שינויי אקלים גלובליים: עובדות ומיתוסים (או: מכונת האקלים המורכבת של כדוה"א)

1. שינויי אקלים גלובליים:עובדות ומיתוסים(או: מכונת האקלים המורכבת של כדוה"א) פרופ' נתן פלדור המכון למדעי כדור הארץ האוניברסיטה העברית בירושלים מועצה לכלכלה – 6/נובמבר/2007

2. על מה נדבר: • שינויי טמפרטורה גלובליים (או מבט מקרוב על עליית הטמפרטורה בטווחי זמן שונים) • אפקט החממה (מה זה בדיוק? האם זה טוב או רע לאדם? שינויים בעבר הקרוב) והקשר שלו לשינויי טמפרטורה • מהי יכולת החיזוי העתידית שלנו? (מוגבלת למדי. קצת צניעות בבקשה) • הסביבה המקומית. כאן טמונות הבעיות המהותיות אשר נדחקות לשוליים בגלל בעיות "גלובליות" משניות

3. The issue: Since the Industrial revolution a Global T-increase of about 0.6 – 0.8C • But: • Over half of the observed increase took place between 1910-1940 • Between 1940 – 1975 the temperature has decreased! A possible culprit blamed for this T-increase is CO2 (a GH gas)

4. העלייה בכמות ה-CO2 הנפלטת ע"י האדם לאטמוספרה והשינויים בריכוזו

5. CO2 concentration in the atmosphere measured in the observatory on Mona Loa (Hawaii) starting from 1957 using identical calibrated means

6. את עליית הטמפרטורה הגלובלית ניתן לקשור לעלייה בריכוז ה- CO2 (כתוצאה משריפת דלקים מאובנים) באמצעות אפקט החממה נתבונן תחילה באופן מדוקדק בהשתנות הטמפ' הגלובלית (T) בטווחי זמן שוניםלאחר מכן נסביר את מהותו של אפקט החממהואת התפקיד שממלא בו גז ה- CO2

7. שום שיא טמפרטורה, עולמי או יבשתי, לא נרשם בעשורים האחרונים • World (Africa, Sahara): 1922 (58) • N. America (Death Valley, CA): 1913 (57) • Asia (Tirat Tzvi, Israel): 1942 (54) • Australia (Clncry, Queensland): 1889 (53) • Europe (Seville, Spain): 1881 (50) • S. America (Rivadavia, Argentina): 1905 (49) • Canada (Saskatchewan, Canada): 1937 (45) • Antarctica (S. Pole): 1978 (-14)

8. תחנות מטאורולוגיות בארה"ב בהם נרשמו שיאי חום/קור אחרי 1990 Low T-recordHigh T-record 1994 19/Jan., New Whiteland, Indiana (-36F) 29/June, Lake Havasu, Ariz. (128F) 19/Jan., Shelbyville, Kentucky (-37F) 29/June, Laughlin, Nev. (125F) 27/June, Lakewood, N.M. (122F) 27/June, Tipton, Okla. (120F) 1995 15/July, Danbury, Conn. (106F) 1996 3/Feb., Elkader, Iowa (-47F) 2/Feb., Tower, Minnesota (-60F) 5/Feb., Greene, Rhode Island (-25F) 4/Feb., Couderay, Wisconsin (-55F) 1999 5/Jan., Congerville, Illinois (-36F) • 15/July, Kelly Ranch/Usta, S.D. (120F) Total T-records 1990-2006 76

9. במהלך ההיסטוריה הגיאולוגית של כדוה"א (עשרות מיליוני שנים) האקלים אופיין על ידי טמפרטורה גלובלית גבוהה (בהרבה) מזו של היום! אנו חיים בעידן קריר

10. אך מה קורה בזמנים קרובים יותר? Since the last “Glacial” 18,000 ya, global T increased by 4-5C. Increase is not monotonic and ~5000 ya T was 1C higher than at present

11. מה ניתן להסיק מהשתנות T מאז תקופת הקרח האחרונה? א. לאחר המקסימום ה"הולוקני" לפני 5000 שנה בו היתה T גבוהה ב- 1C מזו של היום התפתח העולם לציוויליזציה כפי שאנחנו מכירים אותה כיום. לא קטסטרופה נוראית כ"כ. ב. בערך לפני 10,000 שנים (Younger Dryas) T עלתה באופן מונוטוני בשיעור של 2.5C תוך "הרבה עשורים". להשוואה, ב 150 השנים האחרונות עלתה הטמפרטורה עליה לא מונוטונית בשיעור של 0.7C.

