Nobel za odkrycia, dzięki którym nie błądzimy we mgle. I wiemy, dlaczego może padać w Warszawie

Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki przypadła w 2021 roku aż trzem naukowcom. Jej połowę otrzymał Włoch Giorgio Parisi – za wkład w rozpoznanie wzorców zachowania w pozornie chaotycznych zbiorach obiektów fizycznych. Drugą połową nagrody Komitet Noblowski uhonorował dwóch naukowców zajmujących się fizyką atmosfery i klimatem. Obaj skończyli już 90 lat. Pierwszy – Syukuro Manabe wciąż pracuje na prestiżowym amerykańskim Uniwersytecie Princeton. Drugi – Klaus Hasselman, to jeden z założycieli Instytutu Meteorologii im. Maksa Plancka.

O ociepleniu wiadomo od dawna

Ich odkrycia przyniosły przełom w badaniu klimatu kolejno w latach 60. i 70. To wtedy nauka położyła podwaliny pod współczesne metody jego obserwacji. Nagroda dla Manabego i Hasselmana przypomina nam więc, że obserwacja efektu cieplarnianego nie jest niczym nowym – choć może wydawać się, że słyszymy o niej więcej od zaledwie kilkunastu lat.

„W zasadzie już w XIX wieku było wiadomo, że powietrze z podwyższonym poziomem dwutlenku węgla potraktowane długofalowym promieniowaniem (na przykład ziemskim) będzie się nagrzewało. To zjawisko już wtedy było rozpoznawane, między innymi w eksperymencie fotoakustycznym Alexandra Grahama Bella” - przypomina prof. Bogdan H. Chojnicki z Katedry Meteorologii Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu.

Manabe w jednym z wywiadów stwierdził, że w swojej pracy inspirował się obserwacjami Brytyjczyka Guya Callendara z lat 30. XX wieku.

Bez odkryć Bella i Callendara nie byłoby pewnie noblowskich osiągnięć Manabego. Wiedzę biorącą się z bardzo wczesnych badań nad klimatem trzeba było jednak przekuć w konkret i przełożyć teorię na rzeczywiste warunki.

Podwaliny pod modelowanie atmosfery

„To wielkie osiągnięcie, chociaż nikt się nie spodziewał, że Nobel przypadnie naukowcom zajmującym się fizyką atmosfery. Sami laureaci w wywiadach z przedstawicielami Komitetu Noblowskiego twierdzili, że to dla nich ogromna niespodzianka” - komentuje prof. Jacek Piskozub z zespołu ds. zmian klimatu przy Polskiej Akademii Nauk.

„Manabe w latach 60. stworzył model atmosfery zawierający wszystkie zjawiska w niej występujące – nie tylko przekazywanie ciepła przez pionowy ruch powietrza, ale także zjawiska radiacyjne. Chodzi więc nie tylko o ogrzewanie atmosfery przez słońce, ale również wypromieniowanie tego ciepła w podczerwieni, a także wzrost temperatury powodowany przez ruch ziemi.”

Jak mówi prof. Piskozub, Manabe dzięki temu wyjaśnił, dlaczego w troposferze (warstwie atmosfery najbliżej poziomu morza) powietrze ochładza się w miarę wzrostu wysokości, oraz dlaczego w stratosferze (powyżej 49 km nad ziemią) temperatura idzie do góry.

„Uczony potrafił też wykazać, jak temperatura będzie się zmieniać, gdy w modelu zmienimy ilość dwutlenku węgla. Troposfera wtedy się ogrzewa, a stratosfera – co zaskakujące – oziębi” - wyjaśnia Piskozub.

W najprostszych słowach – dwutlenek węgla powstrzymuje „oddawanie ciepła” z troposfery, a prognozę jego wpływu na atmosferę udało się opisać dzięki „symulacji” opracowanej w latach 60.

Dzięki uczonemu mamy wiedzę o obecnym stanie atmosfery, ale i sposób prognozowania tego, co może zdarzyć się z nią w przyszłości.

Modele coraz skuteczniejsze – nawet w mikroskal

Co ciekawe – zaawansowane, opracowywane współcześnie modele mogą bardzo precyzyjnie odpowiedzieć na pytanie o wzrost temperatur nawet w lokalnej skali.

„W tej chwili globalne temperatury poszły do góry o 1,1 stopnia Celsjusza w porównania z okresem przedprzemysłowym. W Polsce w ciągu 10 lat temperatura wzrosła o 0,8 stopnia. W ten sposób widać, że przewidywania się sprawdziły - a mówiły one o tym, że Polska będzie ocieplać się szybciej niż reszta globu” - zauważa prof. Chojnicki.

Jak to możliwe? Między innymi dzięki superszybkim komputerom, o których ciężko było marzyć 60 lat temu. Dzięki nim potrafimy odpowiedzieć na skomplikowane pytania dotyczące wpływu coraz większej liczby różnych zmiennych na zjawiska w atmosferze.

