Kategoria: Klimat

Jak już wiemy, Arktyka jest naszybciej ocieplającym się regionem na Ziemi. Ale jest coś co zdumiewa naukowców, gdyż od 2012 roku nie padł jeszcze rekord najmniejszego zasięgu lodu morskiego we wrześniu. Naukowcy przyjrzeli się temu, dlaczego tak się stało. Jakie były tego przyczyny.

Profesor Jennifer Francis z Centrum Badawczego Woods Hole [WHRC – Woods Hole Research Center] oraz doktor Bingyi Wu z Instytutu Atmosferycznych Nauk na Uniwersytecie w Fundan, zaobserwowali, że do tej pory, od 2012 roku, nie padł rekord najmniejszego zasięgu lodu morskiego w Arktyce, ponieważ główna przyczyna tego jest taka, że obszary polarne są przez większość roku bardziej zachmurzone ¹.

Naukowcy zauważyli, że w miesiącach wiosennych i wczesnoletnich zasięg lodu zbliżał się często, a czasem przekraczał poprzednie rekordowo niskie wartości. Jednak w drugiej połowie prawie każdego lata od 2012 roku, trajektoria spadku tegoż zasięgu lodu gwałtownie ustawała, wówczas gdy tylko niespodziewanie nad środkową Arktyką pojawiał się silny układ niżowy wraz z równie silnym zachmurzeniem. A więc, obniżone ciśnienie powietrza atmosferycznego nad poziomem morza (SLP – Sea-Level Pressure) jest jedną z głównych przyczyn silnego spowolnienia topnienia lodu morskiego.

Od tego czasu nie było żadnych nowych rekordowych minimów zasięgu lodu morskiego w Arktyce, chociaż zimowe maksima były dość często rekordowe. Należy jednak zwrócić uwagę, że w tym samym czasie, poczynając od 2014 roku, gruby lód wieloletni jest stopniowo wypierany przez cienki, sezonowy lód (Richter-Menge i in. 2019).

Na wstępie opisanej swojej pracy naukowcy zastanawiali się:

Czy ten zmniejszony spadek zasięgu jest spowodowany dziwactwem naturalnej zmienności, czy też coś się zmieniło w systemie, który używał hamulców podczas cofania się lodu?

---

Rys.1. Średni miesięczny zasięg lodu morskiego Arktyki (miliony km²) w 2020 r. (czerwona linia), 2007 r. (zielona linia) i 2012 r. (niebieska linia). Szara linia pokazuje średnią wartość z lat 1980-200 wraz z maksymalnym i minimalnym odchyleniem od średniej. (Copernicus Marine Service).

---

I dalej napisali w niej:

Miesięczna ewolucja pokrywy lodu morskiego wyraźnie obrazuje szybkie tempo utraty lodu każdej wiosny i lata od 2012 roku, wraz z nagłym spowolnieniem spadku zasięgu, który następował każdego sierpnia lub na początku września (z wyjątkiem okresu bliskiego rekordowi – lata 2020). Wraz z tym niezwykłym zachowaniem występuje ogólny ujemny trend ciśnienia na poziomie morza (SLP) nad Oceanem Arktycznym w sierpniu w ciągu ostatnich dwóch dekad, aczkolwiek z dużą zmiennością międzyroczną. Niższe ciśnienie ogólnie powoduje zwiększone zachmurzenie, które zmniejsza promieniowanie słoneczne w dół, przyczyniając się do wolniejszej utraty lodu, wraz z możliwymi efektami kompensującymi promieniowanie długofalowe, które zależy od temperatury podstawy chmur. Co więcej, anomalne niskie ciśnienie ma tendencję do rozprzestrzeniania pokrywy lodowej, ponieważ siły mechaniczne powodują ruch na prawo od prędkości wiatru. Trendy przestrzenne SLP w sierpniu od 2010 do 2020 wykazują ujemne anomalie SLP dominujące na Oceanie Arktycznym wraz z dodatnimi trendami na obszarach kontynentalnych na dużych i średnich szerokościach geograficznych. Przewiduje się, że ciśnienie powierzchniowe nad Arktyką będzie dalej spadać, ponieważ gazy cieplarniane nadal gromadzą się w atmosferze (Vavrus i inni, 2012 ; Koinigket i inni, 2013), być może dostarczając dodatniego sprzężenia zwrotnego na temat tempa utraty lodu morskiego w ocieplającym się świecie.

W pracy Francis i Wu wykorzystali dane atmosferyczne na półkuli północnej, obejmujące okres 1979–2020, które zostały udostępnione z Narodowego Centrum dla Prognoz Środowiskowych/Narodowego Centrum Reanaliz Badań Atmosferycznych (NCEP – National Center for Environmental Prediction/NCAR – National Center for Atmospheric Research Reanalysis) (Kalnay i inni, 1996), dostępnej pod adresem http://iridl.ldeo.columbia

Ponadto naukowcy obliczyli dobowe temperatury powietrza przy powierzchni (SAT – Surface AIr Temperature), ciśnienie nad poziomem morza (SLP) (w tym też średnie miesięczne), prędkość wiatrów przy ciśnieniu 300 hPa, stopień pokrywy chmur oraz wysokość geopotencjału.

---

Rys.2. (a) Szeregi czasowe ciśnienia nad poziomem morza (SLP – Seal Level Pressure) [hPa] w okresie sierpnia w latach 1980–2020 na północ od 70°N. Niebieska linia oznacza średnią, a czerwona linia przedstawia trend od 2010 do 2020 roku. (b) Przestrzenny rozkład trendów SLP w sierpniu od 2010 do 2020 [hPa/rok ], z fioletowymi konturami wskazującymi istotność > 90% ufności . Dane pochodzą z reanalizy NCEP/NCAR.

(Jennifer Francis i inni, 2020)

---

Wskaźnik Zachodniego Wiatru Arktyki (AWI – Arctic Westerly Index) został zdefiniowany jako ważony obszarowo, regionalnie uśredniony wiatr strefowy 300 hPa na północ od 70°N.

W badaniach regresji letnich anomalii grubości 1000–500 hPa, stosując wspomniane dwie główne składowe PC, naukowcy zaobserwowali, że PC1 pokazał jej wartości dodatnie głównie na arktycznych i wschodnich obszarach półkuli północnej, gdzie wysokość geopotencjału w okresie letnim wyniosła 500 hPa. Natomiast PC2 pokazał jej wartości ujemne w środkowej Arktyce oraz silne dodatnie nad środkową szerokością geograficzną Azji Wschodniej, Skandynawią, północno-środkową Ameryką Północną i północno-zachodnim Oceanem Spokojnym.

Szereg czasowy PC1 (ciągła czerwona linia) wykazał znaczący (>99% pewności) dodatni trend (przerywana czerwona linia), zgodnie z antropogenicznym globalnym ociepleniem i odpowiadał za 30% zmienności. Z kolei PC2 (ciągła niebieska linia) wykazał 10% wariancji (rys.140.a).

Okres niskich wartości dla PC2, wyróżniony niebieską przerywaną linią, pojawił się w latach 2007–2012, zbiegając się z szybką utratą lodu.

Przy przesunięciu letnich anomalii grubości 1000-500 hPa na dwie główne składowe PC (rys.140.b,c), widać, że dodatnie wartości wokół większości obszarów na półkuli północnej są związane z PC1, szczególnie nad Arktyką i wschodnimi odcinkami kontynentalnymi półkuli północnej, zgodnie z zaobserwowanymi dodatnimi trendami na wysokościach geopotencjalnych 500 hPa w okresie letnim nad całym terytorium.

Następnie Francis i Wu połączyli obliczenie SLP dla ostatnich sierpni z dodatnimi i ujemnymi wartościami PC2. I zaobserwowali, że gdy PC2 jest dodatnia, SLP nad Arktyką wykazuje wyraźną anomalię ujemną wraz z anomalią dodatnią nad północno-centralną Eurazją.

Naukowcy w swoim artykule opisali ten proces tak:

Warunki te sprzyjają zachmurzeniu nad Arktyką, które mają tendencję do obniżania temperatury powietrza i topnienia lodu morskiego, podczas gdy związane z nimi anomalne cykloniczne wiatry uniemożliwiają transport lodu z Cieśniny Fram i mieszanie się wody morskiej nad Oceanem Arktycznym. Połączenie tych czynników spowalnia tempo zmniejszania się lodu morskiego, które by prowadziło do rekordowego minimalnego rocznego zasięgu we wrześniu.

 

---

Rys.3.  (a) Złożone anomalie ciśnienia nad poziomem morza (SLP – Sea-Level Pressure) mierzonego w hektopaskalach (hPa) w sierpniu w okresie letnim od 2005 roku z dodatnimi wartościami komputera PC2 (2006, 2013, 2016, 2017, 2018), (b) jak w (a) także dla lat z ujemnymi wartościami PC2 (2007, 2008, 2009, 2011, 2012, 2015, 2019).

(Jennifer Francis i inni, 2020)

---

Rys.4.  (a) Złożone anomalie ciśnienia nad poziomem morza (SLP – Sea-Level Pressure) mierzonego w hektopaskalach (hPa) w sierpniu w okresie letnim od 2005 roku z dodatnimi wartościami komputera PC2 (2006, 2013, 2016, 2017, 2018), (b) jak w (a) także dla lat z ujemnymi wartościami PC2 (2007, 2008, 2009, 2011, 2012, 2015, 2019).

(Jennifer Francis i inni, 2020)

---

Tymczasem kopuła anomalnie wysokiego ciśnienia w całej Eurazji sprzyja stagnacji mas powietrza i opadającym pionowym ruchom, z których oba zjawiska przyczyniają się do powstawania fal upałów.

Natomiast w okresie letnim zdominowanym przez ujemne wartości PC2 (rys.141b), sierpniowe anomalie SLP znacznie się różnią. Nad Arktyką układ dipolowy wysokiego ciśnienia w zachodniej Arktyce wraz z anomalnie niskim ciśnieniem nad środkową Syberią powoduje anomalny przepływ wiatru, który sprzyja silnemu wirowi Beauforta, eksportowi lodu na Północny Atlantyk i anomalnie ciepłemu powietrzu nad Oceanem Arktycznym, przyczyniającemu się do ogólnego zmniejszenia zasięgu lodu morskiego. Niektóre z najniższych zasięgów lodu we wrześniu wystąpiły w tym okresie niskich wartości PC2. [rys.132].

Należy wziąć też to pod uwagę, że chociaż morska pokrywa lodowa w całej Arktyce nie zmniejszyła się tak znacząco (za wyjątkiem 2020 r., gdy padł drugi rekord w historii pomiarów wynoszący 3,74 mln km²) jak we wrześniu 2012 roku przy 3,41 mln km², ale zawiera dziś mniej lodu wieloletniego i więcej rocznego niż w tamtym czasie.

W sumie w wielu przeprowadzonych badaniach, na temat lodu arktycznego, naukowcy są zgodni, że zachmurzenie nieba arktycznego, zwłaszcza chmur niskich, także sprzyja zwiększeniu odbijania się promieni słonecznych od jasnych ich powierzchni z powrotem w przestrzeń kosmiczną (zwiększenie albedo chmur). A przez miesiące letnie zaleganie dość częstych ośrodków niżowych, sprzyja dość częstym lokalnym opadom śniegu, choć w sezonie letnim, gdy panują bardzo wysokie temperatury w Arktyce, także opadom deszczu. Dzięki czemu topnienie lodu morskiego od 2012 roku nie jest tak szybkie jak chociażby w pierwszej dekadzie XXI wieku, gdy zalegały na dłużej układy wyżowe, dawniej charakterystyczne dla Arktyki.

