Zakwaszenie oceanów (AO)

W drugiej połowie XVIII wieku, wraz z pierwszym spalaniem paliw kopalnych, emisjami gazów cieplarnianych, początkowo dwutlenku węgla, do atmosfery oraz pierwszym przyrostem w niej stężenia tego gazu, również zaczął on pojawiać się w oceanach.
Wprawdzie oceany, tak jak i lądy, mniej więcej w naturalnych procesach tyle samo emitują co absorbują dwutlenku węgla, ale od uruchomienia pierwszych manufaktur opalających węgiel w Wielkiej Brytanii również stężenie tego gazu zaczęło powoli wzrastać w oceanach. Ale temperatura w największych akwenach wodnych Ziemi dopiero zaczęła tak naprawdę rosnąć od lat 70 XX wieku.
Jak czytamy już w 2006 roku w pracy naukowej „Carbon Dioxide and Our Ocean Legacy„ [„Dwutlenek węgla i nasze dziedzictwo oceanu„], opublikowanej w instytucji naukowej NOAA Pacific Marine Environment Laboratory przez badaczy zakwaszenia oceanów, Richarda Feely’ego, Christophera Sabine i Victorię Fabry, od początku ery przemysłowej ocean wchłonął z atmosfery około 525 miliardów ton CO2, a więc, w 2006 roku około 22 milionów ton dziennie. Na łamach serwisu Smithsonian Institution czytamy:
Początkowo naukowcy myśleli, że może to być dobre rozwiązanie, ponieważ pozostawia mniej dwutlenku węgla w powietrzu, aby ogrzać planetę. Ale w ostatniej dekadzie zdali sobie sprawę, że to spowolnione ocieplenie odbywa się kosztem zmiany chemii oceanu. Kiedy dwutlenek węgla rozpuszcza się w wodzie morskiej, woda staje się bardziej kwaśna, a stężenie (pH) oceanu (miara kwasowości lub zasadowości oceanu) spada. Chociaż ocean jest ogromny, wystarczająca ilość dwutlenku węgla może mieć duży wpływ. Tylko w ciągu ostatnich 200 lat woda w oceanie stała się o 30 procent bardziej kwaśna – szybciej niż jakakolwiek znana zmiana chemiczna oceanu w ciągu ostatnich 50 milionów lat.
—–
Jeden z najważniejszych eksperymentów badania wpływu zakwaszenia oceanu (AO – Acidification Ocean) na gatunki oceaniczne i morskie, Mesocosm, został przeprowadzony w pelagialu u wybrzeży Norwegii w 2015 r. Projektem tym kierował profesor Biologicznej Oceanografii Ulf Riebesell, pracujący w GEOMAR -Centrum Badań Oceanicznych im. Helmholtza w Kilonii.
Badania przeprowadzone zostały w ośmiu mezokosmach o pojemności 55 000 litrów każdy (w eksperymentalnych zbiornikach wodnych umieszczonych w morzu lub w oceanie) przez 36 badaczy, którzy przez 50 dni pobierali próbki.
Projekt ten pokazuje, że kluczowe gatunki w skali globalnej o strukturze wapiennej jak glon Emiliania huxleyi czy zwierzę bezkręgowe – mięczak, pteropod, czyli morski ślimak skrzydłonogi Limacina helicina, będą głównymi przegranymi.
Wspomniany glon Emiliania huxleyi odgrywa dwie ważne role klimatyczne. Po pierwsze, transportuje węgiel w głębiny oceaniczne opadając po śmierci, a więc, łagodzi klimat. A po drugie, wytwarza chłodny i jasny gaz aerozolowy – dimetylek siarczku (DMS), dzięki czemu chmury bieleją, głównie stratocumulusy nad oceanami, i silnie odbijają w przestrzeń kosmiczną promienie słoneczne, a więc, dzięki temu ochładza klimat. Z kolei ślimak skrzydłonogi Limacina helicina jest bardzo ważnym ogniwem w sieci troficznej, służącym jako pokarm dla wielu ryb i morskich ssaków i ptaków. Gdy go zabraknie w ekosystemie pelagicznego planktonu, to łańcuchy i sieci pokarmowe po prostu załamią się i może dojść do katastrofy ekologicznej. Mięczak ten jest uzależniony od wysokiego nasycenia wód pelagicznych aragonitem.
—-
Fot.1. Skaningowa mikrografia elektronowa pojedynczej komórki Emiliania huxleyi
—-
Fot.2. Żywy osobnik Limacina helicina
—-
Do zwycięzców należą gatunki niewapienne – pikoplanktonowe jak bakterie, a wśród bezkręgowych zwierząt, megaplanktonowe osłonice Oicopleura doica, a także z pewnością wiele innych o galaretowatym kształcie zwierząt jak inne gatunki osłonic czy też wiele gatunków meduz.
Swoje spostrzeżenia i uwagi, względem newralgicznego gatunku pelagicznego Emiliania huxleyi, Ulf Riebesell wraz ze swoimi współpracownikami przedstawił 12 grudnia 2016 roku na łamach Nature Geoscience, w artykule „Competitive fitness of a predominant pelagic calcifier impaired by ocean acidification” [„Zdolność konkurencyjna dominującego wapiennego organizmu pelagicznego upośledzona przez zakwaszenie oceanów”].
—-
Fot.3. Mezokosmy na Svalbardzie. Naukowcy pobierają próbkę wody z mezokosmu. Fot. Maike Nicolai, GEOMAR
—-
Kunshan Gao z Państwowego Kluczowego Laboratorium Nauk o Środowisku Morskim i Wyższej Szkoły Nauk o Oceanie i Ziemi na Uniwersytecie w Xiamen w Chinach, wraz ze swoim zespołem badawczym na wstępie pracy z 2019 roku „Effects of Ocean Acidification on Marine Photosynthetic Organisms Under the Concurrent Influences of Warming, UV Radiation, and Deoxygenation” [„Wpływ zakwaszenia oceanu na morskie organizmy fotosyntetyczne pod wpływem jednoczesnego ocieplenia, promieniowania UV i odtlenienia”], we Frontier Sin piszą:
Oceany pobierają ponad 1 milion ton antropogenicznego CO2 na godzinę, zwiększając poziom ciśnienia parcjalnego rozpuszczonego dwutlenku węgla (pCO2) i obniżając stężenie (pH) wody morskiej w procesie zwanym zakwaszeniem oceanów (OA – Ocean Acidification). Jednocześnie cieplarniane ocieplenie powierzchni oceanu powoduje zwiększone rozwarstwienie warstw mieszanych, narażając żyjące tam organizmy fotosyntetyczne na zwiększone promieniowanie widzialne i ultrafioletowe (UV), a także na zmniejszoną podaż składników odżywczych. Ponadto ocieplenie oceanów i eutrofizacja antropogeniczna zmniejszają stężenie rozpuszczonego O2 w wodzie morskiej, przyczyniając się do rozprzestrzeniania się stref niedotlenienia.
Naukowcy ci zauważyli, że promieniowanie słoneczne ultrafioletowe oraz / lub podwyższona temperatura wyraźnie powodują zmniejszenie zwapnienia pośród glonów wapiennych. Natomiast u okrzemek został stwierdzony większy ich wzrost przy podwyższonym poziomie CO2, ale i przy niewielkim nasłonecznieniu. Jednak zbyt intensywne światło słoneczne hamuje rozwój tych glonów krzemianowych.
Z kolei, Catriona Hurd w pracy zespołowej z 2018 roku „Current understanding and challenges for oceans in a higher-CO2 world” [„Aktualny zrozumienie i wyzwania dla oceanów w wyższym światowym stężeniu CO2”] mówi:
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.
—-

