Lód morski w Arktyce – Klimat Ziemi

Lód morski w Arktyce topnieje w ciągu dekad coraz bardziej. Zmniejsza się jego zasięg, kurczy objętość. Ubywa lodu wieloletniego, a przybywa rocznego. Istnieje prawdopodobieństwo, że już w obecnej dekadzie może być późne lato bez zwartej pokrywy lodowej.

Ogólnie, ocieplenie klimatu wpływa na to, że arktyczny lód morski w porze jesienno-zimowej, od około połowy września do około połowy marca, wolniej zamarza, i to że w tym sezonie jest szybszy wzrost temperatury globalnej niż podczas trwania wiosny i lata, wtedy gdy, lód morski zaczyna od około połowy marca do około połowy września szybciej topnieć. W tym samym czasie, w sezonie jesienno-zimowym, na półkuli południowej lód morski w Antarktyce topnieje, od października do kwietnia, aczkolwiek wolniej niż wiosną i latem lód morski w Arktyce, a w porach wiosenno-letnich szybciej zamarza, od kwietnia do października niż lód morski arktyczny w sezonie, od września do marca. Modele klimatyczne wskazują, że ten trend prawdopodobnie utrzyma się przy dalszym ociepleniu klimatu.

W sumie Arktyka to częściowo lodowaty ocean otoczony trzema kontynentami: Europą, Azją i Ameryką Północną oraz wrażliwy na wzorce pogodowe. Z kolei Antarktyda to lodowaty kontynent otoczony dookoła Oceanem Południowym, ale wolny od wpływu wzorców pogodowych z niższych szerokości ze względu na wpływ dużego Antarktycznego Prądu Okołobiegunowego i chłodnych Wiatrów Zachodnich, skutecznie odcinających ich dopływ.

Działalność człowieka pod względem emisji gazów cieplarnianych i ocieplania regionu Arktyki wiąże się zarówno z utratą habitatów gatunków polarnych, jak i miejsca bytowania ludzi związanych z lodem, np. Inuitów. Ponadto wzmocnienie ocieplenia Arktyki skorelowane z obniżonym gradientem temperatury pomiędzy nią a równikiem, już doprowadza do wielu zmiennych wzorców pogodowych na średnich szerokościach geograficznych, co bardzo niekorzystnie wpływa na gatunki zamieszkujące je.

–

Silna korelacja miedzy powstawaniem stawów roztopowych a formowaniem się wrześniowego minimum zasięgu lodu morskiego w Arktyce

Jeden z zespołów naukowych już w 2014 roku wywnioskował, że istnieje silna korelacja między frakcją stawu roztopowego a wrześniowym minimum zasięgu lodu morskiego, głównie z cienkim lodem poniżej 1,4 metra. Wyjaśnia to mechanizm dodatniego sprzężenia zwrotnego: więcej stawów zmniejsza albedo; niższe albedo powoduje większe topnienie; więcej topnienia zwiększa frakcję stawów.

David Schröeder i jego współpracownicy zaobserwowali, że powierzchnia lodu morskiego w Arktyce we wrześniu średnio zmniejszyła się z około 7 mln km2 w latach 90 do mniej niż 5 mln km2 w okresie 2007-2013, z rekordowym minimum 3,4 mln km2 w 2012 r. 3

–

Fot.1. Stawy roztopowe są typowymi cechami na powierzchni lodu morskiego Arktyki w okresie letnim. Ze względu na niskie albedo odgrywają kluczową rolę w bilansie masy lodu morskiego w okresie letnim. Zmiany w pokryciu stawu roztopowego i ich związek z grubością lodu wymagają dalszych badań. Zdjęcie: M. Tjernström.

–

Badanie to daje wkład do tego by jeszcze bardziej ulepszyć modele klimatyczne przewidywania dynamiki lodu morskiego w Arktyce w najbliższych latach.

Naukowcy w swojej pracy napisali:

Wiadomo, że zasięg lodu we wrześniu zależy zarówno od stanu lodu na wiosnę (na przykład ilość cienkiego lodu), jak i od warunków atmosferycznych w Arktyce latem (na przykład kierunek wiatru). Aby umieścić nasze wyniki dla stawów roztopowych w kontekście, obliczyliśmy korelację między frakcją cienkiego lodu (najniższe kategorie dwulodowe w modelu; tj. lód cieńszy niż 1,4 m) z zasięgiem lodu we wrześniu przy użyciu tych samych okresów integracji. Korelacja jest silnie istotna, ale współczynniki są niższe dla frakcji cienkiego lodu niż dla frakcji powierzchniowej stawu przy okresach integracji do końca czerwca. Należy zauważyć, że nie ma istotnej korelacji między obszarem zlodzenia maja i czerwca a zasięgiem zlodzenia września.

Ogólnie w Arktyce zasięg lodu morskiego we wrześniu w dużej mierze zależy od stanu lodu na wiosnę (cieńszy lub grubszy lód / z większą lub mniejszą pokrywą śnieżną) oraz od warunków atmosferycznych latem (pogoda pochmurna i/lub spokojna czy też pogoda słoneczna i/lub burzowa i wietrzna; jak np. w 2012 roku).

Naukowcy pomiarów grubości i objętości lodu dokonali przy pomocy termodynamicznego modelu lodu morskiego Los Alamos CICE, który został włączony do globalnego modelu klimatu.

