Nawet pełna redukcja emisji gazów cieplarnianych nie zatrzyma globalnego ocieplenia?

Wiedza naukowa pokazuje, że wraz z zatrzymaniem (zmniejszeniem do zera netto) naszych emisji CO2, wzrost temperatury zatrzyma się dość szybko, a zaprzestanie emisji także innych gazów cieplarnianych spowoduje stosunkowo szybki spadek temperatury, choć nie do poziomu z epoki przedprzemysłowej.

Wpływ na poziom temperatury globalnej będą też miały zmiany emisji chłodzących planetę aerozoli siarczanowych – zaprzestanie ich emisji będzie z kolei powodować wzrost temperatury powierzchni, skompensowany jednak z naddatkiem przez zaprzestanie emisji krótko żyjących gazów cieplarnianych, w szczególności metanu.

Stałe stężenie CO2 vs. zero emisji CO2 netto

Istotna część konfuzji wynika z powszechnego mylenia dwóch sytuacji: świata, w którym stężenie CO2 zatrzymuje się na obecnym poziomie, oraz świata, w którym stężenie tego gazu w atmosferze zaczyna stopniowo spadać, bo zaprzestaniemy emisji CO2 lub przynajmniej osiągniemy cel zera antropogenicznych emisji netto, w którym w wyniku naszej działalności pochłaniamy (np. za pomocą urządzeń do pochłaniania CO2 z powietrza lub aktywnie prowadzonego zalesiania) tyle dwutlenku węgla, ile emitujmy.

Dla stężenia CO2 w atmosferze koniec końców liczy się bowiem bilans emisji i pochłaniania tego gazu – choć szczegóły dotyczące pochłaniania naturalnego i antropogenicznego mogą być złożone – patrz: Redukcja emisji do zera netto? Diabeł tkwi w szczegółach oraz A ‘Rosetta Stone’ for bringing land-mitigation pathways into line.

W dalszej części wymiennie używamy określeń „zaprzestania emisji CO2” i „wyzerowania antropogenicznych emisji CO2 netto”.

W stabilnym stanie klimatycznym Ziemia wypromieniowuje w przestrzeń kosmiczną tyle samo energii, ile dostaje od Słońca. Ze względu na gwałtowny wzrost stężenia gazów cieplarnianych w atmosferze, strumień energii wypromieniowywanej w kosmos obecnie spadł, podczas gdy strumień pochłanianej energii słonecznej pozostaje na praktycznie niezmienionym poziomie.

W rezultacie ziemski system klimatyczny nie znajduje się obecnie w równowadze energetycznej. Oceany wciąż się nagrzewają, a temperatura powierzchni Ziemi stopniowo wzrasta. Rosnąca temperatura powierzchni globu prowadzi z kolei do wzrostu strumienia energii wypromieniowywanej w kosmos. Przy ustaleniu stężenia gazów cieplarnianych w atmosferze po wielu stuleciach wypromieniowywanie energii zrówna się z pochłanianiem i równowaga bilansu radiacyjnego planety zostanie przywrócona.

Jednak świat „stałych stężeń CO2” to nie świat zera antropogenicznych emisji netto. Oceany i ekosystemy lądowe pochłaniają obecnie ok. połowy naszych emisji. Gdybyśmy ścięli antropogeniczne emisje CO2 do zera, koncentracja tego gazu w atmosferze zaczęłaby spadać, powoli stabilizując się na podwyższonym poziomie, wskutek coraz mniejszego pochłaniania (więcej w Impuls węglowy i jego usuwanie z atmosfery).

Ilustracja 2 pokazuje prognozę zmiany średniej temperatury powierzchni Ziemi do 2200 roku w obu tych scenariuszach.

W scenariuszu stałych koncentracji CO2, do 2200 roku możemy spodziewać się ocieplenia o 0,3°C (z późniejszym dalszym powolnym wzrostem temperatury). Biorąc pod uwagę, że średnia globalna temperatura od czasów przedprzemysłowych już wzrosła o ok. 1,3°C, oznaczałoby to przekroczenie progu ocieplenia o 1,5°C.

W scenariuszu wyzerowania zera emisji CO2 netto temperatura szybko (z zakresem niepewności od „prawie natychmiast” do „w ciągu kilku dekad”) uległaby ustabilizowaniu, utrzymując się na poziomie z momentu zaprzestania emisji.

Globalne ocieplenie po wyzerowaniu emisji CO2 netto zatrzymuje się. Stała koncentracja CO2 w atmosferze skutkuje dalszym ociepleniem.

Ocieplające się oceany i spadające stężenie CO2 w atmosferze

To, że po zaprzestaniu emisji CO2 temperatura stabilizuje się wynika z dwóch różnych, wzajemnie kompensujących się procesów.

