Modele klimatyczne mogą nie doceniać ocieplenia w Europie przez lepszą jakość powietrza

Z badania opublikowanego w kwietniu 2024 r. wynika, że modele klimatyczne nie doszacowują ocieplenia w Europie w okresie letnim, a tym bardziej temperatur występujących podczas fal upałów. Powodem jest m.in. nieuwzględnienie zmieniającego się poziomu zanieczyszczeń powietrza – zazwyczaj jest ono przyjmowane w obliczeniach jako stałe.

Dr Dominik Schumacher z ETH Zürich wraz ze współpracownikami porównał letnie temperatury w Europie występujące w latach 1980-2022 z globalnymi i regionalnymi prognozami niektórych modeli klimatycznych. Zauważyli, że oba rodzaje nie doszacowały ocieplenia, jakie miało miejsce w rzeczywistości. Modele regionalne wskazywały na temperatury o ponad 1°C niższe, niż faktycznie wystąpiły. Modele globalne wypadły nieco lepiej, nie doszacowując ocieplenia „tylko” o około 0,5°C.

Zespół sprawdził , czy nie jest to winą nieuwzględniania zmian we wzorcach cyrkulacji powietrza, które mogą „wprowadzać” więcej ciepła do regionu. Po wykluczeniu tego czynnika z danych dokładność modeli wzrosła. Modele globalne dawały wyniki prawie zgodne z obserwowanym ociepleniem, ale modele regionalne wciąż niedoszacowały zmian – średnio o ponad 0,5°C. Badacze wyjaśnili to pomijaniem zmian w poziomie zanieczyszczenia atmosfery w Europie. W wyniku poprawy jakości powietrza intensywność docierającego do Ziemi promieniowania słonecznego staje się większa. Okazało się, że założenia modeli nie brały tego pod uwagę. Jak powiedział główny autor badania, niedoszacowanie jest nawet większe w przypadku fal upałów – niebo zazwyczaj jest wtedy wyjątkowo czyste, przez co do Ziemi może docierać więcej energii słonecznej.

Modele można oczywiście udoskonalać – i stale to robimy – aby dawały coraz dokładniejsze wyniki. Wystarczy spojrzeć , jak historycznie zmieniały się modele stosowane do prognozowania przyszłego klimatu. Również te stosowane w kolejnych raportach Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu (IPCC) brały pod uwagę coraz więcej zmiennych i dawały coraz lepsze wyniki, w miarę jak nauka i zrozumienie funkcjonowania systemu klimatycznego się rozwijały. Włączenie do modeli dodatkowych zmiennych zajmie po prostu trochę czasu, a ze swej natury i tak nigdy nie będą doskonałe. Niemniej jednak nawet stare modele dawały wyniki zbliżone do tego, co faktycznie odnotowano.

Można to zaobserwować na poniższym rysunku , który prezentuje średnią z projekcji (linia czarna) przygotowanych dla scenariusza SSP2-4.5 z użyciem różnych modeli ( eksperyment CMIP6 ).

Tłumaczenie: oś pozioma: czas (lata). Oś pionowa: odchylenie globalnej średniej temperatury powierzchni Ziemi od średniej z lat 1900-2000. Fioletowe pole: zakres, w którym zmieściło się 90% projekcji. Linia czerwona: obserwacje, na podstawie danych Berkeley Earth. Linia żółta:  trend liniowy obliczony na podstawie obserwacji z lat 1970-2023.

Jak zmieniło się zanieczyszczenie powietrza w Europie?

Badacze z Barcelona Institute for Global Health ( ISGlobal ) przeanalizowali poziom zanieczyszczenia powietrza w ponad 1400 regionach w 35 krajach europejskich, zamieszkanych łącznie przez 543 miliony ludzi. W latach 2003-2019 w większości Europy zmniejszyły się ilości pyłu zawieszonego (PM2,5 i PM10) oraz dwutlenku azotu NO2. Kolejno odnotowano spadki o 2,45 proc., 2,72 proc. i 1,72 proc. rocznie.

Z kolei w samej Unii Europejskiej obowiązują jedne z najbardziej restrykcyjnych przepisów dotyczących jakości powietrza. W państwach członkowskich Unii Europejskiej znacząco spadły poziomy zanieczyszczeń tlenkami siarki (SOx) i tlenkami azotu (NOx). W okresie 1990-2014 emisje tych pierwszych zmalały o prawie 90 proc., a w przypadku tlenków azotu – o ponad połowę. Wyraźnie widać , że udało się oddzielić wzrost emisji zanieczyszczeń powietrze od wzrostu PKB ( decoupling ).

Jak to działa?

Na temperaturę na planecie wpływa też m.in. aerozol atmosferyczny. To zawieszone w powietrzu cząstki stałe (pyły) oraz drobne kropelki. Wszystkie one są na tyle małe, że opór powietrza hamuje ich opadanie na ziemię. Zmiany w ilości i składzie aerozolu powodują zmiany temperatury powierzchni Ziemi. W przeciwieństwie do gazów cieplarnianych mają one krótki czas życia w atmosferze. Niektóre z tych substancji odbijają (rozpraszają) promieniowanie słoneczne w kosmos, co daje efekt chłodzący, a inne – pochłaniają, zwiększając ocieplenie planety. Jest to tzw. bezpośredni efekt aerozolowy.

