Kategoria: Klimat

Dziennikarka naukowa Andrea Elyse Messer, na stronie uczelni Penn State, napisała, że ocieplenie oceanów i ich dążenie do stabilizacji wpływa na zmniejszanie się gęstości wód, a to z kolei hamuje mieszanie pionowe wód i z głębin dostaje się na powierzchnię coraz mniej składników odżywczych, a zwłaszcza tlenu, niezbędnego dla ryb i wielu bezkręgowców zależnych od tlenu w wodzie.

Zmniejszona dostawa z natlenionych głębin składników pokarmowych dla planktonu i mniejszych ryb, ma wpływ na redukcję ich populacji, a to ma też ujemny wpływ na uszczuplanie się bazy pokarmowej dla większych ryb oraz dla ptaków i ssaków morskich, wprawdzie oddychających powietrzem atmosferycznym, ale uzależnionych pokarmowo od środowiska wodnego.

Z kolei niestabilna atmosfera coraz mniej dostarcza dwutlenku węgla niezbędnego do oddychania dla fitoplanktonu, a także dla zjadającego go zooplanktonu, również zjadanego przez mniejsze ryby, które z kolei są zjadane przez większe oraz przez ptaki i ssaki morskie.

Fot. Ocieplenie powierzchni oceanów zmniejszy ilość tlenu w górnych warstwach oceanów i zmniejszy bioproduktywność, wpływając na źródło pożywienia dla delfinów i innych, które są zależne od ilości ryb w środowisku morskim. OBRAZ: NOAA

---

CO₂ – te nieodzowne cząsteczki chemiczne opadają na dno oceanów, w ciałach martwych organizmów planktonowych, wspomnianych ryb, ptaków i ssaków morskich, w tym wielkich waleni, i tam są odkładane w skałach osadowych takich jak, węglany i krzemiany. Czyli, droga tych molekuł, polega na usuwaniu się z szybkiego cyklu węglowego (powierzchnia lądowa + ocean + atmosfera) do wolnego cyklu węglowego (skały w skorupie ziemskiej), już w płaszczu Ziemi, gdzie ulegają różnorodnym procesom metamorfizacji przez długie setki tysięcy lat, by, poprzez kominy wulkaniczne, zarówno pod wodą w oceanach, jak i na lądach, trafić z powrotem do atmosfery.

Naukowcy zaczynają zauważać, że ten mechanizm obiegu węgla, jak i natlenienia wszystkich warstw oceanicznych, coraz bardziej spowalnia w miarę ocieplania się i stratyfikacji wód oceanicznych.

Michael Mann, wybitny profesor nauk o atmosferze i dyrektor Centrum Nauk Systemu Ziemi (Earth System Science Center) na Uniwersytecie w Penn State, dla Science Daily powiedział ¹:

Ten sam proces, globalne ocieplenie, sprawia, że ​​atmosfera jest mniej stabilna, a oceany bardziej stabilne. Woda w pobliżu powierzchni oceanu nagrzewa się szybciej niż woda poniżej. To sprawia, że ​​oceany stają się bardziej niestabilne.

Również, gdy lód topnieje z pokryw lodowych, woda słodka z nich trafia do oceanu i powstaje tak samo stratyfikacja, gdyż ma ona mniejszą gęstość niż słona.

Ponadto dla tego samego serwisu Michael Mann stwierdził:

Zdolność oceanów do pochłaniania ciepła z atmosfery i łagodzenia globalnego ocieplenia jest trudniejsza, gdy ocean staje się bardziej uwarstwiony i mniej się miesza. Mniejsze mieszanie się w dół ocieplających się wód oznacza, że ​​powierzchnia oceanu nagrzewa się jeszcze szybciej, prowadząc na przykład do silniejszych huraganów. Globalne modele klimatyczne nie doceniają tych trendów

Guancheng Li z Chińskiej Akademii Nauk w Pekinie we współpracy chińsko-amerykańskiej wraz ze swoimi współpracownikami, zaobserwował w swojej pracy naukowej, że postępujący wzrost temperatury w oceanach pogłębia tworzenie się stratyfikacji polegającej na tym, że przy powierzchni tworzą się wody o mniejszej gęstości (pyknoklina), ale im głębiej się zanurzamy, ich gęstość wzrasta. Ma to swoje ujemne oddziaływania w powodowaniu zaburzeń cyrkulacji oceanów, czyli turbulencji na większych głębokościach, w tym też w zmniejszaniu się w obrębie słupa wody transportu ciepła, węgla, tlenu i innych składników odżywczych jak fosfor i azot w głębiny i ku powierzchni ².

Michael Mann i Lijing Cheng, współautorzy powyższego badania, zauważają również, że od 1960 do 2018 roku  (całego okresu badań) znacznie więcej ciepła zgromadziło się w górnej granicy oceanu do głębokości około 180 metrów niż poniżej. Stwierdzają następujący fakt:

Jeśli powierzchnia oceanu nagrzewa się szybciej i mniej węgla jest przenoszone w głąb, procesy te, wraz z innymi sprzężeniami zwrotnymi klimatycznymi, mogą doprowadzić do potrojenia atmosferycznego CO₂, a średnia temperatura na świecie może wzrosnąć o 8 stopni Fahrenheita (4,4 stopnia Celsjusza) do 2100 roku.

Dalej naukowcy zauważają, że będziemy mieli do czynienia z wieloma dodatnimi sprzężeniami zwrotnymi. Kumulujący się dwutlenek węgla w wypłycającej się i coraz cieplejszej warstwie oceanu dziś powoduje zakwaszenie, ale dalszy wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi przyczyni się do tego, że największe akweny na świecie zamiast pochłaniać ten gaz, będą wydzielać go do atmosfery, jeszcze silniej ją podgrzewając.

—

Rys. Liniowe trendy zmian stratyfikacji wód oceanów mierzone zmianami współczynnika kwadratu częstotliwości wyporności (kwadratu częstotliwości Brunt–Väisälä) – N² (patrz wykres obok w stosunku do oceanów i w skali globalnej) między głębokościami 0-2000 m w latach 1960-2018. Kolor czerwony oznacza wzmocnioną stratyfikację wód; niebieski – ich mocniejsze mieszanie. (Źródło: Guancheng Li inni, 2020)

---

Marcin Popkiewicz w swoim artykule pisze na portalu naukowym Nauka o klimacie ³:

Rozbudowa sieci pomiarowych (patrz Program ARGO sięga głęboko) umożliwiła uzyskanie dobrych danych dotyczących zmian temperatury i zasolenia w oceanach do głębokości 2000 m. Praca, opublikowana ostatnio w czasopiśmie Nature Climate Change Li in., 2020 [pełna wersja] pt. Wzrost stratyfikacji oceanów w ostatnim półwieczu (Increasing ocean stratification over the past half-century) pokazuje, że w latach 1960-2018 stratyfikacja oceanów (mierzona tym razem współczynnikiem kwadratu częstotliwości oscylacji cząstki płynu odchylonej od stanu równowagi N₂ , (patrz ramka pod rysunkiem 1) wzrosła o 5,3%.

