Wyjaśnione: Wymuszanie radiacyjne

Jest to pierwsza z dwóch części „Wyjaśnionych” na temat koncepcji naukowych leżących u podstaw koncepcji efektu cieplarnianego i globalnych zmian klimatycznych.
Kiedy ludzie mówią o globalnym ociepleniu lub efekcie cieplarnianym, głównym podstawowym pojęciem naukowym opisującym ten proces jest wymuszenie radiacyjne. I pomimo wszystkich ostatnich kontrowersji związanych z wyciekiem e-maili i zarzutów o słabe źródła w ostatnim raporcie Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu, podstawowa koncepcja wymuszania radiacyjnego jest jedną z tych, co do której naukowcy – niezależnie od ich poglądów na temat globalnego ocieplenia lub IPCC – wydają się być zgodni. Nieporozumienia pojawiają się przy określaniu rzeczywistej wartości tej liczby.
Koncepcja wymuszenia radiacyjnego jest dość prosta. Energia stale napływa do atmosfery w postaci światła słonecznego, które zawsze świeci na połowę powierzchni Ziemi. Część z tego światła słonecznego (około 30 procent) jest odbijana z powrotem w przestrzeń kosmiczną, a reszta jest pochłaniana przez planetę. I jak każdy ciepły obiekt w zimnym otoczeniu – a przestrzeń kosmiczna jest bardzo zimnym miejscem – część energii zawsze wypromieniowuje się z powrotem w przestrzeń kosmiczną w postaci niewidzialnego światła podczerwonego. Odejmij energię wypływającą od energii wpływającej i jeśli liczba ta jest inna niż zero, musi nastąpić ocieplenie (lub ochłodzenie, jeśli liczba ta jest ujemna).
To tak jakbyś miał czajnik pełen wody, która jest w temperaturze pokojowej. Oznacza to, że wszystko jest w równowadze i nic się nie zmieni, z wyjątkiem małych przypadkowych zmian. Ale rozpal ogień pod tym czajnikiem, i nagle będzie więcej energii płynącej do tej wody niż wypromieniowywanej na zewnątrz, a woda zacznie się robić gorętsza.
W skrócie, wymuszenie radiacyjne jest bezpośrednią miarą kwoty, którą budżet energetyczny Ziemi jest wytrącony z równowagi. Pomimo że koncepcja jest prosta, analiza wymagana do określenia rzeczywistej wartości tej liczby dla Ziemi w tej chwili jest o wiele bardziej skomplikowana i trudna. Wiele różnych czynników ma wpływ na ten akt równoważenia, a każdy z nich ma swój własny poziom niepewności i własne trudności w precyzyjnym pomiarze. A indywidualny wkład w wymuszanie radiacyjne nie może być po prostu zsumowany, ponieważ niektóre czynniki nakładają się na siebie – na przykład, niektóre różne gazy cieplarniane pochłaniają i emitują promieniowanie o tej samej długości fali podczerwonej, więc ich łączny efekt ocieplenia jest mniejszy niż suma ich indywidualnych efektów.
W swoim najnowszym raporcie z 2007 roku, IPCC przedstawiło najbardziej wszechstronne jak dotąd oszacowanie całkowitego wymuszania radiacyjnego oddziałującego obecnie na Ziemię. Ronald Prinn, profesor nauk atmosferycznych TEPCO i dyrektor MIT’s Center for Global Change Science, był jednym z głównych autorów tego rozdziału Czwartego Raportu Oceniającego IPCC. Wymuszanie radiacyjne „było bardzo małe w przeszłości, kiedy średnie temperatury globalne nie rosły ani nie spadały w znaczący sposób” – wyjaśnia. Dla wygody, większość badaczy wybiera „bazowy” rok przed początkiem uprzemysłowienia świata – zazwyczaj 1750 lub 1850 – jako punkt zerowy i oblicza wymuszenie radiacyjne w odniesieniu do tej bazy. IPCC używa roku 1750 jako roku bazowego i to zmiany w różnych czynnikach wymuszających promieniowanie od tego czasu są liczone.
Więc wymuszenie radiacyjne, mierzone w watach na metr kwadratowy powierzchni, jest bezpośrednią miarą wpływu, jaki niedawna działalność człowieka – w tym nie tylko gazy cieplarniane dodane do powietrza, ale także wpływ wylesiania, które zmienia współczynnik odbicia powierzchni – ma na zmianę klimatu planety. Jednakże liczba ta obejmuje również wszelkie naturalne efekty, które również mogły ulec zmianie w tym czasie, takie jak zmiany w mocy Słońca (które wywołały niewielki efekt ocieplenia) oraz cząsteczki wyrzucane do atmosfery przez wulkany (które generalnie wywołują bardzo krótkotrwały efekt ochłodzenia, czyli wymuszenie ujemne).
Pomimo, że wszystkie czynniki wpływające na wymuszenie radiacyjne mają związane z nimi niepewności, jeden czynnik ma przeważający wpływ na niepewność: wpływ aerozoli (małych cząsteczek zawieszonych w powietrzu) w atmosferze. Dzieje się tak dlatego, że efekty te są bardzo złożone i często sprzeczne. Na przykład, jasne aerozole (takie jak siarczany pochodzące ze spalania węgla) są mechanizmem chłodzącym, podczas gdy ciemne aerozole (takie jak czarny węgiel pochodzący ze spalin silników diesla) prowadzą do ocieplenia. Ponadto, dodanie aerozoli siarczanowych do chmur prowadzi do powstania mniejszych, ale bardziej obfitych kropli, które zwiększają odbijanie światła przez chmury, a tym samym chłodzą planetę.
„Słupki błędów w wymuszaniu gazów cieplarnianych są bardzo małe” – mówi Prinn. „Największa niepewność w określaniu wymuszenia radiacyjnego pochodzi z aerozoli.”
Więc, biorąc pod uwagę wszystkie te czynniki i zakres ich błędów, jaka jest odpowiedź? Obecny poziom wymuszenia radiacyjnego, według IPCC AR4, wynosi 1,6 wata na metr kwadratowy (z zakresem niepewności od 0,6 do 2,4). To może nie wydawać się dużo, mówi Prinn, dopóki nie weźmie się pod uwagę całkowitej powierzchni lądowej Ziemi i nie pomnoży się jej przez siebie, co daje całkowity efekt ocieplenia na poziomie około 800 terawatów – ponad 50 razy więcej niż średnie światowe zużycie energii, które obecnie wynosi około 15 terawatów.
Część druga tej serii zbada koncepcję czułości klimatu, która określa, jak bardzo zmieni się temperatura planety z powodu danego wymuszenia radiacyjnego.

.