A powstający taki układ pogodowy związany ze spowalnianiem i silnym meandrowaniem polarnego prądu strumieniowego, znacznie spowalnia transport lodu arktycznego przez Cieśninę Frama w kierunku północnego Atlantyku. Jednak w obecnej dekadzie jeszcze wszystko może ulec zmianie.

---

Morskie fale upałów (MHW – Marine Heat Wave) nie oszczędzają również morskiego królestwa zwierząt. Zagrożone są nie tylko ptaki, ssaki czy ryby, ale i również bezkręgowce. W szczególności na gwałtowny wzrost temperatury wrażliwe są koralowce, których blaknięcie już zaobserwowano w 1998 roku podczas ekstremalnie silnego El Niño.

Koralowce, jak i wiele bezkręgowców o o pancerzykach i muszlach wapiennych, są również wrażliwe na zakwaszenie oceanów, o czym już wspomnieliśmy wcześniej w książce.

W pracy zespołowej, której głównym autorem jest Alexander J. Fordyce ze Szkoły Nauk o Środowisku i Życiu na Uniwersytecie Newcastle w Ourimbah w Nowej Południowej Walii, została przedstawiona analiza hot spotów (gorących punktów) w obszarach gdzie są rozmieszczone rafy koralowe z koralowcami ³.

Naukowcy omawiają biologiczne reakcje foto-endosymbiotycznych organizmów koralowców na ekstremalny stres termiczny i zmiany ekologiczne na rafach w wyniku powstawania gorących punktów MHW. Opisane przez nich nadmiernie ciepłe środowisko wodne oraz zwiększona penetracja przez słoneczne światło ultrafioletowe szkieletów tych zwierząt, powoduje rozpad ich tkanek, co tylko przyczynia się do szybkiego wzrostu drobnoustrojów w mikrośrodowisku szkieletowym, powodując dalszą nierozpoznaną konsekwencję jeszcze szybszego rozpadu i degeneracji szkieletów koralowców.

Proces ten doprowadza koralowce do tego, że wyrzucają ze swych osłabionych organizmów fotosyntetyczne glony zooksantelle i zaczynają chorować i ulegać blaknięciu i w końcu wiele gatunków, zwłaszcza na Wielkiej Rafie Koralowej, zaczyna szybko umierać.

---

Rys.1. Schemat koncepcyjny ilustrujący zbieżność warunków środowiskowych, które napędzają szybkie i intensywne ogrzewanie w środowiskach rafowych. Grafika kolonii koralowców dzięki uprzejmości Integration and Application Network, University of Maryland Center for Environmental Science.

---

Autorzy pracy piszą:

Normalnie zooksantele, które rezydują w tkance żołądkowo-jelitowej koralowców, wiążą węgiel poprzez fotosyntezę, a tym samym wspierają wzrost i przetrwanie koralowców tropikalnych ( Muscatine i Porter, 1977 ). Cukry i inne substancje organiczne wytwarzane w procesie fotosyntezy są przenoszone do koralowców, spełniając ich wymagania metaboliczne w ubogich w składniki odżywcze wodach, które większość z nich zamieszkuje ( Muscatine i Porter, 1977 ; Yellowlees i in., 2008).

---

Fot.1. Morskie fale upałów zabijają rafy koralowe znacznie szybciej, niż wcześniej sądzili naukowcy (DW)

---

Frances A. Perry z Morskiego Laboratorium w Plymouth, w Wielkiej Brytanii, wraz ze swoimi współpracownikami, dokonali analizy przeprowadzonych badań laboratoryjnych (ex situ) i polowych (in situ), w celu oszacowania szkodliwego wpływu nadmiernego wzrostu temperatury na wykluwanie się larw kryla antarktycznego ⁴.

Kryl antarktyczny zamieszkuje obszary Oceanu Południowego, których temperatura może przekroczyć 4,0°C, jednak preferencyjnie zamieszkuje regiony o temperaturze od −1,5 do ≤ 1,5 °C.

Badania laboratoryjne i polowe dalej wykazały, że wzrost temperatury wód oceanicznych wynoszący powyżej 1,5 stopnia Celsjusza może wpływać bardzo niekorzystnie na cykl życiowy naupliusów – larw kryla.

Właśnie morskie fale upałów mogą w szczególności ujemnie wpływać na rozwój embrionalny i wylęganie się, a także powodować deformacje w rozwoju naupliusów w wodach oceanicznych u wybrzeży Antarktydy.

---

Fot.2. Kryl antarktyczny (Euphausia superba) (Wikipedia).

---

Rys.2. Lokalizacje próbek do eksperymentów polowych i laboratoryjnych oraz szczegóły temperatury z eksperymentów polowych. (A) Profile temperatury zebrane z czujników przewodnictwa cieplnego, temperatury i głębokości (CTD – Conductivity, Temperature, Depth) w Georgii Południowej i Sandwichu Południowym podczas rejsu, na którym przeprowadzono eksperymenty polowe. (B) Lokalizacje stacji, w których schwytano ciężarne samice kryli do eksperymentów terenowych i laboratoryjnych. Próbki terenowe pobrano z sektora atlantyckiego. Próbki laboratoryjne pobrano z sektora Oceanu Indyjskiego na Oceanie Południowym (Frances A. Perry i inni, 2020).

---

Zakłócenie w ewolucji tych bezkręgowców może wpłynąć bardzo destrukcyjnie na całe łańcuchy i sieci pokarmowe w morzach i oceanach, gdyż wiele większych ryb, ptaków i ssaków morskich (tu np. wielorybów fiszbinowych), korzysta z diety pokarmowej składającej się właśnie z kryla.

—–

Morskie fale upałów mają także ujemne oddziaływanie na kręgowce. Jednak obecnie jest mało prac przeprowadzonych na temat dokładnych badań gatunków ryb, ptaków i ssaków.

Sonja Wild ze Szkoły Biologii na Uniwersytecie w Leeds w Wielkiej Brytanii oraz z Instytutu Genetyki Ewolucyjnej na Wydziale Antropologii na Uniwersytecie w Zurychu w Szwajcarii prezentuje jedną z nielicznych prac badających wpływ morskich fal upałów na reprodukcję i przeżywalność delfinów butlonosych (Tursiops truncatus) ⁵.

Gdy na początku 2011 roku mieliśmy do czynienia z pojawieniem się morskiej fali upałów u wybrzeży Zachodniej Australii w Zatoce Rekinów, wzrost temperatury w tamtejszej przybrzeżnej wodzie oceanicznej wyniósł 4 stopnie powyżej średniej rocznej. Przedłużony okres MHW spowodował zarówno znaczną utratę trawy morskiej tworzącej tam rozległy specyficzny ekosystem dla ryb i bezkręgowców, wpisany na listę światowego dziedzictwa UNESCO, jak i spadek przeżywalności i reprodukcji wielu gatunków zwierząt, w tym badanych w tej pracy delfinów butlonosych.

Naukowcy z Uniwersytetu w Zurichu zebrali w swojej pracy długoterminowe dane na temat setek zwierząt w Zatoce Rekinów jakie tam miały siedliska w ciągu dziesięciu lat, od 2007 do 2017 roku. Ich analizy wykazały, że wskaźnik przeżywalności delfinów spadł o 12% po fali upałów w 2011 roku. Co więcej, samice delfinów rodziły mniej cieląt. Proces ten trwał co najmniej do 2017 roku.

---

Fot.3. Delfin butlonosy (Tursiops truncatus) (Wikipedia)

---

Sonja Wild, główna autorka badania i była doktorantka na Uniwersytecie w Leeds stwierdza w serwisie Science Daily następujący fakt ⁶:

Zaskoczył nas zakres negatywnego wpływu fali upałów u delfinów. Szczególnie niezwykłe jest to, że sukces reprodukcyjny samic wydaje się nie wracać do normalnego poziomu, nawet po sześciu latach.

Naukowcy jednak nie są jeszcze w stanie zidentyfikować właściwych przyczyn spadku przeżywalności i reprodukcji delfinów. Wyciągnęli wnioski, że prawdopdobną przyczyną jest

1. zaniedbanie cieląt przez samice
2. zwiększona śmiertelność noworodków
3. opóźniona dojrzałość płciowa
4. kombinacja wszystkich trzech czynników

Następnie, dla tego samego serwisu Sonja Wild dodaje:

Co ciekawe, fala upałów nie miała takiego samego wpływu na wszystkie grupy delfinów. Delfiny, które używają gąbki (zwierzęcia bezkręgowego) jako narzędzi – społecznie wyuczonej techniki żerowania, która pomaga delfinom lokalizować pokarm w głębokiej wodzie – nie były tak poważnie dotknięte, jak te, które nie używają tej techniki. „Niemniej jednak nasza praca budzi obawy, że takie nagłe zdarzenia mogą mieć dość negatywne długoterminowe skutki nawet w grupach ssaków morskich, o których wiadomo, że zwykle dobrze przystosowują się do nowych warunków środowiskowych.

Również, co zaznaczają naukowcy, po częstych zdarzeniach MHW w spustoszonym ekosystemie, zmniejszona baza pokarmowa u delfinów wymusi na matkach cieląt zwiększone poszukiwanie pożywienia. Może to wpłynąć na częstsze ataki rekinów na młode delifiny, które będą na dłuższy czas zostawione bez opieki matek.

Z kolei kierownik badań i współautor pracy, Michael Krützen, profesor na Wydziale Antropologii UZH podsumowuje temat:

W przyszłości fale upałów na morzu prawdopodobnie będą występować częściej z powodu zmian klimatycznych. To są nie tylko niepokojące i długoterminowe sygnały znaczącego wpływu MHW na populacje ssaków morskich, ale także na całe ekosystemy oceaniczne.

—–

Jarrod A. Santor z NOAA, Południowozachodniego Centrum Nauk Rybackich, wraz swoimi współpracownikami, podjęli się zbadania przyczyny gwałtownego wzrostu zaplątań wielorybów na zachodnim wybrzeżu w latach 2015-2016. Odkryli, że duży obszar ciepłej wody, znany jako „plama” (obszar gorąca w powierzchniowej wodzie oceanicznej lub morskiej), wpłynął znacząco na przesunięcie bliżej wybrzeży Kalifornii odpowiednich siedlisk żerowania dla gatunków wielorybów, ale głównie dla humbaków (Megaptera novaeangliae). Wieloryby te są przystosowane do życia w strefie upwellingu w chłodniejszych, bogatszych w składniki odżywcze wodach, w których między innymi żyją liczne populacje kryla i sardeli będące ich podstawową dietą ⁷.

Pojawienie się nagłej i rozległej morskiej fali upałów w północno-wschodnim Pacyfiku w latach 2014-16 (akurat wraz silnym i długim El Niño) wywołało wzmocnienie oraz przesunięcie upwellingu (wpływu chłodnych, natlenionych i bogatych w składniki odżywcze wód) bliżej wybrzeży Kalifornii, a to z kolei wymusiło na humbakach wędrówkę bliżej wybrzeży gdzie była wówczas wprawdzie chłodniejsza woda w wąskim i płytkim pasie, ale były też rozmieszczone liczne komercyjne łowiska krabów Dungeness z nieczynnymi, zarzuconymi sieciami przez rybaków, w które wieloryby masowo się zaplątywały nie docierając do obszarów upwellingu u wybrzeży Kalifornii.