Do typowych aerozoli w naszej atmosferze należą np. cząstki sadzy, pyłki roślin, piasek z pustyni, kryształki soli morskiej i drobinki tworzyw sztucznych. To także kropelki kwasu siarkowego (VI) powstającego z emitowanych tlenków siarki oraz kwasu azotowego (V) powstającego z tlenków azotu, które powodują kwaśne deszcze.

Przykładem aerozolu mającego wpływ na klimat są czarne cząstki sadzy – pochłaniają energię ze Słońca, a nagrzewając się, podnoszą również temperaturę powietrza wokół siebie. Jeśli sadza osiądzie np. na lodzie czy śniegu, przyspiesza jego topnienie.

Z kolei po dużych erupcjach wulkanicznych występuje czasowe ochłodzenie klimatu. Chociaż wulkany emitują też CO2 (wulkany rocznie emitują niecały 1 proc. tego, co ludzie), to wyrzucają do atmosfery też tlenki siarki. W reakcji z wodą powstaje z nich wspomniany już kwas siarkowy (VI), czyli tzw. aerozol siarkowy. Odbija on promieniowanie słoneczne i chłodzi planetę. Zależnie od mocy erupcji, efekt może utrzymywać się od kilku dni do kilku lat. Od siły erupcji zależy bowiem to, na jaką wysokość zostaną wyrzucone cząstki. Jeśli dostaną się do wyższych warstw atmosfery, mogą pozostać tam dłużej.

Aerozol atmosferyczny ma także pośredni wpływ na klimat – wpływa on na formowanie chmur. Powstawanie chmur wymaga nie tylko nasycenia powietrza parą wodną, ale też obecności w atmosferze tzw. jąder kondensacji. To maleńkie cząstki, na których para wodna może się osadzać, co ułatwia zapoczątkowanie tworzenia się kropel wody lub kryształków lodu. Rodzaj i ilość jąder kondensacji ma wpływ na kształt i czas życia chmury. W skrócie proces można opisać tak: wysokie stężenie aerozolu w atmosferze prowadzi do powstania wielu drobnych kropelek – złożona z nich chmura odbija promieniowanie słoneczne i „żyje” dłużej. Niskie stężenie aerozolu w atmosferze prowadzi do powstania niewielkiej liczby większych kropli – złożona z nich chmura pochłania promieniowanie słoneczne, ale „żyje” krócej. Podsumowując – im drobniejsze krople w chmurze, tym lepszy efekt chłodzący. Należy jednak pamiętać, że jest to efekt krótkotrwały. Gazy cieplarniane żyją w atmosferze o wiele dłużej, gromadzą się w niej i powodują stosunkowo trwałe zmiany w systemie klimatycznym, biorąc pod uwagę czas życia człowieka.

To nie znaczy, że zanieczyszczenie powietrza jest korzystne

Zanieczyszczenia powietrza są przede wszystkim groźne dla zdrowia i powodują przedwczesne zgony. Dzieje się tak m.in. dlatego, że na pyłach zawieszonych łatwo osadzają się inne substancje – np. te rakotwórcze. Według badaczy z Uniwersytetu Harvarda w 2018 r. z powodu zanieczyszczeń powietrza spowodowanych spalaniem paliw kopalnych zmarło ponad 8 mln ludzi. Globalnie stanowiło to wówczas około 18 proc. zgonów.

Zgodnie z danymi Europejskiej Agencji Środowiska w 2016 r. w Polsce z tego powodu zmarło ponad 45 tys. osób. Sytuacja ulega poprawie – w 2019 r. było to mniej niż 42 tys. osób. W 2020 r. w Unii Europejskiej liczba zgonów z powodu narażenia na pył zawieszony zmalała o 45 proc. w porównaniu z rokiem 2005. Mimo to w 2021 r. w UE z tego powodu zmarło nawet 250 tys. osób. Według raportu szwajcarskiej organizacji IQAir  spośród 134 państw zbadanych w tej publikacji tylko siedem spełniło normy powietrza ustanowione przez Światową Organizację Zdrowia (WHO): Australia, Estonia, Finlandia, Grenada, Islandia, Mauritius i Nowa Zelandia.

Unia Europejska opracowała strategię poprawy jakości powietrza: plan działania na rzecz zerowego poziomu zanieczyszczeń. Wyznacza on cel zmniejszenia o 55% proc. liczby przedwczesnych zgonów spowodowanych narażeniem na drobny pył zawieszony do 2030 r. w porównaniu z rokiem 2005. Drugim celem jest zredukowanie udziału ekosystemów, w których zanieczyszczenie powietrza zagraża różnorodności biologicznej o 25 proc. w porównaniu z 2005 r.

To wszystko również nie oznacza, że spadek zapylenia atmosfery wywołuje obecne globalne ocieplenie. W latach 1950-1980 zaobserwowano tymczasowy spadek temperatur, mimo że przez cały XX wiek stężenie dwutlenku węgla w atmosferze nieustannie rosło. Okazało się, że odpowiadały za to właśnie aerozole w atmosferze, które ograniczyły dopływ promieniowania słonecznego do Ziemi – w ten sposób „zamaskowały” wciąż nasilający się efekt cieplarniany. Dzięki politykom zmniejszającym groźne dla zdrowia zanieczyszczenie powietrza zapylenie atmosfery zmalało w Europie i USA. Wtedy temperatury zaczęły na powrót rosnąć. To nie czystsze powietrze „spowodowało” globalne ocieplenie – temperatury rosły już przed tym epizodem, a w atmosferze stale gromadziły się emitowane przez nas gazy cieplarniane.