Cât de cald va fi în anii următori?
Cât de cald va fi în anii următori? Astăzi vorbim despre cum se leagă asta de încălzirea globală și cum poate fi înțeles greșit acest fenomen.
Într-un prim articol am văzut cum cantitatea de dioxid de carbon aproape că s-a dublat față de perioada preindustrială – de vină este arderea combustibililor fosili. În al doilea am văzut cum dioxidul de carbon, chiar dacă este în concentrații mici (0.04% din atmosferă), este al doilea gaz care contribuie, cu aproape un sfert din efect, la încălzirea de milioane de ani a Pământului.
Punând în balanță cele două cifre – contribuția dioxidului de carbon cu un sfert la efectul normal de seră şi dublarea cantității de dioxid de carbon în era industrială –, rămânem pe gânduri. Este oare posibil ca acestea să ducă la o supraîncălzire a planetei, adică atmosfera să devină o “plapumă” şi mai groasă? Nu trebuie decât să ne uităm în spațiu, la planeta Venus, ca să vedem cum, pe perioade îndelungate, se poate întâmpla.
Pentru noi, întrebarea crucială este: cu cât va creşte temperatura Pământului datorită excesului de dioxid de carbon emis în atmosferă în perioada industrială?
Pentru mine, răspunsul la această întrebare nu a fost deloc simplu, aşa cum m-am așteptat la început, când credeam că, dacă știu câte molecule de dioxid de carbon sunt, pot calcula câtă radiaţie absorb şi deci cât de mult se încălzește atmosfera.
Problema este că, în domeniul nostru de interes, 600-700cm-1, toată radiaţia termică emisă de suprafaţa Pământului este absorbită de atmosferă. Asta este crucial. Punând mai multe molecule de dioxid de carbon nu se schimbă cu nimic situația, pentru că noile molecule nu mai au ce să absoarbă, radiaţia a fost deja absorbită toată de moleculele care erau deja în aer.
Acesta a fost un motiv de confuzie major la început, când studiile argumentau că creşterea dioxidului de carbon nu mai poate conduce la creşterea temperaturii, oricât de mult am pune. Practic, temperatura şi-ar fi atins maximul şi deci dioxidul de carbon emis în perioada industrială nu trebuie să ne îngrijoreze.
Pentru a vedea cât de puternic este argumentul acesta simplist, îl repetăm:
Pământul emite radiaţie termică. În intervalul nostru 600-700cm-1, atmosfera absoarbe toată această radiaţie. Punând mai mult dioxid de carbon, nu schimbă cu nimic situația, pentru că noua cantitate de dioxid de carbon nu mai are ce să absoarbă – radiaţia a fost deja absorbită.
În acest argument, poți să pui şi de 10 ori mai mult dioxid de carbon, cantitatea de radiaţie termică emisă de Pământ şi absorbită de atmosferă va fi aceeaşi, deci și acceași temperatură
Unde este greșeala? Într-un argument subtil: odată cu creşterea concentraţiei de dioxid de carbon, se absoarbe mai multă radiaţie de la marginea regiunii spectrale, adică din zonele de 600cm-1 şi de 700cm-1. Asta pentru că acestea se află la marginea zonei de absorbție pentru dioxidul de carbon şi de aceea ele nu sunt „saturate” de radiaţia care are frecvența de aproximativ 600cm-1 sau 700cm-1.
Aceleași zone sunt cele responsabile de încălzirea globală (creşterea temperaturii dată de creşterea concentraţiei de carbon) şi nu grosul intervalului de la 600cm-1 la 700cm-1.
Asta se vede cel mai bine în următorul grafic, care conține esența fenomenului. Vedem aici o modelare a emisiei termice a atmosferei către partea ei exterioară, deci către spațiu. Seamănă cu spectrul măsurat de sateliți şi prezentat mai devreme.
Recunoaștem aceleași elemente discutate: radiaţia emisă în spațiu are, în afara zonei de centru, o temperatură de aproximativ 280 de grade Kelvin (adică vreo câteva grade Celsius) cât este temperatura atmosferei (deoarece ea trece prin atmosfera neafectată). Între 600 şi 700 de cm-1 emisia este puternic diminuată – pentru că ea provine de la straturile superioare ale atmosferei, care au o temperatură mult mai mică, de 220 K, adică vreo -50 de grade Celsius.
