ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΤΟΥ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ (ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΑΥΞΗΣΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ)

(An Introduction to Global Warming)

∆ηµοσιεύθηκε στο American Journal of Physics 67 (12), σελ. 1216-1226, τεύχος ∆εκεµβρίου 1999.

John R. Barker

Τµήµα Ατµοσφαιρικών, Ωκεάνειων και ∆ιαστηµικών Επιστηµών & Τµήµα Χηµείας, Πανεπιστήµιο του Michigan, Αnn Arbor, Μichigan 48109, USA

Marc Χ. Ross

Τµήµα Φυσικής, Πανεπιστήµιο του Michigan, Αnn Arbor, Μichigan 48109, USA (ελήφθη 9 Απριλίου 1999 και δηµοσιεύθηκε 28 Ιουνίου 1999)

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ και ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ στα Ελληνικά: Γ. Νεοφώτιστος & Κατερίνα Σουργιαδάκη

ΣΥΝΟΨΗ: Η φυσική του κλίµατος και των κλιµατικών αλλαγών του συνδέονται µε τις αυξανόµενες συγκεντρώσεις των αερίων του θερµοκηπίου στην ατµόσφαιρα παρουσιάζονται εν συντοµία. Παρουσιάζεται επίσης η «κατασκευή» ενός απλού µοντέλου του κλίµατος (“toy model” of the climate). Επισηµαίνονται δυνατότητες για την µείωση της εκποµπής του διοξειδίου του άνθρακα. Παρουσιάζονται διαστάσεις αβεβαιότητας που χαρακτηρίζουν τις προβλέψεις της κλιµατικής απόκρισης στις ανθρωπογενείς εκποµπές των αερίων του θερµοκηπίου. © 1999 Αµερικάνικη Ένωση των Καθηγητών Φυσικής (American Association of Physics Teachers). Ι. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η παγκόσµια αύξηση της θερµοκρασίας προκύπτει κυρίως από την έκλυση µεγάλων ποσοτήτων αερίων του θερµοκηπίου στην ατµόσφαιρα. Μόνο µερικές πτυχές της παγκόσµιας αύξησης της θερµοκρασίας γίνονται κατανοητές ποσοτικά σύµφωνα µε τις φυσικές αρχές, µιας και το σύστηµα του κλίµατος είναι ένα πολύ σύνθετο φαινόµενο. Θα παρουσιάσουµε τις φυσικές αρχές και θα συζητήσουµε εν συντοµία µερικά από τα περίπλοκα προβλήµατα. Θα συζητήσουµε επίσης τη δυνατότητα µείωσης των εκποµπών του διοξειδίου του άνθρακα. ∆ιάφορα επίσηµα κείµενα 1,2,3 και αναφορές 4( ),4( ),4( )a b c έχουν δηµοσιευθεί από τη ∆ιακυβερνητική Επιτροπή για την Κλιµατική Αλλαγή (Intergovernmental Panel for Climate Change - IPCC) παρουσιάζοντας µε άριστο τρόπο διαστάσεις της παγκόσµιας αύξησης της θερµοκρασίας όπως αποτιµώνται από την σύγχρονη επιστήµη.5 Το διοξείδιο του άνθρακα, το µεθάνιο, και τα οξείδια του αζώτου αποτελούν φυσικά απαντώµενα αέρια του θερµοκηπίου, όµως οι συγκεντρώσεις τους αυξάνονται µε γρήγορους ρυθµούς λόγω των ανθρωπίνων δραστηριοτήτων4. Τα κύρια ανθρωπογενή αέρια του θερµοκηπίου παρουσιάζονται στον Πίνακα Ι.

Υπάρχουν όµως και πιο σηµαντικά αέρια του φαινοµένου του θερµοκηπίου που δεν παρουσιάζονται στον Πίνακα I, όπως το όζον και οι υδρατµοί. Οι υδρατµοί αποτελούν το σηµαντικότερο αέριο του θερµοκηπίου λόγω της υψηλής συγκέντρωσής τους. Η συγκέντρωσή τους όµως εξαρτάται από τη θερµοκρασία και όχι άµεσα από τις ανθρώπινες δραστηριότητες. Η συγκέντρωση του όζοντος είναι δύσκολο να υπολογιστεί και για αυτό το λόγο παραλείπεται από τον πίνακα I. Πίνακας Ι. Τα κύρια (ανθρωπογενή) αέρια του θερµοκηπίου (οι χλωροφθοράνθρακες συµβολίζονται µε CFC). Αέριο του

Θερµοκηπίου ∆ιοξείδιο του

άνθρακα

Μεθάνιο Οξείδιo του

αζώτου

CFC-11 CFC-12

Χηµικός τύπος CO2 CH4 N2O CFCl3 CF2Cl2 Μονάδα συγκέντρωσης στην ατµόσφαιρα

ppmv ppbv ppbv pptv pptv

Προ-βιοµηχανική συγκέντρωση

278 700 275 0 0

Παρούσα συγκέντρωση (1992)

356 1714 311 268 503

% µεταβολή, ανά έτος

0.45 1.1 0.47 … …

ppm: parts per million (µέρη ανά εκατοµµύριο, µέρη στο εκατοµµύριο) ppmv: parts per million by volume, ppbv: parts per billion by volume, pptv: parts per trillion by volume. (∆είτε και βιβλιογραφική αναφορά 4(c)). Η συγκέντρωση του CO2 στην ατµόσφαιρα έχει αυξηθεί 26% από την εποχή της βιοµηχανικής επανάστασης – η αύξηση αυτή οφείλεται κυρίως στην καύση ορυκτών καυσίµων και στην αποψίλωση (καταστροφή) των δασών.6 Η ετήσια αύξηση του CO2 µπορεί να υπολογιστεί µε τον ακόλουθο τρόπο. Η µάζα του αέρα επάνω από κάθε τετραγωνικό µέτρο γής είναι P/g, όπου g είναι η επιτάχυνση της βαρύτητας και P είναι η ατµοσφαιρική πίεση στο επίπεδο της στάθµης της θάλασσας (P = 101 kPa). Εποµένως, η µάζα της ατµόσφαιρας είναι, σύµφωνα µε την προσέγγιση αυτή, 2 184 / .2M r P g kgπ= = 5 5×10 , (1) όπου r είναι η ακτίνα της γης είναι (r = 6.37x106 m). Το µέσο µοριακό βάρος του αέρα είναι ~29 g mole-1, έτσι η ατµόσφαιρα περιέχει ~1.8x1020 moles αέρα. Η µάζα του άνθρακα από την καύση ορυκτών καυσίµων που εκπέµπεται συνολικά κάθε χρόνο είναι 6.0x1012 kg 7, ή 5x1014 moles. Κατά συνέπεια η αναλογία του CO2 στην ατµόσφαιρα αυξάνεται ετησίως κατά 5x1014/1.8x1020= 2.8 ppmv (parts per million volume), δηλαδή κατά 2.8 moles CO2 ανά εκατοµµύριο moles αέρα. Από αυτό το ποσοστό αύξησης παρατηρείται στην ατµόσφαιρα µόνο το, περίπου, 55%, κυρίως λόγω του ότι το CO2 απορροφάται στους ωκεανούς και στη βιόσφαιρα (τα ποσοστά απορρόφησης είναι δύσκολο να υπολογιστούν ακριβώς και αποτελούν αντικείµενα της τρέχουσας έρευνας).

Η αύξηση του υποξειδίου του αζώτου, Ν2Ο, οφείλεται κυρίως σε αγροτικές πρακτικές. Η συγκέντρωση µεθανίου έχει διπλασιαστεί και οφείλεται κυρίως στην καλλιέργεια ρυζιού, στην κτηνοτροφία, σε διαρροές φυσικού αερίου σε πετρελαιοφόρες περιοχές, και σε διαρροές από σωληνώσεις µεταφοράς φυσικού αερίου. Οι χλωροφθοράνθρακες (CFC) παράγονται αποκλειστικά από ανθρωπογενείς δραστηριότητες - αναπτύχθηκαν από τους ερευνητές της αυτοκινητοβιοµηχανίας General Motors στη δεκαετία του '30 που αναζητούσαν άφλεκτες, µη τοξικές ουσίες για να αντικαταστήσουν τις µέχρι τότε χρησιµοποιούµενες ψυκτικές ουσίες του διοξείδιου του θείου και της αµµωνίας. Οι συγκεντρώσεις των φυσικών αερίων του θερµοκηπίου µεταβάλλονται στην πορεία του χρόνου. Μετρήσεις που καλύπτουν χρονικό διάστηµα 160.000 ετών για την ατµοσφαιρική συγκέντρωση CO2 στην Ανταρκτική παρουσιάζεται στο ∆ιάγραµµα 1. Αυτές οι συγκεντρώσεις µετρήθηκαν αναλύοντας µικρά δείγµατα αέρα στο εσωτερικό του πάγου. Οι συναφείς θερµοκρασίες που απεικονίζονται στο ∆ιάγραµµα 1 υπολογίζονται από αναλογίες ισοτόπων, όπως η αναλογία 18O/16O που βρίσκεται στο H2O. Όταν οι ωκεανοί είναι θερµότεροι, τόσο περισσότερο βαρύτερα ισότοπα εξατµίζονται και όντας πλέον στην ατµόσφαιρα µπορούν να καταπέσουν ως χιόνι και να καταµετρηθούν από τους ερευνητές, στους πάγους των αρκτικών περιοχών. ∆ύο σηµαντικές παρατηρήσεις σχετικά µε το ∆ιάγραµµα 1 είναι πως α) η θερµοκρασία συσχετίζεται θετικά µε τη συγκέντρωση του CO2 , και β) η συγκέντρωση του CO2 βρίσκεται σήµερα στο ψηλότερο επίπεδο των τελευταίων 160.000 χρόνων. Όµως, από το ∆ιάγραµµα 1 δεν είναι σαφές εάν η αύξηση του CO2 είναι αυτή που προκαλεί την αύξηση της θερµοκρασίας, ή το αντίστροφο. Παρόλα αυτά, µπορείτε να φανταστείτε εύλογα σενάρια, όπως, παραδείγµατος χάριν, ηφαιστειακή δραστηριότητα που µπορεί να προκαλέσει αύξηση της συγκέντρωσης του CO2, η οποία µπορεί να προκαλέσει αύξηση της θερµοκρασίας. Άλλες αιτίες της αλλαγής κλίµατος (όπως οι αποκλίσεις της τροχιάς της Γης) είναι πολύ πιο αργές (δηλαδή λαµβάνουν χώρα σε πολύ µεγαλύτερες χρονικές κλιµακες) για να δικαιολογήσουν την αύξηση της θερµοκρασίας που παρατηρείται κατά τη διάρκεια των τελευταίων 100 χρόνων.

∆ιάγραµµα 1. Συγκεντρώσεις διοξείδιου του άνθρακα στην ατµόσφαιρα και θερµοκρασίες για τα τελευταία 160.000 έτη. Στα στρώµατα πάγου των αρκτικών περιοχών η ισοτοπική σύνθεση του πάγου προσδιορίζει τη θερµοκρασία, ενώ οι φυσαλίδες αέρα που έχει παγιδευτεί στον πάγο παρέχουν δείγµατα της σύνθεσης του αέρα (συµπεριλαµβανοµένης της συγκέντρωσης CO2) καλύπτοντας χρονικές περιόδους εκατοντάδων χιλιάδων χρόνων. Η παγκόσµια µεταβολή της θερµοκρασίας είναι βασισµένη σε ιστορικά µετεωρολογικά αρχεία (βιβλιογραφική αναφορά [8]). ΙΙ. ΤΟ ΦΩΣ ΤΟΥ ΗΛΙΟΥ ΚΑΙ Η ΓΗΙΝΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ (EARTHLIGHT) Η ηλιακή ενέργεια (ακτινοβολία) που απορροφάται από τη Γη εξισορροπείται από την ενέργεια που εκπέµπεται απο τη Γη. Αν δεν υπάρχει αυτή η εξισορρόπηση, τότε η θερµοκρασία της Γης θα άλλαζε συνεχεια, πολύ και γρήγορα. Παραδείγµατος χάριν, περίσσεια απορροφούµενης ενέργειας ποσοστού 1% (περισσότερο δηλαδή από την εκπεµπόµενη από τη Γη ενέργεια) για ένα έτος θα ήταν ισοδύναµη µε αύξηση της θερµοκρασίας της ατµόσφαιρας κατά περίπου 7 οC.9 Η ενεργειακή αυτή ισορροπία επιτυγχάνεται από την εκποµπή «του φωτός της Γης», δηλαδή υπέρυθρου φως που εκπέµπεται από τη Γη στο διάστηµα. Τόσο η ηλιακή ακτινοβολία όσο η ακτινοβολία που εκπέµπεται από τη Γη µπορεί να προσεγγιστεί ως ακτινοβολία µέλανος σώµατος (blackbody radiation) που απορροφά όλες τις ακτινοβολίες, το φάσµα της οποίας (σχήµα 2) καθορίζεται από το νόµο ακτινοβολίας του Planck:

2

5

2 hc 1 exp( / ) 1B

dFd hc k

πλ λ λ=

Τ − , (2)

όπου F είναι η ροή (ισχύς ανά µονάδα επιφανείας) της εκπεµπόµενης ακτινοβολίας από την επιφάνεια του µέλανος σώµατος, λ είναι το µήκος κύµατος, Τ είναι η απόλυτη θερµοκρασία (µε τα λοιπά σύµβολα να έχουν τις συνηθισµένες έννοιές και τιµές τους).

