prof. dr. hab. inż. Kazimierz Różański

1. Kazimierz Różański
Globalne ocieplenie:
czy możemy coś z tym zrobić?
Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica
Kraków

2.  Kto jest winien – natura czy człowiek?
 Czy możemy coś z tym zrobić?
 Czy faktycznie mamy do czynienia z globalnym
ociepleniem?
PLAN REFERATU
 Wprowadzenie
 Podsumowanie

3. CO TO JEST KLIMAT ?
Manifestacja średniego bilansu radiacyjnego Ziemi dla okresów
czasu dłuższych niż jeden rok
Ziemia
Temperatura radiacyjna
powierzchni Ziemi: -17oC
Mierzona średnia
temperatura
powierzchni Ziemi: +15oC
Naturalny efekt
cieplarniany: +32oC
H2O (64%)
CO2 (22%)
O3 (8%)
N2O (4 %)
CH4 (2 %)
Wenus:
Temp. radiacyjna: 25oC
Temp. powierzchni: 427oC
Efekt cieplarniany: 402oC
SoSR RZ
BILANS RADIACYJNY: RF = So – (SR + RZ) RF – wymuszenie radiacyjne

4. PODSTAWOWE CHARAKTERYSTYKI KLIMATU
 wartości średnie parametrów charakteryzujących przeciętny
stan systemu klimatycznego Ziemi (temperatura powietrza przy
powierzchni i w stratosferze, ilość opadów, wilgotność względna,
zachmurzenie, albedo powierzchni Ziemi, cyrkulacja oceanu, itp.);
 zmienność czasowa i przestrzenna parametrów klimatycznych
opisana odpowiednimi wielkościami statystycznymi (np. wariancją)
 wartości i częstości występowania maksymalnych
odchyleń od stanu przeciętnego (fale upałów, powodzie,
huragany, itp.)

5. ZMIANA KLIMATU MANIFESTUJE SIĘ W RÓŻNY SPOSÓB:
 poprzez zmianę średnich wartości parametrów
klimatycznych…
 poprzez zmianę zakresu ich zmienności i częstości
występowania wartości maksymalnych…..
 poprzez równoczesną zmianę obu tych charakterystyk.

6. Wzrost
wartości
średniej
Wzrost
wariancji
Wzrost wartości
średniej i wariancji

7. ZMIENNOŚĆ A ZMIANA KLIMATUTemperaturaoC
Czas (lata) Czas (lata)
TemperaturaoC

8. Typ procesów Konsekwencje dla systemu
klimatycznego
Skala czasowa
zmian
Czynniki geologiczne:
• tektonika płyt
• zmiany położenia i powierzchni
kontynentów
• zmiany przebiegu prądów morskich
• zmiany cyrkulacji atmosfery
106 – 109 lat
Czynniki astronomiczne:
• zmiany parametrów orbity Ziemi
• zmiany wielkości i rozkładu przestrzennego
strumienia promieniowania słonecznego
docierającego do powierzchni Ziemi
~ 100 tys. lat
~ 41 tys. lat
~ 27 tys. lat
Czynniki astrofizyczne:
• zmiany aktywności Słońca
• zmiany bilansu radiacyjnego systemu
powierzchnia Ziemi – atmosfera (zmiany
stałej słonecznej)
Cykliczność 11-to letnia
102 – 104 lat
Zjawiska punktowe w czasie:
• erupcje wulkaniczne
• uderzenia meteorytów
• zmiany bilansu radiacyjnego systemu
powierzchnia Ziemi – atmosfera
~ 1 – 102 lat
Czynniki antropogeniczne:
• emisja gazów cieplarnianych
• zmiany albedo systemu
powierzchnia Ziemi - atmosfera
• zmiany bilansu radiacyjnego układu
powierzchnia Ziemi – atmosfera
ostatnie 102 – 104 lat
CZYNNIKI POWODUJĄCE ZMIANY KLIMATU