Aceasta este zona în care radiaţia termică de la suprafaţa Pământului a fost absorbită de atmosferă. Vedem aici două curbe. Una verde, corespunzătoare unei concentrații de 300 ppm de dioxid de carbon (înainte de era industrială) şi una albastră, corespunzătoare unei concentrații duble de 600 ppm de dioxid de carbon (o valoare ce va fi atinsă în acest secol dacă nu se iau măsuri). Diferența dintre cele două curbe este foarte mică.
Recunoaștem aici cele două efecte discutate mai devreme. În partea de jos nu vedem nicio diferență – semn că atmosfera este deja opacă în această regiune. În schimb, ceea ce se observă este o lărgire a liniilor de absorbție în zona de 600 cm-1 şi în zona de 700cm-1. Practic, radiațiile de la marginea spectrului în această zonă, care înainte treceau prin atmosferă, sunt acum absorbite de aceasta (ele nu mai ajung în spațiu, valoarea lor este mai mică pentru curba albastră).
Forța (presiunea) radiativă și măsurătorile ei complicate
Pe grafic mai este indicat un număr: DeltaF=3.39 W/m2. Acesta poartă numele de „forță radiativă” sau „presiune radiativă” şi este unul dintre cei mai importanți factori ai încălzirii globale.
Forța radiativă reprezintă cantitatea adițională de energie pe metru pătrat pe care atmosfera o radiază înapoi către Pământ, între două situații: valoarea de dinaintea revoluției industriale (300ppm în desen) şi valoarea de azi (în grafic este aleasă o valoare mai mare, de 600ppm).
Simplu spus, forța radiativă ne spune cu câtă energie adițională se încălzește fiecare metru pătrat de pământ, datorită faptului că în atmosferă este mai mult dioxid de carbon față de perioada preindustrială. Valoarea calculată (când dioxidul de carbon va atinge 600ppm) este de aproape 3.4W/m2. Dacă o comparăm cu energia ce vine de la Soare, de 240W/m2, asta înseamnă peste un procent – ceea ce nu e puțin deloc.
De ce? Pentru că, ne spun modelările, creşterea de dioxid de carbon în atmosferă, față de era preindustrială, datorată arderilor combustibililor fosili, conduce la o creştere a energiei pe care o primește Pământul cu un procent.
Pentru că mărimea forței radiative (de un procent din energia primită de la soare) este importantă, am căutat să estimez această forță radiativă, dar nu am găsit niciun model simplu. Nu este de mirare pentru că, să ne aducem aminte, această creştere nu vine de la tot spectrul de absorbție al dioxidului de carbon în domeniul 600-700cm-1, ci de la marginea lui. În plus, sunt şi dificultăți cauzate de contribuția vaporilor de apă, care este greu de modelat, aşa cum am menționat mai sus.
Vizibil dezamăgit, am căutat nu numai calcule, dar şi măsurători precise ale acestei forțe radiative, dar nu am găsit prea multe. Am dat peste acest articol publicat în revista Nature, una din cele mai apreciate din lume, care mi-a lămurit dilema.
Citez din articol: “However, despite widespread scientific discussion and modelling of the climate impacts of well-mixed greenhouse gases, there is little direct observaţional evidence of the radiative impact of increasing atmospheric CO”. Adică, este şi greu de măsurat, nu numai de modelat. Nu e de mirare că nu am găsit.
Totuși, acest articol arată o astfel de măsurătoare a forței (presiunii) radiative. Cum? Printr-o măsurătoare directă a radiaţiei emise de atmosferă către suprafaţa Pământului. Practic, spectrometrul este așezat pe pământ şi orientat în sus, către atmosferă. Astfel, s-a putut măsura energia cu care Pământul se încălzește şi, foarte important, variația ei, de la an la an.
Iată aici graficul acestei variații, de la an la an. Pe axa orizontală sunt anii, iar pe cea verticală este creşterea în densitatea de energie primită de suprafaţa Pământului. Dacă pornim de la premisa că efectele naturale nu cresc cu un procent energia primită de Pământ (aşa cum indică modelele pentru contribuția dioxidului de carbon emis în perioada industrială), ceea ce vedem este creşterea în timp a forței (presiunii) radiative (deci doar contribuția omului).
