Dlaczego chmury robią się coraz ciemniejsze i co z tego wyniknie

Martyna Słowik: Z dzieciństwa pamiętam, że wiosną i latem przez niebo przepływało wiele chmur, różnej wielkości i kształtów, a świetną zabawą była ich obserwacja i określanie, co przypominają. Ostatnio chmur jest jakby mniej. Czy badania to potwierdzają? I czy bezchmurne niebo powinno być dla nas powodem do radości?

Prof. Szymon Malinowski: Bezchmurnego nieba nad Polską rzeczywiście jest ostatnio więcej, zwiększa się usłonecznienie i to pokazują też dane. Ta tendencja w Polsce jest częściowo lokalna i związana także ze zmianą klimatu, ale jest nieco inna niż tendencja globalna.

Coraz częściej zdarzają się w Polsce sytuacje nazywane blokadami wyżowymi – mówimy o nich, gdy obszary o wysokim ciśnieniu utrudnia przepływ powietrza, stabilizując pogodę. Jeśli jesteśmy w chłodniejszej części blokady wyżowej, gdzie spływa suche powietrze, to wtedy chmur jest mniej. Taka sytuacja występuje coraz częściej nad naszym krajem.

Chmury w Polsce są też od pewnego czasu trochę inne, bo w naszej atmosferze zmniejszyła się zawartość aerozoli atmosferycznych – pyłów PM10 i PM2,5, czyli smogu. To oznacza jednak, że jest mniej pyłów, które mogłyby odbijać promieniowanie słoneczne z powrotem w kosmos.

Patrząc globalnie, kwestia obecności chmur jest bardziej skomplikowana.

Dlaczego?

W miarę tego, jak nasilamy globalne ocieplenie, emitując coraz więcej gazów cieplarnianych, zmieniają się też pewne cechy globalnej cyrkulacji atmosfery. Bezchmurny pas, który odpowiada za powstanie pustyń, np. na Półwyspie Arabskim, rozszerza się. Wyże zwrotnikowe zaczynają zajmować trochę większą przestrzeń i „spychają” niże naszych szerokości geograficznych, które niosą ze sobą różnego rodzaju chmury i opady, w kierunku biegunów.

W pobliżu równika chmury burzowe są bardzo rozbudowane i one napędzają dużą część ogólnej cyrkulacji atmosfery. Dochodzi w nich do kondensacji pary wodnej „zgarnianej” nad oceanem przez pasaty, stałe wiatry wiejące z północnego wschodu na półkuli północnej i z południowego wschodu na półkuli południowej. Pasaty zbiegają się przy równiku, masy powietrza wędrują w górę, para wodna kondensuje, a wtedy wydziela się energia. Woda spada, a energia napędza cyrkulację atmosferyczną wokół globu.

Powietrze wyniesione tam do góry rozpływa się w kierunku biegunów i powoli opada na dużych obszarach. Jest już suche, więc obszary te są bezchmurne, sięgają na północy w naszym wycinku globu po tereny śródziemnomorskie, i tam obserwujemy coraz większe i dotkliwsze susze. Dopiero dalej, bliżej biegunów, zaczynają dominować inne formy cyrkulacji atmosferycznej, związane z prądem strumieniowym i niżami umiarkowanych szerokości geograficznych.

Mamy też szereg kolejnych procesów, już w skali lokalnej, związanych z oddziaływaniem aerozolu na chmury, czyli z reakcjami, jakie zachodzą między emitowanymi przez człowieka cząsteczkami zanieczyszczonego powietrza, które są tzw. jądrami kondensacji, i powstawaniem na nich kropelek chmurowych. Zmiana zawartości tych aerozoli wpływa na chmury tak, że gdy aerozoli jest więcej, chmury są bielsze, gdy mniej – ciemniejsze. Ogólnie, gdy spada ilość aerozolu, to chmury stają się mniej białe.

Użył Pan pojęcia „jądra kondensacji”. Co to takiego?

To drobne cząsteczki zawieszone w powietrzu, takie jak aerozole siarkowe, kryształki soli, popiół czy pyłki roślin albo bakterie. Na nich skrapla się para wodna, powstają malutkie kropelki, których wielkie zbiory tworzą chmury. Ich rozmiar jest mikroskopijny, poniżej 1 mikrometra średnicy.

