2. Gazy
szklarniowe
Zagadnienie pierwsze, czyli przyrodnicza strona tematu: co to właściwie są gazy szklarniowe; skąd się biorą; w jaki sposób nagrzewają atmosferę; i co z tego wynika?
Dla wyjaśnienia posłużmy się analogią. Wyobraźmy sobie, że mamy skrzynię wypełnioną piłkami ping-pongowymi, i zadanie polegające na tym, żeby wprawić te piłki w ruch – bez dotykania ani piłek, ani skrzyni, i bez używania wibracji mogących wprawić skrzynię w drgania. Mamy do dyspozycji instrument muzyczny produkujący dźwięk o stałej wysokości, oraz widełki stroikowe, wibrujące pod wpływem tego dźwięku, którego wysokość jest tak dobrana, że nie działa on ani na skrzynię, ani na piłki. Co można zrobić? Można włożyć do skrzyni widełki stroikowe – i zacząć grać nasz niebywale monotonny utwór muzyczny, dla dobra eksperymentu cierpliwie znosząc nudę wywołaną długotrwałym słuchaniem jednego dźwięku. Kiedy ten dźwięk dotrze do widełek stroikowych, zaczną one drgać (zakładając że nasza nużąca muzyka będzie dostatecznie głośna). I co wtedy? Wibracje widełek zostaną przekazane piłkom, które zaczną podskakiwać i tłuc się o siebie. Jeżeli w miejsce piłek ping-pongowych wstawimy cząsteczki tlenu i azotu (które razem stanowią ponad 99% suchego powietrza), widełki stroikowe zastąpimy cząsteczką dwutlenku węgla (lub innego gazu szklarniowego), a w miejsce jednostajnego dźwięku damy promieniowanie podczerwone, to będziemy mieli obraz sytuacji. Cząsteczki gazów szklarniowych pochłaniają promieniowanie podczerwone – i zaczynają drgać, tak jak widełki stroikowe potraktowane odpowiednim dźwiękiem. Te drgania są przekazywane pozostałym cząsteczkom powietrza, z którymi nasze pobudzone cząsteczki gazu się zderzają – i atmosfera się nagrzewa. Temperatura gazu, i w ogóle czegokolwiek, to średnia energia kinetyczna cząsteczek, która jest proporcjonalna do szybkości, z jaką te cząsteczki drgają i uderzają o siebie.
Co jest takiego szczególnego w cząsteczkach gazów szklarniowych, że pochłaniają promieniowanie podczerwone, której to czynności cząsteczki tlenu czy azotu nie są w stanie dokonać? Bez wdawania się w zbędne szczegóły, można powiedzieć, że zdolność taką posiadają cząsteczki “złożone”, o skomplikowanej budowie, czyli składające się z co najmniej dwóch różnych atomów (to znaczy, atomów dwóch różnych pierwiastków chemicznych), albo z co najmniej trzech takich samych. Cząsteczka tlenu (O2), składająca się z dwóch takich samych atomów, nie pochłania podczerwieni – ale cząsteczka ozonu (O3), złożona z trzech atomów tlenu, ma taką zdolność. Podobnie cząsteczka azotu (N2) nie pochłania podczerwieni, a cząsteczka tlenku azotu (NO) – tak. I tak dalej. Ponad 99,9% suchego powietrza to gazy które nie pochłaniają podczerwieni (azot, tlen, gazy szlachetne); jedynie bardzo drobna część, mniej niż 0,1%, czyli gazy śladowe i zanieczyszczenia, potrafi to robić. Dla ścisłości, gazem szklarniowym jest także para wodna, której może być w powietrzu do dwóch procent, przy całkowitym nasyceniu powietrza wodą. (Nawiasem mówiąc, para wodna jest często i mylnie utożsamiana z aerozolem skroplonej wody, objawiającym się w postaci mgły, chmur, albo “pary” emitowanej przez czajnik z wrzącą wodą. Rzeczywista para wodna jest niewidoczna, co można stwierdzić uważnie obserwując dzióbek czajnika, i dostrzegając niewielki dystans pomiędzy jego otworem a miejscem, gdzie para się skrapla, tworząc widoczny aerozol. Mgła, czy “para” z czajnika, to zawiesina skroplonej wody, tworząca się zwykle na skutek spadku temperatury, gdy ulegające schłodzeniu powietrze zawiera więcej wody (w postaci gazu, czyli pary), niż jest w stanie zawierać w danej temperaturze i ciśnieniu). Tak się niestety składa, że ludzkie działania (chemia przemysłowa, rolnictwo, spalanie paliw) uwalniają do atmosfery właśnie cząsteczki złożone, z dwutlenkiem węgla, CO2, na czele. I chociaż tych cząsteczek jest w powietrzu stosunkowo niewiele, to są one w stanie atmosferę znacząco