Ефектите от човешката дейност върху планетарния климат са горещата тема на десетилетието, но и обект на научен интерес, датиращ на повече от два века. Да си припомним най-ранните експерименти в атмосферната наука е възможност за по-достъпно и нагледно разбиране на сложните процеси зад промяната в климата.

Преди две десетилетия понятието „климатични промени“ звучеше екзотично. Малко хора бяха чували за него, а късмета лично да го видят имаха само шепа учени, които в работното си време катерят глетчери или пътуват до Антарктида. Оттогава, разбира се, понятието придоби широка разпознаваемост. Зазвуча модерно – като ново технологично явление, което бързо навлиза в ежедневието ни. У някои хора идеята за климатичните промени просто предизвика любопитство – като новооткрита луна на Юпитер или друг интересен факт, за който не е лошо да разберем, но и без него ще си живеем добре. 

Промяната в климата обаче съвсем не е нещо ново и модерно. Парниковият ефект всъщност е една от най-ясно установените теории в науката за атмосферата. Що се отнася до глобалното затопляне като следствие от човешката дейност – тази концепция вече над два века е обект на изследване, научни дебати и постоянни, надграждащи се нови и нови открития. И вероятно връщането към онези първи стъпки и експерименти може да допринесе за по-достъпно и по-разбираемо представяне на промяната в климата във време, в което научната истина все по-често се сблъсква със субективни усещания и скептицизъм. Затова, да прескочим два века назад:

ХIХ век

Още през 1827 година френският математик Жан-Батист Жозеф Фурие лансира идеята, че атмосферата има свойството да задържа топлина. Той установява, че топлината се запазва по-добре във въздуха, отколкото във вакуум. Фурие полага основи на концепцията за парниковия ефект и е първият, който допуска хипотезата, че човешката дейност може да повлияе на климата в бъдеще. Експериментални изследвания обаче са публикувани 30 години по-късно, а техен автор е Юнис Нютън Фут – първата жена в науките за климата и атмосферата. Тя изследва затоплящия ефект на слънчевото лъчение върху различни газове. Установява, че стъкленицата със сгъстен въздух се загрява по-бързо от тази с разреден, влажният въздух се загрява по-бързо от сухия, а стъкленицата с наситен с СО2 въздух се загрява по-бързо и изстива много по-бавно от тази с обикновен въздух.

Юнис Нютън Фут изследва слънчевото лъчение, но не то затопля атмосферата, а инфрачервеното излъчване от вече затоплената от Слънцето земна повърхност. Като стъпва на това, както и на далеч по-прецизни методи за измерване, през 1859 година ирландският физик Джон Тиндал доказва, че за разлика от доминиращите в атмосферата азот и кислород – водната пара, въглеродният диоксид и метанът задържат топлината. Той заключава, че промяна в количеството на Н2О или СО2 може да е предизвикало „всички мутации в климата, за които проучванията на геолозите говорят”, имайки предвид ледниковите епохи в миналото.

Експериментът на Джон Тиндал със спектрофотометър за измерване на абсорбирането на топлина от газове и водна пара.
Източник: Royal Society of Chemistry. Environmental Chemistry Group

През 1896 година Сванте Арениус – шведски физик, химик, както и носител на Нобеловата награда за химия от 1903 година, за първи път представя количествено отношението между концентрацията на СО2 в атмосферата и промяната в температурите на земната повърхност. За този ефект Арениус въвежда термина “hot house”, който не след дълго започва да се налага като greenhouse effect – или т.нар. парников ефект. В изчисленията си отбелязва и правопропорционалната зависимост между промяната в температурите и количеството водна пара, отделяно в атмосферата. Така ако атмосферата се затопли, в следствие от покачване концентрацията на СО2, неминуемо ще се увеличи и количеството на водната пара в атмосферата – също парников газ. Резултатът от повишение в нивата на тези, според него „най-важни парникови газове”, води до ускоряване на глобалното затопляне. Това е т.нар. feedback effect: когато един процес задейства дадени промени в друг процес. Именно feedback ефектите са едни от най-мощните и трудно предвидими фактори, определящи земния климат.

В своя труд „Светове в творението: Еволюцията на Вселената”, преведена на английски през 1908 година, Сванте Арениус изчислява, че при намаляване съдържанието на СО2 в атмосферата наполовина, глобалната температура ще падне с около 4 °C, а с всяко удвояване ще се повишава с 4 °C. Той обаче смята, че Световния океан ще абсорбира по-голямата част от СО2, отделян от индустриалното производство и само малка част от остатъчните парникови газове могат да окажат някакво доловимо въздействие върху климата, и то чак в хода на следващите няколко века. Арениус разбира, че евентуално затопляне ще задейства и друг feedback ефект – част от ледената покривка на планетата ще се стопи, а това ще намали албедото на Земята. Така повърхността ще поглъща още повече топлина и температурата ще се повиши още повече.

