F Fabio Comparelli on Unsplash

Written by 09:00 Klimat, Nauka, Publikacje

Granica życia

Rafał Stepnowski
Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej – Państwowy Instytut Badawczy

Jedną z najważniejszych informacji przedstawianych na mapach pogodowych jest temperatura powietrza. Większość z was – szczególnie latem – oczekuje, że jej wartości będą jak najczęściej szybować w okolice 30 st. Celsjusza. Chyba że należycie do tej „garstki” zimnolubnych, którym tak jak mi wystarcza kilka stopni powyżej zera i dla których upalne dni są najtrudniejszym okresem w roku. Pozostawmy jednak na boku osobiste preferencje, ponieważ znacznie ważniejszym pytaniem w przypadku temperatury powietrza jest to, w jaki sposób wpływa ona na nasze zdrowie. I czy w obliczu zmiany klimatu i globalnego ocieplenia na pogodowych mapach nie powinien na stałe zagościć mało znany parametr meteorologiczny, jakim jest temperatura mokrego termometru.

Termometr ”suchy” i „mokry” – te dwa przyrządy są kluczowe dla funkcjonowania aparatu o nazwie psychrometr, który służy do pomiaru wilgotności. Zasada jego działania jest prosta. Termometr „suchy” podaje faktyczną temperaturę powietrza. Z kolei „mokry” jest owinięty gazą zwilżoną wodą i pokazuje wartość temperatury w otoczeniu przyrządu – a ta spada w wyniku parowania wody z materiału. Ponieważ szybkość parowania zależy od ilości pary wodnej znajdującej się w powietrzu, stąd spadek temperatury jest zależny od wilgotności względnej. Im więcej wilgoci w powietrzu, tym termometr „mokry” będzie wskazywał wyższą temperaturę, ponieważ woda z gazy będzie wolniej wyparowywać. W gorącym i suchym otoczeniu proces ten będzie zachodził szybciej, a wskazanie termometru „mokrego” będzie niższe. Różnica wskazań obu przyrządów nazywa się różnicą psychrometryczną i pozwala wyliczyć wilgotność względną powietrza. Ta interesująca zapewne tylko dla meteorologów zależność ma jednak dla nas ogromne znaczenie – zwłaszcza w kontekście ocieplającego się klimatu.

Dla ludzi, zwłaszcza osób starszych, dzieci i przewlekle chorych zbyt wysoka temperatura jest niezwykle groźna. Człowiek jako istota stałocieplna produkuje dużą ilość energii cieplnej, której musi się pozbyć. Gdy w otoczeniu jest zbyt ciepło, dochodzi do przegrzania organizmu, co prowadzi do szeregu negatywnych zjawisk fizjologicznych: podwyższenia temperatury ciała, zwiększenia częstości akcji sera i oddechów, rozszerzenia naczyń krwionośnych, wzrostu potliwości i skurczów mięśni. W takich warunkach bardzo ważne jest stałe nawadnianie, które pozwala uzupełnić utratę wody i soli oraz umożliwia dalsze pocenie się – podstawowy mechanizm schładzania skóry. Problem w tym, że przy zwiększonej wilgotności dochodzi do zjawiska obserwowanego w trakcie pomiaru temperatury mokrym termometrem. Woda w postaci potu nie odparowuje, nasz organizm się nie schładza i jego temperatura niebezpiecznie rośnie. Jaka jest więc granica cieplna życia?

