Czy polarny prąd strumieniowy może mieć taki wpływ, że już na początku września czy pod koniec maja mogą pojawić się nie tylko przymrozki, ale i nawet krótkotrwałe opady śniegu na nizinach średnich szerokości? Wszystko zależy od tego, jak daleko na niskie szerokości będą trafiać coraz częstsze masy polarno-arktycznego powietrza. I na odwrót. Jak daleko na wysokie szerokości będą trafiać coraz częstsze masy tropikalno-zwrotnikowego powietrza.
Szczególne zainteresowanie wśród naukowców wzbudzają wiry polarne na obu biegunach. Zwłaszcza ten nad Arktyką, którego rozbicie wywołało w drugiej połowie zimy w 2018 i 2021 roku powstanie dość dużych fal zimna.
–
Polarny prąd strumieniowy i wir polarny po stronie Arktyki czasem przenikają daleko na średnie szerokości w wyniku globalnego ocieplenia
Jak wiemy polarny prąd strumieniowy jest pewnego rodzaju pasem na obu półkulach Ziemi, płynącym z zachodu na wschód w górnej troposferze. Na średnich szerokościach przemieszcza się on na średniej wysokości 12 kilometrów. Oddziela on wysokie szerokości klimatu polarnego od średnich szerokości klimatu umiarkowanego. Po stronie bieguna północnego są chłodne masy powietrza arktycznego. A po przeciwnej stronie ciepłe masy powietrza zwrotnikowego. Gdy płynie ten prąd wartko, to z lotu satelity, nas półkulą północną widzimy jego albo kolisty, albo falisty kształt.
Dawniej, gdy gradient temperatury między biegunami a zwrotnikami był wysoki, częściej był kolisty niż falisty. Dziś niestety jest coraz częściej falisty. Czemu niestety? Różnica jest pomiędzy gradientem pogody wilgotnej i deszczowej (lub z opadami śniegu) a suchej i bezdeszczowej. W pierwszym przypadku nie występują ekstremalne przypadki ani wilgoci powietrza, ani jego suchości. W drugim przypadku niestety mamy do czynienia z tymi ekstremami. I niestety coraz częściej z kataklizmami pogodowymi, w których giną ludzie, zwierzęta i rośliny.
Wysoko w dolnej stratosferze nad Arktyką, średnio około 6 kilometrów nad powierzchnią Ziemi, w okresie zimowy kształtuje się wir polarny. Tak samo, są lata, gdy wartko płynie, a są lata, gdy leniwie płynie. W ostatnich latach jednak częściej płynie leniwie niż wartko. Poza tym ma tendencję nie tylko do spowalniania, ale też do zatrzymywania się czy też anomalnego zawracania, a nawet do rozbijania się. Naukowcy jeszcze szukają głębszych przyczyn kiedy to się wydarza. Czy włąśnie wtedy, że mamy do czynienia z coraz częstszym znacznym ocieplaniem rejonów arktycznym i zmniejszaniem się gradientu temperatur między biegunami a zwrotnikami? Czy też jest jeszcze jakaś głębsza przyczyna z powodu dalszego ocieplania planety przez ludzi.
Dr Rebecca Lindsey, amerykańska ekspertka badań chemii w systemach na Uniwersytecie w Michigan, stała współpracowniczka strony rządowej Climate.Gov.pl NOAA, na jej łamach pisze następująco na temat wirów polarnych na Ziemi: 1
Arktyczny wir polarny to pas silnych wiatrów zachodnich, który tworzy się w stratosferze na wysokości od około 10 do 30 mil nad biegunem północnym każdej zimy. Wiatry te otaczają duży obszar ekstremalnie zimnego powietrza. (W stratosferze półkuli południowej zimą występuje jeszcze silniejszy wir polarny.) Im silniejszy wiatr, tym bardziej powietrze w środku jest odizolowane od cieplejszych szerokości geograficznych i tym robi się zimniej.
