Kategoria: Klimat

W skali globalnej, najbardziej dewastowanymi grupami roślin przez morskie fale upałów (MHW – marine heatwave) 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 Rekina (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 piszą:

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. Syringodium isoetifolium uginające się pod falą w pobliżu wyspy Reunion (Wikipedia). .

—

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.

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:

1. zmiany w pierwotnej produktywności
2. zmiany w składzie społeczności
3. zmiany w biogeografii wodorostów
4. 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, zmniejszyły 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:

1. odmienne wzorce prądów
2. wzrost roślinożerności
3. zmiany klarowności wody
4. zmiany zawartości składników odżywczych
5. wpływ promieniowania słonecznego
6. stres związany z wysuszeniem w strefie pływów

—

Fot.2. Wodorost Ulva compressa

—

Naukowcy piszą:

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.

—

Referencje:

1. Arias-Ortiz A. et al., 2018 ; A marine heatwave drives massive losses from the world’s largest seagrass carbon stocks ; Nature Climate Change ; https://www.researchgate.net/publication/324095489_A_marine_heatwave_drives_massive_losses_from_the_world’s_largest_seagrass_carbon_stocks

2. Straub S. C. et al., 2019 ; Resistance, Extinction, and Everything in Between – The Diverse Responses of Seaweeds to Marine Heatwaves ; Global Change and the Future Ocean ; https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2019.00763/full

Fale upałów występują nie tylko w oceanach i morzach będących słonymi zbiornikami wodnymi, ale i też w słodkowodnych jak jeziora.

Jeziorne fale upałów są definiowane podobnie jak morskie fale upałów – jako okres co najmniej pięciu dni z ekstremalnie ciepłymi temperaturami wód powierzchniowych.

Naukowcy pod kierownictwem Richarda Iestyna Woolwaya z Centrum Studiów Wodnych i Środowiskowych w Dundalk Institute of Technology, w Irlandii, dokonali ciekawej analizy wpływu fal upałów w jeziorach. Mianowicie przedstawili interesującą pracę w której jest mowa o tym, że ekosystemy jeziorne i gatunki w nich żyjące są w bardzo znaczący sposób narażone na wpływ jeziornych fal upałów (LHW – Lacustrine Heat Wave), które mogą pod koniec wieku podnieść średnią temperaturę w jeziorach, tylko przy samym scenariuszu emisji gazów cieplarnianych RCP2.6, do 4,0 ± 0. 2 stopni Celsjusza, a czas trwania fal upałów może wydłużyć się do 27,0 ± 7,6 dnia ¹¹.

Już przy najgorszym scenariuszu emisji, dobrze nam znanemu RCP8.5 („biznes jak zwykle”), do końca XXI wieku, średnia intensywność fal upałów w jeziorach, czyli średnia temperatura w jeziorach, w odniesieniu do okresu historycznego 1970-1999, wzrośnie z 3,7 ± 0,1 do 5,4 ± 0,8 stopnia Celsjusza, natomiast średni czas trwania tychże fal upałów, drastycznie wzrośnie z 7,7 ± 0,4 do 95,5 ± 35,3 dni.

Nowe badanie określa wpływ zmiany klimatu na intensywność, częstotliwość i czas trwania fal upałów w 702 jeziorach na całym świecie. Wykorzystuje obserwacje satelitarne i symulacje z modelu jeziora słodkowodnego, oparte na czterech modelach klimatycznych, do symulacji codziennych temperatur powierzchniowych w XX i XXI wieku.

—

Rys. Jeziora doświadczają ciągłej fali upałów. Odsetek badanych jezior, w których przewiduje się, że w XXI wieku wystąpią trwałe fale upałów. Źródło: Woolway i in., (2021)

—

Zdaniem naukowców, jeziorne fale upałów mogą w coraz cieplejszej przyszłości rozciągać się na wiele pór roku. Niektóre jeziora mogą mieć trwały, czyli permanentny ich stan zwłaszcza w krajach tropikalnych i subtropikalnych, które już są dziś doświadczane między innymi lądowymi falami upałów oraz długotrwałymi suszami.

Według obliczeń naukowców, przed 2000 rokiem żadne z badanych jezior nie osiągnęło stanu trwałej fali upałów. Ale w symulacjach modeli jeziora, już pod koniec XXI wieku nawet scenariusz najniższej emisji RCP2.6, poskutkuje trwałymi falami upałów w niektórych badanych jeziorach. A w scenariuszu z najwyższą emisją RCP8.5, 81 z 702 badanych jezior osiągnie stan trwałej fali upałów do 2099 roku.

Warta odnotowania jest uwaga, że fala upałów w jeziorach będzie najintensywniejsza na ich powierzchni, ale już będzie mniej intensywna w głębszych jeziorach, do głębokości 60 metrów. Natomiast w płytszych jeziorach będzie miała znaczący wpływ aż do ich dna. A dzieje się tak, ponieważ głębsze jeziora mają większą objętość wody, w której wolno rozprowadzane jest ciepło.

Richard l. Woolway dla Carbon Brief powiedział ¹²:

Nazywamy to bezwładnością termiczną: tak jak ciężki pociąg potrzebuje więcej czasu na przyspieszanie i zwalnianie niż lżejszy pojazd, taki jak samochód, tak głębokie jeziora nagrzewają się i ochładzają wolniej niż płytkie jeziora. To sprawia, że ​​fale upałów są mniej intensywne, ale trwają dłużej.

Następnie irlandzki naukowiec w rozmowie z serwisem Carbon Brief dodał kluczową kwestię dotyczącą wpływu jeziornych fal upałów na zdrowie ludzi i zwierząt:

Fale upałów w jeziorach mogą zmniejszyć liczbę poszczególnych gatunków żyjących w jeziorach – „w niektórych przypadkach krytycznie.

Termiczne fale upałów już wystawiły organizmy wodne na nowe, a w niektórych przypadkach śmiertelne warunki, prowadząc do zwiększonego ryzyka masowych przypadków śmiertelności, takich jak wymieranie ryb.

Co więcej, fale upałów w jeziorze mogą zwiększyć zakwity glonów, takich jak  sinice wytwarzające toksyny, które mogą stworzyć poważne zagrożenie dla zdrowia bydła, zwierząt domowych i ludzi, a także wpłynąć na dostarczanie bezpiecznej wody do picia i nawadnianie.

Dr Eleanor Jennings , współautorka badania z Dundalk Institute of Technology w Irlandii, dodała w serwisie Carbon Brief, że wiedza na temat jeziornych fal upałów musi trafić do decydentów i powinna być przełożona w skuteczne działania mitygacyjne i adaptacyjne:

Świadomość, że mogą wystąpić bardzo dramatyczne i ekstremalne zmiany, nie wystarczy. Ta wiedza musi przełożyć się na działania jednostek i rządów, jeśli chcemy uniknąć nawet najbardziej ekstremalnych konsekwencji dla jezior i żyjących tam gatunków.

Naukowcy podkreślają istotną rzecz, która może być już nie do odwrócenia. Mianowicie, że jeziorne fale upałów mogą drastycznie zmienić skład gatunkowy, popychając większość gatunków wodnych i ekosystemy przez nie zamieszkane, do granic ich odporności, czyli tolerancji ekologicznej. A to z kolei może zagrozić całej bioróżnorodności jezior oraz kluczowym korzyściom ekologicznym i ekonomicznym, jakie jeziora zapewniają społeczeństwu.

—

Referencje:

1. Woolway R. L. et al., 2021 ; Lake heatwaves under climate change ; Nature ; https://www.nature.com/articles/s41586-020-03119-1 

2. Tandon A., 2021 ; Lake heatwaves will be ‘hotter and longer’ by the end of the century ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/lake-heatwaves-will-be-hotter-and-longer-by-the-end-of-the-century

Spektakularne morskie fale upałów (MHW) miały miejsce na północnym Morzu Śródziemnym w 2003 r., wzdłuż zachodniego wybrzeża Australii w 2011 r., na północno-zachodnim Atlantyku w 2012 r., na północno-wschodnim Pacyfiku w latach 2013-2015 czy też koło południowo-wschodniej Australii w latach 2015/16 i u wybrzeży północnej Australii w 2016 r. Dokładnie w latach działalności bardzo silnego El Niño.

Wydarzenia te spowodowały poważne skutki ekologiczne i ekonomiczne:

1. trwałą utratę lasów wodorostów
2. bielenie koralowców
3. obniżony poziom chlorofilu na powierzchni z powodu zwiększonej stratyfikacji warstwy powierzchniowej
4. masową śmiertelność bezkręgowców morskich z powodu stresu cieplnego
5. gwałtowne zmiany zasięgu gatunków na duże odległości i związane z tym przekształcenie ich struktur społeczności
6. zamknięcie lub limity połowów
7. napięcia gospodarcze między narodami

—

Eric C. J. Oliver, adiunkt oceanografii fizycznej na Uniwersytecie Dalhousie w Kanadzie, wraz ze swoimi współpracownikami, stwierdził następujący fakt, że w latach 1925–2016 średnia częstotliwość i czas trwania morskich fal upałów na świecie wzrosła odpowiednio o 34% i 17%, co spowodowało wzrost rocznych dni morskich fal upałów o 54% na całym świecie ¹.

Naukowcy zastosowali ustandaryzowaną definicję MHW do globalnych, codziennych zdalnie wykrywanych danych Narodowej Administracji Oceaniczno-Atmosferycznej (NOAA – National Oceanic and Atmospheric Administration). Zebrali dane temperatury powierzchni morza (SST – Sea Surface Temperature) z wybrzeży, statków i satelitów w dziennych i miesięcznych skalach czasowych, wykorzystując do tego siatkowe dane SST V2 w latach 1982– 2016 o wysokiej rozdzielczości (¹/₄°) przy optymalnej interpolacji  (OI – Optimum Interpolation).

—

Rys.1. Całkowita liczba dni morskiej fali upałów na świecie. Globalnie uśrednione szeregi czasowe dni całkowitej morskiej fali upałów (MHW) od NOAA OI SST w latach 1982–2016. Czarna linia pokazuje uśrednione globalnie szeregi czasowe łącznej liczby dni MHW od NOAA OI SST w latach 1982–2016. Czerwona linia pokazuje tę metrykę po usunięciu podpisu ENSO. Cieniowanie jasnoczerwone i jasnoniebieskie oznacza odpowiednio okresy El Niño i La Niña, określone przez okresy przekraczające standardowe odchylenie (SD) ±1 wielowymiarowego wskaźnika ENSO (MEI – Multivariate ENSO Index) przez trzy kolejne miesiące (Eric C. J. Oliver i inni, 2018).