W środowisku naukowym przyjęto, że dla człowieka i wielu ssaków granicą śmiertelną jest 6-godzinna ekspozycja organizmu na temperaturę mokrego termometru powyżej 35 st. Celsjusza (nie należy jej mylić z temperaturą powietrza – ta może być znacznie wyższa). Jednak wyniki ostatnich badań wskazują, że ten próg jest niższy i zależy od wielu czynników. Do ciekawych i alarmujących wniosków doszli autorzy artykułu Evaluating the 35°C wet-bulb temperature adaptability threshold for young, healthy subjects (PSU HEAT Project)[i], który ukazał się w Journal of Applied Physiology pod koniec stycznia 2022 roku. W przeprowadzonym eksperymencie zbadano krytyczną temperaturę mokrego termometru, przy której stres cieplny staje się niebezpieczny u młodych, zdrowych osób dorosłych, wykonujących codzienne czynności niepowodujące zwiększonego wysiłku fizycznego. Dla sześciu różnych warunków środowiskowych u wszystkich badanych osób poziom stresu cieplnego nie osiągnął limitu 35 st. Celsjusza i był znacznie niższy – średnio 30,55±0,98 stopnia (przy wyższej wilgotności i temperaturze powietrza 36-40 st. Celsjusza). W cieplejszym, suchszym otoczeniu wartości mokrego termometru stopniowo malały. Wyniki eksperymentu dowiodły, że próg 35 stopni nie może być przyjęty automatycznie we wszystkich warunkach klimatycznych, a w środowisku o dużej wilgotności jego wartość jest niższa. To pierwsze na świecie badanie, w którym wykorzystano empiryczne obserwacje fizjologiczne do zbadania tego problemu. Ustalenia amerykańskich uczonych mogą tłumaczyć fakt, że w 2003 roku fala upałów w Europie zabiła tysiące osób, mimo że temperatura mokrego termometru nie przekroczyła wówczas 28 st. Celsjusza.

Na mapie wskazano miejsca, w których w latach 1979-2017 wystąpiły epizody wysokiej temperatury i wilgotności powietrza (najgorętsze 0,1 proc. dziennych maksymalnych temperatur termometru wilgotnego). Niektóre obszary – jak Indie, Australia, czy tez kraje Zatoki Perskiej i Ameryki Środkowej – doświadczyły już warunków na poziomie lub w pobliżu granicy 35°C (95°F).
Na mapie wskazano miejsca, w których w latach 1979-2017 wystąpiły epizody wysokiej temperatury i wilgotności powietrza (najgorętsze 0,1 proc. dziennych maksymalnych temperatur termometru wilgotnego). Niektóre obszary – jak Indie, Australia, czy też kraje Zatoki Perskiej i Ameryki Środkowej – doświadczyły już warunków na poziomie lub w pobliżu granicy 35°C (95°F).

W latach 50. XX wieku badania nad stresem cieplnym i zagadnieniami wpływu wysokiej temperatury na człowieka prowadziła armia amerykańska. W efekcie tych prac stworzono wskaźnik Wet Bulb Globe Temperature (WBGT[ii]), który wykorzystywano do ochrony osób pozostających pod dużym obciążeniem promieniowania słonecznego. Ponieważ opracowany indeks charakteryzował się prostotą i łatwością wyznaczania, bardzo szybko stał się popularny w innych branżach – w latach 70. rekomendował go amerykański Narodowy Instytut Bezpieczeństwa Pracy i Zdrowia, a w 1982 roku został oficjalnie zaakceptowany na forum międzynarodowym i wpisany do normy ISO 7243:1982.

Mimo głosów krytykujących, wskaźnik WBGT pozostaje do dzisiaj powszechnie używany w ocenie obciążeń termicznych w klimacie gorącym i jest stosowany do obrazowania prognoz tego parametru w obliczu zmiany klimatu. Nie sposób odnieść się do wszystkich wyników badań, więc przedstawimy poniżej tylko kilka przykładów. Niemniej naukowcy są zgodni – wraz z ocieplaniem się atmosfery ziemskiej i wzrostem ilości energii w systemie klimatycznym w wielu regionach świata niebezpiecznie zbliżamy się do bariery 35 st. Celsjusza. Jej przełamanie spowoduje, że miejsca te staną się niezdatne do życia dla ludzi i większości ssaków.

