazówką o tym jak niezwykły był rok 2023 może być to, iż wykonane pod koniec roku poprzedniego (2022) prognozy (zarówno czysto statystyczne [Schmidt, 2024], jak i oparte o modele systemu ziemskiego [MetOffice, 2022]) dawały niewielką szansę na nowy rekord średniej globalnej temperatury. Ostatecznie rekord nie tylko został pobity, ale wartość z 2023 roku była powyżej zakresu niepewności prognoz.

Na wyjaśnienie zagadki „dlaczego rok 2023 był taki ciepły” trzeba będzie jeszcze poczekać, więc tylko wspomnę tutaj o najczęściej wspominanych w tym kontekście zdarzeniach: wybuchu podwodnego wulkanu Hunga Tonga w styczniu 2022 roku, oraz redukcji emisji związków siarki w wyniku nowych regulacji Międzynarodowej konwencji o zapobieganiu zanieczyszczaniu morza przez statki (MARPOL), które miały wejść w życie w 2020 roku.

Ilustracja 5: Wahania koncentracji pary wodnej w tropikalnej stratosferze na wysokości odpowiadającej ciśnieniu od 100 do 10 hPa (od ok. 15 do 30km). Naprzemienne paski czerwone i niebieskie odpowiadają sezonowym wahaniom wilgotności, spowodowanej „przeciekaniu” pary wodnej przez tropikalną tropopauzę latem i jej powolnej migracji w wyższe warstwy atmosfery. Anomalia związana z erupcją Hunga Tonga to intensywnie czerwony pasek po prawej stronie wykresu. Źródło: Millan i in., 2022).

Skutki erupcji Hunga Tonga – wypadkowo niewielkie

Choć pod względem wyzwolonej energii wybuch Hunga Tonga była porównywalna z największymi erupcjami ostatnich dwóch stuleci (Poli i Shapiro, 2022), jej skutkiem była emisja relatywnie niewielkiej ilości dwutlenku siarki do atmosfery (dwa rzędy wielkości mniej niż Pinatubo z 1991 r. albo Krakatau z 1883 r., Carn i in., 2022). Jednocześnie jednak Hunga Tonga wstrzyknęła wysoko do stratosfery ogromne ilości pary wodnej (Millan i in., 2022).

Miało to dwie główne konsekwencje: obecność pary wodnej przyspieszyła powstawanie cząsteczek aerozolu siarczanowego (Legras i in., 2022, Zhu i in., 2022, Asher i in., 2023, jednocześnie para wodna zmieniła też bilans promieniowania podczerwonego w górnych warstwach atmosfery. Pierwszy z tych efektów miał chłodzący, a drugi – ocieplający wpływ na globalny klimat, choć ten drugi powinien na dłuższą metę dominować. Z dotychczasowych badań wynika jednak, iż sumaryczny wpływ Hunga Tonga na średnią globalną temperaturę jest niewielki, w granicach kilku setnych stopnia (Selitto, 2022, Jenkins i in., 2023, Schroeber i in., 2023.

Ograniczenie emisji związanych z transportem morskim

Wpływ regulacji o składzie spalin emitowanych przez statki pozostało trudniejszy do określenia. Emisja związków siarki przez fracht morski to tylko niewielka część globalnych emisji, a ich efekt jest najsilniejszy w okolicach szlaków transportowych na oceanach, czyli głównie północnym Atlantyku i północnym Pacyfiku. Wejście w życie nowych regulacji zbiegło się też z początkiem pandemii Covid-19, która również doprowadziła do zmian w aktywności gospodarczej i transporcie na całym świecie. Pomiary satelitarne (Diamond, 2023) oraz bazy danych emisji różnych zanieczyszczeń sugerują, iż w skali całej planety efekt ten jest niewielki, porównywalny ze skutkami wybuchu Hunga Tonga.

Trudno jest rozstrzygnąć, czy oba omawiane czynniki, w połączeniu z rozwijającym się El Nino, wystarczają do wyjaśnienia skoku temperatury globalnej pod koniec 2023 roku, choć nie można też zapominać o tym, iż choćby gdyby żadne z nich nie miało miejsca, długoletni trend wynikający z antropogenicznego globalnego ocieplenia i tak gwarantuje nam, iż każdy rok będzie jednym z kilkunastu najcieplejszych w historii pomiarów.

Rekordowo ciepły rok 2023 sam w sobie kilka nam zatem mówi o tym, czy globalne ocieplenie przyspieszyło.

Jak inaczej ocenić wieloletni trend?

W temacie długoletniego trendu globalnego ocieplenia i jego zmian mamy na szczęście więcej wskazówek.

Najważniejszym są pomiary temperatury morskiej wody, wykonane na różnych głębokościach przez sieć boi oceanicznych Argo i inne pomiary in situ. Ze względu na znacznie większą pojemność cieplną wszechoceanu sezonowe czy międzyroczne wahania zawartości ciepła są niewielkie, więc naturalna zmienność klimatyczna w mniejszym stopniu przeszkadza nam w badaniu przebiegu długoletnich trendów. Łatwiej jest zatem stwierdzić, czy tempo ocieplania oceanów, odzwierciedlające bilans energetyczny planety, przyspiesza.