—

Naukowcy w pracy napisali:

MHW występują, gdy SST przekracza próg wahań sezonowych, zdefiniowany jako 90 percentyl zmienności SST na podstawie 30-letniego okresu klimatycznego (1983–2012), przez co najmniej pięć kolejnych dni.

W każdej lokalizacji i dla każdej MHW obliczyliśmy czas trwania wydarzenia (czas między datą rozpoczęcia i zakończenia) oraz maksymalną intensywność (szczytową anomalię SST w czasie trwania wydarzenia). Następnie obliczono powiązane statystyki roczne, w tym częstotliwość zdarzeń (tj. liczbę odrębnych zdarzeń występujących w każdym roku), średni roczny czas trwania, maksymalną roczną intensywność i całkowitą liczbę dni MHW w roku.

Częstotliwość morskich fal upałów wzrosła na 97% globalnej powierzchni oceanów, z wyjątkiem Północnego Atlantyku. Większość obszarów doświadczyło o 0,3-1,5 więcej fal upałów rocznie (czerwone cieniowanie) w latach 1987-2016 niż w latach 1925-54.

W badaniu niniejszym naukowcy napisali, że wiele z zarejestrowanych zmian miało miejsce w ciągu ostatnich kilku dekad, jak wynika z badania, co sugeruje, że trend ocieplenia przyspieszył w okresie 1925–2016.

Ponadto badacze podkreślili fakt, że średnie czasy trwania MHW dla całego oceanu od 1982 roku stały się dłuższe o 1,3 dnia na dekadę (prawdopodobieństwo: p  < 0,01). Wzrost wskaźników częstotliwości i czasu trwania MHW przełożył się na 30 dodatkowych dni morskich fal upałów rocznie pod koniec 35-letniego okresu, podczas gdy w latach 80 poziom wyjściowy wynosił około 25 dni.

W artykule na łamach Carbon Brief, główny autor pracy zauważa również, że morskie fale upałów mogą się rozwijać na wiele sposobów. Wyjaśnia, że ​​dwa główne mechanizmy są związane z prądami oceanicznymi lub atmosferą ²:

Prądy oceaniczne przemieszczają wodę w oceanie i, jak wiemy, niektóre z tych prądów – w tym Prąd Zatokowy i Prąd Wschodnioaustralijski – przenoszą ciepłą wodę do chłodniejszych regionów. Jeśli prądy te staną się silniejsze niż zwykle, mogą gromadzić ciepłą wodę w danym regionie i wywołać morską falę upałów.

W badaniu powyższym obliczono również oddzielny wkład różnych źródeł naturalnej zmienności w oceanach, takich jak: El Niño oscylacja południowa (ENSO – El Niño-Southern Oscillation), wielodekadowa oscylacja atlantycka (AMO – Atlantic Multidecadal Oscillation) i dekadowa oscylacja pacyficzna (PDO – Pacific Decadal Oscillation). I wprawdzie ich odkrycie ukazało trendy znaczącego występowania takich fal upałów w skali regionalnej, ale długoterminowe trendy nie zostały zaobserwowane w skali globalnej.

—

We wcześniejszejszej pracy Eric C. J. Oliver, pracujący wówczas w Instytucie Studiów Morskich i Antarktycznych na Uniwersytecie Tasmanii w Hobarcie, wraz ze swoimi współpracownikami, przedstawił następujące fakty dotyczące morskich fal upałów ³.

Częstotliwość ekstremalnych zjawisk ocieplenia oceanów wzrasta na całym świecie wraz z dalszymi emisjami gazów cieplarnianych do atmosfery, w tym też do oceanów. W latach 2015-16 około ¼ powierzchni oceanu doświadczyła MHW, które były najdłuższe i najintensywniejsze oraz najczęstsze, od początku rejestru pomiarów satelitarnych w 1982 roku.

Zdarzenia te w dużej mierze mocno zdewastowały ekosystemy morskie na całym świecie. Jednak wiedza na temat wpływu naturalnych zmienności klimatycznych oraz antropogenicznych zmian klimatu jest nadal jeszcze mocno ograniczona. Poszczególne MHW zostały zbadane pod kątem analizy czynników fizycznych oraz ich wpływu na środowisko naturalne w oceanach i morzach, zwłaszcza tropikalnych.

Podczas lat 2015/16, temperatury powierzchni morza (SST – Sea Surface Temperature) w południowo-wschodniej Australii były cieplejsze tam aż o 3-4 °C powyżej średniej klimatycznej.

—

Rys.2. Anomalie średniej temperatury powierzchni morza (SST) dla lata australijskiego 2015/16 (grudzień-luty) w stosunku do klimatologii 1982-2011 z NOAA OI SST. Niebieski prostokąt podświetla region SEAus (południowo-wschodniej Australii). Czerwony trapez określa analizowany w tym badaniu region wokół Nowej Zelandii jako odbiorcę i źródło anomalii SST z fal Rossby’ego (Eric C. J. Oliver i inni, 2017).

—

Jak naukowcy zauważyli, ocean u wybrzeży południowo-wschodniej Australii to jest gorący punkt globalnego ocieplenia. Tamtejsze wody przypowierzchniowe ocieplają się prawie czterokrotnie szybciej niż średnia globalna, a wzrost temperatury wody jest już zauważony i zmierzony do głębokości 750 m. Ocieplenie to zostało przez badaczy powiązane ze wzmocnionym transportem gorących wód tropikalnych daleko na południe w Prądzie Wschodnioaustralijskim, napędzanym zwiększonym naprężeniem wiatru w środkowej szerokości południowego Pacyfiku. Przedłużenie tego prądu na południu na wysokości 33° szerokości geograficznej składa się z niestabilnego ciągu wirów mezoskalowych, co powoduje zwiększone mieszanie wirów w Morzu Tasmana. Przyszłe prognozy antropogenicznej zmiany klimatu wskazują również na dalsze wzmacnianie tegoż transportu coraz cieplejszych wód na południe we wzmocnionym Prądzie Wschodnioaustralijskim, które prawdopodobnie będzie miało związek ze zwiększonym naprężeniem wiatru nad południowym Pacyfikem i odpowiednim wzrostem prawdopodobieństwa wystąpienia ekstremalnych temperatur w tymże regionie Ziemi.

Naukowcy za pomocą obserwacji i pomiarów temperatury powierzchni morza (SST) in situ w Morzu Tasmana oraz za pomocą symulacji komputerowych w modelach numerycznych oceanu, dokonali analizy tempa przebiegu adwekcji temperatury poziomej w interakcji – atmosfera/ocean oraz w samym oceanie  w ciągu najbliższych dekad. Ponadto dokonali szacunków zwiększonego ryzyka wpływu MHW na ekosystemy przybrzeżne w regionie.

Badacze w swoim artykule napisali:

Nasze podejście obejmuje syntezę obserwacji, teorii i modeli numerycznych.

Najpierw opisujemy zdarzenie na podstawie zdalnie wykrywanych pomiarów SST, a także przybrzeżnych pomiarów temperatury in situ oraz prędkości podpowierzchniowej.

Po drugie, określamy główne fizyczne czynniki napędzające MHW za pomocą oszacowań modelu oceanicznego, aby określić względny wkład adwekcji temperatury poziomej i strumieni ciepła powietrze-morze.

Po trzecie, używamy globalnych modeli klimatycznych do oszacowania zwiększonego ryzyka MHW na Morzu Tasmana, z czasem trwania i intensywnością tego konkretnego zdarzenia obserwowanego latem 2015/16, z powodu antropogenicznej zmiany klimatu.

Na koniec dokumentujemy, w jaki sposób MHW 2015/16 wpłynęła na regionalne ekosystemy przybrzeżne, w tym na sektor akwakultury i rybołówstwo o wartości miliarda dolarów.

—

Aby określić pełny zakres wpływu morskich fal upałów na różne oceany, Dan A. Smale badacz z Morskiego Stowarzyszenia Biologicznego (MBA – Marine Biological Association) w Plymouth w Wielkiej Brytanii  i jego międzynarodowy zespół z 19 ośrodków badawczych, przeanalizowali dane z ponad 1000 badań terenowych, które wykazały, jak reagują organizmy i ekosystem ⁴.

W szczególności bardzo silnie narażone na wpływ MHW są gatunki ekosystemów przybrzeżnych, podwodnych, jak rafy koralowe, zbiorowiska wodorostów czy łąki traw morskich, jak i nadwodnych, jak lasy namorzynowe. Wśród fauny bardzo silnie zagrożone wymieraniem są nie tylko koralowce budujące rafy koralowe, ale i też wiele bezkręgowców jak np. uchowce, oraz wiele kręgowców, i to nie tylko ryb, ale i też ptaków i ssaków morskich, jak np. wieloryby czy lwy morskie.

Naukowcy obliczyli, że od początku lat 50 liczba dni MHW wzrosła o ponad 50%. Dan A. Smale, główny autor pracy w serwisie Phys.Org powiedział ⁵:

Na całym świecie morskie fale upałów stają się coraz częstsze i przedłużają się, a rekordowe zdarzenia zaobserwowano w większości basenów oceanicznych w ciągu ostatniej dekady.

Tak jak atmosferyczne fale upałów mogą niszczyć uprawy, lasy i populacje zwierząt, morskie fale upałów mogą niszczyć ekosystemy oceaniczne.

—

Fot.1. Na całym świecie morskie fale upałów stają się coraz częstsze i przedłużają się, a w ciągu ostatniej dekady w większości basenów oceanicznych zaobserwowano rekordowe zdarzenia (Zdjęcie z serwisu Phys.Org).

—

W 2011 roku, który wraz wystąpieniem bardzo silnej oscylacji oceanicznej La Niña paradoksalnie okazał się w skali planetarnej chłodniejszym od 1998 roku, w którym z kolei wystąpiło najsilniejsze w XX wieku El Niño, w południowo-wschodniej części Oceanu Indyjskiego u zachodnich wybrzeży Australii, wystąpiły (opisane już w książce), zarówno na lądzie, jak i w oceanie, tak silne fale upałów, że dokonały spustoszeń ekosystemu lądowego i całkowitego zniszczenia ekosystemu morskiego, a gatunki ryb z komercyjnych łowisk przeniosły się w głębsze chłodniejsze wody.

Z kolei w gorącym okresie 2013-14 (także już wspomnianym wcześniej), gdy na północno-wschodnim Pacyfiku pojawiła się plama gorąca, wody u wybrzeży Kalifornii nagrzały się aż o 6 stopni Celsjusza (10,8 Fahrenheita). Doprowadziło to do masowych zakwitów toksycznych glonów, które w ogromnej liczbie zabijały wieloryby, lwy morskie czy ptaki wodne. Dlatego też w tym regionie oceanicznym i podobnych, na wielu plażach ocean wyrzucał zwłoki tych zwierząt oraz wielu innych.