După cum vedem, între anii 2000 şi 2010, concentraţia de dioxid de carbon a crescut de la 370ppm la 385ppm. Graficul ne arată cum forța radiativă a crescut cu 0.2W/m^2 în acești zece ani. Extrapolând liniar la o perioadă de zece ori mai mare (cam 100 de ani, perioada industrială) ne iese o forță radiativă de zece ori mai mare, aproximativ 2W/m2, adică un procent din radiaţia primită de la soare, aşa cum au estimat şi modelele.
Simplu spus, în aceste extrapolări simpliste (creştere liniară etc.) experimentul confirmă teoria, deși atât modelele cât şi experimentele au dificultăți datorită complexității situației. Forța radiativă indusă de dioxidul de carbon, adică energia adițională pe care o primește Pământul de la începutul erei industriale, este de aproximativ 2W/m2, sau aproximativ un procent față de energia primită de la soare.
Mai jos este un grafic cu contribuția celorlalte gaze cunoscute la forța radiativă (pentru că fiecare dintre ele, eliberat în atmosferă, influențează efectul de seră). Pe axa orizontală este forța radiativă, iar pe cea verticală gazul. Pentru toate acestea, forța radiativă este mărimea adițională cu care se încălzește Pământul față de perioada preindustrială (acum 270 de ani, să spunem), deoarece gazul respectiv are o concentrație mai mare în atmosferă azi decât în perioada preindustrială.
Vedem cum dioxidul de carbon, emis prin arderea combustibililor fosili, încălzește suprafaţa Pământului cu o putere adițională de peste 2 W/m2. Dar şi metanul are o contribuție majoră, de 0.65W/m2 – deși concentraţia lui este mult mai mică decât a dioxidului de carbon, absorbția sa este mai puternică. Aerosolii din nori sau din stratosferă au chiar un efect negativ, deoarece ei reflectă mai mult din radiaţia primită de la Soare. În total, forța radiativă se apropie de 3W/m2.
În graficul de mai sus remarcăm o influență foarte mică a vaporilor de apă din atmosferă. Aşa cum am spus, concentraţia de vapori de apă variază puternic ca rezultat al diferențelor de temperatură. Practic, vaporii de apă ajung în atmosferă pentru că, undeva pe suprafaţa Pământului, ceva se încălzește. De aceea, vaporii de apă amplifică efectul de încălzire pornit de dioxidul de carbon sau celelalte gaze.
Oceanul de exemplu, primind acum cu un procent mai multă energie (datorită forței radiative a dioxidului de carbon şi metanului), se încălzește şi evaporă mai multă apă. Aceasta ajunge în atmosferă şi absoarbe, la rândul ei, mai multă radiaţie infraroşie emisă de suprafața Pământului. Asta creşte temperatura atmosferei, ceea ce face ca atmosfera să emită şi mai multă radiaţie înapoi pe Pământ. Şi uite aşa, apa amplifică efectul de încălzire a suprafeței Pământului, început de creşterea concentraţiei de dioxid de carbon.
Calculele sunt greu de făcut deoarece, aşa cum am văzut, spectrul de absorbție al apei în domeniul nostru de interes are multe linii de absorbție separate. Se estimează însă că apa amplifică de două ori efectul de încălzire pornit de dioxidul de carbon emanat în era industrială.
Întrebarea care rămâne, însă este: cu cât se încălzește în medie Pământul?
Creșterea temperaturii medii a Pământului
Am ajuns la ultima piesă de puzzle: creşterea temperaturii Pământului. De când a început revoluția industrială, concentraţia de dioxid de carbon a tot crescut. Atmosfera a absorbit mai eficient radiaţia termică emisă de Pământ şi a reemis o parte din această radiaţie înapoi spre Pământ. Luând în calcul toate gazele, creşterea este de aproximativ 3W/m^2, adică aproximativ un procent din cei 240W/m^2 ce vin în total de la Soare. Asta conduce la creşterea temperaturii Pământului, dar cu cât?