Jednym z przykładów jest opracowanie z 2018 roku, opublikowane w magazynie Atmosphere, pt. Projected changes in Wet-Bulb Globe Temperature under alternative climate scenarios[iii], w którym przedstawiono prognozy zmiany wskaźnika WBGT w różnych scenariuszach klimatycznych. Nawet dla najbardziej optymistycznego scenariusza RCP2.6, zakładającego drastyczną redukcję emisji gazów cieplarnianych (który w obliczu aktualnych działań społeczności światowej jest mało prawdopodobny), do 2100 roku globalny wzrost WBGT wyniesie od 0,6 do nawet 1,7 st. Celsjusza. W scenariuszu RCP8.5, w którym zakłada się dalszy wzrost emisji, wartość wskaźnika zwiększa się o 2,37-4,4 stopnia. Najbardziej dramatyczne zmiany są spodziewane w północnych Indiach, w Chinach, północnej Australii, Afryce, Ameryce Środkowej i Azji Południowo-Wschodniej. Wiele tych regionów nie ma odpowiedniej infrastruktury do ograniczania negatywnego wpływu stresu cieplnego na obywateli, a ich możliwości adaptacyjne są bardzo ograniczone.

Przewidywana zmiana maksymalnej miesięcznej wartości WBGT w okresie 2091-2010 w stosunku do średniej z wielolecia 1948-2010 w różnych scenariuszach klimatycznych: a) RCP2.6, b) RCP4.5, c) RCP6.0, d) RCP8.5. (źródło: Projected changes in Wet-Bulb Globe Temperature under alternative climate scenarios).
Przewidywana zmiana maksymalnej miesięcznej wartości WBGT w okresie 2091-2010 w stosunku do średniej z wielolecia 1948-2010 w różnych scenariuszach klimatycznych: a) RCP2.6, b) RCP4.5, c) RCP6.0, d) RCP8.5. (Źródło: Projected changes in Wet-Bulb Globe Temperature under alternative climate scenarios).

Równie alarmujące wnioski przedstawili autorzy publikacji Temperature and humidity based projections of a rapid rise in global heat stress exposure during the 21st century[iv]. Według ich badań do 2080 roku częstotliwość pojawiania się ekstremalnych temperatur termometru wilgotnego może wzrosnąć nawet dwukrotnie w obszarach tropikalnych i niektórych regionach średnich szerokości geograficznych – a więc w krajach, które będzie wówczas zamieszkiwać około połowa światowej populacji. Ponadto od pięciu do 10 razy wzrośnie ryzyko pojawienia się fal upałów zagrażających każdego dnia życiu od 150 do nawet 750 mln ludzi. Dla najgorszego scenariusza RCP8.5 nawet milion osób dziennie może być wystawiona na śmiertelny próg 35 st. Celsjusza. Pocieszające jest, że w scenariuszu RCP4.5 to ryzyko właściwie znika.

Amerykańsko-kanadyjski zespół badaczy w 2017 roku[v] wskazywał, że w wyniku antropogenicznej zmiany klimatu na obszarach lądowych półkuli północnej prawdopodobieństwo wystąpienia latem ekstremalnie wysokich średnich WBGT wzrosło co najmniej 70-krotnie! Prognozy dla pesymistycznego scenariusza RCP8.5 wskazują, że dla co najmniej połowy sezonów letnich średnia WBGT do 2030 roku będzie wyższa niż obserwowane historyczne wartość rekordowe tego wskaźnika, a częstotliwość takich przypadków zrośnie do 95 proc. do połowy XXI wieku.

Obserwowany w latach 1975-2010 wzrost wskaźnika WBGT w okresie letnim, z uwzględnieniem wymuszeń antropogenicznych. (a) granice 10 regionów przyjętych do analiz między 10 a 60°N; (b) obserwowane i symulowane 5-letnie średnie letnie WBGT. (źródło: Recent very hot summers in northern hemispheric land areas measured by wet bulb globe temperature will be the norm within 20 years).
Obserwowany w latach 1975-2010 wzrost wskaźnika WBGT w okresie letnim, z uwzględnieniem wymuszeń antropogenicznych. (a) granice 10 regionów przyjętych do analiz między 10 a 60°N; (b) obserwowane i symulowane 5-letnie średnie letnie WBGT. (Źródło: Recent very hot summers in northern hemispheric land areas measured by wet bulb globe temperature will be the norm within 20 years).