Η εξίσωση Stefan-Boltzmann προκύπτει από την ολοκλήρωση της εξίσωσης (2) ως προς τα µήκη κύµατος: 4F σ= Τ , (3) όπου το σ είναι η σταθερά Stefan-Boltzmann (5.67x108 W m-2 k-4) . Η ηλιακή ροή Β που προσπίπτει στη Γη, εξαρτάται από την θερµοκρασία της επιφάνειας του ήλιου (T0 ~5800 Κ), την ακτίνα του ήλιου, και την ακτίνα της γήινης τροχιάς. Η προσπίπτουσα ηλιακή ροή που απορροφάται από τη Γη είναι: 2 17(1 ) 1.2 10a r B Wπ− = × , (4) όπου η αριθµητική τιµή του albedo που είναι α=0.3, αποτελεί το ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που ανακλάται από την Γη και διαφεύγει στο διάστηµα. Για σύγκριση αναφέρουµε πως η παγκόσµια ενεργειακή χρήση από τους ανθρώπους είναι περίπου 1.4x1013 W, αποτελεί δηλαδή το 1/10.000 της εισερχόµενης ηλιακής ακτινοβολίας. Η ενεργειακή κατανάλωση (ανά µονάδα επιφανείας) στις ΗΠΑ αποτελεί το 2% περίπου της εισερχόµενης ηλιακής ακτινοβολίας. Η ροή που απορροφάται υπολογίζεται ως ο µέσος όρος κατά τη διάρκεια του έτους και της επιφάνειας της γης: (1 ) / 4S a B= − , (5) Η συνολική ροή ενέργειας (=εισροή – εκροή) είναι: N S F= − , (6) όπου το F είναι η µέση (εκ)ροή της γήινης ακτινοβολίας (earthlight). Σε συνθήκες ισορροπίας, N=0 και η µέση (εκ)ροή του φωτός της Γης (πέρα από την ατµόσφαιρα) είναι: ( ) 2 F 1 a B / 4 235 Wm .−= − =

Σχήµα 2. Το φάσµα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας στη Γη και η απορρόφησή της από την ατµόσφαιρα, προσεγγίζεται ως εκποµπή ακτινοβολίας µέλανος-σώµατος (διακεκοµµένη γραµµή), µε τις απορροφήσεις που προκαλούν τα πλέον σηµαντικά αέρια του θερµοκηπίου να παρουσιάζονται µε συµπαγή γραµµή. (∆εδοµένα στην βιβλιογραφική αναφορά [10]). ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Η λευκότητα ή ανακλαστική ικανότητα (albedo) είναι το µέτρο της ανάκλασης φωτός µιας επιφάνειας ή ενός σώµατος. Είναι ο λόγος της ανακλώµενης προς την προσπίπτουσα ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία στην επιφάνεια. Το κλάσµα αυτό, που συνήθως εκφράζεται ως ποσοστό από 0% έως 100%. ΙΙΙ. ΤΟ ΚΛΙΜΑ ΚΑΙ ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ Η βασική λειτουργία του φαινοµένου του θερµοκηπίου είναι διπλή: το γυαλί είναι διαφανές στο ορατό φως ενώ είναι «µαύρο» στις υπέρυθρες ακτίνες. Κατά συνέπεια επιτρέπει την είσοδο στο φως του ήλιου, το οποίο είναι απαραίτητο στα φυτά. Η θερµότητα που θα διαφύγει είναι κατά ένα µεγάλο µέρος υπό µορφή υπέρυθρου φωτός. Το γυαλί απορροφά το υπέρυθρο φως, θερµαίνεται από αυτό, και εκπέµπει τις υπέρυθρες ακτίνες. Μόνο περίπου η µισή από την εκποµπή ενέργειας κατευθύνεται εκτός της κατασκευής. Κατά συνέπεια η καθαρή επίδραση του γυαλιού είναι να αντισταθεί στην απώλεια της υπέρυθρης ακτινοβολίας από το εσωτερικό. Στο εσωτερικό αυξάνεται η θερµοκρασία, έτσι το ποσοστό εκποµπής αυξάνεται έως ότου η απώλεια θερµότητας γίνει ίση µε το κέρδος της θερµότητας από την απορρόφηση του φωτός. Το γυαλί αποτρέπει επίσης την εκ µεταφοράς απώλεια θερµότητας, η οποία διαφορετικά θα ήταν ένας σηµαντικός µηχανισµός για τη µεταφορά θερµότητας. Τα χαρακτηριστικά της Γης και της ατµόσφαιρας είναι παρόµοια µε αυτά ενός θερµοκηπίου. Οι εκ µεταφοράς και αγώγιµες απώλειες θερµότητας αποτρέπονται από το κενό που περιβάλλει τη Γη, έτσι η ακτινοβολία (ακτινοβολούµενη ενέργεια) αποτελεί τον µοναδικό τρόπο του ενεργειακού κέρδους ή της απώλειας. Η συνολική εκποµπή του υπέρυθρου φωτός εξαρτάται από τη θερµοκρασία, και από τη διαφάνεια της ατµόσφαιρας στις υπέρυθρες ακτίνες. Τα αέρια του θερµοκηπίου µειώνουν τη διαφάνεια, που αναγκάζει την επιφάνεια της Γης να

γίνει θερµότερη έως ότου η ενέργεια που εκπέµπεται από το κλιµατικό σύστηµα να γίνει ίση µε την ηλιακή ενέργεια που απορροφάται. Το ηλιακό φάσµα που φθάνει στην επιφάνεια της Γης είναι παρόµοιο µε το φάσµα µέλανος σώµατος στη θερµοκρασία της επιφάνειας του ήλιου (µείον της απορρόφησης που λαµβάνει χώρα στην ατµόσφαιρα του ήλιου [δείτε ∆ιάγραµµα 2]). Στην ατµόσφαιρα της Γης, η πιο γνωστή απορρόφηση είναι αυτή που γίνεται στο υπεριώδες τµήµα του φάσµατος από το στρατοσφαιρικό όζον. Στο ορατό φως, η ατµόσφαιρα είναι αρκετά διαφανής µια αίθρια ηµέρα. Το φάσµα της γήινης ακτινοβολίας που ακτινοβολείται από την επιφάνεια της γης απεικονίζεται επίσης στο ∆ιάγραµµα 2. Αυτό το φάσµα προσεγγίζεται από την ακτινοβολία ενός µέλανος σώµατος σε θερµοκρασία 288 οΚ (15 οC) -δεν υπάρχει ουσιαστικά επικάλυψη µε το ηλιακό φάσµα. Η απορρόφηση από την γήινη ατµόσφαιρα είναι ισχυρή. Οι βασικές ζώνες απορρόφησης προκύπτουν από τη διέγερση των ταλαντώσεων του H2O, του CO2, και O3 ([9], σελ. 107). Η απορρόφηση από τα κατώτερα στρώµατα έως τα ανώτερα στρώµατα της ατµόσφαιρας είναι σχεδόν πλήρης για µήκη κύµατος µεγαλύτερα από 14 microns. Όµως υπάρχει ένα «παράθυρο (window)» διαφάνειας (µη-απορρόφησης) για το µεγαλύτερο µέρος µηκών κύµατος από 8 έως 13 microns. Αυτή η περιοχή θα γίνει ελαφρώς λιγότερο διαφανής δεδοµένου ότι η συγκέντρωση του CO2 είναι αυξανόµενη (δείτε ∆ιάγραµµα 3) και το γεγονός αυτό αποτελεί την κύρια επίδραση των ανθρωπογενών εκποµπών CO2 στο φαινόµενο του θερµοκηπίου. Άλλα αέρια του θερµοκηπίου, ειδικά οι χλωροφθοράνθρακες, είναι ισχυροί ρύποι που ενισχύουν το φαινόµενο του θερµοκηπίου επειδή απορροφούν ακτινοβολία στο ατµοσφαρικό «παράθυρο» και έχουν µακροχρόνια διάρκεια παραµονής στην ατµόσφαιρα, όµως οι συγκεντρώσεις τους είναι πολύ µικρότερες από αυτές του CO2.

∆ιάγραµµα 3. Φασµατική ροή της ακτινοβολίας που εκπέµπεται από τη Γη. Η περιοχή 8 έως 13 microns αποτελεί το ατµοσφαιρικό «παράθυρο», από το οποίο το µεγαλύτερο µέρος της ενεργειακής ροής διαφεύγει. (∆εδοµένα από την βιβλιογραφική αναφορά [10]).

Α. Ένα απλό µοντέλο ενεργειακών ροών Ένα απλό µοντέλο ενεργειακών ροών παρουσιάζεται στο ∆ιάγραµµα 4. Οι ενεργειακές ροές της ακτινοβολίας υπολογίζονται κατά µέσο όρο ετησίως και στο σύνολο της επιφάνειας της Γης. Η προσπίπτουσα ακτινοβολία (από τον ήλιο στην γήινη ατµόσφαιρα) είναι: Q=πr2B/(4πr2)=B/4=342Wm-2 , (7) Περίπου 107 W/m2 ανακλώνται από τα σύννεφα, το νερό, το χιόνι και τον πάγο στην επιφάνεια της Γης, (ανάκλαση που αντιστοιχεί σε αριθµητική τιµή albedo περίπου 0.3). Η ολική («καθαρή») ροή που απορροφάται είναι ~235 W/m2. Το µεγαλύτερο µέρος του υπέρυθρου φωτός της Γης παράγεται στα χαµηλότερα στρώµατα της ατµόσφαιρας - ένα πολύ µικρό µέρος της ακτινοβολίας που εκπέµπεται από την επιφάνεια της Γης διαφεύγει άµεσα στο διάστηµα. Η µέση θερµοκρασία της επιφάνειας της Γης είναι Ts=288 Κ. Εάν η επιφάνεια της Γης θεωρηθεί ως µέλαν σώµα, η ενεργειακή ροή που εκπέµπει είναι: 4 2390s sF Wmσ −= Τ = . (8)

Εάν –υποθετικά- θεωρήσουµε πως δεν υπάρχει καµία απορρόφηση στην ατµόσφαιρα, η ισορροπία ανάµεσα στις εισερχόµενες και εξερχόµενες ροές θα επιτευχθεί µε Fs=235 Wm2 σε µια µέση θερµοκρασία της επιφάνειας της Γης ~254 Κ. Η ~34 Κ διαφορά µεταξύ της πραγµατικής θερµοκρασίας των 288Κ και της υποθετικής των 254Κ είναι αυτή που συνεισφέρουν τα αέρια του θερµοκηπίου (δηλαδή το φαινόµενο του θερµοκηπίου) σήµερα. Είναι το άµεσο αποτέλεσµα της ατµοσφαιρικής απορρόφησης. Πόσο µεγαλύτερη θα γίνει η θερµοκρασία της επιφάνειας της Γης ως ποσοστό της αυξανόµενης ατµοσφαιρικής απορρόφησης και της αυξανόµενης συγκέντρωσης αερίων του θερµοκηπίου; Η ανάλυση παρουσιάζεται παρακάτω.

∆ιάγραµµα 4. Το ενεργειακό ισοζύγιο της Γης (βασισµένο στην βιβλιογραφική αναφορά [11])

Β. Μεταβολή ροής ακτινοβολίας (Radiative forcing) και δυναµικά παγκόσµιας θέρµανσης (global warming potentials, συντελεστές κλιµατικής επιβάρυνσης) Ο όρος radiative forcing ορίζεται ως η ολική («καθαρή») µεταβολή στη ροή της ενέργειας ακτινοβολίας λόγω αλλαγών όπως, π.χ., η ατµοσφαιρική σύνθεση όταν οι άλλες ιδιότητες του συστήµατος, όπως π.χ. οι κατανοµές θερµοκρασίας, είναι σταθερές. Είναι η ολική ροή της ακτινοβολίας προς την επιφάνεια της Γης, που υπολογίζεται κατά µέσο όρο κατά τη διάρκεια ενός έτους και πέρα από την επιφάνεια της γης στο επίπεδο της τροπόπαυσης (tropopause, το επίπεδο που βρίσκεται στα περίπου 12 χλµ. ύψους µεταξύ της χαµηλότερης ατµόσφαιρας και της στρατόσφαιρας). Η τροπόπαυση αποτελεί ένα κατάλληλο επίπεδο, επειδή η χαµηλότερη ατµόσφαιρα είναι στενά συσχετισµένη µε την επιφάνεια της Γης. Έστω πως αi είναι η µεταβολή ροής ακτινοβολίας (radiative forcing) λόγω της αύξησης κατά µια µονάδα της µάζας του αερίου i στην ατµόσφαιρα. Το αi εξαρτάται από το µέγεθος και τα µήκη κύµατος των υπέρυθρων απορροφήσεών του αερίου i. Η επίδραση ενός αερίου κατά τη διάρκεια ενός χρονικού διαστήµατος (χρονικός ορίζοντας) Η αποτελεί το δυναµικό παγκόσµιας θέρµανσης (global warming potential, GWP, συντελεστής κλιµατικής επιβάρυνσης) του αερίου αυτού.4© Το GWP ενός αερίου ορίζεται ως το ολοκλήρωµα ως προς τον χρόνο t της µεταβολή ροής ακτινοβολίας (radiative forcing) λόγω της αύξησης (στην ατµόσφαιρα) της µάζας κατά 1kg του αερίου i συγκριτικά µε 1kg CO2:

0

0 00

( )( , )

( )

H

i i

H

a C t dtGWP i H

a C t dt=∫

∫ , (9)

όπου τα Ci (t) και C0 (t) είναι οι συγκεντρώσεις του αερίου i και του CO2, αντίστοιχα, οι οποίες αλλάζουν την σύνθεση της ατµόσφαιρας µε τα αέρια που είναι ήδη παρόντα. Εάν οι συγκεντρώσεις του αερίου αποσβένονται (ελαττώνονται) εκθετικά µε χρόνους παραµονής στην ατµόσφαιρα (lifetimes) τi

και τ0, αντίστοιχα, τότε:

[ ][ ]0 0

1 exp( / )( , )

1 exp( / )ia H

GWP i Ha H

ιττ

− −=

− − , (10)

Οι χρόνοι ζωής και τα δυναµικά παγκόσµιας θέρµανσης για τα κύρια αέρια του θερµοκηπίου παρουσιάζονται στον Πίνακα ΙΙ. Υπάρχουν δύο περιπλοκές που δεν συζητήσαµε: Η µείωση του CO2 στην ατµόσφαιρα δεν συµβολίζεται από µία απλή εκθετική συνάρτηση και η επιρροή του µεθανίου είναι κατά ένα µεγάλο µέρος έµµεση, µέσω της επίδρασής του στη συγκέντρωση του όζοντος.