—
Rys. Grafiki nagłego ocieplenia stratosferycznego (SSW – Sudden Stratospheric Warming) dla średnich i ekstremalnych wskaźników dziennej temperatury powierzchni (Temperature Surface lub Tsfc). Anomalie dziennych temperatur powierzchni w okresie 30-dniowym, od grudnia do kwietnia::a) średniej b) najzimniejszej c) najcieplejszej. Dane dotyczące temperatury powierzchni i daty SSW były obliczane na podstawie reanalizy ERA-interim (1979–2016). Źródło: Domeisen D. & Butler A., 2020. CC BY-4.0
—
Nagłe ocieplenie stratosfery z powodu rozbicia wiru polarnego
Naukowców coraz bardziej martwi, że globalne ocieplenie jest przyczyną występowania wielu ekstremalnych zimnych zdarzeń pogodowych. W szczególności od coo najmniej dwóch dekad próbują dokładnie zbadać wpływ na te zjawiska pojawiąjącego się zimą na półkuli północnej wiru polarnego wysoko w stratosferze.
Daniela Domeisen, z Instytutu Nauk o Atmosferze i Klimatu w ETH w Zürichu (Szwajcaria), i Amy Butler z Narodowej Administracji Oceanicznej i Atmosferycznej (NOAA) z Laboratorium Nauk Chemicznych w Boulder (Kolorado w USA), powiedziały na podstawie swoich obserwacji symulacji modeli numerycznych, że pionowe fale planetarne rozchodzące się na granicy troposfery i stratosfery mogą doprowadzić do tzw. nagłego ocieplenia stratosferycznego (SSW – Sudden Stratospheric Warming), co z kolei może wywołać propagację fal lodowatego powietrza ze stratosfery w dół do troposfery i ku powierzchni Ziemi. Często ma ono związek z ujemną fazą oscylacji północnoatlantyckiej (NAO – North Atlantic Oscillation). 2
Naukowczynie piszą, że ekstrema stratosferycznych wirów polarnych na półkuli północnej (NH – North Hemisphere), takie jak SSW w środku zimy lub silne wirowe zdarzenia, zwykle poprzedzają zmianę w kierunku anomalnie trwałych warunków pogodowych, trwającą nawet do 2 miesięcy. Gdy następuje zakończenie SSW , wówczas pojawiają zazwyczaj wybuchy zimnego powietrza w średnich szerokościach geograficznych, powiązane z ekstremalnie niskimi dziennymi minimalnymi i maksymalnymi temperaturami. W szczególności jest to bardzo dotkliwe w Europie Północnej i Azji, które mają wpływ na zdrowie ludzi i zwierząt.
–
Wybuchy zimnego powietrza a odbicia fal propagacyjnych
Wybuchy zimnego powietrza występują również nad Północnym Atlantykiem i Oceanem Arktycznym. Są to tzw. morskie ogniska zimnego powietrza (MCAO – Marine Cold Air Outbreaks). Te zjawiska atmosferyczne są skorelowane z ekstremalnymi prędkościami przyziemnego wiatru, czasami związanymi ze zwiększonym ryzykiem tworzenia się specyficznych niżów polarnych (znanych również jako arktyczne huragany), które często zwiększają ryzyko narażenia infrastruktury morskiej i przybrzeżnej oraz żeglugi arktycznej.
Rekordowo silny wir polarny na półkuli północnej (NH), który miał miejsce na początku 2020 roku był związany z serią kolejnych burz, które uderzyły w Wielką Brytanię i Europę Północną. Te ekstremalne zdarzenia pogodowe przyniosły z sobą rozległe zniszczenia oraz bezprecedensowe pojawienie się długotrwałego ciepła w Eurazji. Zdarzenia odbicia fal propagacyjnych wpłynęły na powstanie wybuchów zimnego powietrza nad środkową Kanadą.
