thumb|Średnia globalna anomalia temperatury w latach 1850–2020 (odchylenie od średniej z lat 1850–1900) według analiz różnych instytutów klimatologicznych
Zmiana klimatu – zmiana stanu systemu klimatycznego, opisywana w kategoriach zmiany średniej lub zmienności jakiegoś parametru, a która utrzymuje się przez dłuższy czas. Pod pojęciem klimatu rozumie się średni stan atmosfery i oceanu w skalach od kilku lat do milionów lat, a precyzyjniej, statystyczny opis stanu systemu klimatycznego przy pomocy takich miar statystycznych jak średnia czy wariancja odnoszących się do parametrów meteorologicznych. Zmiany klimatu wynikać mogą z działania wymuszeń klimatycznych, zarówno naturalnych (takich jak ilość dochodzącego promieniowania słonecznego), jak i działalności człowieka (jak emisja gazów cieplarnianych); mogą być również skutkiem wewnętrznej zmienności klimatycznej. Na przełomie XX i XXI wieku termin „globalna zmiana klimatu” zaczął być używany w kontekście globalnego ocieplenia (wzrostu średniej temperatury powierzchni Ziemi w odpowiedzi na wzrost koncentracji gazów cieplarnianych w atmosferze) oraz towarzyszących mu zjawisk (np. zmiany w występowaniu opadów, ekstremalnych zjawisk pogodowych).
Metody badań zmian klimatu Przyczyny zmian klimatu są badane za pomocą: badań paleoklimatycznych, pomiarów bezpośrednich w atmosferze i prac polowych, reanalizy istniejących danych, numerycznych modeli ogólnej cyrkulacji Ziemi (GCM, z ).
Każda z tych metod ma zalety i wady.
Badania paleoklimatyczne Jedną z metod wnioskowania o obecnych zmianach klimatu jest zrozumienie zjawisk, które powodowały zmiany klimatu w przeszłości. Te metody noszą ogólną nazwę badań paleoklimatycznych.
Badania polowe Inną metodą badania zmian klimatu jest prowadzenie badań eksperymentalnych w atmosferze. Podczas gdy zmiany klimatu mierzone są w kategoriach lat, intensywne pomiary polowe prowadzone są zazwyczaj przez kilka tygodni. W badaniach polowych wybiera się zazwyczaj pewien proces fizyczny. Przykładowo, w czasie zimowego monsunu indyjskiego na półkuli północnej jest dużo zanieczyszczeń przywiewanych z Indii nad Ocean Indyjski. W tym samym czasie na półkuli południowej nie ma zanieczyszczeń. Tę różnicę można wykorzystać do zrozumienia wpływu pyłów zawieszonych na zmianę klimatu. W ostatniej dekadzie przeprowadzono kilka eksperymentów klimatycznych badających różne aspekty zmian klimatu: CEPEX, INDOEX, FIRE-Cirrus, ARESE, SUCCESS, MINOS, ACE-Asia, ACE-2 i inne.
Ponowna analiza istniejących danych Ciągi pomiarowe nawet najbardziej podstawowych wielkości atmosferycznych, takich jak temperatura powierzchni Ziemi, są bardzo krótkie. Większość systematycznych pomiarów zaczęto dokonywać dopiero po II wojnie światowej. Jakość tych danych zależy od kraju, w którym wykonywano pomiary; problemem jest duża odległość między stacjami pomiarowymi, zwłaszcza w obszarach oceanicznych. Jednym z największych sukcesów współczesnej meteorologii jest wykorzystanie metod teledetekcyjnych z satelitów meteorologicznych oraz pomiarów naziemnych. Pozwoliło to na uzyskiwanie globalnych informacji na temat rozkładu temperatury z wysokością, na temat prędkości wiatru na powierzchni oceanu lub na temat ilości chlorofilu w oceanie (kolor oceanu). Dodatkowym problemem w ocenie zmian klimatu jest fakt, że techniki pomiarowe zmieniają się w czasie. Rozwiązaniem było ujednolicenie pomiarów za pomocą technik asymilacji danych i przeprowadzenie dokładnej analizy jakościowej. Metoda ta nazywa się ponowną analizą danych meteorologicznych, które są dostępne na szczegółowym poziomie dla atmosfery i powierzchni Ziemi od lat 60. i 70. XX w.
Numeryczne modele ogólnej zmiany klimatu Zebrane dane klimatyczne służą za bazodanową podstawę do komputerowych programów modeli klimatycznych. Do modelowania klimatu używa się superkomputerów, których moc obliczeniowa ciągle rośnie, co pozwala na coraz dokładniejsze prognozy.
