Kosmiczne dowody na zmiany klimatu

Dzięki swojemu wyjątkowemu punktowi obserwacyjnemu, satelity dostarczają kluczowych dowodów naukowych pozwalających zrozumieć ziemski klimat i zmiany, którym podlega.

Przez ostatnie pięć dekad, satelity nieprzerwanie obserwują Ziemię. Informacje, które nam przekazują, pomagają naukowcom i naukowczyniom śledzić ewolucję kluczowych składników klimatu, lepiej rozumieć procesy zachodzące na Ziemi, przewidywać przyszłe zmiany i stymulować działania międzynarodowe.

Z przestrzeni kosmicznej dowody na zmiany klimatu są przekonujące.

Ale słowem wstępu…

Klimat Ziemi zmieniał się na przestrzeni dziejów. Tylko w ciągu ostatnich 650 000 lat miało miejsce siedem cykli nasilania się i ustępowania lodowców, a gwałtowne zakończenie ostatniej epoki lodowcowej około 11 700 lat temu wyznaczyło początek współczesnej ery klimatycznej – i ekspansji naszego gatunku. Większość tych zmian klimatu przypisuje się bardzo małym wahaniom orbity Ziemi, które zmieniają ilość energii słonecznej otrzymywanej przez naszą planetę.

„Naukowe dowody na ocieplenie systemu klimatycznego są jednoznaczne”

– Międzyrządowy Zespół do spraw Zmian Klimatu przy ONZ

Obecny trend ocieplenia ma jednak szczególne znaczenie, ponieważ jest on jednoznacznie wynikiem działalności człowieka od połowy XX wieku i postępuje w tempie niespotykanym od tysiącleci.¹ Nie ulega wątpliwości, że działalność człowieka spowodowała ocieplenie atmosfery, oceanu i lądów oraz, że spowodowało to (i dalej powoduje) rozległe i szybkie zmiany w atmosferze, oceanie, kriosferze i biosferze.

Satelity orbitujące wokół Ziemi, a także inne osiągnięcia technologiczne, umożliwiły naukowcom i naukowczyniom uzyskanie szerszego obrazu sytuacji. Dzięki temu możliwe jest gromadzenie wielu różnych rodzajów informacji o naszej planecie i jej klimacie w skali globalnej. Dane te, gromadzone przez wiele lat, ujawniają sygnały świadczące o zmieniającym się klimacie.

Zdolność dwutlenku węgla i innych gazów do zatrzymywania ciepła została udowodniona w połowie XIX wieku.² Ich zdolność do wpływania na przenoszenie energii podczerwonej przez atmosferę stanowi podstawę naukową wielu instrumentów na pokładach satelitów. Nie ma wątpliwości, że zwiększony poziom gazów cieplarnianych musi powodować ocieplenie Ziemi.

Wykres stężenia CO2 w atmosferze. Jest oparty na porównaniu próbek atmosfery zawartych w starożytnych rdzeniach lodowych i nowszych pomiarach bezpośrednich. Pokazuje on, że ilość atmosferycznego CO2 gwałtownie wzrosła od czasu rewolucji przemysłowej w porównaniu z pomiarami paleoklimatologicznymi (czyli dotyczącymi klimatu w przeszłości) z ostatnich 800 000 lat. (Źródło: Luthi, D., et al.. 2008; Etheridge, D.M., et al. 2010; Dane z rdzeni lodowych Vostok/J.R. Petit et al.; Zapis CO2 na Mauna Loa, NOAA).