Πίνακας ΙΙ. Χρόνοι παραµονής και δυναµικά παγκόσµιας θέρµανσης. Πηγές: Βιβλιογραφικές αναφορές 4(b) (πίνακας 5.2) και 12 (πίνακας 7-2). Αέριο Χρόνος παραµονής ( 20 )GWP H έτη= ( 100 )GWP H έτη= (σε χρόνια) CO2 50-200 1 1 CFC-11 50 5000 4000 CFC-12 102 7900 8500 Μεθάνιο 14.5 62±20 24.5±7.5 Γ. Ατµοσφαιρικά αιωρήµατα (aerosols) και ανακλαστική ικανότητα (albedo) H µεταβολή ροής ακτινοβολίας (radiative forcing) λόγω των αερίων του θερµοκηπίου είναι αρκετά καλά κατανοητή. Όµως, µια άλλη πηγή µεταβολής (forcing) αποτελούν τα ανθρωπογενή ατµοσφαιρικά αιωρήµατα (aerosols). Τα αιωρήµατα αυτά είναι σωµατίδια σκόνης που αιωρούνται στην ατµόσφαιρα, ή µικροσκοπικά σταγονίδια που περιέχουν, π.χ., θειϊκό οξύ. Όταν ορυκτά καύσιµα µε υψηλή περιεκτικότητα σε θείο καίγονται, το προκύπτον αέριο του διοξειδίου του θείου (SO2) οξειδώνεται στην ατµόσφαιρα και παράγει θειϊκό οξύ και θειϊκά άλατα (sulfates). Αυτές οι ουσίες σχηµατίζουν τους πυρήνες συµπύκνωσης ώστε να µπορέσουν να σχηµατιστούν τα αερολύµατα και τα σταγονίδια νερού στα σύννεφα. Κατά συνέπεια, το SO2 έχει επιπτώσεις στο βαθµό της οµιχλώδους ατµόσφαιρας (haziness) και της νέφωσης. Τα σύννεφα και η ελαφρά οµίχλη αντανακλούν το φως του ήλιου (δηµιουργώντας αυξηµένο albedo) και βοηθούν να απορροφηθεί η υπέρυθρη ακτινοβολία. Στο ∆ιάγραµµα 5 παρουσιάζεται γεωγραφικά η εκτιµώµενη άµεση επίδραση των αιωρηµάτων (λόγω του αυξηµένου albedo). Τα έµµεσα αποτελέσµατα όπως αυτά της δηµιουργίας νεφών από πυρήνες συµπύκνωσης τα αιωρήµατα καθεαυτά, είναι δυσκολότερο να υπολογιστούν και παραµένουν µια από τις πιο αβέβαιες πτυχές της κλιµατικής αλλαγής.

∆ιάγραµµα 5. Εκτιµώµενη µεταβολή ροής ακτινοβολίας (radiative forcing) λόγω των θειούχων αιωρηµάτων που παράγονται από την καύση του θείου που υπάρχει στα ορυκτά καύσιµα και στη βιοµάζα. [πηγή: ∆ιάγραµµα 4.3 στην βιβλιογραφική αναφορά 4(b)]. ∆. Το κλιµατικό σύστηµα Το κλίµα χαρακτηρίζεται από τις στατιστικές ιδιότητες του καιρού για µια χρονική περίοδο, συµπεριλαµβανοµένων των µέσων όρων των τοπικών µεταβλητών όπως η θερµοκρασία, οι άνεµοι, η υγρασία, η πίεση, και η βροχόπτωση. Ένα πρόβληµα στην προσπάθεια να τεκµηρειωθεί τυχόν σηµαντική αλλαγή κλίµατος είναι πως χρειάζεται αρκετός χρόνος που πρέπει να παρέλθει για να αποκτηθούν τα απαραίτητα δεδοµένα. Το κλιµατικό σύστηµα «καθοδηγείται» (driven) από την εισερχόµενη ηλιακή ακτινοβολία και από την εξερχόµενη γήινη ακτινοβολία. Τα ωκεάνεια ρεύµατα, η γενικώτερη ατµοσφαιρική κυκλοφορία και οι θύελλες τροφοδοτούνται από την ηλιακή ακτινοβολία και τις γεωγραφικά εξαρτώµενες µη-ισορροπίες (imbalances) µεταξύ της εισερχόµενης και της εξερχόµενης ενεργειακής ροής. Η θέρµανση είναι ισχυρότερη στους τροπικούς κύκλους και η ψύξη είναι κυρίαρχη πλησίον των πόλων. Η ατµοσφαιρική και ωκεάνεια κυκλοφορία µεταφέρουν θερµότητα από τον ισηµερινό προς τους πόλους. Στο ∆ιάγραµµα 6 παρουσιάζονται οι γεωγραφικές ενεργειακές µη-ισορροπίες. Το πάνω µέρος παρουσιάζει την υψηλότερη ανακλαστικότητα κοντά στους πόλους. Υπάρχει µια καθαρή εισροή ενέργειας µεταξύ των γεωγραφικών πλατών 30 °N και 30 °S και µια καθαρή εκροή στα υψηλότερα γεωγραφικά πλάτη. Το κλιµατικό σύστηµα διαιρείται σε πέντε µέρη: ατµόσφαιρα, ωκεανοί, κρυόσφαιρα, βιόσφαιρα, και γεώσφαιρα - κάθε ένα από τα µέρη αυτά θα συζητηθεί παρακάτω. Η ατµόσφαιρα. Η επιφάνεια της γης απορροφά το µεγαλύτερο µέρος της εισερχόµενης ηλιακής ακτινοβολίας. Η άµεση θέρµανση της επιφάνειας της γης και εξάτµιση του νερού προκαλεί τη µεταφορά θερµότητας µεταξύ της επιφάνειας και της ατµόσφαιρας υπό µορφή υπέρυθρης ακτινοβολίας αλλά και ως «αισθητή» (sensible) θερµότητα (ενέργεια που σχετίζεται µε µεταβολή θερµοκρασίας όταν δεν υπάρχει αλλαγή φάσης) και λανθάνουσα θερµότητα

(ενέργεια που σχετίζεται µε αλλαγή φάσης, σε σταθερή θερµοκρασία). Η ατµόσφαιρα µεταφέρει θερµότητα µέσω των καιρικών συστηµάτων, σε χρονικό διάστηµα ηµερών. Σηµαντικά ατµοσφαιρικά φαινόµενα αποτελούν και η συµπύκνωση, η σκέδαση του φωτός από τα αερολύµατα (aerosols), και η επίδραση της γήινης τοπογραφίας (γήινο ανάγλυφο). Η συµπύκνωση προκαλεί σχηµατισµό νεφών, γεγονός που έχει σηµαντικές επιπτώσεις. Τα αερολύµατα προκαλούν και άλλα αποτελέσµατα όπως τη σκέδαση του φωτός από τα στρατοσφαιρικά αερολύµατα (αυξάνοντας το albedo της Γης). Η γεωγραφική θέση των βουνών αλλά και των κατανοµών εδάφους-θάλασσας αποτελούν παράγοντες σηµαντικούς για την εξάτµιση και την βροχόπτωση, καθορίζοντας µε τον τρόπο αυτό τα χαρακτηριστικά του τοπικού κλίµατος. Οι ωκεανοί. Περισσότερο από το µισό της απορροφούµενης ηλιακής ακτινοβολίας απορροφάται από τους ωκεανούς και ανακατανέµεται από τα ωκεάνια ρεύµατα. Η οριζόντια και κάθετη δοµή των ωκεανών εξαρτάται από τους ανέµους, την τοπογραφία (ανάγλυφο) και την γεωγραφική κατανοµή των ηπείρων. Τα θαλάσσια ρεύµατα επηρρεάζονται από τους ανέµους, τις διαφορές στην αλµύρα του θαλασσίου νερού, και τις διαφορές της θερµοκρασίας. Στην επιφάνεια των ωκεανών το διοξείδιο του άνθρακα διαλύεται στο θαλάσσιο νερό αλλά και εξατµίζεται αυτό, ανάλογα µε τις τοπικές συγκεντρώσεις της ατµόσφαιρας και του θαλάσσιου νερού. Το διαλυόµενο στο θαλάσσιο νερό CO2

χρησιµοποιείται στη φωτοσύνθεση του φυτοπλαγκτόν, το οποίο µετά το τέλος της ζωής του καταπίπτει και εγκαθίσταται ως ίζηµα στον πυθµένα, «παγιδεύοντας» τον άνθρακα για χρονικές περιόδους µεγαλύτερες από 100 έτη. H κρυόσφαιρα. Η κρυόσφαιρα αποτελείται από τα στρώµατα του εποχιακού χιονιού, τον θαλάσσιους πάγο, τους πάγους της Γροιλανδίας και Ανταρκτικής, τους παγετώνες στα όρη καθώς και από το και από το permafrost. Η κρυόσφαιρα επιτελεί σηµαντικούς ρόλους όπως η υψηλή ανακλαστικότητα (albedo) της ηλιακής ακτινοβολίας από τα χιόνια και του πάγους, και η αποθήκευση γλυκού νερού στις «δεξαµενές» των στρωµάτων πάγου. Η τήξη ή η µετακίνηση των στρωµάτων πάγου έχουν επιπτώσεις στη στάθµη της θάλασσας, αλλά θεωρείται ότι τα χρονικά διαστήµατα για αυτές τις διαδικασίες είναι τουλάχιστον χιλιετίες, εκτός από την πιθανότητα για την αστάθεια του στρώµατος πάγου στη δυτική Ανταρκτική (West Antarctic Ice Sheet).14

Η βιόσφαιρα. Ο συνδυασµός της εδαφικής και ωκεάνειας βιόσφαιρας ελέγχει τα κύρια φυσικά αέρια του θερµοκηπίου και τις αλληλεπιδράσεις/ανταλλαγές τους µε την ατµόσφαιρα, τους ωκεανούς και το έδαφος. Η βιόσφαιρα περιέχει ένα µεγάλο µέρος του άνθρακα που ανταλλάσεται σε σύντοµο χρονικό διάστηµα ανάµεσα, παραδείγµατος χάριν, στο φυτοπλαγκτόν, το χώµα και στα φυτά. Η γεώσφαιρα. Η γεώσφαιρα αποτελείται από τους ηπείρους. Οι ήπειροι δεν αλλάζουν (για τους σκοπούς αυτής της ανάλυσης), αν και η αποθήκευση νερού στο έδαφος και η απορροή του έχουν χρονική κλίµακα που κυµαίνεται από ηµέρες έως µήνες.

∆ιάγραµµα 6. Πλανητικό albedo και ροή ενέργειας (ετήσιος µέσος όρος), ως συνάρτηση του γεωγραφικού πλάτους [13]. Ε. Μηχανισµοί ανατροφοδότησης και το φαινόµενο του θερµοκηπίου Η ανατροφοδότηση (feedback) είναι το αποτέλεσµα της ανταπόκρισης του κλιµατικού συστήµατος στο forcing των αερίων του θερµοκηπίου. Εξαρτάται από την κύρια διαδικασία, είτε τείνοντας να ενισχύσει την κύρια διαδικασία (θετική ανατροφοδότηση) ή τείνοντας να αντισταθεί στην κύρια διαδικασία (αρνητική ανατροφοδότηση). Οι σηµαντικότεροι µηχανισµοί ανατροφοδότησης περιλαµβάνουν τα εξής: Ανατροφοδότηση λόγω υδρατµών. Λόγω της πλανητικής θέρµανσης εξατµίζεται περισσότερο νερό και εµφανίζονται περισσότεροι υδρατµοί στην ατµόσφαιρα. Αλλά οι υδρατµοί αποτελούν ένα από τα αέρια του θερµοκηπίου, έτσι ένα από τα αποτελέσµατα των εκποµπών των αερίων του θερµοκηπίου είναι η αύξηση της συγκέντρωσης ενός άλλου αερίου του θερµοκηπίου (υδρατµοί), µία θετική ανατροφοδότηση. Ανατροφοδότηση λόγω albedo χιονιού/πάγου. Το θερµότερο κλίµα έχει ως αποτέλεσµα λιγότερη χιονοκάλυψη και µείωση της επιφάνειας των πάγων µε αποτέλεσµα τη µείωση του albedo (δηλαδή της ανακλαστικότητας της Γης), µία θετική ανατροφοδότηση. Παρόλα αυτά, επειδή τόσο η ατµοσφαιρική κυκλοφορία αλλά και η ατµοσφαιρική σταθερότητα στους πόλους µπορεί να επηρεαστεί, η κατάσταση αυτή είναι δύσκολο να αναλυθεί. Ανατροφοδότηση λόγω νεφών. Τα σύννεφα προκαλούν αύξηση της θερµοκρασίας κλείνοντας το «παράθυρο» στη διαφυγή της γήινης ακτινοβολίας, µία θετική ανατροφοδότηση αλλά αυξάνουν επίσης το albedo αντανακλώντας την ηλιακή ακτινοβολία, µία αρνητική ανατροφοδότηση. Το καθαρό αποτέλεσµα (που υπολογίζεται κατά µέσο όρο στην επιφάνεια της Γης) είναι η ψύξη, µία αρνητική ανατροφοδότηση. Παρόλα αυτά, εάν η radiative forcing αυξηθεί σηµαντικά, η ανάλυση είναι πιο περίπλοκη. Αν και η θέρµανση αυξάνει την υγρασία, υψηλότερες θερµοκρασίες µπορεί να µειώσουν τη νεφοκάλυψη. Επίσης, η θέρµανση µπορεί να αυξήσει την περιεκτικότητα του νερού στα σύννεφα,

αυξάνοντας την αντανάκλαση της ηλιακής ακτινοβολίας, αλλά και την υπέρυθρη απορρόφηση. F. Ανάδραση (Feedback) και ευαισθησία του κλίµατος [15] Το απλούστερο µοντέλο ακτινοβολίας είναι αυτό της ενεργειακής εξισορρόπησης (ενεργειακό ισοζύγιο) της ακτινοβολίας που περιγράφεται από την εξίσωση (7). Όταν η εξισορρόπηση της ακτινοβολίας πραγµατοποιηθεί, N=0. Ας θεωρήσουµε µια διαταραχή: N S F∆ = ∆ −∆ (11) Υποθέτουµε πως η εξισορρόπηση επιτυγχάνεται µε την µεταβολή της θερµοκρασίας στην επιφάνεια της Γης, ∆Τs . Η µεταβολή της θερµοκρασίας προκαλεί µεταβολή στην «καθαρή» ροής ακτινοβολίας που αντιτίθεται στη προκαλούσα διαταραχή:

SS S

F S G⎧ ⎫∆ ∆

−∆Ν = ∆Τ − =⎨ ⎬∆Τ ∆Τ⎩ ⎭ , (12)

όπου G είναι η radiative forcing. (Για διπλασιασµό της συγκέντρωσης του CO2, η αριθµητική τιµή είναι G=4 W/m2). Ο παράγοντας ευαισθησίας κλίµατος (climate sensitivity factor) καθορίζεται ως: /S Gλ = ∆Τ (13) Επειδή το F και το S εξαρτώνται από άλλες κλιµατικές διαδικασίες, το λ εξαρτάται από τις λεπτοµέρειες της ανταπόκρισης του κλιµατικού συστήµατος. Παραδείγµατος χάριν, ο όρος που περιλαµβάνει to ∆S µπορεί να γραφτεί ως σειρά Taylor που εξαρτάται από την ηλιακή ροή ακτινοβολίας Q = B / 4, το albedo α, το µέσο ποσοστό νέφωσης f c , κ.ά.,

....C

S S C S

fS a aQT f

⎧ ⎫∆∆ ∂ ∂= − + +⎨ ⎬∆Τ ∂ ∂ ∆Τ⎩ ⎭

, (14)

Υποθέστε ότι η εξερχόµενη ροή εξαρτάται µόνο από τη θερµοκρασία της επιφάνειας σύµφωνα µε το νόµο Stefan-Boltzmann. Αυτή η υπόθεση οδηγεί στον µη-ανατροφοδοτούµενο παράγοντα ευαισθησίας του κλίµατος: 21/ ( / ) / (4 ) 0.3 /nf S SF T F Km Wλ δ δ= Τ = = (15) Η ανάλυση των παρατηρησιακών δεδοµένων (µετρήσεις) 16 δίνουν την ακόλουθη προσεγγιστική σχέση µεταξύ του F και του TS: 21. 212SF T Wm= 55 − (16) και 20.6obs km Wλ = , (17)

τιµή που είναι είναι δύο φορές µεγαλύτερη από την τιµή στην περίπτωση της µη-ανατροφοδότησης. Αυτή η αριθµητική τιµή µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε συνδυασµό µε την τιµή4 G ~ 4 W/m2 (που σχετίζεται µε το διπλασιασµό της συγκέντρωσης του CO2 , από 350 ppmv σε 700 ppmv) για να αποκτηθεί η τιµή της µεταβολής της θερµοκρασίας που προκαλείται από το διπλασιασµό της συγκέντρωσης CO2: T2x (4 W/m2 x λobs= 2.4 Κ). Αυτή η αριθµητική τιµή είναι πολύ κοντά στην εκτίµηση της θερµοκρασίας που δηµοσιεύθηκε στην 3η Αναφορά της ∆ιακυβερνητικής Επιτροπής για την Κλιµατική Αλλαγή (Intergovernmental Panel for Climate Change - IPCC), αν και έχει διατυπωθεί µε ένα µεγάλο εύρος αβεβαιότητα (1.5 Κ σε 4.5 Κ) .4

Οι µηχανισµοί ανατροφοδότησης προσθέτουν επίπεδα πολυπλοκότητας στην επιστηµονική ανάλυση. Ας θεωρήσουµε, π.χ., την ανατροφοδότηση από το albedo χιονιού/πάγου. Η απλή παραµετροποίηση που εξετάζει µόνο τη θερµοκρασία επιφάνειας αναδεικνύει τους ουσιαστικούς παράγοντες. Μία τέτοια παραµετροποίηση βασίζεται σε αποτελέσµατα µετρήσεων για τις τιµές του albedo: 15

Albedo εδάφους (χωρίς πάγο): 0.3a = 270ST K> (18α)

Albedo εδάφους µε χιόνι/πάγο: 0.3 0.01( 270)Sa T= − − 230 270ST≤ ≤ Κ (18b)

Albedo πάγου/χιονιού: 0.7a = 230ST K< (18c) Το ∆ιάγραµµα 7 παρουσιάζει το F και το S, όπου η ενέργεια της εισερχόµενη ηλιακής ακτινοβολίας δίνεται από τη σχέση (1 ) / 4S a B= − Υπάρχουν τρεις καταστάσεις του συστήµατος που ικανοποιούν τον όρο εξισορρόπησης της ακτινοβολίας (ενεργειακό ισοζύγιο) N=0. Η πολλαπλότητα των καταστάσεων ισορροπίας είναι ένα χαρακτηριστικό γνώρισµα πολλών κλιµατικών µοντέλων. Στο ∆ιάγραµµα 7 το τοµή των γραµµών (διακεκοµµένης και συµπαγούς) στην υψηλότερη θερµοκρασία αντιστοιχεί στο παρόν κλίµα. H τοµή στην χαµηλότερη θερµοκρασία (Ts = 202 Κ) αντιστοιχεί (στο σενάριο) σε πλήρη κάλυψη πάγου (της Γης). Η τοµή στην ενδιάµεση θερµοκρασία είναι ασταθής. ∆εν προκαλεί έκπληξη η ύπαρξη σταθερής κατάστασης χαµηλής θερµοκρασίας, επειδή καθώς το albedo αυξάνεται, η θερµοκρασία της επιφάνειας ελαττώνεται, αυξάνοντας ακόµα περαιτέρω το albedo (λόγω αύξησης επιφανειών χιονιού/πάγου). Γενικά, αναµένεται πως το κλίµα της Γης παρουσιάζει ποικιλία περίπλοκων συµπεριφορών ως απάντηση στο forcing.

∆ιάγραµµα 7. Ο µηχανισµός ανάδρασης λόγω albedo χιονιού/πάγου [15]. G. Μοντέλα γενικής κυκλοφορίας και προβλέψεις για τη κλιµατική αλλαγή Οι προβλέψεις (προβολές, projections) για τη κλιµατική αλλαγή είναι περιορισµένης ακρίβειας επειδή οι µηχανισµοί ανάδρασης είναι πολύπλοκοι και όχι πλήρως κατανοητοί, και επειδή οι ανθρωπογενείς δραστηριότητες δεν µπορούν να προβλεφθούν µε µεγάλη βεβαιότητα. Μια προσέγγιση που αποφεύγει την ανάγκη να γίνει το σύστηµα κλίµατος πλήρως κατανοητό είναι η µέθοδος Paleo-Analog, η οποία χρησιµοποιεί τα παρελθόντα (ancient) κλίµατα ως αναλογίες για το µελλοντικό κλίµα. Αν και αυτή η µέθοδος είναι διαισθητικά ελκυστική, υπάρχουν πολλές αβεβαιότητες που συνδέονται µε τις µελέτες ανασυγκρότησης (reconstruction) των παρελθόντων κλιµάτων και των επιδράσεων οι οποίες ελάµβαναν χώρα στο ιστορικό παρελθόν. Η δεύτερη προσέγγιση είναι να προσοµοιωθεί το κλιµατικό σύστηµα χρησιµοποιώντας τα µοντέλα γενικής κυκλοφορίας που είναι βασισµένα στις θεµελιώδεις αρχές της φυσικής, σε εκτιµήσεις για τις λιγότερο κατανοητές διαδικασίες του κλίµατος, καθώς και υπολογισµούς των radiative forcings. Τα µοντέλα γενικής κυκλοφορίας χρησιµοποιούν ένα πλέγµα για να υποδιαιρεθεί το κλιµατικό σύστηµα, τόσο οριζόντια (γεωγραφικά) όσο και κάθετα, σε «κελλιά» (cells) - όσο µεγαλύτερος είναι ο αριθµός των «κελλιών», τόσο πιο ακριβής είναι ο υπολογισµός. Αυτά τα µοντέλα ποικίλλουν αρκετά ως προς την πολυπλοκότητά τους, ανάλογα µε τον αριθµό των µονάδων, εάν η σύζευξη (coupling) ωκεανού-ατµόσφαιρας προσοµοιώνεται αναλυτικά, και εάν η χρονική εξάρτηση µελετάται αναλυτικά αντί να υποτεθεί ισορροπία. Πιο σύνθετα µοντέλα έχουν αυξηµένες απαιτήσεις σε υπολογιστικό χρόνο και πόρους. Η πιο πρακτική στρατηγική είναι να τρέξουν τα πιο σύνθετα πρότυπα για λίγο χρόνο (χρονικά βήµατα) ώστε να βαθµονοµηθούν τα απλούστερα µοντέλα, τα οποία µπορούν έπειτα να τρέξουν για περισσότερο χρόνο ώστε να διερευνηθούν οι εξαρτήσεις (dependencies). Οι προβλέψεις των σηµερινών µοντέλων γενικής κυκλοφορίας πρέπει να επιβεβαιωθούν (validation). Για να κάνει ένα µοντέλο καλές προβλέψεις θα πρέπει πρώτα να περιγράφει ικανοποιητικά το παρόν κλίµα. Η επιβεβαίωση (validation) είναι µια επαναληπτική διαδικασία. Εάν το µοντέλο δεν δουλέψει καλά, οι ηµι-εµπειρικές σχέσεις και οι παράµετροι ρυθµίζονται έτσι έως ότου λειτουργήσει ικανοποιητικά. Ο κίνδυνος βρίσκεται στη πιθανότητα ότι οι παράµετροι και οι ηµι-

εµπειρικές σχέσεις, οι οποίες επιτρέπουν στο µοντέλο να περιγράψει το παρόν κλίµα, αντισταθµίζει τα λάθη, τα οποία αποτρέπουν το µοντέλο από την ακριβή περιγραφή των αποτελεσµάτων της radiative forcing. Τα καλά νέα είναι πως παρά αυτές τις δυσκολίες το κλίµα έχει πολλά χαρακτηριστικά. Παρατηρήσεις (µετρήσεις) και τεστς επικύρωσης πραµατοποιούνται για τις ακόλουθες ιδιότητες, οι οποίες είναι συναρτήσεις της εποχής, του ύψους, και της γεωγραφικής περιοχής: για τη θερµοκρασία, τη βροχόπτωση, την πίεση, τη νεφοκάλυψη, την υγρασία, την χιονοκάλυψη και παγοκάλυψη, καθώς και τους ανέµους. Επιπλέον, υπάρχουν διάφορα ειδικότερα παρατηρησιακά δεδοµένα που συνδέονται µε την παγκόσµια αύξηση της θερµοκρασίας. Αυτά περιλαµβάνουν τους αρκετά θερµότερους πολικούς χειµώνες, την υποχώρηση των παγετώνων, τις τάσεις στις θερµοκρασίας γεωτρήσεων (borehole temperature trends), την συσχέτιση των χρονοσειρών της συγκέντρωσης του CO2 και της θερµοκρασίας, την ψύξη της στρατόσφαιρας, τα ξηρότερα εδάφη κατά τα καλοκαίρια στις µέσου γεωγραφικού πλάτους περιοχές του βορείου ηµισφαιρίου, την άνοδο της στάθµης της θάλασσας, και τη µειωµένη ωκεάνια κυκλοφορία. Τέτοια παρατηρησιακά δεδοµένα µπορούν να συγκριθούν πρόσφατες εξελίξεις. Τα περισσότερα µοντέλα έχουν ρυθµιστεί έτσι ώστε να λειτουργούν αρκετά καλά για τις περισσότερες ιδιότητες. Οι πιο δύσκολες πτυχές σχετίζονται µε τα σύννεφα. Σε κάθε περίπτωση, οι υπολογισµοί των µοντέλων πρέπει να εξετάζονται πρέπει να εµφανίζονται µε προσοχή επειδή τα µελλοντικά κλίµατα µπορεί να µην αντιστοιχούν στις περιπτώσεις δοκιµής (test cases), έτσι η αξιοπιστία των προβλέψεων των µοντέλων δεν µπορεί να αξιολογηθεί µε ευκολία. IV. ΕΝΑ ΑΠΛΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΚΛΙΜΑΤΟΣ (A “TOY” CLIMATE MODEL) Η δηµιουργία απλών µοντέλων κλίµατος βοηθά στο να γίνει καλύτερα κατανοητό το κλιµατικό σύστηµα και για να αναδειχθούν οι διαστάσεις των προβληµάτων που αντιµετωπίζουν οι προσπάθειες για να το προσοµοιώσουν µε ακρίβεια. Αν και τέτοια µοντέλα δεν µπορούν να το προσοµοιάσουν µε ακρίβεια, η δηµιουργία τους αποτελεί ευχάριστη αλλά και δηµιουργική ενασχόληση µε τις βασικές έννοιες. Ρυθµίζοντας τις παραµέτρους και τις αλληλεπιδράσεις, τα απλά µοντέλα µπορούν ακόµη και παράγουν αποτελέσµατα µε αρκετά ικανοποιητική, ποσοτικά, ακρίβεια. Αυτή η «διαδικασία τεκµηρίωσης» είναι ανάλογη µε τη διαδικασία που χρησιµοποιείται στην ανάπτυξη των πλέον προχωρηµένων µοντέλων γενικής κυκλοφορίας.

