Rdzenie lodowe i zmiany klimatu
Wprowadzenie
Rdzenie lodowe to cylindry lodu wywiercone w pokrywie lodowej lub lodowcu. Większość zapisów rdzeni lodowych pochodzi z Antarktydy i Grenlandii, a najdłuższe rdzenie lodowe jakie wywiercono sięgają 3 km głębokości. Najstarsze ciągłe zapisy rdzeni lodowych sięgają 123.000 lat na Grenlandii i 800.000 lat na Antarktydzie. Rdzenie lodowe zawierają informacje o temperaturze w przeszłości oraz o wielu innych aspektach środowiska. Co najważniejsze, lód zawiera małe pęcherzyki powietrza, które zawierają próbkę atmosfery – na ich podstawie można bezpośrednio zmierzyć stężenie gazów atmosferycznych w przeszłości, w tym głównych gazów cieplarnianych: dwutlenku węgla, metanu i podtlenku azotu.
Gazy cieplarniane i niedawna przeszłość
Bezpośrednie i ciągłe pomiary dwutlenku węgla (CO2) w atmosferze sięgają jedynie do lat 50-tych XX wieku. Pomiary w rdzeniach lodowych pozwalają nam cofnąć się o wiele dalej w przeszłość. W rdzeniach antarktycznych o bardzo wysokim wskaźniku opadów śniegu możliwe było zmierzenie stężeń gazów w powietrzu jeszcze w latach 80-tych, które są już zamknięte w pęcherzykach w lodzie. Porównanie z pomiarami wykonanymi bezpośrednio z atmosfery w stacjach badawczych na Antarktydzie pokazuje, iż rdzeń lodowy działa jako wierny rejestrator stężeń atmosferycznych (patrz ryc. 1), chociaż musimy być ostrożni, ponieważ w miejscach o wysokim stężeniu innych zanieczyszczeń mogą pojawić się małe artefakty.
Antarktyczne rdzenie lodowe pokazują nam, iż stężenie CO2 było stabilne w ciągu ostatniego tysiąclecia aż do początku XIX wieku. Następnie zaczęło rosnąć, a jego stężenie jest w tej chwili o prawie 50% wyższe niż przed rewolucją przemysłową (ryc. 2). Inne pomiary, które mogą wskazać źródło tego CO2 (np. dane izotopowe) potwierdzają, iż wzrost ten musi być spowodowany emisjami pochodzącymi z wykorzystania paliw kopalnych oraz zmianami roślinności i gleb spowodowanymi przez człowieka. Pomiary ze starszych rdzeni lodowych (omówione poniżej) potwierdzają, iż zarówno wielkość, jak i tempo niedawnego wzrostu są prawie na pewno bezprecedensowe w ciągu ostatnich 800.000 lat (ryc. 2). Najszybszy naturalny wzrost mierzony w starszych rdzeniach lodowych wynosi około 15 ppm (części na milion) w ciągu około 200 lat. Dla porównania, ilość atmosferycznego dwutlenku węgla [CO2] wzrasta w tej chwili o 15 ppm co 6 lat. Metan (CH4), kolejny istotny gaz cieplarniany, również wykazuje bezprecedensowy wzrost stężenia w ciągu ostatnich dwóch stuleci. Jego stężenie jest w tej chwili ponad dwukrotnie wyższe od poziomu sprzed epoki przemysłowej. Wynika to głównie z emisji ze źródeł rolniczych i produkcji paliw kopalnych, które uzupełniają naturalne emisje z terenów podmokłych i innych źródeł.
Naturalne zmiany klimatu: cykle glacjalne i interglacjalne
[Zlodowacenie lub glacjacja (od łac. glacio ‛zamrażam’) – okres, w czasie którego znaczne obszary Ziemi pokryte są lądolodem]
Mierząc stosunek różnych izotopów wody w polarnych rdzeniach lodowych, możemy określić, jak temperatura na Antarktydzie i Grenlandii zmieniała się w przeszłości. Najstarszy ciągły rdzeń lodowy, jaki posiadamy, został wywiercony przez Europejski projekt drążenia lodu na Antarktydzie [European Project for Ice Coring in Antarctica – EPICA] z Dome C na płaskowyżu Antarktydy (ryc. 3). Sięga on 800.000 lat wstecz i pokazuje ciąg długich, zimnych okresów “lodowcowych”, przeplatanych mniej więcej co 100.000 lat ciepłymi okresami “międzylodowcowymi” (z których ostatnie 11.000 lat jest najnowsze). Ten ciąg wydarzeń jest dobrze znany z innych zapisów, a najzimniejsze okresy na Antarktydzie to czasy, kiedy mieliśmy epoki lodowcowe. Pokrywy lodowe rozciągały się nad Ameryką Północną tak daleko na południe, jak miejsca takie jak Chicago i Nowy Jork, oraz nad Wielką Brytanią na południe od zatoki The Wash.
