Efekt cieplarniany raz jeszcze

Sprowokowany dyskusja na blogu Oszalalych Naukowcow w "Polityce" postanowilem ponownie rozwazyc czy istotnie dzialanosc czlowieka ma istotny wplyw na sklad atmosfery (jak twierdza "zieloni") czy tez ludzka aktywnosc ma minimalne znaczenie w obliczu naturalnych procesow emisji gazow cieplarnianych (H2O, CO2, CH4 itp) jak twierdzilem uprzednio we wpisie "A mnie sie marzy kurna chata..." (Dec.17/2009). Od odpowiedzi na to pytanie zalezy bowiem takze szereg wazkich decyzji energetycznych takich jak ograniczenie energetyki weglowej i ogolniej energetyki opartej na paliwach naturalnych. W chwili obecnej mozna miec watpliwosci co do przyszlosci zasobow paliw pochodzacych z ropy ale zasoby wegla sa w dalszym ciagu ogromne a samo to paliwo jest wzglednie tanie jako zrodlo energi w porownaniu z energia uzyskiwana ze zrodel "odnawialnych" czy tez z reaktorow jadrowych. Na przyklad w Naszej Umeczonej Ojczyznie istnieje obecnie obawa nadmiernego uzaleznienia sie od dostaw gazu naturalnego z Rosji. W tym celu planuje sie nawet zorganizowanie importu gazu cieklego z Kuwejtu czy innego kraju "awantur arabskich" tak jakby uzaleznienie sie od krajow mahometanskich bylo czyms lepszym. Tymczasem od czasow Krolestwa Kongresowego mielismy w Polsce dobrze rozwiniete gazownictwo weglowe dostarczajace koksu i gazu wodnego (CO + H2) , ktory to gaz doskonale wystarczal jako zrodlo opalu i oswietlenia ulic i mieszkan. Gaz rosyjski na duza skale pojawil sie w Polsce za Gierka i byl jedna z form mechanizmu scalania krajow RWPG w jeden organizm gospodarczy. Istotnie gaz naturalny nie jest trujacy tak jak gaz wodny ale ten ostatni byl z nami przez ponad 200 lat i populacja Polski ciagle wzrastala. Pamietajmy tez, ze systematyczne zakupy surowcow energetycznych za granica powiekszaja deficyt handlu zagranicznego co jest jednym z powodow wzrastajacego zadluzenia kraju. Oparcie sie na surowcach naturalnych znajdujacych sie na terenie kraju byloby duza pomoca dla finansow publicznych oraz zrodlem dobrze platnego zatrudnienia. Obecnie Unia Europejska prowadzi wobec Polski identyczna polityke jak ZSRR robiac wszystko aby pozbawic nas niezaleznosci energetycznej opartej o zasoby rodzime. Dzieki temu ulegaja w coraz wiekszym stopni zniszczeniu badz wykupieniu zasoby i zaklady wydobywcze kopalin energetycznych. Zanim wiec zaakceptujemy ludzka dzialalnosc jako glowna przyczyne efektu cieplarnianego spojrzmy jak wyglada dlugoterminowy przebieg zmian temperatury oraz zawartosci dwutlenku wegla w atmosferze na podstawie danych uzyskanych z glebinowych odwiertow lodowcow. Dane te siegaja obecnie mniej wiecej 500 tysiecy lat i pokazane sa na planszach (1) i (2). Na osi horyzontalnej mamy podany czas w latach od chwili aktualnej wstecz. Os pionowa pokazuje tak zwana anomalie temperaturowa w stopniach Celsjusza (czy kelwinach) czyli w zasadzie dlugoczasowy przebieg fluktuacji sredniej rocznej temperatury. Anomalia temperaturowa jest (nieslusznie) ulubiona wielkoscia klimatologow i stanowi odchylenie aktualnej temperatury w danym czasie od pewnej temperatury przyjetej