---

Fot.4. Humbak zaplątany w sprzęt wędkarski. (E. Lyman/HWS i NOAA)

---

Wskażnik kompresji siedlisk upwellingowych, w okresie 1980-2016, naukowcy opracowali za pomocą asymilacyjnego modelu oceanograficznego w celu dokładniejszej oceny ekosystemów, rozmieszczenia gatunków żerujących w wodach przybrzeżnych, w tym gatunków wielorybów, zwłaszcza humbaków.

W sumie w 2014 roku było 10 zaplątanych wielorybów. Jednak liczba ta mocno wzrosła do 53 w 2015 roku i do 55 w 2016 roku. Razem w ciągu trzech lat było 118 uwięzionych wielorybów. Zapewne, zaplątania w sieci rybackie tych dużych ssaków morskich wymuszało potem na ludziach akcje uwalniania ich z pułapek.

W szczególności duża koncentracja stref upwellingowych i stref połowów krabów przez ludzi miała miejsce w Zatoce Monterrey, gdzie są większe skupiska ludzkie. I tam właśnie najwięcej wielorybów zaplątywało się w sieci rybackie.

Ogólnie też przyczyną kolizji wielorybów, głównie humbaków, z połowami komercyjnymi krabów przez ludzi, było też przesunięcie czasowe z listopada 2014 roku na początek kwietnia 2015 roku, do czasu spadku toksyczności w organizmach tych skorupiaków z powodu masowych zakwitów glonów, okrzemek Pseudonitzschia, wydzielających o wysokim stężeniu kwas domoikowy, bardzo niebezpieczny dla ludzi i innych zwierząt. Na ten okres łowiska zostały przymusowo zamknięte, ale narzędzia do łowienia krabów zostały w wodzie i już w 2014 były pierwsze zaplątane wieloryby, które instynktownie płynęły, jak większość innych drapieżników, tam gdzie jest najwięcej pożywienia. A jest go najwięcej właśnie w strefie upwellingu. Dlatego doszło do kolizji ogromnej liczby wielorybów ze strefami połowowymi ludzi. W sumie też zwierzęta instynktownie uciekały też ze strefy plamy ciepła jaką niosła z sobą morska fala upałów w północno-wschodnim Pacyfiku podczas trwania El Niño w latach 2014-16.

W sumie autorzy badania stwierdzili, że gwałtowny wzrost zaplątań skłonił stanowych i federalnych kierowników ds. rybołówstwa oraz naukowców do współpracy, aby uniknąć kolejnej fali zaplątań wielorybów podczas przyszłych fal upałów w oceanach. Między innymi rybacy i menedżerowie utworzyli grupę roboczą California Dungeness Crab Fishing Gear, aby monitorować morskie fale upałów i ruchy wielorybów oraz zmieniać praktyki połowowe, aby trzymać wieloryby z dala od narzędzi krabowych.

---

Referencje:

1. Fordyce A. J. et al., 2019 ; Marine Heatwave Hotspots in Coral Reef Environments: Physical Drivers, Ecophysiological Outcomes, and Impact Upon Structural Complexity ; Global Change and the Future Ocean ; https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2019.00498/full
2. Perry F. A. et al., 2020 ; Temperature–Induced Hatch Failure and Nauplii Malformation in Antarctic Krill ; Marine Ecosystem Ecology ; https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2020.00501/full
3. Wild S. et al., 2019 ; Long-term decline in survival and reproduction of dolphins following a marine heatwave ; Current Biology ; https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(19)30217-9
4. University of Zurich, 2019 ; Climate change is a threat to dolphins’ survival ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2019/04/190401115803.htm
5. Santor J. A., 2020 ; Habitat compression and ecosystem shifts as potential links between marine heatwave and record whale entanglements ; Nature Communications ; https://www.nature.com/articles/s41467-019-14215-w

W skali globalnej, najbardziej dewastowanymi grupami roślin przez morskie fale upałów (MHW – Marine ) są trawy morskie, a wśród makroglonów wodorosty jak krasnorosty, zielenice i brunatnice.

Trawy morskie, grupa roślin z okrytozalążkowych, są bardzo wrażliwe na oddziaływanie MHW. Ich regionalne zaburzenie lub dewastacja powoduje silne uwalnianie dwutlenku węgla do atmosfery.

Praca, której główną autorką jest hiszpańska oceanograf Ariane Arias-Ortiz z Instytutu Nauk i Technologii Środowiska oraz Wydziału Fizyki na Autonomicznym Uniwersytecie w Barcelonie, przedstawia następującą analizę MHW u wybrzeży Australii Zachodniej ¹.

Dowiadujemy się z niej, że ekosystemy trawy morskiej zawierają istotne na całym świecie zasoby węgla organicznego (C – carbon). Jednak zmiany klimatyczne i rosnąca częstotliwość zjawisk ekstremalnych zagrażają ich zachowaniu. Zatoka Rekinów (Shark Bay) w Australii Zachodniej ma największe zbadane zasoby węgla w ekosystemie traw morskich, które są tam przechowywane w górnym metrze osadów. Jest to 1,3% w stosunku do zasobów świata.

Autorzy niniejszego artykułu na jego wstępie napisali:

Na podstawie badań terenowych i zdjęć satelitarnych szacujemy, że 36% łąk trawy morskiej w Zatoce Rekinów zostało uszkodzonych w wyniku morskiej fali upałów w latach 2010/2011. Zakładając, że 10 do 50% osadów węgla (C) trawy morskiej było narażone na warunki tlenowe po zakłóceniach, od 2 do 9 Tg (teragramów) CO₂, [czyli od 2 do 9 mln ton] mogły zostać uwolnione do atmosfery w ciągu następnych trzech lat, zwiększając emisje wynikające ze zmiany użytkowania gruntów w Australii o 4–21% rocznie. Ponieważ przewiduje się, że fale upałów będą nasilać się wraz z dalszym ociepleniem klimatu, ochrona ekosystemów trawy morskiej jest niezbędna, aby uniknąć niekorzystnych sprzężeń zwrotnych na system klimatyczny.

---

Fot.1. Przykład trawy morskiej z Zatoki Rekinów przed falą upałów w 2011 r. (L) i miejsce badań w 2013 r. (R). Credit Shark Bay Ecosystem Research Project.

---

Na temat wodorostów (makroglonów) jest niewiele prac naukowych. Jedną z takich przedstawiła Sandra C. Straub z Instytutu Oceanów i Nauk Biologicznych na Uniwersytecie Zachodniej Australii w Crawley ².

Wodorosty są to gatunki makroskopowe, zwane także makroalgami, które znajdują się w taksonach: Chlorophyta, Phaeophyta i Rhodophyta. Są powszechnie nazywane wodorostami ze względu na ich wielkość, wielokomórkową budowę i przyczepność do twardego podłoża

W skali globalnej, w latach 1925-2016, częstotliwość występowania anomalnie wysokich temperatur w oceanach i morzach wzrosła o 34%, a czas ich trwania zwiększył się o 17%, co już przynajmniej od lat 80 XX wieku ma potencjalnie duży wpływ na ekosystemy przybrzeżne. Naukowcy dokonali następującej analizy, jakie czynniki zaważyły na wpływie morskich fal upałów na ekosystemy wodorostów:

a)  zmiany w pierwotnej produktywności

b)  zmiany w składzie społeczności

c)  zmiany w biogeografii wodorostów

d)  zmiany w funkcjach i usługach ekosystemu.

Ponadto, naukowcy dokonali przeglądu literatury na temat reakcji wodorostów morskich na MHW, w tym 58 obserwacji związanych z ich odpornością (tolerancją ekologiczną), blaknięciem, zmianami liczebności, inwazjami gatunków oraz wymieraniem lokalnym i regionalnym.

Dokonując badań eksperymentalnych, zespół naukowy Sandry Straub zaobserwował, że wodorosty tworzące darń, zwłaszcza inwazyjne, generalnie zwiększyły swoją liczebność po zdarzeniu MHW, podczas gdy rodzime wodorosty ze swoimi fukoidami tworzącymi baldachimy, po ekspansji ekstremalnego ciepła na wody przybrzeżne oceanów świata, zmniejszają swoją liczbę w dość szybki sposób.

W swojej pracy naukowcy dokonali skrupulatnie oddzielenia ekstremalnego wzrostu temperatur pod wpływem morskich fal upałów, względem współwystępujących naturalnych czynników wpływających cyklicznie w sposób zaburzający na ekosystemy wodorostów. Zaliczamy do nich:

a)  odmienne wzorce prądów

b)  wzrost roślinożerności

c)  zmiany klarowności wody

d)  zmiany zawartości składników odżywczych

e)  wpływ promieniowania słonecznego

f)  stres związany z wysuszeniem w strefie pływów

---

Fot.2. Lasy wodorostów są wyjątkowym siedliskiem, które cierpi z powodu stresu cieplnego. Źródło: beusbeus/iStock/ETH Zurych

---

Naukowcy napisali w swoje pracy:

W związku z przewidywanym w przyszłości dalszym wzrostem intensywności, czasu trwania i częstotliwości MHW, spodziewamy się większej liczby zastępowań dużych długowiecznych wodorostów tworzących siedliska mniejszymi efemeralnymi wodorostami, co zmniejsza strukturę siedliska i zapewnienie efektywnych usług, jakie mogą zapewnić rafy zdominowane przez wodorosty.

---

Lasy są jednym z najważniejszych pochłaniaczy węgla w systemie klimatycznym Ziemi. Naukowcy zwracają szczególną uwagę na przepływy węgla w cyklu węglowym, o którym powiemy sobie później nieco więcej. Jednak jak ostatnio wyniki badań wskazują, gdy świat się będzie coraz bardziej ocieplać, to lasy zamiast pochłaniaczami netto, mogą stawać się powoli jego źródłami.

—

Fot. Przez amazoński las deszczowy w Peru wije się rzeka. (Służba Leśna USDA).

—

Nate G. McDowell z Krajowego Laboratorium Północno-Zachodniego Pacyfiku w Richland w stanie Waszyngton, wraz ze swoimi współpracownikami, przedstawił procesy dynamiczne gatunków drzew  w korelacji z zaburzonymi przepływami dwutlenku węgla oraz pary wodnej w ekosystemach leśnych ¹.

Dynamika lasu to procesy odnowienia, wzrostu, śmierci i strat gatunków drzew wchodzących w skład zbiorowiska leśnego. Procesy te są jednak napędzane zaburzeniami, zarówno naturalnymi, jak i antropogenicznymi.

Naukowcy tu dokonali przeglądu ostatnich postępów w zrozumieniu czynników napędzających dynamikę lasów oraz ich interakcji i zmian w kontekście globalnej zmiany klimatu. Autorzy pokazali, że zmiany te mają już miejsce. Wysnuli wnioski w procesie badawczym, że w skali globalnej ubywa starszych lasów (starodrzewi), a przybywa młodocianych. Ma to związek, zarówno z nadmierną działalnością gospodarczą (wycinka, wypalanie lasów), jak i również z wyraźnym wpływem ocieplenia klimatu (fale upałów, susze, pożary, nawałnice, nasilone gradacje owadów, patogenów).

Badania teledetekcyjne wyraźnie wskazują, że od co najmniej dwóch dekad, lasy pochłaniają coraz słabiej dwutlenek węgla. Ma to też związek nie tylko ze wzrostem temperatury w atmosferze, ale i również z deficytem pary wodnej (VPD – Vapour Pressure Deficit), o czym jeszcze więcej powiemy w dalszej części książki o suszach i pożarach.