Rola gazów cieplarnianych w cyklach glacjalnych i interglacjalnych
Z powietrza w naszym najstarszym rdzeniu lodowym z Antarktydy widzimy, iż poziom dwutlenku węgla [CO2] zmieniał się w niezwykle podobny sposób do klimatu Antarktydy, z niskimi stężeniami w zimnych okresach i wysokimi stężeniami w ciepłych okresach (patrz ryc. 3). Jest to całkowicie zgodne z koncepcją, iż temperatura i CO2 są ze sobą ściśle powiązane, a każdy z nich działa w celu wzmocnienia zmian w drugim (co nazywamy dodatnim sprzężeniem zwrotnym). Uważa się, iż ocieplenie po okresach lodowcowych jest spowodowane zmianami orbity Ziemi wokół Słońca, ale te niewielkie zmiany klimatu są wzmacniane, głównie przez wynikający z tego wzrost poziomu CO2 oraz przez cofanie się lodu morskiego i pokrywy lodowej (co prowadzi do odbijania mniejszej ilości światła słonecznego).
Widzimy, jak bardzo temperatura Antarktydy i poziom CO2 podążają za sobą, ale co z temperaturą globalną? Tutaj możemy zbadać, kiedy ostatni raz Ziemia wyszła z epoki lodowcowej. Naukowcy zebrali inne geologiczne zapisy temperatur z całego świata, aby obliczyć średnią temperaturę globalną. W tej globalnej skali poziom CO2 zaczyna rosnąć przed temperaturą (patrz ryc. 4.) (Shakun/Osman), dlatego mówi się, iż temperatury “pozostają w tyle” za CO2. Dowodzi to, iż CO2 był nie tylko sprzężeniem zwrotnym naturalnych zmian klimatycznych, ale w rzeczywistości głównym czynnikiem wymuszającym, który wyprowadził Ziemię z ostatniej epoki lodowcowej.
We współczesnej erze to oczywiście ludzkie emisje CO2 powinny zapoczątkować sekwencję zdarzeń. W zapisie rdzenia lodowego nie widzimy przykładów znacznego wzrostu CO2, któremu nie towarzyszył wzrost temperatury. Stężenie metanu również podąża za zmianami glacjalnymi i interglacjalnymi, prawdopodobnie dlatego, iż w chłodniejszych i suchszych okresach lodowcowych było mniej terenów podmokłych.
Gwałtowne zmiany klimatu
Opisane powyżej zmiany klimatu były ogromne, ale stosunkowo stopniowe. Jednak rdzenie lodowe dostarczyły nam dowodów na to, iż możliwe są również nagłe zmiany. Podczas ostatniego okresu lodowcowego Grenlandia doświadczyła sekwencji bardzo szybkich ociepleń (patrz ryc. 5). Temperatura wzrosła o ponad 10°C w ciągu kilku dekad. Inne zapisy pokazują nam, iż poważne zmiany w cyrkulacji atmosferycznej i klimacie wystąpiły na całej półkuli północnej. Antarktyda i Ocean Południowy doświadczyły innego wzorca, zgodnego z koncepcją, iż te gwałtowne skoki były spowodowane nagłymi zmianami w transporcie ciepła w oceanie. W tym czasie nad północną Ameryką Północną znajdowała się ogromna pokrywa lodowa (Laurentide). Najprawdopodobniej słodka woda dostarczana z pokrywy lodowej do północnego Atlantyku okresowo zakłócała cyrkulację wody oceanicznej, powodując zmniejszenie transportu tropikalnego ciepła na północ, a następnie jego nagły wzrost. Chociaż mechanizm ten jest mało prawdopodobny w dzisiejszym świecie, pokazuje nam, iż przynajmniej regionalnie klimat jest zdolny do niezwykłych zmian w ciągu życia jednego człowieka – szybkich zmian, których z pewnością chcemy uniknąć.
