Rola chmur w zmianie klimatu
Od lat 70. XX wieku wiadomo, że chmury wpływają na klimat oraz odgrywają ważną rolę przy dokładnym modelowaniu i przewidywaniu jego zmian. „Nie można określić ilościowo, w jakim stopniu należy zmniejszyć emisje gazów cieplarnianych, aby ograniczyć globalne ocieplenie poniżej wartości docelowej, skoro nie wiadomo, jak wrażliwa jest temperatura Ziemi na dany wzrost stężenia tych gazów”, mówi Sandrine Bony, koordynatorka finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych projektu EUREC4A. Dzięki pierwszym na świecie eksperymentom przeprowadzonym w ramach projektu EUREC4A zbadano rolę konwekcji, agregacji konwekcyjnej oraz cyrkulacji w reakcji chmur na zmiany klimatu.
Złożoność informacji zwrotnych pochodzących z chmur
Projekt EUREC4A został zainspirowany dyskusjami naukowymi prowadzonymi w ramach koordynowanego przez uczoną od ponad dekady wyzwania dotyczącego chmur, cyrkulacji i wrażliwości na klimat, które jest częścią World Climate Research Programme Grand Challenge. Z danych z modeli klimatycznych wynika, że reakcja chmur na ocieplenie w znacznym stopniu wpływa na wrażliwość temperatury Ziemi na zmiany stężenia gazów cieplarnianych. Reakcje płytkich, małych cumulusów, takich jak te występujące w regionach tropikalnych pasatów, pozostały jednak niezbadane. Wyjaśnienie najsilniejszej reakcji zaproponowano w hipotezie dotyczącej mieszania i osuszania, która mówi, że wznoszenie się chmur wywołuje przemieszczanie się w dół suchego powietrza (mieszanie). To ma powodować wysychanie (osuszanie) dolnej warstwy chmur i zmniejszenie ogólnej pokrywy chmur, tym samym ograniczając odbicie światła słonecznego. „Pomimo tego, że proces ten ma zasadnicze znaczenie dla zrozumienia zmiany klimatu, trudności związane z bezpośrednią obserwacją przekładały się na to, że hipoteza nigdy nie została przetestowana in situ, a modelowanie obarczone było znaczną niepewnością”, wyjaśnia Bony, która pracowała dla francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych pełniącego rolę gospodarza projektu.
Obalenie hipotezy podczas pierwszych doświadczeń terenowych
Eksperymenty terenowe przeprowadzono na początku 2020 roku nad tropikalnym zachodnim Oceanem Atlantyckim, w pobliżu Barbadosu. Za pomocą czterech samolotów, czterech statków oraz wielu dronów powietrznych i wodnych obserwowano chmury, atmosferę i górne warstwy oceanu w skalach od mikroskopowej do synoptycznej. Po raz pierwszy zmierzono powierzchnię chmur u podstawy warstwy chmur za pomocą skierowanych poziomo lidaru i radaru umieszczonych na pokładzie statku powietrznego. Również po raz pierwszy zmierzono powolny pionowy ruch powietrza w mezoskali za pomocą ponad 800 dropsond, co umożliwiło oszacowanie konwekcyjnego strumienia masy oraz pionowego mieszania. Zespół odkrył, że „mieszanie” nie powoduje osuszania dolnej warstwy chmury, a zatem chmura nie zmniejsza swojego rozmiaru przy podstawie. Okazuje się, że ścisłe sprzężenie chmur i ruchów konwekcyjnych wraz z cyrkulacjami atmosferycznymi w mezoskali redukuje wpływ mieszania na wilgotność. „Chmury są bardziej dynamicznie napędzane przez cyrkulacje w małej skali niż termodynamicznie przez zmiany wilgotności. Prognozy z modeli klimatycznych, które przewidują najsilniejsze wzmocnienie globalnego ocieplenia przez płytkie cumulusy, zazwyczaj są odwrotne, co wskazuje na to, że założenia dotyczące reakcji chmur były błędne”, dodaje Bony.
Chmury tworzące skupiska
Płytkie chmury nad ciepłymi oceanami subtropikalnymi wykazują dużą różnorodność układów przestrzennych, które nie zostały opisane. W ramach projektu EUREC4A opracowano klasyfikację najważniejszych form, najpierw na podstawie analizy wizualnej zdjęć satelitarnych, a następnie przy użyciu promieniowania satelitarnego. Chmury głębokie mogą się także gromadzić i tworzyć skupiska. Zespół projektu EUREC4A udowodnił, że wpływają one na temperaturę i promieniowanie powierzchni morza, oddziałując na klimat w skali globalnej, a także na szerokość tropikalnych pasów deszczowych oraz ekstremalne opady. „Nasze odkrycia zapoczątkowały powstanie nowego obszaru badań nad procesami fizycznymi leżącymi u podstaw różnych wzorców, stanowiąc jednocześnie punkt odniesienia dla oceny modeli numerycznych”, podsumowuje Bony. Naukowcy chcą teraz dokładniej zbadać procesy fizyczne, które napędzają mechanizmy konwekcji (płytkiej i głębokiej) w mezoskali oraz jej potencjalne zmiany wynikające z globalnego ocieplenia. „Wiele badań dotyczących modelowania skupia się na tym zagadnieniu, ale brakuje danych z obserwacji – to jest teraz mój priorytet badawczy”, dodaje Bony.
Słowa kluczowe
EUREC4A, zmiana klimatu, chmury, promieniowanie, konwekcja, opady, Ziemia, wrażliwość, pasat, cumulus, gaz cieplarniany