Предвид по-ниското емитиране на СО2 в онзи период, а и вероятно поради факта, че Сванте Арениус е живял в северна страна, той намира ползи в евентуално покачване на температурите. Според него по-високи температури ще окажат благоприятно въздействие върху земеделието с по-богати реколти и повече територии за обработване. Подобно на Джон Тиндал, и Арениус търси причините за ледниковите епохи в миналото. Той стига до заключението, че ако намаляването на СО2 е причина за падането на температурите в далечната история, то генерирането на повече СО2 от индустрията, би могло да бъде начин за предотвратяване на нови ледникови епохи.

Научният принос на Сванте Арениус е забележителен. Той първи изразява тезата, че ако изпаряваме залежите си от въглища във въздуха, ще последва глобално затопляне. Много от неговите изчисленията обаче са оспорени, откриват се и редица неточности. Оказва се, че греши за скоростта на абсорбиране на СО2 от океана и растителността. В действителност СО2 намалява много по-бавно. Не споменава и за свойството на облаците да поглъщат инфрачервено лъчение. Но все пак – да не забравяме, че говорим за науката от самото начало на миналия век.

ХХ век

Науките за климата продължават да напредват и през 1938 година британският инженер Гай Стюарт Календар публикува изследването си „Изкуственото производство на въглероден диоксид и неговото влияние върху температурата”, където изчислява, че температурите през предходните 50 години са се увеличили. Установява, че за изследвания период в атмосферата са били изхвърлени 150 000 милиона тона СО2, като близо ¾ от това количество е останало в атмосферата. Той първи доказва, че допълнителното повишаване на СО2 в атмосферата от Индустриалната революция насам може да доведе до засилване на парниковия ефект и глобална промяна в климата.

Много от изчисленията на Календар, направени през 1938 година, се потвърждават от най-съвременните изследвания, а това е изключителен факт, предвид липсата на компютри в онези времена. Освен за значително по-бавното поглъщане на СО2 от океана, изследванията на Календар се оказват доста точни и за градусите, с които ще се повиши температурата при удвояването му в атмосферата. Това според него са 2 °C. Съвременните изчисления прогнозират вариация между 1,5 и 4,5 °C повишение на средната глобална температура при удвояване на СО2.

Едно от важните събития по пътя към разбирането на промяната в климата се случва през 1958 година. Професорът по океанография Чарлз Дейвид Кийлинг стартира „дългосрочен проект за измерване на ефектите от изгаряне на въглища, петрол и природен газ върху разпространението на СО2 в атмосферата”, в обсерваторията Мауна Лоа на Хаваите. Първите точни данни за концентрациите на СО2 в атмосферата, с които днес разполагаме, са благодарение именно на този проект. След него измервания започват да се правят на много места по земното кълбо, а данните се припокриват с кривата на Кийлинг. В своето изследване от 1976 година, Кийлинг отбелязва, че за период от 12 години – от 1959 до 1971 г., концентрацията се е повишила с 3,4%.

Данни за температурата преди 1958 година, придобити чрез изследване на ледени ядра, и данните след 1958 (Кривата на Кийлинг), където се виждат сезонните флуктуации на СО2.
Източник: Scripps Institution of Oceanography

В края на 30-те години на ХХ век Календар предвижда затопляне на атмосферата, вследствие на отделяния СО2 в индустрията и бита. Изследванията му сочат, че това ще се случи още в следващите 20 години. Това обаче не се случва. Точно обратното –  температурите в следващите 40 години дори спадат леко. 

Докато научният интерес към въздействието на въглеродния диоксид се покачва заедно с неговата концентрация в атмосферата, науката се запознава и с друг неприятен факт – аерозолното замърсяване. Охлаждащият ефект на аерозолите (насищане на долните слоеве на атмосферата с фини частици) обяснява закъснялото глобално затопляне, предвидено от Календар през 1938 година. 

След 60-те години на ХХ век аерозолите и въглеродният диоксид вече са обект на по-сериозни изследвания. Изчислителната техника навлиза в науката, а нови данни и компютърните модели дават много по-добро предвиждане на ефектите върху глобалния климат от замърсяването на атмосферата. В началото се смята, че праховите частици от непълното изгаряне на въглища ще доведат до охлаждане на климата, тъй като този вид аерозолно замърсяване на места може да повиши албедото, а така по-малко слънчева светлина ще достига до земната повърхност.

През 70-те години обаче вече е напълно ясно, че „аерозолното“ охлаждане не може да компенсира затоплянето от натрупващите се въглероден диоксид, метан и други парникови газове. Освен това, през 80-те години усилията за ограничаване на аерозолното замърсяване постепенно дават резултат. В развитите икономики въглищата отстъпват на петрола и природния газ, които изгарят далеч по-чисто. Така охлаждащият ефект на аерозолите намалява. Енергийните нужди на човечеството обаче растат, а с тях и натрупването на допълнителни количества СО2 в атмосферата. Повишението на концентрациите на парникови газове, а с това и на средната глобална температура, не е спирало и до днес.