Ryc. 5: Przykłady raptownych zmian klimatu na Grenlandii i bardziej stopniowych efektów obserwowanych na Antarktydzie podczas ostatniego zlodowacenia
Podsumowanie
Rdzenie lodowe dostarczają bezpośrednich informacji o tym, jak stężenia gazów cieplarnianych zmieniały się w przeszłości, a także dostarczają bezpośrednich dowodów na to, iż klimat może zmieniać się gwałtownie w pewnych okolicznościach. Nie dostarczają one jednak bezpośrednich analogii dla przyszłości, ponieważ epoka rdzeni lodowych nie zawiera okresów o stężeniach CO2 porównywalnych do tych z następnego stulecia.
Archiwum faktów
— Rdzeń lodowy. Cylinder lodu wywiercony z pokrywy lodowej lub lodowca. Większość rdzeni lodowych pochodzi z Antarktydy i Grenlandii.
— Rdzenie lodowe zawierają informacje o temperaturze w przeszłości oraz o wielu innych aspektach środowiska.
— Poziom dwutlenku węgla w atmosferze jest w tej chwili o 50% wyższy niż przed rewolucją przemysłową. Wzrost ten jest spowodowany zużyciem paliw kopalnych i zmianami w użytkowaniu gruntów.
— Skala i tempo niedawnego wzrostu są prawie na pewno bezprecedensowe w ciągu ostatnich 800.000 lat.
— Metan również wykazuje ogromny i bezprecedensowy wzrost stężenia w ciągu ostatnich dwóch stuleci.
Źródło: Ice cores and climate change
Zobacz na: Nauka spod znaku kultu cargo – Richard Feynman [1974]
Fakty, fikcja i dostosowanie – Donald Hoffman i inni
Bibliografia:
Lüthi, D., Le Floch, M., Bereiter, B. et al. High-resolution carbon dioxide concentration record 650,000–800,000 years before present. Nature 453, 379–382 (2008). https://doi.org/10.1038/nature06949
Osman, M.B., Tierney, J.E., Zhu, J. et al. Globally resolved surface temperatures since the Last Glacial Maximum. Nature 599, 239–244 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03984-4
Marcott, S., Bauska, T., Buizert, C. et al. Centennial-scale changes in the global carbon cycle during the last deglaciation. Nature 514, 616–619 (2014). https://doi.org/10.1038/nature13799
NOAA Greenhouse Gas Data: Dlugokencky, E.J., J.W. Mund, A.M. Crotwell, M.J. Crotwell, and K.W. Thoning (2021), Atmospheric Carbon Dioxide Dry Air Mole Fractions from the NOAA GML Carbon Cycle Cooperative Global Air Sampling Network, 1968-2020, Version: 2021-07-30, https://doi.org/10.15138/wkgj-f215
North Greenland Ice Core Project members. High-resolution record of Northern Hemisphere climate extending into the last interglacial period. Nature 431, 147–151 (2004). https://doi.org/10.1038/nature02805
Parrenin, F. et al. Synchronous Change of Atmospheric CO2 and Antarctic Temperature During the Last Deglacial Warming. Science 339, 1060–1063 (2013).
Petit, J., Jouzel, J., Raynaud, D. et al. Climate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core, Antarctica. Nature 399, 429–436 (1999). https://doi.org/10.1038/20859
Rubino, M. et al. Revised records of atmospheric trace gases CO2, CH4, N2O, and δ13C-CO2 over the last 2000 years from Law Dome, Antarctica. Earth Syst. Sci. Data 11, 473–492 (2019).
Shakun, J., Clark, P., He, F. et al. Global warming preceded by increasing carbon dioxide concentrations during the last deglaciation. Nature 484, 49–54 (2012). https://doi.org/10.1038/nature10915
WAIS Divide Project Members. Precise interpolar phasing of abrupt climate change during the last ice age. Nature 520, 661–665 (2015). https://doi.org/10.1038/nature14401