podgrzać, gdyż znakomicie pochłaniają podczerwień. Nasze istnienie, jak wspomnieliśmy, jest zresztą możliwe dzięki temu, że atmosfera jest TROCHĘ podgrzewana przez promieniowanie cieplne - ale, jak to zwykle bywa, nadmiar dobrego nie jest już taki dobry. A gazy szklarniowe należą do tych rzeczy, które w nadmiarze zaczynają sprawiać kłopoty – bo zaburzają przyrodniczo-klimatyczną równowagę, która (pomijając okresowe zlodowacenia i ocieplenia) ustaliła się na naszej planecie znaczny czas temu. I nie w tym rzecz, że od dziesiątek, jeśli nie setek, tysięcy lat mamy, w skali planety, w miarę stabilny klimat; jeszcze istotniejsze jest to, że od równie długiego czasu na planecie istniał stan równowagi pomiędzy uwalnianiem gazów szklarniowych z naturalnych źródeł, a zdolnością przyrody, martwej i ożywionej, do absorbowania tych gazów, i do kompensowania zmian w ilości ciepła zawartego w atmosferze. Załamanie się tego systemu równowagi może być daleko poważniejszym zjawiskiem niż same gwałtowne wahania pogodowe, jakkolwiek nieprzyjemne by one nie były.
Problem z podgrzewaniem atmosfery jest nie tylko taki, że robi się zbyt ciepło, choć to samo w sobie też ma groźne konsekwencje. Temperatura powietrza, uśredniona w skali planety, wzrosła podczas ostatnich dwustu lat pozornie niewiele, na razie w granicach 1-2 stopni Celsjusza. Problem jednak jest nie w samej temperaturze, tylko w tym, że ta niby niewielka zmiana temperatury oznacza, w skali planety, gigantyczne ilości ciepła. Ciepło i temperatura to nie to samo: jeżeli przesuniemy palec dostatecznie szybko przez płomień świecy, to mimo niewątpliwie wysokiej temperatury płomienia, nasz palec nie zdąży wchłonąć wystarczającej ilości ciepła, żeby doznać oparzenia. Zupełnie inaczej byłoby, gdybyśmy potrzymali palec w ogniu przez dłuższą chwilę; mógłby on wtedy pochłonąć, i najpewniej by pochłonął, wystarczającą ilość ciepła, żeby doznać oparzenia, choć średnia temperatura palca zmieniłaby się niewiele, bo nagrzana zostałaby jedynie powierzchnia skóry, na niewielkim obszarze. Ziemia, podobnie jak palec włożony do ognia, nagrzewa się bardzo nierównomiernie; niewielki wzrost średniej temperatury atmosfery oznacza ogromną dodatkową ilość ciepła koncentrującego się w najbardziej nagrzanych miejscach. To ciepło musi gdzieś znaleźć ujście. Wystarczy popatrzeć na pogodę ostatnich paru dziesiątek lat, żeby dostrzec, gdzie to ujście jest...
Ciepło
gromadzące się w tropikach jest rozprowadzane po Ziemi przez
prądy oceaniczne, oraz przez gigantyczne silniki cieplne w postaci
tropikalnych sztormów, transportujących ciepło i wodę w
stronę biegunów. Jeśli jest do rozprowadzenia więcej
ciepła, siłą rzeczy cyklony, tajfuny, i monsuny muszą
być częstsze i/lub silniejsze – ocenia się, że siła
tropikalnych huraganów wzrosła o połowę w ciągu ostatnich
czterdziestu lat. Siła huraganów zwiększa się nie tylko dlatego,
że rozprowadzają więcej ciepła. Bardzo
istotnym czynnikiem jest powiększająca się grubość
wierzchniej ciepłej warstwy wody, co ułatwia uformowania się
huraganu, oraz zwiększa prawdopodobieństwo, że będzie
bardzo silny. USA były nawiedzone w poprzednim stuleciu przez trzy
huragany piątej kategorii, czyli najsilniejsze w pięciostopniowej
skali: w 1935, 1969, i w 1992 (słynny huragan Andrew); między
pierwszym a drugim upłynęły 34 lata, a między drugim a
trzecim – już tylko 13 lat; huragan Katrina, który zalał w 2005 Nowy
Orlean, w ostatniej chwili, już po wtargnięciu na ląd,
zmienił kategorię z 5 na 3... Nie tylko zresztą tropikalne
wiatry są coraz silniejsze: od
dłuższego czasu także i
Rozważyliśmy
więc przyrodniczą stronę problemu, która nie powinna być
kontrowersyjna - jeśli dla kogoś jest, to raczej z powodu
nieznajomości tematu, a nie tego, że nie wiadomo, skąd się
biorą sztormy. Czas na zagadnienie drugie,
spośród trzech wymienionych na wstępie, dotyczące udziału
ludzkości w zmianie klimatu. To zagadnienie zawiera trzy
istotne kwestie.
