Ustalany jest na podstawie wieloletnich obserwacji różnorodnych składników, takich jak pomiary temperatury, opadów atmosferycznych i wiatru. Klimat na Ziemi kształtują trzy podstawowe procesy klimatotwórcze: są to obieg ciepła, obieg wody i krążenie powietrza. Podstawowym źródłem ciepła na ziemi jest energia dostarczana przez Słońce. To ciepło przekazywane przez Słońce w postaci promieniowania absorbowanego przez lądy powierzchnie wód i atmosferę. Część docierającej do Ziemi energii słonecznej jest odbijana przez lądy, wodę i chmury i remitowana do przestrzeni kosmicznej. Część absorbowanej energii powoduje nagrzewanie powierzchni lądów i oceanów oraz powoduje odparowanie wody z powierzchni oceanów, lądowych zbiorników wodnych, rzek czy wilgotnej powierzchni. Energia słoneczna absorbowana w atmosferze podnosi jej temperaturę i wymusza obieg wody i krążenie powietrza, innymi słowy jest źródłem wiatrów i opadów, deszczu, śniegu itp.
Efekt cieplarniany
Nagrzane lądy i oceany emitują promieniowanie cieplne w zakresie podczerwonym, którego część opuszcza naszą planetę w otaczającą nas przestrzeń kosmiczną natomiast część jest pochłaniana przez gazy cieplarniane i częściowo emitowane w kosmos a częściowo z powrotem do powierzchni ziemi. Zjawisko to zwane jest efektem cieplarnianym i dzięki niemu średnia temperatura na naszej planecie wynosi około 15 oC. Gdyby nie było efektu cieplarnianego temperatura na ziemi byłaby o około 18 oC niższa. Głównymi gazami cieplarnianymi w naszej atmosferze są: para wodna która, według różnych ocen, odpowiada za 70-99 proc. całego efektu cieplarnianego, pozostałe to dwutlenek węgla, metan, tlenki azotu i inne. Duży wpływ na bilans ciepła w atmosferze Ziemi mają również znajdujące się w niej pyły. Pochodzą one różnych źródeł takich jak: wybuchy wulkanów, burze pustynne, pożary lasów czy w czasach przemysłowych emisje z zakładów przemysłowych, elektrowni węglowych, samochodów, uprawy roli, indywidualnych pieców grzewczych itp.
Co ma wpływ na klimat?
Według dzisiejszych ocen najważniejszy wpływ na klimat mają: Sońce, aktywność wulkaniczna, gazy cieplarniane, prądy morskie (cyrkulacja ciepła w oceanie jak np.: ElNinio, Golfsztrom) i w mniejszym stopniu inne czynniki takie jak np. precesja osi Ziemi. Stopień oddziaływania tych czynników na zmiany klimatyczne ulegał w przeszłości dużym zmianom w szczególności w okresie silnej aktywności wulkanicznej, która powodowała wyrzucanie do atmosfery Ziemi olbrzymich ilości pyłów powodujących blokadę promieniowania słonecznego, co w efekcie prowadziło do ochłodzenia klimatu.
Klimat na Ziemi ulega ciągłym zmianom od samego początku powstania naszej planety. Informacje o zmienności klimatu ze wczesnego okresu istnienia naszej planety są jednak obarczone dużą miarą niepewności. Stosunkowo dobre informacje o zmienności klimatu pochodzą z danych uzyskanych z odwiertów rdzeni lodowych na Antarktydzie. Z zamrożonych w pęcherzykach gazów i pyłów można dość precesyjne oszacować ówczesny skład atmosfery, zawartość pyłów a pośrednio określić temperatury jakie panowały w tym okresie na Ziemi. Wynika z nich, że w okresie ostatnich 450 tys. lat mieliśmy cztery długie epoki lodowcowe trwające od około 80 tys. lat do ponad 100 tys. lat, które były przedzielane krótkimi, międzylodowcowymi okresami ocieplenia, trwającymi około 15 tys. lat lub krócej.
Zmiany temperatury (w stosunku do obecnej średniej temperatury), koncentracji CO2 oraz zawartości pyłów na Ziemi w ciągu ostatnich 450 tyś. lat określone na podstawie analizy zawartości gazów i pyłów w odwiertach lodowych na Antarktydzie.
Jak widać na załączonym wykresie pokazującym zmiany temperatury na Ziemi w okresie ostatnich 450 tys. lat, określonej na podstawie analizy zawartości w odwiertach lodu na Antarktydzie, istnieje wyraźna korelacja pomiędzy temperaturą a zawartością CO2 i pyłów w atmosferze. Wyraźnie widoczna jest korelacja pomiędzy okresami chłodnymi a zawartością pyłów – im więcej pyłów tym niższa temperatura. Wzrostowi temperatury towarzyszy natomiast wzrost zawartości dwutlenku węgla w atmosferze. Szczegółowa analiza wykazuje jednak, ze wzrost zawartości dwutlenku węgla był zawsze efektem wtórnym spowodowany wzrostem temperatury co prowadziło do wzrostu temperatury wody w oceanach i a tym samym uwolnienia większej ilości CO2 z oceanu, podobnie jak to jest gdy podgrzewamy wodę gazowaną, która w miarę wzrostu temperatury uwalnia do atmosfery rozpuszczony w niej dwutlenek węgla.