Dan A. Smale w serwisie Phys. Org jeszcze powiedział:

Morskie fale upałów mogą przeniknąć do setek metrów, chociaż do naszej analizy wykorzystaliśmy dane, które wychwytują tylko ocieplenie na powierzchni.

Ponieważ globalne ocieplenie powodowane przez człowieka ogrzewa planetę, oceany pochłonęły około 90 procent dodatkowego ciepła, to bez tej gąbki termicznej, temperatury powietrza byłyby nie do zniesienia.

Wcześniejsze badania wykazały, że, zgodnie z traktatem zapisanym w Porozumieniu Paryskim, nawet jeśli ludzkości uda się ograniczyć globalne ocieplenie do poziomu „znacznie poniżej” 2 stopni Celsjusza (3,6 stopni Fahrenheita), morskie fale upałów i tak jeszcze będą gwałtownie zwiększać swoją częstotliwość, intensywność i czas trwania.

—

Referencje:

1.Oliver E. C. J. et al., 2018 ; Longer and more frequent marine heatwaves over the past century ; Nature Communications ; https://www.nature.com/articles/s41467-018-03732-9

2. McSweeney R., 2018 ; Marine heatwaves have become ‘34% more likely’ over past century ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/marine-heatwaves-have-become-34-more-likely-over-past-century

3. Oliver E. C. J. et al., 2017 ; The unprecedented 2015/16 Tasman Sea marine heatwave ; Nature Communications; https://www.nature.com/articles/ncomms16101

4. Smale D. A. et al., 2019 ; Marine heatwaves threaten global biodiversity and the provision of ecosystem services ; Nature Climate Change ; https://api.research-repository.uwa.edu.au/ws/files/69272031/AAM_marine_heatwaves_threaten.pdf

5. Hood M., 2019 ; Ocean heatwaves devastate wildlife, worse to come ; Phys. Org ; https://phys.org/news/2019-03-ocean-heatwaves-devastate-wildlife-worse.html

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, dokonali 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.

—

Rys.1. Średnia miesięczna temperatury powierzchni mórz w maju 2015 r. W latach 2013-2016 duża masa niezwykle ciepłej wody oceanicznej – zwanej Plamą – rozprzestrzeniała się nad obszarami Północnego Pacyfiku. Na zdjęciu oznaczona została kolorami czerwonym, różowym i żółtym, przedstawiającymi temperatury aż o trzy stopnie Celsjusza wyższe od średniej. Dane pochodzą z produktu NASA Multi-scale Ultra-high Resolution Sea Surface Temperature (MUR SST) Analysis. Źródło: dzięki uprzejmości NASA Physical Oceanography Distributed Active Archive Center

—

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.

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 satelitarnymi i in situ temperatury powierzchni morza (SST – Sea Surface Temperature) wykonywanymi przez Japońską Agencję Meteorologiczną (JMA – Japan Meteorology Agency), czy też z symulacjami 23 globalnych modeli klimatycznych CMIP5 (projekt porównywania połączonych modeli).

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.

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 oraz nasilone inwazje obcych gatunków.

—

Rys.2. 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 między wynikiem modelu oceanicznego o wysokiej rozdzielczości (0,1°) (OFAM3; lewa kolumna) a 1° wielomodelowej średniej produktu 23 globalnych modeli klimatycznych (CMIP5; prawa kolumna) w ramach reprezentatywnej ścieżki koncentracji (RCP 8.5) (Hakase Hayashida i inni, 2020).

 

Rys.3. 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° wielomodelowej średniej produktu 23 globalnych modeli klimatycznych (CMIP5; prawa kolumna ) w ramach reprezentatywnej ścieżki koncentracji (RCP 8.5) (Hakase Hayashida i inni, 2020).

—

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 w niej 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 obliczyli, 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 wyniknęło, 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

Niepokojącym sygnałem w kwestii zmian klimatu jest czwarty rok z rzędu rekordowego globalnego ocieplenia oceanów.

Najnowsza praca naukowa, zamieszczona w czasopiśmie Advances in Atmospheric Sciences, pod kierownictwem Lijinga Chenga z Międzynarodowego Centrum Nauk o Klimacie i Środowisku w Pekinie, przedstawia dwie kolejne analizy zaprezentowane przez zespoły naukowe ze Stanów Zjednoczonych i Chin ¹.

Naukowcy obliczyli, że w 2022 r. oceany pochłonęły około 10 zettadżuli więcej ciepła, niż w 2021 r. W wyniku rozszerzalności termicznej, znaczące ocieplenie ich górnej powierzchni wpłynęło na zwiększenie globalnego wzrostu poziomu morza.

—

Rys.1. Względna anomalia zawartości ciepła oceanu (OHC) w 2022 roku na głębokości 0-2000 m w stosunku do okresu bazowego 1981-2010 (IAP/CAS) ².                                      Źródło: Cheng, L. J. i inni, 2023: Another year of record heat for the oceans. Advances Atmospheric in Sciences , https://doi.org/10.1007/s00376-023-2385-2

—

Cieplejsze oceany stanowią dziś poważne zagrożenie dla wielu ekosystemów i gatunków zwierząt morskich (Dan A. Smale i inni, 2019). Na ocieplenie tych ogromnych akwenów nakładają się antropogeniczne zjawiska, takie jak: morskie fale upałów (Charlotte Laufkötter i inni, 2020 ; Hakase Hayashida i inni, 2020) i pacyficzna plama gorąca w latach 2013-16 (Hillary A. Scanell i inni, 2016) czy naturalne zjawiska, ale bardziej intensywne, jak El Niño w latach 2014-16 (Eric C. J. Oliver i inni, 2017 ; Eric C. J. Oliver i inni, 2018).

Kurtis Deutch, profesor Nauk o Ziemi na Uniwersytecie w Princeton, który nie brał udziału w niniejszych badaniach, dla New York Times powiedział ³:

“Wielka moc pociąga za sobą wielką odpowiedzialność. „Dowiadujemy się o naszej mocy” , ale nie o naszej odpowiedzialności — wobec przyszłych pokoleń ludzi, ale także wobec wszystkich innych form życia, z którymi dzielimy planetę od milionów lat.”

Ocieplanie się oceanów wywiera wiele ujemnych oddziaływań na życie morskie. Najbardziej narażone są ekosystemy raf koralowych, wodorostów i traw morskich.

Linda Rasmussen, emerytowana badaczka ze Scripps Institution of Oceanography, która nie wzięła udziału w badaniach, w tym samym serwisie, stwierdziła istotny fakt:

“Oceany zawierają ogromną ilość wody, a w porównaniu z innymi substancjami potrzebują dużo ciepła, aby zmienić temperaturę wody… Fakt, że obserwujemy tak wyraźny wzrost zawartości ciepła w oceanie, trwający już od dziesięcioleci, pokazuje, że zachodzą znaczące zmiany”.

Wzrost energii cieplnej, zawartej w górnej części wód oceanicznych o grubości około 1,25 mili (ponad 2 km), mierzony od niedawna w zettadżulach, stanowi istny “puls” klimatu ziemskiego.

Ogólnie mówiąc, gdy średnia temperatura oceanu jest coraz częściej znacznie powyżej normy, to możemy się spodziewać częstszych zjawisk ekstremalnych, jak nasilenie cyklonów na morzach i oceanach, czy nasilenie się fal upałów na lądach, przynoszących ze sobą również coraz częstsze susze i pożary. Wszelkie ekstrema stanowią poważne zagrożenie dla zdrowia i życia ludzi oraz zwierząt.

Współautor badań Kevin Trenberth, profesor z Narodowego Centrum Badań Atmosferycznych (NCAR), zwrócił istotną uwagę, że ogrzewające się oceany nie tylko spowodują wystąpienie intensyfikacji cyklonów, huraganów i tajfunów, ale także zwiększą swoje oddziaływanie na przybrzeżne lądy, na których nasili się obecność ulewnych deszczy oraz burz z piorunami. Dla The Washington Post zakomunikował ⁴:

“Temperatury górnej powierzchni morza mają naprawdę poważne konsekwencje dla każdej burzy, która nadchodzi… Myślę, że widzimy niektóre reperkusje tego w burzach, które nawiedzają Kalifornię… Ulewne deszcze są bezpośrednią konsekwencją tej anomalii zawartości ciepła w górnej warstwie oceanu.”

—

Rys.2. Globalna zawartość ciepła oceanu (OHC) w górnej warstwie 2000 m (NCEI/NOAA) (Brett Anderson, 2023) ². Źródło: Cheng, L. J. i inni, 2023: Another year of record heat for the oceans. Advances Atmospheric in Sciences , https://doi.org/10.1007/s00376-023-2385-2

—

Cieplejsze oceany stymulują zarówno ocieplenie atmosfery, jak i zwiększenie w niej zawartości wilgotnego powietrza. Zgodnie z prawem Clausiusa-Clapeyrona, na każdy stopień Celsjusza przybywa w atmosferze ok. 7% pary wodnej. A każdy taki przypływ koncentracji tego silnego gazu cieplarnianego, nie tylko coraz mocniej ogrzewa Ziemię, ale i również nasila zwiększenie intensywności burz nad lądami i na wybrzeżach morskich.

Profesor Michael Mann, dyrektor Centrum Nauki, Zrównoważonego Rozwoju i Mediów na Uniwersytecie w Pensylwanii, będący również członkiem naukowego zespołu amerykańskiego, w serwisie the Guardian powiedział ⁵:

“Cieplejsze oceany oznaczają większy potencjał większych opadów, jak widzieliśmy w zeszłym roku w Europie, Australii i obecnie na zachodnim wybrzeżu. Stanów Zjednoczonych.”

Ponadto ten sam naukowiec podkreślił w tym samym serwisie, że te, z roku na rok, rekordy ocieplenia oceanów, prowadzące do ogrzewania atmosfery i silnego wzrostu w niej pary wodnej, przyczyniły się również do katastrofalnych powodzi w państwach afrykańskich: Czadzie, Nigrze i Nigerii.

Z kolei inny współautor powyższych badań, profesor nauk termicznych John Abraham z Uniwersytetu w St. Thomas w Minnesocie, zaznaczył istotną rzecz, że ostatni rok ocieplenia oceanów, który nie był rekordowy, to był 2018 rok. A dziś mamy 2023 rok i w zapasie czwarty rekord. Fakt. Od 2020 r. do dziś jeszcze na Pacyfiku jest oscylacja oceaniczna La Niña, która ma odwrotny wpływ na atmosferę Ziemi niż El Niño. Pierwsza ogrzewa głębiny oceanów i ochładza ich powierzchnię oraz atmosferę, a druga na odwrót, ochładza głębiny oceanów i ogrzewa ich powierzchnię oraz atmosferę (Richard Allan. Michael McPhaden i Shang-Ping Xie).