Modele numeryczne globalnej cyrkulacji (GCM) Ziemi opierają się na modelach podobnych do tych używanych w prognozie pogody. Innymi słowy, z pierwszych zasad fizycznych opisuje się przepływ powietrza w atmosferze, a wiele procesów fizycznych, takich jak pokrywa chmur, oddziaływanie powietrza w swobodnej atmosferze z górami, transport aerozoli atmosferycznych oraz ilość energii słonecznej absorbowanej i odbijanej w atmosferze, jest parametryzowanych na podstawie równań fizyki. Np. wymiana promieniowania słonecznego w modelach GCM jest najczęściej opisana za pomocą dwustrumieniowego przybliżenia równania transportu. Zaletą modeli GCM jest możliwość analizy różnych scenariuszy. Np. można zadać pytanie, jaki jest wpływ na średnią temperaturę na powierzchni Ziemi dwukrotnego zwiększenia stężenia dwutlenku węgla. Można też zrekonstruować, jakie czynniki wpływają na zmiany temperatury. Wadą modeli numerycznych GCM jest to, że parametryzacje (przybliżenia) stosowane do opisu zjawisk fizycznych mogą być kwestionowane oraz fakt, że rozdzielczość modeli GCM (jak blisko oddalone są od siebie kolejne punkty na siatce opisującej wyniki symulacji) jest ograniczona. Można w przybliżeniu powiedzieć, że modele numeryczne GCM badają scenariusze lub hipotezy sprzężeń zwrotnych pomiędzy różnymi elementami klimatu.
Naturalne czynniki zmiany klimatu Wpływające na klimat czynniki naturalne można podzielić na dwie kategorie. Pierwszą jest niewymuszona zmienność klimatyczna, będąca głównie konsekwencją wewnętrznych interakcji oraz przepływu energii między atmosferą a oceanami. Najlepiej poznanym przykładem takiego rodzaju zmienności jest zjawisko El Niño. Drugą kategorię stanowią różne rodzaje naturalnych wymuszeń klimatycznych, które działają poprzez zmianę ilości energii krążącej w systemie klimatycznym. W skalach czasowych lat, dekad i stuleci najważniejszymi z tych naturalnych wymuszeń są zmiany aktywności słonecznej i erupcje wulkaniczne.
Teoria cykli Milankovicia mały|lewo|Jeden z astronomicznych czynników wpływających na zmiany klimatu na Ziemi. Zmiana nachylenia osi obrotu Ziemi mały|Na czerwono, zielono i niebiesko zaznaczone są zmiany parametrów astronomicznych w ciągu ostatniego miliona lat. Na żółto zaznaczono ilość dochodzącej energii słonecznej na 65°N. Na czarno zaznaczone są stadia oblodzenia na Ziemi
Milutin Milanković pomiędzy 1911 a 1941 rokiem opracował teorię rekonstrukcji warunków klimatycznych panujących dawniej na Ziemi w zależności od cykli astronomicznych (cykl ekscentryczny, cykl skośny i cykl precesyjny). Ta ogólnie przyjęta teoria jest przykładem zewnętrznego wpływu na warunki klimatyczne Ziemi.
Zmiany stałej słonecznej mały|Liczba plam słonecznych – nieregularne zmiany aktywności Słońca od 1610 roku mały|Zmiana stałej słonecznej w ciągu ostatnich 30 lat. Widać cykl 11-letni. Oznaczenia wykresów: irradiancja (dzienna/roczna), plamy słoneczne, rozbłysk słoneczny, strumień radiowy 10,7 cm
Zmienną o podstawowym znaczeniu dla klimatu na Ziemi jest Słońce. Zmiana ilości energii dochodzącej do Ziemi ulega zmianie niezależnej od cykli Milankovicia. Istnieje wiele prac naukowych łączących zmianę stałej słonecznej ze zmianami klimatu, m.in. przed rewolucją przemysłową. Nawiązują one m.in. do wystąpienia średniowiecznego optimum klimatycznego i tzw. małej epoki lodowej.
Wpływ erupcji wulkanów
Erupcja wulkanu Tambora (VEI=7), od 5 kwietnia do 15 kwietnia 1815 w Indonezji wprowadziła 70 Gt popiołu wulkanicznego do atmosfery, sięgając warstw ponad 40 km i powodując największy egzystencjalny kryzys w czasach nowożytnych. Mróz w maju 1815 w Ameryce Północnej zniszczył większość plonów, a w czerwcu dwie wielkie burze śnieżne we wschodniej Kanadzie i w Nowej Anglii doprowadziły do wielu ofiar śmiertelnych. Na początku czerwca w mieście Quebec leżało prawie 30 cm śniegu, co doprowadziło do wymrożenia ziemi i zniszczenia upraw.