—

Rys.1. Schemat koncepcyjny składowych dynamiki lasu i napędzających je zaburzeń.

—

W panelu skrajnie lewym dojrzały ekosystem reaguje przede wszystkim na miejscową śmiertelność, a głównymi czynnikami demograficznymi są zmienne, takie jak CO₂, temperatura i deficyt ciśnienia pary wodnej (VPD – Vapour Pressure Deficit). W następnym panelu lewym system zostaje zakłócony przez pożar, pojawienie się owadów lub inne perturbacje na dużą skalę, które usuwają większość drzew ponadpiętrowych, a gatunki przystosowane do szybkiego odnowienia po zakłóceniach odrastają. W trzecim panelu prawym odnowienie i wzrost dominują w procesach demograficznych, przy czym śmiertelność wzrasta z czasem, ponieważ konkurencja prowadzi do samoprzerzedzania. W ostatnim panelu skrajnie prawym dojrzały ekosystem jest zdominowany przez gatunki, które zastąpiły pierwotną społeczność w odpowiedzi na chroniczne zmiany środowiskowe, co prowadzi do powstania nowego ekosystemu.

(Nate McDowell i inni, 2020)

---

Nate McDowell dla serwisu Science Daily powiedział ²:

Wniosek jest taki, że zmiana klimatu już teraz wywiera presję na lasy na świecie, a jej przyszłe następstwa mogą być na tyle poważne, że negatywnie wpłyną na całkowitą sekwestrację węgla przez lasy.

—

Brytyjski geograf ds. ekosystemów Thomas Pugh z Uniwersytetu w Birmingham, wraz ze swoimi współpracownikami, odkrył, że nie tylko dojrzałe lasy w średnim wieku produkcyjnym są jednymi z największych pochłaniaczy węgla, ale jak się okazuje, także odrastające lasy odgrywają w tym główną rolę po zaburzeniach naturalnych, takich jak np. pożary, nawałnice czy też po zaburzeniach antropogenicznych, takich jak np. wycinka drzew ³.

—

Rys.2. Część lasu zdefiniowana jako odrastanie (mniej niż 140 lat) w zestawie danych dotyczących wieku na rok 2010. Pusty obszar w południowej Australii występuje, ponieważ w zestawie danych GFAD nie ma danych dla tego obszaru (Thomas A. M. Pugh i inni, 2019).

—

Naukowcy swoje wyniki badań oszacowali w globalnej bazie danych wieku lasów (GFAD – Global Forest Age Database) w ramach unijnoeuropejskiego projektu GEOCARBON (Operacyjnego globalnego systemu obserwacji dwutlenku węgla), w którym został uwzględniony rozkład wieku drzewostanów w 10-letnich przedziałach wiekowych do 140 lat, od roku bazowego 2010 na siatce 0,5° w zinwentaryzowanych lasach obejmujących większość regionów umiarkowanych i borealnych.

Ponadto obliczając rozkład wiekowy niezinwentaryzowanych lasów w obszarach tropikalnych, badacze zastosowali specyficzne dla klimatu krzywe wiekowe drzewostan-biomasa użyte do zbioru danych o dużej biomasie leśnej i o rozdzielczości 1 km (specyficznej dla jednej z trzech stref opadów). Następnie zagregowali klasy wiekowe w 10-letnie przedziały, a na koniec obliczyli powierzchnię przypadającą na klasę wieku jako ułamek komórki siatki 0,5°.

Przyjęte zostało, że rozkłady klas wieku tropikalnego są takie same dla dwóch typów funkcjonalnych roślin tropikalnych: zimozielonych i deszczowozielonych.

—

W swojej pracy zespołowej Nancy L. Harris, będąca kierownikiem ds. badań Nadzoru Globalnych Lasów (GFW – Global Forest Watch), stwierdziła, że lasy na świecie pochłonęły już około dwa razy więcej dwutlenku węgla niż go wyemitowały w latach 2001–2019. Reasumując, lasy zaabsorbowały netto 7,6 miliarda ton metrycznych CO₂ rocznie, czyli 1,5 razy więcej dwutlenku węgla niż populacja Stanów Zjednoczonych emituje rocznie ⁴.

Poddając analizie najważniejsze lasy tropikalne w Ameryce Południowej, Afryce i Azji południowo-wschodniej, Harris w serwisie Instytutu Zasobów Świata (WRI – World Resources Instittute) zaobserwowała, że są one najbardziej narażone by stać się znaczącymi źródłami netto dwutlenku węgla. Napisała w nim następująco ⁵:

W ciągu ostatnich 20 lat lasy w Azji Południowo-Wschodniej łącznie stały się źródłem netto emisji dwutlenku węgla z powodu wycinania pod plantacje, niekontrolowanych pożarów i osuszania gleb torfowych.

Dorzecze Amazonki, które rozciąga się na dziewięć krajów Ameryki Południowej, nadal jest pochłaniaczem dwutlenku węgla netto, ale balansuje na krawędzi, aby stać się źródłem netto, jeśli utrata lasów będzie się utrzymywać w obecnym tempie. Dorzecze Amazonki doświadczyło wzmożonego wylesiania w ciągu ostatnich czterech lat w celu utworzenia rozległych pastwisk dla bydła oraz doznało degradacji spowodowanej  wielkoskalowymi pożarami.

Spośród trzech największych lasów tropikalnych na świecie, tylko Kongo ma wystarczająco dużo zwartych lasów, aby pozostać silnym pochłaniaczem dwutlenku węgla netto. Tropikalny las deszczowy Konga pochłania 600 milionów ton metrycznych więcej dwutlenku węgla rocznie niż emituje, co odpowiada około ¹/₃ emisji CO₂ z całego transportu w USA.

—

Rys.3. Strumienie gazów cieplarnianych (GHG) związane z lasami (ekwiwalent średniej rocznej w megatonach, okres 2001–2019). a) roczne emisje GHG brutto b) roczne pochłanianie GHG brutto c) roczny strumień GHG netto. Do celów wyświetlania mapy zostały ponownie przeanalizowane z 30-metrowej skali obserwacji do siatki geograficznej 0,04°. Wartości w legendzie odzwierciedlają średnią (Nancy L. Harris i inni, 2019).

—

Wannes Hubau ze Szkoły Geografii na Uniwersytecie w Leeds, wraz ze swoim dużym międzynarodowym zespołem naukowym, opisał badanie polegające na ocenie trendów absorpcji dwutlenku węgla przez 244 strukturalnie nietknięte afrykańskie lasy tropikalne na terenie 11 krajów afrykańskich ⁶.

Następnie naukowcy porównali wyniki z tropikalnej Afryki z 321 obszarami z Amazonii. Naukowcy wyciągnęli wnioski, jakie podstawowe czynniki napędzają te trendy:

Pochłaniacz dwutlenku węgla w żywej nadziemnej biomasie w nienaruszonych afrykańskich lasach tropikalnych był stabilny przez trzy dekady do 2015 r. I wynosił 0,66 tony węgla na hektar rocznie (95-procentowy przedział ufności 0,53–0,79), w przeciwieństwie do długoterminowego spadku w lasach amazońskich.

Ostatecznie Wannes Hubau i jego współpracownicy, zauważyli, że tropikalne lasy deszczowe w sumie pochłaniają więcej węgla z atmosfery niż razem wzięte lasy umiarkowane i borealne, pomimo, że są coraz bardziej niszczone ze względu na ekspansję rolniczą.

---

Referencje:

1. McDowell N. G. et al., 2020 ; Pervasive shifts in forest dynamics in a changing world ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aaz9463
2. DOE/Pacific Northwest National Laboratory, 2020 ; Global environmental changes leading to shorter, younger trees ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2020/05/200528161052.htm
3. Pugh T. A. M. et al., 2019 ; Role of forest regrowth in global carbon sink dynamics ; Proceedings of the National Academy of Sciences ; https://www.pnas.org/content/116/10/4382
4. Harris N. L. et al., 2021 ; Global maps of twenty-first century forest carbon fluxes ; Nature Climate Change ; https://www.nature.com/articles/s41558-020-00976-6
5. Harris N. L. & Gibbs D., 2021 ; Forests Absorb Twice As Much Carbon As They Emit Each Year ; World Resources Institute ; https://www.wri.org/insights/forests-absorb-twice-much-carbon-they-emit-each-year
6. Hubau W. et al., 2020 ; Asynchronous carbon sink saturation in African and Amazonian tropical forests ; Nature ; https://www.nature.com/articles/s41586-020-2035-0

 

Huragan Harvey był niszczycielskim huraganem kategorii 4 , który wylądował w Teksasie i Luizjanie w sierpniu 2017 r., powodując katastrofalne powodzie i ponad 100 ofiar śmiertelnych. Szkody majątkowe jakie on sporządził, były o wartości około 125 miliardów dolarów w ciągu roku.

---

Fot. Szkody po huraganie Harvey i trzydniowych nawalnych opadach deszczu w Houston spowodowały ekstremalne powodzie. (REUTERS/Richard Carson)

Bardzo interesujące są dwie prace, w których kluczową rolę odgrywa minerały żelaza. Okazuje się, że ten pierwiastek chemiczny działa niczym „ochroniarz” organicznego węgla w stabilnej zmarzlinie. Jednak są dwa przypadki, w których jest przyczyną emisji dwutlenku węgla, powstałego z utlenienia węgla organicznego. W pierwszym przypadku, w rozmrożonych, wilgotnych i uwodnionych glebach, zwanych termokrasami, jest zjadany przez bakterie i przestaje być rdzawym pochłaniaczem węgla. Z kolei w drugim przypadku, żelazo jest jakby „zabójcą” węgla organicznego, a ściślej katalizatorem, gdy ultrafioletowe i widzialne promienie słoneczne szybciej utleniają go do postaci gazowej, czyli dwutlenku węgla.

—-

Pierwsza praca była przedstawiona przez duży zespół naukowy, głównie z Niemiec, ale i z Danii, Wielkiej Brytanii i USA, prowadzony przez niemiecką naukowiec Monique S. Patzner w przedmiocie Geomikrobiologii w Centrum Stosowanych Nauk o Ziemi na Uniwersytecie w Tybindze ⁴.

W lipcu 2018 r. naukowcy ci pobrali rdzenie w dwóch egzemplarzach, wzdłuż łagodnie zapadającego się gradientu odwilży od palsy do torfowiska i fenu.

Torfowisko Stordalen jest obszarem ściśle chronionym, na którym prowadzone są również inne badania terenowe, dlatego czas odwiertów jest ściśle ograniczony ze względu na ryzyko przyspieszenia odwilży wiecznej zmarzliny i/lub zakłócenia innych długoterminowych pomiarów, zwłaszcza w miejscach wrażliwych, takich jak fronty erozyjne.

Po wykonaniu badań terenowych, naukowcy doszli do wniosku, że kluczowe w utrzymaniu stabilnej zmarzliny, obok stabilnej temperatury regionalnej i lokalnej, jest żelazo chelatowane z węglem organicznym (OC-Fe – Organic Carbon-Iron) w całkowitej puli węgla organicznego (SOC – Soil Organic Carbon) w warunkach dużego stężenia tlenu.