Bob Berwyn w serwisie naukowym Inside Climate News pisze, że Stefan Rahmstorf z Poczdamskiego Instytutu nad Wpływem Klimatu, który nie wziął udziału w tym badaniu. stwierdził, że pogłębiająca się stratyfikacja również redukuje mocno transport tlenu w głębiny, co często powoduje w nich powstawanie stref beztlenowych, bardzo groźnych dla pelagicznych i bentonicznych organizmów wodnych. Jego zdaniem też zaburza to rozkład wymiany zimnych i ciepłych wód pomiędzy Oceanem Arktycznym a Oceanem Południowym. Oddziałuje to też ujemnie na przepływ Prądu Zatokowego w obrębie atlantyckiej południkowej cyrkulacji wymiennej (AMOC – Atlantic Meridional Overturning Circulation), co z kolei już ma wpływ na wzmocnienie energii cieplnej w północnym Atlantyku u wybrzeży Nowej Anglii prowadzące do zwiększenia fal sztormowych i nawet zmianę kierunku huraganów tropikalnych (np. Sandy w 2012 r.), które mogą obierać swój kurs daleko na północne szerokości, na wschodnie wybrzeża Stanów Zjednoczonych. Ocieplenie w tamtym rejonie wód powoduje też jeden z największych wzrostów poziomu morza ⁴.

Berwyn dalej pisze, że Michael Mann zauważył też, że w miarę dalszego ocieplania się klimatu, zwiększy się częstość i intensywność ogrzewających atmosferę oscylacji oceanicznych El Niño w stosunku do chłodzących La Niña. Czyli, gdy będzie cały czas wzrastała temperatura na Ziemi, to może nastąpić punkt krytyczny w systemie klimatycznym, w którym będziemy mieli do czynienia wręcz ze stanem nieustannego, permanentnego El Niño.

Z kolei – pisze dziennikarz Inisde Climate News – Kevin Tenberth z Narodowego Centrum Badań Atmosferycznych (NCAR – National Center Atmospheric Research), również współautor badania, dodał jeszcze, że zaburzane pionowe ruchy w oceanach doprowadzą w coraz cieplejszym świecie do tego, że zmniejszy się ilość składników odżywczych dostarczanych z głębin ku powierzchni, co źle wpłynie na zooplankton, ryby i ssaki. Naukowiec zauważył:

Substancje odżywcze z dna oceanu muszą łączyć się ze światłem słonecznym w górnych warstwach, aby uzyskać wysoką produktywność, ale coraz bardziej zestratyfikowane warstwy mogą ograniczać wzrost tych składników.

Obecnie wszystkie oceany na świecie pochłaniają z atmosfery około ¼ dwutlenku węgla, jednak dalsze ich ocieplanie się i stratyfikacja wpłynie na zmniejszanie się tej ilości.

Wspomniany naukowiec powiedział, że kumulowanie się ciepła w górnej warstwie oceanów, do głębokości 90-120 metrów, sprzyja gromadzeniu się nad nimi ogromnej zawartości pary wodnej, czyli energii cieplnej zmienianej w energię kinetyczną oceanu. W sumie, wzburzony ocean wyrzuca zimniejszą wodę, co wzmacnia energię potencjalną oceanu, a więc siłę oddziaływania burz. Stwierdził następujący fakt:

W dzisiejszych czasach „ta zimna woda jest cieplejsza niż kiedyś”, co umożliwia burzom formowanie się i utrzymywanie większej intensywności. Dlatego huragany są większe, trwalsze i bardziej intensywne niż wcześniej.

Oceany gdy są znacznie cieplejsze, więcej parują, a więc, więcej pary wodnej trafia do atmosfery silniej ją podgrzewając.

Im więcej energii cieplnej w atmosferze, tym cieplejsze powierzchniowe warstwy oceanów, a to przekłada się na gromadzenie większej ilości pary wodnej, która skraplając się przynosi z sobą często zbyt gwałtowne opady deszczu oraz powodzie w obszarach już silnie wilgotnych.

Referencje:

1. Penn State, 2020 ; Increasing stability decreases ocean productivity, reduces carbon burial; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2020/09/200928125106.htm
2. Li G. et al., 2020 ; Increasing ocean stratification over the past half-century ; Nature Climate Change ; http://www.meteo.psu.edu/holocene/public_html/Mann/articles/articles/ChengEtAl_NatureClimate20.pdf
3. Popkiewicz M., 2020 ; Coraz większe rozwarstwienie w oceanie ; Nauka o klimacie ; https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/coraz-wieksze-rozwarstwienie-w-oceanie-446/
4. Berwyn B., 2020 ; New Study Shows a Vicious Circle of Climate Change Building on Thickening Layers of Warm Ocean Water ; Inside Climate News ; https://insideclimatenews.org/news/28092020/ocean-stratification-climate-change/

Niepokojącym zjawiskiem w ocieplających się oceanach jest pojawianie się coraz częstszych fal upałów, które wywołują często śmiertelne skutki w wymieraniu wielu osobników gatunków morskich, które są bardzo wrażliwe na skoki wysokich temperatur, które jeszcze mają tendencje do wydłużania się w czasie.

Szwajcarscy naukowcy z Centrum Badań Klimatu im. Oeschgera (Oeschger Center for Climate Research) na Uniwersytecie w Bernie: Charlotte Laufkötter, Jakob Zscheischler i Thomas Frölicher, w której dokonali oni analizy morskich fal upałów w ciągu ostatnich 40 lat na podstawie badań satelitarnych polegających na pomiarach temperatury powierzchni morza (SST – Sea Surface Temperature) ¹.

Co to jest generalnie morska fala upałów?

Jest to okres co najmniej pięciu dni z „ekstremalnie ciepłymi” temperaturami wód powierzchniowych.

Naukowcy obliczyli na podstawie badanego okresu z lat 1981-2017, że w pierwszej dekadzie wystąpiło 27 morskich fal upałów (MHW – Marine Heat Wave), które średnio trwały 32 dni i wynosiły 4,8 stopnia Celsjusza powyżej średniej wieloletniej. Ale w ostatniej dekadzie było już aż 172 przypadki MHW, które występowały średnio 48 dni i osiągały już 5,5 stopnia Celsjusza powyżej średniej.

Uczeni wyciągnęli następujący wniosek, przedstawiając go na łamach serwisu Phys.Org ²:

Temperatura w morzu zwykle zmienia się tylko nieznacznie. Tygodniowe odchylenia o 5,5 stopnia na obszarze 1,5 miliona kilometrów kwadratowych – obszarze 35 razy większym od Szwajcarii – stanowią niezwykłą zmianę w warunkach życia organizmów morskich.

Od około czterech dekad morskie fale upałów często prowadzą do zwiększenia się śmiertelności ptaków, ryb i ssaków morskich. Również ich obecność może sprzyjać powstawaniu szkodliwych zakwitów glonów, zwłaszcza sinic (cyjanobakterii), którym wzrost temperatury wód pomaga w intensywnym rozmnażaniu się i powodowaniu poważnych zaburzeń w ekosystemach wśród gatunków morskich. Np. w ograniczeniu ilości tlenu oraz składników pokarmowych w oceanach. Morskie fale upałów prowadzą również do blaknięcia koralowców.

Także MHW wywołują wymuszone migracje wielu gatunków ryb poszukujących chłodniejszych wód. Jak na to wskazują wyniki badań powyższych, mogą one już w niedalekiej przyszłości cieplarnianej przyczyniać się do częstego gwałtownego zanikania polarnych czap lodowych.

---

Rys.2. Anomalia temperatury powierzchni morza – Ocean Spokojny (zdjęcie z serwisu Phys.Org).

 

Obecność MHW ma charakter wybitnie antropogeniczny i niestety wszystko na to wskazuje, że ich oddziaływanie będzie jeszcze bardziej dotkliwe dla wielu gatunków morskich. Przyniesie to nie tylko szkody w wielu ekosystemach morskich, ale i także w gospodarce rybnej. A więc, będzie to również niekorzystne dla samych ludzi.