–
W lutym 2018 roku było cieplej na biegunie północnym niż w Warszawie
Śnieżyce (sztormy śnieżne lub inaczej cyklony śnieżne) są przez ostatnie lata dość częste w północno-wschodniej części USA i na wschodnich wybrzeżach Labradoru we wschodniej Kanadzie, które stają się silniejsze, im wolniej zaczyna meandrować polarny prąd strumieniowy. Nieco rzadziej, występują one także w Europie. Np. Tak było zimą na przełomie lutego i marca 2018 roku. To właśnie wtedy zaobserwowano, że któregoś dnia temperatura w Warszawie była chłodniejsza niż na samym biegunie północnym. Do tego zdarzenia doszło po rozbiciu wiru polarnego na trzy części, gdy stratosferyczne zimno rozlało się z polarnych wysokich szerokości daleko na średnie niskie szerokości geograficzne w Ameryce Północnej, Europie i Azji. Na ten temat w serwisie Nauka o klimacie napisali Hubert Bułgajewski i Marcin Popkiewicz. 3
—
Rys.2. Zimą 2020 r. wystąpił rekordowo silny wir polarny. (Paul Duginski / Los Angeles Times) Grafika: NOAA. 4
—
Zdarzenia pogodowe po roku z nagłym ociepleniu stratosfery i po roku bez tego ekstremalnego zjawiska
Naukowczynie, wyżej wymienionej pracy, stwierdziły, że po zakończeniu SSW wraz z ujemną fazą NAO przeważnie występują miesiące wiosenne i letnie, bardzo chłodne na średnich szerokościach oraz mocno wilgotne w obszarach podzwrotnikowych o klimacie śródziemnomorskim. Często ma to związek z wychyleniem toru burz daleko na południe z północnego Atlantyku w kierunku równika, co niejednokrotnie zwiększa prawdopodobieństwo występowania również uciążliwych powodzi w Europie południowej. Zmiana frontu polarnego w kierunku południowym prowadzi do powstawania okresów susz w północno-zachodniej części Skandynawii i na Wyspach Brytyjskich. Wówczas po drugiej stronie północnego Atlantyku we wschodniej części Kanady panuje anomalne ciepło. Również jest bardzo gorąco w subtropikach Afryki i Azji.
Bez zdarzenia SSW normalnie i szybko płynący wir polarny, podczas dodatniej fazy NAO, przyczynia się często do występowania susz w południowej Europie, ponieważ tor burz wzdłuż frontu polarnego płynie prawidłowo na wysokości północnego Atlantyku przynosząc z sobą wilgotne i mokre miesiące w północnej Europie, w szczególności w Wielkiej Brytanii. Panuje wówczas rekordowe ciepło w Eurazji, a ekstremalne zimno pojawia się nad środkową Kanadą i środkowymi stanami USA.
Wszystkie te zawirowania pogodowe mają związek z długofalową naturalną zmiennością, na którą nakładają się antropogeniczne zmiany klimatu. Coraz częstsza obecność wolno meandrującego polarnego prądu strumieniowego jest związana z nierównowagą konwekcyjno-radiacyjną, to znaczy z tym, że do układu ziemskiego wchodzi więcej energii niż z niego wychodzi w kosmos. Kiedy nastąpi kolejna równowaga konwekcyjno-radiacyjna, może to oznaczać, że polarny prąd strumieniowy może znowu przyspieszyć, ale już przy wyższej temperaturze globalnej. Wówczas dalsze emisje gazów cieplarnianych, ponownie, sprawią, że nastąpi wzmocnienie arktyczne i gradient temperatur pomiędzy biegunem północnym a równikiem znowu mocno zwiększy się, co może oznaczać ponownie wzmocnienie ekstremalnych zjawisk pogodowych.
–
Jak zapobiec niespodziewanym kataklizmom wybuchów zimnego powietrza?
Naukowcy mają ciężki orzech do zgryzienia. Chcą znaleźć przyczynę, która powoduje nagłe wybuchy zimnego powietrza (CAO – cold-air outbreaks) ze stratosfery. W tej chwili szukają sposobu, by szybko wykryć zwiastowane zdarzenie ekstremalne związane z falą zimna, tak by wiedzieć kiedy ono nastąpi. Ma to na celu szybkie ostrzeżenie władz i społeczności przed skutkami tego gwałtownego zjawiska. Dotychczas nie jest to łatwe, przyroda zaskakiwała niespodziewanie, doprowadzając do wielu tragedii ludzkich.