Czy atmosfera zawiera obecnie więcej gazów szklarniowych, takich jak CO2, niż pięćset, dwieście, czy sto lat temu? I dlaczego właściwie CO2 ma być taki istotny?
Dwutlenek węgla
jest (obecnie) najważniejszym pośród gazów szklarniowych.
Czy to dużo?
Biorąc pod uwagę, że wzrost stężenia CO2 o jedną trzecią oznacza, że o tyle samo zwiększył się globalny efekt grzewczy tego gazu, to dość sporo. Jak byśmy się czuli, siedząc w przyjemnie ciepłym pokoju w cienkich spodniach i koszuli, gdyby ktoś polecił nam nałożyć gruby kombinezon, zmniejszając o jedną trzecią utratę ciepła przez nasze ciało? Nie byłoby to przyjemne – i dla planety też nie jest.
Czy
ten wzrost stężenia dwutlenku węgla ma związek z
działalnością człowieka? Powyżej przytoczone dane pokazują, że początek nagłego
wzrostu stężenia dwutlenku węgla zbiega się w czasie z
początkiem rewolucji przemysłowej. W gwałtownie
uprzemysławiających się krajach używano drewna do
napędzania maszyn parowych, a po wycięciu lasów – węgla, i
innych paliw kopalnych. Wiek XX był okresem nieprzerwanego wzrostu transportu
intensywnie wykorzystującego paliwa kopalne, a do tego doszło jeszcze
produkowanie prądu przez elektrownie węglowe. A dlaczego
spalanie paliw kopalnych miałoby się przyczynić do wzrostu
ilości dwutlenku węgla w atmosferze? Ponieważ w ciągu
jednego roku spalany jest węgiel, do niedawna trwale zmagazynowany w
złożach węgla i ropy naftowej, który był magazynowany przez
czas znacznie dłuższy niż jeden rok – przez setki tysięcy,
jeśli nie miliony, lat. Paliwa kopalne powstały z roślin, które
przerabiały dwutlenek węgla na związki organiczne (z których
są zbudowane organizmy żywe), zawierające długie łańcuchy
węglowe.
Dlaczego ten dwutlenek węgla nie jest trwale pochłaniany przez rośliny?
Zdołaliśmy więc ustalić dwie rzeczy: gazy szklarniowe mają zdolność do nagrzewania atmosfery, i jest ich coraz więcej od czasu rewolucji przemysłowej. Można się spierać o szczegóły, ale nie o to, że tak jest. Czas na trzecie i kluczowe zagadnienie – czy wzrost stężenia tych gazów w atmosferze przez ostatnie 200 lat był na tyle duży, żeby móc zaburzyć równowagę klimatyczną? I czy obawy dotyczące takiej możliwości nie są przesadne?