Să începem cu graficul de mai jos, care detaliază schimbul de energie între diferitele elemente ale atmosferei şi suprafeței Pământului. Pe el citim direct radiaţia termică emisă de suprafaţa Pământului: ea este de aproximativ 398W/m2.
Ne întoarcem din nou la modelul nostru simplu, formula lui Stefan-Boltzmann pentru radiaţia emisă de un corp la temperatura T. Ştim radiaţia emisă la suprafaţa Pământului, 395W/m2 (o valoare mai apropiată de perioada preindustrială), înlocuim în formulă şi aflăm temperatura T a suprafeței Pământului care este, cum se vede, în jur de 15.75 grade.
Acum luăm în calcul forța (presiunea) radiativă. Emisia nu va mai fi de 395W/m2, ci cu aproximativ 3W/m2 mai mare, adică 398W/m2. Obţinem că temperatura suprafeței Pământului creşte la 16,3 grade, adică cu aproximativ 0.5 grade Celsius mai mare.
Este un model simplificat, care ne dă un ordin de mărime al creșterii temperaturii în era industrială: aproximativ 0.5 grade Celsius. Cât măsurăm în realitate?
Creșterea temperaturii medii a Pământului și măsurătorile din jur
Înainte să arăt măsurătorile cu temperatura medie a Pământului, trebuie să înțelegem că temperatura variază mult la suprafaţa Pământului, de la sub -40 de grade Celsius la peste 40 de grade Celsius. Este greu de definit ce înseamnă, în acest caz, o temperatură medie.
Cu acest avertisment, iată cum arată creşterea temperaturii medii a Pământului în ultimii 170 de ani, într-un grafic realizat de cercetătorul Bogdan Antonescu. Vedem cum temperatura medie a Pământului a crescut accelerat în ultimii 100 de ani. Creşterea este de aproximativ 1.2 grade Celsius, de două ori mai mare decât cea estimată de noi pe baza unui model simplu.
Curba de mai sus nu lasă loc de îndoieli: temperatura medie a Pământului a crescut în ultima sută de ani. În plus, calculele şi modelele prezentate mai sus confirmă că de vină este creşterea de dioxid de carbon.
Aș vrea grafice care arată evoluția temperaturii înapoi în timp. Dar cum măsori care a fost temperatura acum 1.000 de ani? Studiind, spre exemplu, inelele de creștere ale copacilor. Arborii cresc câte un inel pe an, iar grosimea acestor inele ne poate da o imagine a condițiilor climatice din fiecare an. Inelele mai mari indică, de obicei, condiții mai calde și mai umede, în timp ce inelele mai înguste sugerează condiții mai reci și mai uscate. Făcând o analiză statistică pe trunchiurile studiate (sau chiar pe unii copaci care rezistă aşa de mult!), se poate obține o indicație a vremii în acei ani.
În acest grafic vedem un astfel de rezultat. Pe axa orizontală este timpul, de acum 2.000 de ani, iar pe cea verticală temperatura. Erorile de măsură sunt mari dar, în ciuda lor, vedem cum creşterea de temperatură este semnificativă în ultimii 100 de ani.
Organismul științific însărcinat cu studiul încălzirii globale, IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) a reunit toate aceste rezultate şi le-a calculat mediile. Aşa cum se vede din acest grafic, erorile de măsură au scăzut (pentru că au fost folosite foarte multe date). Trendul se vede: în perioada industrială, temperatura medie globală a crescut cu aproximativ un grad Celsius.
Chiar dacă creşterea de temperatură în era industrială, de aproximativ un grad Celsius, se vede clar în aceste grafice, am căutat şi alte surse. De exemplu, creşterea nivelului oceanelor, care trebuie să fie corelată cu încălzirea.
Primii care au înregistrat nivelul oceanului au fost olandezii – ei s-au luptat mereu cu apele şi au construit diguri. În 1967, primarul Amsterdamului a decis că e bine să înregistreze nivelul apei.