12. באלף האחרון: שינויי T טבעיים בשיעור העולה על 0.5C

13. סיכום התצפיות של עליית T באלף האחרון: • שינויי T בשיעור של 1C קרו באופן טבעי • ב "תקופת הקרח הקטנה" (המאות 14-19) היו שינויים ב T בשיעור של 0.5C תוך כ- 100 שנה • שינויים אלו התרחשו לפני המהפכה התעשייתית וללא שום שינוי מוחשי בריכוז ה- CO2 מסקנה: הן הגודל והן הקצב של עליית T במאה ה-20 אינם נדירים בהיסטוריה האקלימית של כדור הארץ

14. 2. אפקט החממה והשפעתו על האקלים The “engine” of Earth’s climate is the Sun that radiates its warming energy

15. Figure 12a: Sunlight warms the earth's surface only during the day, whereas the surface constantly emits infrared radiation upward.Without water vapor, CO2, and other greenhouse gases, the earth's surface would constantly emit infrared radiation (IR); incoming energy from the sun would be equal to outgoing IR energy from the earth's surface. Without the greenhouse effect, the earth's average surface temperature would be -18°C (0°F). ללא אטמוספרה: קרינת השמש המחממת את כדוה"א מאוזנת בדיוק על ידי הקרינה הנפלטת כדוה"א לחלל -18CT=

16. עם אטמוספרה: המולקולות של גזים מסוימים בולעות חלק מהקרינה הנפלטת מפני כדוה"א ומקרינות אותה חזרה אל כדוה"א +15CT=

17. המולקולות של הגזים המרכיבים את האטמוספרה "שקופות" לקרינה המגיעה מהשמש אבל בולעות חלק ניכר מהקרינה היוצאת מפני כדוה"א לחלל • הטמפרטורה שהיתה לכדוה"א ללא אטמוספרה: C18- • הטמפרטורה עם האטמוספרה: C15+ • ההפרש בין שתי הטמפרטורות, 15-(-18)=33C, נובע מנוכחותם של גזים מסוימים (גזי חממה) במעטפת הגזית של כדור הארץ - האטמוספרה זהו אפקט החממה אוהב/אויב: נסו לדמיין את החיים בישראל ללא אטמוספרה כאשר השלג נמס רק בימי שרב!

18. GH1: Due to the drastic difference between the temperatures of the Sun (5800C) and Earth (15C) the incoming solar energy is radiated as short waves (SW; ~0.5 m) while the outgoing energy from Earth is radiated as long waves (LW; ~10 m)

19. GH2: • Each gas molecule in the air “captures” radiation in different wavelength ranges • The total absorption near 0.5 m is low • The total absorption near 10 m is high •  Energy radiated from Earth (10 m) is absorbed efficiently while that radiated from the Sun (0.5 m) just passes through • Note: H2O is more effective than CO2 in absorbing radiation

20. סכמה פשוטה של אפקט החממה האטמוספרי Some gasses in the atmosphere (GHG) partially absorb outgoing LW radiation

21. סיכום: גזי חממה • גזי החממה שבאטמוספרה (בעיקר H2O ו- CO2 אבל גם CH4) בולעים ביעילות את הקרינה ארוכת הגל (10m) הנפלטת מפני כדוה"א אבל מאפשרים לקרינה קצרת הגל (0.5m) מהשמש לחדור את האטמוספרה ולהגיע לפני השטח • כמחצית מהקרינה הנבלעת על ידי גזי החממה מוקרנת חזרה לעבר פני השטח וגורמת לחימומו לטמפרטורות הגבוהות מאלו שהיו לו אילו לא היו גזי חממה באטמוספרה מסקנה לוגית אפשרית (הגברת אפקט החממה): עם העלאת הריכוז של CO2 באטמוספירה יתחזק אפקט החממה (יותר קרינה ארוכת גל תיבלע באטמוספירה)  העלאתT

22. רצף האירועים נראה כך:CO2  (EGHE) T אולם: אנליזות כימיות ואיזוטופיות של בועיות אוויר זעירות שנלכדו בתוך הקרח שנקבר בעומק גדול מתחת לפני השטח באנטרקטיקה (גלעיני קרח מ- VOSTOK, תחנת המחקר הרוסית) הראו כי: החנו את כל המכונית וכבו את האורות!!