W jaki sposób zmieniamy zawartość aerozoli w atmosferze?

Nawet gdy dziś spalamy coraz więcej paliw kopalnych, to zależy nam coraz bardziej na czystym powietrzu. Żeby to osiągnąć, zaczęliśmy kiedyś od wprowadzania elektrofiltrów i odsiarczania spalin przemysłowych, potem wzięliśmy się za eliminowanie „kopciuchów”. To powodowało powolny spadek antropogenicznych emisji aerozolu w ciągu ostatnich 40 lat. W 2020 r. podpisano światową umowę o redukcji zawartości siarki w paliwie dla statków. Nad wielkimi obszarami oceanów spadła ilość emitowanych aerozoli i z tego powodu chmury powyżej stały się inne. Ta sama ilość wody skondensowała na mniejszej liczbie jąder kondensacji, powstały kropelki większe i rzadziej rozmieszczone w przestrzeni. Taka chmura jest „mniej biała”, słabiej odbija promieniowanie słoneczne.

To, co obserwujemy w ostatnich 2-3 latach, to gwałtowne pociemnienie niskich chmur, tzw. stratocumulusa morskiego, szczególnie na szlakach żeglugowych. Są one zatłoczone – wysyłamy statkami mnóstwo towarów. Zmiana jasności chmur ma bezpośredni związek z redukcją zawartości siarki w paliwach, do czego zobowiązywała umowa. Wygląda na to, że nie docenialiśmy globalnie skuteczności „wybielania chmur” przez aerozole, które maskowało w ten sposób część rosnącego efektu cieplarnianego.

Czyli zmniejszenie zawartości aerozoli siarki w atmosferze doprowadziło do tego, że chmury są ciemniejsze, co sprawia, że odbijają mniej promieniowania słonecznego, a tym samym przyczyniają się do szybszego nagrzewania się Ziemi. Istnieją sposoby na to, by „wybielać” chmury, aby odbijały więcej światła i ratowały nas z opresji?

Pomysłodawca jednego z rozwiązań, które miałoby wybielać chmury, ten morski stratocumulus, już nie żyje. Był nim brytyjski fizyk John Latham. Zaproponował wybielanie morskich chmur przez sztuczną emisję aerozolu pochodzącego z rozpylania wody morskiej. Po wyparowaniu kropelek wody zostałyby cząsteczki soli, które są bardzo dobrymi jądrami kondensacji. I one wybieliłyby chmury.

Jednak na razie tego rozwiązania się nie wykorzystuje. Są problemy techniczne, ale potrzebny jest też ktoś, kto to sfinansuje, a jak na razie chętnych nie ma.

Dzięki temu rozwiązaniu moglibyśmy zachować ten efekt bielszych chmur „maskujący” część globalnego ocieplenia, ale bez szkodliwych dla zdrowia i ekosystemów aerozoli siarkowych. Lokalne rozpylanie cząsteczek wody morskiej jest znacznie bezpieczniejsze niż często dziś proponowane rozpylanie na dużą skalę w stratosferze aerozoli siarkowych, nad którymi nie ma później żadnej kontroli, a one mogą zalegać tam kilka lat, w przeciwieństwie do cząsteczek soli, które wpłyną na niskie chmury na ograniczonym obszarze w krótkim czasie.

Takie pomysły naprawdę się pojawiały?

Od dawna mówimy o tzw. inżynierii planetarnej, geoinżynierii, jako narzędziu do częściowej kompensacji wzrostu temperatury na Ziemi wywołanego działalnością człowieka. Jak wspomniałem, najdawniej i najszerzej dyskutowane są najprostsze pomysły, na czele z rozpylaniem aerozoli siarkowych w stratosferze. Bardzo szybko okazało się jednak, że geoinżynieria stratosferyczna może być bardzo niebezpieczna, ponieważ wpływa na globalną cyrkulację atmosferyczną, i to w taki sposób, że powoduje spadek opadów w kluczowych obszarach.

Skąd pomysł na rozpylanie akurat aerozoli siarkowych?

Miało to naśladować wielkie wybuchy wulkanów z okolic równikowych, które potrafiły wyemitować związki siarki do stratosfery i w ten sposób ochładzać atmosferę, ponieważ zwiększały odbijanie promieniowania słonecznego.