Ponadto w modelu CICE naukowcy wdrożyli dwa dodatkowe podrzędne modele:

a) model prognostyczny dla stawów roztopowych
b) model elastyczny anizotropowo-plastyczny (EAP – Elastic Anisotropic Plastic), który wyraźnie uwzględnia obserwowaną anizotropię (zależność właściwości fizycznych ciała od kierunku) subkontinuum pokrywy lodu morskiego.

W sumie wszyscy naukowcy są zgodni. W Arktyce gromadzi się coraz więcej promieniowania cieplnego. Zmniejszająca się jej pokrywa lodowa na oceanie powoduje zmniejszanie się albedo lodu, dlatego, że coraz więcej jego topnieje, odkrywając ciemniejsze powierzchnie wody oceanicznej, które intensywnie pochłaniają promieniowanie słoneczne, nagrzewając jeszcze silniej ocean i wzmacniając dalsze topnienie lodu dzięki zwiększonemu parowaniu, czyli zwiększonej obecności pary wodnej. Arktyka staje się przez to bardziej wilgotna niż np. kilka dekad temu. I coraz częściej mamy tam do czynienia z opadami deszczu.

Naukowcy pomiarów grubości i objętości lodu dokonali przy pomocy termodynamicznego modelu lodu morskiego Los Alamos CICE, który został włączony do globalnego modelu klimatu.

Ponadto w modelu CICE naukowcy wdrożyli dwa dodatkowe podrzędne modele:

model prognostyczny dla stawów roztopowych

model elastyczny anizotropowo-plastyczny (EAP – Elastic Anisotropic Plastic), który wyraźnie uwzględnia obserwowaną anizotropię (zależność zmienności właściwości fizycznych ciała od kierunku) subkontinuum pokrywy lodu morskiego.

–

Utrata powierzchni lodu morskiego na tonę metryczną dwutlenku węgla

Dirk Notz z Instytutu Meteorologii im. Maxa Plancka w Hamburgu oraz Julienne Stroeve z Narodowego Centrum Danych Lodu i Śniegu (NSIDC – National Snow And Ice Data Center) na Uniwersytecie w Boulder w Kolorado, za pomocą przez siebie symulowanych modeli klimatycznych stwierdzili zależność liniową taką, że lód morski we wrześniu traci 3 ± 0,3 metrów kwadratowych powierzchni na tonę metryczną emisji CO2. 1

Naukowcy oszacowali wrażliwość arktycznego lodu morskiego na wpływ zmian antropogenicznych wymuszeń zewnętrznych. Sprawdzili zgodność symulacji modeli CMIP5 z zapisem obserwacyjnym. I wywnioskowali, że czas obliczony na podstawie 30-letniej kroczącej, w którym we wrześniu zaniknie sezonowo lód morski w Arktyce jest zgodnie liniowo skorelowany ze skumulowanymi (od 1850 r. do dziś) antropogenicznymi emisjami CO2.

–

Rys.1. Zależność liniowa między wrześniowym obszarem lodu morskiego Arktyki a skumulowanymi antropogenicznymi emisjami CO2. (A) Wartości rzeczywiste. Gruba niebieska linia przedstawia 30-letnią średnią kroczącą obserwowanego we wrześniu obszaru lodu morskiego, a cieńsza czerwona 30-letnią średnią kroczącą pochodzącą z symulacji modelu CMIP5. Dla porównania pokazane są również roczne wartości obserwowanego wrześniowego obszaru lodu morskiego. Wartości podane na podstawie zbioru danych obserwacji Met Office Hadley Center HadISST, w latach 1953-1978 (jasnoniebieskie kółka) oraz w latach 1979-2015 na wskaźniku lodu morskiego NSIDC (jasnoniebieskie diamenty) (B) Symulacje znormalizowane. W przypadku tego wykresu symulowany za pomocą modeli CMIP5 obszar lodu morskiego jest znormalizowany przez podzielenie przez symulowany obszar lodu morskiego na początku okresu przejściowego, jak określono w tekście. Dla każdej symulacji skumulowane emisje są ustawiane w punkcie 0.0 na początku okresu przejściowego, a następnie skalowane liniowo, aby osiągnąć 1 gigatonę do końca okresu przejściowego (Dirk Notz i inni, 2016).

–

W pracy także czytamy, że większość modeli klimatycznych nie doszacowała utraty lodu morskiego Arktyki, gdyż nie został wzięty dokładnie pod uwagę, w promieniowaniu zwrotnym atmosfery, wzrost napływającego strumienia promieniowania długofalowego przy obecnym wzroście antropogenicznych emisji CO2.

W artykule dalej czytamy:

Jeśli chodzi o przyszłą ewolucję lodu morskiego, nasza analiza sugeruje, że nie ma powodów, aby sądzić, że obserwowana czułość utraty lodu morskiego w Arktyce ulegnie znacznej zmianie w przewidywalnej przyszłości. W związku z tym możemy bezpośrednio oszacować, że pozostała część letniego lodu morskiego w Arktyce zostanie utracona, gdy do atmosfery trafi dodatkowe około 1000 gigaton (Gt) emisji CO2 na podstawie obserwowanej czułości lodu morskiego, gdzie we wrześniu występuje 3,0 ± 0,3 m 2 straty lodu morskiego na tonę emisji antropogenicznego CO2.

Utrata 800 tysięcy km2 lodu arktycznego – z 1 mln km2 do 200 tys. km2 – równać się będzie wzrostowi 1 gigatony skumulowanych emisji CO2.