Z jednej strony, w rezultacie nierównowagi radiacyjnej ziemski system klimatyczny akumuluje energię. Ponad 90% tej nadwyżki energetycznej trafia do oceanów, powodując ich nagrzewanie się i wzrost temperatury powierzchni Ziemi.

Z drugiej strony ekosystemy lądowe i oceany pochłaniają około połowy dwutlenku węgla, emitowanego przez nas do atmosfery. Gdybyśmy z dnia na dzień wyzerowali emisje, procesy te powodowałyby spadek koncentracji CO2 w atmosferze, z początku szybki, w kolejnych dekadach zaś stopniowo malejący aż do osiągnięcia nowego poziomu równowagi (powyżej stężeń z epoki przedprzemysłowej). Spadek stężenia CO2 skutkowałby zmniejszaniem intensywności ocieplającego działania tego gazu.

Można porównać to do sytuacji, w której uruchamiamy ogrzewany gazem piekarnik. Po uruchomieniu palników powietrze w jego wnętrzu i ścianki zaczynają się rozgrzewać. Powiedzmy, że przy określonej intensywności grzania temperatura docelowo wzrosłaby do 200°C. Gdybyśmy, gdy temperatura powietrza w piekarniku wzrośnie do 150°C, zakręcili kurek dopływu gazu, ciepło propagowałoby się do ścianek piekarnika i otoczenia, a temperatura powietrza w środku zaczęłaby stopniowo spadać, docelowo aż do temperatury pokojowej.

A co działoby się z temperaturą powietrza w piekarniku, gdybyśmy nie wyłączyli palników zupełnie, lecz zaczęli powoli je skręcać?

W zależności od tego, jak szybko i jak bardzo zmniejszymy dopływ energii, temperatura będzie gdzieś pomiędzy dwoma skrajnymi scenariuszami. W szczególności moglibyśmy zmniejszać dopływ energii w taki sposób, żeby temperatura powietrza w piekarniku ustabilizowała się na poziomie 150°C. Z punktu widzenia przepływów energii dostarczalibyśmy do wnętrza piekarnika tyle ciepła, ile będą pochłaniać jego ścianki.

Tak się składa, że w ziemskim systemie klimatycznym, po zaprzestaniu przez nas emisji CO2, oceany będą pochłaniać mniej więcej tyle ciepła (stopniowo coraz mniej), ile będzie dodawane do ziemskiego systemu klimatycznego w wyniku ocieplającego działania podwyższonych stężeń CO2 (stopniowo malejącego w miarę spadku stężenia tego gazu w atmosferze). Oba działające w przeciwnych kierunkach efekty z całkiem dobrą dokładnością będą się wzajemnie znosić. Co więcej, oba te efekty będą słabnąć wraz z czasem w podobnym tempie.

Na dłuższą metę, w skali czasowej tysięcy lat (patrz Impuls węglowy i jego usuwanie z atmosfery), gdy antropogeniczne emisje CO2 pozostaną na poziomie zera netto, procesy pochłaniania tego gazu usuną jego nadwyżkę z atmosfery i temperatura w końcu spadnie.

Kwestia tego, jak zachowałby się klimat Ziemi w sytuacji natychmiastowego wyzerowania emisji CO2 stała się przedmiotem symulacji z użyciem zaawansowanych modeli systemu ziemskiego. Rezultaty symulacji, jak zmieniłaby się temperatura powierzchni Ziemi po zaprzestaniu emisji po wyemitowaniu łącznie 1000 GtC (czyli 3667 GtCO2), opublikowane zostały w badaniu MacDougall i in., 2020 (opisaliśmy je w artykule Po jakim czasie zobaczylibyśmy efekt wyzerowania emisji CO2?).

Z analizy wynika, że pięćdziesiąt lat po ustaniu emisji średnia temperatury wróci mniej więcej do poziomu panującego w chwili ich wyzerowania, z niepewnością pomiędzy modelami od ochłodzenia od 0,3°C do ocieplenia o 0,3°C.

Różne rozumienie „zera emisji netto”

Gdyby średnia globalna temperatura powierzchni Ziemi zależała tylko od koncentracji CO2, to po wyzerowaniu emisji tego gazu ustabilizowałaby się. Jedna bilans energetyczny naszej planety zaburzają także emisje innych gazów cieplarnianych i aerozoli.