Zawartość cieplna oceanów (OHC)

Od lat 60 XX wieku przybywa coraz więcej energii cieplnej w oceanach, które od tamtej pory zaczęły się dość szybko i gwałtownie nagrzewać. Choć, mimo wszystko te największe zbiorniki wodne na Ziemi i tak nieco wolniej nagrzewają się niż atmosfera naszej planety.
W pracy z 2012 roku „World ocean heat content and thermosteric sea level change (0–2000 m), 1955–2010” [„Światowa zawartość ciepła w oceanach i termosteryczna zmiana poziomu morza (0–2000 m), 1955–2010”], przedstawionej przez Sydneya Levitusa i jego zespół naukowy czytamy, że, gdyby całe ciepło z oceanów, nagrzane w latach 1955-2010, trafiło do atmosfery na wysokość 10 kilometrów, ta nagrzałaby się ona w szybkim tempie do 36 stopni Celsjusza względem okresu przedprzemysłowego.

Continue reading “Zawartość cieplna oceanów (OHC)”

Projekt FACE

Poczynając od 2012 roku, został przeprowadzony wielki projekt naukowy FACE (Free-Air Carbon Dioxide Enrichment – wzbogacanie na świeżym powietrzu w dwutlenek węgla), badania polegającego na obliczaniu przepływu strumieni węgla w roślinności oraz w glebach. Takie eksperymenty przeprowadzone zostały głównie w Australii (koło Sydney), Europie (koło Birmingham w Anglii), Ameryce Południowej (koło Manaus w brazylijskiej Amazonii) oraz Środkowej (na wyspie Barro Colorado w strefie Kanału Panamskiego).

Continue reading “Projekt FACE”

Obszary pod wpływem nasilenia się susz i obszary pod wpływem nasilenia się opadów atmosferycznych i powodzi