Negatywne efekty wzrostu stresu cieplnego nie ominą też Europy. Prognozy klimatyczne na następne dziesięciolecia pokazują ciągłe i przyspieszone ocieplenie na kontynencie oraz wzrost częstości występowania dłuższych i intensywniejszych falami upałów w skali regionalnej i lokalnej. W pracy Escalating environmental summer heat exposure – a future threat for the European workforce[vi] z 2020 roku przedstawiono wyniki badań sugerujące, że w dużej części Europy wskaźnik WBGT będzie w przyszłości przekraczać poziom krytyczny dla ludzi aktywnych fizycznie znacznie częściej niż obecnie. Z tego względu wydajność pracy może znacznie spaść, zwłaszcza na południu kontynentu. Już dziś przemysł europejski powinien zacząć adoptować się do przewidywanych zmian, aby zapobiec poważnym skutkom dla zdrowia pracowników i zachować stabilność gospodarczą.

W nadchodzących dziesięcioleciach stres cieplny może okazać się jednym z najczęściej doświadczanych i bezpośrednio niebezpiecznych aspektów zmiany klimatu, stanowiąc poważne zagrożenie dla zdrowia ludzkiego, infrastruktury energetycznej, wydajności ekonomicznej krajów i aktywności społeczeństw. Niestety większość prognoz wskazuje, że regiony najbardziej zagrożone przekroczeniem śmiertelnej bariery 35 stopni są jednocześnie najgęściej zaludnione. Przystosowanie się do tak ekstremalnych warunków będzie wymagało ogromnych nakładów finansowych, ale również spowoduje skokowy wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną. Tymczasem kraje takie jak Indie czy Chiny produkcję prądu opierają nadal w głównej mierze na węglu. Dlatego jednym z podstawowych narzędzi walki z ograniczaniem globalnego ocieplenia pozostaje wprowadzanie alternatywnych źródeł energii i cięcie emisji. Biorąc pod uwagę jak wolno te zmiany zachodzą, pojawienie się wartości temperatury termometru wilgotnego na mapach pogodowych jest kwestią czasu.

PAMIĘTAJCIE! Ekstremalna pogoda może być niebezpieczna dla życia i zdrowia. Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej na bieżąco monitoruje i prognozuje warunki biometeorologiczne. Najbardziej aktualne dane znajdziecie na https://biometeo.imgw.pl/.

Podziękowania dla dr. Jakuba Szmyda z Zespołu Prognoz Specjalistycznych IMGW-PIB za konsultacje merytoryczne przy opracowaniu materiału.

[i] https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00738.2021
[ii] Wet Bulb Globe Temperature jest miarą stresu cieplnego w bezpośrednim świetle słonecznym, która uwzględnia: temperaturę, wilgotność, prędkość wiatru, kąt nasłonecznienia i zachmurzenie (promieniowanie słoneczne). Wartość wskaźnika określa się na podstawie pomiaru temperatury powietrza za pomocą termometru suchego, wilgotnego oraz poczernionego termometru kulistego (termometru Vernona).
[iii] https://doi.org/10.3390/atmos9050187
[iv] https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/aaa00e
[v] https://doi.org/10.1002/2017EF000639
[vi] https://doi.org/10.1007/s10113-020-01625-6

Zdjęcie główne: Fabio Comparelli | Unsplash


RAFAŁ STEPNOWSKI. Hydrolog. Autor publikacji na temat zmiany klimatu, bioróżnorodności i zagadnień środowiskowych. Redaktor naczelny magazynu “Obserwator” i magazynu online pod tym samym tytułem. Szef redakcji czasopisma naukowego “MHWM”. W Instytucie pracuje od 2008 roku. Przez pierwszą dekadę był koordynatorem wydawnictw. Obecnie odpowiada za cały content pisany w IMGW-PIB.

(Visited 455 times, 1 visits today)
Close