–

Dodatnie sprzężenie zwrotne albedo lodu

Haruhiko Kashiwase, z Narodowego Instytutu Badań Polarnych w Tachikawie, wraz ze swoim zespołem naukowym, zaobserwował, że dodatnie sprzężenie zwrotne albedo lodu i śniegu ma duży związek ze zwiększeniem się nagrzewania odkrytych ciemniejszych powierzchni oceanicznych. 2

Naukowcy stwierdzili, że z dekady na dekadę jest coraz mniejszy zasięg, przerzedzenie lodu oraz pojawianie się coraz większej ilości lodu sezonowego kosztem stałego. A wszystkie te zmiany zostały uwidocznione po 2000 roku, które tylko zwiększyły wzmocnienie arktyczne.

W Oceanie Arktycznym niedawne obserwacje satelitarne wykazały:

znaczne zmniejszenie zasięgu lodu letniego
przerzedzenie lodu morskiego
przejście od lodu wieloletniego do sezonowego

Naukowcy coraz bardziej upewniają się, że z roku na rok ubywa lodu wieloletniego, a przybywa rocznego. Zaobserwowali to w porze letniej oraz w pierwszej połowie września. Zwiększanie się ciemnych otwartych wód oceanicznych napędza coraz mocniej dodatnie sprzężenie zwrotne, w którym lód zanika coraz szybciej, gdy świat się coraz bardziej ociepla, zarówno w atmosferze, jak i w oceanach oraz na lądach.

Zespół Haruhiko Kashiwase wybrał do swych celów badawczych sektor pacyficzny Arktyki, który doświadczył w okresie 2000-2014 największego zmniejszenia się zasięgu i objętości w całym Oceanie Arktycznym

Międzyroczna zmienność cofania się lodu w tym rejonie wyjaśnia około 86% wariancji na całym Oceanie Arktycznym.

Szacunki z analizy budżetu ciepła i obserwacji satelitarnych pokazują, że frakcja wody otwartej dobrze odpowiada ilościowo objętości topnienia lodu morskiego, zarówno dla zmienności sezonowej, jak i międzyrocznej.

Ponadto uczeni dokonali pomiaru albedo w sezonie letnim na podstawie uproszczonego modelu sprzężonego z lodem i górną częścią oceanu. Również zaobserwowali, że pojawiająca się coraz większa liczba stawów roztopowych, zamiast lodu, zmniejsza albedo lodu, dzięki temu zwiększa się powierzchnia pochłaniania energii słonecznej przez ciemniejszą wodę.

W metodach badań satelitarnych do pomiarów lodu morskiego zostały wykorzystane produkty satelity Nimbus 7, dokonujące pomiarów Arktyki od 1979 do 2014 roku:

wielokanałowy mikrofalowy radiometr (SMRR – Scanning Multichannel Microwave Radiometer)

obronny meteorologiczny program satelitarny (DMSP – Defence Meteorological Satellite Program)

specjalistyczny obrazowy czujnik mikrofalowy (SSM/I Special Sensor Microwave Imager) oraz specjalistyczny obrazowo-dźwiękowy czujnik mikrofalowy (SSM/IS – Special Sensor Microwave Imager/Sounder)

–

Rys.2. Mapa Oceanu Arktycznego ze średnim stężeniem lodu morskiego we wrześniu w latach 1979–2014. Przeprowadzono analizę budżetu cieplnego i obliczenie dywergencji lodu dla obszaru w kształcie wachlarza. Dla obszaru prostokątnego zastosowano model uproszczony. Mapa została narysowana przez GrADS 2.0.2 (Żródło: http://cola.gmu.edu/grads/grads.php)

–

Do pomiaru prędkości dryfu lodu morskiego wykorzystano zestaw czujników dostarczonych przez NSIDC:

Zaawansowany mikrofalowy radiometr skanujący Eos (AMSR-E – Advanced Microwave Scanning Radiometer Eos),
Zaawansowany radiometr o bardzo wysokiej rozdzielczości (AVHRR – Advanced Very High Resolution Radiometer).
Boje wykorzystane w Międzynarodowym programie boi arktycznych (IABP – International Arctic Buoy Program)
SSM/I (jak wyżej)

Temperatura powietrza i temperatura punktu rosy na wysokości 2 metrów, prędkość wiatrów 10 m/s i całkowite zachmurzenie, zostały pozyskane z globalnej reanalizy ERA-Interim, opracowanej przez Europejskie Centrum Średnioterminowych Prognoz Pogody (ECMWF – European Centre for MediumRange Weather Forecasts).

–

Satelity obserwują spadek zasięgu lodu morskiego

Klimat Ziemi ma pewnego rodzaju swoją czułość. W skali regionalnej najbardziej jest wrażliwy w regionie polarnym na półkuli północnej, gdyż tam są najszybciej ocieplające się obszary na naszej planecie.

Od czasu rozpoczęcia zapisu satelitarnego w 1979 roku, we wrześniu pokrywa lodowa Arktyki na morzu spada średnio o około 13% na dekadę. Bieżący rekord zanotowano 16 września 2012 r., kiedy lód morski w ciągu 33 lat zmniejszył się z 6,89 do 3,41 milionów kilometrów kwadratowych.

