Jak para wodna podkręca efekt cieplarniany?

Para wodna jest najobficiej występującym gazem cieplarnianym na Ziemi. Odpowiada ona za około połowę efektu cieplarnianego Ziemi – procesu, który zachodzi, gdy gazy w atmosferze ziemskiej zatrzymują ciepło słoneczne. Gazy cieplarniane sprawiają, że na naszej planecie można żyć. Bez nich temperatura na powierzchni Ziemi byłaby o około 33 stopnie Celsjusza niższa. Para wodna jest również kluczową częścią ziemskiego obiegu wody: drogi, jaką przebywa woda przemieszczając się pomiędzy atmosferą, lądem i oceanem w postaci wody ciekłej, stałego lodu i pary wodnej (gazu).

Uproszczona animacja efektu cieplarnianego (ang. greenhouse effect)

Od końca XIX wieku średnia globalna temperatura na powierzchni Ziemi wzrosła o około 1,1 stopnia Celsjusza. Dane z satelitów, balonów meteorologicznych i pomiarów naziemnych potwierdzają, że wraz z ocieplaniem się klimatu rośnie ilość atmosferycznej pary wodnej. (Szósty Raport IPCC stwierdza, że całkowita ilość atmosferycznej pary wodnej wzrasta o 1-2% na dekadę). Zgodnie z prawami termodynamiki, na każdy stopień Celsjusza wzrostu temperatury atmosfery na Ziemi, ilość pary wodnej w atmosferze może wzrosnąć o około 7 procent.

Niektórzy ludzie błędnie uważają, że para wodna jest głównym czynnikiem powodującym obecne ocieplenie Ziemi. Jednak zwiększona ilość pary wodnej nie jest przyczyną globalnego ocieplenia spowodowanego działalnością człowieka. Jest raczej jego konsekwencją. Zwiększona ilość pary wodnej w atmosferze potęguje ocieplenie powodowane przez inne gazy cieplarniane.

Działa to w następujący sposób: gdy wzrasta ilość gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla i metan, w odpowiedzi na to wzrasta temperatura na Ziemi. Powoduje to zwiększenie parowania zarówno z wody, jak i z powierzchni lądu. Ponieważ cieplejsze powietrze zatrzymuje więcej wilgoci, wzrasta stężenie pary wodnej. Dzieje się tak przede wszystkim dlatego, że w wyższych temperaturach para wodna nie ulega tak łatwo kondensacji i nie wytrąca się z atmosfery. Para wodna pochłania wtedy ciepło wypromieniowywane z Ziemi i nie pozwala mu uciec w przestrzeń kosmiczną. Powoduje to dalsze ocieplenie atmosfery, co skutkuje jeszcze większą ilością pary wodnej w atmosferze. Naukowcy nazywają to „pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego”. Naukowcy i naukowczynie szacują, że efekt ten ponad dwukrotnie przewyższa ocieplenie, które nastąpiłoby w wyniku samego tylko wzrostu stężenia dwutlenku węgla.

Ten diagram przedstawia mechanizmy pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego dla pary wodnej. Zwiększenie ilości dwutlenku węgla, gazu cieplarnianego, powoduje wzrost temperatury powietrza na świecie. Ze względu na zwiększone parowanie oraz ponieważ cieplejsze powietrze mieści więcej wody, poziom pary wodnej w atmosferze wzrasta. To jeszcze bardziej zwiększa ocieplenie klimatu. Cykl się powtarza.

Skład atmosfery ziemskiej według liczby cząsteczek, z wyłączeniem pary wodnej. Dolny wykres przedstawia gazy śladowe, które razem stanowią około 0,0434% atmosfery (0,0442% przy stężeniach z sierpnia 2021 r.). Liczby pochodzą głównie z 2000 r., a CO2 i metan z 2019 r., i nie reprezentują żadnego pojedynczego źródła.

Inny typ gazów cieplarnianych

Do gazów cieplarnianych znajdujących się w suchym powietrzu atmosfery ziemskiej należą dwutlenek węgla, metan, podtlenek azotu, ozon i chlorofluorowęglowodory. Stanowią one około 0,05% całej atmosfery ziemskiej, ale odgrywają ważną rolę w zatrzymywaniu ciepła promieniowania słonecznego i zapobieganiu jego ucieczce w przestrzeń kosmiczną. Każdy z nich jest bezpośrednio napędzany przez działalność człowieka.

Wszystkie pięć wymienionych gazów cieplarnianych są niekondensowalne. Gazy niekondensujące nie mogą zamienić się w ciecz przy bardzo niskich temperaturach panujących w górnej części troposfery Ziemi, gdzie styka się ona ze stratosferą. W miarę zmian temperatury atmosfery stężenie gazów niekondensujących pozostaje stabilne.

Para wodna to jednak „inne zwierzę”. Jest kondensowalna – może zamienić się z gazu w ciecz. Jej stężenie zależy od temperatury atmosfery. To sprawia, że para wodna jest jedynym gazem cieplarnianym, którego stężenie wzrasta z powodu ocieplenia atmosfery i powoduje jeszcze większe jej ocieplenie.

Gdyby stężenie gazów niekondensujących nie wzrastało, ilość atmosferycznej pary wodnej nie zmieniłaby się w stosunku do poziomu sprzed rewolucji przemysłowej.