Rdzenie lodowe pobrane z Grenlandii, Antarktydy i tropikalnych lodowców górskich pokazują, że klimat Ziemi reaguje na zmiany poziomu gazów cieplarnianych. Starożytne dowody można również znaleźć w słojach drzew, osadach oceanicznych, rafach koralowych i warstwach skał osadowych. Te starożytne, czyli tzw. paleoklimatyczne, dowody wskazują, że obecne ocieplenie następuje mniej więcej dziesięć razy szybciej niż średnie tempo ocieplenia, które nastąpiło po epoce lodowcowej. Dwutlenku węgla pochodzącego z działalności człowieka przybywa ponad 250 razy szybciej niż tego pochodzącego ze źródeł naturalnych po ostatniej epoce lodowcowej.³

Ale wróćmy do kosmosu i do obserwacji Ziemi z zewnątrz…

Niespotykane dotąd poziomy gazów cieplarnianych

Dane na temat regionalnych stężeń metanu w atmosferze, uzyskane na podstawie danych satelitarnych, dostarczają ważnych informacji o rozmieszczeniu źródeł i pochłaniaczy tego silnego gazu cieplarnianego. Źródło: ESA.

Poziom dwutlenku węgla i metanu w atmosferze – głównych czynników powodujących zmiany klimatu wywołane działalnością człowieka – jest rekordowo wysoki i nadal rośnie.

Satelity służą do wykrywania najmniejszych zmian stężenia tych gazów w atmosferze. Pokazują one, że w 2021 r. stężenie dwutlenku węgla wzrosło do 417 ppm (147% wartości z 1850 r., czyli sprzed epoki przemysłowej), natomiast stężenie metanu jest obecnie na poziomie 1907 ppb (246% wartości z 1850 r.) – i nadal rośnie.

Dzięki dokładnemu wykrywaniu tych niewielkich zmian – z dokładnością do 1 części na milion (ppm) w przypadku CO₂, lub 1 części na miliard (ppb) w przypadku CH₄ – obserwacje satelitarne pomagają społeczności naukowej udoskonalać globalne modele klimatu i lepiej przewidywać prawdopodobne efekty jego ocieplenia.

Globalne stężenia dwutlenku węgla i metanu w latach 2003-2019. Stężenie CO2 podane jest w częściach na milion (ppm), a stężenie metanu w częściach na miliard (ppb). Źródło: Copernicus CCS

Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) mapuje globalne i regionalne stężenia dwutlenku węgla i metanu, wykorzystując dane z najnowszej generacji satelitów, w tym z misji Copernicus Sentinel-5P, OCO-2 czy TanSat, aby obserwować gazy cieplarniane z największą szczegółowością. Satelity te są wyposażone w zdolność rozróżniania naturalnych i ludzkich źródeł dwutlenku węgla i metanu, co z kolei wspiera realizację polityk ograniczania emisji, takich jak Porozumienie Paryskie.

Kurczenie się kriosfery jest zjawiskiem powszechnym

Kriosfera – czyli obszary na Ziemi, gdzie woda jest zamarznięta – odgrywa ważną rolę w łagodzeniu globalnego klimatu.

Według raportu IPCC,  globalne ocieplenie doprowadziło w ostatnich dziesięcioleciach do powszechnego kurczenia się kriosfery, obejmującego polarne pokrywy lodowe i lodowce, lądową pokrywę śnieżną, zasięg i grubość arktycznego lodu morskiego, a także wzrost temperatury wiecznej zmarzliny.

Na tych, często rozległych i odległych, obszarach satelity zapewniły istotny wgląd w zachodzące gwałtownie zmiany.

Zmieniające się pokrywy lodowe

Pokrywa lodowa Antarktydy

Pokrywy lodowe na biegunach gromadzą ponad 99% lodu słodkowodnego na lądzie. Nawet niewielkie zmiany ich objętości mogą wpłynąć na globalny poziom mórz, zwiększyć zalewanie wybrzeży i zakłócić prądy oceaniczne.

Zarówno lądolód antarktyczny, jak i lądolód grenlandzki ulegają szybkim zmianom. Ostatnia międzynarodowa ocena finansowana przez ESA i NASA wykazała, że tracą one masę lodową sześciokrotnie szybciej niż w latach 90. ubiegłego wieku – jest to tempo, które obecnie odpowiada najbardziej optymistycznemu scenariuszowi ocieplenia klimatu opracowanemu przez IPCC (IMBIE Shepherd, A. et al., 2020).

Wykres porównuje dane obserwacyjne NASA z wynikami zestawienia danych z różnych źródeł (and. combined data), w tym tych z obserwacji satelitarnych.