Epoka lodowcowa
Pod koniec ostatniej Epoki lodowcowej rozpoczyna się gwałtowny wzrost temperatury co powoduje gwałtowne topienie lodowca pokrywającego półkule północna w Ameryce od północnej części Stanów Zjednoczonych, Kanadę, Grenlandię i Arktykę a w Europie od północnej części Polski, Niemiec, Wielką Brytanię, Skandynawię i północną Rosję i część północnej Syberii. Szacuje się, że grubość tego lodowca wynosiła w południowym rejonie lodowca około kilometra i dochodziła nawet do czterech kilometrów w terenach podbiegunowych. Woda z topniejącego lodowca spowodowała przyrost poziomu mórz i oceanów o ponad 120 m. Natomiast w Morzu Czarnym, które wcześniej było jeziorem śródlądowym, spływająca woda z topniejącego syberyjskiego lodowca spowodowała przyrost aż o 200 m. W Morzu Czarnym na takiej głębokości są zatopione pozostałości osad rybackich. Trzeba również dodać, ze tempo przyrostu poziomu mórz i oceanów, w okresie najbardziej intensywnego topnienia lodowców, wynosiło 29 m/1000 lat, czyli 2,9 m/100 lat.
Dzisiejsza szybkość przyrostu tego poziomu wynosi zaledwie 0,18 m na sto lat. Intensywne topnienie lodowców trwało do około 6 tys. przed naszą Erą, co jednak nie znaczy, ze w tym okresie nie było zmian klimatycznych. Informacje o tych zmianach pochodzące z zapisów starożytnych kronikarzy nie są jednak precyzyjne. Natomiast analizy zawartości węgla radioaktywnego 14C w skamieniałościach dają bardziej obiektywną informacje o aktywności Słońca od której zależy ilość docierającego do Ziemi węgla radioaktywnego 14C.
Chociaż pierwsze próby budowy termometru były podejmowane już około 2 tys. lat temu, to dopiero precyzyjne pomiary temperatury zaczęto prowadzić na przełomie XVII i XVIII wieku. Pomimo braku precyzyjnych pomiarów temperatury wiemy, że około tysiąca lat temu, w okresie tzw. „Trubadurów”, w całej Europie był okres ciepły, co charakteryzowało się tym, że nawet na terenie Wielkiej Brytanii rosły rośliny i żyły zwierzęta, które teraz występują tylko w rejonie Morza Śródziemnomorskiego. W tym zresztą czasie Duńczycy odkryli Grenlandię, „Zielony Ląd”, a na Grenlandii hodowano krowy i założono nawet opactwo biskupie.
Po tym ciepłym okresie miały miejsce dwie tzw. Małe Epoki Lodowcowe, minimum Spörera w latach 1460-1550, minimum Maudera w latach 1645 do 1715 oraz oziębienie w początku XIX wieku zwane minimum Daltona. Dwa ostatnie minima/oziębienia są ściśle skorelowane z okresem braku plam na Słońcu, co sugeruje, że w okresie obniżonej aktywności Słońca, tj. braku plam, klimat na Ziemi ulega oziębieniu. W okresie braku plam energia cieplna ze Słońca spada zaledwie o 0,1proc., co nie stanowi znaczącej różnicy w ilości energii jaka dociera do Ziemi.
Co prawda w tym okresie znacząco spada ilość energii z zakresie ultrafioletu docierającej do nas, ale to nie może mieć dużego wpływu na bilans energetyczny Ziemi. Jednak podczas minimum aktywności słonecznej następuję zmiana polaryzacji pola magnetycznego Słońca, które dodatkowo podczas tej zmiany praktycznie zanika. Słonce, a ściślej mówiąc jego pole, którego praktycznie brak, nie chroni już wewnętrznej części Układu Słonecznego przed działaniem wysokoenergetycznych cząstek promieniowania kosmicznego. Promieniowanie to, według James A. Maruseka, inicjuje kondensację kryształków lodu zawartego w atmosferze i tworzenie większej ilości chmur. Ten proces powoduje zwiększanie albedo Ziemi, tzn. większa ilość promieniowania słonecznego jest odbijana od powierzchni chmur i mniej energii słonecznej dociera do Ziemi. Dodatkowo generowane są prądy zwiększające cyrkulację powietrza od terenów podbiegunowych do obszarów położonych w rejonie strefy umiarkowanej.