23. 1. לשינויים ב- T, CO2, CH4 ב- 420,000 השנים האחרונות יש מתאם גבוה.2. ארבעה מחזורי חימום-קירור

24. אבל: ללא שריפה של דלקים רצף האירועים לא יכול להתחיל עם עלייה בריכוז ה- CO2 באטמוספרה (אנחנו לא אשמים)  האם ייתכן שרצף האירועים היה הפוך? TCO2 אם אכן כך מה יכול היה לגרום לעליית ?T שאלה נוספת: מדוע עולה ריכוז ה- CO2 עם עליית T? רמז: א. באוקיאנוס (שחקן מרכזי במשחק האקלים) יש פי 50 יותר CO2 מאשר באטמוספרה. ב. מסיסותם של גזים במים יורדת עם העלייה ב- T (חשבו על תתסססס של בקבוק קולה)

25. יתירה מכך: כמחצית מכמות ה-CO2 הנשרפת מדי שנה נקברת בתהליך מורכב למדי באוקיאנוס. קצב ההתאמה של האוקיאנוס לעלייתCO2 אינו ידוע

26. על מנת למצוא את ה"אשם" ב T בסדרת הזמן של Vostok נזכור את 4 המחזורים ב- 420000 שנה התיאוריה שפיתח האסטרופיסיקאי הסרבי Milutin Milankovitch בשנות ה- 30 של המאה ה-20 (כל החישובים נעשו ללא מחשב!) הצביעו על קיומם של 3 מחזורים באקלים כדוה"א הנובעים משינויים במסלול של תנועתו סביב השמש. זמני המחזור הם: 20K, 40K ו- 100K שנים.

27. המחזור של 100,000 שנים קשור לאקסצנטריות של המסלול האליפטי המתקרב ומתרחק חליפות ממסלול מעגלי אם כך – לשינויי T שנמדדו בקידוחי הקרח של ווסטוק יש הסבר פשוט (אולי)

28. האקלים של כדוה"א עובר באופן מתמיד הרבה שינויים. חלקם מחזוריים עם זמני מחזור שנעים בין 11 שנים (כתמי שמש) לעשרות אלפי שנים (אקסצנטריות, פרצסיה, ועוד) ואף יותר וחלקם לא מחזוריים (התפרצויות געשיות, פגיעה של גופים מהחלל, אל-ניניו ועוד). לא את כל גורמי השינויים אנו מכירים כראוי נתבונן לדוגמא בהשפעה של התפרצויות געשיות על T

29. לשינויי T ב-400 השנים האחרונות יש מתאם גבוה עם השינויים בקרינת השמש רק כאשר הפעילות הוולקנית נמוכה.

30. ההתפרצות של הר הגעש פינאטובו (Pinatubo) ב- 1991 גרמה לירידה של כ- 0.7Cב- T

31. 3. איך חוזים התפתחויות עתידיות? אחד ה"כלים" המשמשים לחיזוי שינויים עתידיים אפשריים באקלים כדוה"א בעקבות המשך העלייה בריכוז ה-CO2 הוא מודל נומרי מודלים אלו מהווים תכניות ענקיות (~10,000 שורות) בהם מתורגם לשפת מחשב כל מה שידוע לנו (וגם את מה שאיננו יודעים) בנוגע לתהליכים הפיסיקלים/כימיים המתרחשים באטמוספרה ומסביב לה (ים ויבשה) המודלים האקלימיים הם מודלים מטאורולוגיים כאלה המשמשים באופן שגרתי לחיזוי מזג אוויר לטווחי זמן של 1-3 ימים שעברו פישוט (simplification) מסיבי ע"מ שניתן יהיה להריץ אותם עד שנת 2100 ולקבל את תוצאות החישובים תוך שבוע/חודש הבה נסקור את איכותם/דיוקם של מודלים אלו

32. ביצועי המודלים המשמשים לחיזוי • תחזית לטמפרטורת המקסימום באותו יום (~6 שעות) ממקורות שונים (רדיו, טלביזיה, עיתונות כתובה, אינטרנט): הבדלים של 1-3C • השגיאות בתחזית לטווח של 1-3 ימים מגיעות ל- 4C • אמינותם של תחזיות המשקעים נמוכה בהרבה • לשם השוואה: ב-WWII (לפני 65 שנים) התחזית האופרטיבית ל 24 שעות שניתנה לטייסי ההפצצה (קרב) אפשרה ביצוע יעיל של כ- 80,000 גיחות ביממה (ללא מחשבים או נתונים מחלליות!)