Według wyliczeń brytyjskich naukowców – z Centrum Obserwacji i Modelowania Polarnego na Uniwersytecie w Leeds – Rachel Tilling, Andy’ego Ridouta i Andrew Shepherda, od 1979 roku w Arktyce ubyło 40% lodu morskiego. 2

Naukowcy, pracujący na co dzień w Centrum Obserwacji i Modelowania Polarnego (CPOM – Centre for Polar Observation and Modelling), na podstawie danych z wysokościomierza radarowego satelity CryoSat-2, w 2018 r. oszacowali grubość i objętość lodu morskiego w Arktyce. Zaobserwowali korelację w odczytach pomiędzy powierzchniowymi pomiarami in situ, a satelitarnymi. Zwrócili uwagę, że dużymi niepewnościami w dokładnych pomiarach grubości o objętości lodu morskiego jest zalegająca na nim pokrywa śnieżna pochodząca z opadów atmosferycznych. Dlatego też uczeni postulują o doskonalenie szacowania obciążenia lodu morskiego warstwami śniegu.

Naukowcy zaproponowali aby dane z wysokościomierzy (altymetrów) radarowych satelity CryoSat-2 posłużyły też badaniom pokryw lodu morskiego i na nim śniegu, także w Antarktyce.

–

Rys.3. Przykłady międzyrocznej zmienności typu lodu morskiego na półkuli północnej. Mapy pokazują typ lodu morskiego na dzień 31 stycznia (a) 2011, (b) 2012, (c) 2013 i (d) 2014. Żółte cieniowanie oznacza lód z pierwszego roku (FYI – first year ice), czerwone oznacza lód wieloletni (MYI – multi year ice), niebieskie oznacza obszary, na których nie występuje lód morski, tylko ocean (Rachel Tilling i inni, 2018).

–

Autorzy w swojej pracy napisali:

Arktyczny lód morski jest głównym elementem systemu klimatycznego Ziemi. Działa w celu regulacji regionalnych budżetów ciepła i wody słodkiej oraz późniejszej cyrkulacji atmosferycznej i oceanicznej w Arktyce i na niższych szerokościach geograficznych. Od 1979 r. satelity zaobserwowały spadek zasięgu lodu morskiego w Arktyce we wszystkich miesiącach. Jednak aby w pełni zrozumieć, w jaki sposób zmiany pokrywy lodowej Arktyki wpływają na naszą globalną pogodę i klimat, wymagane są również długoterminowe i dokładne obserwacje rozkładu jego grubości. Takie obserwacje były możliwe dzięki wystrzeleniu satelity CryoSat-2 z Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA – European Space Agency) w kwietniu 2010 r., który zapewnia niezrównane pokrycie pomiarów Oceanu Arktycznego do szerokości północnej 88°N.

–

Obserwowany spadek grubości i objętości jesiennego i zimowego lodu morskiego w Arktyce (1958-2018)

Lód morski, zarówno w Arktyce, jak i w Antarktyce, topnieje nie tylko w stosunku do powierzchni – czyli jego zasięgu geograficznego, ale i również w stosunku do jego objętości i grubości.

Polarne Centrum Naukowe (Polar Science Center) zajmuje się systematycznymi badaniami objętości i grubości lodu. W ramach jego działalności tworzy się reanalizy objętości lodu Morza Arktycznego za pomocą Panarktycznego Systemu Modelowania i Asymilacji Lodu Oceanicznego (PIOMAS – Pan-Arctic Ice Ocean Modeling and Assimilation System) oraz gromadzi się pomiary grubości lodu, za pomocą pobierania i mierzenia rdzeni lodowych bądź za pomocą metod satelitarnych. Pomiary w zanurzeniu pod wodą dokonuje się przy użyciu sonarów podwodnych lub systemów radarowych.

Ron Kwok (2018) – naukowiec NASA z Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie w Kalifornii – dokonał oceny badań w ostatnich 60 latach (1958–2018) wielkoskalowych zmian grubości, objętości lodu morskiego oraz stopień pokrycia wieloletniego lodu (MYI – Multi-Year Ice) ¹².

Na podstawie dostępnych pomiarów z sonarów podwodnych, wysokościomierzy satelitarnych (ICESat i CryoSat-2) oraz skaterometrów satelitarnych, naukowiec stwierdził, że od 1958 r. pokrywa lodowa Oceanu Arktycznego systematycznie przekształca się z wieloletniego, grubszego, starszego lodu na roczny, cieńszy, młodszy. Ale obecnie przy tak niewielkiej ilości wieloletniego lodu tempo zmniejszania się jego grubości wyraźnie uległo spowolnieniu. A świeży, młodszy lód rośnie szybciej, chociaż jest bardziej narażony na oddziaływanie silnie wiejących wiatrów. Więc, zdaniem badacza, jego grubość jest teraz bardziej zmienna niż zdominowana przez efekt globalnego ocieplenia.

—

Fot2. Satelita ICESat na orbicie (Wikipedia)

—

Fot3. Satelita CryoSat-2 należący do ESA mierzy lód morski w regionach polarnych (Źródło: British Antarctic Survey).

–

29 lokalizacji zidentyfikowanych przez satelity: ICESat i CryoSat-2

W ujęciu regionalnym już w 1999 roku D. A. Rothrock, wraz ze swoimi współpracownikami z Uniwersytetu Waszyngtońskiego w Seattle, zidentyfikował 29 miejsc, w których wcześniejsze tory okrętów podwodnych albo krzyżują się, albo są blisko równoległe do torów rejsowych z lat 90 XX wieku. Na tych skrzyżowaniach oszacowali błędy pomiarowe na 0,3 m.

29 tych lokalizacji jest następnie przypisanych do jednego z sześciu regionów: Przylądek Czukocki, Morze Beauforta, Basen Kanady, Biegun Północny, Basen Nansena i Arktyka Wschodnia.