Podsumujmy: związki siarki w atmosferze są w stanie obniżyć temperaturę, ponieważ odbijają światło słoneczne, ale wywołują efekt uboczny w postaci zaburzeń w powstawaniu chmur i występowaniu opadów?

Tak. Wybuchy wulkanów wpływały na cyrkulacje atmosferyczne i „wyłączały” czy zmniejszały monsun azjatycki, który jest głównym dostawcą wody w rolnictwie dla dużej części ludności świata.

Skutki uboczne naśladującej te zjawiska geoinżynierii mogą być dużo gorsze niż uzyskane pozytywne efekty. Jednak niektórzy ludzie uważają, że nadal powinniśmy próbować forsować ten pomysł, bo to jest najtańszy.

Z kolei stratocumulusy zalegające nisko nad morzem, o których wspomniałem, dla obserwujących je z ziemi osób wydają się często szare, ołowiane i ciemne. Jednak to efekt naszej „oddolnej” perspektywy. Są od spodu ciemne właśnie dlatego, że odbiły już dużo promieniowania słonecznego i pod nimi jest ciemniej. Ale widziane z góry, powyżej atmosfery, są bardzo jasne. One, w skali globu, najbardziej chłodzą klimat i ich wybielanie, lokalne, łatwe do modyfikacji czy „wyłączenia”, jest dużo bezpieczniejsze.

Warto tutaj zaznaczyć, że przekonanie, iż z czarnej chmury będzie wielka burza i deszcz, tylko częściowo jest prawdziwe. To, jak jasna jest chmura na niebie, zależny od jej własności oraz położenia obserwatora i Słońca. Ta sama chmura, gdy widzimy ją od strony oświetlonej przez Słońce, jest oślepiająco biała, z drugiej, zacienionej, jest ciemna.

Jak wytłumaczyć to, że najniższe chmury, stratocumulusy, odbijają najwięcej promieniowania?

One działają prawie tak, jak lód na powierzchni oceanu. Gdy patrzymy z góry od strony Słońca, to prawie nie widać różnicy między tymi chmurami a warstwą lodu pływającą na powierzchni oceanu. Jednak różnie odbijają promieniowanie słoneczne w zależności od swojej budowy. Najważniejsze jest, jak duże są kropelki wody, z których się składają, i jak gęsto są rozmieszczone. Warto przypomnieć, że chmura nie składa się z pary wodnej, tylko z kropelek wody bądź kryształków lodu. Chmury zawieszone nisko nad ziemią, blisko jej powierzchni, nazywane są ciepłymi i składają się z kropelek wody. Te położone wyżej złożone są z kryształków lodu. Ta różnica w budowie powoduje również, że inaczej wyglądają.

Ta chmura widoczna w oknie za nami jest z wody czy z lodu?

To chmura typu cirrus, zawieszona wysoko, ok. 7-8 km nad ziemią. Składa się z większych kryształów lodu, dużo rzadziej rozłożonych w przestrzeni, co sprawia, że jest bardziej przezroczysta, „rzadsza”.

Gdy tylko zdarza mi się lecieć samolotem, staram się wybierać miejsce przy oknie i patrzeć na chmury.

W jaki sposób bada się chmury?

Są różne sposoby. Jeden z bardziej spektakularnych polega na odpowiednim wyposażeniu samolotu badawczego i latanie przez te chmury; mierzenie ich w miejscu, gdzie występują.

Nasza grupa z Uniwersytetu Warszawskiego jest najlepsza na świecie w pomiarze temperatury chmur z pokładu samolotu. Gdy nim lecimy, mierzymy temperaturę co 2-3 mm i dzięki temu wiemy, jakie są fluktuacje temperatury w otoczeniu poszczególnych kropelek. Inni koledzy mierzą przyrządami optycznymi te poszczególne kropelki, ich rozmiary, rozkład przestrzenny. Aby dobrze zbadać chmury, mierzy się dziesiątki parametrów różnymi przyrządami umieszczonymi na zewnątrz samolotu. Technika jest już tak zaawansowana, że istnieją w tej chwili urządzenia, które potrafią też mierzyć skład izotopowy atomów tlenu w wodzie kropelek chmurowych, co mówi o tym, czy one powstały bezpośrednio wskutek parowania z powierzchni np. oceanu, czy z wyparowania chmury, która była w tym miejscu wcześniej.

