Kako se razvijala klimatska znanost – prvi dio

Slagalica znanosti o klimi dugo je namještala djeliće, kako na kriva tako i na prava mjesta. Prikupljena znanja i teorije u prvih su stotinjak godina nailazili na osporavanja, i znala su proći desetljeća da ih nitko nije razrađivao. Među pionirima prikupljanja znanja o zagrijavanju Zemlje pod utjecajem plina proizvedenog izgaranjem fosilnih goriva bilo je egalitaraca, ali i eugeničara, od „dvorskih“ znanstvenika do onih potpuno nepriznatih i nepravedno zaboravljenih, od dalekih potomaka rodbine sir Isaaca Newtona do daljih predaka mlade aktivistkinje Grete Thunberg.

Razmišljanje o utjecaju sastava atmosfere na temperaturu u 19. se stoljeću poklopilo s intenziviranjem rasprave o spoznaji da je Zemlja u povijesti imala ledena doba. Strah da bi tadašnja polja usjeva mogle pokriti goleme ledene ploče zaokupila je pionirske umove klimatske znanosti. Potencijalni povratak epohe leda desetljećima ih je – ako ne i čitavo stoljeće – zabrinjavao daleko više od priča o zatopljenju primjetnom u samo jednom životnom vijeku. A radilo se o svjedočanstvima najstarijih članova društva, koji su se prisjećali dubokih nanosa snijega svoje mladosti, kakve više nisu viđali.

Trebala su desetljeća da bi se tragovi u sedimentima tla i oceanskog dna uparili s presjekom ledenog pokrivača, dugogodišnjim mjerenjima atmosfere i kalkulacijama promjena orbite po kojoj se Zemlja kreće oko Sunca, da bismo došli do paralelnih krivulja i zaključka koji nazivamo klimatskim konsenzusom.

Mješavina stakleničkih plinova u atmosferi pojačivač je klimatskih ciklusa uvjetovanih međusobnom udaljenošću i položajima Zemlje i Sunca. A industrijalizacija je u Zemljinu atmosferu ubrizgala dovoljno CO2 da odgodi sljedeće ledeno doba.

Divlji duh

Do samog otkrića ugljičnog dioksida trebala su stoljeća. Sredinom 17. stoljeća naslutio ga je čovjek koji je plinovima dao internacionalni naziv „gas“, posudivši ga od grčke riječi za kaos: χάος. Bio je to flamanski alkemičar Jan Baptist van Helmont, koji je zaključio da se izgaranjem drvenog ugljena oslobađa isti plin kao kod fermentacije soka od grožđa. Nazvao ga je divljim duhom, odnosno spiritus silvestre.

Škotski kemičar Joseph Black sredinom 18. stoljeća ponovo otkriva ugljični dioksid, primjećujući da kalcijev karbonat (CaCO3) nakon zagrijavanja proizvodi plin koji je gušći od zraka i ne može održavati vatru ili život životinja. Plin je nazvao fiksiranim zrakom i počeo ga je, uz pomoć instrumenta temeljenog na vapnenoj vodi, mjeriti svuda, uključujući i u dahu životinja.

Ubrzo nakon toga započinje industrijska revolucija: udio CO2 u atmosferi iznosi 290 od milijun dijelova (ppm), a srednja je globalna temperatura oko 13,6 °C.

Znanstvenici Michael Faraday i Humphry Davy neće biti prvi koji su se poigravali ugljičnim dioksidom, ali su 1823. godine upravo oni CO2 nazvali plinom „ugljične kiseline“. Oduzme li se iz formule H2CO3 molekula vode, dolazi se do formule ugljičnog dioksida – CO2.

Godinu dana nakon toga opisana je misao kojom počinje klimatska znanost: radi se o spoznaji da bismo se bez plinovite „dekice“ na kamenčiću na ovoj udaljenosti od Sunca – smrznuli. To je izračunao Jean-Baptiste Joseph Fourier, matematičar, fizičar i filozof prirode, ujedno i bliski suradnik i znanstveni savjetnik Napoleona Bonapartea, njegov guverner koloniziranog Egipta.