Aby porównać satelitarne dane, dotyczące grubości lodu z satelitów: ICESat i CryoSat-2, z danymi dotyczącymi łodzi podwodnych, w 29 lokalizacjach średnie grubości próbek były pobrane z miesięcznych pól satelitarnych i skorygowane sezonowo do 15 września przy użyciu modelowanego cyklu rocznego.

Zmiany grubości lodu przedstawiają średnie regionalne grubości lodu morskiego w Arktyce z czterech okresów:

analiza regresji okrętów podwodnych (1958-1976)
analiza regresji okrętów podwodnych (1993-1997)
badania lidarowe satelity ICESat (2003-2007)
badania lidarowe satelity CryoSat-2 (2011-2018)

–

Film: Objętości minimalne morskiego arktycznego lodu (1979-2021)

–

Średnia grubość lodu morskiego w Arktyce uległa redukcji

W zapisach okrętów podwodnych (pierwsze dwa okresy), oddzielonych o około 28 lat, średnia grubość lodu zmniejszyła się o 1,4 m (lub 46%), z 3,0 do 1,6 m w większości głębokowodnej części Oceanu Arktycznego. Spadki są większe w środkowej Arktyce (basen Kanady, biegun północny i basen Nansena) i wschodniej Arktyce niż w morzach Beauforta i Czukockiego.

Dane ICESat i CryoSat-2 pokazują dalsze spadki grubości, choć raczej mniejsze. W ciągu mniej więcej 10 lat, między okresem okrętów podwodnych po 1990 r. a okresem ICESat, średnia grubość zmniejszyła się o kolejne 0,2 m lub 12% grubości. W stosunku do okresu okrętów podwodnych sprzed 1990 r., między okresami satelitarnymi ICESat i CryoSat-2, trwającymi około 8 lat, średnia grubość zmniejszyła się o kolejne 0,4 m (do 1,0 m), Pod koniec sezonu topnienia średnia grubość w tych rejonach zmniejszyła się o 2,0 m lub około 66% w ciągu sześciu dekad.

Całkowite przerzedzenie, od maksymalnej grubości 3,64 m w 1980 roku w wynikach analizy regresji łodzi podwodnej, nie zmieniło się istotnie w okresie zimowym (luty–marzec). Średnia grubość lodu jest teraz bliska 2 m. Z kolei w okresie jesiennym (październik-listopad) prawdopodobnie średnia grubość lodu wzrosła z mniej niż 1 m, po zakończeniu lata 2007 roku. Jednak największy kontrast w zapisie miał miejsce między grubością lodu w latach 80 XX wieku a połową drugiej dekady XXI wieku.

We wcześniejszych latach przerzedzenie lodu było niezwykłe, ponieważ miało miejsce, gdy większa część Oceanu Arktycznego była pokryta wieloletnim lodem morskim (MYI – Multi-Year Ice). W porównaniu z późniejszymi zapisami satelitów ICESat i CryoSat-2 wszystko na to wskazuje, że zmiany w przerzedzeniu będą mniejsze wraz ze zwiększaniem się pokrycia cieńszego lodu sezonowego. Tak wskazują wyniki badań Kwoka w obszarach objętych badaniami (29 lokalizacji w 6 regionach Arktyki).

—

Badania dwóch satelitów: ICESat (2003-2008) i CryoSat-2 (2011-2018), pokazane na rysunku poniżej, pokazały następujące spadki średniej objętości lodu morskiego w okresach pór roku:

okres jesienny (październik-listopad) – o 287 km³/rok
okres zimowy (luty-marzec) – o 513 km³/rok

–

Połynie w Ostatnim Obszarze Lodowym na Morzu Wandela

Połynie. Otwarte wody bez lodu. Obecnie odkąd ocieplany jest klimat z powodu spalania paliw kopalnych i znaczącego wylesienia kontynentów, połynie, zarówno w Arktyce, jak i w Antarktyce są coraz częstszym zjawiskiem. Jest to niepokojące zjawisko, gdyż występowanie coraz większej liczby obszarów bez lodu stanowi zagrożenie dla zwierząt, których habitaty są z nim związane.

W szczególności jest to przerażające, gdy połynie zaczęły występować w miejscach, w których dotąd lód był stabilny. I był to lód wieloletni.

George William Kent Moore z Wydziału Fizyki na Uniwersytecie w Toronto i z Wydziału Nauk Chemicznych i Fizycznych, Instytutu w Mississauga na Uniwersytecie w Toronto oraz Axel Schweiger, Jinlun Zhang i Mike Steele z Centrum Polarnych Nauk w Laboratorium Fizyki Stosowanej na Uniwersytecie Waszyngtońskim w Seattle, omówili ciekawy przypadek powstania pod koniec lutego 2018 r we wschodnim sektorze Ostatniego Obszaru Lodowego (LIA – Last Ice Area), u wybrzeży północnej Grenlandii na Morzu Wandela, rozległego obszaru wodnego wolnego od lodu zwanego połynią 1.

Obszar ten, objęty zdjęciami satelitarnymi dotychczas nie był znany z rozwoju połyń. Odkrycie to wzbudziło zainteresowanie obserwatorów Arktyki i społeczności naukowej, stawiając pytania o naturę i przyczynę tego niezwykłego wydarzenia.

–

Rys.4. Spojrzenie na koncentrację lodu morskiego w dniu 25 lutego, na którym widać połynię na północ od Grenlandii (William G. K. Moore i inni, 2018).