Dwutlenek węgla wciąż „rządzi”

Dwutlenek węgla odpowiada za jedną trzecią całkowitego ocieplenia klimatu Ziemi spowodowanego przez gazy cieplarniane wytwarzane przez człowieka. Niewielkie wzrosty jego stężenia mają poważne skutki. Kluczową przyczyną jest czas, przez jaki dwutlenek węgla pozostaje w atmosferze.

Metan, dwutlenek węgla i chlorofluorowęglowodory nie skraplają się, nie są szczególnie reaktywne chemicznie ani łatwo nie ulegają rozkładowi pod wpływem światła w troposferze. Z tych powodów, w zależności od gazu, pozostają one w atmosferze od lat do stuleci, a nawet dłużej.

Główne „długożyjące” gazy cieplarniane i ich charakterystyki:

W tabeli przedstawiono 100-letnie potencjały globalnego ocieplenia, które opisują efekty występujące w okresie 100 lat po wyemitowaniu określonej masy gazu. Zestawienie potencjału globalnego ocieplenia i czasu życia pochodzą z Tabeli 8.A.1 Piątego Raportu IPCC (I grupa robocza).

* Czas życia dwutlenku węgla nie może być przedstawiony za pomocą jednej wartości, ponieważ gaz ten nie ulega zniszczeniu w czasie, lecz przemieszcza się pomiędzy różnymi częściami systemu ocean-atmosfera-ląd. Część nadmiaru dwutlenku węgla jest szybko pochłaniana (na przykład przez powierzchnię oceanu), ale część pozostanie w atmosferze przez tysiące lat, częściowo z powodu bardzo powolnego procesu, w którym węgiel jest przenoszony do osadów oceanicznych.

** Przedstawione czasy życia metanu i podtlenku azotu to czasy perturbacji, które zostały wykorzystane do obliczenia przedstawionych tu potencjałów globalnego ocieplenia. Źródło: EPA

Z kolei cząsteczka pary wodnej pozostaje w atmosferze średnio tylko dziewięć dni. Następnie jest „recyklowana” w postaci deszczu lub śniegu. Jej ilość nie kumuluje się, mimo że się zwiększa.

„Dwutlenek węgla i inne niekondensujące gazy cieplarniane działają jak pokrętła sterujące klimatem” – mówi Andrew Dessler, profesor nauk atmosferycznych na Texas A&M University w College Station. „Gdy ludzie dodają dwutlenek węgla do atmosfery, niewielkie zmiany w klimacie są wzmacniane przez zmiany w parze wodnej. To sprawia, że dwutlenek węgla jest znacznie silniejszym gazem cieplarnianym niż byłby na planecie bez pary wodnej.”

Naukowcy z U.S. Geological Survey (USGS) wykazali, że w ciągu ostatnich siedmiu dekad nastąpił wzrost przepływu między różnymi etapami cyklu wodnego nad większością obszaru USA. Wzrosło tempo parowania oceanicznego, ewapotranspiracji lądowej i opadów atmosferycznych. Innymi słowy, woda szybciej i intensywniej przemieszczała się przez poszczególne etapy.

Powyższa mapa pokazuje, gdzie cykl wodny nasilał się lub słabł na obszarze kontynentalnych Stanów Zjednoczonych w latach 1945-1974 i 1985-2014. Obszary w kolorze niebieskim pokazują, gdzie cykl wodny przyspieszał – przechodził przez poszczególne etapy szybciej lub z większą objętością. Na obszarach czerwonych odnotowano spadek opadów i ewapotranspiracji oraz mniej intensywne lub wolniejsze cykle. Większe wartości intensywności wskazują, że w tym regionie zachodziła większa ilość cykli wodnych, głównie z powodu zwiększonych opadów.  Źródło: NASA Earth Observatory (Lauren Dauphin), na podstawie danych z artykułu Huntington, Thomas, et al. (2018).

Spustoszenie w globalnym obiegu wody

Powódź w Roman Forest w Teksasie, 19 września 2019 r., wywołana przez burzę tropikalną Imelda. Źródło: Jill Carlson

Zwiększenie ilości atmosferycznej pary wodnej również wzmacnia globalny obieg wody. Przyczynia się do tego, że regiony wilgotne stają się bardziej wilgotne, a suche bardziej suche. Im więcej pary wodnej zawiera powietrze, tym więcej energii jest w nim przechowywane. Energia ta napędza intensywne burze, zwłaszcza nad lądem. Skutkuje to bardziej ekstremalnymi zjawiskami pogodowymi.

Jednak większe parowanie z powierzchni ziemi powoduje również wysychanie gleb. Gdy woda z intensywnych burz spada na twardą, suchą ziemię, zamiast nawilżać glebę, spływa do rzek i strumieni. Zwiększa to ryzyko wystąpienia suszy.

Krótko mówiąc, gdy atmosferyczna para wodna łączy się z podwyższonym poziomem innych gazów cieplarnianych, ma znaczący wpływ na klimat Ziemi.

Tekst autorstwa Alana Buisa z NASA Jet Propulsion Laboratory, opublikowany oryginalnie 8.02.22 na stronie climate.nasa.gov