—-

Australijscy naukowcy z Uniwersytetu Tasmanii w Hobarcie: Hakase Hayashida, Peter G. Strutton i Richard J. Matear oraz Xuebing Zhang z instytutu CSIRO Oceany i Atmosfera w Hobarcie, zaprezentowali ciekawą analizę fizyczno-geograficzną, w której wzrost temperatury globalnej powodujący stymulację prądów morskich spowoduje w ciągu następnych trzech dekad intensyfikację morskich fal upałów ³.

MHW w szczególności będzie wzmocnione na odcinkach Prądu Leeuwin w Australii i Prądu Wschodnioaustralijskiego; Prądu Zatokowego w Stanach Zjednoczonych; japońskiego Prądu Kuroshio; a także najpotężniejszego ze wszystkich prądu morskiego, Antarktycznego Prądu Wokółbiegunowego.

Dr Hakase Hayashida z Zarządu Australijskich Badań Centrum Doskonałości Klimatycznych Ekstremów (ARC CECE – Australian Research Council Center of Excellence for Climate Extremes) w serwisie Science Daily powiedział ⁴:

Wiemy, że fale upałów na morzu nasilają się na całym świecie, ale decydenci, eksperci ds. rybołówstwa, przemysł akwakultury i ekolodzy muszą wiedzieć, jak to się rozegra na poziomie regionalnym, zwłaszcza pod względem miejsca ich występowania i tego, o ile będą one gorętsze.

Naukowcy przewidują za pomocą modeli, że wzmocnienia morskich fal upałów w pewnych obszarach Ziemi będą miały znaczący wpływ na ekosystemy morskie, zwłaszcza u wybrzeży. I np., gdy będą z dala od wybrzeży Tasmanii, nie wpłynie to zbyt destrukcyjnie na florę i faunę wybrzeży. Ale już np. Prąd Zatokowy u wybrzeży amerykańskich, od stanu Wirginia w USA do prowincji Nowego Brunszwiku w Kanadzie, płynący blisko wybrzeży, doświadczy dość intensywnie MHW.

Naukowcy zastosowali modele OFAM3 o wysokiej rozdzielczości przestrzennej, w której dokładnie mogli zbadać przebieg mezoskalowych wirów oceanicznych, badając przeszłość i przyszłość rozwoju MHW, w okresie od 1982 do 2050 roku.

W szczególności za pomocą tych nowoczesnych modeli naukowcy dokładniej przyjrzeli się zachodnim granicznym prądom morskim, w całości lub na danych odcinkach. Wyniki ich symulacji są porównywane z pomiarami modeli MGD skorelowanymi z pomiarami satelitarnymi i in situ temperatury powierzchni morza (SST – Sea Surface Temperature) wykonywanymi przez Japońską Agencję Meteorologiczną (JMA – Japan Meteorology Agency ), czy też z symulacjami modeli IPCC – CMIP5 (wielomodelowym średnim produktem 23 globalnych modeli), który obecnie już w analizowanym VI Raporcie Oceny IPCC będzie zastąpiony przez modele CMIP6.

Australijscy naukowcy zauważyli, że chociaż w zachodnich granicznych prądach pojawiały się bardziej intensywne morskie fale upałów, to już na skraju ich wyglądało to zupełnie inaczej. Wiry, które odrywały się od głównego prądu, tworzyły obszary, w których wzrost liczby dni fali upałów był niższy od średniej, a nawet niektóre regiony pokazywały niższą od średniej intensywność fal upałów. W szczególności było to widoczne w modelu OFAM3, który badacze z Hobartu zastosowali.

Profesor Peter Strutton, także w serwisie Science Daily powiedział:

Podobnie jak wiele aspektów systemu klimatycznego, ocieplenie oceanów nie jest wszędzie takie samo, co oznacza, że ​​ekologia będzie inaczej reagować na globalne ocieplenie, w zależności od lokalizacji.

Takie szczegółowe modelowanie jest pierwszym krokiem w zrozumieniu, które ekosystemy będą się rozwijać lub zanikać, jak zmieni się produktywność oceanów i te części łańcucha pokarmowego, które najprawdopodobniej zostaną dotknięte. To jest dokładnie ten rodzaj wiedzy, którego potrzebujemy, aby dostosować się do nieuniknionych konsekwencji globalnego ocieplenia.

Generalnie intensyfikacja morskich fal upałów jest poważnym problemem dla organizmów morskich, które są bliskie przekroczenia swoich poziomów tolerancji termicznej. MHW mogą również zwiększać prawdopodobieństwo zmian ekosystemu poprzez mechanizmy inne niż stres termiczny.

---

Rys.85. Przewidywane dni morskiej fali upałów w zachodnich regionach granicznych.

Porównanie przestrzenne prognozowanych zmian (2021–2050 minus         1982–2018) rocznych dni morskich fal upałów (MHW) w:

a , b ) Prąd Kuroshio, c , d) Prąd Zatokowy, e , f) Prąd Agulhas, g , h) Prąd Wschodnioaustralijski oraz i , j) Prąd Brazylijski

Obecne regiony pomiędzy wynikiem modelu oceanicznego o wysokiej rozdzielczości (0,1°) (OFAM3; lewa kolumna) a 1° wielomodelowym średnim produktem 23 globalnych modeli klimatycznych (CMIP5; prawa kolumna) w ramach Reprezentatywnej Ścieżki Stężeń 8.5 (Hakase Hayashida i inni, 2020).

---

Rys.86. Przewidywana intensywność morskiej fali upałów w zachodnich regionach granicznych.

Porównanie przestrzenne prognozowanych zmian (2021–2050 minus         1982–2018) średniej intensywności morskiej fali upałów (MHW) w:

a , b) Prąd Kuroshio, c , d) Prąd Zatokowy, e , f) Prąd Agulhas, g , h) Prąd Wschodnioaustralijski oraz i , j) Prąd Brazylijski.

Obecne regiony między wynikiem modelu oceanicznego o wysokiej rozdzielczości (0,1°) (OFAM3; lewa kolumna ) a 1° wielomodelowym średnim produktem 23 globalnych modeli klimatycznych (CMIP5; prawa kolumna ) w ramach Reprezentatywnej ścieżki koncentracji 8.5 (Hakase Hayashida i inni, 2020).

 

Skutki ekologiczne i ekonomiczne coraz częstszych zdarzeń związanych z MHW obejmują również lokalne wymieranie lasów namorzynowych i wodorostów, bielenie koralowców, podwyższoną śmiertelność bezkręgowców, ryb, ptaków i ssaków morskich, a także nasila inwazje obcych gatunków.

——–

Praca zespołowa Hillary A. Scannell, doktorantki oceanografii na Uniwersytecie Waszyngtońskim, pokazała, że wzrost częstotliwości, intensywności i czasu trwania morskich fal upałów stał się bardziej powszechny od lat 70 XX wieku. Autorzy przeanalizowali 65 lat obserwacji temperatury powierzchni oceanów, od 1950 do 2014 roku, a także przyjrzeli się, jak MHW w północno-zachodnim Atlantyku u wybrzeży Nowej Anglii oraz ciepła plama gorąca z okresu 2013-14, nakładały się na siebie ⁵.

MHW na północno-zachodnim Atlantyku wówczas miały rozmiar obszaru Stanów Zjednoczonych i trwały przez trzy miesiące. Temperatura w oceanie wynosiła 2 stopnie Fahrenheita (1,1 stopnia Celsjusza) powyżej średniej. Naukowcy obliczają, że prawdopodobnie wystąpią one naturalnie średnio co pięć lat na Północnym Atlantyku i północno-zachodnim Pacyfiku.