Należy też podkreślić, że według danych Światowej Organizacji Meteorologicznej, w całym systemie klimatycznym planety oceany pochłonęły ponad 90% energii cieplnej, co najmniej od lat 60-tych XX wieku.

Ponadto, zgodnie z prawem Henry’ego, ogrzewające się oceany przyczyniają się do spadku rozpuszczalności tlenu i dwutlenku węgla. W tym pierwszym przypadku często prowadzi to do tworzenia się stref beztlenowych (Denise Breitburg i inni, 2018 ; Matthew Long i inni, 2016 ; Andreas Oschlies, 2021). Z kolei w drugim przypadku CO₂ nie ulegający rozpuszczaniu się w wodzie oceanicznej, uwalnia się do atmosfery, powodując wzmocnienie jej nagrzewania się.

Tak samo nagrzewanie się powierzchniowej warstwy oceanów prowadzi do coraz częstszych stratyfikacji powodujących brak mieszania się składników odżywczych i przepływ do głębin tlenu i dwutlenku węgla, co z kolei prowadzi do odtleniania głębin oceanicznych aż do dna (Guancheng Li i inni, 2020).

W październiku Światowa Organizacja Meteorologiczna (WMO) poinformowała, że ​​stężenie w atmosferze wszystkich głównych gazów cieplarnianych, mianowicie: dwutlenku węgla, metanu i podtlenku azotu, po raz kolejny osiągnęło rekordowe poziomy . A szef WMO, prof. Petteri Taalas, powiedział dla The Guardian: „Zmierzamy w złym kierunku”.

W serwisie The Week Michael Mann stwierdził ⁶:

“Dopóki nie osiągniemy zerowej emisji netto, ogrzewanie będzie kontynuowane, a my będziemy nadal bić rekordy zawartości ciepła w oceanach.”

Jak czytamy jeszcze w The Washington Post, Kevin Trenberth z kolei chce też uspokoić, że ocieplanie oceanów nie wszędzie zachodzi równomiernie. Zauważył, że są regiony na Ziemi, gdzie powierzchnia oceanów słabo się nagrzewa albo nawet nie nagrzewa, jak na przykład na południe od Grenlandii, gdzie występuje od jakiegoś czasu spadek temperatury w czasie.

—

Referencje:

1. Cheng L. et al., 2023 ; Another Year of Record Heat for the Oceans ; Advances in Atmospheric Sciences ; https://www.researchgate.net/publication/367041849_Another_Year_of_Record_Heat_for_the_Oceans_Original_Paper
2. Anderson B., 2023 ; Record High Ocean Heat Content for 2022 ; AccuWeather ; https://www.accuweather.com/en/weather-blogs/climatechange/record-high-ocean-heat-content-for-2022/1469163
3. Fountain H. & Rojanasakul M., 2023 ; The Last 8 Years Were the Hottest on Record ; The New York Times ; https://www.nytimes.com/interactive/2023/climate/earth-hottest-years.html
4. Mooney C. & Dennis B., 2023 ; Oceans Surged to Another Record-High Temperature in 2022 ; The Washington Post ; https://www.washingtonpost.com/climate-environment/2023/01/11/ocean-heat-climate-change/
5. Carrington D., 2023 ; Oceans were the Hottest ever Recorded in 2022, analysis shows ; The Guardian ; https://www.theguardian.com/environment/2023/jan/11/oceans-were-the-hottest-ever-recorded-in-2022-analysis-shows
6. Rao D., 2023 ; The Dire Consequences of the World’s Relentless’ Warming Oceans ; The Week ; https://theweek.com/climate-change/1020051/the-dire-consequences-of-the-worlds-relentless-warming-oceans

 

Według danych Międzyrządowej Platformy Naukowo-Politycznej ds. Różnorodności Biologicznej i Usług Ekosystemowych (IPBES – Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystems Services), ustalonych w dniach 29 kwietnia – 4 maja 2020 roku w Paryżu na VII sesji plenarnej IPBES, około milion gatunków w ciągu pół wieku jest zagrożonych wymarciem, głównie z przyczyn eksploatacji i zanieczyszczenia środowiska naturalnego. Jednak z biegiem czasu będą coraz poważniejsze przyczyny ekstynkcji gatunków z powodu zmian klimatu. Do takiej grupy są już dziś zaliczane trzmiele z gromady owadów ¹.

—

Fot. Trzmiel. Zdjęcie: Simon de Glanville / Alamy/Alamy

—

Peter Soroye i Jeremy Kerr z Wydziału Biologii na Uniwersytecie w Ottawie, w Kanadzie oraz Tim Newbold z z Centrum Badań Bioróżnorodności i Środowiska, z Wydziału Genetyki, Ewolucji i Środowiska na Uniwersytecie Londyńskim, dokonali analizy, w której stwierdzili, że liczba obszarów zajmowanych przez rodzime trzmiele spadła o 46% w Ameryce Północnej i o 17% w Europie w porównaniu do wcześniejszych badań przeprowadzonych od 1901 do 1974 roku. Obszary z mniejszą liczbą pszczół były także miejscami o wysokim stopniem zmienności klimatu, szczególnie podatnymi na wyższe temperatury.

Według obliczeń Petera Soroye, trzmiele są najlepszymi zapylaczami, w tym naszych uprawnych roślin z ogrodów. Gdy ich zabraknie, a przynajmniej, gdy jeszcze bardziej radykalnie zmniejszy się ogólnoświatowa populacja, to będzie miało to też przełożenie na zniknięcie z naszych stołów wielu ważnych potraw roślinnych, jak chociażby pomidory czy jagody.

Na podstawie danych długoterminowych, dotyczących 66 gatunków trzmieli z Ameryki Północnej i Europy, naukowcy odkryli, że coraz większa częstotliwość niezwykle gorących dni zwiększa lokalne wskaźniki wymierania trzmieli, zmniejsza ich kolonizację i zajmowanie miejsca, a także zmniejsza bogactwo gatunków w regionie, niezależnie od zmiany użytkowania gruntów. Ponieważ średnie temperatury nadal rosną, trzmiele mogą napotkać niemożliwy do utrzymania wzrost częstotliwości ekstremalnych temperatur.

Metoda ta pokazuje zmienność dynamiki populacji trzmieli, w której wymierania są częstsze niż rozród tych owadów oraz ich kolonizacja nowych terenów, zarówno w Ameryce Północnej, jak i w Europie.

W swoich obliczeniach, naukowcy przewidują większy spadek zasiedlenia gatunków trzmieli i bogactwa gatunków podczas dalszego wzrostu temperatury globalnej, w tym fluktuacyjnie pojawiających się fal upałów i nawalnych opadów deszczy, w przypadku gdy zmieniające się warunki klimatyczne częściej przekraczają historycznie obserwowane tolerancje poszczególnych gatunków.

—

Rys. Zmiana w pomiarach uśrednionych dla społeczności od stanu wyjściowego (1901–1974) do ostatniego okresu (2000–2015). Pokazano lokalne zmiany wskaźników położenia ( A ) termicznego i ( B ) opadów atmosferycznych. Wzrosty wskazują na cieplejsze lub wilgotniejsze regiony oraz, że przeciętnie gatunki w danym zespole są bliżej swoich gorących lub wilgotnych granic niż miało to miejsce w przeszłości. Spadki wskazują na regiony schłodzenia lub wysychania oraz, że średnio gatunki w danym zespole są bliżej granic zimna lub wilgoci niż miało to miejsce w przeszłości (Peter Soroye i inni, 2020).

—

I odwrotnie, naukowcy przewidują większe zasiedlenie i bogactwo gatunków na obszarach, gdzie zmiany klimatu częściej mieszczą się w normie takiej jak kilka dekad temu w historycznie obserwowanych tolerancjach gatunków. Temperatura i opady mogą wpływać bezpośrednio na śmiertelność i płodność trzmieli i pośrednio poprzez zmiany w zasobach roślinnych.

Generalnie badanie Soroye i jego kolegów wykazało, że w ciągu tylko jednego pokolenia prawdopodobieństwo przeżycia populacji trzmieli spadnie średnio o ponad 30%.

Naukowcy powiązali zjawisko szumu klimatycznego z niezidentyfikowanym wymieraniem trzmieli i możliwe, że i innych grup owadów, już kilkadziesiąt lat wcześniej.

Doktorant Peter Soroye w serwisie Science Daily powiedział ²:

Być może najbardziej ekscytującym elementem jest to, że opracowaliśmy metodę przewidywania ryzyka wyginięcia, która działa bardzo dobrze w przypadku trzmieli i teoretycznie mogłaby być stosowana uniwersalnie w przypadku innych organizmów.

Dzięki takiemu narzędziu prognostycznemu mamy nadzieję zidentyfikować obszary, w których działania ochronne miałyby kluczowe znaczenie dla zatrzymania spadków.

Doktor Jeremy Kerr w tym samym artykule Science Daily dodaje:

Przewidywanie, dlaczego trzmiele i inne gatunki wyginą w czasie szybkich, spowodowanych przez człowieka zmian klimatycznych, może pomóc nam zapobiec ich wyginięciu w XXI wieku.

Z kolei doktor Tim Newbold jeszcze wyjaśnia też w tym serwisie:

Stworzyliśmy nowy sposób przewidywania lokalnych wymierań, który mówi nam, dla każdego gatunku z osobna, czy zmiany klimatyczne powodują powstawanie temperatur przekraczających możliwości trzmieli.

Dlatego bardzo ważna też jest ochrona przyrody. Ochrona drzew i krzewów na nizinach, wyżynach i w górach dająca schronienie w postaci zacienienia i chłodu wielu zwierzętom podczas ekstremalnych fal upałów, w tym wielu owadom, a zwłaszcza zagrożonym przez zmiany klimatu trzmielom.

—

Refleksje:

1. Soroye P. et al., 2020 ; Climate change contributes to widespread declines among bumble bees across continents ; Science ; https://www.researchgate.net/publication/339088460_Climate_change_contributes_to_widespread_declines_among_bumble_bees_across_continents
2. University of Ottawa, 2020 ; Why bumble bees are going extinct in time of ‘climate chaos’ ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2020/02/200206144807.htm

Zakwaszenie oceanów ma bardzo duży związek z wpływem na bioróżnorodność. Dwutlenek węgla, który w nadmiarze trafia do oceanów i mórz nie powoduje ich ogrzewania czy nawet odtleniania, ale jest częstą przyczyną ich zakwaszenia. Przede wszystkim mocno cierpi na tym fauna bezkręgowców morskich, które są zbudowane z wapiennych muszli i pancerzyków (np. małże i skorupiaki itp.).