Fourier 1824. godine objavljuje „Opće napomene o temperaturama zemaljske kugle i planetarnih prostora“ i postavlja tezu da je plinski omotač toplinski izolator Zemlje. Zarobljavanje topline uspoređuje s pokusom „toplinskih kutija“ Horacea Bénédicta de Saussurea iz 18. stoljeća, koji je opisao efekt staklenika.

Astronomska teorija ledenih doba

Trinaest godina kasnije čuveni rasist među znanstvenicima [1, 2], švicarsko-američki geolog i zoolog Louis Agassiz predstavlja teoriju minulog ledenog doba po tragovima davnih glečera na tlu. Pokazao je da su ledene ploče dosezale i do juga Europe, zbog čega zaključuje da je klima morala biti bitno drugačija u prošlosti. Iako nije bio usamljen u takvim spekulacijama, brojni kasniji znanstvenici koji su se bavili ledenim dobima pozivali su se upravo na njega.

Među njima je bio i svojevrsni prethodnik Milutina Milankovića, samouki znanstvenik James Croll. On je od sredine prema kraju 19. stoljeća [1, 2, 3, 4] objavio više radova o tome kako gravitacijske sile Sunca, Mjeseca i planeta suptilno utječu na Zemljino kretanje i duljinu putanje. Nagib Zemljine osi i oblik njezine orbite oko Sunca lagano osciliraju u ciklusima koji traju desetke tisuća ili stotine tisuća godina. U nekim bi razdobljima sjeverna hemisfera dobivala nešto manje Sunčeve svjetlosti tijekom zime nego što bi dobivala tijekom drugih stoljeća. Snijeg bi se nakupio, povećao albedo i u kombinaciji s drugim faktorima, poput promjene u vjetrovima i morskim strujama, postupno odveo Zemlju u ledeno doba.

Teorija astronomskog porijekla ledenih doba i interglacijalnih razdoblja do današnjih će se dana koristiti i za opovrgavanje i za potvrđivanje globalnog zatopljenja uzrokovanog ljudskim emisijama stakleničkih plinova.

Je li tata klimatske znanosti pokrao mamu?

Tko je odgovoran za sljedeći važan skok u razmišljanju, kontroverzno je pitanje. Svi znamo da kada se snop svjetlosti probija pod određenim kutom u polumračnu prostoriju, odjednom možemo jasno vidjeti inače neprimjetne čestice prašine ili snažan kontrast dima cigarete s okolnim zrakom. Mnogi znaju i da se to zove Tyndallov efekt. Po Johnu Tyndallu ime nosi i par planinskih vrhova i glečera, a smatra ga se i utemeljiteljem klimatske znanosti.

Tyndall je, naime, 1861. mjerenjima elektromagnetskog zračenja koje upijaju plinovi u Zemljinoj atmosferi uočio da toplinu zadržavaju vodena para, ozon i ono što su tada znanstvenici nazivali plinom ugljične kiseline.

Manje je poznato da je pet godina prije Tyndalla do zaključka o zagrijavajućem efektu plina „ugljične kiseline“ došla sufražetkinja, znanstvenica i daleka rođakinja sir Isaaca Newtona Eunice Newton Foote. Njen znanstveni rad „Okolnosti koje utječu na toplinu Sunčevih zraka“ objavio je American Journal of Science and Arts u studenom 1856. godine.

Newton Foote punila je iste spremnike različitim plinovima pa ih izlagala različitom tlaku i Sunčevim zrakama. Utvrdila je da gustoća zraka utječe na njegovu toplinu – čime objašnjava niže temperature u planinama, kao i to da je vlažni zrak topliji od suhoga. No njezina posuda sa zrakom obogaćenim „ugljičnom kiselinom“ dosegnula je najviše temperature i najsporije se hladila. Iako je njezin eksperiment bio primitivan i manjkav po današnjim standardima, Newton Foote na temelju ovog mjerenja izdaje sljedeće upozorenje:

„Atmosfera tog plina dala bi našoj Zemlji visoku temperaturu; i ako je, kao što neki pretpostavljaju, u jednom razdoblju svoje povijesti zrak bio pomiješan s njim u većem omjeru nego sada, to je moralo nužno rezultirati povećanom temperaturom zbog vlastitog djelovanja kao i zbog povećane težine.“

Zanimljivo, u istom broju tog časopisa renomirani je znanstvenik Tyndall pisao o daltonizmu. Štoviše, godinu dana kasnije Tyndall je bio urednik u filozofskom časopisu koji je prenio članak supruga Eunice Newton Foote, objavljen odmah uz njezin u istome broju AJSA-a. Drugim riječima, šanse da mu je promaklo njezino otkriće o zagrijavanju zaista su niske.

Tri godine nakon objave članka Eunice Newton Foote Tyndall je u svojoj korespondenciji s Kraljevskom institucijom naveo da nitko nije provodio ispitivanja provođenja topline kroz različite plinove.

Ne spominjući Newton Foote, Tyndall 1861. objavljuje svoj legendarni rad o sposobnosti plinova da prenose i upijaju toplinu, konkretno dugovalno, infracrveno zračenje, odredivši ga mjeračem dizajniranim isključivo za tu prigodu.

„Tako atmosfera dopušta ulaz Sunčeve topline, ali zaustavlja njezin izlaz, a rezultat je tendencija akumulacije topline na površini planeta“, piše Tyndall. O implikacijama za klimu navodi: „[A]ko, kao što gornji pokusi pokazuju, glavni utjecaj ima vodena para, svaka varijacija ovog sastojka mora proizvesti promjenu klime. Slične bi se primjedbe odnosile na plin ugljične kiseline [ugljični dioksid] difundiran kroz zrak […]. Takve su promjene zapravo mogle proizvesti sve mutacije klime što ih otkrivaju geološka istraživanja.“

Tyndall je uživao ugled u znanstvenoj zajednici sve do prerane smrti 1893., kada ga je supruga slučajno ubila davanjem smrtonosne doze lijeka protiv nesanice, kloral-hidrata. Newton Foote se nakon svog rada nije još dugo bavila znanošću. Pripisuje joj se nekoliko izuma, među kojima i štednjak s termostatom. Umrla je u relativnoj anonimnosti, a njezin rad iz 1856. otkriven je tek u 21. stoljeću.

Početak paleoklimatologije

Godine 1879., 20 godina nakon Tyndallovih mjerenja i šest godina nakon svog osnutka, Međunarodna meteorološka organizacija počinje prikupljati i standardizirati globalne vremenske podatke, uključujući temperaturu.

No samouki geolog, zapravo novinar Timaru Heralda John Hardcastle uviđa da klima ostavlja još jednu vrstu tragova. Fasciniran stijenama na Novom Zelandu dolazi do zaključka kako naslage vjetrom nošene prašine, poznate kao les i prapor, bilježe promjene klime od ledenih doba do toplih razdoblja. One sadrže čestice fosila, školjaka, peludi, žitarica i sjemenki koje su se nakupile tijekom vremena, što je omogućilo znanstvenicima da dobiju predodžbu o klimi u prošlosti.

„Ova rastuća hrpa prašine igrala je ulogu promatrača koji je bilježio određene klimatske pojave kako su se pojavljivale“, napisao je 1891. godine Hardcastle i time utemeljio paleoklimatologiju. Ova će znanost biti presudna za kasnije razumijevanje klimatskih ciklusa, ponajviše pomoću analiza presjeka morskih sedimenata, izotopa u ostacima školjki te presjeka „vječnoga leda“, kao i ostalih proxy-podataka.

Gretin pradjed Svante Arrhenius

Švedski fizičar i pradjed Grete Thunberg Svante Arrhenius oporavljao se od razvoda i zaokupljao misli temom koja ga je inače veoma zanimala, a to je povratak ledenog doba. Uz pomoć papira, olovke i radova brojnih prethodnika, mjesecima je kalkulirao koliko bi se atmosfera zagrijala ili ohladila s obzirom na koncentracije plina „ugljične kiseline“.