Iată aici nivelul oceanelor, măsurat începând cu aproape 300 de ani în urmă. Vedem cum nivelul s-a menținut aproape constant până la mijlocul secolului XIX (anii 1850), când a început să crească, ajungând azi cu aproape un sfert de metru mai mult. De ce a crescut? Pentru că a crescut temperatura medie pe Pământ, iar asta a condus la topirea ghețarilor, dar şi la expansiunea apei. Important este că şi asta confirmă creşterea de temperatură din era industrială.
Încălzirea globală este deci şi măsurată, nu numai prezisă şi calculată, în ciuda dificultăților.
Cu ce rămânem, când vorbim despre dioxid de carbon și încălzirea globală?
În prima parte a acestei serii am văzut cum omul aproape a dublat concentraţia de dioxid de carbon din atmosferă, în toată era industrială, prin arderea de combustibili fosili. În a doua parte am prezentat contribuția dioxidului de carbon la efectul de seră.
Acum am văzut care este rolul dioxidului de carbon în încălzirea Pământului: el face ca „plapuma Pământului” să fie şi mai groasă. Din cauza asta, Pământul primește, în plus, 3 Waţi de energie pe fiecare metru pătrat, adică aproximativ un procent din energia de la Soare.
Deși detaliile acestor modele nu sunt precise, rezultatul final – creşterea cu un grad a temperaturii medii a Pământului – este clară. Şi, dintre toate cauzele ce ar fi putut duce la asta, cea mai naturală explicație rămâne creşterea concentraţiei de dioxid de carbon şi a gazelor de seră: atât modelele cât şi măsurătorile conduc la această concluzie.
Mituri
1. „Creşterea temperaturii a mai avut loc şi în trecut, deci şi ceea ce este azi este tot un efect natural.” – FALS
Aici este graficul la care se face referire. Este graficul variației concentraţiei de dioxid de carbon pe perioada a aproape un milion de ani, pe care l-ați văzut în prima parte a articolului. Pe axa orizontală este timpul, până în urmă cu un milion de ani. Pe axa verticală este concentraţia de dioxid de carbon, măsurată în interstițiile de aer rămase de atunci, prinse în gheaţă ca într-o capcană.
Pe axa verticală mai vedem însă o mărime: temperatura.
Aceasta a fost măsurată în aceleași mostre de gheaţă din Antarctica. Astfel, se arată cum raportul dintre hidrogen şi izotopul acestuia (deuteriu), împreună cu raportul dintre oxigenul normal 16 şi izotopul său mai rar oxigen 18, măsurate în apa înghețată, sunt o indicație a temperaturii când gheața s-a depus pe suprafaţa antarctică (şi a perioadei în care s-a format mostra de gheaţă).
Ceea ce vedem în grafic sunt perioadele glaciare şi interglaciare. În cele glaciare temperatura a scăzut foarte mult şi o mare parte din Europa a fost acoperită de gheaţă.
Astfel, se știe că aceste perioade glaciare sunt legate de mișcările orbitale ale Pământului: excentricitatea, înclinarea axei şi precesia. Aceste variații modifică distribuția şi intensitatea radiaţiei solare pe suprafaţa Pământului, conducând la fluctuații climatice pe termen lung și la perioade de îngheț.
Ciclurile Milankovitch (după numele unui cercetător sârb), descriu variații ale temperaturii medii ce au loc atunci când orbita Pământului este mai circulară sau mai eliptică, când înclinarea axială a Pământului este mai mică sau mai mare, sau când Pământul este mai aproape sau mai departe de Soare. Aceste efecte, combinate, favorizează periodic creșterea gheții și declanșează ere glaciare.
În cazul de față deci, cauza este una naturală: variații în mișcarea orbitală a Pământului. Consecinţele pe care le vedem în grafic sunt două: variații în temperatură, dar şi în concentraţia de dioxid de carbon (la ora actuală nu se știe cu precizie care o precede pe cealaltă).
Studiile arată însă că cele două ar putea fi corelate. Astfel, datorită creșterii de temperatură (dată de mișcarea Pământului), creşte şi temperatura din oceane. În timp, acestea elimină mai mult dioxid de carbon dizolvat în apele sale şi atunci creşte şi concentraţia de dioxid de carbon în aer. Aceasta, la rândul ei generează o creştere a temperaturii prin efect de seră şi efectul original ar putea fi amplificat.