Mają Państwo swój samolot do badania chmur?

Nie stać nas na to, nie ma takiego samolotu ani w Polsce, ani w wielu innych krajach. Duży eksperyment z lotami w chmurach to są miliony dolarów. Współpracujemy z innymi naukowcami na świecie i bierzemy udział w projektach międzynarodowego dostępu do samolotów badawczych utrzymywanych przez bogate kraje i agencje. Czasami robi się jeszcze większe eksperymenty, przygotowywane latami, w których udział bierze kilka samolotów, statków czy satelity w trybie specjalnym.

Niestety nie jest też tak, że wystarczy wziąć drona, wypuścić w powietrze i zmierzyć to, co się chce. Uzyskanie pozwolenia na wykonywanie lotów w przestrzeni powietrznej, tam gdzie to uzasadnione naukowo, i to jeszcze w czasie, kiedy panują określone warunki atmosferyczne, a to potrafi się przecież zmieniać z godziny na godzinę, jest naprawdę trudne. Trzeba przekroczyć wiele biurokratycznych barier i zgrać wiele elementów w jednym czasie.

Czy zmiana klimatu i zmieniające się chmury będą wpływały również na większą częstotliwość występowania turbulencji na pokładach samolotów?

Tak, to będzie nowa rzeczywistość, z którą będziemy musieli się zmierzyć. Turbulencje występują nie tylko w chmurach burzowych, ale też w prądach strumieniowych czy wysoko nad górami. Jeżeli wyobrazimy sobie atmosferę jako warstwy, to każda kolejna warstwa może być zaburzona, w zależności od własności tych warstw, zaburzenie może propagować się i narastać, kolejne zaburzenia mogą się nakładać. Wtedy pojawia się turbulencja.

Prowadzili Państwo badania na ten temat?

Po koledze, który ciężko zachorował i zmarł, „odziedziczyłem” studenta, który brał udział w pewnym projekcie europejskim dotyczącym pomiaru turbulencji z pokładu małego odrzutowego samolotu pasażerskiego. Kontynuując te badania wpadliśmy na pomysł, w jaki sposób zmapować turbulencję, której doświadczają samoloty pasażerskie. Na pewno zna pani program Flight Radar. Działa na podstawie pomiaru parametrów lotu samolotów pasażerskich, które są rozsyłane radiowo co sekundę bądź 4 sekundy. Okazuje się, że gdy te dane odbierze się i odpowiednio przeanalizuje, to można określić, czy samolot jest w polu turbulencji, i nawet podać jej intensywność. Odbierając dane z wielu samolotów nad naszymi głowami, można więc w czasie rzeczywistym na mapie zaznaczać obszary turbulencji.

Napisaliśmy na ten temat pracę, która dostała nagrodę redakcji czasopisma „Atmospheric Measurement Techniques”. Zwróciliśmy się z tym pomysłem do Polskich Linii Lotniczych Lot oraz do Polskiej Agencji Żeglugi Powietrznej. Rozmawialiśmy też z firmami prywatnymi. Żadna z instytucji czy firm nie była zainteresowana dalszymi badaniami i rzeczywistą próbą wdrożenia pomysłu. W pewnym momencie zadzwonił szef bezpieczeństwa linii Emirates Airlines, który przeczytał nasz artykuł. Zaczęły się negocjacje pomiędzy Uniwersytetem Warszawskim a tymi liniami, aby program badania turbulencji rozwijać, zainstalować czujniki na ich samolotach latających do Warszawy, a po drodze ustawić więcej odbiorników. Mieliśmy pomysł, pokazaliśmy, że on działa, ale żeby rozwinąć z tego większą działalność, wrdożyć, trzeba w to włożyć pieniądze i pracę. Niestety, podpisanie porozumienia między tymi liniami a Uniwersytetem Warszawskim okazało się niezwykle skomplikowane. Po jakimś czasie walki zrezygnowaliśmy. Pomysł jest cały czas do wzięcia.

Wróćmy do chmur. Możemy powiedzieć, że każda z nich jest inna?