∆ιάγραµµα 8. Σχηµατική αναπαράσταση του µοντέλου δύο-επιπέδων εξισορροπούµενων ακτινοβολιών, όπου παρουσιάζονται οι όροι που αντιστοιχούν στην εξίσωση (20). Ας θεωρήσουµε ένα απλό µοντέλο δύο-επιπέδων (δύο-στρωµάτων), αυτών δηλαδή της ατµόσφαιρας και της επιφάνειας (δείτε ∆ιάγραµµα 8). Εάν δεν

υπήρχε η ατµόσφαιρα, µια διαφορική εξίσωση θα αρκούσε να περιγράψει τη θερµοκρασία της επιφάνειας. (Ένα παρόµοιο πρόβληµα είναι να υπολογισθεί το ποσοστό των άσπρων και µαύρων γραµµών (λουρίδων) των χρωµάτων µαύρου και άσπρου µε τις οποίες πρέπει να βάψουµε έναν δορυφόρο µε µια εσωτερική πηγή θερµότητας (δηλαδή, µια δική του πηγή θερµότητας εντός του) προκειµένου να διατηρηθεί η θερµοκρασία του εντός ενός επιθυµητού εύρους τιµών). Σε πιο ακριβή µοντέλα, η ατµόσφαιρα διαιρείται σε πολλά στρώµατα σε κάθε γεωγραφική θέση. Ο αριθµός των στρωµάτων αυξάνεται έως ότου συγκλίνει η λύση, δηλαδή δεν αλλάζει πλέον σηµαντικά καθώς προσθέτονται περισσότερα στρώµατα. Εκτός από τις εξισώσεις ανταλλαγών της ακτινοβολίας (radiative transfer), τα µοντέλα γενικής κυκλοφορίας περιλαµβάνουν και εξισώσεις για τη διατήρηση της µάζας, της ορµής, και της ενέργειας. Στο απλό µοντέλο των δύο στρωµάτων που περιγράφουµε, η «µικρού µήκους κύµατος» ηλιακή ενέργεια (Q) προσπίπτει στο σύστηµα και ένα µέρος της (αα) αντανακλάται από την ατµόσφαιρα, ένα µέρος της (β) απορροφάται από την ατµόσφαιρα, και το υπόλοιπο διαβιβάζεται στην επιφάνεια, η οποία αντανακλά ένα µέρος (αs) και απορροφά το υπόλοιπο. Η επιφάνεια εκπέµπει υπέρυθρη ακτινοβολία σύµφωνα µε το νόµο των Stefan-Boltzmann, Fs = σ Τs .

4 Ένα µέρος (γ) της ακτινοβολίας «µεγάλου µήκους κύµατος» απορροφάται από την ατµόσφαιρα και το υπόλοιπο χάνεται στο διάστηµα. Αυτή η απορρόφηση από την ατµόσφαιρα οδηγεί στην θέρµανση (αύξηση της θερµοκρασίας) και στην εκποµπή ακτινοβολίας µεγάλου µήκους κύµατος. Υποθέτουµε ότι ο ρυθµός εκποµπής της ακτινοβολίας εξαρτάται από την ατµοσφαιρική θερµοκρασία σύµφωνα µε τον νόµο των Stefan-Boltzmann ( Fa = 2 σ Ta 4, ο συντελεστής 2 προκύπτει επειδή η εκποµπή κατευθύνεται και προς τα πάνω και προς τα κάτω). Τέλος, η θερµότητα και οι υδρατµοί µεταφέρονται από τυρβώδη µεταφορά (turbulent convection), που προκαλεί ενεργειακή ροή Cq (ως sensible και λανθάνουσα θερµότητα) από την επιφάνεια προς την ατµόσφαιρα. Με την βοήθεια του ∆ιαγράµµατος 8, µπορούµε να καταγράψουµε τις διαφορικές εξισώσεις για τους ρυθµούς µεταβολής της ενέργειας στα δύο στρώµατα:

Ατµόσφαιρα: 4 4(1 ) 2(1 )ddE Q Cq fdt

αα αβ α γσ σ= − + + Τ − − Τ (19α)

Επιφάνεια: 4 4(1 )(1 ) 2SS S d

dE Q Cq fdt α αβ α α σ σ= − − − − Τ + Τ (19β)

Η παράµετρος f d περιγράφει το µέρος εκποµπής ακτινοβολίας µεγάλου µήκους κύµατος από την ατµόσφαιρα που κατευθύνεται πίσω στην επιφάνεια. Με την υπόθεση της εξισορρόπησης της ακτινοβολίας, το αριστερό µέρος των εξισώσεων τίθεται ίσο µε µηδέν και το σύστηµα των δύο αλγεβρικών εξισώσεων

λύνεται για θερµοκρασία TS. [Είναι ευνόητο το πως πρέπει να λάβουµε υπόψη τις τιµές από τις παραµέτρους, όπως παρουσιάζονται στον Πίνακα ΙΙΙ] Το πλανητικό albedo (planetary albedo) είναι ο µέσος συντελεστής αντανάκλασης της ακτινοβολίας µικρού µήκους κύµατος. Οι περισσότερες µετρήσεις και µοντέλα δίνουν αριθµητική τιµή για το albedo ~0.3.11 Το albedo των νεφών εξαρτάται από το ύψος, την περιεκτικότητα σε νερό, το µέγεθος της σταγόνας, τη θερµοκρασία, κ.ά. Αυτή η πολυπλοκότητα κάνει τα σύννεφα να αποτελούν τα δυσκολότερα προβλήµατα στη µοντελοποίηση του κλίµατος. Για να παραµείνουµε στο απλό µοντέλο, αγνοούµε αυτές τις πολυπλοκότητες και υποθέτουµε ότι όλα τα νέφη έχουν το ίδιο albedo αc . Ακόµη και ο «καθαρός αέρας» έχει albedo («albedo καθαρού αέρα) ααο, λόγω της σκέδασης της ακτινοβολίας από µοριακές ενώσεις και αερολύµατα που περιέχει. Αυτά τα διαφορετικά albedos µπορούν να σταθµιστούν και να δώσουν το µέσο ατµοσφαιρικό albedo: 0(1 )C C Cf fα αα α α= + − , (20)

όπου το f c είναι το ποσοστό της νεφοκάλυψης. Για την παρούσα ατµόσφαιρα, θεωρούµε πως f c = 0.6211 ενώ για το albedo της επιφάνειας θεωρούµε πως αr=0.1. Το ενεργειακό ισοζύγιο σύµφωνα µε τους Kiehl και Trenberth,11 επιτρέπει τον υπολογισµό των παραµέτρων του albedo για την παρούσα ατµόσφαιρα και εντός του πλαισίου του απλού µοντέλου (Πίνακας ΙΙΙ). Πίνακας ΙΙΙ. Παράµετροι για ένα απλό µοντέλο κλίµατος. Παράµετρος Σύµβολο Αριθµητική τιµή Πηγή Albedo «καθαρού αέρα»

0aa 0.05 Υπολογισµός

Albedo νεφών ca 0.40 Υπολογισµός

Albedo χιονιού/πάγου ia 0.70 Υπολογισµός

Albedo εδάφους ra 0.10 Υπολογισµός

Σχετική υγρασία 2H OR 0.80 Υπόθεση

Κλίµακα (ύψους) H2O 2H OH 2 χλµ. Υπόθεση

Ποσοστό εκπεµπόµενης ακτινοβολίας προς την επιφάνεια της Γης

df 0.69 Προσαρµογή

Ισχύς ηλιακής ακτινοβολίας Q 342Wm-2 [11] Ροή θερµότητας σε

0ST Η0 102Wm-2 [11]

Θερµοκρασία επιφάνειας Γης 0ST 288.0 Κ [11]

Θερµοκρασία ατµόσφαιρας 0aT 253.8 Κ

Από την ενέργεια της ακτινοβολίας µεγάλου µήκους κύµατος που εκπέµπεται από την ατµόσφαιρα, µόνο ποσοστό f c φθάνει στην επιφάνεια της Γης. Αν το µοντέλο µας ήταν ενός στρώµατος (αντί για δύο) θα αναµέναµε f d = 1/2 , όµως η πραγµατική ατµόσφαιρα είναι πιo σύνθετη. Η αριθµητική τιµή f d = 0.69

(Πίνακας ΙΙΙ) , που ρυθµίστηκε ώστε το µοντέλο να δίνει θερµοκρασία Ts = 288 Κ, είναι σε λογική συµφωνία µε την εκτίµηση που παρουσιάζεται στο ∆ιάγραµµα 4. Στο µοντέλο µας, υποθέτουµε ότι τα σύννεφα απορροφούν πλήρως την ακτινοβολία µεγάλου µήκους κύµατος, επειδή το νερό που περιέχουν (τόσο σε υγρή όσο και σε στερεά φάση) απορροφά καλά στο υπέρυθρο µέρος του φάσµατος. Επιπλέον, ένα ποσοστό γ της ακτινοβολίας µεγάλου µήκους κύµατος που εκπέµπεται από την επιφάνεια απορροφάται από την καθαρή ατµόσφαιρα (ατµόσφαιρα χωρίς σύννεφα), και αυτό το γεγονός αποτελεί την επίπτωση που έχουν στη θέρµανση του πλανήτη τα αέρια του θερµοκηπίου. Για µονοχρωµατική υπέρυθρη ακτινοβολία σε καθαρό αέρα, αυτό το ποσοστό µπορεί να υπολογιστεί χρησιµοποιώντας το νόµο των Beer-Lambert. Υπάρχουν µέθοδοι για τη επίλυση του πραγµατικού (και πολύπλοκου) προβλήµατος της ανταλλασσόµενης ακτινοβολίας (radiative transfer problem), όµως δεν είναι τόσο πρακτικές για ένα απλό µοντέλο κλίµατος. Για το λόγο αυτό, χρησιµοποιούµε µια προσεγγιστική µέθοδο που βασίζεται σε «ισοδύναµα διαστήµατα»10, ώστε να υπολογίσουµε τις τιµές της ατµοσφαιρικής διαπερατότητας (atmospheric transmittances) για µεταβλητά αποθέµατα CO2 και H2O, καθώς και για σταθερό απόθεµα στρατοσφαιρικού όζοντος, O3. [Οι τρεις όροι στην αγκύλη της εξίσωσης (21) σχετίζονται µε αυτά τα τρία αέρια]. Με την προσαρµογή (fit) του µοντέλου στα εµπειρικά δεδοµένα, έχουµε 2 2 2

0.2941 exp[0.082 (2.38 40.3 ) ]H O H O H COP H R fγ ≈ − − + , (21)

όπου f CO2 είναι η αναλογία µίξης του διοξειδίου του άνθρακα (παραδείγµατος χάριν, f CO2 = 3.5 x 10-4 αντιστοιχεί σε 350 ppmv), HR είναι η σχετική υγρασία (υποθέτουµε πως είναι 80%), και PH2O είναι η πίεση κορεσµένου υδρατµού:

2

61.76 10 exp( 318 / )H O SP T= × −5 bars (22)

Η παράµετρος HH2O είναι το ύψος κλίµακας, δηλαδή το ύψος (σε χλµ.) που φθάνουν οι υδρατµοί (περίπου 2 χλµ.). Τα «ύψη κλίµακας» χρησιµοποιούνται συχνά για να περιγράψουν τις µερικές πιέσεις των αερίων στην ατµόσφαιρα.2

( ) (0)exp( / )i i ip z p z H= − , (23) όπου Ηi είναι το ύψος της κλίµακας, pi είναι η µερική πίεση, και z είναι το ύψος (altitude). Συνήθως το Ηi εξαρτάται µόνο ασθενώς από το ύψος. Η εξίσωση (21) δείχνει ότι το ποσοστό της ακτινοβολίας µεγάλου µήκους κύµατος που απορροφάται από την καθαρή ατµόσφαιρα, είναι έντονα µη γραµµικό όσον αφορά τις µερικές πιέσεις του CO2 και του H2O (∆ιάγραµµα 9). Η απορροφητικότητα όµως δεν ξεπερνά το 50%, ακόµη και για µεγάλες ποσότητες CO2.

Σχήµα 9. ∆ισδιάστατο διάγραµµα του ποσοστού της ακτινοβολίας ενός µέλανος σώµατος (σε θερµοκρασία 288 Κ) που διαπερνά την ατµόσφαιρα για διάφορες µερικές πιέσεις του CO2 και του H2O (στην επιφάνεια της Γης). Ίσως ο σηµαντικότερος µηχανισµός που ανατροφοδοτεί το κλίµα συνδέεται µε τους υδρατµούς. Υποθέτουµε ότι η PH2O αυξάνεται µε την θερµοκρασία TS σύµφωνα µε την πίεση κορεσµένου ατµού, ενώ η σχετική υγρασία και το ύψος της κλίµακας είναι σταθερά, ακόµα και όταν πραγµατοποιείται παγκόσµια αύξηση της θερµοκρασίας. Αυτές οι υποθέσεις θα µπορούσαν να αποτελέσουν το αντικείµενο περαιτέρω έρευνας. Τα µοντέλα γενικής κυκλοφορίας περιλαµβάνουν συγκεκριµένους µηχανισµούς για την εξάτµιση του νερού της επιφάνειας, για τη συµπύκνωση των νεφών, για τη βροχόπτωση, κ.ά. Η ανάδραση (ανατροφοδότηση) που προκαλεί το albedo χιονιού/πάγου ενσωµατώνεται στο απλό µοντέλο χρησιµοποιώντας την εµπειρική µορφή για albedo της επιφάνειας:

2 01( ) 1 tanh2 20

SS i r i

Tα α α α⎡ ⎤⎧ 5 − ⎫⎛ ⎞= + − − −⎨ ⎬⎢ ⎥⎜ ⎟

⎝ ⎠⎩ ⎭⎣ ⎦ , (24)

όπου το iα είναι το albedo χιονιού/πάγου και rα είναι το albedo εδάφους. Οι αριθµητικές τιµές του Πίνακα ΙΙΙ, είναι πολύ κοντά στις τιµές των εξισώσεων (18). Πρόσθετοι µηχανισµοί ανάδρασης, για το ποσοστό της νεφοκάλυψης f c και η ροή θερµότητας εκ µεταφοράς Cq περιγράφονται εµπειρικά:

2 20. 1 tanh 0.24 (1 )O S

C H O H Of P P⎡ ⎤= 5 − − 5+ −⎣ ⎦ (25)

( )/ 'o Oq q S SC C T T= , (26)

όπου

OST =288Κ είναι η θερµοκρασία (αναφοράς) της επιφάνειας της Γης,

2

OH OP είναι η πίεση κορεσµένου υδρατµού σε θερµοκρασία

OST , και oqC είναι η

ροή θερµότητας εκ µεταφοράς (102 Wm-2 ) σε OST . Για θερµοκρασία

OST , η

εξίσωση (25) δίνει την αριθµητική τιµή 0.62Cf = , η οποία είναι σε καλή συµφωνία µε τις παρατηρήσεις (µετρήσεις).11 Οι επιλογές για την ανάδραση του albedo νεφών και της ροής θερµότητας γίνεται µε την επιλογή των παραµέτρων s