Днес

Всяко от последните четири десетилетия е по-топло от предходното и по-топло от всяко десетилетие от 1850 година насам, а трите години с най-висока глобална средна температура, откакто се правят такива измервания, са в последните пет години: 2016, 2019 и 2020 г. Междувременно, ако през ледниковите периоди съдържанието на СО2 в атмосферата е около 185 ppm (части на милион), а преди Индустриалната революция около 278 ppm, то през 1970 година концентрацията е приблизително 326 ppm, през 1980: 339 ppm, през 1990: 354 ppm, през 2000: 369 ppm, през 2010: 390 ppm. В края на 2020 година вече е 413 ppm.

От изобретяването на термометъра и барометъра през ХVI-ХVII век, науката за атмосферата не е спирала да търси отговори. Още през ХVIII век започва да се водят метеорологични архиви, покриващи все по-широк спектър от данни и територии. Станции, измерващи температура, налягане, влажност, слънцегреене, речно и морско ниво, както и безброй други показатели, бързо плъзват из целия свят, за да достигнат и до най-отдалечените кътчета на планетата. В България, например, такава станция е инсталирана през 1860 година, а редовни наблюдения у нас започват да се правят през 1887 година. През 1932 година е открита най-високата метеорологична станция на Балканите – тази на връх Мусала. 

През ХIХ проучвания на горните слоеве атмосферата започват да се правят с метеорологични балони, а през 60-те години на ХХ век в орбита е изстрелян първият сателит за метеорологични изследвания – TIROS 1. Днес милиарди сензори от планински върхове, океански дълбини, под ледени шапки, от космоса и дори от други планети, изпращат постоянно данни, които ни позволяват да разберем как се формира и как се променя климата на нашата планета. 

Върху темата „промяна в климата“, с други думи, не бива да се спекулира. Стряскаща или не, информацията за състоянието на глобалния климат стъпва върху прецизни измервания на повече от два века, а също и на   експерименти, изследвания и анализи. Отричането на промяната в климата и на нейния антропогенен произход, следователно, е отричане на науката изобщо. Отричането на науката обаче – точно като самата промяната в климата, е актуален и съвсем реален проблем. Не просто любопитен факт, а сложен феномен със сериозни последствия и много причини. Една от тези причини може да открием именно в напредъка на науката и технологиите. Днес те са далеч по-сложни от стъкленица с парников газ, поставена на слънце. В образованието и в комуникацията за климатичните промени връщането към онези първи експерименти може да се окаже добър начин за онагледяване на науката за климата и дори за приобщаване на климатичните скептици, които подобно на много от нас, се чувстват объркани от далеч по-сложните, високотехнологични и трудни за разбиране методи и инструменти на съвременната наука.

Автор: Христо Панчев / Климатека

В публикацията са използвани материали от:

  • Arrhenius, Svante. Worlds in the making: the evolution of the universe. Harper, 1908: 229
  • Callendar, Guy Stewart. The Artificial Production of Carbon Dioxide and Its Influence on Temperature. Quarterly Journal Royal Meteorological Society vol. 64, 1938: 223–240.
  • ESRL (Earth System Research Laboratory). National Oceanic and Atmospheric Administration, USA. Trends in Atmospheric Carbon Dioxide. Jan 2021.
  • Foote, Eunice (Elisha). On the Heat in the Sun’s Rays. The American Journal of Science and Arts. vol.XXII, November 1856. 
  • Fourier, Jean-Baptiste Joseph. Mémoire sur la température du globe terrestre et des espaces planétaires. Mémoires de l’Académie Royale des Sciences, 1827: 569–604.
  • Held, Isaac and Brian J. Soden. Water Vapor Feedback and Global Warming. Annual Review of Energy and the Environment, Nov.2000: 441-475.
  • IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change). Historical Overview of Climate Change Science, 2007: 127.
  • James, Frank A.J.L. John Tyndall’s discovery of the ‘greenhouse effect’. Royal Society of Chemistry, Environmental Chemistry Group Bulletin, January 2012.
  • Keeling, Charles D. and Robert Bacastow, Arnold Bainbridge, Carl Ekdahl Jr, Peter Guenther, Lee Waterman. Atmospheric carbon dioxide variations at Mauna Loa Observatory, Hawaii. Scripps Institution of Oceanography, University of California at San Diego, La Jolla, California, USA. January 1976: 538-551. 
  • Pilson, Michael. We Are Evaporating Our Coal Mines into the Air. Ambio, vol.35, no.3, May, 2006: 130-133.
  • Rodhe, Henning and Robert Charlson, Elisabeth Crawford. Svante Arrhenius and the Greenhouse Effect. Ambio, Vol.26, No.1, Arrhenius and the Greenhouse Gases, Feb.1997: 2-5
  • Tyndall, John. Heat considered as a Mode of Motion. Appleton and Company, New York, 1873: 500. 
  • Yamalidou, Maria. The Rhetorician of Molecularity. Part Two. Questions put to Nature. Notes and Records of the Royal Society of London, Vol. 53, No. 3, Sept. 1999: 319-331.
  • WMO (World Meteorological Organization). 2020 was one of the three warmest years on record, 15 Jan 2021.