9. ZMIANY KLIMATU ZIEMI
 badania mechanizmów funkcjonowania
globalnej maszyny klimatycznej, obecnie
i w przeszłości geologicznej Ziemi
 modelowanie zmian klimatu Ziemi w różnych
skalach czasowych i przestrzennych
 relacje między klimatem Ziemi, gospodarką
i rozwojem społecznym
Raporty Międzyrządowego Panelu ds. Zmian
Klimatu (IPCC) (1988)
 1990
 1995
 2001
 2007
 2013
 październik 2018:
(Special Report: Global Warming of 1.5oC….)
Szczyt Ziemi, Rio de Janeiro (1992)
UNFCCC - Ramowa Konwencja Narodów
Zjednoczonych w Sprawie Zmian Klimatu
 weszła w życie 21 marca 1995
 konwencję ratyfikowało 196 państw
Protokół z Kioto (1997)
 wszedł w życie 16 lutego 2005
 redukcja emisji gazów cieplarnianych
o co najmniej 5.2% w okresie 2008-2012,
w porównaniu do poziomu z 1990 r.
 ratyfikowany przez 193 państwa
 wygasł 31 grudnia 2012
COP21, Paryż (2015):
Porozumienie Paryskie
 utrzymać wzrost średniej temperatury Ziemi
„znacznie poniżej 2°C”
 porozumienie weszło w życie w listopadzie 2016 r
COP24, Katowice (2018):
Pakiet Katowicki
NAUKA PROCES POLITYCZNY
COP25, Madryt (2019):

10. Czy faktycznie mamy do czynienia
z globalnym ociepleniem?

11. Nauka odpowiada: TAK
Systematyczne obserwacje parametrów klimatycznych
prowadzone od stu kilkudziesięciu lat ze wzrastającą
intensywnością jednoznacznie wskazują na stopniowe
ocieplanie się klimatu Ziemi ze wszystkimi jego
konsekwencjami.

12. Okres odniesienia: 1951-1980
(NASA/GISS, 2020)
Średnia globalna temperatura powierzchniowej warstwy atmosfery
wzrosła w ostatnich 150 latach o około 1oC
Odchyłkatemperatury(oC)

13. (NASA/GISS, 2020)
Odchyłkatemperatury(oC)
Okres odniesienia: 1951-1980
Zmiany temperatury na oceanem i nad kontynentami

14. ROZKŁAD PRZESTRZENNY ZMIAN TEMPERATURY
(NASA/GISS, 2020)
Odchylenia średniej rocznej temperatury dla 2019 roku od średniej za lata 1951-1980

15. KONSEKWENCJE WZROSTU TEMPERATURY
I. ZMIANY W GLOBALNEJ KIOSFERZE

16. ~ 400 Gt/rok
(Arctic Report Card, 2019)
 ZMIANY W ARKTYCE:
- zmniejsza się zasięg i grubość lodu morskiego
- topi się wieczna zmarzlina
- populacja niedźwiedzi polarnych i reniferów jest zagrożona
- ptaki i ryby migrują
- tundra się zieleni (zmiany szaty roślinnej)
marzec 2019 wrzesień 2019

17.  Topnieją wielkie czasze lodowe Grenlandii i Antarktydy
WAIS
~ 400 Gton/rok ~ 200 Gton/rok
GRENLANDIA:
S = 1.71 mln km2
V = 2.85 mln km3
CAŁKOWITE
STOPIENIE:
+ 7.2 m
ANTARKTYDA:
S = 14 mln km2
V = 30 mln km3
CAŁKOWITE
STOPIENIE:
+ 61.1 m !

18. (IPCC, 2007)
(World Glacier Monitoring Service, 2019)
 COFAJĄ SIĘ LODOWCE KONTYNENTALNEDługośćlodowcawzględem1950r
Rok
Sumarycznybilansroczny(mmH2O)

19. Lodowiec Grindlewand, Szwajcaria
1850 - 2008
Zmiany w kriosferze – lodowce kontynentalne

20. (IPCC, 2014)
mm/dekadę
II. ZMIANY ILOŚCI OPADÓW
1951-2010

21. Średnie tempo wzrostu poziomu oceanu w okresie
1993-2017 wyniosło 3.3 mm/rok, w tym:
 ekspansja termiczna (ok. 39% )
 topnienie lodowców kontynentalnych (ok. 27% )
 topnienie czaszy lodowej Grenlandii (ok.12% )
 topnienie czaszy lodowej Antarktydy (ok. 9% )
 zmiana ilości wody w litosferze kontynentalnej
(ok. 13% )
Poziom oceanu światowego wzrósł o ok. 22 cm w okresie 1900-2017
(IPCC, 2013)
III. WZROST POZIOMU OCEANU ŚWIATOWEGO