Te dwa procesy prowadzą do znacznego ochłodzenia klimatu w tym obszarze. James A. Marusek porównał aktywności Słońca z końca XVIII i początku XIX wieku (cykle słoneczne SC3-SC5 z lat 1775-1811 z obecnymi cyklami SC22-SC24 z lat 1987-2020). Korelacja trzech ostatnich cykli z cyklami CS3-CS5 wynosi 85,94 proc., co według James’a A. Marusek’a zapowiada ochłodzenie na ponad 20 lat lub więcej. Pod koniec cyklu SC5 zimy w Europie były wyjątkowo srogie (Minimum Daltona), czego doświadczyła armia Napoleona wracająca z wyprawy na Moskwę. Trzeba również dodać, że pomiędzy cyklami SC23-SC24 w latach 2009-2013 mieliśmy w Polsce aż cztery z rzędu zimy ze średnią ogólnokrajową temperaturą poniżej normy z wielolecia. Cykl ten przerwany został dopiero przez zimę 2013/14, która okazała się łagodna. Ponieważ ochłodzenie występuje z pewnym opóźnienie w stosunku do minimum aktywności (bezwładność systemu) ochłodzenia na półkuli północnej powinniśmy się spodziewać właśnie teraz.
Emisja dwutlenku węgla
Jak już wspomniałem wcześniej, głównym gazem cieplarnianym w atmosferze jest para wodna. Natomiast według realnych ocen dwutlenek węgla odpowiada, według różnych szacunków za 1-30 proc. efektu cieplarnianego. Trzeba tez dodać, że 95 proc. dwutlenku węgla zawartego w atmosferze pochodzi z emisji naturalnych (głównie z wydzielania z oceanów i z wybuchów wulkanów), natomiast wkład człowieka do tej emisji wynosi zaledwie 5 proc.. Udział antropogenicznej emisji CO2 na efekt cieplarniany to najwyżej około 1 proc., przy założeniu, że para wodna ma tylko 70 proc. udział w efekcie cieplarnianym. Natomiast przy większym udziale pary wodnej w efekcie cieplarnianym udział dwutlenku węgla emitowanym przez człowieka w tym efekcie będzie praktycznie pomijalny.
Trzeba również zaznaczyć, że w przeszłości najwięcej do atmosfery dwutlenku węgla wyemitowały Stany Zjednoczone, Niemcy, Chiny i Związek Radziecki, podczas gdy obecnie (dane z 2015 r.) najwięcej emitują Chiny, Stany Zjednoczone i Unia Europejska. Natomiast w Unii Europejskiej najwięcej emitują Niemcy, które odpowiadają za 23 proc. emisji CO2 w całej UE. Kolejne kraje to Wielka Brytania 12,5 proc., Włochy 10,6 proc., Francja 9,9 proc. Polska znajduje się na piątym miejscu. W 2015 r. wyemitowała 9,2 proc.. całego dwutlenku węgla, jaki dostał się do atmosfery z krajów UE.
Trzeba również przyjrzeć się wpływowi wzrostu zawartości CO2 w atmosferze na rozwój roślin na naszej planecie. Według analiz satelitarnych NASA, wykonanych w latach 1982-2015, na powierzchni Ziemi nastąpił znaczy przyrost obszarów zielonych. Wpływa to również korzystnie na wzrost zawartości tlenu w atmosferze, wytwarzanego w procesie fotosyntezy.
Ocieplenie klimatu a człowiek
W podsumowaniu należy stwierdzić, że dzięki efektowi cieplarnianemu na Ziemi mamy temperaturę o około 18℃ wyższą, niż gdyby tego efektu nie było. Udział antropogenicznej emisji CO2 na efekt cieplarniany jest mniejszy niż 1proc. i nie ma zauważalnego wpływu na obserwowane zmiany klimatu na Ziemi. Dominujący wpływ na zmianę klimatu mają czynniki naturalne, w których główną role odgrywa aktywność Słońca. Jak widać z przeprowadzonej analizy w okresie ostatnich 450 tys. lat klimat na naszej planecie ulegał ciągłym zmianą, czego najlepszym dowodem były następujące po sobie epoki lodowcowe i krótkotrwałe okresy międzylodowcowe.
Kraje wysoko rozwinięte propagują tezę, że aktywności człowieka ma zasadniczy wpływ na zmiany klimatyczne, aby wymusić kupowanie ich ekologicznych technologii przez kraje rozwijające się. Jednym z takich działań jest wprowadzanie limitu emisji dwutlenku węgla do atmosfery. Trzeba zaznaczyć, że nawet zupełne zaprzestanie emisji CO2 do atmosfery generowanego przez działalność człowieka nie wpłynie na zmiany KLIMATU na Ziemi! Pomimo tego, że największy wpływ na zmiany KLIMATU miała, ma i będzie mieć zmienna aktywność SŁOŃCA, to i tak powinniśmy dbać o ochronę naszego środowiska!
Prof. Piotr Wolański – Politechnika Warszawska oraz Komitet Badań Kosmicznych i Satelitarnych PAN