„Dzisiaj dysponujemy już nie tylko trójwymiarowymi modelami atmosfery, ale uwzględniamy także oceany, lodowce, obieg węgla. Coraz lepiej możemy opisać różne zjawiska oraz powiązania między nimi” - mówiła w wywiadzie dla Polskiej Agencji Prasowej dr Aleksandra Kardaś, fizyczka atmosfery z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

Nobel za „pamięć oceanu"

Odkrycie Klausa Hasselmana jest nieco trudniejsze do wyjaśnienia, jednak ma dość proste przełożenie na zjawiska atmosferyczne – a nawet na pogodę w Polsce.

„Fizycy, by opisywać zjawiska, używają porównań do częstotliwości szumu. Większość szumu w tych zjawiskach to szum biały – czyli taki, w którym nie dominuje żadna częstotliwość. Naukowcy wykryli, że w przypadku wydarzeń związanych z klimatem przeważają niższe częstotliwości szumu czerwonego. Występują one w powolnie zmieniających się elementach klimatu – lodowcach i oceanach” - wyjaśnia prof. Piskozub.

Odkrycia Hasselmana przekładają się na lepsze zrozumienie zmian w atmosferze i tego, w jaki sposób wpływają na nie oceany. Jak wyjaśnia uczony, w ten sposób swój ślad na klimacie zostawia tak zwana „pamięć oceaniczna”. Chodzi o powtarzające się w równych, choć często odległych odstępach czasu zjawiska, które odznaczają się na niemal każdym elemencie klimatu.

„Jedynym tego źródłem może być ocean i powolnie zmieniające się formy cyrkulacji oceanicznej” - zauważa prof. Piskozub. - „Może chodzić na przykład o większy deszcz w Warszawie, który powtarza się co siedem lat i pokrywa się z siedmioletnim cyklem zmian temperatury Atlantyku”.

Zdaniem uczonego Nobel dla obu fizyków jest ukłonem w stronę ich środowiska naukowego: „Z ich ustaleń wyrosła olbrzymia dziedzina modelowania trójwymiarowego. Tym zajmują się obecnie tysiące ludzi. Dlatego możemy odczytywać tę nagrodę jako symbol uznania dla nich wszystkich”.

Zdaniem prof. Chojnickiego laureaci pokazali, że można przełożyć proste, fizyczne założenia na oszacowanie tego, co i w jaki sposób zmienia się w atmosferze:

„Trzeba pamiętać, że co prawda dwutlenek węgla zawsze ogrzewa atmosferę w odpowiednich warunkach, jednak działa w inny sposób w zależności od na przykład procesów powierzchniowych. Na ogrzewanie się planety wpływ mają również ogromne masy wody w oceanach. Modele można rozszerzać o kolejne czynniki - na przykład o wpływ topnienia lodowców”.

Co czeka klimat w przyszłości?

Dzięki nowoczesnym technikom modelowania możemy odpowiedzieć na wiele pytań – na przykład dowiedzieć się, jak klimat zachowywałby się, gdyby wpływały na niego jedynie promieniowanie słoneczne i aktywność wulkaniczna. Na te zjawiska powołują się często politycy i publicyści zaprzeczający, że człowiek ma cokolwiek wspólnego z ocieplaniem się atmosfery.

Tematem zajęli się uczeni z Międzyrządowego Panelu ds. Zmian Klimatu (IPCC) działającego przy ONZ. W podsumowaniu swojego najnowszego raportu podają, że bez naszego działania natura mogłaby podwyższyć temperaturę w 2020 roku o mniej, niż 0,1 stopnia Celsjusza.

Naukowcy z IPCC używają modelowania również przy opracowaniu scenariuszy dotyczących przyszłości planety. W najlepszym dla nas temperatura wzrośnie o najwyżej 1,5 stopnia. By tego nie przekroczyć, już w 2055 roku ludzkość powinna dotrzeć do zerowego bilansu emisji dwutlenku węgla.

Oznacza to, że te minimalne, wypuszczone przez nas ilości CO2 musimy potem pochłonąć – na przykład nasadzeniami drzew. W tej wersji wydarzeń do końca wieku powinniśmy zejść z emisjami na poziom minus kilkunastu megaton – a więc pochłaniać o wiele więcej, niż wyprodukujemy.

Drugi z „bezpieczniejszych” modeli zakłada zero dwutlenku do 2060 roku, nieco mniejszy poziom ujemnego bilansu emisji i ocieplenie na poziomie około 2 stopni. Według najczarniejszego scenariusza w ciągu stulecia dojdziemy do poziomu emisji CO2 na poziomie 150 gigaton, co przełoży się na wzrost średniej światowej temperatury o ponad 4 stopnie Celsjusza. Dla porównania – w pandemicznym, 2020 roku ludzkość wyemitowała ok. 34 gigaton dwutlenku węgla.

Według prognoz Międzynarodowej Agencji Energetycznej w bieżącym roku emisje znowu wzrosną. Na szczęście pozostaną poniżej rekordu sprzed dwóch lat, ale i o wiele powyżej zera, do którego dążymy.