22. (Barriopedo et al., Science, vol.332, 8 April 2011)
European summer temperatures for 1500–2010. Statistical frequency distribution of best-guess reconstructed
and instrument based European summer land temperature anomalies (degrees Celsius, relative to the 1970–
1999 period) for the 1500–2010 period (vertical lines). The five warmest and coldest summers are highlighted.
Gray bars represent the distribution for the 1500–2002 period (11), with a Gaussian fit in black. Data for the
2003–2010 period are from (23).
Średnie temperatury miesięcy letnich w Europie w okresie 1500–2010

23. Ekstremalne temperatury w Europie 25 lipca 2019

24. KLIMAT ZMIENIA SIĘ !
NIE MAMY Z TYM NIC WSPÓLNEGO !
 …..klimat Ziemi zmieniał się w przeszłości,
zmienia się obecnie i będzie się zmieniał w
przyszłości, czy nam się to podoba czy nie,
a człowiek ma w tym znikomy udział…
 ….teza o wpływie człowieka na klimat to
spisek naukowców …eko-terroryzm…
jeden z najbardziej bezczelnych szwindli
intelektualnych wszech czasów…
 …lepiej przeznaczyć fundusze na inne cele…
ZRÓBMY COŚ !
 ….człowiek modyfikuje w sposób znaczący
bilans radiacyjny Ziemi poprzez emisje
CO2 i innych gazów cieplarnianych do
atmosfery oraz zmiany użytkowania
terenu. Globalne ocieplenie jest efektem
tej ingerencji….
 … zahamowanie zmian klimatu jest
naszym moralnym obowiązkiem wobec
przyszłych pokoleń….

25. Kto jest winien: natura czy człowiek?
Czy obserwowana ewolucja klimatu wynika z jego naturalnej
zmienności czy też ma podłoże antropogeniczne ?

26. Odpowiedź na to pytanie jest możliwa wyłącznie poprzez
fizyczny opis struktury, funkcjonowania i ewolucji
globalnego systemu klimatycznego Ziemi w skalach czasu
porównywalnych z okresem znaczącej ingerencji człowieka
w ten system (~ 102-103 lat). Taki opis jest możliwy wyłącznie
ramach globalnych modeli klimatycznych.

27. CZYNNIKI KONTROLUJĄCE
BILANS RADIACYJNY UKŁADU
ZIEMIA - ATMOSFERA
 Strumień energii ze Słońca docierającej
do górnych warstw atmosfery (So)
 Stężenie gazów cieplarnianych w atmosferze (Rz) (A)
 Albedo układu Ziemia - Atmosfera (SR) (A)
SR So RZ
RF = So – (SR + RZ)

28. (Meinshausen et al., 2017)
Wzrost stężeń głównych gazów cieplarnianych w atmosferze w okresie 1850-2014
CO2 CH4 N2O

29. (Meinshausen et al., 2017)
Stężenia głównych gazów cieplarnianych w atmosferze w przeszłości
Ostatnie 2000 lat
Ostatnie 800 tysięcy lat
Wymuszenie radiacyjne (RF):
RF = So – (SR + RZ)

30. WYMUSZENIE RADIACYJNE 1750 -2011
(IPCC, 2013)
SYSTEM ZIEMIA-ATMOSFERA AKUMULUJE ENERGIĘ !
Antropogeniczne
wymuszenie radiacyjne
względem 1750

31. Modelowanie zmian temperatury globalnej w ostatnich 150 latach
(IPCC 2007, 2013)
Wymuszenia nautralne:
(zmiany aktywności Słońca,
wybuchy wulkanów)
Wymuszenia nautralne
i antropogeniczne:
(emisje gazów cieplarnianych
i aerozoli, ozon, zmiany albedo
powierzchni Ziemi)