jako punkt odniesienia. Pisze nieslusznie gdyz roznica dwoch wielkosci obdarzonych bledem pomiarowym ma blad rowny sumie bledow obu skladnikow. Inaczej mowiac anomalia temperaturowa jest znana z mniejsza dokladnoscia niz czynniki wchodzace do niej. No ale to nie jest tak bardzo istotne tutaj gdyz dokladnie czy nie ale wystarczajaco wyraznie widzimy na obu wykresach od gory, ze istotnie anomalia temperaturowa Naszej Drogiej Planety oscyluje w czasie w zakresie od -7 stop. do +6 stop. z okresem wynoszacym z grubsza 125 tysiecy lat. Podobnie i synchronicznie oscyluje tez ilosc lodu podana na trzecim wykresie od gory Rysunku 1. Jest to przebieg typu zebow pily albo sekwencji reprezentacji delta funkcji, podobnych do tych jakie dostajemy przy rozniczkowaniu fali prostokatnej w elektronice (po odcieciu skladnika negatywnego). Na rysunku 2 widzimy zmiany stezenia dwutlenku wegla rozpuszczonego w lodzie. Sa to rowniez zmiany okresowe o periodzie okolo 125 tysiecy lat. Wskazuja one, ze okresy wzglednego ocieplenia koincyduja ze wzrostem stezenia CO2 w atmosferze co nie oznacza, ze to wlasnie one sa przyczyna obserwowanego ocieplenia. Pamietajmy bowiem, ze caly obecny okres udokumentowanego istnienia cywilizacji ludzkiej nie siega glebiej w przeszlosc niz jakies 10 tysiecy lat. O ile nie przyjmiemy spiskowej teorii dziejow i nie zalozymy, ze w glebokiej i ahistoryczej przeszlosci istnialy jakies zagubione a rozwiniete cywilizacje to jest jasne, ze periodyczne ocieplenia klimatu oraz wzrost stezenia CO2 mialy calkiem niezalezne od czlowieka przyczyny zapewne bedace pochodzenia geologiczno-astronomicznego. Byc moze nasz uklad sloneczny przechodzi okresowo przez obszar przestrzeni kosmicznej wyjatkowo zapylony (rysunek 3). Pyl ow zmniejsza ilosc energii slonecznej dochodzacej do Ziemi a wieksze kawaly materii kosmicznej (asteroidy) byc moze bombarduja nasz planete powodujac, na przyklad, pozary w skali globalnej produkujac przy tym CO2 lub zwalniajac go ze srodowiska wodnego. Jest dosyc charakterystyczne, ze ocieplenie zachodzi wzglednie szybko (w ciagu okolo 20 tysiecy lat) natomiast schladzanie Ziemi jest procesem znacznie powolniejszym i zabiera ponad 100 tysiecy lat. Tak czy inaczej obecnie jestemy w trakcie zblizania sie do maksimum ocieplenia i stezenia CO2 i w najblizszej przyszlosci (rzedu 10 tysiecy lat) mozemy oczekiwac powrotu globalnego chlodzenia. Mozliwy mechanizm periodycznego ochlodzenia przez czas dlugi oraz ocieplenia trwajacego krotko jest pokazany na Rys. 3. Ale oczywiscie moga tez istniec inne mechanizmy, jak na przyklad periodyczne podnoszenie sie temperatury jadra Ziemi. Nie o to zreszta chodzi aby odgadnac przyczyny owej periodycznosci ale o podkreslenie faktu, ze zarowno wzrost stezenia CO2 jak i ocieplenie globalne wydarzalo sie juz w przeszlosci najwyrazniej bez ludzkiego udzialu. Spojrzmy teraz na okres czasu blizszy aktualnemu. W poprzednim wpisie opieralem sie na danych zebranych przez Oak River National Laboratory, ktore zawieralo srednie temperatury roczne na poziomie morza zebrane przez okres 1901 -1987. Byl to zbior danych