Jednak częściej zdarzenia z MHW będą pojawiały się na północno-wschodnim Pacyfiku. Plama gorąca miała tam jeszcze większy zasięg. Temperatura w wodach oceanu wynosiła wtedy 2,5 stopnia Fahrenheita (1,5 stopnia Celsjusza) powyżej średniej. MHW trwała w tym regionie aż 17 miesięcy. I także z wyników badań wynika, że naturalnie będzie ona występować średnio co 5 lat.

Tutaj jeszcze trzeba zwrócić uwagę, że najbardziej prawdopodobne wystąpienie rozległych, długotrwałych i coraz intensywniejszych morskich fal upałów będzie miało miejsce podczas występowania silnych El Niño, zwłaszcza takich jak w okresie lat 2015-16. Nałożenie się plamy gorąca w latach 2013-14 przyniosło ogromny wzrost temperatury w Pacyfiku, ale i też pośrednio w Atlantyku. Miało to poważne skutki w spustoszeniu flory i fauny morskiej.

---

Referencje:

1. Laufkötter C. et al., 2020 ; High-impact marine heatwaves attributable to human-induced global Warming ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aba0690
2. University of Bern, 2020 ; Marine heatwaves are human-made ; Phys.Org ; https://phys.org/news/2020-09-marine-heatwaves-human-made.html
3. Hayashida H. et al., 2020 ; Insights into projected changes in marine heatwaves from a high-resolution ocean circulation model ; Nature Communications ; https://www.nature.com/articles/s41467-020-18241-x
4. University of New South Wales, 2020 ; Where marine heatwaves will intensify fastest: New analysis ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2020/08/200828102157.htm
5. Scannell H. A. et al., 2016 ; Frequency of marine heatwaves in the North Atlantic and North Pacific since 1950 ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2015GL067308

Obecnie nadal wpływ ekstremalnych zjawisk klimatycznych na ekosystemy lądowe jest słabo poznany. Dotyczy to zarówno fal upałów, susz, jak i pożarów. Jeśli chodzi o susze, wpływ tych ekstremów jest bardzo ważny dla przewidywania sprzężeń zwrotnych związanych z przebiegiem cyklu węglowego, który z kolei może mieć wpływ na przyspieszenie lub ograniczenie zmian klimatu.

William W. R. L. Anderegg, adiunkt biologii na Wydziale Ekologii i Biologii Ewolucyjnej na Uniwersytecie Princeton oraz na Wydziale Biologii na Uniwersytecie Utah w Salt Lake City, wraz ze swoim zespołem naukowców, stwierdził następujący fakt, że połączone modele cyklu klimatyczno-węglowego zazwyczaj we wcześniejszych badaniach zakładały, że powrót roślinności po ekstremalnej suszy jest natychmiastowy i całkowity, jednak to jest sprzeczne ze zrozumieniem podstawowej fizjologii roślin.

Naukowcy zbadali w terenie odnowienie wzrostu pni drzew po silnej suszy w 1338 obszarach leśnych na całym świecie, obejmujących okres czasu 49 lat i porównali wyniki z jego symulowanym odnowieniem  w modelach klimatyczno-roślinnych. I odkryli wszechobecne i znaczące efekty opóźnienia wzrostu drzew, czyli ich zmniejszonego wzrostu i niepełnego wyzdrowienia w ciągu 1 do 4 lat po ciężkiej i długotrwałej suszy.

William Anderegg dla Phys.Org powiedział:

To naprawdę ma znaczenie, ponieważ w przyszłości oczekuje się, że w wyniku zmian klimatycznych w przyszłości susze będą powiększać się i nasilać. Niektóre lasy mogą konkurować ze sobą o odbudowę przed następną suszą.

---

Rys. Efekty opóźnienia wzrostu drzew są najbardziej rozpowszechnione w południowo-zachodnich i środkowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych oraz w części północnej Europy.

Efekty opóźnienia są określane ilościowo jako różnica między obserwowanym a przewidywanym wzrostem (wskaźnik bezjednostkowy) po anomalii dwóch susz po kolei w klimatycznym deficycie wody w 1338 miejscach.

( A ) Efekt opóźnienia na poziomie terenu zsumowany w ciągu pierwszych 4 lat po suszy.

( B ) Średnia korelacja między wzrostem drzew (wskaźnik szerokości pierścienia) a klimatycznym deficytem wody (wilgotność gleby od 0 do 100 cm minus ewapotranspiracja potencjalna).

(William Anderegg i inni, 2015)

---

Tempo powrotu do zdrowia po suszy jest w dużej mierze nieznane dla większości gatunków drzew. Anderegg i współpracownicy dokładnie zmierzyli odnowienie wzrostu pni drzew po ciężkich suszach od 1948 r. w ponad 1300 obszarach leśnych na całym świecie, korzystając z danych z Międzynarodowego Banku Danych Słojów Drzew. Słoje te zapewniają wygodną historię wzrostu drzew i dzięki temu można dokładnie śledzić absorpcję węgla w ekosystemie, w którym one rosły.

Średnio wzrost pnia trwał od 2 do 4 lat, aby drzewo mogło się zregenerować do stanu przed ekstremalną suszą. Był on o około 9 procent wolniejszy w pierwszym roku po jej zakończeniu i o 5 procent wolniejszy w drugim roku po jej zakończeniu.

Za pomocą zestawu modeli CMIP5, naukowcy przeprowadzili symulacje efektów opóźnienia wśród roślin iglastych z rodziny sosnowatych Pinaceae i roślin liściastych z rodziny bukowatych Fagaceae. I doszli do wniosku, że w obszarach suchych najsilniej one oddziałują na gatunki iglaste.

Łagodne efekty opóźnienia, gdzie zaobserwowany wzrost pni drzew był wyższy niż przewidywano po suszy, były najczęstsze w Kalifornii i regionie Morza Śródziemnego (rys.111A).

Autorzy pracy piszą, że nasiona roślin nagozalążkowych, pod względem wielkości i czasu trwania, wykazywały silniejsze efekty opóźnienia niż okrytozalążkowych.

Ogólnie, podczas analizy dwóch wybranych rodzin drzew: Pinaceae – głównie sosny, i Fagaceae – głównie dęby (> 90% analizowanych chronologii), naukowcy zaobserwowali większy efekt opóźnienia u tej pierwszej rodziny niż u drugiej. I jak piszą w swojej pracy:

Choć sosny zazwyczaj występowały na stanowiskach suchszych niż dęby (średnie roczne opady dla sosen = 660 mm/rok; średnie dla dębów = 760 mm/rok), model uwzględniający interakcje między opadami a rodziną był bardzo istotny, co wskazuje, że takie interakcje były ważne.

Zarówno mokre, jak i suche siedliska sosny wykazywały silne negatywne skutki opóźnienia, podczas gdy mokre siedliska dębu wykazywały nieznacznie negatywne skutki opóźnienia, ale już suche siedliska dębu miały silnie pozytywne, czyli silnie łagodne skutki opóźnienia…..

Jak zostało stwierdzone w bazie danych, sosny wykazywały również silniejsze negatywne skutki efektów opóźnienia niż inna główna rodzina nagonasiennych – jałowcowate Cupressaceae. Czyli, wynik ten jest zgodny z ogólnie wyższą tolerancją na suszę tej drugiej rodziny niż tej pierwszej i ukazuje on mechanizm uszkodzeń hydraulicznych leżący u podstaw efektów opóźnienia wzrostu drzew. Były one najbardziej rozpowszechnione w suchych ekosystemach, wśród rodziny sosnowatych Pinaceae i wśród gatunków o niskim marginesie bezpieczeństwa hydraulicznego.