Uzupełnieniem tego typu analiz są pomiary radiometryczne wykonywane przez satelity, mierzące strumienie promieniowania słonecznego odbitego przez Ziemię, a także emitowanego przez nią promieniowania podczerwonego.

Podsumowaniem tych pomiarów jest globalny wskaźnik zwany nierównowagą radiacyjną Ziemi (EEI, Earth’s Energy Imbalance), który mówi nam, ile średnio cała planeta zyskuje albo traci energii. Nie powinno być zaskoczeniem, iż w wyniku wzrostu koncentracji gazów cieplarnianych i wzmocnienia efektu cieplarnianego bilans energetyczny jest dodatni (patrz Jest dodatni, ale wcale nas to nie cieszy); a także iż pomiary wykonywane różnymi metodami konsekwentnie wskazują, iż nierównowaga radiacyjna jest coraz większa (Minière i in., 2023, Storto i in., 2024, Cheng i in., 2024, Forster i in. 2024, Loeb i in. 2024).

Ilustracja 6: Szacunki zmian nierównowagi radiacyjnej Ziemi w okresach dekadowych i wielodekadowych, razem z niepewnościami pomiarowymi. Trzy słupki po lewej stronie oznaczają szacunki opublikowane w szóstym raporcie IPCC, oraz ich aktualizację według najnowszych danych (ale zachowanych tych samych okresów). Źródło: Forster i in. 2024

Oznacza to, iż obserwowane w przypowierzchniowej warstwie atmosfery przyspieszenie globalnego ocieplenia nie jest tylko chwilową, losową fluktuacją, wynikającą z naturalnej, wewnętrznej zmienności klimatycznej, ale iż jego przyczyną jest wzrost tempa akumulacji energii przez system klimatyczny. Jest to więc proces długoterminowy, i odpowiadają za niego wymuszenia radiacyjne.

Jakie wymuszenia odpowiadają za przyśpieszanie ocieplenia?

Za przyspieszenie globalnego ocieplenia odpowiada przede wszystkim jest przyrost koncentracji dwutlenku węgla (wzrost długości pierwszego słupka na wykresie poniżej), oraz redukcja emisji wspominanych wcześniej aerozoli – choć nie tylko siarczanowych, i nie tylko związanych z frachtem morskim (skurczenie się słupka niebieskiego).

Ilustracja 7: Szacunki wartości efektywnych wymuszeń radiacyjnych od 1750 do 2023 roku, wraz z 90% przedziałami ufności. Źródło: Źródło: Forster i in. 2024

Historycznie, wzrost emisji antropogenicznych aerozoli przez długi czas towarzyszył wzrostowi emisji dwutlenku węgla, maskując część obserwowanego ocieplenia. To ujemne wymuszenie radiacyjne osiągnęło największe nasilenie w latach 70-tych XX wieku, w późniejszym czasie ulegając powolnej redukcji, najpierw w Ameryce Północnej i Europie, a w ostatnich latach również w wielu krajach azjatyckich. Zmiany ilości gazów cieplarnianych i aerozoli, które do połowy lat 70-tych XX wieku działały w przeciwnych kierunkach, w tej chwili działają razem w kierunku wzrostu globalnej temperatury.

Diagnozę taką potwierdzają symulacje z użyciem komputerowych modeli klimatu, które umożliwiają nam zbadanie wpływu różnych czynników na nierównowagę radiacyjną Ziemi (Hodneborg i in, 2024). Wskazują one, iż osłabienie wymuszenia radiacyjnego związanego z aerozolami odpowiadało za 1/3 – 1/2 obserwowanego przyspieszenia globalnego ocieplenia, mierzonego przez wskaźnik nierównowagi radiacyjnej.

Zjawisko to nie jest zupełnie nieoczekiwane — a tak naprawdę było przewidywane już wiele lat temu (np. Hansen i Lacis, 1990 lub Smith i in., 2014). Dobrą wiadomością jest to, iż potencjalna skala tego efektu jest ograniczona całkowitym wymuszeniem radiacyjnym aerozoli: w tej chwili wynosi ono około -1W/m², co przekłada się na globalne ochłodzenie o około 0,5°C. Zatem gdybyśmy się całkowicie pozbyli antropogenicznych aerozoli, wynikające z poprawy jakości powietrza globalne ocieplenie nie przekroczyłoby właśnie tej wartości. Sama poprawa jakości powietrza ma, oczywiście, wiele innych zalet, więc jej konsekwencje nie powinny być rozpatrywane tylko w kontekście wpływu aerozoli na bilans promieniowania w atmosferze.

Warto też tutaj nadmienić, iż i bez redukcji aerozoli spodziewalibyśmy się, iż globalne ocieplenie będzie zachodzić szybciej wraz ze wzrostem emisji dwutlenku węgla, oczekujemy też, iż spowolni wraz z redukcją emisji gazów cieplarnianych, zatrzymując się wraz z osiągnięciem zerowych emisji netto… jeżeli taką redukcję przeprowadzimy (patrz: Po jakim czasie zobaczylibyśmy efekt redukcji emisji). Wciąż kontrolujemy więc główny „klimatyczny pedał gazu”, i od nas zależy, czy i kiedy zdejmiemy z niego nogę.

Piotr Florek, konsultacja merytoryczna: prof. Jacek Piskozub