–

Połynia z 2018 r. miała średnicę do 100 kilometrów

Połynia ta w lutym 2018 roku miała nawet średnicę dochodzącą do 100 kilometrów, dzięki powstałej adwekcji bardzo silnych wiatrów, które na duże odległości wręcz wywiały stary gruby, wieloletni lód, tworząc początkowo na ogromnym obszarze otwarte wody, które póżniej zostały już zastąpione tylko cienkim rocznym lodem, który utrzymywał się do pory letniej, do sierpnia, gdy ponownie nastąpiły wiatry, ale znacznie słabsze niż zimą, które z łatwością ponownie zmiotły, ale już cienki lód, tworząc znowu szeroką przestrzeń wodną wolną od lodu, dzięki czemu słońce intensywnie nagrzewało Morze Wandela, co też z kolei sprzyjało szybszemu podpowierzchniowemu topnieniu sąsiednich kier lodowych.

–

Badania – dane satelitarne o stężeniu lodu morskiego, ciśnienia powierzchniowego, teperatury powietrza, prędkości i kierunku wiatru

Do celów badawczych dynamiki i ewolucji połyni naukowcy wykorzystali dane o stężeniu lodu morskiego z zapisu danych klimatycznych NOAA/NSIDC w oparciu o instrumenty pomiarowe satelitarne SMMR, SSM/I i SSMIS w rozdzielczości 25 km od 1979 r. (Meier i inni, 2014), a także pozyskali dane zestawu ASI z Uniwersytetu z Bremy, oparte na przyrządach AMSR-E 2 (Advanced Microwave Scanning Radiometer 2) przy rozdzielczości 6,25 km od 2002 r. (Spreen i inni, 2008).

Z kolei dane ciśnienia powierzchniowego, temperatury powietrza, prędkości i kierunku wiatru zespół naukowy Kenta Moore’a mógł pobierać co 3 godziny podczas prowadzenia powyższych badań naukowych, dzięki udostępnieniu ich przez Duński Instytut Meteorologiczny (DMI – Danish Meteorological Institute) obsługujący dwie stacje meteorologiczne w północnej Grenlandii (Cappelen, 2018):

na Station Nord (SN: 81,6°N; 16,65°W, od 1961 do chwili obecnej)

na Kap Morris Jessup (83,65°N; 33,37°W, 1985 do chwili obecnej).

–

Badania – dane z Systemu modelowania i asymilacji panarktycznego oceanu lodowego (PIOMAS)

Ponadto, do głębszej analizy dynamiki połyni uczeni wykorzystali dane z Systemu modelowania i asymilacji panarktycznego oceanu lodowego (PIOMAS – Pan-Arctic Ice Ocean Modeling and Assimilation System) (Jinlun Zhang i D. A. Rothrock, 2003).

Standardowy przebieg PIOMAS (SPINUP) asymiluje satelitarną koncentrację lodu morskiego i w badaniach został wykorzystany do zapewnienia warunków początkowych dla przebiegów modelowych opisanych w tejże pracy (Axel J. Schweiger i inni, 2011).

Przebiegi PIOMAS, które są stymulowane przez wymuszenia antropogeniczne, zostały wybrane w celu określenia:

w jaki sposób połynia w 2018 roku ewoluowała, kiedy lód morski był jeszcz grubszy, a adwekcja ciepłego powietrza słabsza

kiedy w przyszłości przewiduje się, że lód morski będzie cieńszy

Naukowcy w symulacjach modeli zainicjowali przebieg dynamiki lodu morskiego do 1 stycznia 2035 r. Następnie przetestowali wpływ wymuszania wiatru redukując przy tym wiatry przyziemne o 25% i 50% w porównaniu z wartościami z 2018 r. w okresie od 15 lutego do 1 marca.

Na koniec przetestowali wpływ wysokich temperatur podczas otwierania się polyni, wykonując również przebieg z zimniejszym wymuszeniem termicznym z 1979 roku.

Naukowcy w swojej pracy napisali:

Należy zauważyć, że PIOMAS nie jest sprzężony z modelem atmosferycznym, a zatem nie będzie w pełni uchwycał interakcji powietrze-morze związane z ewolucją połyni.

Zdarzenie to związane z otwieraniem połyni, odpowiedzialne za silne wiatry i ciepłe temperatury, miało miejsce podczas dodatniej fazy północnoatlantyckiej oscylacji (NAO _North Atlantic Oscillation). A z zamknięciem jej podczas nadejścia fazy ujemnej NAO, charakterystycznej z występowaniem słabszych wiatrów i chłodniejszych temperatur.

–

Połynia z 2020 r. spowodowała intensywne nagrzewanie się otwartych wód na Morzu Wandela

Naukowcy po tak ekstremalnym zdarzeniu związanym z połynią w 2018 roku, sądzili, że jest ono wyjątkowo rzadkim i nie tak prędko się zdarzy ponownie. Sugerowali się tym, że zimą 2020 roku morski arktyczny lód był względnie stabilny w LIA i badacze byli pewni dzięki temu, że nie będzie on tak szybko topnieć w porze letniej. Jednak pomylili się.