I tako 1896. objavljuje prvi izračun globalnog zatopljenja: kada bi se koncentracija plina „ugljične kiseline“ povećala 2,5 do 3 puta, polarne regije zagrijale bi se 8 do 9 stupnjeva Celzijevih. To bi imalo učinak i na srednju temperaturu na Zemlji, koja bi se povećala za 5 do 6 stupnjeva Celzijevih. U ledeno doba, pak, odvelo bi nas smanjenje koncentracije plina „ugljične kiseline“ za manje od 50 posto.

Tada je CO2 činio 295 dijelova na milijun. Nakon 130 godina eksponencijalnog rasta upotrebe fosilnih goriva, ali i poduzimanja industrijskih radnji s velikim ugljičnim otiskom, taj je udio do danas porastao na oko 422.

Arrhenius nije predvidio ovako brzu akumulaciju CO2 u atmosferi, misleći da će do udvostručenja morati proći mileniji ili barem stotine godina. U radu se (str. 270.) tek dotiče tadašnje godišnje svjetske proizvodnje ugljena od 500 milijuna tona kao izvora plina „ugljične kiseline“. No još uvijek ne povlači jasnu paralelu između paljenja fosilnih goriva i zagrijavanja atmosfere, smatrajući da će se CO2 pretvoriti u vapnenac.

Kako je živio na hladnom sjeveru Europe, Arrheniusa nije brinula njegova kalkulacija. Godinama kasnije napisat će kako se u toj dalekoj budućnost s više CO2 u atmosferi možemo nadati „uživanju u godinama s pravednijom i boljom klimom“.

No 1897., samo godinu dana nakon Arrheniusova temeljnog članka, geolog Thomas C. Chamberlin postavlja hipotezu da je ravnoteža plinova u atmosferi u odnosu na život na Zemlji vrlo delikatna. Piše da plinoviti omotač sadrži tek malen dio ugljika u usporedbi s oceanima, tlom i raslinjem, kao i da je njegovo prisustvo povezano s temperaturama. Smatrao je mogućim da ledena doba zapravo slijede oscilirajući ciklus CO2. Opisao je povratnu spregu između temperature i akumulacije CO2 u močvarama i oceanima, velikim rezervoarima ugljika, kao i vraćanje CO2 u atmosferu kroz aktivnosti vulkana.

Mediji naslućuju

Već 1902. godine pojedini su mediji Arrheniusovo otkriće prepoznali kao upozorenje potrošačima nafte. Iščitavajući Arrheniusove računice, navode da bismo se paljenjem ugljena mogli dovesti do „točke vrenja“.

I 1912. list na Novom Zelandu računa koliko tona CO2 nastaje kada se spale dvije milijarde tona ugljena, što je četiri puta više nego u doba Arrheniusovih izračuna. Zaključuju da bi stvaranje plinovite deke preko Zemlje moglo predstavljati problem „za par stotina godina“.

Istovremeno, industrijska revolucija ne posustaje. Elektrifikacijom i napretkom kemijske industrije emisije stakleničkih plinova se povećavaju. Izbija i Prvi svjetski rat.

Zatim, između 1920. i 1925. godine otvaraju se naftna polja u Teksasu i Perzijskom zaljevu, čime započinje era jeftine energije.

Djed je u pravu

U tridesetim godinama 20. stoljeća u američkim medijima pojavljuju se anegdote o neuobičajeno visokim temperaturama. Na tom tragu šef Odjela za klimu i vremenske uvjete za usjeve Američkog meteorološkog ureda J. B. Kincer 1934. godine objavljuje rad „Mijenja li se naša klima prema blažoj?“. Predstavljajući povijesne podatke 5000 mjernih postaja raštrkanih po SAD-u, adresira pitanje jesu li djedovi u pravu kada inzistiraju na priči da su „zime bile hladnije, a snijeg dublji kada su oni bili mladi“.