και t. Στο απλό µοντέλο είναι ελεύθεροι παράµετροι. Για θετική, αρνητική, ή µηδενική ανάδραση επιλέγεται τιµή των παραµέτρων µεγαλύτερη, µικρότερη ή ίση µε µηδέν. Ένας τρόπος για να επιλεχθούν οι τιµές των s και t είναι να «ευθυγραµµισθεί» το µοντέλο ώστε να δώσει έναν επιθυµητό παράγοντα ευαισθησίας κλίµατος. Παραδείγµατος χάριν, για να επιτευχθεί T2x = 2.5 Κ, επιλέξαµε αυθαίρετα t= 1.00 και µεταβάλλαµε τη τιµή του s µέχρι να επιτευχθεί ο παράγοντας ευαισθησίας s = 0.92. Επειδή το πρότυπο περιλαµβάνει µερικές «αυθαίρετες» υποθέσεις, αυτές οι παράµετροι έχουν λίγη αριθµητική (υπολογιστική) σηµασία. Παρόλα αυτά, κάποιος µπορεί να µελετήσει τους µηχανισµούς ανάδρασης µεταβάλλοντας τις τιµές και τα πρόσηµα των παραµέτρων. Έχουµε επιλύσει το µοντέλο υπολογιστικά ως πρόγραµµα λογιστικού φύλλου (Microsoft Excel). [Ένα αντίγραφο του προγράµµατος αυτού µπορεί να ληφθεί από την ηλεκτρονική διεύθυνση: http://www.physics.lsa.umich.edu/phys419 ή από τους συγγραφείς]. Οι αριθµητικές (υπολογιστικές) λύσεις υπολογίζονται µε το συνδυασµό (σύστηµα) των εξισώσεων (19) σε ισορροπία και µε τη χρήση της τέµνουσας επαναληπτικής µεθόδου εύρεσης της ρίζας (root-finding) (secant iterative root-finding method) για τον υπολογισµό της θερµοκρασίας TS. Οι επαναλήψεις (iterations) αρχίζουν επιλέγοντας για την τιµή της όTαρχικ µια

εκτιµώµενη τιµή για τη θερµοκρασία της επιφάνειας. Με την επιλογή διαφόρων τιµών υπολογίζονται τελικά οι λύσεις ισορροπίας. Παραδείγµατος χάριν, όταν

2COf = 350 ppmv και οι παράµετροι s και t εκτιµώνται ως 0.92 και 1.00,

αντίστοιχα, τρεις πραγµατικές λύσεις βρίσκονται σε θερµοκρασίες ST = 288 Κ,

241 Κ, και 229 Κ για όTαρχικ = 300 Κ, 250 Κ, και 200 Κ, αντίστοιχα. Η λύση της

χαµηλότερης θερµοκρασίας αντιστοιχεί στην παγωµένη Γη. Η µεσαία λύση (Τ = 241 Κ) είναι ασταθής. Η σταθερότητα διερευνάται µε την προσθήκη µιας µικρής θετικής διαταραχής στη λύση. Εάν παρατηρηθεί αύξηση της συνολικής ενέργειας (net energy input), η διαταραχή ενισχύεται, υποδηλώνοντας αστάθεια (instability). Καθώς το

2COf αυξάνεται από 350 ppmv µέχρι 500 ppmv, οι λύσεις των δυο

χαµηλότερων θερµοκρασιών συγκλίνουν και πάνω από ~500 ppmv CO2 υπάρχει µόνο µια πραγµατική λύση. Αυτό είναι ένα παράδειγµα µιας «διχαλωτής διακλάδωσης» («pitchfork bifurcation»). 17 Οι φοιτητές και οι φοιτήτριες µπορούν να δηµιουργήσουν τα δικά τους µοντέλα ή να τροποποιήσουν το τρέχον µοντέλο. Παραδείγµατος χάριν, επιπρόσθετοι µηχανισµοί ανάδρασης µπορούν να ενσωµατωθούν, ενώ διάφορες εµπειρικές προσεγγίσεις µπορούν να υιοθετηθούν και να διερευνηθούν. Τι θα συνέβαινε, π.χ., στα αποτελέσµατα εάν το ύψος της κλίµακας του H2O και/ή η σχετική υγρασία µεταβάλλονται ως συνάρτηση της θερµοκρασίας Τs; Οι φοιτητές/φοιτήτριες µπορούν να ωφεληθούν από την διερεύνηση της συµπεριφοράς του απλού µοντέλου όταν µεταβάλλονται οι παράµετροι ανάδρασης. Παραδείγµατος χάριν, πώς µεταβάλλεται η «διχαλωτή διακλάδωση» («pitchfork bifurcation») όταν µεταβάλλονται οι παράµετροι ανάδρασης διατηρώντας όµως την τιµή του παράγοντα ευαισθησίας του κλίµατος, αλλά µεταβάλλοντας την φορά της ανάδρασης; Λαµβάνοντας υπόψη ένα κατάλληλο µοντέλο κλίµατος, µπορούµε να υπολογίσουµε τις κλιµατικές αλλαγές ως συνάρτηση των συγκεντρώσεων των

αερίων του θερµοκηπίου. Ο επόµενος στόχος είναι να υπολογιστούν οι ανθρωπογενείς εκποµπές αερίων του θερµοκηπίου. V. ΠΡΟΒΛΕΨΕΙΣ ΓΙΑ ΤΙΣ ΑΝΘΡΩΠΟΓΕΝΕΙΣ ΕΚΠΟΜΠΕΣ Αν και δεν µπορούµε να γνωρίζουµε τι ακριβώς θα συµβεί στο µέλλον, σήµερα οι περισσότερες εκποµπές του CO2 συνδέονται µε την πληθώρα κεφαλαιακού εξοπλισµού (capital equipment) όπως π.χ. τα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, οι βιοµηχανίες που καταναλώνουν έντονα ηλεκτρική ενέργεια (όπως χαλυβουργεία, τσιµεντοβιοµηχανίες, κ.ά.), τα κτήρια και ο εξοπλισµός τους, και τα οχήµατα. Αυτές οι εγκαταστάσεις και ο εξοπλισµός δεν µπορούν να αντικατασταθούν γρήγορα, µε συνέπεια να υπάρχουν όρια στο ρυθµό µε τον οποίο οι εκποµπές (εκλύσεις) του CO2 στην ατµόσφαιρα µπορούν να µειωθούν. Εάν µια δραστηριότητα αυξάνεται µε σταθερό ρυθµό v, τότε η αύξηση της δραστηριότητας είναι εκθετική, µε το διπλασιασµό της δραστηριότητας να επιτυγχάνεται σε χρόνο t2: 2 ln 2 /t v= (27) Για ένα ρυθµό ανάπτυξης (αύξησης) 3% το χρόνο (που αποτελεί ενδεικτικό ρυθµό αύξησης της ανάπτυξης µιας εθνικής οικονοµίας που «πάει καλά»), ο χρόνος διπλασιασµού είναι 23 έτη. Έτσι, πρέπει να περάσει περί το ένα τέταρτο του αιώνα για να διπλασιαστεί η ενεργειακή κατανάλωση µιας χώρας (ή, αντίθετα, να µειωθεί η ενεργειακής κατανάλωση στο µισό). Παραδείγµατος χάριν, θα χρειαζόταν χρόνος περί το ένα τέταρτο του αιώνα, για τις ΗΠΑ, να αντικαταστήσουν τη βασισµένη στην καύση του άνθρακα παραγωγή ηλεκτρισµού στη βασισµένη στη καύση φυσικού αερίου παραγωγή ηλεκτρισµού (µε µέθοδο «συνδυασµένου κύκλου» (combined-cycle)), δηλαδή από την υψηλής έντασης χρήση του άνθρακα στη χαµηλή ένταση χρήση του άνθρακα). Με παρόµοιο τρόπο, εάν επρόκειτο να υιοθετήσουµε νέα τεχνολογία κίνησης στα αυτοκίνητα, θα έπαιρνε τουλάχιστον έναν τέταρτο του αιώνα για να αντικατασταθούν τα περισσότερα «συµβατικά» αυτοκίνητα µε αυτοκίνητα που εκπέµπουν λιγότερους ρύπους (π.χ. το µισό ή το ένα τρίτο των ρύπων). Στο πεδίο των οικονοµικών δεν µπορούν να γίνουν ακριβείς προβλέψεις για τις επιπτώσεις των οικονοµικών υφέσεων (ή, και αντίθετα, για ταχεία οικονοµική ανάπτυξη) που είναι δυνατόν να εµφανιστούν, σαν αποτέλεσµα των πολιτικών αποφάσεων που µπορούν να ληφθούν για την µείωση των ρύπων του άνθρακα. Ο τρόπος για να αντιµετωπιστούν αυτές οι αβεβαιότητες είναι να δηµιουργηθούν εναλλακτικά σενάρια (µέσα σε λογικά πλαίσια και περιορισµούς).4 Ένα σηµαντικό σενάριο πρέπει να περιλαµβάνει έντονες προσπάθειες/πρωτοβουλίες για να µειωθούν οι ρύποι του άνθρακα. Η δυνατότητα για τη µείωση των εκποµπών του άνθρακα. Το ενεργειακό σύστηµα του κόσµου κυριαρχείται από τα ορυκτά καύσιµα. Το σηµαντικότερο ανθρωπογενές αέριο του θερµοκηπίου είναι διοξείδιο του άνθρακα από την καύση των ορυκτών καυσίµων, που αποτελεί περισσότερο από το 50% του forcing. Υπάρχουν τουλάχιστον τέσσερις προσεγγίσεις για την επίτευξη της µείωσης των εκποµπών αερίων του θερµοκηπίου που συνδέονται µε την ενέργεια την προερχόµενη από την καύση των ορυκτών καυσίµων:

(1) βελτίωση της αποδοτικότητας των διεργασιών (processes),

(2) µεταφορά µέρους του άνθρακα από την ατµόσφαιρα στη βιόσφαιρα, όπως, παραδείγµατος χάριν, µε την αναδάσωση,

(3) υποκατάσταση των ορυκτών καυσίµων µε καύσιµα που έχουν χαµηλότερη ή και µηδενική περιεκτικότητα σε άνθρακα, και

(4) δέσµευση και αποθήκευση του CO2 που προέρχεται από τα ορυκτά καύσιµα.

Η βελτίωση της αποδοτικότητας προσφέρει µεγάλες ευκαιρίες. Αποτελεί την καλύτερη και λιγότερη ακριβή από τις προαναφερθείσες προσεγγίσεις, αλλά είναι και ένα πολύ µεγάλο θέµα για να συζητηθεί εδώ. Όµως, έχει και η προσέγγιση αυτή τα όριά της (τους περιορισµούς της). Αυτή και αυτή τη στιγµή η τεχνολογία απέχει πολύ από τα όρια αυτά στις περισσότερες δραστηριότητες, οι κοινωνίες θα είναι δύσκολο για να επιτύχουν, µέσω της βελτίωσης της αποδοτικότητας µόνο, όλη τη µείωση των ρύπων που οι επιστήµονες ισχυρίζονται πως είναι απαραίτητο να επιτευχθούν. Στις επόµενες παραγράφους περιγράφονται εν συντοµία οι λοιπές προσεγγίσεις και επιλογές. Η βελτίωση της δασικής διαχείρισης και η φύτευση περισσότερων δέντρων θα µείωνε τις συγκεντρώσεις του CO2, ενώ θα ήταν ωφέλιµη και µε άλλους τρόπους.16 Η προσέγγιση όµως αυτή δεν είναι πολύ µεγάλη δυνατότητα - µόνο µέχρι 7% των ετήσιων εκποµπών του άνθρακα στις ΗΠΑ θα µπορούσε να αποθηκευθούν ετησίως. Η ακριβής εκτίµηση του µεγέθους είναι δύσκολη επειδή αρκετό ποσοστό από τη δέσµευση του άνθρακα λαµβάνει χώρα υπογείως στις ρίζες και στο έδαφος. Περισσότερο φυσικό αέριο και λιγότερο γαιάνθρακας (coal) και πετρέλαιο χρησιµοποιούνται για λόγους κόστους και ευκολίας, και αυτή η χρήση βοηθά στο να επιβραδυνθεί η αύξηση των εκποµπών του άνθρακα. Εάν η παγκόσµια αύξηση της θερµοκρασίας όντως αποτελεί µια τόσο σοβαρή απειλή όπως φαίνεται να είναι, θα είναι απαραίτητο µακροπρόθεσµα να µεταπηδήσουµε σε ενεργειακές µορφές οι οποίες δεν βασίζονται στην εκποµπή του άνθρακα. Η πυρηνική διάσπαση, η βιοµάζα, η αιολική ενέργεια, και τα φωτοβολταϊκά αποτελούν ενεργειακές µορφές προς αυτή τη κατεύθυνση. Οι δαπάνες (το κόστος) και η συγκυρία της επέκτασης της πυρηνικής ενέργειας ή της υιοθέτησης ενεργειακών µορφών όπως ο άνεµος (αιολική ενέργεια) και τα φωτοβολταϊκά θέτουν «δύσκολες» ερωτήσεις - εµείς όµως στις επόµενες παραγράφους θα θεωρήσουµε µια λιγότερο γνωστή εναλλακτική λύση: τη χρήση ορυκτών καυσίµων χωρίς εκποµπές άνθρακα. Εκποµπές από την καύση καυσίµων. Από τα ατοµικά συστατικά των καυσίµων και της θερµαντικής τους αξίας, µπορούµε εύκολα να υπολογίσουµε την εκποµπή του CO2 ανά µονάδα θερµότητας που απελευθερώνεται σε καύση τους σε κανονικές συνθήκες. Οι σχετικοί αριθµοί ατόµων του υδρογόνου, του άνθρακα ή του οξυγόνου στα καύσιµα δίνονται από τους χηµικούς τύπους όπως παρουσιάζονται στον Πίνακα IV. Από τον χηµικό τύπο και τα ατοµικά βάρη υπολογίζεται το ποσοστό άνθρακα στη µάζα του καυσίµου (FC). Η µάζα του άνθρακα (MC) που απελευθερώνεται όταν καίγονται τα καύσιµα για να παραγάγουν ενέργεια Q είναι:

CC

h

F QMH

= , (28)

όπου hH είναι η υψηλότερη τιµή της θερµαντικής αξίας των καυσίµων. Η υψηλότερη θερµαντική αξία είναι η θερµότητα που απελευθερώνεται όταν ένα χιλιόγραµµο (κιλό) από τα καύσιµα καίγεται στον αέρα για να παράγει CO2 σε αέρια µορφή και νερό (σε υγρή µορφή) σε θερµοκρασία περιβάλλοντος. (Η χαµηλότερη τιµή της θερµαντικής αξίας είναι παρόµοια, εκτός από το ότι το νερό παραµένει στην κατάσταση ατµού και έτσι η λανθάνουσα θερµότητα της συµπύκνωσης δεν έχει απελευθερωθεί). Πολλές µελέτες δεν αναφέρονται στις εκποµπές ως µάζα άνθρακα στο CO2, αλλά αναφέρονται στις εκποµπές ως µάζα του CO2 (συνολικά, καθεαυτό). Επειδή το µοριακό βάρος του CO2 είναι 44 g mole-

1, η µάζα του CO2 είναι 2

(44 /12)CO CM M= .