Ponownie, Axel Schweiger, Michael Steele, Jinlun Zhang, George William Kent Moore i dodatkowo Kristin Laudre – także z Centrum Polarnych Nauk w Laboratorium Fizyki Stosowanej na Uniwersytecie Waszyngtońskim w Seattle, zaobserwowali, że gruby, wieloletni lód w sierpniu 2020 roku został ponownie „zaatakowany” przez bardzo silne i gwałtowne ciepłe wiatry wiejące z południa, które tak samo na odległość 100 kilometrów dokonały gigantycznej „przerębli” rozpychając, zarówno, wieloletni, jak i jednoroczny lód. I w ten sposób po dwóch latach znowu w okresie letnim wytworzyła się ogromna połynia powodująca intensywne nagrzewanie się otwartych wód na Morzu Wandela i szybsze roztapianie grubych kier w sąsiedztwie tego obszaru. Wschodni sektor „Ostatniego Obszaru Lodowego” został ponownie zdestabilizowany 2.

Naukowcy stwierdzili, że trasa niemieckiego lodołamacza Polarstern, podczas wyprawy badawczej w latach 2019-2020, została wytyczona przez zdjęcia satelitarne pokazujące rozległe obszary ukazujące koncentrację lodu na wodach otwartych i na morzu Wandela. Ogólnie pokrycie lodu morskiego (SIC) w tym rejonie było bardzo niskie i wynosiło 70% na szerokości 87°N.

Badania powyższe wykonane zostały na obszarze Morza Wandela (WS – Wandel Sea) na szerokościach geograficznych 81,5°N–85°N oraz na długościach geograficznych 10°W–50°W, czyli dokładnie na tym samym obszarze, na którym zostało zaobserwowane to samo zdarzenie w lutym 2018 r .

–

Polarstern zarejestrował zdjęcia obszarów z koncentracją lodu morskiego na wodach Morza Wandela

Naukowcy stwierdzili, że trasa niemieckiego lodołamacza Polarstern, podczas wyprawy badawczej w latach 2019-2020, została wytyczona przez zdjęcia satelitarne pokazujące rozległe obszary ukazujące koncentrację lodu na wodach Morza Wandela. Ogólnie pokrycie lodu morskiego (SIC) w tym rejonie było bardzo niskie i wynosiło 70% na szerokości 87°N.

25 lipca 2020 roku dzienna pokrywa lodu morskiego na Morzu Wandela spadła poniżej 80%.

–

Rys.5. W maju 2020 roku na północ od Wyspy Ellesmere po raz pierwszy zaobserwowano połynię o powierzchni 3000 kilometrów kwadratowych. Szczelina uformowana w strefie ostatniego lodu, która ma być ostatnim bastionem lodu morskiego w ocieplającej się Arktyce. Źródło: Severe Weather Europe/CC BY-4.0

–

Badania grubości lodu za pomocą danych PIOMAS, Satelity CryoSat-2/SMOS

Przy wykorzystaniu nowych badań na temat grubości lodu, z danych PiOMAS i satelity CryoSat-2/SMOS oraz na temat anomalii adwekcji i ruchu lodu za pomocą modelu lodu morskiego, naukowcy zidentyfikowali przyczynę rekordowych spadków lodu morskiego latem 2020 roku.

Zespół Schweigera stwierdził, że około 80% tych spadków wynikało z czynników związanych z pogodą, takich jak wiatr załamujący się i poruszający się lód. Pozostałe 20%, czyli jedna piąta, było spowodowane długotrwałym przerzedzaniem się lodu morskiego w wyniku globalnego ocieplenia.

14 sierpnia 2020 r. wystąpiło rekordowo niskie minimum pokrywy lodu morskiego (SIC – Sea Ice Cover), które wyniosło 52%.

Kilka wcześniejszych wysokich minimów SIC w regionie Morza Wandela było w następujących latach: 1985: 57 %, 1990: 67 % i 1991: 62 %.

Utrata lodu morskiego w okresie letnim na dowolnym obszarze następuje w odpowiedzi na adwekcję lodu (tj. dynamikę) i topnienie lodu (tj. termodynamikę).

Aby zrozumieć przyczyny utraty lodu morskiego na Morzu Wandela latem 2020 roku, do badań naukowcy ponownie wykorzystali dane z systemu modelowania i asymilacji panarktycznego oceanu lodowego (PIOMAS).

–

Wykorzystanie danych z reanalizy NCEP/NCAR

Ponadto naukowcy wykorzystali do przebiegu swoich badań dzienne średnie dane z reanalizy NCEP/NCAR wykorzystywane jako wymuszanie atmosferyczne, tj.:

do wysokości 10 metrów wiatry przyziemne
na wysokości 2 metrów temperatura powietrza przy powierzchni,
wilgotność właściwa
opady
parowanie
promieniowanie długofalowe w dół
ciśnienie na poziomie morza
frakcja chmur służąca do obliczania downwellingu promieniowania krótkofalowego

Komponenty masy lodu morskiego i budżetów cieplnych górnych warstw oceanu były obliczane bezpośrednio z danych wyjściowych modelu PIOMAS.

–

Anomalie adwekcji lodu

Anomalie adwekcji lodu dominują w miesięcznej zmienności od 1979 do 2020 roku, ale bez długoterminowego trendu. Anomalna adwekcja lodu w czerwcu, lipcu i sierpniu (JJA – June, July, August) 2020 jest zasadniczo ujemna (tj. Strata grubości lodu morskiego (SIT – Sea Ice Thickness), chociaż kilka wcześniejszych lat również ma anomalie o podobnej wielkości. Anomalie ruchu lodu w lipcu i sierpniu pokazują, że lód jest odsuwany na północny zachód od Morza Wandela (WS).

–

Rys.6. Ostatni obszar lodowy o raz obszar badań na Morzu Wandela (Axel Schweiger i inni, 2021).