Naukowcy stwierdzili, że obecne modele klimatyczno-roślinne symulują ograniczone lub żadne skutki opóźnienia po suszy. A ich wyniki podkreśliły histerezę (czyli opóźnienie) obiegu węgla na poziomie ekosystemu i opóźnioną regenerację po ekstremalnych warunkach klimatycznych.

Podsumowując ten temat, naukowcy mówią, że jeszcze nie wiadomo, w jaki sposób susza powoduje tak długotrwałe szkody, zaproponowali trzy możliwe odpowiedzi:

1. utrata zapasów liści i węglowodanów podczas suszy może osłabić wzrost w kolejnych latach
2. w drzewach narażonych na suszę mogą gromadzić się szkodniki i choroby
3. trwałe uszkodzenie tkanek naczyniowych może zaburzać transport wody

William Anderegg w serwisie Phys.Org powiedział:

Susza, zwłaszcza ta, która ma znaczenie dla lasów, dotyczy równowagi między opadami a parowaniem. Parowanie jest bardzo silnie powiązane z temperaturą. Fakt, że temperatury idą w górę sugeruje dość mocno, że zachodnie regiony USA będą miały częstsze i bardziej dotkliwe susze, co znacznie zmniejszy zdolność lasów do wyciągania węgla z atmosfery.

Tak samo badacze zwracają też szczególną uwagę na to, że ilość składowanego dwutlenku węgla w półpustynnych ekosystemach w ciągu 100 lat spadła o około 1,6 gigaton, czyli jest to równe ilości około jednej czwartej całej emisji w USA w ciągu roku.

Anderegg w tym samym serwisie jeszcze podkreślił:

W większości naszych obecnych modeli ekosystemów i klimatu wpływ suszy na lasy włącza się i wyłącza jak światło. Kiedy susza mija, modele zakładają, że odbudowa lasu jest całkowita i bliska natychmiastowej. Tak nie działa prawdziwy świat.

---

Fot. Narażony na stres wodny las w południowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych. Źródło: Leander Anderegg

---

Bibliografia:

1. Anderegg W. R. L. et al., 2015 ; Pervasive drought legacies in forest ecosystems and their implications for carbon cycle models ; Science ; https://www.researchgate.net/publication/280582920_FOREST_ECOLOGY_Pervasive_drought_legacies_in_forest_ecosystems_and_their_implications_for_carbon_cycle_models

2. University of Utah, 2015 ; Drought’s lasting impact on forests ; Phys.Org ; https://phys.org/news/2015-07-drought-impact-forests.html

Od co najmniej początku XXI wieku nie ma dosłownie roku żebyśmy nie mieli do czynienia chociaż z jedną falą upałów. Niestety rośnie nie tylko ich częstotliwość i długość dni oraz natężenie, ale i również wielkość.

Obecnie najbardziej zagrożonymi obszarami są Indie i Pakistan oraz Stany Zjednoczone i nierzadko Europa Zachodnia oraz Australia. I im dłużej będziemy zwlekać z jak najszybszą redukcją emisji gazów cieplarnianych, tym bardziej fale upałów będą dotkliwsze dla nas ludzi oraz dla ekosystemów, zarówno lądowych, jak i morskich.

Sarah E. Perkins-Kirkpatrick z Centrum Badań Zmian Klimatu na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii w Sydney i S.C Lewis ze Szkoły Nauki Uniwersytetu Nowej Południowej Walii w Canberze, zaobserwowali, że globalnie trendy w częstotliwości fal upałów, ich czasu trwania oraz kumulacji ciepła od lat 50 XX wieku wyraźnie przyspieszyły. Również w skali regionalnej te trendy są zauważalne, także ze względu na wysokie zmienności klimatu. Z kolei trendy w średniej intensywności fal upałów są nieznaczne ¹.

Naukowcy wzięli do badań okres 1950-2017 w celu wykrycia trendów zmian badanych parametrów.

W zestawach danych brytyjskiego Met Office – HadGHCND i kalifornijskiego Berkeley Earth – Berkeley Earth, widać wyraźnie, że pod kątem badań regionalnych zmian klimatu, częstotliwość fal upałów wzrosła znacząco prawie we wszystkich regionach Ziemi. W żadnym nie stwierdzono spadku. Podobnie wzrasta skumulowana częstotliwość fal upałów.

Z kolei wspomniana średnia intensywność wykazuje niewielkie zmiany wzrostowe, natomiast przybywa dni z falami upałów oraz wydłużają się one.

W modelu HadGHCND zastosowano quasi-globalną ocenę zmian fal upałów w okresie 1950-2011, gdyż zabrakło danych dla Ameryki Środkowej i Południowej, Bliskiego Wschodu, Indii, Indonezji, północnej Kanady i Grenlandii. Ponadto, ma on niezbyt dokładną rozdzielczość siatki przy 3,75° długości i 2,5° szerokości geograficznej

Z kolei model Berkeley Earth zapewnia znacznie większe pokrycie przestrzenne przy znacznie lepszej rozdzielczości, wynoszącej 1° długości geograficznej na 1° szerokości geograficznej. Ten dokładniejszy pomiar oceny zmian fal upałów jest analizowany w okresie lat 1950-2014.

W badaniu powyższym zastosowano nową metrykę pod względem badań fal upałów. Główna autorka pracy w serwisie The Conversation wyjaśnia co oznacza termin s skumulowane ciepło ²:

Załóżmy na przykład, że w konkretnej lokalizacji próg fali upałów wynosił około 30°C. „Dodatkowe ciepło” w dniu, w którym temperatury osiągają 35°C, wyniosłoby 5°C. Jeśli fala upałów trwała trzy dni, a wszystkie dni osiągnęły 35°C, to skumulowany upał dla tego wydarzenia wyniesie 15°C.

Skumulowane upały zazwyczaj mają miejsce wtedy, gdy sumuje się temperaturę powyżej tego progu we wszystkich dniach fali upałów.

---

Rys.1. Globalne mapy obserwowanych dekadowych trendów fal upałów.

Trendy w sezonowych dniach fali upałów (a , b); długość najdłuższej fali upałów (c , d); średnia intensywność fali upałów (e , f); oraz skumulowane ciepło (g , h) dla quasi-globalnego zbioru danych obserwacyjnych HadGHCND   (a , c , e , g) oraz globalnego zbioru danych obserwacyjnych Berkeley Earth (b , d , f , h) w latach 1950-2014. Trendy są wyrażone jako dni dekady -1 dla (a – d) i °C   dekady -1 dla (e – h)

(Sarah Perkins-Kirkpatrick i inni, 2020).

---

W najgorszym sezonie upałów w Australii w całym kraju wystąpiło dodatkowe 80°C skumulowanych dni upalnych. Natomiast w Rosji i na Morzu Śródziemnym, najbardziej ekstremalne sezony miały dodatkowe 200°C lub więcej.

W serwisie Science Daily dr Sarah Perkins Kirkpatrick powiedziała ³:

Nie tylko widzieliśmy coraz dłuższe fale upałów na całym świecie w ciągu ostatnich 70 lat, ale trend ten znacznie przyspieszył…

…Skumulowane upały wykazują podobne przyspieszenie, wzrastając globalnie średnio o 1 — 4,5°C co dekadę, ale w niektórych miejscach, takich jak Bliski Wschód oraz części Afryki i Ameryki Południowej, trend wynosi do 10°C na dekadę.