11-13 września 2023 r. w Londynie odbyły się warsztaty, w których naukowcy dokonali syntezy badań nad występowaniem ekstremalnie zimnych zdarzeń pogodowych. Doszli wówczas do wniosku, że we wcześniejszych pracach zbyt dużo koncentrowano się na zmianach polarnego prądu strumieniowego i jego roli w interakcji z polarnym wirem stratosferycznym (SPV – Stratospheric Polar Vortex). Uważają teraz jednogłośnie, że należy uwagę skoncentrować na wzajemnym powiązaniu wysokich, średnich i niskich szerokości na półkuli północnej. A przede wszystkim na tym, jakie te szerokości mają oddziaływania z polarnym wirem stratosferycznym. 5
–
Przegląd badań powiązanych z wirem polarnym
Na podstawie zebranych wielu informacji naukowych na warsztatach w Londynie, dziewiętnastu naukowców z instytutów badawczych w Wielkiej Brytanii, Finlandii, Niemczech, USA, Chinach, Korei i Japonii przedstawiło przekrojowy przegląd wszystkich badań dotyczących wirów polarnych. Na tymże wydarzeniu światowej rangi uznani i doświadczeni eksperci naukowi oraz młodzi i utalentowani adiunkci rozpoczynający swoje kariery zawodowe w klimatologii przedstawili swoje prezentacje na temat tych zjawisk pogodowych. Wywiązała się też szeroko zakrojona dyskusja w celu pogłębienia tego tematu i znaczącego zrozumienia jaką rolę w globalnym ociepleniu odgrywają zaburzenia wiru polarnego, prowadzące często do wybuchów zimnego powietrza stratosferycznego..
Prezentacje w powiązaniu ze stratosferycznym wirem polarnym dotyczyły w dużej mierze: – –
- ekstremalnych zjawisk pogodowych na średnich szerokościach,
- sprzężenia stratosfery i troposfery,
- telekoneksji Arktyki i Azji Wschodniej,
- roli tropików w powiązaniu Arktyki i średnich szerokości geograficznych,
- teorii potencjalnej wirowości blokowania atmosferycznego,
- nagłego ocieplenia stratosfery,
- wzmocnienia arktycznego w latach 1980-2022,
- koncentracji lodu morskiego i wymuszania granicy temperatury powierzchni morza
–
Wybuchy zimnego powietrza będą jeszcze nawet gdy planeta będzie dalej ocieplać się
Najnowsze badanie z grudnia 2024 r. jednoznacznie stwierdza, że pomimo tego, że Arktyka prawie cztery raz szybciej ociepla się niż średnio cała Ziemia to i tak w najbliższych dekadach przewidują dalszy ciąg wybuchów zimnego powietrza na średnich szerokościach. Czyli nawet wtedy, gdy jeszcze bardziej drastycznie ludzkość przyczyni się do ogrzania powierzchni Ziemi. 5
Jest to faktycznie dla ludzi niezrozumiałe, stąd niektórzy wątpią w antropogeniczne globalne ocieplenie, ale wewnętrzne zmienności klimatyczne idą właśnie takim kursem. Często będzie też tak, że Arktyka będzie ocieplona, a średnie szerokości geograficzne w Azji, Europie i wschodniej Ameryce Północnej schłodzone. Czemu akurat tak? Naukowcy zapewne niedługo znajdą więcej odpowiedzi wyjaśniających te ekstremalne zjawiska związane z falami mrozów i śnieżyc.
–
Rys.3 Zidealizowany schemat pól atmosferycznych przed i po rozpoczęciu zdarzeń rozciągania SPV. Przed wzmocnionym ociepleniem Arktyki (dwa górne panele) silniejszy stratosferyczny wir polarny (SPV – Stratospheric Polar Vortex) był częstszy jako prąd strumieniowy ze stosunkowo małymi różnicami temperatur z zachodu na wschód, a zatem silniejszym gradientem temperatury od średnich szerokości geograficznych do bieguna i mniejszą energią fal wznoszących się w troposferze sprzyjającą takim warunkom.Źródło: Cohen J. et al ( 2021 ). Przedruk za zgodą AAAS / CC BY-4.0.
–
Jak dochodzi do wybuchów zimnego powietrza?
W przypadku wzmocnienia arktycznego (AA – Arctic Amplification) (trzy dolne panele na rys.3) połączenie topnienia lodu morskiego w morzach Barentsa i Karskim, które ogrzewają północno-zachodnią Eurazję, wraz ze zwiększonymi opadami śniegu nad Syberią, które ochładzają północno-wschodnią Eurazję, sprzyja częstszemu wzmacnianiu fal prądu strumieniowego nad Eurazją, wyzwalając zwiększoną energię fal atmosferycznych skierowanych w górę. W sprzyjających warunkach (malejące wiatry strefowe wraz z wysokością w stratosferze) prowadzi to do rozciągniętego SPV i transmisji fal wznoszących się nad Eurazją oraz odbicia fal w dół nad Ameryką Północną.