Πίνακας IV. Μοριακά κλάσµατα του άνθρακα και άλλα συγκριτικά χαρακτηριστικά σε διάφορα καύσιµα.

Καύσιµο Χηµικός τύπος Ποσοστό του άνθρακα στη

µάζαa

Θερµαντική αξίαb

(MJ/kg)

Ένταση άνθρακα kg/GJ

Μεθάνιο CH4 0.75 55.5 13.5 Φυσικό αέριο CH3.8 0.76 50 15 Βενζίνη (Gasoline)

CH1.9 0.86 47.3 18.2

Ελαφρύ diesel (Light diesel fuel)

CH1.8 0.87 44.8 19.4

Προπάνιο C3H8 0.82 50.4 16.3 Αµερικανικό ακατέργαστο πετρέλαιοC (US crude oil)

CH1.65 0.86 42.2 20.4

Άνθρακας εργοστασίων παραγωγής ηλςκτρικής ενέργειας (Utility coal)

CH0.8 0.58 23.8 24

Μεθανόλη CH4O 0.375 22.7 16.5 Αιθανόλη C2H6O 0.52 29.7 17.5 a Στις περιπτώσεις του ακατέργαστου πετρελαίου και του άνθρακα, έχει ληφθεί υπόψη και η συνεισφορά στη συνολική µάζα των επιπρόσθετων ουσιών που συνήθως περιέχουν (impurities). b Βιβλιογραφική Αναφορά 18. Η τιµή που δίνεται είναι η υψηλότερη τιµή της θερµαντικής αξίας (βλέπε σχετική αναφορά στο κείµενο). c. Βιβλιογραφική Αναφορά 19, Πίνακας 4. Χρησιµοποιώντας αυτό το στοιχείο καθώς και πληροφορίες για την κατανάλωση καυσίµων, οι φοιτητές/φοιτήτριες θα µπορούσαν να διερευνήσουν τις δυνατότητες µειώσεων των εκποµπών του άνθρακα «αλλάζοντας» καύσιµα (δηλαδή, µε τη χρήση άλλων, εναλλακτικών, καυσίµων). Ή θα µπορούσαν να καθορίσουν κατά πόσο ένας «πράσινος» φόρος επί των εκποµπών του άνθρακα θα αύξανε την τιµή των καυσίµων. Εκµετάλλευση των ορυκτών καυσίµων χωρίς εκποµπές αερίων του θερµοκηπίου. Μια πρόταση είναι τα ορυκτά καύσιµα να καίγονται σε περιβάλλον οξυγόνου και το CO2 να δεσµεύεται (αντί να απελευθερωθεί στην ατµόσφαιρα) και να

αποθηκεύεται. Αυτή η διαδικασία θα ήταν οικονοµικά εφικτή να πραγµατοποιηθεί στις µεγάλες εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας (εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας). Μπορεί όµως αυτό να είναι περισσότερο πρακτικό να διαχωρίζεται το CO2 σε µεγάλες χηµικές εγκαταστάσεις, δηµιουργώντας µε το διαχωρισµό αυτό και υδρογόνο (το οποίο µπορεί να αποτελέσει καύσιµο καθεαυτό) παράλληλα µε τη παραγωγή ηλεκτρισµού, ενώ το CO2 τελικά να αποθηκεύεται υπόγεια, δηλαδή σε δεξαµένες στο έδαφος.20, 21 Τεχνολογία για τη µετατροπή των πλουσίων σε άνθρακα καυσίµων σε υδρογόνο. Το πρώτο βήµα είναι να παραχθεί συνθετικό αέριο («syn gas»), ένα µίγµα υδρογόνου και µονοξειδίου του άνθρακα. Εάν κάποιος αρχίσει µε το µεθάνιο, µια καλή µέθοδος είναι ο ανασχηµατισµός του υδρατµού (steam reforming): 4 2 23CH H O H CO+ → + σε σχετικά υψηλή θερµοκρασία και πίεση µε τη βοήθεια καταλύτη. Αυτή η διαδικασία χρησιµοποιείται ευρέως στη βιοµηχανία διύλισης πετρελαίου για να σχηµατιστεί υδρογόνο, το οποίο στη συνέχεια χρησιµοποιείται για να αναβαθµίσει την ποιότητα των προϊόντων πετρελαίου µε το να αυξάνει την αναλογία υδρογόνου/άνθρακα (H/C) και να αφαιρεί θείο. Το υδρογόνο χρησιµοποιείται επίσης στη χηµική βιοµηχανία στα αρχικά στάδια της παραγωγής αµµωνίας και µεθανόλης.22 Εάν κάποιος ξεκινήσει τη χηµική διαδικασία µε βαρύ καύσιµο πετρελαίου ή άνθρακα, το συνθετικό αέριο (syn gas) σχηµατίζεται µε µερική οξείδωση του καυσίµου: 2 2 2 22n mnO C H nCO mH+ → + .

Αυτή είναι καθιερωµένη διαδικασία στην πετροχηµική βιοµηχανία και γίνεται κάτω από υψηλή πίεση και θερµοκρασία - δεν χρειάζεται καταλύτης, αλλά απαιτείται οξυγόνο (όχι αέρας). Ακολουθώντας οποιαδήποτε από τις διαδικασίες παραγωγής συνθετικού αερίου, η αντίδραση water gas shift reaction χρησιµοποιείται για να µετατρέψει το CΟ. Σε σχετικά χαµηλή θερµοκρασία µε τη βοήθεια καταλύτη: CO + H2O → CO2 + H2 µε επακόλουθο διαχωρισµό του CO2 και του υδρογόνου. Κατά συνέπεια, οι καθιερωµένες βιοµηχανικές διαδικασίες παράγουν υδρογόνο από καύσιµα υδρογονανθράκων, µε διαχωρισµό του υδρογόνου και του διοξειδίου του άνθρακα. Εντούτοις, οι διαδικασίες είναι αρκετά δαπανηρές λόγω των πιέσεων και των θερµοκρασιών (ανταλλαγών θερµότητας) που απαιτούνται. Όµως υπάρχουν εν δυνάµει καινοτόµες τεχνολογίες που θα µπορούσαν να µειώσουν αυτές τις δαπάνες.20(a) Εκφράζοντας την αύξηση δαπανών ως δαπάνη ανά µετρικό τόνο (1 µετρικός τόνος = 1.1 τόνοι) των εκποµπών άνθρακα που δεν εκλύονται στο περιβάλλον, η δαπάνη εκτιµάται σε περίπου $50/τόνο, κόστος που διπλασίαζε το κόστος των καυσίµων. Παρόλα αυτά, επειδή η τελική χρήση του υδρογόνου σε κυψέλες (ως καύσιµο) πρέπει να είναι πιο αποτελεσµατική

ενεργειακά σε σχέση µε τη χρήση των καυσίµων από τα οποία προέρχεται, η συνολική αποδοτικότητα είναι ευνοϊκή, και το συνολικό κόστος µπορεί να µην είναι τόσο ψηλό.20(b) Αποθήκευση (Sequestration). Εάν η αποθήκευση (διοχέτευση) του CO2 στα βαθιά ωκεάνια νερά είναι εφικτή µε το CO2 να «δραπετεύει» στην ατµόσφαιρα αργά-αργά και µόνο µε µικρή επιβάρυνση στο θαλάσσιο περιβάλλον, η χωρητικότητα αποθήκευσης µε αυτό το τρόπο είναι τεράστια. Οι δαπάνες όµως µεταφοράς και συµπίεσης του CO2 θα είναι µεγάλες. Ένα προφανές µειονέκτηµα είναι ότι η τοποθεσία των εργοστασίων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (και της ενεργειακής χρήσης γενικότερα) απέχουν πολύ µακριά από τα βαθειά ωκεάνεια θαλάσσια νερά. Μια άλλη επιλογή µε µεγάλη χωρητικότητα για την αποθήκευση του CO2 είναι τα υπόγεια αλατούχα υδροφόρα στρώµατα (underground saline aquifers). Είναι βαθύτερα από τα υδροφόρα στρώµατα γλυκού νερού και θεωρούνται ότι έχουν µεγάλη χωρητικότητα. ∆εν είναι όµως επιβεβαιωµένο το πόσο CO2 µπορεί να αποθηκευτεί µε ασφάλεια µε αυτόν τον τρόπο - πολλοί εκτιµούν πως µπορεί να αποθηκευθεί η παραγωγή CO2 εκατοντάδων ετών.23, 24 Πολύ λιγότερο δαπανηρές αλλά και πιο περιορισµένες από τις προαναφερθείσες δυνατότητες είναι η αποθήκευση σε συνδυασµό µε την εξώρυξη πετρελαίου αλλά και την εξαγωγή του µεθανίου από κοιτάσµατα γαιάνθρακα. Το CO2 έχει εκτενώς διοχετευθεί υπόγεια, σε κοιτάσµατα πετρελαίου ώστε να διευκολυνθεί (µέσω της πίεσης) η εξώρυξη πετρελαίου από γειτονικά κοιτάσµατα. (Όµως µέχρι σήµερα το CO2 που έχει χρησιµοποιηθεί για αυτόν τον σκοπό έχει εξαχθεί από γεωλογικά αποθέµατα και δεν έχει συγκεντρωθεί/συλλεχθεί ως προϊόν της καύσης ορυκτών καυσίµων). Άντληση πετρελαίου µε αυτόν τον τρόπο λαµβάνει χώρα κυρίως σε περιόδους υψηλών τιµών πετρελαίου, επειδή το επιπλέον κόστος της διαδικασίας αυτής καλύπτεται από µέρος της αυξηµένης τιµής του πετρέλαιου. Το µεθάνιο προσελκύεται στην πορώδη επιφάνεια των γαιανθράκων και αποτελεί πηγή εκρήξεων σε πολλά ανθρακωρυχεία. Έχει παρατηρηθεί ότι το CO2 προσελκύεται εντονότερα στον γαιάνθρακα από το µεθάνιο και µετατοπίζει το µεθάνιο όταν εγχέεται σε ένα κοίτασµα γαιάνθρακα. Τα κοιτάσµατα γαιάνθρακα εκτιµάται πως µπορεί να αποτελέσουν σηµαντική πηγή φυσικού αερίου, ίσως διπλασιάζοντας τα διαθέσιµα αποθέµατα του φυσικού αερίου.25 Για τον λόγο αυτό είναι ίσως οικονοµικά και περιβαλλοντικά ωφέλιµο να χρησιµοποιηθεί το CO2 κατά αυτόν τον τρόπο. Η δυνατότητα για παγκόσµια αποθήκευση του CO2 µε αυτόν τον τρόπο µπορεί να καλύψει παραγωγή του αερίου για διάρκεια µιας ή περισσοτέρων δεκαετιών, συγκρίσιµη µε τη δυνατότητα αποθήκευσης CO2 στα δέντρα .21

VI. ΚΛΙΜΑΤΙΚΕΣ ΒΕΒΑΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΑΒΕΒΑΙΟΤΗΤΕΣ Συνοψίζουµε τώρα αυτό που είναι ήδη κατανοητό, αυτό που είναι αρκετά σίγουρο, και αυτό που είναι ακόµα αρκετά αβέβαιο για την κλιµατική αλλαγή στο κοντινό µέλλον.26 Αν και υπάρχουν ισχυρά αντικρουόµενες απόψεις, όµως, συγκεκριµένες πτυχές δεν αποτελούν πλέον αντικείµενο αντιπαράθεσης µεταξύ των µελών της επιστηµονικής κοινότητας (αν και είναι πάντα δυνατό να βρεθεί κάποιος «ειδικός» που διαφωνεί).

Πραγµατικότητες (facts) των οποίων η επιστηµονική τεκµηρίωση δεν αµφισβητείται (virtually certain facts, και που δεν εξαρτώνται από την υπάρχουσα ακρίβεια των κλιµατικών µοντέλων), είναι οι ακόλουθες:

(1) Τα αέρια του θερµοκηπίου αυξάνονται ως αποτέλεσµα της ανθρώπινης (ανθρωπογενούς) δραστηριότητας. (2) Η αυξανόµενη συγκέντρωση των αερίων του θερµοκηπίου παράγει µια αύξηση της radiative forcing. (3) Τα ανθρωπογενή αέρια του θερµοκηπίου παραµένουν στην ατµόσφαιρα για χρονικό διάστηµα που ξεκινά από δεκαετίες και φθάνει τους αιώνες. (4) Κατά τη διάρκεια του προηγούµενου αιώνα, οι παγκόσµιες θερµοκρασίες της επιφάνειας της Γης αυξήθηκαν κατά 0.5 °C (±0.2 °C). (5) Οι αυξήσεις του CO2 έχουν προκαλέσει κατά περίπου 1 °C ψύξη της στρατόσφαιρας. Η ψύξη προκαλείται από την αύξηση της υπέρυθρης εκποµπής του CO2 στη στρατόσφαιρα (όπου οι εκποµπές αυτές δεν «παγιδεύονται» από την απορρόφηση της ατµόσφαιρας). (6) Η φυσική µεταβλητότητα του κλίµατος (δηλαδή η µεταβλητότητα του κλίµατος από φυσικές αιτίες) καθιστά δύσκολη τον προσδιορισµό (ανίχνευση) µακροπρόθεσµων τάσεων. (7) Οι βασικές αβεβαιότητες για τα αποτελέσµατα του νερού στο κλιµατικό σύστηµα, και ειδικότερα των νεφών, είναι πιθανό να παραµείνουν ως σηµαντικό πρόβληµα στις προσπάθειες ανάπτυξης αποτελεσµατικών µοντέλων για µια ακόµα δεκαετία ή και περισσότερο.