Przykładowo, gdy weźmiemy pod uwagę regiony na naszej planecie, to:

W basenie Morza Śródziemnego został zaobserwowany dramatyczny wzrost fal upałów, którego pomiary wykonuje się na przestrzeni kilkudziesięciu lat. W latach 1950-2017 na Morzu Śródziemnym fale upałów zaznaczyły wzrost o dwa dni na dekadę. Jednak już trend liczony od 1980 do 2017 roku wyraźnie przyśpieszył do 6,4 dnia na dekadę.

Również tak jak basen Morza Śródziemnego, regiony w Ameryce Południowej, takie jak Amazonia, północno-wschodnia Brazylia czy też region Azji Zachodniej, doświadczają dość gwałtownych zmian fal upałów, podczas gdy obszary takie jak Australia Południowa i Azja Północna wprawdzie doświadczają tych samych zmian, ale w znacznie wolniejszym tempie.

—–

Bradfield Lyon, profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie Maine i główny autor badania oraz jego współpracownicy: Anthony Barnston, główny prognostyk w Międzynarodowym Instytucie Badawczym Klimatu i Społeczeństwa Uniwersytetu Columbia; Ethan Coffel, adiunkt w Katedrze Geografii i Środowiska na Uniwersytecie w Syracuse oraz Radley M. Horton, profesor w Obserwatorium Ziemi Lamonta-Doherty’ego na Uniwersytecie Columbia, zwrócili uwagę, że obok intensywności i częstotliwości fali upałów poważnym problem staje się ich zasięg przestrzenny, co dotychczas w publikacjach naukowych raczej nie było omawiane ⁴.

---

Rys.2. Średnia z wielu modeli (MMM – Mean Multi-Model). Procent dni w ciepłej porze roku (maj-wrzesień) w ciągłych falach upałów (>95 percentyla przez 3 lub więcej kolejnych dni) dla historycznych przebiegów 1980-2005 (lewa kolumna) i prognoz na lata 2031-2055 (prawa kolumna) na podstawie forsowania RCP8.5.

(a) i (b) dotyczą maksymalnej temperatury dziennej, (c) i (d) dziennej maksymalnej temperatury odczuwalnej oraz (e) if) minimalnej temperatury dziennej.

Należy zauważyć, że różne skale kolorów różnią się o rząd wielkości między dwiema kolumnami.

(Bradfield Lyon i inni, 2019)

---

W swojej pracy naukowcy obliczyli, że już do połowy wieku, w scenariuszu średniej emisji gazów cieplarnianych, średni rozmiar fal upałów może wzrosnąć aż o 50%. Natomiast przy wysokich stężeniach gazów cieplarnianych średni rozmiar tychże fal upałów może wzrosnąć nawet o 80%, a jeszcze bardziej ekstremalne fale upałów mogą zwiększyć swój zasięg nawet ponad dwukrotnie.

Profesor Bradfield Lyon, główny autor pracy, dla serwisu Science Daily powiedział ⁵:

Wraz ze wzrostem fizycznych rozmiarów dotkniętych falami upałów regionów coraz więcej osób będzie narażonych na stres cieplny.

Większe fale upałów zwiększyłyby również obciążenia elektryczne i szczytowe zapotrzebowanie na energię w sieci, ponieważ coraz więcej osób i firm włącza w odpowiedzi klimatyzację.

Naukowcy zauważyli też, że szczególnie trzeba poważnie wziąć pod uwagę zasięg przestrzenny sąsiadujących regionów jednocześnie doświadczających warunków fal upałów. W przyszłości regiony sąsiedzkie mogą się na siebie nakładać, co będzie skutkowało złączeniem się ich w jeden ogromny obszar, nad którym pojawi się długotrwała, uciążliwa fala upału, która wpłynie na koszty adaptacji ludzi i zwierząt do takich ekstremalnych warunków pogodowych.

W badaniu naukowcy odkryli, że rozmiary fali upałów i narażonej danej populacji objętej tym zjawiskiem pogodowym są mocno skorelowane z  atrybutami fali upałów, takimi jak czas trwania, wielkość i stopniodni chłodzenia (miara zużycia energii), które mogą znacznie wzrosnąć.

Profesor Bradfield w tym samym serwisie podkreślił następującą uwagę:

Wzrost atrybutów, takich jak wielkość i czas trwania, jest zgodny z oczekiwaniami dotyczącymi ocieplenia klimatu. Nowością w naszym badaniu jest sposób, w jaki je obliczyliśmy, co pozwoliło nam uznać rozmiar za nowy wymiar fali upałów.

Poprzednie badania generalnie obliczały statystyki fal upałów na poziomie lokalnym – obliczając atrybuty, takie jak częstotliwość dla każdej lokalizacji lub punkt siatki, a następnie agregując wyniki, aby zobaczyć wzorce przestrzenne. W tym badaniu autorzy śledzili fale upałów i określili ilościowo ich atrybuty jako połączonych regionów, które poruszają się i zmieniają rozmiar i siłę w ciągu swojego życia.

Z kolei Anthony Barnston, współautor badania dodał w Science Daily:

Jeśli mamy dużą, ciągłą falę upałów na gęsto zaludnionym obszarze, trudniej byłoby temu obszarowi zaspokoić szczytowe zapotrzebowanie na energię elektryczną niż w przypadku kilku obszarów o mniejszych falach upałów, które po połączeniu mają ten sam rozmiar.

Te nowatorskie odkrycie przestrzennych rozległych fal upałów ma posłużyć w planowaniu strategicznym w zabezpieczeniu energetycznym, zdrowotnym, żywieniowym ludności oraz zwierząt przed możliwym powtórzeniem się ich w niedalekiej przyszłości.

—–

Praca badawcza zespołu George’a Zittisa z Instytutu Cypryjskiego wyjaśnia wielomodelowy zespół projekcji klimatycznych zaprojektowany wyłącznie dla danego obszaru geograficznego ⁶.

Naukowcy scharakteryzowali przyszłe okresy ekstremalnie gorących dni za pomocą wskaźnika wielkości fal upałów.

Główny autor pracy dla serwisu Science Daily powiedział ⁷:

Nasze wyniki dotyczące ścieżki biznesowej jak zwykle wskazują, że szczególnie w drugiej połowie tego stulecia pojawią się bezprecedensowe super i ultraekstremalne fale upałów.

Naukowcy ostrzegają, że przy kontynuacji scenariusza wysokich emisji, według scenariusza „biznes jak zwykle”, zdarzenia te będą miały coraz częstszy związek z nadmiernie wysokimi temperaturami dochodzącymi nawet do 56 stopni Celsjusza, a także znacznie wyższymi w warunkach miejskich i mogą one utrzymywać się przez wiele tygodni, potencjalnie zagrażając życiu ludzi i zwierząt. Np. Imprezy masowe w regionie Bliskiego Wschodu i Afryki Północnej MENA – Middle East and North Africa), takie jak Pielgrzymka Muzułmańska, inaczej Hadżdż, mogą być szczególnie narażone na ekstremalne upały. W drugiej połowie stulecia około połowa populacji tamtejszej, licząca około 600 milionów ludzi, może być narażona na takie powtarzające się co roku ekstremalne warunki pogodowe.

---

Rys.3. Przewidywane zmiany temperatury maksymalnej.

Krzywe gęstości prawdopodobieństwa dla symulowanej historycznej i przewidywanej w bliższym i dalszym czasie temperatury w rejonie MENA:

1. a) średniej w ciepłej porze roku
2. b) maksymalnej w ciepłej porze roku

(George Zittis i inni, 2021)

 

Dokonując analizy historycznych i przyszłych fal upałów, zespół Zittisa zbadał znaczenie statystyczne przewidywanego w przyszłości sygnału zmiany klimatu.