Wszystkie symulacje komputerowe wskazują, że obszarów suchych i mokrych w świecie cieplejszym o 2 stopnie Celsjusza w stosunku do okresu przedprzemysłowego, czy nawet o 3 lub 4 stopnie Celsjusza, będzie coraz więcej przybywać. Obszary wilgotne będą jeszcze bardziej wilgotniejsze, a obszary suche będą jeszcze bardziej suche.
Samodzielna praca „Climate change impact on flood and extreme precipitation increases with water availability” [„Wpływ zmiany klimatu na powodzie i ekstremalne opady wzrasta wraz z dostępnością wody”], napisana 13 sierpnia 2020 roku przez Hosseina Tabariego z Wydziału Inżynierii Lądowej na Katolickim Uniwersytecie w Leuven, w Belgii, koncentruje się na analizie obszarów wilgotnych, półwilgotnych i półsuchych i ich prognozach modelowanych w przyszłości.
Naukowiec wyciągnął wniosek, że skoro stężenie pary wodnej w atmosferze, dostarczające wodę do opadów, wzrasta zgodnie z zależnością termodynamiczną Clausiusa-Clapeyrona, proporcjonalnie o 6-7 % na stopień wzrostu temperatury globalnej, to oczekuje się, że cykl hydrologiczny nasili się wraz z globalnym ociepleniem, co prawdopodobnie jeszcze bardziej zwiększy intensywność ekstremalnych opadów i ryzyko powodzi.
Habari na podstawie wziętych z zestawu CMIP5, 24 globalnych modeli klimatycznych (GCM – Global Climate Model), porównał historyczne dane opadów atmosferycznych z okresu 1971-2000 z okresem ekstrapolowanym w przyszłość, mianowice 2070-2099 na podstawie scenariusza RCP 8.5 ustalonego jeszcze w V Raporcie Oceny IPCC w latach 2013-14. Z kolei, przy analizie zmian powodziowych użył 5 modeli z wielomodelowego zestawu IM (Impact Model) oraz 4 modeli z projektu ISIMIP (Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project – Projekt porównawczych międzysektorowych wpływowych modeli).
Obszary wysychające
W oparciu o medianę zbiorową GCM CMIP5, regiony, które są ograniczone dostępem do wody, znajdują się głównie w Afryce Północnej i na Bliskim Wschodzie (MENA – Middle East and North Africa) oraz w Australii, podczas gdy, regiony obfitujące w zasoby wody znajdują się na średnich szerokościach geograficznych i w tropikach (ryc. 1 a ). Około 72% gruntów znajdujących się w tych rejonach prawdopodobnie ulegnie wysuszeniu w przyszłości, aż o > 30%).
—-
—-
Rys.1. Wskaźnik suchości i jego przewidywane przyszłe zmiany. ( a , b ) Rozkład przestrzenny zbioru mediany wskaźnika suchości i pięciu reżimów klimatycznych opartych na wskaźniku suchości klimatów ( a ) historycznych (1971–2000) i ( b ) przyszłych (2070–2099). ( c ) Prognozowana zmiana pokrycia obszaru każdego systemu klimatycznego w latach 2070-2099 w stosunku do lat 1971-2000 (kropki w kolorze łososiowym, modele indywidualne); Mediana danego zestawu jest oznaczona czarnym krzyżykiem i liczbą u góry. ( d ) Średnie przewidywane pokrycie powierzchni przez zestaw dla każdego z pięciu reżimów klimatycznych w procentach całkowitej powierzchni lądowej w latach 2070–2099. Mapy zostały wygenerowane przy użyciu zestawu narzędzi mapowania MATLAB 65 (URLhttps://www.mathworks.com/products/mapping.html ).
—-
Obszary narażone na ekstremalne opady atmosferyczne
Według obliczeń Tabariego, ekstremalne opady zwiększają się równomiernie we wszystkich reżimach klimatycznych (rys. 2 ). Dokładnie, rozkład procentowy powierzchni wykazuje wzrost intensywności opadów i wygląda następująco:
a) regiony wilgotne – 99,9%
b) regiony półwilgotne – 99,8%
c) regiony półsuche – 99,3%
d) regiony suche – 98,7%
(Rys. 2 ).
Duża niepewność jest względem burz i ulew konwekcyjnych, gdyż nie mogą być dobrze obliczone w modelach o globalnym zasięgu, takie wartości jak GCM i dostrojenie głębokich konwekcji tropikalnych czy konwekcji na średnich szerokościach jest mocno utrudnione.
—-
—-
Rys.2. Zmiany (%) intensywności ekstremalnych opadów w ciągu 1 do 30 lat na stopień globalnego ocieplenia w latach 2070–2099 w ramach scenariusza emisji RCP8.5, w porównaniu z 1971–2000. ( a – d ) Przestrzenny rozkład grupowych zmian mediany w regionach ( a ) wilgotnych, ( b ) półwilgotnych, ( c ) półsuchych i ( d ) suchych. ( e) Zmiany w zależności od systemu klimatycznego na podstawie poszczególnych modeli (kropki łososiowe). Dla każdego zestawu medianę zaznaczono czarnym krzyżykiem. Liczby na górze zestawów (górny rząd) wskazują medianę w każym z tych zestawów, a te zaznaczone pogrubioną czcionką i kursywą oznaczają znaczące zmiany odpowiednio na poziomie ufności 95% i 90%. Liczby w nawiasach oznaczają odsetek eksperymentów, które zgadzają się co do znaku zmiany (odporność). Mapy zostały wygenerowane przy użyciu zestawu narzędzi do mapowania MATLAB 65 (URL https://www.mathworks.com/products/mapping.html ).
—-

Continue reading “Obszary pod wpływem nasilenia się susz i obszary pod wpływem nasilenia się opadów atmosferycznych i powodzi”