Lydia Kapsenberg & Tyler Cyronak dokonali analizy przeglądowej tzw. refugiów zakwaszenia oceanów (OAR – Ocean Acidification Refugium), czyli obszarów morskich, w których gatunki ryb i bezkręgowców są w dużym stopniu narażone na wahania pH wód oceanicznych ze względu na zmienność w skali przestrzenno-czasowej strumienia dwutlenku węgla rozpuszczanego w nich ¹.

Autorzy na wstępie pracy piszą:

Ostoje zmiany klimatu w lądowej biosferze to obszary, na których gatunki są chronione przed globalną zmianą środowiska i powstają w wyniku naturalnej różnorodności krajobrazów i klimatu. W obszarze morskim zakwaszenie oceanów lub globalny spadek pH wody morskiej pozostaje wszechobecnym zagrożeniem dla organizmów i ekosystemów. Naturalna zmienność chemii dwutlenku węgla (CO₂) w wodzie morskiej stanowi jednak okazję do zidentyfikowania ostoi zakwaszenia oceanów (OAR) dla gatunków morskich.

Globalne pH powierzchni oceanów naturalnie waha się między pH 8,0 a 8,2 (Bates i inni, 2014) i przewiduje się, że spadnie o > 0,4 jednostki, jeśli emisje CO₂ utrzymają się w obecnym tempie (Hans Otto Pörtner i inni, 2014).

Występuje wiele czynników biogeochemicznych i fizycznych, które mają dość potencjalnie duży wpływ na dynamikę lokalnego składu chemicznego dwutlenku węgla w wodzie morskiej i mogą one również podlegać takim samym dynamicznym zmianom parametrów fizycznych, jak np. temperatura, opady czy upwelling w systemie klimatycznym Ziemi.

—

Rys.1. Procesy modyfikujące ekspozycję na zakwaszenie oceanów w zakresie częstotliwości czasowych i skal przestrzennych (Lydia Kapsenberg & Tyler Cyronak, 2019).

—

Na panelu (a) ukazane są sezonowe reżimy pH napędzane przez ocieplenie w ekosystemie umiarkowanym i produkcję pierwotną w ekosystemie polarnym (Lydia Kapsenberg, Samir Alliouane i inni, 2017 ; Lydia Kapsenberg i inni, 2015). Na panelu (b) pokazana została zmienność pH w skali zdarzeń w okresie 5 tygodni. Produkcja pierwotna przez zakwit fitoplanktonu zwiększa pH, które zmniejsza się po zaprzestaniu zakwitu, podczas gdy okresowe zjawiska upwellingu powodują silne spadki pH (Lydia Kapsenberg, 2015 ; Lydia Kapsenberg & Gretchen E. Hofmann, 2016). Z kolei na panelu (c) przedstawione intensywne wahania pH w ekosystemie rafy koralowej są napędzane fotosyntezą bentosową i oddychaniem (Tyler Cyronak, Izaak C. Santos i inni, 2014).

Obszary refugiów zakwaszenia oceanu (OAR – Ocean Acidification Refugues), to przede wszystkim siedliska przybrzeżne jak namorzyny, trawy morskie, miejsca o wolnym przepływie wód, miejsca z daleka od upwellingu (wypływu wód bogatych w składniki pokarmowe dla zwierząt morskich), wzniesienia głębinowe itp.

—

W 2020 roku naukowcy z Uniwersytetu w Edynburgu we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu Heriot-Watt i Narodowej Administracji Oceaniczno-Atmosferycznej (NOAA – National Oceanic and Atmospheric Administration), badając głębinowe rafy koralowe w Pacyfiku u wybrzeży południowej Kalifornii zaobserwowali najniższy poziom pH na strukturach raf koralowych w historii pomiarów. Badaniami tymi kierował Sebastian J. Hennige z Grupy Badawczej Zmiany Oceanów oraz ze Szkoły Nauk o Ziemi na Uniwersytecie w Edynburgu ².

Zespół amerykańskich naukowców z NOAA podjął badania tamtejszego ekosystemu raf koralowych za pomocą pojazdów podwodnych i zaobserwował wśród osobników koralowców gatunku Lophelia pertusa porowatość ich struktur. Następnie pobrał próbki tych żywych zwierząt i przekazał je do laboratorium w Edynburgu dla brytyjskich specjalistów od inżynierii środowiska, którzy z kolei w swoich zademonstrowanych eksperymentach w ciągu jednego roku zauważyli szybkie osłabienie szkieletów i odkryli uderzające podobieństwo do osłabienia obserwowanego w ludzkich kościach w wyniku osteoporozy. Nową chorobę zidentyfikowaną u Lophelia pertusa nazwali koralporozą albo koralowicą.

---

Fot.1. Koralowiec Lophelia pertusa z chłodnych wód głębinowych w południowej części Zatoki Kalifornijskiej. Po lewej stronie kolonia składająca się ze zdrowych osobników (białe korony) i chorych osobników na koralporozę (brązowo-szare podwaliny). Po prawej stronie kolonia składająca się z samych zdrowych osobników, ale na odsłoniętej skale o niskiej złożoności siedlisk. Nad oboma zdjęciami jest ukazana podziałka stanu nasycenia aragonitem (Ω Arag ) wód morskich w Zatoce Kalifornijskiej w badanym regionie.

Kadr z obrazów w (a, b) został wykonany wraz z materiałem ROV przedstawiającym lokalizacje z dalszymi szczegółami lokalizacji.

(Sebastian J. Hennige i inni, 2020)

---

Oba zespoły naukowe zaobserwowały, że zarówno w warunkach laboratoryjnych, jak i w środowisku morskim, niski poziom pH powoduje pękanie i rozpad osobników koralowców laboratoryjnych Lophelia pertusa. Z kolei nurkując w pojazdach podwodnych w tamtym rejonie, zaobserwowali, że ekosystem koralowców tamtejszych oraz wielu innych gatunków zależnych od głębinowych raf koralowych już się kurczy, a w przyszłości przy dalszej nadmiernej absorpcji dwutlenku węgla przez oceany, ten proces jeszcze bardziej się nasili.

Główny autor pracy dr Sebastian Hennige ze Szkoły Geonauk (School of GeoSciences) na Uniwersytecie w Edynburgu w serwisie Science Daily napisał następująco ³:

Badanie to podkreśla, że głównym zagrożeniem dla tych wspaniałych ekosystemów głębinowych jest osłabienie strukturalne spowodowane zakwaszeniem oceanów, napędzanym przez rosnące ilości wytwarzanego przez nas dwutlenku węgla. Rafy głębinowe istnieją poza naszym zasięgiem wzroku, z pewnością o nich nie zapominamy, a nasza praca podkreśla, w jaki sposób naukowcy z różnych dyscyplin i krajów mogą połączyć siły, aby stawić czoła globalnym wyzwaniom.

Z kolei współautor badania, dr Peter Etnoyer z Narodowego Centrum Nauk Wybrzeży Oceanu (NCOS – National Centres for Coastal Ocean Science) w NOAA, stwierdził:

Koralowce głębinowe rosnące w południowej Kalifornii są oknem na przyszły ocean. Region jest naturalnym laboratorium do badania skutków zakwaszenia oceanów.

Natomiast dr Uwe Wolfram z Uniwersytetu Heriot-Watt w Edynburgu powiedział:

Dzięki możliwości dostosowania strategii do raf koralowych, które są rutynowo stosowane do monitorowania osteoporozy i oceny ryzyka złamań kości, możemy dysponować potężnymi nieinwazyjnymi narzędziami do monitorowania tych delikatnych ekosystemów.

—

Również w tym samym roku została przedstawiona ciekawa praca przez zespół naukowy  Eugenio Rastelli’ego z Wydziału Nauk o Środowisku i Naukach Przyrodniczych, Politechniki Marche w Ankonie we Włoszech. Ukazała ona interesujące informacje naukowe, w których stabilne ekosystemy ze zróżnicowaną bioróżnorodnością morską są znacznie odporniejsze na zakwaszenie oceanów niż ich bardziej uproszczone odpowiedniki ⁴.

Przeanalizowano te badania na wybranych gatunkach koralowców, gąbek i makroglonów oraz innych organizmów morskich, w których stwierdzono też mniejszy wpływ oportunistycznych wirusów bentosowych na twardym dnie gdzie się kształtują zdrowe ekosystemy raf koralowych.

---

Rys.2. Wpływ zakwaszenia na taksony dominujące. Odnotowano zmiany tempa wzrostu różnych taksonów koralowych (czerwonych koralowców, kalcyfikujących glonów, niekalcyfikujących glonów, epilitycznych gąbek, endolitycznych gąbek, kalcyfikujących gąbek) spowodowane zakwaszeniem. Tempo wzrostu wyraża się jako zmiany masy w przypadku koralowca czerwonego lub w pokryciu powierzchni w przypadku makroglonów i gąbek. Podawane są wartości średnie i odchylenie standardowe (SD – Standard Deviation). Gwiazdki wskazują na istotne różnice (p < 0,01) w zabiegu zakwaszonym w porównaniu z odpowiednią kontrolą (Eugenio Rastelli i inni, 2020).

—

Na wstępie niniejszej pracy Rastelli zauważył zaskakujący wynik pracy przeprowadzony eksperymentalnie w Morzu Śródziemnym, a ściślej w Morzu Liguryjskim. Mianowicie, jego zdaniem utrata różnorodności biologicznej pod wpływem zmian klimatu zagraża jednocześnie ekosystemom morskim. Stwierdził, że hipoteza, pod względem współzależności między różnorodnością biologiczną, stanowiącą naturalne zespoły wielogatunkowe, a funkcjonowaniem ekosystemów morskich, w związku z zakwaszeniem oceanu nie jest jeszcze dokładnie przetestowana.

Rastelli w swojej pracy napisał:

Tutaj, w warunkach kontrolowanych eksperymentalnie, zbadaliśmy wpływ zakwaszenia na kluczowe organizmy tworzące siedliska (w tym koralowce, gąbki i makroglony) oraz powiązane mikroby w zbiorowiskach o twardym dnie, charakteryzujących się różnymi poziomami bioróżnorodności.

Nasze wyniki wskazują, że przy wyższej bioróżnorodności wpływ zakwaszenia na kluczowe organizmy, w inny sposób bardzo wrażliwe, można zmniejszyć o 50 do > 90%, w zależności od gatunku. Tutaj pokazujemy, że taki pozytywny wpływ większej bioróżnorodności może być związany z wyższą dostępnością zasobów żywności i zdrowym związkiem mikroorganizm-gospodarz, ogólnym zwiększeniem odporności gospodarza na zakwaszenie, przy jednoczesnym przeciwstawieniu się szkodliwym oddziaływaniom mikroorganizmów oportunistycznych.