Węgiel organiczny w rozmrażającej się zmarzlinie przekształca się łatwo w gazowy dwutlenek węgla, gdy zmarzlina topnieje i pojawia się woda powyżej     0°C. Wówczas uaktywniają swoją działalność bakterie, które metabolizują tenże węgiel. Ale nie tylko. Gdy mamy do czynienia z mokrymi siedliskami nawodnionymi, tutaj jeziorami termokrasowymi, np. po zapadniętych ombrogenicznych torfowiskach w tundrze, tzw. palsach, to łatwo wypłukiwany węgiel organiczny nie chroni już tak zwany rdzawy pochłaniacz węgla organicznego, czyli minerały żelaza, chroniące skutecznie tenże węgiel w stabilnej zmarzlinie z wysoką zawartością tlenu.

W rozwodnionej zmarzlinie, silnie zubożonej w tlen, bakterie skuteczniej przyczyniają się do osłabienia chelatu żelaza z organicznym węglem, co z kolei prowadzi do przemiany tegoż węgla w gazowy dwutlenek węgla, który masowo trafia do atmosfery, im bardziej rozwodniona jest zmarzlina po zapadniętych palsach. Z kolei słabo krystaliczne żelazo uwolnione od organicznego węgla w warunkach niskiego zapotrzebowania na tlen, jest intensywnie konsumowane przez bakterie, co tylko jeszcze mocniej w warunkach tlenowych wpływa na emisje dwutlenku węgla do atmosfery, a w warunkach beztlenowych – metanu. W ogólnym zakresie, w uwodnionych torfowiskach, wspomnianych palsach, bakterie w łatwy sposób rozkładają rozmrożoną materię organiczną składającą się ze szczątków roślin i zwierząt.

---

Rys. Trzy główne etapy odwilży to (1) palsa (oznaczona na pomarańczowo), (2) torfowisko (na zielono) i (3) trzęsawisko (na niebiesko). Pozycje trzech rdzeni szczegółowo przeanalizowanych w ciągu 3–4 dni od pobrania w 2018 r., które reprezentują wszystkie trzy etapy rozmrażania, pokazano na żółto. Dodatkowe rdzenie (pokazane na biało) pobrano w 2018 r. i przeanalizowano po 7 miesiącach inkubacji w 4°C (rysunki uzupełniające 1 i 3 w oryginalnym artykule). Dane do dalszych powtórzeń, wykonane w latach 2017 i 2019, są przedstawione w SI (rysunki uzupełniające  1–5 w oryginalnym artykule).

(Monique S. Patzner i inni, 2020)

---

Druga praca z kolei, została przedstawiona przez czteroosobowy skład naukowy, której główną autorką była biogeochemiczka i fotochemiczka Jennifer C Bowen z Wydziału Nauk o Ziemi i Środowisku na Uniwersytecie w Michigan, w Ann Arbor ⁵.

Nowością zawartą w tej pracy jest obserwacja w terenie, gdy rozmrażana zmarzlina uwadnia się, czy też pobliskie gleby, to wówczas organiczny węgiel jest jeszcze na jeden sposób szybko przekształcany w postać gazową dwutlenku węgla. Nie dość, że żelazo nie będące już chelatem z węglem organicznym (OC-Fe) jest zjadane przez bakterie, to na dodatek promienie słoneczne antagonizują to żelazo jako katalizator i przyspieszają reakcję chemiczną glebowego węgla organicznego (SOC) do postaci atmosferycznego gazu – dwutlenku węgla.

---

Fot. Fotomineralizacja w jeziorku termokrasowym (SeppFriedhuber / Getty Images).

---

I co jest jeszcze bardzo istotne, co podkreślają naukowcy w swoich badaniach laboratoryjnych, po pobraniu próbek gleby z zamarzniętej warstwy wiecznej zmarzliny (>60 cm pod powierzchnią) w pięciu miejscach leżących pod wilgotną, kwaśną kępą lub mokrą turzycą oraz na trzech powierzchniach lodowcowych na północnym zboczu Alaski latem 2018 r., że rozpuszczony węgiel organiczny (DOC – Dissolved Organic Carbon) przemieszcza się z destabilizowanej zmarzliny do wód nasłonecznionych, gdzie jego utlenianie do postaci dwutlenku węgla zależy od tego czy wspomniany DOC jest podatny na fotomineralizację. Wszystko jednak też zależy od składu chemicznego żelaza i DOC. Również podatność, czyli labilność DOC na fotomineralizację, zależy od długości fali światła słonecznego. Z kolei żelazo jest kontrolerem labilności, rozpuszczonego węgla organicznego w zmarzlinie, na fotomineralizację. Naukowcy także odkryli podczas badań, że starożytny kwas karboksylowy węgla w zmarzlinie, od 6300 do 4000 lat temu, również ma wpływ na wspomnianą fotomineralizację.

Profesor Rose Cory z Wydziału Nauk o Ziemi i Środowisku, badaczka geochemii wód, we wspomnianej pracy napisała:

Utlenianie rozpuszczonego węgla organicznego (DOC) do dwutlenku węgla (CO₂) przez światło słoneczne (fotomineralizacja) stanowi obecnie do 30% CO₂ emitowanego do atmosfery z arktycznych wód powierzchniowych (Cory i inni, 2014).

Podsumowując ten temat, emisje dwutlenku węgla pochodzącego z rozpuszczonego węgla organicznego mają znaczący wpływ nie tylko dzięki natężonej działalności bakterii w uwodnionych siedliskach, ale i także podczas ekspozycji na światło słoneczne, które także potrafi utleniać DOC przy wzmocnieniu katalitycznym minerałów żelaza.

To nowe odkrycie z ubiegłego roku jeszcze nie jest włączone do modeli klimatycznych. Miejmy nadzieję, że to się wkrótce zmieni, mówią naukowcy z Uniwersytetu w Michigan.

---

Bibliografia:

1. Patzner M. S. et al., 2020 ; Iron mineral dissolution releases iron and associated organic carbon during permafrost thaw ; Nature Communications ; https://www.nature.com/articles/s41467-020-20102-6
2. Bowen J. C. et al. 2020 ; Arctic Amplification of Global Warming Strengthened by Sunlight Oxidation of Permafrost Carbon to CO₂ ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2020GL087085

Zjawiska atmosferyczne kojarzą nam się z czymś negatywnym i niszczycielskim, ale nie wszystkie są takie. Na przykład specyficzne tropikalne wiatry zwane monsunami, mogą być też wręcz zbawienne dla wielu populacji ludzi, zwierząt oraz roślin.

Tak właśnie dzieje się z monsunami letnimi (Indyjskim i Atlantyckim), gdy wieją one z obszarów wysokiego ciśnienia nad oceanami (Indyjskim i Atlantyckim) ku obszarom niskiego ciśnienia nad kontynentami (Azji i Afryki). Zimą procesy zachodzą odwrotne. Monsuny zimowe wieją z obszarów wysokiego ciśnienia nad kontynentami w kierunku obszarów z niskim ciśnieniem nad oceanami.

W naszej cywilizacji ludzie mieszkający w regionach subtropikalnych w okresie letnim wręcz się mocno przyzwyczaili do nadchodzenia na czas pór deszczowych z monsunami. Jednak nie zawsze tak było w przeszłości, ale od co najmniej dwóch dekad, wzrost temperatury globalnej oraz regionalnych, wywierają coraz większy taki wpływ, że nadejście monsunów przesuwa się w czasie. Po prostu coraz bardziej opóźnia się ich nadejście. I takie opóźnienia albo nawet zanikanie monsunów będzie miało coraz bardziej ujemny wpływ na ekosystemy oraz gospodarkę wielu krajów, jak Indie, Pakistan czy też kraje Afryki Zachodniej. Często pojawiające się takie ekstrema, będą przyczyną nieurodzaju oraz głodu w subtropikalnych regionach Ziemi.

Już dekadę temu, naukowcy zaobserwowali, że monsuny będą słabnąć, a nawet wręcz zanikać.

—-

Chińscy badacze z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley: Li-Chi Chiang z Wydziału Geografii i Yen-Lan Liu z Wydziału  Geografii z Centrum Atmosferycznych Nauk, zaobserwowali w swoich wynikach badań, że pod wpływem coraz wyższej temperatury w atmosferze Ziemi, monsuny mogą osłabnąć na Oceanie Indyjskim u wybrzeży Indii i Bangladeszu oraz u wybrzeży zachodniej równikowej Afryki na Oceanie Atlantyckim, z powodu rosnących w nich temperatur ¹.

Naukowcy skorelowali osłabnięcie monsunów od pierwszej dekady XXI wieku z jednoczesnym osłabnięciem pór deszczowych i nastaniem długotrwałych i uciążliwych susz już od lat 60 XX wieku w obszarach Sahelu w Afryce, Półwyspu Indyjskiego oraz Azji Południowej.

—-

Moetasim Ashfaq z Wydziału Nauk Obliczeniowych i Inżynierii w Narodowym Laboratorium Oak Ridge w USA, wraz ze swoimi współpracownikami, udowodnił, że dalsze emisje gazów cieplarnianych przyczynią się do znaczącego opóźniania nadejścia monsunów o 15-20 dni, a nawet w pewnych regionach o 30 dni ².

Naukowcy do analiz badawczych wykorzystali zestaw prognoz regionalnego modelu klimatycznego (RCM – Regional Climate Model) w siedmiu regionalnych domenach skoordynowanego regionalnego eksperymentu zmniejszania skali (CORDEX – Coordinated Regional Downscaling Experiment), aby po raz pierwszy przedstawić globalny obraz zmian monsunowych na różnych poziomach wymuszania emisji gazów cieplarnianych (GHG – Greenhouse Gases).

Wszystkie symulacje regionalne przeprowadzili przy użyciu modelu RegCM4 w poziomym rozstawie siatki 25 km, z zastosowaniem wymuszeń na granicy bocznej i dolnej z trzech modeli ogólnej cyrkulacji (GCM – General Circulation Models), które są częścią piątej fazy projektu Coupled Model Inter-comparison Project (CMIP5).

Każda symulacja za pomocą regionalnego modelu RegCM4 obejmowała okres od 1970 do 2100 w ramach dwóch reprezentatywnych ścieżek koncentracji (RCP2.6 i RCP8.5), jeszcze według V Raportu Oceny IPCC.

---

Rys.1. W analizach wykorzystano różne domeny RegCM CORDEX. Kolorowy obszar lądowy w każdej domenie odzwierciedla region, który został użyty z każdej integracji RegCM dla działek przestrzennych. Ramki reprezentują obszary wykorzystywane do różnych analiz średnich strefowych (Moetasim Ashfaq i inni, 2020).

---

Naukowcy podkreślili w tej pracy, że regionalne symulacje klimatyczne precyzyjnie identyfikują cechy opadów i dynamiki atmosferycznej w regionach monsunowych w okresie historycznym.

Również badacze stwierdzili, że według scenariusza emisji GHG – RCP8.5, wydłużanie się opóźnień nadejścia monsunów występuje tak samo w każdym z badanych siedmiu regionów Ziemi (CORDEX). A według scenariusza emisji GHG – RCP2.6, te oddziaływanie jest znacznie mniejsze. I nawet to, że do 2100 roku można wielu szkodliwych wpływów uniknąć.

Wprawdzie badania wykazały także opóźnienie końca pory deszczowej podczas monsunów, ale i tak te oddziaływanie jest mniej szkodliwe niż opóźnienia z nadchodzeniem pór deszczowych z monsunami.

Autorzy powyższej pracy za pomocą symulacji swojego modelu regionalnego, odkryli także z niepokojem, że monsuny będą skracać się w czasie, a okresy bezdeszczowe bardziej wydłużać się, przynosząc z sobą uciążliwe susze w subtropikalnych regionach, co będzie w zupełności bardzo niekorzystne dla ludzi, zwierząt oraz roślin.