zapewne pochodzacych z jednego laboratorium meteorologicznego co bylo wazne gdyz zapewnialo jednosc sprzetu i lokacji urzadzenia pomiarowego. Obecnie znalazlem na internecie szerszy zbior danych skolekcjonowanych przez NASA i rozciagajacych sie przez 130 lat od roku 1879 do 2009. Nie starczylo mi cierpliwosci aby sprawdzic pochodzenie danych zwlaszcza jesli chodzi o koniec 19tego wieku. Przyjmijmy je zatem za dobra monete wierzac, ze naukowcy NASA wiedza co robia chociaz byly dowody, ze nie jest tak zawsze- mam na mysli spektakularna katastrofe sondy kosmicznej spowodowana nieumiejetnoscia rachunku na liczbach mianowanych czyli niewlasciwego przeliczenia jednostek. Jesli chodzi o czasy wspolczesne to mamy do czynienia z dwoma pogladami. Pierwszy mowi, ze w skali czasowej jaka bierzemy pod uwage (okolo 100 lat) fluktuacje sredniej rocznej temperatury (czy anomali temperaturowej) sa losowe i ze nie ma powodow aby posadzac ludzka dzialalnosc o to, ze wywoluje ona efekt systematycznie rosnacego ocieplenia atmosfery. Fluktuacje temperatury sa wywolane zmianami intensywnosci promieniowania slonecznego , ktore z kolei powoduje wzrost parowania wody w ocenach (efekt chlodzacy- pobor ciepla parowania) , wzrost produkcji roslinnosci (efekt usuwania CO2 z atmosfery droga fotosyntezy) oraz topnienie sniegow i lodu. Te ostatnie pelnia role bufora cieplnego. Oczekujemy zatem, ze trend zmian temperatury jest w zasadzie horyzontalny a efekt przemyslowej dzialanosci czlowieka jest minimalny jesli chodzi o srednia temperature. Mozemy natomiast obserwowac wzrost amplitudy fluktuacji wywolany ludzka interwencja w pojemnosc cieplna ukladu w postaci deforestacji, cieplnych "plam" miejskich oraz eliminacja czesci powierzchni na rzecz planowych zasiewow. Poglad drugi, naglosniony przez Al Gore i innych "zielonych" dla celow politycznych twierdzi, ze to ludzka dzialalnosc przemyslowa a zwlaszcza spalanie paliw kopalnych jest powodem wzrostu stezenia CO2 w atmosferze. Ten zas wzrost powoduje "efekt cieplarniany" ze wzgledu na zatrzymywanie odbijanej przez Ziemie energii slonecznej przez atmosfere. Gore i jego zwolennicy nie ustosunkowali sie (o ile wiem) do dlugoczasowych periodycznych efektow ochlodzenia i ocieplenia, wspomnianych na wstepie, z czego nalezy wnioskowac, ze uwazaja oni , iz Nasza Droga Planeta miala raczej nieurozmaicone zycie termiczne do momentu kiedu ludzka inwencja wynalazla ogien a w dalszej kolejnosci paleniska, centralne ogrzewanie i silniki spalinowe. Rysunek 4 pokazuje przebieg anomali temperaturowej w okresie ostatnich 130 lat. Zbior danych posiada srednia anomalie temperaturowa DT = 0.07 +/- 0.01 stop. co swiadczy o tym, ze tempertura odniesienia nie odpowiadala dokladnie sredniej temperturze dla calego zbioru danych. To zreszta nie ma znaczenia. Niebieskie, horyzontalne linie przerywane reprezentuja odchylenie standartowe od wartosci sredniej anomalii temperaturowej. Wynosi ono okolo 0.49 stopnia. Dwie horyzontalne linie niebieskie, kropkowane zaznaczaja polozenie dwukrotnego odchylenia standartowego. Rozklad fluktuacji jest asymetryczny ze