W Specjalnym Raporcie IPCC dotyczącym ograniczenia globalnego ocieplenia klimatu o 1,5°C, zaprezentowano prognozowane zmiany dotyczące zmian temperatury powierzchni Ziemi w kilku różnych wersjach scenariuszy zeroemisyjnych: zera emisji CO2 (linia niebieska), zera emisji CO2 i aerozoli (linia czerwona), zera emisji wszystkich gazów cieplarnianych (linia żółta) oraz zera emisji wszystkich gazów cieplarnianych i aerozoli (linia fioletowa).

Przyjrzyjmy się po kolei działaniu tych czynników w sytuacji wyzerowania ich emisji.

Wyzerowanie emisji aerozoli

Aerozole siarczanowe, które emitujemy do atmosfery, odbijają padające światło Słońca z powrotem w kosmos, co ma lekki wpływ chłodzący. Aerozole mają krótki czas życia w atmosferze i po zaprzestaniu ich emisji (związanych głównie ze spalaniem paliw kopalnych) szybko zostaną z niej usunięte. W rezultacie, w scenariuszu wyzerowania emisji aerozoli towarzyszącego wyzerowaniu emisji CO2 (czerwona linia) temperatura szybko wzrośnie do poziomu wyższego o ok. 0,4–0,5°C niż w scenariuszu wyzerowania samych emisji CO2 i braku zmian ilości aerozoli. W rezultacie w 2100 roku wzrost temperatury przekracza cel 1,5°C, rosnąc o ok. 1,75°C.

Wyzerowanie emisji krótko żyjących gazów cieplarnianych

Inne gazy cieplarniane również przyczyniają się do zmiany klimatu. Wśród nich największy udział ma metan. W odróżnieniu od CO2, ma on krótki czas życia w atmosferze (patrz Metan w środowisku) – w ciągu dekady połowa tego gazu w atmosferze utlenia się do dwutlenku węgla. To głównie dzięki temu po wyzerowaniu emisji wszystkich gazów cieplarnianych temperatura w 2100 roku (linia żółta) jest o 0,5°C niż w scenariuszu wyzerowania samych emisji CO2.

Wyzerowanie emisji zarówno aerozoli jak i krótko żyjących gazów cieplarnianych

No i na koniec scenariusz natychmiastowego wyzerowania zarówno emisji wszystkich gazów cieplarnianych jak i aerozoli (linia fioletowa). Aerozole w ciągu kilku lat zostają usunięte z atmosfery, co powoduje wzrost temperatury w tym okresie. W kolejnych latach postępuje usuwanie z atmosfery metanu, co po ok. 20 latach kompensuje wzrost temperatury spowodowany wcześniejszym usunięciem aerozoli. W dalszym horyzoncie czasowym spadek koncentracji CO2 skutkuje spadkiem temperatury do 2100 o ok. 0,2°C.

Przedstawione oszacowania zmiany temperatury w 50 lat po wyzerowaniu emisji obarczone są niepewnością. Jak wspomnieliśmy wcześniej, przy wyzerowaniu emisji samego CO2 modele prognozują zmianę temperatury o 0,0±0,3°C. W scenariuszu wyzerowania wszystkich gazów cieplarnianych i aerozoli prognozowana zmiana temperatury to –0,2±0,5°C.

Następstwa zwlekania z wyzerowaniem emisji

Wyniki opisanych badań dotyczą sytuacji, w której emisje są zerowane natychmiast lub w najbliższych dekadach. Jeśli jednak kontynuowalibyśmy emisje jeszcze przez kolejnych kilkadziesiąt lat, może dojść do włączenia dodatnich sprzężeń cyklu węglowego, takich jak np. emisje z wieloletniej zmarzliny (patrz Dodatkowe emisje ze źródeł naturalnych a przyszła zmiana klimatu), które doprowadzą do większego ocieplenia. To, jaka byłaby skala tych procesów przy ociepleniu o 3 czy 4°C wciąż nie jest wystarczająco dobrze zbadane.

Trzeba też pamiętać, że ustabilizowanie się temperatury na wyższym poziomie nie oznacza, że zagrożenia przestaną się nasilać. W analogii piekarnika rozgrzanego do 150°C – włożenie do niego ręki na kilka sekund nie stanowi problemu, utrzymanie tego stanu przez kilka godzin grozi dużo poważniejszymi konsekwencjami. W stabilnej podwyższonej temperaturze będzie postępować zanik lodowców, topnienie lądolodów czy podnoszenie się poziomu morza. Do zatrzymania tych procesów nie wystarczy wyzerowanie emisji netto, lecz potrzebne będzie obniżenie temperatury powierzchni Ziemi z pomocą trwałego usuwania CO2 z obiegu.

Marcin Popkiewicz na podst. Explainer: Will global warming ‘stop’ as soon as net-zero emissions are reached

Tekst został opublikowany na portalu naukaoklimacie.pl 30 sierpnia 2021