Takie zaburzenia monsunowe będą coraz silniej wpływać podczas dalszego wzrostu globalnej średniej temperatury powierzchni Ziemi oraz regionalnych i lokalnych. Ponadto, będą im towarzyszyć rozprzestrzenianie się chorób tropikalnych jak denga, malaria czy cholera, których ekspansja, na wyższe i relatywnie chłodniejsze szerokości geograficzne, będzie następować wraz z migracją gatunków zwierząt i roślin oraz ludzi. Ogólnie mówiąc, w subtropikalnych regionach, takie zaburzenia z nadejściem monsunów mogą żle wpływać pod względem fizjologicznym na ludzi i na inne istoty biologiczne.

Gdy świat się coraz bardziej ociepla, a monsuny coraz bardziej opóźniają swoją porę nadejścia, to wiele regionów rolniczych, które eksportuję ryż jak Indie czy Pakistan, czy też kakao do produkcji czekolady w przypadku krajów zachodniej Afryki, po prostu zacznie destabilizować się i nawet może to grozić załamaniem się ich tamtejszych rynków handlowych.

—-

Amulya Chevuturi z Narodowego Centrum Nauki o Atmosferze oraz z Wydziału Meteorologii na Uniwersytecie w Reading, w Wielkiej Brytanii, wraz ze swoim zespołem naukowym, dokonała szczegółowych badań przewidywania zbliżania się nadchodzenia pór monsunowych, tak by były skorelowane z plonami w gospodarstwach rolnych na całym świecie. Swoje odkrycie badacze przeanalizowali na przykładzie Indii, które są w dużym stopniu zależne od monsunów ³.

Naukowcy, na podstawie prognoz Europejskiego Centrum Średnich Prognoz Pogody (ECMWF – European Centre for Medium-Range Weather Forecasts), systemu sezonowego prognozowania 5 (SEAS 5 – seasonal forecasting system 5), odkryli w swoich badaniach dokładne namierzanie nadchodzenia monsunów, po to by rolnicy byli przygotowani w odpowiednim czasie na zbiory. To znaczy, według analiz badawczych tej pracy, farmerzy mają być dokładnie informowani o nadejściu, zarówno pory deszczowej, jak i suchej.

Doktor Amulya Chevuturi powiedziała dla Science Daily ⁴:

Monsun indyjski przynosi około 80% rocznych opadów deszczu w Indiach, więc nawet niewielkie różnice w czasie jego przybycia mogą mieć ogromny wpływ na rolnictwo. Dokładne przewidzenie tych zmian z roku na rok jest trudne, ale może stanowić różnicę między dobrobytem a ubóstwem dla wielu rodzin.

Dokładność prognozowania, którą zidentyfikowaliśmy w głównych regionach rolniczych Indii, zapewnia wyraźną możliwość, aby ten system pozytywnie wpłynął na życie ludzi. Miesięczne ostrzeżenie przed suszą lub potopem to cenny czas, aby zrozumieć prawdopodobny wpływ na dostępność wody, a rolnicy powinni przygotować środki zmniejszające zagrożenie dostaw żywności.

Lepsze prognozy ratują życie, a tego rodzaju dogłębna globalna analiza jest możliwa tylko wtedy, gdy najlepsi naukowcy i wiodące instytuty badawcze współpracują ze sobą dla dobra całej planety.

Przeprowadzając swoje badania, naukowcy przeanalizowali dzień 1 maja, w latach 1981-2016, po to by wykryć nadejście monsunów. I odkryli, że prognozy były dość dokładne dla procesów wielkoskalowych, dla takich parametrów jak temperatura i wiatry, które napędzają opady monsunowe w Indiach.

Ponadto poddana została ocena prognoz przeciwnych w odniesieniu do obserwacji opadów atmosferycznych w projekcie klimatologii globalnych opadów (GPCP – Global Precipitation Climatology Project) i reanalizie ECMWF 5 (ERA 5).

Badanie zespołu Chevuturi wykazało również, że system sezonowego prognozowania 5 (SEAS 5) był tylko skuteczny w przewidywaniu wczesnego lub późnego nadejścia letniego monsunu indyjskiego (ISM – Indian Summer Monsoon) dla ważnych regionów rolniczych wzdłuż równin rzeki Ganges oraz dla wschodnich i zachodnich wybrzeży Indii.

Jednak zostały zidentyfikowane także niedociągnięcia w powyżej opisanym systemie SEAS 5, które mogą mimo wszystko utorować drogę do ulepszeń modeli, potencjalnie zapewniając bardziej szczegółowe i dokładne sezonowe długoterminowe prognozy monsunowe.

Ponadto badanie wykazało, że prognozy miały tendencję, albo do przeszacowywania opadów, jak np. nad górzystymi Ghatami Zachodnimi i regionami Himalajów, albo do niedoszacowania opadów, jak np. na równinach rzeki Ganges na północy kraju i jej delty w Zatoce Bengalskiej.

W każdym razie prognozy były prawidłowe dla wzorca opadów monsunowych w Indiach, co czyni je przydatnymi do celów planowania.

---

Rys.2. Tryby zmienności opadów (w mm) od czerwca do września GPCP letniego monsunu indyjskiego (ISM) jako wzorce a) EOF1 i c) EOF2 w regionie Indii oraz szeregi czasowe składowej głównej (PC) związane z wiodącymi trybami EOF opadu ISM: z b) pierwszym (PC1) i d) z drugim (PC2) (Amula Chevuturi i inni, 2021).

---

Na wykresie powyżej jest ukazana ocena systemowych prognoz sezonowych SEAS 5 reprezentujących przewidywalne tryby zmienności letnich monsunów indyjskich (ISM). A także jest ukazane porównanie szeregów czasowych głównych składowych (PC) dla pierwszych dwóch trybów (PC1 i PC2) zmienności ISM między SEAS 5 i GPCP (rys.136.)

Głównymi metodami badawczymi były modele klimatyczne, za pomocą, których naukowcy z dużą dozą prawdopodobieństwa ocenili nadchodzenie w porę letnich monsunów indyjskich (ISM).

Model sprzężony z SEAS 5 zawiera model atmosfery Zintegrowanego Systemu Prognoz (IFS – Integrated Forecast System) w połączeniu z modelem powierzchni lądu HTESSEL oraz Jądra do europejskiego modelowania oceanu (NEMO – Nucleus for European Modelling of the Ocean; wersja 3.4.1).

Na temat obliczenia szeregów czasowych, naukowcy posłużyli się dwoma trybami empirycznej funkcji ortogonalnej (EOF – Empirical Orthogonal Function) w celu obliczenia miesięcznych średnich anomalii opadów deszczu. W swoim artykule napisali następująco:

Do obliczenia szeregów czasowych głównych składników (PC – Principal Component) używamy dwóch pierwszych wiodących trybów empirycznej funkcji ortogonalnej (EOF – Empirical Orthogonal Function) obliczonych dla miesięcznych średnich anomalii opadów deszczu GPCP w domenie południowoazjatyckiej (15° S-30° N, 60° E–120° E), jako EOF1 i EOF2 (ECMWF 2017 ).

Pierwszy wzór EOF (EOF1; rys.2a) przypomina wzorce opadów związane z letnimi wydarzeniami w La Niña, ze zwiększonymi opadami nad wschodnim równikowym Oceanem Indyjskim i południowo-wschodnią Azją oraz zmniejszonymi opadami nad północną Zatoką Bengalską i Azją Wschodnią.

Drugi wzór EOF (EOF2; rys.2c) ma zwiększone opady na subkontynencie indyjskim, otaczających oceanach i zachodnim równikowym Oceanie Indyjskim; co przypomina anomalie opadów obserwowane podczas pozytywnej fazy dipola Oceanu Indyjskiego.

Szeregi czasowe PC1 (rys.2b) i PC2 (rys.2d) są generowane przez przestrzenną regresję anomalii średnich opadów sezonowych każdego roku (SEAS 5 i GPCP) na odpowiednio wzorce EOF1 i EOF2. Porównanie szeregów czasowych SEAS 5 PC z obserwacjami reanalizy ERA 5 pokazuje umiarkowane, ale istotne korelacje między modelami i obserwowane dla dwóch pierwszych trybów zmienności międzyrocznej monsunów (rys.2 b, d).

---

Referencje:

1. Liu Y. et al., 2012 ; Coordinated Abrupt Weakening of the Eurasian and North African Monsoons in the 1960s and Links to Extratropical North Atlantic Cooling ; Journal of Climate ; https://journals.ametsoc.org/view/journals/clim/25/10/jcli-d-11-00219.1.xml
2. Ashfaq M. et al., 2021 ; Robust late twenty-first century shift in the regional monsoons in RegCM-CORDEX simulations ; Climate Dynamics ; https://link.springer.com/article/10.1007/s00382-020-05306-2
3. Chevuturi A. et al., 2021 ; Forecast skill of the Indian monsoon and its onset in the ECMWF seasonal forecasting system 5 (SEAS5) ; Climate Dynamics ; https://link.springer.com/article/10.1007/s00382-020-05624-5
4. University of Reading, 2021 ; Early Indian monsoon forecasts could benefit farmers ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2021/02/210209083718.htm

To największe wydarzenie katastrofalne, gdzie niszczycielski tropikalny cyklon Sandy w 2012 r. dotarł do umiarkowanych szerokości geograficznych. Ogółem w ośmiu krajach, od Karaibów po Kanadę, zabił on 233 osoby.

Obszar Nowej Anglii wraz z metropolią Nowym Jorkiem leży nad strefą wód atlantyckich, gdzie nie tylko są częste pływy i fale sztormowe, ale i również najszybciej na świecie wzrasta poziom morza, głównie dzięki rozszerzalności termicznej, ale i też dzięki gwałtownemu topnieniu pokrywy lodowej Grenlandii i spływom lodu do północnego Atlantyku. To obszar wyjątkowy pod tym względem, że spowalniany Prąd Zatokowy, którego wody schładzane na południe od Grenlandii, coraz słabiej zatapiają się w obiegu globalnej cyrkulacji termohalinowej, a w mniejszej skali w tak zwanej atlantyckiej południkowej cyrkulacji wymiennej (AMOC). Właśnie to zjawisko powoduje szybko rosnące ocieplanie się wód przybrzeżnych Nowej Anglii, w tym miasta portowego Nowy Jork.

---

Andra J. Reed i Michael E. Mann z Zakładu Meteorologii z Uniwersytetu Stanowego Pensylwanii, wraz ze swoim zespołem naukowym, położyli nacisk na zbadanie powodzi w Nowym Jorku pod wpływem wezbrań sztormowych nawiedzanych przez huragany wielkości Sandy, zarówno w okresie przedantropogenicznym (850-1800), jak i antropogenicznym (1970-2005) ¹.

W pierwszym przypadku naukowcy wykonali pomiary pośrednie z zakresu paleoklimatologii, takie jak np. rekonstrukcje względnego poziomu morza przy użyciu objętościowych izotopów węgla δ ¹³C w rdzeniach datowanych osadów słonych bagien i otwornicach (organizmach jednokomórkowych z królestwa Protista, modelowych do datowania czasu), zbadanych na dwóch stanowiskach w regionach Nowego Jorku i New Jersey.