Zdecydowanie. Chmura, która zawiera tę samą ilość wody i powstała w tych samych warunkach termodynamicznych, czyli temperaturze, wilgotności i ciśnieniu, może mieć różną budowę i własności ze względu na zróżnicowany skład mikroskopijnych cząsteczek aerozoli, „na których” powstała. Czy to cząsteczki soli, czy aerozole siarkowe, czy tzw. dimetylosulfaty, czy popioły, aerozole przyniesione z pustyń w postaci pyłu, różne aerozole antropogeniczne – każde mają nieco inne własności formowania kropel, zależne od ich wielkości i struktury przepływu powietrza – turbulencji. To wszystko razem sprawia, że każda chmura jest nieco inna i ma inne zdolności odbijania promieniowania słonecznego oraz inaczej może tworzyć się w niej opad. Chmury to procesy, wplecione w cały szereg cyrkulacji atmosferycznych, w obieg wody w przyrodzie, związane z nimi wieloma sprzężeniami i oddziaływaniami.

Jakie konsekwencje, poza spadkiem ilości chmur, ma to, że zmniejszyliśmy zawartość aerozoli siarkowych w atmosferze nad oceanami?

Wiele nowych wyników badań wskazuje na to, że gwałtowny skok temperatury globalnej w ostatnich 3 latach jest w dużej mierze wynikiem właśnie tego działania. W przyrodzie wszystkie zdarzenia są umieszczone w pewnych łańcuchach zależności. Jeżeli chmury odbijają mniej światła, to powierzchniowa warstwa oceanu pochłonie więcej energii słonecznej i ogrzeje się bardziej. Pomiary to potwierdzają: obserwujemy widoczny wzrost temperatury powierzchniowych warstw oceanu, głównie w obszarach szlaków żeglugowych. Gdy rośnie temperatura powierzchniowych warstw oceanu, to gorzej rozpuszcza się w nim atmosferyczny dwutlenek węgla. Oceany pochłaniają go coraz mniej. 

Więc kolejny element domina: w ostatnich 2 latach obserwujemy rekordowe przyrosty koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze, mimo że emisje spowodowane działalnością człowieka urosły tylko w nieznacznym stopniu. Podobnie z lasami czy ekosystemami – tracą one na naszych oczach dawną zdolność do pochłaniania CO2 w takiej jak kiedyś ilości, zmieniają się wskutek zmiany opadów. Usunęliśmy aerozole siarkowe z paliw dla statków, wpłynęliśmy tym na chmury, ale – jak widać – wywołaliśmy też szereg innych konsekwencji, które dopiero się odsłaniają. Wiedzieliśmy, że to nastąpi, tylko nie doceniliśmy, że może się to stać tak szybko i w takim zakresie.

Czy istnieje ryzyko, że chmury na wielu obszarach znikną na długi czas?

Tak. Jest możliwe, że morski stratocumulus, o którym rozmawialiśmy, zniknie nad pewnym kluczowymi obszarami.

Pamiętajmy, że chmury to bardzo delikatna równowaga pomiędzy procesami parowania, obecnością aerozoli, strumieniami promieniowania słonecznego i wielkością efektu cieplarnianego. Gdy niskie, warstwowe chmury będą zbyt silnie ogrzewane z góry przez zwiększony efekt cieplarniany, to one w niektórych miejscach znikną.

Jeżeli myślimy o przyszłym klimacie i ociepleniu zależnym od tego, ile gazów cieplarnianych wyemitujemy, to kwestia chmur i ich zmian jest największym obszarem niepewności w prognozach. Wciąż mało wiemy o tym, w jakim stopniu się zmienią. Okazuje się, że do tej pory nie docenialiśmy ich chłodzącego wpływu. To może oznaczać, że konsekwencje dalszych emisji gazów cieplarnianych mogą być dużo gorsze, niż w tej chwili się uważa.

Prof. SZYMON MALINOWSKI jest fizykiem atmosfery. Specjalizuje się w badaniach fizyki chmur i opadów, turbulencji atmosferycznych, w modelowaniu numerycznym procesów atmosferycznych i nieliniowych procesów zachodzących w atmosferze. Przewodniczący Komitetu ds. Kryzysu Klimatycznego Polskiej Akademii Nauk. Popularyzuje wiedzę o klimacie.