33. האם לאחר שמפשטים את המודלים (אנו מעוניינים לקבל את תוצאות החישוב לפני הישיבה הבאה של הוועדה) ניתן לסמוך על תוצאות ה"תחזית" לשנת 2050 או 2100? החיזוי העתידי נעשה גם על סמך ניתוח מגמות עיתיות של שינויים עכשוויים (אקסטרפולציה) היום אנו יכולים לבחון רק את טיבם של תחזיות העבר

34. מסקנה: הקירור הצפוי ... הוא מסדר גודל של תקופת הקרח האחרונה ... תוצאה מפתיעה שנצפתה במשקעים ימיים לבריה"מ יש צוותים המנטרים את סיביר והקוטב והם כבר בוחנים את משמעותם של השינויים הצפויים (מלחמה קרה!) 1972: אתראה חמורה מצד מדענים מודאגים: העולם נמצא בפתחו של עידן קרח

35. עד סוף שנות ה- 70: התקררות (ע"י חלקיקים למרות חימום קל ע"י מולקולות CO2) There seems to be e general consensus that the Earth is at the start of a cooling period… .. a major, long-term change. ( An ice age) התחזית לירידת טמפרטורה של 1C לא התממשה

36. שנות ה-80: פניקת ההתחממות תופסת תאוצה המודלים הראשונים (למעשה מאמצע שנות ה-70): הכפלת ריכוז ה- CO2 תביא להעלאת T ב: 1C. מודלים מאוחרים יותר: העלייה ב- T גדולה יותר (2C-6C אבל אינה אחידה בכל מעלות הרוחב). בהנחה שצריכת הדלק לא תשתנה T צפוי לעלות עד שנת 2000 (Y2K) בשיעור של 1C-2C גם תחזית זו לא התממשה! עד שנת 2000 T עלה רק ב- 0.2-0.3C בזמן ש-T עלה במעט חלו שינויים דרסטיים בסביבה המקומית

37. הסביבה המקומית (לוקלית) • שינויי טמפרטורה של 10C – 30C מתרחשים באופן טבעי במהלך השנה. בשינוי של 0.5C האדם אינו מסוגל להבחין • הבעיות המקומיות משפיעות על איכות חייו של האדם הממוצע הרבה יותר מאשר הבעיות הגלובליות • יתירה מכך: בבעיות מקומיות ניתן לטפל (אם לא לפתור באופן מלא) על ידי עיריה/מדינה ואין צורך בהסכמה בין כ- 200 מדינות

38. מדגם של בעיות מקומיות בהם יכולה ממשלה מקומית (עיר/מדינה) לטפל ביעילות (אך אינה) • איכות אוויר: • עישון במקומות ציבוריים (הסרטן גורם המוות מספר 3!) • התקנת ממירים קטליטיים במכוניות (כנוביץ' מתהפך בקברו מאז שנות ה-60) • מעבר לדלק דל-גופרית • "אוויר הרים צלול כיין" רק בשיר. בעונות המעבר זיהום האוויר בי-ם גבוה מזה שבת"א • ב Los Angeles נפתרה בעיית הערפיח כבר לפני 30 שנה. בת"א עדיין מתים 1000 איש מדי שנה בגלל פגעי זיהום האוויר! • איכות מי שתיה: בארות מים מתוקים באקוויפר החוף נסגרות בגלל זיהום או המלחה (תהליך בלתי הפיך). ליטר מי נביעות עולה כמו ליטר בנזין (ונמכרים הרבה ליטרים) • הראות הירוקת נעלמות (גן העצמאות ננגס בקביעות) • מטרדי רעש אינם מטופלים (מסלול המראה מנתב"ג הועבר לאחרונה אל מעל בני עטרות; קטנועים קצוצי משתק)

39. לסיכום: קיטורים על הקורה בזירה העולמית אינם תחליף ראוי לפעולה בזירה המקומית

40. סיכום: אפקט החממה • חלק מהגזים הנמצאים באטמוספירה (גזי חממה) מאפשרים לקרינת השמש (קצרת גל) לחדור אל פני כדוה"א אבל בולעים חלק ניכר מהקרינה הנפלטת מפני כדוה"א (ארוכת גל). שאלה 1: מה יכול להגדיל את ריכוזם של גזי החממה? שאלה 2: מה תהיה התוצאה של הגדלת ריכוזם של גזי החממה באטמוספירה?

41. להשוואה: בנוגה (=וונוס; מרחק מהשמש כ – 110 מליון ק"מ; לחץ אטמוספרי: פי 90 מזה שעל כדור הארץ!) פני השטח חמים ב- 450C! מהטמפרטורה האקווילנטית

42. הטמפרטורה האקוויולנטית של כדוה"א • הטמפרטורה האקוויולנטית: הטמפרטורה של "סלע" הנמצא במרחק של 150 מליון ק"מ מהשמש (כגון, כדור הארץ ללא אטמוספירה). • הטמפרטורה נקבעת על ידי איזון (שיווי משקל) בין הקרינה המגיעה אל כל מ"ר מפני ה-"סלע" והקרינה הנפלטת ממנו. קרינה נבלעת = קרינה נפלטת בהתאם לטמפרטורת ה-"סלע" (קרינת גוף שחור; תנור חימום) בהתאם למרחק מהשמש, תכונות פני השטח (קרח)

43. Table 1