Łączny ubytek masy lodu na Grenlandii i Antarktydzie w latach 1992-2017 szacuje się na 6,4 biliona ton, co spowodowało podniesienie globalnego poziomu morza o 17,8 milimetra.

Z całkowitego wzrostu poziomu morza spowodowanego topnieniem polarnych pokryć lodowych około 60% (10,6 milimetra) przypada na ubytki lodu na Grenlandii, a 40% na Antarktydzie (7,2 milimetra).

Na podstawie danych satelitarnych naukowcy i naukowczynie szacują, że polarne pokrywy lodowe są odpowiedzialne za jedną trzecią całkowietego wzrostu poziomu morza.

Cofanie się lodowców

Utrata masy lodowców jest związana ze wzrostem temperatury powietrza, co czyni je wiarygodnym wskaźnikiem zmian klimatu. W ocieplającym się świecie ich topnienie przyczynia się do podnoszenia się poziomu mórz, a zmiany te wpływają na dostępność wody na całym świecie.

Skany satelitarne pomagają w sporządzaniu wykresów długoterminowych zmian lodowców w skali lokalnej, regionalnej i globalnej. Ich zdolność do zdalnego monitorowania zmieniającej się powierzchni, wysokości, masy i prędkości przepływu lodowców pomaga oszacować, w jaki sposób czynniki te przyczyniają się do podnoszenia się poziomu morza i uwalniania większej ilości słodkiej wody.

Od 1961 r. lodowce na całym świecie utraciły ponad 9000 gigaton (dziewięć bilionów ton) lodu (Zemp, M., i in., 2019). W miarę wycofywania się lodowców naukowcy szacują, że utrata lodu z lodowców odpowiada za 21% globalnego wzrostu poziomu morza w latach 1993-2017 (WCRP Global Sea Level Budget Group, 2018).

Kluczem do oceny tych zmian lub modelowania ich przyszłej ewolucji jest istnienie szczegółowej inwentaryzacji lodowców, uwzględniającej ich kluczowe cechy fizyczne. Takim zbiorem jest Randolph Glacier Inventory, pierwszy na świecie globalnie kompletny spis lodowców, na który składa się 198 000 obrysów lodowców. Są to wiarygodne dowody obserwacyjne dotyczące trendów zachowywania się lodowców na Ziemi i w znacznym stopniu przyczyniły się do oceny zmian poziomu morza zawartej w Piątym Raporcie IPCC.

Zmniejszanie się ilości lodu morskiego

Długotrwałe zmniejszanie się ilości lodu morskiego na biegunach stanowi jeden z najwyraźniejszych wskaźników zmian w środowisku naturalnym Ziemi.

Porównanie minimalnego rocznego zasięgu arktycznego lodu morskiego w 2020 oraz miediany zakresu dla lat 1981-2010

Z przestrzeni kosmicznej możemy zaobserwować długoterminowy spadek zasięgu arktycznego lodu morskiego (we wszystkich miesiącach) od 1979 roku do chwili obecnej.

Najsilniejsza redukcja obserwowana co roku dotyczy późnego lata, kiedy to od późnych lat 70-tych zasięg lodu maleje z poziomu 8 mln km² nawet do 4 mln km² w rekordowym roku 2012.

Satelitarny zapis miesięcznego zasięgu arktycznego lodu morskiego do marca 2022 r.

Opracowany wspólnie przez ESA Climate Change Initiative (CCI) oraz EUMETSAT, satelitarny zapis zasięgu lodu morskiego obejmuje okres od ponad czterdziestu lat do dnia dzisiejszego. Jest to kluczowe narzędzie, umożliwiające społeczności naukowej monitorowanie zmian oraz ocenę i poprawę dokładności przewidywań modeli klimatycznych.

Korzystając z tych danych, naukowcy i naukowczynie ustalili wyraźny związek między zmniejszaniem się letniej pokrywy lodu morskiego w Arktyce a emisjami dwutlenku węgla pochodzącymi z działalności człowieka.