Biorąc pod uwagę scenariusze zmian klimatu przewidywane na przyszłość, dochodzimy do wniosku, że ochrona różnorodności biologicznej ekosystemów o twardym dnie ma fundamentalne znaczenie również dla łagodzenia skutków zakwaszenia oceanów.

Warto też dodać, że wody morskie, gdzie w mezokosmach, przeprowadzano badania eksperymentalne są dość mocno wysycone wapieniami: aragonitem i kalcytem. A większe zróżnicowanie gatunkowe wskazuje na wspomnianą większą odporność badanych ekosystemów, zarówno pod względem wpływu zakwaszenia oceanu, jak i oddziaływania wirusów bentosowych na faunę bentosową.

W badanym regionie, najliczniejsza jest rodzina Corallidae z najliczniejszym gatunkiem, koralowcem czerwonym Corallium rubrum, w którym coraz rzadziej występują zróżnicowane biocenotycznie ekosystemy, w których występują najliczniejsze rodziny gąbek z rodzin: Hymedesmiidae , Ancorinidae , Clathrinidae , Leucosoleniidae i Sycettidae , mszywiołów: Celleporidae , Smittinidae , Beanidae , Crisiidae i Schizoporellidae , makroglonów: Hildenbrandiaceae i Hapalidiaceae, parzydełkowców: Dendrophylliidae i Epizoanthidae oraz wieloszczetów: Serpuloidae.

Podsumowując wyniki tej pracy, można stwierdzić, że ekosystemy raf koralowych z dominującym koralowcem czerwonym Corallium rubrum, ale silnie zubożone w gatunki z wyżej wymienionych zwierząt są najbardziej narażone na zakwaszenie oceanu.

—-

Naukowy zespół Katharina E. Fabricius z Australijskiego Instytutu Morskich Nauk (Australian Institute of Marine Science) w Townsville, w 2020 roku przebadał stan raf koralowych w pobliżu dwóch oceanograficznych stacji pomiarowych w obrębie Wielkiej Rafy Koralowej. Stacji GBRWIS na Heron Island i stacji NRSYON na Yongala, na których mierzy się źródła zmienności składu chemicznego węgla w długofalowym trendzie czasowym ⁵.

Badacze w swojej pracy naukowej piszą, że dane z subtropikalnego środkowego szelfu GBRWIS obejmowały 3-godzinne zapisy z instrumentów, a dane z tropikalnego wybrzeża NRSYON były miesięcznymi próbkami wody morskiej.

Dokładna analiza badań w dekadzie 2009-2019 mówi bardzo wyraźnie, że Wielka Rafa Koralowa już jest w dłuższej perspektywie czasu nie do uratowania.

Na obu stacjach zaobserwowano duże wahania lotności dwutlenku węgla (f CO₂) w wodzie morskiej, na które nałożyły się wahania sezonowych i dziennych fluktuacji temperatury i zasolenia.

---

Rys.3. Mapa Wielkiej Rafy Koralowej (linie pomarańczowe: rafy koralowe) i stacji referencyjnej gazów atmosferycznych Cape Ferguson ( a ) oraz stacji oceanograficznych GBRWIS ( b ) i NRSYON ( c ). Niebieskie cieniowanie wskazuje na batymetrię, a gruba czarna linia przedstawia 100-metrową linię batymetrii. Liczby zostały wygenerowane przy użyciu danych batymetrycznych z 30-metrowego modelu głębokości dla Wielkiej Rafy Koralowej – RJ Beaman. Źródło: Pobrano zdjęcia z Geonauk Australii (Geoscience Australia) https://ecat.ga.gov.au/geonetwork/srv/eng/catalog.search#/metadata/115066 oraz wykreślono za pomocą oprogramowania Matlab w wersji R2020a z pakietem mapującym M_Map (wersja 1.4 m, autorstwa R. Pawlowicza, https://www.eoas.ubc.ca/~rich/map.html).

—

W ciągu zbadanych 10 lat, lotność dwutlenku węgla (fCO₂) na obu stacjach wzrosła o > 2,0 ± 0,3 µatm w ciągu roku. Również w tym samym czasie zaobserwowano wzrost temperatury i zasolenia wody morskiej, a także jej pH. Ponadto, stan nasycenia aragonitem spadł bardzo wyraźnie. I na to wygląda, że wszystkie te wymienione parametry będą dalej spadać, jeśli będziemy dalej  w takiej ilości jak obecnie emitować dwutlenek węgla do atmosfery i do oceanów.

Autorzy tejże pracy piszą:

Dekadowy trend wzrostowy lotności (f) CO₂ pozostał istotny w danych znormalizowanych dla temperatury i zasolenia. Rzeczywiście, roczne minima f CO₂ są obecnie wyższe niż szacowane maksymalne wartości f CO₂ na początku lat sześćdziesiątych XX wieku, czyli średnio, lotność CO₂ teraz wynosi o 28% więcej niż 60 lat temu. Nasze dane wskazują, że rozpuszczanie węglanów z dna morskiego sprawia, że nie jesteśmy obecnie w stanie ochronić Wielkiej Rafy Koralowej przed zakwaszeniem oceanów. Ma to ogromnie niepokojące znaczenie dla tysięcy raf koralowych i innych różnorodnych ekosystemów morskich znajdujących się w tym rozległym systemie szelfu kontynentalnego.

—-

Z kolei Catriona Hurd w swojej pracy zespołowej, na jej wstępie napisała ⁶:

Zakwaszenie oceanów jest zjawiskiem globalnym, ale nakłada się na nie wyraźna zmienność regionalna modulowana przez lokalną fizykę, chemię i biologię. Uznanie jego wielopłaszczyznowego charakteru i współdziałania zakwaszenia z innymi czynnikami wpływającymi na ocean doprowadziło do międzynarodowych i regionalnych inicjatyw mających na celu ustanowienie sieci obserwacyjnych i opracowanie ujednolicających zasad reakcji biologicznych. Rośnie świadomość zagrożenia, jakie stanowi zakwaszenie oceanów dla usług ekosystemowych, a konsekwencje społeczno-gospodarcze stają się coraz bardziej widoczne i wymierne. W świecie o wyższym poziomie emisji CO₂ przyszłe wyzwania obejmują lepsze projektowanie i rygorystyczne testy opcji adaptacyjnych, łagodzących i interwencyjnych, aby zrównoważyć skutki zakwaszenia oceanów w skali od lokalnej do regionalnej.

---

Ocieplenie oceanów i ich dążenie do stabilizacji wpływa na zmniejszanie się gęstości wód, a to z kolei hamuje mieszanie pionowe wód i z głębin na powierzchnię dostaje się coraz mniej składników odżywczych, niezbędnych dla ryb i wielu bezkręgowców zależnych od tlenu w wodzie, który z kolei podczas powstawania stratyfikacji coraz słabiej z powierzchni trafia w głębiny wód.

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.

Ponadto 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.

—

Cząsteczki CO₂ 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

—

Geofizyk Toshio Suga z Uniwersytetu Tohoku we współpracy z fizykiem klimatycznym Ryohei Yamaguchi z koreańskiego Narodowego Uniwersytetu Pusan, zbadali, jak zmieniło się rozwarstwienie górnych warstw oceanu na przestrzeni 60 lat ².

Stratyfikacja oceanu cechuje się zróżnicowanym uwarstwieniem pod względem gęstości, co najmniej do głębokości 200 metrów. Im większa jest głębokość oceanu, tym większa jest też gęstość wód w dolnych warstwach. Jak ciasno upakowana jest woda w danej objętości warstwy również zależy od jej temperatury i zasolenia. Im większa jest ta głębokość, tym temperatura jest chłodniejsza i jest wyższe zasolenie. Niestety w górnej powierzchni oceanu panuje zbyt wysoka temperatura i występuje zbyt małe zasolenie w mniej gęstej wodzie, która nie miesza się tak łatwo z dolnymi warstwami. Następuje wówczas niekorzystne dla różnorodności biologicznej rozwarstwienie oceanu.

Rys. Rozwarstwienie górnych oceanów wzmacnia się w dużej części globalnego oceanu od lat 60. XX wieku.

—

Gęstość wody oceanicznej odgrywa kluczową rolę w przepływie prądów oceanicznych, obiegu ciepła oraz w dostarczaniu składników odżywczych z głębinowych wód na powierzchnię. Jednak spadek jej powoduje izolację pomiędzy chłodnymi, bogatymi w składniki pokarmowe, wodami głębinowymi a ciepłymi, pozbawionymi tych składników, wodami powierzchniowymi. Ten proceder prowadzi do tego, że żyjące na powierzchni oceanicznej fotosyntetyzujące organizmy fitoplanktonowe nie otrzymują niezbędnych do przeżycia składników pokarmowych z głębin. A to z kolei oddziałuje na pozostały morski łańcuch pokarmowy, wpływając też na organizmy planktonowe w formie drobnych bezkręgowców oraz na większe organizmy zwierzęce, o których była mowa wcześniej.

Suga i Yamaguchi dane dotyczące temperatury i zasolenia zebrali z Bazy Danych Światowych Oceanów (WOD – World Ocean Database). Ponadto wykorzystali równania matematyczne do obliczenia różnicy temperatury i zawartości zasolenia między głębokością 10 a 200 metrów, ale tylko w regionach, w których te dane były dostępne. Podczas swoich badań zaobserwowali, że w górnej części wód 40% światowych oceanów została zaobserwowana postępująca stratyfikacja wraz ze zmniejszaniem się ich gęstości.

Połowa globalnej stratyfikacji wód oceanicznych występuje w obszarach tropikalnych. Na średnich i wysokich szerokościach na półkuli północnej najsilniej występowała ona w okresie letnim, a najsłabiej w zimowym. Ponadto wpływ na uwarstwienie górnej części oceanu mają też dodatnia fazy dekadowej oscylacji pacyficznej oraz oscylacji południowopacyficznej El Niño ³.

—

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 ⁴.

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.

Marcin Popkiewicz w swoim artykule pisze na portalu naukowym Nauka o klimacie ⁵:

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 ⁶.

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. Yamaguchi R. & Suga T., 2019 ; Trend and Variability in Global Upper-Ocean Stratification Since the 1960s ; JGR Oceans ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2019JC015439
3. Tohoku University ; Understanding Long-Term Trends in Ocean Layering ; Phys.Org ; https://phys.org/news/2020-01-long-term-trends-ocean-layering.html
4. 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
5. Popkiewicz M., 2020 ; Coraz większe rozwarstwienie w oceanie ; Nauka o klimacie ; https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/coraz-wieksze-rozwarstwienie-w-oceanie-446/
6. 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/

Stres cieplny ma coraz częstszy wpływ ujemny na wiele gatunków roślin i zwierząt. Występująca długotrwale podwyższona temperatura, czy to w skali lokalnej czy regionalnej, coraz częściej osłabia wiele organizmów roślinnych i zwierzęcych. Działają tutaj czynniki złożone powodujące coraz bardziej rozległy stres termiczny i stres wodny.