W drugim przypadku naukowcy wykorzystali miesięczne średnie zmienne stanu termodynamicznego, w tym temperaturę powierzchni morza oraz pionowe profile temperatury i wilgotności, a także średnie dobowe wartości interpolowanych wiatrów, porównując oba okresy, antropogeniczny i przedantropogeniczny, za pomocą zestawu porównywania połączonych modeli klimatycznych w fazie 5 (CMIP5 – Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) oraz nieco mniej znanych modeli: modelu systemu ziemskiego Instytutu Maxa Plancka (MPI – Max Planck Institute), sprzężonego modelu systemu klimatycznego w wersji 4 (CCSM4 – Coupled Climatic System Model) i modelu systemu ziemskiego Instytutu Pierre’a Simona Laplace’a (IPSL – Institute Pierre Simon Laplace), służących do obliczania miesięcznych wartości pól wiatru. Ponadto zastosowali pod względem analizy hydrodynamicznej modelu zaawansowanej cyrkulacji (ADCIRC – Advanced Circulation) wyspecjalizowany do symulacji fal sztormowych i tworzenia prognoz dla różnych regionów przybrzeżnych.

Naukowcy odkryli, że od 850 do 2005 roku wzrost częstości powodzi występował i dalej występuje w regionie miasta Nowy Jork oraz New Jersey, głównie z powodu wzrostu względnego poziomu morza (RSLR – Relative Sea Level Rise). Średnia wysokość powodzi wzrosła w ciągu 1155 lat o około       1,24 metra. Pomimo tego, że w samym okresie antropogenicznym (1970-2005) częstość powodzi zaczęła występować także z powodu wezbrań fal sztormowych i zwiększenia się intensywności i wielkości huraganów.

Wskaźnik RSLR w regionie nowojorskim jest wyższy niż średnia globalna morza (SLR – Sea Level Rise) ze względu na wkład procesów o skali regionalnej, takich między innymi jak zmiana glacjalno-izostatyczna (GIA – Glacial Isostatic Adjustment).

---

Rys.1. Rekonstrukcja względnego wzrostu poziomu morza w południowym New Jersey. Niebieskie punkty danych i linia przerywana pokazują erę przedantropogeniczną, podczas gdy czerwone punkty danych i różowa linia przerywana pokazują erę antropogeniczną. Źródło: (Andra Reed i inni, 2015).

---

Niezależnie od niepewności co do częstotliwości, wielkości lub ścieżek przyszłych cyklonów tropikalnych (TC), ryzyko zalania wybrzeża dla tego regionu będzie wzrastać wraz ze wzrostem prędkości RSLR.

Główna autorka, Andra J. Reed z Uniwersytetu Stanowego Pensylwanii, wyjaśniła dla Carbon Brief ²:

Zdarzenie Sandy zwróciło uwagę, że podatność Nowego Jorku na powodzie spowodowane falami sztormowymi i podnoszeniem się poziomu morza przybiera coraz bardziej na sile w miarę dalszego ocieplania się klimatu.

Badania pokazały, że duża część szkód spowodowanych przez huragan Sandy była wynikiem 3-4-metrowej fali sztormowej, którą on spowodował.

Redaktor naukowy Robert McSweeney w Carbon Brief napisał na temat tego czym jest i jak powstaje fala sztormowa:

Kiedy nad morzem znajduje się system pogody sztormowej, jego niskociśnieniowy ośrodek podciąga powierzchnię wody. Następnie, gdy sztorm wieje na ląd, wiatr pcha morze w kierunku wybrzeża, tworząc jeszcze wyższy poziom morza i uderzając w linię brzegową dużymi falami. Tak wygląda fala sztormowa. Wysokość, jaką może osiągnąć fala sztormowa, zależy od poziomu morza, pływów i skali cyklonu tropikalnego. Tak więc wraz ze wzrostem poziomu mórz fala sztormowa ma większe szanse na przełamanie przybrzeżnych zabezpieczeń przeciwpowodziowych. Podobnie, jeśli cyklony tropikalne staną się częstsze, bardziej intensywne lub trwalsze, przypływy sztormowe mogą również osiągnąć nowy poziom.

Naukowcy zaobserwowali w prawie wszystkich swoich modelach występowanie najsilniejszych typów cyklonów tropikalnych (kategorie 3, 4 i 5) w erze antropogenicznej, a to oznaczało, że duże fale sztormowe pojawiają się najczęściej co najmniej od 1970 roku. Obliczyli, że przed antropogenicznymi zmianami klimatu, powódź o wysokości 2,25 m występowała raz na 500 lat, a obecnie oczekuje się, że będzie nasilać się co 24 lata. Reed ujmuje to w inny sposób na łamach serwisu Carbon Brief:

Powódź o takiej sile, jakiej człowiek mógł nigdy nie widzieć w erze przedantropogenicznej, staje się wydarzeniem, które człowiek może teraz widzieć kilka razy w ciągu swojego życia w obecnym klimacie.

Jeszcze jedną bardzo interesującą rzeczą jest to, że naukowcy zidentyfikowali dwa rodzaje cyklonów tropikalnych, które zazwyczaj uderzają w Nowy Jork. I przy okazji odkryli, że oba stają się coraz silniejsze.

Pierwszy typ cyklonu ma stosunkowo małą prędkość wiatru, ale za to bardzo duży promień. Reed powiedziała, że huragan Sandy był właśnie przykładem tego typu cyklonu. Jak wynika z badań, burze te stają się jeszcze większe w erze antropogenicznej.

Natomiast drugi typ cyklonu jest w postaci mniejszej burzy, ale już ze znacznie większymi prędkościami wiatru. A te prędkości robią się coraz większe, ponieważ ludzie mają wpływ na ocieplanie się klimatu.

Reed powiedziała na koniec w tym samym serwisie:

Wierzymy, że to, co widzimy w naszych wynikach, to najprawdopodobniej wzrost ekstremów dwóch różnych rodzajów burz w epoce antropogenicznej – wzrost wielkości większych burz, które niekoniecznie są intensywne, a także wzrost siły intensywnych burz, które niekoniecznie muszą być bardzo duże. 

Reed ostrzegła, że oba rodzaje burz są w stanie wywołać jeszcze znacznie większe fale sztormowe.

—-

W całym Nowym Jorku huragan Sandy spowodował śmierć 43 osób, uszkodził lub zniszczył setki tysięcy domów, zakładów pracy oraz pozostawił miliony ludzi bez prądu. Znaczna część zniszczeń była wynikiem fali sztormowej spowodowanej przez huragan. W mieście połączony wpływ fali sztormowej i przypływu podczas wystąpienia huraganu Sandy przyczynił się do tego, że poziom morza osiągnął rekordową wysokość 3,44 metra. Fala zalała rzekę East River, która z kolei wylała się przynosząc powódź w Dolnym Manhatanie. Zalane wtedy zostało siedem głównych tuneli metra.

Profesor Ning Lin, z Wydziału Inżynierii Lądowej i Środowiska na Uniwersytecie w Princeton, powiedział o tym, że do końca XXI wieku prawdopodobieństwo powtórzenia podobnych powodzi jak podczas huraganu Sandy, może być 17-krotne ³.

W swoich badaniach naukowcy zastosowali cztery modele ogólnej cyrkulacji (GCM – General Circulation Model)

1. CNRM-CM3 (Centre National de Recherches Météorologiques, Météo-France)
2. ECHAM5 (Instytut Maxa Plancka)
3. GFDL-CM2 .0 (Laboratorium Geofizycznej Dynamiki Płynów NOAA)
4. 2 (Centrum Badań nad Systemem Klimatycznym/National Institute for Environmental Studies/Frontier Research Center for Global Change, Japonia)

Ponadto zespół Lina do analizy fal sztormowych zastosował statystyczny deterministyczny model huraganu i model hydrodynamiczny o wysokiej rozdzielczości. Również ustalił klimatologię pływów i fal morskich dla globalnego modelu klimatu (GCM) z lat 1981-2000 i prognozowanego klimatu z 2081-2100 (w ramach scenariusza emisji A1B Międzyrządowego Raportu Specjalnego Zespołu ds. Zmian Klimatu w sprawie scenariuszy emisji), na podstawie reanalizy Krajowego Centrum Prognozowania Środowiska (NCEP – National Centers for Environmental Prediction).

W sumie naukowcy oszacowali w przeszłym, obecnym i przyszłym klimacie symulacje prawdopodobieństwa wystąpienia powodzi w Nowym Jorku podczas pojawienia się podobnego huraganu jak Sandy. Model GCM połączył dane historyczne i prognozy dotyczące wzrostu poziomu morza z szacunkami dotyczącymi zmiany częstotliwości i wielkości burz tropikalnych, takich jak huragan Sandy.

Praca zespołowa profesora Lina mówi jeszcze o tym, że wysokość jaką może osiągnąć fala sztormowa, zależy od trzech głównych czynników:

1. a) względnego wzrostu poziomu morza
2. b) wielkości i intensywności sztormu
3. c) naturalnych wahań pływów.

Dodatkowo, badanie podkreśla, że częstość i intensywność fal sztormowych częściowo wynika z powodu globalnego wzrostu poziomu morza wynoszącego około 13-18 cm, ale przede wszystkim z przyczyny zmiany glacjalno-izostatycznej (GIA – Glacial Isostatic Adjustment), czyli roztapiania się lodowców i lądolodów, co przyczyniło się do podniesienia poziomu morza o około 26-30 cm.

Naukowcy przewidują, że w przyszłości częstotliwość powodzi podobnych do Sandy prawdopodobnie wzrośnie „jeszcze bardziej gwałtownie” niż w przeszłości. W swoim artykule napisali:

W scenariuszu umiarkowanych emisji podnoszący się poziom mórz i zmieniające się burze tropikalne oznaczają, że powodzie podobne do zdarzeń podczas huraganów wielkości Sandy, mogą do końca stulecia występować od trzech do 17 razy częściej niż obecnie.

Oznaczać będzie to, że mieszkańcy Nowego Jorku mogą spodziewać się tego typu powodzi z wysokimi falami sztormowymi nawet co 23 lata. Oczywiście przy najnowszych wyższych scenariuszach emisji (patrz: VI Raport Oceny IPCC) pomiędzy SSP3-7.0 a SSP5-8.5, tego typu zdarzenia będą znacznie częściej pojawiać się.

---

Fot.1. Widok satelitarny huraganu Sandy w dniu 29 października 2012 r. Źródło : Projekt NOAA/NASA GOES.

---

Patrząc w przyszłość, główny autor, profesor Lin stwierdził, że w modelach klimatycznych nadal nie ma pewności, jak zmienią się burze tropikalne. Ale to nie znaczy, że ryzyko nie powinno być brane pod uwagę. Dla Carbon Brief tak powiedział ⁴:

Niektóre modele pokazują, że aktywność burzowa wzrośnie i – w oparciu o te modele – nie należy lekceważyć zmiany aktywności burzowej, ponieważ znacząco przyczyniłaby się ona do wzrostu poziomu morza.

Prognozy wzrostu poziomu mórz są znacznie bardziej pewne, i to właśnie odgrywa największą rolę w rosnącym ryzyku powodziowym. Nawet jeśli burze tropikalne nie staną się bardziej intensywne ani częstsze, oczekuje się, że częstotliwość występowania powodzi podobnych do Sandy wzrośnie z jednego razu na 400 lat w roku 2000 do jednego razu na 90 lat w roku 2100.