W jednym z ostatnich badań oszacowano, że na każdą tonę emisji dwutlenku węgla tracimy trzy metry kwadratowe arktycznego lodu morskiego (Notz i Stoeve, 2016).

Najnowsza generacja modeli klimatycznych, które zostały zatwierdzone na podstawie danych satelitarnych ESA CCI dotyczących lodu morskiego, wskazuje, że Ocean Arktyczny może być wolny od lodu w miesiącach letnich już w 2050 roku.

Rosnący poziom mórz

Średni globalny wzrost poziomu morza oraz lista satelitów dokonujących jego pomiarów na przestrzeni lat.

W XX wieku poziom mórz na całym świecie podniósł się o około 15 cm, a obecnie podnosi się ponad dwukrotnie szybciej, w tempie 3,6 mm rocznie (w latach 2006-2015).

Według Specjalnego Raportu IPCC na temat oceanu i kriosfery w zmieniającym się klimacie, zakładając, że kraje podejmą niewielkie działania w celu ograniczenia emisji gazów cieplarnianych, wzrost poziomu morza może wynieść 60-110 cm do 2100 r. To spowodowałoby, że powodzie stałyby się corocznym zjawiskiem. Powodzie stałyby się corocznym zjawiskiem, zwiększając ryzyko, na jakie narażonych jest 1,9 mld ludzi żyjących w nisko położonych regionach przybrzeżnych.

Korzystając z wysokościomierzy (altymetrów) satelitarnych, naukowcy i naukowczynie są w stanie wykryć regionalne różnice w tempie zmian poziomu wody na oceanach Ziemi.

Do ważnych czynników przyczyniających się do podnoszenia się poziomu mórz należą:

• rozszerzalność termiczna w odpowiedzi na wzrost temperatury wody morskiej,
• napływ słodkiej wody w miarę utraty masy przez pokrywy lodowe i lodowce.

Wiemy o tym, ponieważ specjalistyczne czujniki umieszczone na satelitach obserwujących Ziemię mierzą temperaturę powierzchni morza oraz zmiany w lodzie i lodowcach.

Łącząc obserwacje z 11 różnych misji satelitarnych, w ramach projektu ESA Climate Change Initiative uzyskano bardzo precyzyjny i ciągły 25-letni zapis wysokości powierzchni morza (Ablain, M. et al.(2017); Legeais, J-F. et al. (2018)).

Dokładne zrozumienie zmian w globalnym poziomie morza, w tym istotnych różnic regionalnych, jest niezbędne dla społeczności międzynarodowej, jeśli chcemy móc opracować skuteczną reakcję na ten proces.

Poziom morza nie podnosi się wszędzie jednakowo – pomiary (możliwe tylko dzięki satelitom) pokazują, jak poziom morza na całym świecie zmienia się w zależności od wiatrów, ciśnienia atmosferycznego, dna oceanu, ruchu obrotowego Ziemi, a także temperatury i zasolenia wody.

Zmniejszanie się pokrywy śnieżnej i masy śniegu

Zmiany w masie śniegu w latach 1980-2018. Kolor czerwony oznacza wzrost, niebieski – spadek masy. (Pulliainen J et al, 2020)

Pokrywa śnieżna jest bardzo wrażliwa na wzrost temperatury. Dane satelitarne pokazują, że wraz ze wzrostem temperatury, na świecie zasięg wiosennej pokrywy śnieżnej zmniejszał się w latach 80. XX wieku i w XXI wieku w tempie (-0,55 ± 0,21) × 106 km² na dekadę na całej półkuli północnej  (Thackeray, C. et al. (2016)).

ESA dostarcza pierwszych wiarygodnych szacunków zmian masy śniegu, wykorzystując 39-letnią globalną serię pomiarową, opartą na mikrofalowych obserwacjach satelitarnych. Zaobserwowano tendencje kontynentalne. Na przykład w Ameryce Północnej masa śniegu zmniejszyła się o 46 gigaton na dekadę. Nie miało to jednak odzwierciedlenia w Eurazji, choć zaobserwowano dużą zmienność regionalną.