Śmiertelność drzew z powodu fal upałów występuje tak samo jak z powodu suszy. Podwyższona temperatura wpływa na zaburzenia metaboliczne aktywnych biologicznie tkanek, co osłabia organizmy wielu gatunków drzew na świecie.

Praca opublikowana przez zespół naukowy biologa roślin Henry’ego D. Adamsa, z Uniwersytetu Stanowego Oklahoma (Oklahoma State University), przedstawiła negatywny wpływ długotrwałej wysokiej temperatury podwyższający śmiertelność drzew, tak samo jak wpływ długotrwałej suszy ¹.

Autorzy podkreślili, że nie tylko deficyt wodny, ale i też wpływ anomalnie wysokiej temperatury, ma ujemny wpływ na fizjologię i prawidłowy wzrost drzew. Zauważyli, że oba parametry oddziałują synergicznie na organizmy roślinne. W swojej pracy napisali, że drzewa w stresie wodnym stają się coraz bardzo wrażliwe na podwyższoną temperaturę, ponieważ reakcje metaboliczne tkanek biologicznie aktywnych zmieniają się wraz z temperaturą oraz zmienia się zapotrzebowanie atmosferyczne na wodę, tj. deficyt ciśnienia pary wodnej (VPD – Vapour Pressure Deficit), który wzrasta wraz z temperaturą, zwiększając tempo ewapotranspiracji oraz zmniejszenie wody glebowej dostępnej dla roślin.

Ponadto z pracy dowiadujemy się, że eksperymentalne i obserwacyjne badania, pod względem suszy, często wykazywały, że podwyższona temperatura mocno zwiększa zakres i wskaźnik śmiertelności drzew. Nawet w klimacie, w którym susza bywa rzadkością, długotrwałe fale upałów mogą powodować znaczną śmiertelność drzew z powodu stresu termicznego. W niektórych regionach, w których została odnotowana podwyższona śmiertelność drzew, susza i upały synergicznie działając, miały również drastyczny wpływ na zmniejszenie reprodukcji i regeneracji drzew, które przeżyły długotrwały okres stresu termicznego, co z kolei może mieć skutki w zmianach demograficznych i behawioralnych roślinności, a także w samych zmianach ekosystemów leśnych, ale i także nieleśnych.

—

Fot.1. Wpływ fal upałów na liście roślin (z wolnej witryny internetowej).

—

Henry Adams, dla serwisu Yale 360 Environment powiedział ²:

Wyższe temperatury już teraz powodują poważne szkody w lasach na świecie. Wraz ze wzrostem temperatury drzewa stają się mniej odporne, a wymieranie staje się częstsze — nawet pięciokrotnie. „Jeśli klimat ociepli się nieco bardziej, sprawy nie zmienią się trochę, ale bardzo się zmienią. Otrzymujemy przyspieszenie tempa śmiertelności. Gdy podkręcamy ciepło, czas potrzebny na zabicie drzew jest coraz krótszy.

Naukowcy zauważyli jeszcze jedną bardzo istotną rzecz, że wyższe temperatury mogą również prowadzić do powstrzymania odrastania lasów po ekstremalnych zdarzeniach pogodowych jak wielkoskalowe pożary. I to może być przyczyną przekształcania ekosystemów leśnych w ekosystemy trawiaste lub co najmniej krzewiaste. Jeden z powodów jest taki, że na amerykańskim zachodzie pożary stają się coraz większe, gorętsze i częstsze, co także ma wpływ na zabijanie drzew matecznych zrzucających nasiona do regeneracji lasów po pożarach.

—

Robert Teskey, ze Szkoły Leśnictwa i Zasobów Naturalnych im. Daniela B. Warnella na Uniwersytecie Georgii w Atenach, w swojej pracy zespołowej tak skomentował temat stresu termicznego u drzew pod kątem ich zaburzeń fizjologicznych, morfologicznych, ekologicznych oraz genetycznych ³:

Wzrosła liczba i intensywność fal upałów i tendencja ta prawdopodobnie utrzyma się przez cały XXI wiek. Często falom upałów towarzyszą susze. Przewiduje się, że globalny obszar lądowy doświadczający fal upałów podwoi się do 2020 r., a czterokrotnie wzrośnie do 2040 r. Ekstremalne upały mogą mieć wpływ na wiele różnych funkcji drzew. Na poziomie liści fotosynteza jest zmniejszona, wzrasta stres fotooksydacyjny, liście odpadają, a tempo wzrostu pozostałych liści maleje. U niektórych gatunków przewodnictwo szparkowe wzrasta w wysokich temperaturach, co może być mechanizmem chłodzenia liści. Na poziomie całej rośliny stres cieplny może zmniejszyć jej wzrost i zmienić przydział biomasy. Kiedy stres suszy towarzyszy falom upałów, negatywne skutki stresu cieplnego nasilają się i mogą prowadzić do śmiertelności drzew. Jednakże, niektóre gatunki wykazują niezwykłą tolerancję na stres termiczny. Odpowiedzi obejmują zmiany, które minimalizują stres związany z fotosyntezą i redukcją oddychania podczas fazy ciemnej [bez dostępu światła]. Chociaż do tej pory przeprowadzono niewiele badań, istnieją dowody na zmienność genetyczną w obrębie gatunku w zakresie tolerancji termicznej, która może być ważna do wykorzystania w systemach leśnictwa produkcyjnego.

W latach 60 XX wieku fale upałów dotkliwie wpływały na 1% powierzchni lądowej z występującymi drzewami, a w 2012 roku było to 10% (James Hansen i inni, 2012). Przewidywane jest utrzymywanie się nasilającej się częstotliwości i intensywności fal upałów przez cały XXI wiek (Yao Yao i inni, 2013).

Ekstremalnie wysokie temperatury oddziałują na różnego typu genotypy drzew, poczynając od poziomu molekularnego, a kończąc na morfologii tych drzew.

W szczególności wysoka temperatura ma bardzo ujemny wpływ na fizjologię wyjątkowo wrażliwych liści – istotnych organów drzew. Wielkość ich uszkodzeń zależy od specyfiki danego gatunku, czasu trwania ekspozycji i pory roku.

—

Rys.1. Zależność między temperaturą a czasem trwania ekspozycji skutkującej uszkodzeniem 50% listowia sadzonek Picea mariana ocenianej po 3 tygodniach od zabiegu (S. J. Colombo i M. L. Timmer, 1992).

—

Np. Podczas eksperymentu sadzonka gatunku borealnego świerka czarnego Picea mariana miała już zaznaczony próg uszkodzenia swoich liści przy temperaturze 44 stopnie Celsjusza, gdy była wystawiona na słońce przez 180 minut. Wówczas u 40% sadzonek świerka igły liści uległy blaknięciu. A podwyższona temperatura do 46 stopni Celsjusza sprawiła, że 100% sadzonek tego gatunku drzewa w czasie 60 minut uległo uszkodzeniu. A w temperaturze 50 stopni Celsjusza wystarczyło zaledwie 10 minut. Wystąpiła ujemna wykładnicza zależność między temperaturą a czasem trwania ekspozycji na ciepło, które spowodowało uszkodzenia liści (rys.) (S. J. Colombo i V. R. Timmer, 1992). Jednakże inny gatunek świerka – świerk biały Picea glauca, w temperaturze 48 stopni Celsjusza, podczas ekspozycji na upalne słońce, w czasie 30 minut wykazał 50% uszkodzeń swoich igieł, a więc znacznie mniej niż poprzedni gatunek (F. J. Bigras i inni, 2000). Czyli eksperyment ten dowiódł, że każdy gatunek ma inny próg uszkodzeń pod wpływem ekspozycji na ciepło.

—

1. Adams H. D. et al., 2017 ; Temperature response surfaces for mortality risk of tree species with future drought ; Environmental Research Letters ; https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/aa93be
2. Robbins J., 2020 ; With Temperatures Rising, Can Animals Survive the Heat Stress? ; Yale Environment 360 ; https://e360.yale.edu/features/with-temperatures-rising-can-animals-survive-the-heat-stress
3. Teskey R., 2015 et al.; Responses of tree species to heat waves and extreme heat events ; Plant, Cell & Environment ; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pce.12417

Fale upałów, nawet intensywne i długotrwałe, gdy są suche, to są jeszcze do zniesienia. Gorzej jeżeli są one wilgotne i gorące. Na szczęście dziś jeszcze są bardzo rzadkie. I to z reguły występują one przy maksymalnej temperaturze 28 stopni Celsjusza. Znacznie rzadziej przy 31°C. Ale kilka razy zdarzyło się w życiu, że była to temperatura 35°C, tyle, że w bardzo krótkim czasie. W dłuższym czasie praktycznie ta temperatura oznacza niewydolność organizmu każdego ssaka, w tym człowieka.

Adiunkt Eun-Soon Im z Wydziału Środowiska i Zrównoważonego Rozwoju i Wydziału Inżynierii Lądowej i Środowiska na Uniwersytecie Nauki i Technologii w Hongkongu w Kowloon, profesor Jeremy S. Pal z Wydziału Inżynierii Lądowej i Nauk o Środowisku na Uniwersytecie Loyola Marymount w Los Angeles oraz profesor Elfatih A.B. Eltahir z Laboratorium Ralpha M. Parsonsa w Instytucie Technologii Massachusetts (MIT – Massachusetts Institute of Technology), zaobserwowali, że latem 2015 r. temperatura mokrego termometru (TW – wet-bulb temperature) w Bandar Mahshahr w Iranie (Zatoka Perska/Arabska) w dłuższym okresie czasu niż zazwyczaj osiągnęła prawie 35°C, co sugeruje, że próg może zostać przekroczony wcześniej niż przewidywano. Na szczęście tam raczej nie było ludzi, choć nie wiadomo czy nie ucierpiały jakieś zwierzęta i rośliny ¹.

Narażenie człowieka na TW o temperaturze około 35°C przez nawet kilka godzin spowoduje śmierć nawet najsilniejszych ludzi w zacienionych, dobrze wentylowanych warunkach.

—

Rys.1. Rozkład przestrzenny najwyższej dobowej maksymalnej temperatury termometru mokrego, TW _max (°C), we współczesnym zapisie (1979–2015). Globalny rozkład TW_max jest obliczany przy użyciu 3-godzinnych danych satelitarnych ERA-Interim z rozdzielczością poziomą 0,75° × 0,75°. Powiększona domena pokazuje trzy wyróżniające się regiony o wyższej TW_max : południowo-zachodnią Azję wokół Zatoki Perskiej/Arabskiej i Morza Czerwonego, Azję Południową w dolinach rzek Indus i Ganges oraz wschodnie Chiny. Wartości TW_max poniżej 27°C nie są pokazane (Eun-Soon Im i inni, 2017).

