Еволюция на науката за климатичните промени

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. Назад във времето ни връща в специален анализ за climateka.bg Христо Панчев, доктор по информационни науки и семиотика на рекламата, магистър по публична комуникация на Софийския университет. Научните му интереси са в областта на социалния маркетинг, психологическите аспекти и ролята на човешкото поведение в антропогенната промяна 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- oще през 1827 г. френски математик открива, че атмосферата има свойството да задържа топлина

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.

Снимка: 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 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 изправяваме залежите 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- науката за климата продължава да напредва

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%.

Фиг. 1 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

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 CO2 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 промяна 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.