---

Rys.2. Szacowany przeszły i przewidywany w przyszłości względny wzrost poziomu morza w Battery w stanie Nowy Jork. Wykres przedstawia rekonstrukcje dawnego poziomu morza (czerwone prostokąty), obserwowane zmiany (zielona linia), średnią prognoz modelu klimatu dla przyszłego poziomu morza (czarna linia) zgodnie z RCP4.5 oraz zakres wyników modelu (obszar zacieniony). Względna zmiana poziomu morza uwzględnia wahania poziomu powierzchni lądu. Źródło: (Ning Lin i inni, 2016).

---

Referencje:

1. Reed A. J. et al., 2015 ; Increased threat of tropical cyclones and coastal flooding to New York City during the anthropogenic era ; Proceedings of the National Academy of Sciences ; https://www.pnas.org/content/112/41/12610
2. McSweeney R., 2015 ; Climate change is raising the risk of coastal floods in New York City, study finds ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/climate-change-is-raising-the-risk-of-coastal-floods-in-new-york-city-study-finds
3. Lin N. et al., 2016 ; Hurricane Sandy’s flood frequency increasing from year 1800 to 2100 ; Proceedings of the National Academy Sciences ; https://www.pnas.org/content/113/43/12071
4. McSweeney R., 2016 ; Hurricane Sandy-sized floods up to 17 times more likely by 2100 ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/hurricane-sandy-size-floods-up-to-17-times-more-likely-by-2100

Gdy działają wymuszenia radiacyjne musi być na nie odpowiedź w postaci sprzężeń zwrotnych. Pierwsze działają w pewnym sensie niezależnie od systemu planetarnego, np. podnosząc lub obniżając temperaturę planety jaką jest Ziemia, a drugie już tylko wzmacniają lub osłabiają oddziaływanie tych pierwszych, np. w postaci zwiększenia lub zmniejszenia zawartości pary wodnej w atmosferze czy też wzmocnienia lub osłabienia efektu albedo lodu i śniegu czy też wzmocnienia albedo promieniowania słonecznego przez chmury niskie lub zwiększenia efektu cieplarnianego przez pochłanianie gazów cieplarnianych przez chmury wysokie.

---

Rys.1. Sprzężenia zwrotne

---

Pierre Friedlingstein, ze Szkoły Inżynierii, Matematyki i Nauk Fizycznych na Uniwersytecie w Exeter (Wielka Brytania) i z Laboratorium Meteorologii Dynamicznej w Instytucie Pierre’a Simona Laplace’a w Paryżu, zauważa, że obserwacje zawsze wskazują na dodatnie sprzężenie zwrotne, czyli ocieplenie prowadzące do uwolnienia węgla do atmosfery. Jednak procesy, które mają miejsce, różnią się w zależności od ram czasowych. Najnowocześniejsze modele systemu ziemskiego reprezentują teraz te sprzężenia zwrotne cyklu klimatyczno-węglowego, zawsze symulując pozytywne sprzężenie zwrotne w dwudziestym i dwudziestym pierwszym wieku, choć z dużą niepewnością ¹.

Zdaniem naukowca cykl klimatyczny i węglowy są ze sobą ściśle powiązane w wielu skalach czasowych, od rocznych po wielotysiącletnie.

Dalej Friedlinstein wskazuje na ważne badanie z 1989 roku na temat sprzężeń zwrotnych cyklu klimatyczno-węglowego, zaprezentowane przez Dana A. Lashofa z World Resources Institute, w którym naukowiec ten zidentyfikował kilka biogeochemicznych sprzężeń zwrotnych, obejmujących reakcję biosfery i geosfery w ekosystemach lądowych i oceanicznych, przed 2015 r. nieuwzględnionych w modelach klimatycznych, w tym zapewne w V Raporcie Oceny IPCC ².

Globalny budżet węglowy w okresie historycznym (1750–2011) według 5 Raportu Oceny IPCC (w gigatonach węgla – GtC) (Rys.10.):

Czynniki antropogeniczne

Żródła węgla:

1. Emisje z paliw kopalnych – 375±30 GtC
2. Zmiana użtkowania gruntów netto – 180±80 GtC

Czynniki naturalne

Pochłaniacze węgla:

1. Oceaniczne pochłanianie – −155±30 GtC
2. Lądowe pochłanianie – −160±90 GtC

Uwalnianie węgla:

1. Oceaniczne uwalnianie – +5±5 GtC
2. Lądowe uwalnianie – +25±10 GtC

---

Rys.2. Globalny budżet węglowy w okresie historycznym (1750–2011) zaadaptowany z IPCC AR5. Emisje z paliw kopalnych (czarna strzałka) i zmiany użytkowania gruntów (brązowa strzałka), jak w IPCC oraz przypisanie lądowych i oceanicznych pochłaniaczy dwutlenku węgla do atmosferycznego wzrostu CO₂ (niebieskie strzałki) i zmian klimatycznych (pomarańczowe strzałki), jak to zrobiono w tym badaniu. Wszystkie strumienie węgla są przedstawione w GtC. Górne panele pokazują wzrost atmosferycznego CO₂ od 1750 r. oraz globalną średnią temperaturę powierzchni od 1880 r.

(Pierre Friedlingstein, 2015)

---

Na temat atmosferycznego CO₂ Friedlingstein stwierdził, że szacunkowa czułość z zapisów rdzeni lodowych, tj. zmiana atmosferycznego CO₂ spowodowana zmianą globalnej temperatury, nie jest bezpośrednio porównywalna z czułością cyklu klimatyczno-węglowego oznaczoną symbolami γ i β oraz oszacowaną przez symulacje Modelu Systemu Ziemi (ESM – Earth System Model).

—-

Joshua F. Dean z Wydziału Nauk o Ziemi na Uniwersytecie Vrije w Amsterdamie wraz ze swoim zespołem naukowym opisał emisje metanu jako dodatnie sprzężenia zwrotne ³.

Złożona materia organiczna jest rozkładana przez mikroorganizmy w środowiskach beztlenowych w wieloetapowym procesie obejmującym hydrolizę, fermentację, homoacetogenezę i utlenianie octanu syntroficznego, co prowadzi do powstania CO₂ i CH₄ jako produktów końcowych. CH₄ dyfunduje w górę przez warstwę gleby/osadu, gdzie może być utleniany przez (bez)tlenowe metanotrofy. Tutaj pokazano teoretyczny rozkład dostępnych akceptorów elektronów na podstawie ich potencjału elektronowego; zasięg stref akceptora elektronów będzie różny w różnych środowiskach. Część tego CH₄ może ostatecznie dotrzeć do atmosfery. Część CH₄ może zostać uwolniona przez rośliny lub ebulicję (wzburzenie); należy zauważyć, że te szlaki uwalniania CH₄ mogą również zachodzić w środowiskach wodnych (na rysunku nie pokazane). Roślinność reprezentuje rośliny naczyniowe, które zapewniają bezpośrednią drogę pionowego uwalniania CH₄ przez aerenchymę.

Emisje metanu od początku rewolucji przemysłowej do dziś wzrosły od około 700 ppb (parts per bilion – cząsteczki metanu na miliard cząsteczek powietrza atmosferycznego) do 1800 ppb.

Na wstępie swojej pracy naukowcy piszą następujące fakty:

Zmiana klimatu może potencjalnie zwiększyć emisje CH₄ z krytycznych systemów, takich jak tereny podmokłe, systemy morskie i słodkowodne, wieczna zmarzlina i hydraty metanu, poprzez zmiany temperatury, hydrologii, roślinności, zaburzenia krajobrazu i podnoszenie się poziomu morza. Zwiększone emisje CH₄ z tych systemów wywołałyby z kolei dalszą zmianę klimatu, powodując dodatnie sprzężenie zwrotne klimatu.

---

Rys.3. Koncepcyjna ilustracja produkcji i konsumpcji CH₄ przed uwolnieniem do atmosfery; wszystkie procesy konwersji mikrobiologicznej zaznaczono kursywą. Złożona materia organiczna jest rozkładana przez mikroorganizmy w środowiskach beztlenowych w wieloetapowym procesie obejmującym hydrolizę, fermentację, homoacetogenezę i utlenianie octanu syntroficznego, co prowadzi do powstania CO₂ i CH₄ jako produktów końcowych. CH₄ dyfunduje w górę przez warstwę gleby/osadu, gdzie może być utleniany przez (bez)tlenowe bakterie metanotroficzne.

Tutaj pokazano teoretyczny rozkład dostępnych akceptorów elektronów na podstawie ich potencjału elektronowego; zasięg stref akceptora elektronów będzie różny w różnych środowiskach. Część tego CH₄ może ostatecznie dotrzeć do atmosfery. Czyli, część CH₄ może zostać uwolniona przez rośliny naczyniowe – które zapewniają bezpośrednią drogę pionowego uwalniania CH₄ przez aerenchymę (miękisz – tkankę powietrzną) – lub poprzez proces zwany ebulicją (wzburzenie), czyli bezpośrednio z gleby/osadu.

Należy zauważyć, że te szlaki uwalniania CH₄ mogą również zachodzić w środowiskach wodnych (na rysunku nie pokazane).

(Joshua F. Dean i inni, 2018)

---

Naukowcy ci w swojej pracy położyli szczególny nacisk na tereny podmokłe, które ich zdaniem do końca wieku odegrają kluczową rolę w zmianie klimatu, gdyż będą stanowić większość dodatniego sprzężenia zwrotnego metanu.

—-

Z kolei Eric W. Wolff z Wydział Nauk o Ziemi na Uniwersytecie w Cambridge i jego współpracownicy w swojej pracy stwierdzili następujący fakt ⁴:

Jest dość proste obliczenie zmiany równowagi temperatury w skali globalnej, która wynikałaby z określonej zmiany wymuszeń, gdyby Ziemia zachowywała się jak proste ciało czarne i nie występowałyby żadne dodatkowe efekty. Na przykład, można obliczyć, że podwojenie stężenia CO₂  skutkuje wymuszeniem długofalowym około 3,7 W/m² , co samo spowodowałoby równowagowe ocieplenie o około 1,2°C.                   

A więc, gdy już wiemy czym jest efekt cieplarniany, czym są wymuszenia (astronomiczne i radiacyjne) i czym są sprzężenia zwrotne, to na tej podstawie możemy ocenić bilans radiacyjny Ziemi czy jest w równowadze czy nie. Niestety od co najmniej 1850 roku już nie jest. Obecnie do całego układu klimatycznego naszej planety wchodzi więcej niż wychodzi z niego energii cieplnej.

Czułość klimatu na odpowiedzi wspomnianych wyżej sprzężeń zwrotnych jest bardzo wysoka. Niepewność w obliczeniach reakcji systemu klimatycznego w odpowiedzi na dalszy wzrost koncentracji gazów cieplarnianych oraz średniej temperatury globalnej powierzchni Ziemi, jest także wysoka.

---

Referencje:

1. Friedlingstein P. et al., 2015 ; Carbon cycle feedbacks and future climate change ; Mathematical, Physical and Engineering Sciences ; https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2014.0421
2. Lashof D. A., 1989 ; The dynamic greenhouse: feedback processes that may influence future concentrations of atmospheric trace gases and climatic change ; Climatic Change ; https://link.springer.com/article/10.1007/BF00134964
3. Dean J. F. et al., 2018 ; Methane Feedbacks to the Global Climate System in a Warmer World ; Reviews of Geophysics ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2017RG000559
4. Eric W. W. et al., 2015 ; Feedbacks on climate in the Earth system: introduction ; Mathematical, Physical and Enigineering Sciences ; https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2014.0428