Konkretnie zbadano średnią maksymalną dzienną temperaturę powietrza blisko powierzchni (TASMAX – Daily Maximum Near-Surface Air Temperature) w ciepłym sezonie, przy zastosowaniu testu t- Studenta.

Naukowcy przewidują, że już w ciągu najbliższych kilku dekad (2021–2050) TASMAX będzie mieć statystycznie znacznie wyższe średnie (przy 95% przedziale ufności) dla większości obszarów.

Istnieje przekonująca zgodność między różnymi eksperymentami, ponieważ co najmniej 90% prognoz prognoz skoordynowanego regionalnego eksperymentu zmniejszania skali w regionie Bliskiego Wschodu i Afryki Północnej (MENA-CORDEX – Middle East-North Africa-Coordinated Regional Downscaling Experiment) sugeruje znaczący wpływ zmiany klimatu. A pod koniec obecnego stulecia (2071–2100) dla prawie każdej części regionu, nasze wyniki zbiorowe wskazują na statystycznie istotne zmiany maksymalnej dobowej temperatury. Wyniki te zgadzają się z wcześniejszymi badaniami dla regionu.

Początkowe symulacje w modelu MENA-CORDEX, od 1981 roku do około 2020 roku, mają przebiegi średnio „normalne” i „umiarkowane” pod względem fal upałów. Modele te ukazują jednak coraz wyraźniej w najbliższej przyszłości, przechodzenie do zdarzeń „ciężkich”, „ekstremalnych” i „bardzo ekstremalnych” w latach 2050-2070. Przewiduje się, że w kolejnych dekadach i pod koniec XXI wieku warunki termiczne w regionie staną się szczególnie trudne, ponieważ nieobserwowane do tej pory, a tym samym bezprecedensowe „super-ekstremalne” i „ultra-ekstremalne” zdarzenia mają być powszechne w ramach reprezentatywnej ścieżki koncentracji RCP 8.5, czyli „biznes jak zwykle”.

Współautor artykułu, Jos Lelieveld, dyrektor Instytutu Chemii im. Maxa Plancka, dla Science Daily mówi:

Obywatele podatni na zagrożenia mogą nie mieć środków, aby przystosować się do tak trudnych warunków środowiskowych. Te fale upałów w połączeniu z regionalnymi czynnikami gospodarczymi, politycznymi, społecznymi i demograficznymi mają duży potencjał, aby spowodować masową, przymusową migrację do chłodniejszych regionów na północy.

Naukowcy apelują o natychmiastową redukcję gazów cieplarnianych i podejmowanie rozwiązań adaptacyjnych w ciężkich warunkach miejskich.

W ciągu najbliższych 50 lat prawie 90 procent narażonej populacji na fale upałów w regionie Bliskiego Wschodu i Afryki Północnej (MENA) będzie mieszkać w ośrodkach miejskich, które niestety będą musiały radzić sobie z tymi destrukcyjnymi społecznie warunkami pogodowymi, jeśli ludzkość dalej będzie emitować gazy cieplarniane do atmosfery.

Zittis na podstawie analizy badawczej podsumowuje następujący fakt:

Istnieje pilna potrzeba uczynienia miast bardziej odpornymi na zmiany klimatu.

---

Bibliografia:

1. Perkins-Kirkpatrick S. E. et al., 2020 ; Increasing trends in regional heatwaves ; Nature Communications ; https://www.nature.com/articles/s41467-020-16970-7
2. Perkins-Kirkpatrick S. E., 2020 ; The world endured 2 extra heatwave days per decade since 1950 – but the worst is yet to come ; The Conversation ; https://theconversation.com/the-world-endured-2-extra-heatwave-days-per-decade-since-1950-but-the-worst-is-yet-to-come-141983
3. University of New South Wales, 2020 ; Heatwave trends accelerate worldwide ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2020/07/200706114005.htm
4. Bradfield L. et al., 2019 ; Projected increase in the spatial extent of contiguous US summer heat waves and associated attributes ; Environmental Research Letters ; https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/ab4b41
5. NOAA Headquarters, 2019 ; Heat waves could increase substantially in size by mid-century ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2019/10/191007180051.htm
6. Zittis G., 2021 ; Business-as-usual will lead to super and ultra-extreme heatwaves in the Middle East and North Africa ; Nature Climate and Atmospheric Science ; https://www.nature.com/articles/s41612-021-00178-7
7. Max Planck Institute for Chemistry, 2021 ; Extreme temperatures, heat stress and forced migration ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2021/03/210324094656.htm

Cykl węglowy jest najbardziej podstawowym cyklem biogeochemicznym na Ziemi, ale jego znaczna część pozostaje zagadkowa. Wiadomo nam, że jest zakłócany poprzez spalanie paliw kopalnych oraz zmiany użytkowania terenu.

Węgiel jako pierwiastek chemiczny w procesie spalania łączy się z atmosferycznym tlenem (O₂), a podczas deforestacji, karczowania, osuszania mokradeł, gdy powstaje w warunkach tlenowych, to trafia do atmosfery jako związek chemiczny dwutlenek węgla (CO₂), a w warunkach beztlenowych jako metan (CH₄). I tak powstająca nadwyżka dwutlenku węgla w atmosferze ma już pochodzenie antropogeniczne. Jedna jej połowa zostaje w atmosferze, a druga połowa jest absorbowana przez lądy i oceany.

Węgiel naturalnego pochodzenia uczestniczy w cyklu węglowym. I jest nie tylko wydzielany, ale i też pochłaniany przez oceany i gleby. Z kolei w przypadku roślinności na Ziemi, zachodzi fotosynteza, czyli pochłanianie atmosferycznego dwutlenku węgla, w porze dziennej przez wszystkie rośliny i glony oraz wydzielanie w tym samym czasie tlenu. Jednak wyjątek stanowią rośliny tzw. typu C3 (których jest większość na Ziemi), które w porze nocnej dodatkowo wydzielają dwutlenek węgla. Ponadto ten gaz jest wydzielany do atmosfery przez rośliny po ich śmierci.

Z kolei zwierzęta i grzyby tylko CO₂ wydzielają do atmosfery, za to absorbując tlen, zarówno w porze dziennej, jak i nocnej.

Pośmiertna zespołowa praca, której głównym autorem był zmarły w grudniu 2016 roku Piers J. Sellers – dyrektor Wydziału Nauk o Ziemi w Goddard Space Flight Center NASA w Greenbelt, to jeden z kamieni milowych na temat satelitarnych badań węgla w atmosferze Ziemi i jego interakcji z lądem oraz z oceanem ¹.

W powyższym artykule Sellers i jego współpracownicy zbadali „sprzężenia zwrotne obiegu węgla i klimatu” – potencjalną odpowiedź systemów naturalnych na zmiany klimatyczne spowodowane przez emisje człowieka.

Naukowcy zastanawiają się, jak wymiana węgla wpłynie na interakcje pomiędzy lądem, oceanem a powietrzem. Nie są pewni jak dalszy wzrost temperatury globalnej wpłynie na dalsze procesy absorpcji węgla przez lasy i oceany, które w pewnym sensie na razie są buforami spowolnienia ocieplania się klimatu w atmosferze, od której my ludzie oraz wiele zwierząt lądowych jest zależnych. Można zadać pytanie czy pochłanianie netto węgla przez lądy i oceany zmniejszy się czy też te rezerwuary węgla będą powoli stawać się źródłami netto węgla?