Erupcja pogłębiła efekt Minimum Daltona, małej aktywności słonecznej w latach 1790–1830 oraz erupcji innych wulkanów: Mayon w 1814 roku, Soufrière (Saint Vincent) w 1812 r. oraz być może nieznanego wulkanu około 1810 r. Erupcję wulkanu napędzały gazy wulkaniczne – i (głównie) , których wyrzut przyspieszył koniec małej epoki lodowej. Poziom tej epoki osiągnął minimum 275 ppm około 1800 r. mały|lewo|Stężenie w lodzie z Greenlandii
Gazy cieplarniane i pyły zawieszone
Wiele gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek siarki czy dwutlenek węgla, jest wytwarzanych w naturalnych procesach biologicznych. Dla przykładu, wiele typów fitoplanktonu produkuje (DMSP, z ), który jest przekształcany w siarczek dimetylu (DMS, z ). Obecność DMS w atmosferze prowadzi do zwiększonej ilości aerozoli siarczanowych. Podobnie aerozol soli morskiej jest związany z prędkością wiatru, czyli jest pochodzenia naturalnego, z wyjątkiem sytuacji, gdy prędkość wiatru jest modulowana przez antropogeniczne zmiany temperatury na Ziemi.
mały|Zmiana stężenia dwutlenku węgla w atmosferze obserwowana na Hawajach. Pomiary C.D. Keelinga
Antropogeniczne czynniki zmiany klimatu Gazy cieplarniane Najpowszechniejszym gazem cieplarnianym jest para wodna. Stężenie innego gazu cieplarnianego – dwutlenku węgla – wynosi obecnie ponad 400 ppm. Dwukrotny wzrost dwutlenku węgla spowoduje, na podstawie rekonstrukcji modeli numerycznych, zmianę temperatury na Ziemi o około +3 °C. Zmiana ta jest tylko w małym stopniu spowodowana bezpośrednim wpływem absorpcji promieniowania słonecznego przez dwutlenek węgla, a w dużym stopniu poprzez sprzężenie zwrotne temperatury z ilością chmur i pary wodnej w atmosferze.
Aerozole atmosferyczne (pyły zawieszone) Aerozole atmosferyczne (pyły zawieszone) dzielą się na cztery podstawowe grupy: (a) cząstki siarczanów, (b) pyły mineralne, (c) aerozol soli morskiej oraz (d) pyły węglowo-grafitowe (sadza lub związki organiczne węgla). Część aerozoli atmosferycznych tworzy się na prekursorach gazowych powodowanych działalnością człowieka. Tylko dwa typy pyłów zawieszonych są absorbujące: sadza i tlenki żelaza w drobinach piasku (pyły mineralne). Ostatnio absorbujące własności sadzy i pyłów mineralnych są bardzo intensywnie badane, ponieważ ich efekt jest podobny do efektu gazów cieplarnianych. mały|centruj|Zdjęcie satelitarne zanieczyszczeń spowodowanych pożarami w Chinach zrobione za pomocą instrumentu MODIS. Zanieczyszczenia tego typu mogą modyfikować strukturę opadu atmosferycznego
Chmury i efekty pośrednie Pomimo że bezpośrednie czynniki zmian klimatu są powszechnie dyskutowane (takie jak gazy cieplarniane czy sadze), to efekty pośrednie związane z tymi czynnikami mają często znacznie większe znaczenie klimatyczne. Dla przykładu, dwutlenek węgla pochłania około 2 W/m2, podczas gdy chmury odbijają około 50% przychodzącego promieniowania słonecznego (czyli w tropikach około 500 W/m2 w środku dnia). Innymi słowy, efekt chmur na zmianę klimatu może być kilkaset razy większy niż efekt cieplarniany dwutlenku węgla. Jednak nie należy z tego wnioskować, że gazy cieplarniane nie są istotne. Oddziałują one z atmosferą w sposób ciągły i mogą powodować zmianę pokrywy chmur. Innym przykładem efektu pośredniego jest zmiana wielkości i ilości kropli w chmurach w sytuacji, gdy w atmosferze jest dużo małych pyłów zawieszonych (aerozoli). Ten efekt powoduje zmianę odbijalności chmur. To właśnie efekty pośrednie są jednymi z najważniejszych antropogenicznych czynników zmiany klimatu.
Przyczyny zmian klimatu Powody zmian klimatu można podzielić na dwie grupy: zmiany wywołane (a) czynnikami naturalnymi, (b) efektami antropogenicznymi (działalnością człowieka). Wiele scenariuszy ogólnych zmian klimatu jest formułowanych w postaci prostych hipotez sprzężeń zwrotnych (zob. punkty krytyczne w ziemskim systemie klimatycznym), w których zmiana jednego parametru powoduje zmianę innych parametrów. Przykładowe powody zmian klimatu są opisane poniżej. Istnieje wiele innych hipotez.
Gazy cieplarniane