Na podstawie obecnych trendów i przy (jednak optymistycznym) założeniu nie przekroczenia progu wzrostu temperatury powierzchni Ziemi o 1,5°C, modele klimatyczne przewidują, że w porównaniu z okresem 1986-2005 masa śniegu w środkowej części Ameryki Północnej, Europie Zachodniej i północno-zachodniej Rosji zmniejszy się nawet o 40%. A, powtarzając raz jeszcze, jest to scenariusz optymistyczny.

Monitorowanie klimatu z kosmosu

Pomiary satelitarne wykonywane przez ESA wnoszą znaczący wkład w monitorowanie naszego klimatu. Obserwacje z 40-letniego archiwum satelitarnego ESA, z bieżących misji ESA, misji Copernicus Sentinels (Komisja Europejska) i misji innych agencji kosmicznych są wykorzystywane przez Inicjatywę ESA na rzecz Zmian Klimatu do generowania spójnych, długoterminowych i globalnych zapisów danych dla 21 Kluczowych Zmiennych Klimatycznych.

Te wiarygodne dane wspierają proces UNFCCC, który napędza międzynarodowe działania na rzecz klimatu. Są one wykorzystywane w połączeniu z modelami systemu ziemskiego do badania czynników, interakcji i sprzężeń zwrotnych związanych ze zmianami klimatu, a także zbiorników, połączeń, punktów krytycznych i przepływów energii, wody, węgla i innych.

Bibliografia

1. Szósty raport IPCC, Podsumowanie dla polityków. https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/#SPM;
   B.D. Santer et.al., “A search for human influences on the thermal structure of the atmosphere,” Nature vol 382, 4 July 1996, 39-46;
   Gabriele C. Hegerl, “Detecting Greenhouse-Gas-Induced Climate Change with an Optimal Fingerprint Method,” Journal of Climate, v. 9, October 1996, 2281-2306;
   V. Ramaswamy et.al., “Anthropogenic and Natural Influences in the Evolution of Lower Stratospheric Cooling,” Science 311 (24 February 2006), 1138-1141;
   B.D. Santer et.al., “Contributions of Anthropogenic and Natural Forcing to Recent Tropopause Height Changes,” Science vol. 301 (25 July 2003), 479-483;
   T. Westerhold et. al., „An astronomically dated record of Earth’s climate and its predictability over the last 66 million years,” Science vol. 369 (11 Sept. 2020), 1383-1387.

2. W 1824 r. Joseph Fourier obliczył, że planeta wielkości Ziemi, znajdująca się w naszej odległości od Słońca, powinna być znacznie chłodniejsza. Zasugerował, że coś w atmosferze musi działać jak koc izolacyjny. W 1856 r. Eunice Foote odkryła ten koc, wykazując, że dwutlenek węgla i para wodna w atmosferze ziemskiej wychwytują uciekające promieniowanie podczerwone (ciepło).

   W latach 60. XIX wieku fizyk John Tyndall dostrzegł naturalny efekt cieplarniany Ziemi i zasugerował, że niewielkie zmiany w składzie atmosfery mogą powodować zmiany klimatyczne. W 1896 r. w przełomowej pracy szwedzkiego naukowca Svante Arrheniusa po raz pierwszy przewidziano, że zmiany poziomu dwutlenku węgla w atmosferze mogą znacząco zmienić temperaturę powierzchni Ziemi dzięki efektowi cieplarnianemu.

   W 1938 r. Guy Callendar powiązał wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze ziemskiej z globalnym ociepleniem. W 1941 r. Milutin Milankovic powiązał epoki lodowcowe z charakterystyką orbitalną Ziemi. W 1956 r. Gilbert Plass sformułował teorię zmian klimatu opartą na dwutlenku węgla.

3. Dane z rdzeni lodowych Vostok; Zapis stężeń CO₂ na Mauna Loa, NOAA;
   Gaffney, O.; Steffen, W. (2017). „The Anthropocene equation,” The Anthropocene Review (Volume 4, Issue 1, April 2017), 53-61.

Artykuł powstał na bazie artykułów na stronach climate.esa.int oraz climate.nasa.gov.