Πολύ πιθανές προβλέψεις (projections), δηλαδή προβλέψεις που είναι πολύ πιθανόν να πραγµατοποιηθούν (µε πιθανότητα ~90%) εντός προσδιορισµένων ευρών τιµών, είναι οι ακόλουθες:

(1) Η αύξηση στην παγκόσµια µέση θερµοκρασία της επιφάνειας της Γης κατά τον προηγούµενο αιώνα είναι σύµφωνη µε τις προβλέψεις των µοντέλων (και δεν έχουν προταθεί άλλες, εναλλακτικές, ερµηνείες για το φαινόµενο της πλανητικής θέρµανσης). (2) Εάν το ατµοσφαιρικό CO2 διπλασιαστεί σχετικά µε τα προβιοµηχανικά επίπεδά του (διπλασιασµός που είναι πιθανό να πραγµατοποιηθεί τον επόµενο [21ο] αιώνα), θα επιφέρει παγκόσµιας αύξησης της θερµοκρασίας µεταξύ 1.5 °C και 4.5 °C. (3) Επειδή η επίδραση του CO2 φτάνει ένα επίπεδο κορεσµού (δείτε ∆ιάγραµµα 3), η forcing δεν αυξάνεται αναλογικά προς τη συγκέντρωση του CO2. (4) Μέχρι το 2100, η στάθµη της θάλασσας θα αυξηθεί κατά 50 cm (±20 cm). Ο ρυθµός µεταβολής αυτός είναι αργός επειδή ο κύριος µηχανισµός, δηλαδή η θέρµανση του νερού, αποτελεί αργή διεργασία. (5) Η µέση παγκόσµια βροχόπτωση θα αυξάνεται κατά 2% (±0.5%) για κάθε 1 °C θέρµανσης, λόγω της αυξανόµενης εξάτµισης και της εντεινόµενης δυναµικής του υδρολογικού κύκλου. (6) Θα υπάρξουν ουσιαστικές αλλαγές στα υψηλά γεωγραφικά πλάτη στο Βόρειο ηµισφαίριο. Οι αυξήσεις θερµοκρασίας θα είναι πάνω από τον παγκόσµιο µέσο όρο, ο θαλάσσιος πάγος θα µειωθεί, και η βροχόπτωση θα αυξηθεί.

Πιθανές προβλέψεις, δηλαδή προβλέψεις που έχουν πιθανότητα >50% για να πραγµατοποιηθούν, είναι οι ακόλουθες:

(1) Στα βόρεια και µεσαία γεωγραφικά πλάτη, η υγρασία του εδάφους θα µειώνεται τα καλοκαίρια. (2) Γύρω από την Ανταρκτική οι ωκεανοί είναι «ανθεκτικοί» στη θέρµανση και µόνο µικρή αλλαγή αναµένεται να συµβεί σε χρονικό ορίζοντα αιώνα ή και περισσότερο. (3) Ο σχηµατισµός των βαθέων ωκεάνειων ρευµάτων θα µειωθεί στα υψηλά γεωγραφικά πλάτη στο Βόρειο Ατλαντικό. Κατά συνέπεια το Ρεύµα του Κόλπου (Gulf Stream) το οποίο µεταφέρει το θερµό θαλάσσιο νερό στο Βόρειο Ατλαντικό και το σχετιζόµενο βαθύ ωκεάνειο ρεύµα επιστροφής µπορεί να απειληθεί από την αύξηση της ποσότητας του γλυκού νερού (από το λιώσιµο των πάγων) στην Αρκτική, η οποία θα µειώσει την αλµύρα και εποµένως το βύθισµα του νερού το οποίο αποτελεί και τον µηχανισµό σχηµατισµού του ρεύµατος επιστροφής.27 (4) Από τη στιγµή που θα σχηµατισθούν, οι τροπικές θύελλες θα γίνουν εντονότερες (πιο δυνατές σε µέγεθος) κατά µέσον όρο. (5) Το εύρος των φυσικών διακυµάνσεων της θερµοκρασίας θα παραµείνει σχεδόν το ίδιο.

Αβάσιµες προβλέψεις είναι οι ακόλουθες προβλέψεις που είναι µεν εύλογες, όµως, είναι αστήρικτες αυτή τη στιγµή από την επιστήµη του κλίµατος:

(1) Ο αριθµός των τροπικών καταιγίδων, θυελλών (hurricanes), και τυφώνων θα αυξηθεί. (2) Οι άνεµοι στους κυκλώνες στις περιοχές µέσου γεωγραφικού πλάτους (σε περιοχές χαµηλής πίεσης) θα γίνουν εντονότεροι.

∆εν υπάρχουν στοιχεία που να τεκµηριώνουν τις παραπάνω προβλέψεις. VII. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Έχουµε περιγράψει µερικές από τις βασικές αρχές φυσικής που σχετίζονται µε το πρόβληµα της πλανητικής θέρµανσης. Το κλιµατικό σύστηµα είναι εξαιρετικά σύνθετο και οι φυσικοί έχουν έναν σηµαντικό ρόλο να επιτελέσουν στην ανάλυση των µηχανισµών ανάδρασης (ανατροφοδοτικών µηχανισµών) και στις προβλέψεις για την εξέλιξή του στο µέλλον. Η ανθρωπότητα σήµερα αντιµετωπίζει ένα µεγάλο δίληµµα. Πληρώνουµε σήµερα το κόστος για να ελαχιστοποιήσουµε την παγκόσµια αύξηση της θερµοκρασίας, ή περιµένουµε µέχρι αργότερα µε το ενδεχόµενο να πληρώσουµε πολύ υψηλότερο κόστος για να αντιµετωπίσουµε ένα πολύ αλλαγµένο κλίµα? Μία λογική διαδικασία λήψης απόφασης απαιτεί όσο το δυνατόν πιο ακριβείς προβλέψεις για τη µελλοντική αλλαγή του κλίµατος. Πολλή ερευνητική δουλειά πρέπει να γίνει για να βελτιωθούν τα µοντέλα πρόβλεψης, και ένα µεγάλο µέρος της ερευνητικής αυτής δουλειάς θα γίνει από τους φυσικούς. Παρότι σήµερα, τα πιο προχωρηµένα τα µοντέλα γενικής κυκλοφορίας είναι εξαιρετικά ανεπτυγµένα, δεν παύουν να έχουν αναγνωρισµένες αδυναµίες. Πολλοί µηχανισµοί ανάδρασης έχουν προσδιοριστεί, όµως παραµένουν πολλές ποσοτικές αβεβαιότητες. Οι αβεβαιότητες είναι µεγαλύτερες στην περίπτωση των µηχανισµών που σχετίζονται µε τα σύννεφα και τα αερολύµατα. Πολλή ερευνητική εργασία χρειάζεται να γίνει στην παραγωγή δεδοµένων και κρίσιµων παρατηρήσεων του κλιµατικού συστήµατος και στη διατύπωση επιστηµονικά ισχυρών φυσικών θεωριών οι οποίες θα ενσωµατωθούν στα πρότυπα. Εποµένως, η απαιτούµενη ερευνητική εργασία που πρέπει να γίνει καλύπτει όλες τις διαστάσεις: την πειραµατική, τη θεωρητική, και την υπολογιστική. Το πρόβληµα της κλιµατικής αλλαγής είναι όχι µόνο ένα εξαιρετικά

σηµαντικό για το µέλλον της ανθρωπότητας, αλλά είναι ένα εξαιρετικά ενδιαφέρον επιστηµονικό πρόβληµα καθεαυτό. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ 1. T. E. Graedel and P. J. Crutzen , Atmospheric Change. An Earth System Perspective (W. H. Freeman and Co, New York, 1993). 2. S. H. Seinfeld and S. N. Pandis, Atmospheric Chemistry and Physics. From Air Pollution to Climate Change (Wiley, New York, 1998). 3. R. P. Turco, Earth Under Siege. From Air Pollution to Global Change (Oxford U.P., Oxford, 1997). 4(a) Climate Change: The IPCC Scientific Assessment, edited by J. T. Houghton, G. J. Jenkins, and J. J. Ephraums (Cambridge U.P., Cambridge, 1990); (b) Climate Change 1994: Radiative Forcing of Climate Change and An Evaluation of the IPCC IS92 Emission Scenarios, edited by J. T. Houghton, L. G. Meira Filho, J. Bruce, H. Lee, B. A. Callander, E. Haites, N. Harris, and K. Maskell (Cambridge U.P., Cambridge, 1995); (c) Climate Change 1995: The Science of Climate Change, edited by J. T. Houghton, L. G. Meira Filho, B. A. Callender, N. Harris, A. Kattenberg, and K. Maskell (Cambridge U.P., Cambridge, 1996). 5. This article is excerpted from material on climate change in a senior-level course, Energy Engineering, offered at the University of Michigan. 6. The 40-year history of CO2 concentration measured at Mauna Loa shows an annual oscillation of about 8 ppmv associated with seasonal storage and release of carbon in the biosphere superimposed on the long-term rise. 7. Annual Energy Review 1997 (Energy Information Administration, U.S. Dept. of Energy, 1998). 8. References for Fig. 1: J. M. Barnola et al., ‘‘Vostok ice core provides 160000-year record of atmospheric CO2,’’ Nature 329, 408–414 (1987); J. Jouzel et al., ‘‘Climatic interpretation of the recently extended Vostok ice records,’’ Clim. Dyn. 12, 513–21 (1996), A. Neftel et al., Historical CO2 Record from the Siple Station Ice Core (Physics Institute, University of Bern, CH-3012 Bern, Switzerland, 1994); C. D. Keeling; and T. P. Whorf, Atmospheric CO2 concentrations from Mauna Loa, Hawaii (Scripps Institution of Oceanography, 1996); K. R. Briffa and P. D. Jones, ‘‘Global surface air temperature variations over the twentieth century: Part 2, Implications for large-scale high-frequency paleoclimatic studies,’’ Holocene 3, 82–93 ~1993!. 9. J. P. Piexoto and A. H. Oort, Physics of Climate (American Institute of Physics, New York, 1992), p. 119. 10. J. T. Houghton, The Physics of Atmospheres, 2nd ed. (Cambridge U.P., Cambridge, 1986).

11. J. T. Kiehl and K. E. Trenberth, ‘‘Earth’s annual global mean energy budget,’’ Bull. Am. Meteorol. Soc. 78, 197–208 (1997). 12. D. L. Albritton and R. T. Watson, editors, Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1991 Global Ozone Research and Monitoring Project-WMO Report No. 25 (World Meteorological Organization, 1991). 13. T. H. Von der Haar and V. E. Suomi, ‘‘Measurement of the earth’s radiation budget from satellites during a five year period. Part I. Extended time and space means,’’ J. Atmos. Sci. 28, 305–314 (1971). 14. R. Binschadler, ‘‘Future of the West Antarctic Ice Sheet,’’ Science 282, 428–428 (1998). 15. J. T. Kiehl, ‘‘Atmospheric General Circulation Modeling,’’ in Climate System Modeling, edited by K. E. Trenberth (Cambridge U.P., Cambridge, 1992). 16. Office of Technology Assessment, U.S. Congress, Changing by Degrees, 1991, Chap. 7. 17. R. C. Johnson, ‘‘Unicycles and bifurcations,’’ Am. J. Phys. 66, 589–92 (1998). 18. J. B. Heywood, Internal Combustion Engine Fundamentals (McGraw- Hill, New York, 1987), p. 915, Appendix A and Appendix D. 19. W. L. Nelson, Petroleum Refinery Engineering, 3rd ed. (McGraw-Hill, New York, 1949). 20(a) R. W. Williams (private communication); (b) R. W. Williams, Fuel decarbonization for fuel cell applications and sequestration of the separated CO2, in Eco-restructuring: Implications for Sustainable Development, edited by R. U. Ayres (UN University Press, Tokyo, 1998), pp. 180–222. ‘‘A technological strategy for making fossil fuels environment and climate-friendly,’’ World Energy Council Journal, 59–67, July 1998. 21. E. A. Parson and D. W. Keith, ‘‘Fossil fuels without CO2 emissions,’’ Science 282, 1053–1054 (1998). 22. L. F. Hatch and S. Mater, From Hydrocarbons to Petrochemicals (Gulf Publishing, Houston, 1981). 23. C. Hendricks, Carbon Dioxide Removal from Coal-Fired Power Plants, Ph.D. thesis, Department of Science, Technology and Society, Utrecht University, Utrecht, The Netherlands, 1994. 24. S. Holloway (British Geological Survey), ed., The Underground Storage of Carbon Dioxide, Report prepared for the Joule II Programme (DG XII) of the Commission of the European Communities, Contract No. JOU2 CT92-0031, Brussels, February 1996.

25. D. Rice, B. Law, and J. Clayton, ‘‘Coal-Bed Gas-an Undeveloped Resource,’’ in The Future of Energy Gases, U.S. Geological Survey Professional Paper, No. 1570 (U.S. Government Printing Office, Washington, DC), pp. 389–404. 26. Unless another reference is given, the points raised here were discussed by J. D. Mahlman, ‘‘Uncertainties in projections of human-caused climate warming,’’ Science 278, 1416–1417 (1997). 27. W. S. Broecker, ‘‘Thermohaline circulation, the achilles heel of our climate system: Will man-made CO2 upset the current balance?,’’ Science 278, 1582–1588 (1997).