—

Globalny rozkład TW _max jest obliczany przy użyciu 3-godzinnych danych ERA-Interim z rozdzielczością poziomą 0,75° × 0,75°. Powiększona domena uwydatnia trzy wyróżniające się regiony o wyższej TW _max : południowo-zachodnią Azję wokół Zatoki Perskiej/Arabskiej i Morza Czerwonego, Południową Azję w dolinach rzek Indusu i Gangesu oraz wschodnie Chiny. Wartości TW _max poniżej 27°C nie są pokazane

Również mniejszy wpływ wilgotnych fal upałów oddziaływać będzie na mniejszą populację ludzi zamieszkujących rejon Zatoki Perskiej, gdzie kultura jest mniej rolnicza, a więc, mniej narażona na bezpośredni wpływ ekstremalnych dni upalnych. Gorzej będzie to niestety znosić bardzo liczna populacja mieszkańców Indii i Pakistanu licząca 1,5 miliarda ludzi, gdzie z kolei jest bardzo dużo biednych rolników bezpośrednio narażonych na ekstremalne warunki wilgotnej, letniej fali upałów.

Profesor Elfatih Eltahir w serwisie Science Daily podkreślił ²:

Podczas gdy prognozy pokazują, że Zatoka Perska może stać się regionem najgorszych fal upałów na świecie, północne Indie są na drugim miejscu, a wschodnie Chiny, również gęsto zaludnione, są na trzecim miejscu. Jednak najwyższe koncentracje ciepła w Zatoce Perskiej występowałyby nad wodami samej Zatoki, a mniejsze byłyby nad zamieszkaną ziemią.

Nowa analiza badaczy opiera się na niedawnych badaniach wykazujących, że najbardziej zabójcze skutki upałów dla ludzi wynikają z połączenia wysokiej temperatury i wysokiej wilgotności, wskaźnika mierzonego odczytem znanym jako temperatura mokrego termometru.

Badanie to pokazuje, że do końca XXI wieku, przy zwlekaniu podejmowania poważnych redukcji globalnych emisji gazów cieplarnianych (GHG), najbardziej ekstremalne, występujące dziś raz na 25 lat, fale upałów wzrosną z temperatury mokrego termometru z około 31°C do 34,2°C. A więc, zbliży to nas ludzi i inne ssaki do progu przeżywalności.

W dzisiejszym klimacie około 2% populacji Indii jest czasami narażonych na ekstremalne temperatury termometru mokrego wynoszące nawet 32 stopnie Celsjusza. Według tego badania, przy kontynuacji scenariusza wysokich emisji GHG „biznes jak zwykle” do 2100 roku, liczba ta wzrośnie do około 70% populacji, natomiast około 2 procent ludzi będzie wtedy czasami narażonych na granicę przeżycia 35 stopni Celsjusza.

Naukowcy przypominają, ostrzegając, że lato 2015 roku wywołało również jedną z najbardziej śmiercionośnych fal upałów w historii Azji Południowej, zabijając około 3500 osób w Pakistanie i Indiach.

Wówczas mieliśmy do czynienia z długotrwałym i bardzo silnym El Niño, które jak pokazały wyniki badań, opóźnia nadejście indyjskiego monsunu letniego, co z kolei powoduje silniejsze i trwalsze fale upałów w Indiach, w tym wilgotne, jak właśnie latem 2015 roku.

—

W kolejnej podobnej interesującej pracy, Simone Russo z Instytutu Ochrony i Badań Środowiska w Rzymie (Isprze), Jana Sillmann z Centrum Międzynarodowych Badań Klimatu i Środowiska (CICERO) w Oslo oraz Andreas Sterl z Królewskiego Holenderskiego Instytutu Meteorologicznego (KNMI) w De Bilt, przedstawili następujący punkt widzenia, że zarówno w wilgotnych, jak i suchych regionach, występowanie fal upałów może być związane z utrzymującymi się stanami synoptycznymi, takimi jak: wzorce blokowania niżów, zmniejszone zachmurzenie i adwekcja ciepłego powietrza ³.

Nowatorstwo tego badania polegało na tym, że w celu oszacowania wielkości i wpływu fal upałów uwzględniona została nie tylko temperatura, ale i także wilgotność względna, która w coraz cieplejszym świecie będzie bardzo poważnym problemem wpływającym ujemnie na zdrowie ludzi i innych ssaków.

Według badania, fala upałów jest uważana za wilgotną, jeśli co najmniej jeden z jej dni wykazuje temperaturę odczuwalną (AT – Apparent Temperature), która przekracza temperaturę termometru suchego.

W przypadku stresu fizjologicznego, u ludzi i innych ssaków, najczęściej występuje wilgotność względna. Oznacza ona niezdolność organizmu do utraty ciepła poprzez chłodzenie wyparne. W krytycznych przypadkach prowadzi to niestety do przegrzania i śmierci.

Aby uwzględnić wpływ wilgotności względnej podczas kolejnych upalnych dni, naukowcy wprowadzili nowy wskaźnik odczuwalnej fali upałów (AHWI – Apparent Heat Wave Index), który obliczany jest analogicznie do dziennego wskaźnika wielkości fali upałów (HWMId – Heat Wave Magnitude Index daily), ale z maksymalną dobową temperaturą zastąpioną przez AT dla dni fali upałów z AT > T. Pierwszy odnosi się do temperatury odczuwalnej (temperatury i wilgotności względnej), a drugi tylko do temperatury.

—

Rys.2. Prawdopodobieństwo wystąpienia ekstremalnie wilgotnych fal upałów przy różnych poziomach ocieplenia w stosunku do lat 1861–1880. (a), Symulowany wzrost średniej globalnej temperatury powierzchni w funkcji czasu. Mediana modelu dekadowego w okresie historycznym (1860–2010) jest reprezentowana przez czarne krzyżyki. Mediana modelu dekadowego w przyszłym okresie (2011–2100) dla trzech scenariuszy reprezentatywnej ścieżki koncentracji (RCP2.6, RCP4.5 i RCP8.5) jest reprezentowana odpowiednio przez czarne kwadraty, kółka i trójkąty. (b – d), Prawdopodobieństwo wystąpienia fal upałów o wielkości (magnitudzie) większej niż maksymalna wykryta w Rosji w 2010 r. (HWMId > 60) obliczone w każdym punkcie siatki dla wszystkich lat modelowych z globalną anomalią średniej temperatury względem lat 1861–1880 między 1,4° a 1,6° (poziom ocieplenia 1,5°), 1,9°–2,1° (poziom ocieplenia 2°) i 3,9°–4,1° (poziom ocieplenia 4°). Odpowiednio e-g jak b-d, ale dla wilgotnych fal upałów i względnego wskaźnika odczuwalnej fali upałów (AHWI > 60). Ten rysunek został utworzony przy użyciu wersji R 3.3.2 (Żródło: https://cran.r-project.org/).

—

Naukowcy przeprowadzili zestawy analiz atmosfery z danych ERA-Interim i NCEP-2 za pomocą modelu sprzężonego CMIP5, w którym prześledzili przebieg wspomnianych wskaźników łącznie z AT dla świata cieplejszego o 1,5 , 2 i 4°C powyżej okresu przedprzemysłowego.

Regiony takie jak wschodnie stany USA oraz Chiny są i będą (przy kontynuacji scenariusza wysokich emisji „biznes jak zwykle”) podatne na wpływy temperatury wzmacnianej przez wysoką wilgotność względną, gdyż powstawanie wilgotnej fali upałów nad tymi regionami bierze swój początek znad wodnych obszarów. W pierwszym przypadku gorące i wilgotne powietrze napływa znad Zatoki Meksykańskiej, a w drugim przypadku z tropikalnych wód najprawdopodobniej Morza Południowochińskiego.

Natomiast w Europie i zachodniej części Stanów Zjednoczonych mamy do czynienia z tworzeniem się suchej fali upałów, która jest i najprawdopodobniej będzie często powodowana uporczywym blokowaniem wilgotnych niżów i związaną z nim adwekcją gorącego, suchego powietrza z wyżowych rejonów pustynnych.

W pierwszym przypadku z Sahary, a w drugim przypadku z bardziej gorącej pustyni w Meksyku, najprawdopodobniej Sonory.

Na przykład rosyjska fala upałów w 2010 roku wynikała z powstania silnego antycyklonu, który pojawił się nad obszarami względnie chłodnej Rosji, dzięki czemu, znad Sahary w Afryce Północnej napłynęły masy ekstremalnie gorącego i suchego powietrza.

Naukowcy w swojej pracy napisali:

W niektórych kluczowych regionach, takich jak środkowo-zachodnie i wschodnie stany USA, Chiny, północna Ameryka Łacińska i Malezja, zarówno dane reanalizy, jak i dane modelowe, pokazują, że wielkość fali upałów i szczytowa temperatura zostały wzmocnione przez wysoką wilgotność względną w niedalekiej przeszłości. Wybrane fale upałów z Chicago 1995 i Szanghaju 2003 są wyraźnymi przykładami udziału wilgotności względnej podczas fali upałów. Wręcz przeciwnie, wpływ wilgotności względnej był znikomy podczas dwóch słynnych fal upałów, które miały miejsce w Europie Środkowej w 2003 r. i w Rosji w 2010 r.

Podsumowując temat, naukowcy ostrzegają, że fale upałów coraz bardziej wzmacniane przez wysoką wilgotność i temperaturę powyżej 40°C, mogą występować w świecie cieplejszym o 2 stopnie Celsjusza względem okresu przedprzemysłowego, nawet co dwa lata. Będzie to doprowadzało wielu ludzi do poważnych zagrożeń zdrowia, a nawet życia. Jeśli globalne temperatury wzrosną o 4°C, nowa fala upałów o temperaturze 55°C może regularnie nawiedzać wiele części świata, w tym Europę. W szczególności ta ekstremalna wilgotna fala upałów dotknie gęsto zaludnione obszary, takie jak wschodnie wybrzeże USA, przybrzeżne Chiny, duże obszary Indii i północnej Ameryki Południowej.

—

Referencje:

1. Im E-S et al., 2017 ; Deadly heat waves projected in the densely populated agricultural regions of South Asia ; Science Advances ; https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.1603322
2. Massachusetts Institute of Technology, 2017 ; Deadly heat waves could hit South Asia this century ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2017/08/170802152547.htm
3. Russo S. et al., 2017 ; Humid heat waves at different warming levels ; Scientific Reports ; https://www.nature.com/articles/s41598-017-07536-7