32. Czy możemy coś z tym zrobić?

33. STRATEGIE MODYFIKACJI BILANSU RADIACYJNEGO ZIEMI
2. MODYFIKACJA STRUMIENIA PROMIENIOWANIA EMITOWANEGO PRZEZ ZIEMIĘ
( ZWIĘKSZENIE RZ)
SoSR
RZ
 REDUKCJA So
 ZWIĘKSZENIE SR
1. MODYFIKACJA BILANSU PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO W SKALI PLANETARNEJ
(SOLAR RADIATION MANAGEMENT - SRM):
Wymuszenie radiacyjne (RF):
RF = So – (SR + RZ)
RF (1950) = 0.57 W/m2
RF (1980) = 1.25 W/m2
RF (2018)  2.60 W/m2

34. REDUKCJA So:
Aby zredukować aktualny poziom wymuszenia radiacyjnego (ok. 2,6 W/m2) do poziomu zerowego (rok 1750),
należałoby zredukować strumień promieniowana słonecznego docierającego do szczytu atmosfery Ziemi o ok.
0,3%. Można to zrobić umieszczając w kosmosie na drodze promieniowania (punkt L1) lustra o sumarycznej
powierzchni ok. 380 tys. km2.
Potencjał redukcji RF: - wysoki
Koszty: - ogromne
”do skompensowania obecnej szybkości wzrostu stężenia CO2 w atmosferze (ok. 2 ppm/rok),
należałoby instalować co roku dodatkową powierzchnię luster rzędu 35 tysięcy km2 .
Odpowiada to, przy obecnej technologii , ok 155 tysiącom startów rakiet rocznie, przy czym
w każdej rakiecie znajdowałoby się ok. 880 tysięcy luster o powierzchni 0,288 m2 ”.
(Angel, 2006)
Technologia: - wymaga dopracowania„”
Effekty uboczne: - brak
So

35. ZWIĘKSZENIE ALBEDO UKŁADU ZIEMIA-ATMOSFERA
(A = SR/So):
1. Wprowadzanie do stratosfery związków siarki (SO2)
Aby zredukować aktualny poziom wymuszenia radiacyjnego (ok. 2,6 W/m2) do poziomu
zerowego (rok 1750) należałoby deponować w stratosferze ok. 20 milionów ton SO2
(Erupcja wulkanu Pinatubo na Fillipinach w 1991 r spowodowała zdeponowanie około 32 mln ton
SO2 w stratosferze)
Potencjał redukcji RF: - wysoki
Koszty: - względnie niskie
Technologia: - wymaganie są testy
Efekty uboczne: - wymaganie jest ciągłe uzupełnianie rezerwuaru SO2 w stratosferze
- powrót ”kwaśnych deszczy ”
- redukcja warstwy ozonowej
- zmiany w rozkładzie opadów
- problemy polityczne (”kto będzie decydował”?)
SR So
SO2  H2SO4 (aerozol o średnicy ok. 0.3 m odbijający
promieniowanie słoneczne)

36.  Rozpylanie wody morskiej nad oceanem
sól morska dostarcza dodatkowych jąder kondesacji:
 wzrost zachmurzenia  wzrost albedo
(wymagany obszar interwencji rzędu 106 km2)
2. INNE POMYSŁY NA ZWIĘKSZENIE
ALBEDO:
 Zwiększenie albedo pustyń i obszarów miejskich
(wymagany obszar interwencji rzędu 106 km2)
SR
DOTYCHCZAS NIE PROWADZONO WIELKOSKALOWYCH TESTÓW TECHNOLOGII SRM
So

37. ZWIĘKSZANIE STRUMIENIA PROMIENIOWANIA PODCZERWONEGO (RZ)
OPUSZCZAJACEGO UKŁAD ZIEMIA – ATMOSFERA:
RZ
Wymuszenie radiacyjne (RF):
RF = So – (SR + RZ)

38. Zwiększenie strumienia promieniowania długofalowego
opuszczającego system Ziemia-Atmosfera może się odbywać
tylko poprzez regulację stężenia gazów cieplarnianych
(głównie CO2) w atmosferze.
GLOBALNY OBIEG WĘGLA
MODYFIKACJA RZ:

39. ANTROPOGENICZNA MODYFIKACJA GLOBALNEGO OBIEGU WĘGLA
(średnie strumienie CO2 dla okresu 2005-2014 w GtCO2/rok)
(Global Carbon Project, 2015)
44% zostaje w atmosferze
26% pochłania biosfera
30% pochłania ocean
Sumaryczne średnie roczne
emisje CO2 do atmosfery
w okresie 2005-2014:
36,3 GtCO2/rok

40. Historia globalnych emisji CO2 do atmosfery w wyniku
spalania paliw kopalnych:
(Global Carbon Project, 2019)
2018:
węgiel - 40%
ropa - 35%
gaz - 20%
produkcja
cementu - 4%
flaring - 1%

41. Kto, gdzie i ile emituje?
(Global Carbon Project, 2018, 2019)
2018:
Chiny - 27%
USA - 15%
EU - 10%
Indie - 7%
-----------------------
- 58%
Inni - 42%
Emisje na głowę:

42. Antropogeniczne emisje CO2 prowadzą
m.in. do akumulacji tego gazu w atmosferze
i wzrostu efektu cieplarnianego
KASPROWY WIERCH

43. STRATEGIE ZWIĘKSZENIA RZ :
 redukcja stężenia CO2 (~ 60% RF)
 redukcja stężenia innych gazów cieplarnianych
(CH4, CFCs, HCFCs, N2O) w atmosferze (~40% RF)
RZ
Działania redukujące stężenie CO2 w atmosferze:
A. Stymulacja naturalnych procesów usuwających
CO2 z atmosfery:
 wielkoskalowe zalesianie (reforestation, afforestation)
 szerokie wykorzystanie drewna i pochodnych
w budownictwie
 „nawożenie” oceanu światowego żelazem
 „nawożenie” mórz szelfowych fosforem
 stymulowane wietrzenie skał
B. Rozwiązania technologiczne
 Direct Air Capture (DAC)
 Carbon Capture and Storage (CCS)
 Bioenergy Carbon Capture and Storage (BECCS)

44. Październik 2018: Raport Specjalny Międzyrządowego Panelu ds. Zmian Klimatu (IPCC) który precyzuje jaki
powinien być zakres i dynamika redukcji emisji gazów cieplarnianych do atmosfery aby utrzymać globalny
wzrost temperatury ”znacznie poniżej 2oC” do końca XXI wieku.
Szczyt Ziemi, Rio de Janeiro (1992)
UNFCCC - Ramowa Konwencja Narodów Zjednoczonych w Sprawie Zmian Klimatu
 weszła w życie 21 marca 1995
 konwencję ratyfikowało 196 państw
Protokół z Kioto (1997)
 wszedł w życie 16 lutego 2005
 redukcja emisji gazów cieplarnianych o co najmniej 5.2% w okresie 2008-2012,
w porównaniu do poziomu z 1990 r.
 ratyfikowany przez 193 państwa
 wygasł 31 grudnia 2012
COP21, Paryż (2015):
Porozumienie Paryskie
 utrzymać wzrost średniej temperatury Ziemi „znacznie poniżej 2°C”
 porozumienie weszło w życie w listopadzie 2016 r
COP24, Katowice (grudzień 2018):
Pakiet Katowicki
PROCES POLITYCZNY
COP25, Madryt (grudzień 2019):
??

45. DLACZEGO „ZNACZNIE PONIŻEJ 2oC”
DO KOŃCA XXI WIEKU ?
(IPCC Special Report, 2018)
Wpływ zmiany klimatu na wybrane ekosystemy i cywilizację ludzką
Ryzyko

46. Jakie redukcje antropogenicznych emisji CO2 są potrzebne aby utrzymać
wzrost temperatury globalnej poniżej 2oC do końca XXI wieku ?
(IPCC Special Report, 2018)
2018:
węgiel - 40%
ropa - 35%
gaz - 20%
cement - 4%
flaring - 1%
Globalne emisje CO2 wynikające ze spalania paliw
kopalnych i produkcji cementu
Emisje powinny spadać
począwszy od 2020 roku
i powinny osiągnąć poziom
zerowy w 2040 bądź w 2055
roku