Uspoređujući podatke od sredine 19. stoljeća prema posljednjoj ispitanoj godini, 1933., Kincer piše da su hladni periodi uistinu postali kratkotrajniji i blaži, a jeseni i proljeća sve topliji, sa sve rjeđim iznimkama. Utvrdio je da su nedavne godine mahom bile najtoplije, kao i da isto potvrđuju podaci pojedinih mjernih postaja izvan SAD-a. Ipak, smatrao je da se radi o ciklusu, izražavajući žaljenje što ne postoje podaci koji govore o daljoj prošlosti.

Britanski parni inženjer Guy Stewart Callendar 1938. godine objavljuje članak „Umjetna proizvodnja ugljičnog dioksida i njegov utjecaj na temperaturu“, gdje fenomen koji opisuje Kincer objašnjava koncentracijama CO2 u atmosferi. Prikupio je sva mjerenja ugljičnog dioksida tijekom prethodnih 100 godina i otkrio da se količina CO2 povećava jer su ljudi do tada ukrcali oko 150 milijardi tona CO2 u atmosferu. Također je otkrio da temperature rastu. Međutim, njegov je zaključak bio da je to dobra stvar jer bi se „povratak smrtonosnih ledenjaka trebao odgoditi na neodređeno vrijeme“.

Desetak godina kasnije zapisat će da oceani – najveći „odvod“ CO2 iz atmosfere – neće moći apsorbirati količinu koju izbacujemo ne samo paljenjem nafte nego i sječom šuma i isušivanjem močvara. No ostavit će mogućnost da temperature samo koincidiraju s rastom CO2 i da prije svega treba utvrditi koliko nam više ili manje Sunčeva zračenja pristiže na Zemlju.

Milutin Milanković

Paralelno nastaje jedan od najvažnijih odgovora na pitanje o insolaciji. Srpski genij rođen u danas hrvatskom Dalju, građevinar, matematičar, geofizičar i astronom Milutin Milaković matematički je razradio Crollovu pretpostavku, kao i pretpostavku brojnih svojih prethodnika, da se po kretanju Zemlje ugrubo mogu izračunati periodi ledenih doba. Desetljećima je računao udaljenosti i kutove Sunčeva zračenja.

Došao je do toliko preciznih kalkulacija da su dugoročne promjene elemenata gibanja Zemlje koje utječu na temperaturu našega planeta nazvane Milankovićevi ciklusi. Tri su glavna elementa tog kretanja:

• Ekscentričnost – varijacije oblika Zemljine orbite s periodičnošću od 100.000 godina. Utječe na udaljenost Zemlje od Sunca, a time i na trajanje godišnjih doba.
  

• Nagib Zemljine osi, koji se kreće između 21,5 ° do 24,5 °. Nagnutost se mijenja s periodičnošću od 41.000 godina. Kada je nagib veći, razlika je između godišnjih doba na višim geografskim širinama izraženija. Promjena nagiba ima malen utjecaj na ekvatoru, a velik na polovima.
  

• Precesija (ili kolebanje) s periodičnošću od 26.000 i 19.000 godina.
  

   

Od ovih triju gibanja Milanković je najviše težine davao nagibu Zemlje. On mijenja kut pod kojim Sunčeva svjetlost pada na pojedinu hemisferu. Sunčeve zrake tako u određenim razdobljima postaju slabije tijekom cijele godine, do mjere da se snijeg na visokim geografskim širinama ne bi sav otopio ni ljeti, godinu za godinom. Snježni pokrivač reflektirao bi dovoljno Sunčeve svjetlosti da bi pomogao održati hladno područje, dajući pojačanu povratnu spregu. Pod takvim okolnostima snježno bi polje moglo stoljećima prerasti u kontinentalni ledeni pokrov.

No tek će u desetljećima nakon objave njegovih tablica višekratna istraživanja sedimenata oceanskog dna i kemijskog sastava pronađenih školjki, kao i sve kvalitetnije izvađeni presjeci leda, pokazati da je Milanković ispravno izračunao pojavu ledenih i međuledenih doba unazad čak 600 tisuća godina [1, 2, 3, 4].