Ceea ce vedem în aceste grafice sunt efecte naturale. Pe de altă parte, creşterea de dioxid de carbon de azi este prea mare pentru a fi naturală. Pentru creşterea de temperatură am văzut că sunt modele şi măsurători ce sugerează că ceea ce vedem acum este o consecință a creșterii de dioxid de carbon din perioada industrială.
2. „Încălzirea globală este reală, dar ea nu este datorată dioxidului de carbon, ci creșterii activității solare din ultimii ani.” – FALS
Activitatea Soarelui creşte şi scade la fiecare 11 ani; ea este corelată cu numărul de pete solare. Din fericire, numărul de pete solare a fost monitorizat continuu de când a fost inventat telescopul (Atenţie, nu vă uitați cu telescopul la Soare, trebuie un filtru special). Aici vedem rezultatul – cum numărul de pete solare a avut variații de-a lungul anilor, dar în general s-a menținut constant.
În plus, pentru ultimii 50 de ani avem şi măsurători precise ale radiaţiei solare. În această perioadă, ne spune NASA, activitatea solară a rămas constantă, variind cu aproximativ 0,1 procente față de valoarea medie. De fapt, concluzia NASA este că încălzirea globală (creşterea temperaturii medii globale) cauzată de arderea combustibililor fosili este de cel puţin 50 de ori mai pronunțată decât variația medie dată de radiaţia solară în ultimii 250 de ani.
3. „În anii '70 experții avertizau că urmează o epocă de gheață, acum s-au întors cu 180 de grade și vorbesc de încălzirea globală.”
Asta este parțial adevărat, deși se exagerează numărul de cercetători care avertizau în anii ‘70 că urmează răcirea Pământului. Putem însă înțelege de ce, privind acest grafic al temperaturii în ultimii 20.000 de ani, atunci când Pământul a ieșit din ultima perioadă glaciară. Pe axa orizontală este timpul, în mii de ani, scară logaritmică. Vedem cum temperatura a crescut cu aproape 4 grade, apoi însă, în ultimele modele, pare că ea scade uşor în ultimele mii de ani. De aici, probabil, au sugerat unii cercetători că ar putea urma o nouă perioadă glaciară, neștiind încă despre noile măsurători, care, aşa cum vedem acum în graficul de mai jos, arată o creştere bruscă a temperaturii.
4. „Clima s-a încălzit şi în perioada evului mediu şi atunci nu putea fi industria de vină. Şi azi e tot o creştere naturală!” FALS!
Graficele pe care se bazează această presupunere arată ca cel de jos. Pe axa orizontală este timpul (ultimii 2.000 de ani), iar pe cea verticală temperatura. Vedem cum la mijloc (puţin după anul 1.000) avem o mică creştere de temperatură. Chiar dacă aceasta ar fi adevărată, se vede în partea dreaptă a graficului cum creşterea de temperatură în perioada industrială este mult mai pronunțată.
Pe de altă parte, măsurători mai recente sugerează că totuși încălzirea din perioada medievală a fost mai mică decât s-a crezut. Momentan, comunitatea ştiinţifică nu este încă în consens cu privire la variația temperaturii medii globale de acum 1.000 de ani.
*Sursă grafice: Climate Change 2021: The Physical Science Basys
A urmat studiile facultăţilor de electrotehnică şi fizică. A lucrat la Institutul de Fizică Atomică, unde s-a ocupat de instalaţii electrice şi a studiat proprietăţile laserilor cu medii active solide.
În 2002 a obţinut doctoratul în fizică la Universitatea Groningen, Olanda, unde a caracterizat proprietăţile optice ale sistemelor corelate de electroni. Rezultatele sale au fost publicate în reviste de specialitate de mare impact, precum Science, Physical Review Letters şi Physical Review B.
Totodată, Cristian Presură are o intensă activitate de popularizare a ştiinţei în limba română, scriind cărţi şi articole, realizând numeroase prezentări fizice şi online. Este autorul cunoscutelor cărți „Fizica povestită” şi „O călătorie prin univers”. Poate fi urmărit săptămânal cu noutăţi pe canalul de youtube „Fizica cu Cristian Presură”. Varianta video a acestui articol poate fi urmărită direct aici.