wspolczynnikiem asymetrii 0.43. Oznacza to, ze mamy wiecej fluktuacji o amplitudzie wiekszej od ampltudy sredniej (0.07 stop) niz fluktuacji o amplitudzie mniejszej niz srednia. To jest zrozumiale, jesli zauwazymy, ze Slonce ma pewna minimalna emisje energii wynikajaca z koniecznosci jego istnienia jako gwiazdy. Natomiast jego emisja nie ma dobrze okreslonego maksimum energetycznego. Linie pomaranczowe wskazuja na trend liniowy (linia prosta) oraz wielomianowy, o ksztalcie rozciagnietej horyzontalnie litery S (wielomian 5tego rzedu), jakie mozna wyznaczyc metoda najmniejszych kwadratow dla tego zbioru danych. Dokladnosc dopasowania obu trendow do danych doswiadzcalnych jest mierzona wspolczynnikiem korelacji R. Wynosi on 0.50 dla trendu liniowego oraz 0.57 dla trendu wielomianowego. Im wiekszy wspolczynnik korelacji tym wiarygodniejsze jest dopasowanie wykresu do danych doswiadczalnych. Trendy te sugeruja pozornie systematyczny wzrost temperatury . Ale na przyklad trend liniowy ma nachylenie dDT/dt = 0.006 stop./rok czyli jest mniejszy od bledu pomiarowego, ktory przypominam , wynosi 0.01 stop. oraz oznacza, ze musielibysmy czekac az 100 lat na to aby temperaturowa anomalia wzrosla o 0.6 stopnia. Inaczej mowiac operujemy ciagle w obszarze bledu pomiarowego. Trzeba tez zauwazyc, ze odchylenia negatywne od sredniej zachodza dla lat ponizej roku 1920 i sa jak sie wydaje spowodowane dodaniem nowego zbioru danych z konca 19 wieku. Podobnie odchylenia dodatnie sa wynikiem dodania do zbioru ORNL nowych danych pomiarowych zapewne satelitarnych co oznacza zmiane metody wyznaczania temperatury. Takie zmiany nie wplywaja dobrze na wiarygodnosc wynikow. Jesli wezmiemy to wszystko pod uwage to zauwazymy, ze nie ma dostatecznie pewnych danych, ktore pozwalaja stwierdzic systematyczny wzrost temperatury naszej drogiej planety w ciagu ostatnich 130 lat. Wielomianowy trend wzrostowy moze sie odmienic na malejacy jesli pojawia sie dane po roku 2009 . W tej chwili jestesmy w sytuacji gdy wykres wskazuje cos w rodzaju funkcji cosinus w zakresie Pi do 2Pi. Na to aby byc pewnym czy mamy do czynienia z systematycznym wzrostem czy z przebiegiem okresowym musimy poczekac z grubsza nastepne 130 lat. Zauwazmy tez, ze ogolnie rzecz biorac wysoki poziom CO2 jest dobrym znakiem jesli chodzi i rozwoj organizmow zywych i ich obecnosc na Naszej Ukochanej Planecie. Jesli spojrzymy bowiem ponownie na rysunek 2 (Czas vs. stezenie CO2) to zobaczymy, ze praktycznie cala biologiczna prehistoria obecnego swiata wlaczajac ludzi miesci sie w zakresie pierwszego periodu powyzszej zaleznosci czyli od 75 tysiecy lat w przeszlosci do chwili obecnej. W tym okresie pojawil sie (i wymarl ) neandertalczyk i homo sapiens oraz nastapilo masowe wymarcie okresu pleistocenskiego (70% gatunkow wielkich ssakow usunietych na zawsze) oraz powstaly kultury starozytne i ich nastepcy. Byl to wiec okres ogolnie biorac pomyslnego rozwoju ludzkiej cywilizacji. To czego powinnismy sie obawiac to okresu niskiego stezenia CO2, ktory jest bezposrednio przed nami gdyz najwyrazniej ochlodzenie nam i cywilizacjom nie sluzy.