Konwergencja energii fal skierowanych w dół w sektorze Ameryki Północnej prowadzi do przesunięcia prądu strumieniowego na północ nad Zatoką Alaska i przesunięcia go na południe nad Ameryką Północną oraz wzrostu ekstremalnej pogody zimowej (zimno i śnieg) we wschodniej Ameryce Północnej. Wszystkie anomalie temperaturowe są względne w stosunku do ich własnego okresu i nie twierdzimy, że zimy stają się ogólnie zimniejsze z powodu wzmocnionego ocieplenia Arktyki.
–
Metody badania wybuchów fal zimna
Naukowcy przeszukali spore zasoby literatury w Web of Science dla lat 2020–2023 przy użyciu Arctic AND Midlatitude AND (Jet Stream OR Polar Vortex ).
Ponadto zastosowali wiele podejść w celu zbadania powiązań Arktyki/średnich szerokości geograficznych. Posłużyli się analizami statystycznymi danych obserwacyjnych i symulacji wyników za pomocą globalnego sprzężonego modelu (GCM – Global Circulation Model). Dzięki czemu przyjrzeli się dokładniej związkom przyczynowym między zmianami Arktyki a zimową reakcją troposfery/powierzchni.
Naukowcy skoncentrowali się na kilku kluczowych zagadnieniach, które w dużym zakresie odpowiadają za częste wybuchy zimna na średnich szerokościach półkuli północnej. W swojej pracy między innymi skoncentrowali się na następujących zadaniach:
Celem tego przeglądu jest ocena dowodów z nieliniowej teorii blokowania i szerokiego zakresu stratosfrycznego wiru polarnego (SPV – stratospheric polar vortex) (tj. masy zimnego, cyklonicznie wirującego powietrza na wysokości około 15–50 km, która otacza Arktykę w chłodnej porze roku (AMS 2019 )), które wpływają na zimowe wybuchy powietrza zimnego (CAO – cold-air outbreaks), a także rozważenie potencjalnych telekoneksji tropikalnych Arktyki i średnich szerokości geograficznych oraz dowodów z symulacji dużego zespołu modeli klimatycznych powiązań Arktyki i średnich szerokości geograficznych. SPV był stosunkowo niedostatecznie zbadany w poprzednich przeglądach powiązań klimatycznych Arktyki i średnich szerokości geograficznych, które skupiały się głównie na roli zmian w troposferycznym prądzie strumieniowym polarnym, który jest przepływem powietrza przesuwającego się na wschód, napędzanym przez rotację planet, różnice temperatur szerokości geograficznej i zachowanie momentu pędu, który ma tendencję do pozostawania na południe od Arktyki (np. Hall i in. 2015 ).
I znowu ta bomba lodowatego powietrza ze stratosfery uderzyła w Amerykę. I tym nie jest rozbicie wiru polarnego, ale jego rozciągnięcie. To zawrót głowy jest dla naukowców. I kolejna zagadka do rozwiązania.
–
Referencje:
- Lindsey R., 2021 ; Understanding the Arctic Polar Vortex ; Climate Gov.pl NOAA ; https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/understanding-arctic-polar-vortex
- Domeisen D. I. V. et al., 2020 ; Stratospheric drivers of extreme events at the Earth’s surface ; Communications Earth & Environment ; https://www.nature.com/articles/s43247-020-00060-z
- Bułgajewski H., Popkiewicz M., 2018 ; W Warszawie zimniej niż na biegunie północnym ; Nauka o klimacie ; https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/w-warszawie-zimniej-niz-na-biegunie-polnocnym-277/
- Duginski P., 2020 ; If a warm U.S. winter was 'a preview of global warming’, what part did a polar vortex play? ; Los Angeles Times ; https://www.latimes.com/california/story/2020-03-28/if-a-warm-u-s-winter-was-a-preview-of-global-warming-what-part-did-a-polar-vortex-play
- Pacific Marine Environmental Laboratory, 2025 ; Study: Improving Prediction of Arctic Outbreaks across the Northern Hemisphere ; National Oceanic Atmospheric Administration ; https://www.pmel.noaa.gov/elnino/news-story/study-improving-prediction-arctic-outbreaks-across-northern-hemisphere
- Hanna E. et al., 2024 ; Influence of High-Latitude Blocking and th Northern Stratospheric Polar Vortex on Cold-Air Outbreaks under Arctic Amplification of Global Warming ; Environmental Research Climate ; https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2752-5295/ad93f3