Zmiany temperatury ziemskiej można ocenić ze sporą dokładnością, i na dziesiątki sposobów. Są dane historyczne z ostatnich paruset lat, dotyczące klimatu, i meteorologiczne pomiary, z ostatnich stu kilkudziesięciu lat; można również analizować przekroje drzew, mających setki lub nawet tysiące lat. Niegdysiejszą temperaturę można zmierzyć pośrednio: mierząc grubość pierścieni wzrostowych drzew (szybkość wzrostu jest zależna od temperatury); badając, zależne od temperatury, proporcje komórek różnych rodzajów w tkankach drzew; mierząc zmiany w zasięgu lodowców na historycznych i współczesnych fotografiach; mierząc proporcje izotopów tlenu, lekkiego i ciężkiego, w osadach okrzemków, drobnych pierwotniaków posiadających mineralną skorupkę. W odniesieniu do ostatnich kilkudziesięciu lat, można porównać zasięg morskiego lodu w okolicach okołobiegunowych i grubość wiecznej zmarźliny w tundrze; można policzyć rekordowo ciepłe dni, i porównać długość zim. Każda z tych metod ma swoje ograniczenia, niektóre są mniej precyzyjne od innych, i można się spierać w nieskończoność na temat technicznych szczegółów. Ale nie można się spierać na temat tego, że wszystkie te metody pokazują wzrost temperatury powierzchni Ziemi od nastania rewolucji przemysłowej. Do atmosfery dostała się, w bardzo szybkim tempie, w wyniku działalności człowieka, ogromna ilośc dwutlenku węgla, którego stężenie wzrosło przez ostatnie dwieście lat o jedną trzecią, jak wspomnieliśmy wyżej. Logika nakazywałaby sądzić, że obserwowane od stu kilkudziesięciu lat ocieplenie Ziemi ma związek ze wzrostem stężenia dwutlenku węgla w tym samym okresie, i wykorzystywaniem na masowa skalę paliw kopalnych – zwłaszcza jeżeli się rozumie, w jaki sposób gazy szklarniowe są w stanie podgrzewać atmosferę. Efekt grzewczy tych gazów nie jest przecież czymś jednorazowym; każda cząsteczka gazu szklarniowego to mikroskopijna grzałka, umieszczona w atmosferze, napędzana USTAWICZNIE energią promieniowania podczerwonego…
Ale niektórzy się z taką konkluzją nie zgadzają, i robią sporo zamieszania, zaprzeczając temu, że globalne ocieplenie ma miejsce, przy użyciu różnorodnej, i niekiedy na pozór logicznej, argumentacji. Niewielu ludzi zaprzecza, że dwutlenku węgla jest teraz więcej niż kiedyś, i niewielu zaprzecza temu, że robi się cieplej; w końcu jaki jest koń, każdy widzi (to powiedzenie bywa często źle rozumiane; nie w tym rzecz, że konia można obejrzeć, tylko w tym, że kiedy przechodziło ono do powszechnego języka, z encyklopedii księdza Benedykta Chmielowskiego, autora dzieła “Nowe Ateny”, koń był powszechnie używanym zwierzęciem pociągowym, i trudno było uniknąć widoku konia. Jeśli wzrost cen ropy naftowej ulegnie przyśpieszeniu, to być może koń stanie się znowu bardziej powszechnym widokiem.), i tak samo każdy widzi, dokąd sięga lodowiec (ten na szczycie Kilimandżaro przetrwał parę tysięcy lat, a zniknie w ciągu obecnego stulecia). Trudno poważnie traktować argumenty osób związanych z przemysłem wydobywczym ropy naftowej i węgla, że ani wzrost dwutlenku węgla, ani globalne ocieplenie nie mają miejsca. Stężenie dwutlenku węgla można zmierzyć, a jeżeli ktoś uważa, że kolejne rekordowo gorące lata, rekordowe susze, rekordowo wysokie temperatury, skracanie się zim, cofanie lodowców, kurczenie się okołobiegunowego lodu, i inne tego rodzaju zmiany o niczym nie świadczą, to chyba brak mu albo informacji, albo zdolności zrozumienia tej informacji. Ale oprócz ludzi zaprzeczających globalnemu ociepleniu przy użyciu niepoważnych argumentów, jest wielu oponentów tego, żeby NIEZWŁOCZNIE zrobić COŚ ISTOTNEGO w sprawie globalnego ocieplenia – i są to ludzie, którzy przyznają, że może i owszem, poziom dwutlenku węgla rośnie, że może i owszem działalność człowieka się do tego przyczynia, ale nie jest udowodnione, że globalne ocieplenie jest powodowane przez wzrost stężenia dwutlenku węgla. Potrzebne są dalsze badania naukowe, bo nie wszyscy naukowcy się co do tego zgadzają. I dopóki nie zostanie z całkowitą pewnością udowodnione, że globalne ocieplenie jest spowodowane działalnością człowieka, i że dwutlenek węgla ma na nie wpływ, nie ma sensu robić większego zamieszania i przeszkadzać rozwojowi gospodarczemu – bo wszelkie ograniczenia spalania paliw kopalnych spowodują utratę miejsc pracy, zapaść ekonomiczną, napięcia i inne szkodliwe perturbacje. Być może obserwujemy bowiem naturalny cykl zmian klimatycznych, i rosnące stężenie dwutlenku węgla to tylko koincydencja, albo wręcz skutek, a nie przyczyna ocieplenia, które może mieć miejsce z naturalnych i nieznanych nam powodów.
W jaki sposób ktoś niezbyt obeznany z naukami przyrodniczymi ma rozstrzygnąć, czy te wątpliwości są zasadne, czy są jedynie mydleniem oczu?