47. (IPCC Special Report, 2018)

48. Czy wymagane redukcje emisji CO2 do atmosfery zapewniające
utrzymanie wzrostu temperatury globalnej poniżej 2oC do końca XXI
wieku są realistyczne ?
( - ) BEZPRECEDENSOWA SKALA WYMAGANYCH INTERWENCJI
( - ) DEMOGRAFIA NIE SPRZYJA……
( - ) KONIECZNA PEŁNA WSPÓŁPRACA SPOŁECZNOŚCI
MIĘDZYNARODOWEJ…..
( - ) OGROMNE KOSZTY WYMAGANYCH INTERWENCJI
( - ) PRESJA CZASU
( - ) SKĄD WZIĄŚĆ ENERGIĘ?
( - ) WYZWANIA TECHNOLOGICZNE

49. ( + ) DEKARBONIZACJA ŚWIATOWEJ GOSPODARKI JEST CORAZ BARDZIEJ
POSTRZEGANA JAKO ”BUSINESS OPPORTUNITY”
 W 2017 roku 6225 firm reprezentujących 120 krajów zobowiązało się do wsparcia Porozumienia
Paryskiego mając na uwadze prawdopodobne sumaryczne zyski z wiązane z dekarbonizacją
gospodarki wynoszące w 2030 r. 26 bilionów US$ i 65 milionów nowych miejsc pracy
 W październiku 2018 Bank Światowy zaprzestał finansowania elektrowni opalanych węglem
 Energia z farm wiatrowych stała się konkurencyjna na giełdach mocy
 Rozwój technologii baterii elektrycznych stymuluje wzrost sprzedaży aut elektrycznych
Obecnie jeździ po drogach ok. 3 mln samochodów elektrycznych (plug-in). Kraje takie jak
Norwegia, Francja, UK, Holandia, Indie już określiły limity czasowe sprzedaży samochodów
konwencjonalnych. Dla Norwegii jest to rok 2025.
Światełko w tunelu…..

50. ( + ) REWOLUCJA W ENERGETYCE?
(Figueres et al., 2018)
2 lipca 2019 r. w Zjednoczonych Emiratach Arabskich
uruchomiono elektrownię solarną o mocy 1177 MW
- 3.2 miliona paneli solarnych
- obszar: 8 km2
- koszty inwestycyjne: 870 mln US$
- czas budowy: 3 lata
- koszt 1 kWh: 2.5 centa
Następnego dnia po uruchomieniu elektrowni ZEA ogłosiły
kolejny przetarg na budowę do 2022 roku elektrowni solarnej
o mocy 2000 MW.
Koszt 1 W modułu solarnego (2018 US$)
W Kalifornii w lipcu 2019 podpisano kontrakt na budowę
elektrowni solarnej o mocy 400 MW oraz stacji baterii
litowo-jonowych o pojemności energetycznej 800 MWh.
koszt 1 kWh: 2 centy (panele solarne), 1.3 centa (bateria)
Koszt przemysłowych baterii litowo-jonowych
spadł od 2012 r o ok. 75% !

51. CO DALEJ ?
 Eksperyment prowadzony od stu kilkudziesięciu lat przez naszą cywilizację
na globalnym obiegu węgla trwa (niestety!) nadal: codziennie pojawia się w atmosferze
ok. 100 mln ton ”obcego” dwutlenku węgla
 Osiągnięcie podstawowego celu Porozumienia Paryskiego (”znacznie poniżej 2oC”
do końca XXI wieku) będzie bardzo, bardzo trudne…….
 Pełna dekarbonizacja światowej gospodarki w XXI wieku może złagodzić
skutki globalnego ocieplenia ale ich nie usunie. Adaptacja do postępujących
zmian klimatu jest koniecznością
 Być może, konieczne będzie sięgnięcie w perspektywie czasowej XXI wieku
do technologii SRM……
 Nieprzyjemne niespodzianki na horyzoncie?