---

Rys.1. Sprzężenia zwrotne systemu ziemskiego prowadzą do pochłaniaczy, które pochłaniają około połowy emisji antropogenicznych, a pozostała część przyczynia się do wzrostu atmosferycznego węgla.

Strumienie węgla pochodzą z globalnego budżetu węglowego „Global Carbon Budget” (Le Quéré et al., 2015).

Ten budżet nie jest zbilansowany i zawiera szczątkowy strumień wynoszący 0,6 Pg/rok.

(Piers Sellers i inni, 2018)

---

David Schimel, naukowiec z Laboratorium Napędów Odrzutowych (JPL – Jet Propulsion Laboratory) w Pasadenie oraz wieloletni współpracownik naukowy Sellersa, będący także współautorem artykułu odpowiedział:

Wszyscy postrzegaliśmy zrozumienie przyszłości sprzężeń zwrotnych obiegu węgla jako jedno z największych wyzwań nauki o zmianie klimatu.

—-

W 2014 roku NASA wystrzeliła satelitę Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2), po to by bezpośrednio mierzyć stężenie dwutlenku węgla w atmosferze. A wraz z dalszym postępem w zakresie pomiarów i technik modelowania komputerowego, naukowcy coraz lepiej rozumieją w swoich symulacjach w jaki sposób węgiel przepływa pomiędzy atmosferą, lądem a oceanem.

Zadaniem OCO-2 jest gromadzenie globalnych pomiarów z wystarczającą precyzją, pokryciem i rozdzielczością, aby pomóc w identyfikacji źródeł i pochłaniaczy CO₂.

Interesujące i zbliżone prace na ten temat, w kontekście satelitarnych badań koncentracji dwutlenku węgla, pokazali w tym samym czasie naukowcy, tacy jak Annmarie Eldering, Junjie Liu i Florian Schwandner, pracujący w Laboratorium Napędów Odrzutowych (JPL) na Technologicznym Instytucie Kalifornijskim w Pasadenie w Kalifornii.

—-

Pierwsza praca zespołowa, której autorką była Annmarie Eldering wyjaśnia nam wiele tematów ².

Jednym z nich jest przyjrzenie się uważne, że tropikalne regiony Ameryki Południowej, Afryki środkowej i Azji południowo-wschodniej podczas silnego El Niño 2015-16 wyemitowały do atmosfery wielokrotnie więcej dwutlenku węgla niż w okresie 2010-11 podczas silnej La Niña.

Ten temat wyjaśnia nam, że procesy zachodzące w rytmie pór roku podczas regionalnych zmian stężeń CO₂ w cyklu węglowym na półkuli północnej mają charakter cykliczny. Koncentracja CO₂ na półkuli północnej spada wiosną i latem, gdy kwitnące i owocujące rośliny pobierają ten gaz z powietrza, natomiast wzrasta jesienią i zimą w trakcie występującego wówczas rozkładu materii organicznej z rozkładającej się roślinności oraz z procesu wyhamowania fotosyntezy, gdy w strefie umiarkowanej drzewa wtedy gubią liście. W ten sposób CO₂ wraca w większej ilości z powrotem do atmosfery. Na fluktuacje sezonowe wzrostu i spadku stężenia dwutlenku węgla w atmosferze nakłada się też stały wzrost koncentracji CO₂ w atmosferze związany ze spalaniem paliw kopalnych podczas zwiększonego ogrzewania mieszkań i domów użyteczności publicznej.

---

Rys.2. Wpływ El Niño na strumień węgla w 2015 r. W stosunku do 2011 r., Wykryty na podstawie danych z satelity Greenhouse Gases Observing Satellite (GOSAT) i OCO-2 (Anmarie Eldering i inni, 2017).

—–

Interesujące jest też badanie zespołu badawczego Junjie Liu, w którym naukowcy połączyli dane pomiarowe satelity OCO-2 z danymi zebranymi za pomocą innych satelitów ³.

Ostatecznie, pokazały one, że opisane, także przez zespoły Eldering i Liu, tropikalne regiony Ameryki Południowej, Afryki i Azji, podczas bardzo silnego El Niño wyemitowały do atmosfery w 2015 roku aż 2,5 GtC (gigaton węgla) więcej niż w 2011 roku, gdy była bardzo silna La Niña, czyli blisko o ¼ , tyle, ile wynoszą łącznie emisje antropogeniczne. Jak się okazało, ekstremalnie wysokie temperatury towarzyszące falom upałów, suszom i pożarom sprzyjały temu, że do atmosfery w tropikach trafiało więcej dwutlenku węgla z gleb, roślinności i zapewne z oceanów.

---

Rys.3. Zróżnicowane anomalie czynników klimatycznych i reakcje cyklu węglowego na El Niño 2015–2016 na trzech kontynentach tropikalnych tropikalnych (Jiunjie Liu i inni, 2017).

 

Z kolei Florian Schwandner i jego współpracownicy przyjrzeli się dokładniej analizie satelitarnej, w której na trzech obszarach tropikalnych, opisanych przez Elderinga i Liu, procesy pokazujące wzrost emisji były różne ⁴.

I tak przykładowo:

W Ameryce Południowej przyczyną emisji był brak deszczu przynoszący suszę. Z kolei w Afryce, chociaż wzrost roślin był normalny, emisje wzmacniały temperatury regionalne, które były wyższe od średniej temperatury, a to prowadziło do szybszego rozkładu materii organicznej. Natomiast w Azji główną przyczyną emisji były pożary podczas suszy w wielu regionach silnie wylesionych.

Przyszłość naszego klimatu jest niepewna. Anomalnie wysokie temperatury, susze oraz pożary najprawdopodobniej przyczynią się do dodatkowych emisji CO₂ i dalszego nasilenia się ocieplania klimatu.

Rys.4. Pomiary stężeń CO₂ próbkowane w prostokątach 1,3 x 2,25 km, wykonane przez OCO-2 podczas jednego z przelotów nad Los Angeles. Źródło Schwander i in., 2018.

 

Marcin Popkiewicz w artykule „Satelitarne obserwacje stężeń źródeł emisji i miejsc pochłaniania CO₂”, w serwisie Nauka o klimacie, pisze ⁵:

Przykładowo, dane zebrane podczas przelotów OCO-2 nad Los Angeles (rysunek 8) wykazały, że koncentracje CO₂ w próbkowanych obszarach nad centrum miasta przy korzystnych warunkach wiatrowych były o 4,4-6,1 ppm wyższe niż w leżących 100 km dalej terenach pozamiejskich. Podobnie rejestrowane są też emisje CO₂ z aktywnych wulkanów oraz ich zmiany wraz ze zmianami aktywności, rejestrowanej równolegle za pomocą znajdujących się na innych satelitach detektorów SO₂ (dwutlenku siarki).

---

Referencje:

1. Sellers P. J. et al., 2016 ; Observing carbon cycle–climate feedbacks from space ; Proceedings of the National Academy of Sciences ; https://www.pnas.org/content/115/31/7860
2. Eldering A. et al., 2017 ; The Orbiting Carbon Observatory-2 early science investigations of regional carbon dioxide fluxes ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aam5745
3. Liu J. et al., 2017 ; Contrasting carbon cycle responses of the tropical continents to the 2015–2016 El Niño ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aam5690
4. Schwandner F. M. et al., 2017 ; Spaceborne detection of localized carbon dioxide sources ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aam5782
5. Popkiewicz M., 2018 ; Satelitarne obserwacje stężeń, źródeł emisji i miejsc pochłaniania CO₂ ; Nauka o klimacie : https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/satelitarne-obserwacje-stezen-zrodel-emisji-i-miejsc-pochlaniania-co2-293/