–

Naukowcy podkreślili, że produkcja lodu w miesiącach letnich JJA w 2020 r. miała rekordowo niską wartość ubytku grubości lodu morskiego (SIT), wynoszącego -0,3 m/miesiąc. W rzeczywistości wszystkie lata od 2016 roku wykazały ujemne anomalie produkcji lodu JJA.

Jakub Małecki, glacjolog z Uniwersytetu Adama Mickiewicza w Poznaniu, na łamach serwisu Nauka o klimacie napisał 3:

Początkowo odchylenie od wieloletniej normy wynosiło kilkanaście procent, ale w połowie sierpnia zlodzenie było niższe od średniej niemal o połowę, bijąc dotychczasowe rekordy. Obszar otwartej wody był ogromny, a otaczała go potężna powierzchnia wodno-lodowej mieszanki, z koncentracją lodu niestanowiącą problemu dla przepływającego nieopodal lodołamacza Polarstern. Jego dowództwo zdecydowało się wykorzystać te warunki i w sierpniu 2020 roku (pod koniec trwania ekspedycji MOSAiC) popłynąć ku biegunowi północnemu.

Axel J. Schweiger ze swoim zespołem naukowym w swojej pracy napisali z niepokojem na temat zagrożenia fauny arktycznej:

Ostatni Obszar Lodowy (LIA – Last Ice Area) jest uważany za ostatnie schronienie dla związanych z lodem arktycznych ssaków morskich, takich jak niedźwiedzie polarne ( Ursus maritimus ), foki obrączkowane ( Pusa hispida) i foki brodate ( Erignathus barbatus) oraz morsy ( Odobendus rosmarus ). LIA jest również ważny dla mew modrodziobych (Pagophila eburnea), które rozmnażają się w północnej Grenlandii.

–

Fot.4. Polarstern w drodze do bieguna północnego w ramach ekspedycji MOSAiC. Fot. Alfred Wegener Institut/Stefen Graupner/CC BY-4.0

–

Polarstern

Niemiecki statek badawczy – lodołamacz Polarstern – bez większego trudu pojawił się pod koniec lata kalendarzowego we wrześniu 2020 roku na biegunie północnym nie musząc przebijać się przez pokrywę lodu morskiego. Ten był tak bardzo cienki, że łatwo kruszył się zostawiając wiele odkrytych obszarów toni wodnej.

–

Fot.5. RV Polarstern (czyli gwiazda polarna) to niemiecki badawczy lodołamacz z Instytutu Alfreda Wegenera Badań Polarnych i Morskich (AWI) w Bremerhaven. Źródło: Hannes Grobe, Instytut Alfreda Wegenera/CC By-SA 2.5

–

Międzynarodowy zespół naukowy złożony z ponad 300 osób z 20 krajów, od 20 września 2019 roku do 12 października 2020 roku w ramach projektu Multidyscyplinarnego Dryfującego Obserwatorium Badań Arktyki Klimatu (MOSAIC – Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate), badał podczas dryfowania Polarsternem Arktykę i jej lód morski, atmosferę, ocean, ekosystemy i ich biogeochemii. To nam pomoże zrozumieć procesy dynamicznie rozwijające się w najbardziej zapalnym punkcie klimatycznym Ziemi.

Autorzy Światowej Organizacji Meteorologicznej (WMO – World Meteorological Organization) w swoim serwisie 12 października 2020 roku napisali: 1

Lodołamacz badawczy Polarstern powrócił do swojego macierzystego portu w Bremerhaven w Niemczech 12 października z niezrównaną skarbnicą danych, na analizie których skupi się całe pokolenie klimatologów. Instytut Alfreda Wegenera i Centrum Badań Polarnych i Morskich im. Helmholtza (AWI), koordynowały tą wyprawą badawczą.

Po zakończeniu ekspedycji badawczej MOSAIC w Arktyce, w drugiej połowie października 2020 roku, lód morski bardzo wolno zamarzał do tego stopnia, że padł nowy rekord zasięgu lodu z tego miesiąca.

–

Rys.7. Miesięczny zasięg lodu w listopadzie w latach 1979–2024 pokazuje spadek o 4,8 procent na dekadę. — Źródło: Krajowe Centrum Danych o Śniegu i Lodzie. Źródło: Narodowe Centrum Danych Śniegu i Lodu . Źródło: NSIDC – National Snow and Ice Data Center/CC BY-4.0. Zdjęcie o wysokiej rozdzielczości.

–

Dlaczego od 2012 roku nie padł jeszcze rekord najmniejszego zasięgu lodu arktycznego?

Konkluzja na temat lodu morskiego w Arktyce jest taka, że pomimo jeszcze „ratującego” go tworzenia się adwekcji układów niżowych przynoszących wysoki stopień zachmurzenia w drugiej połowie lata, dzięki czemu dochodzi mniej promieni słonecznych do powierzchni morskiej i lodowej, to i tak, jak się dowiadujemy z wyników badań naukowych, powstają obszary destabilizujące, takie jak rejon Morza Wandela, gdzie ekstremalne wiatry południowe stają się przyczyną powstawania rozległych połyni, czyli otwartych ciemnych wód bardzo silnie nagrzewających się w okresie letnim i przyspieszającym podpowierzchniowe topnienie sąsiednich obszarów lodowych, zarówno paków, jak i kier.

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

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

–

Silny układ niżowy i silne zachmurzenie to główne przyczyny od ponad dekady

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

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

Na wstępie opisanej swojej pracy naukowcy zastanawiali się:

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

–

Rys.8. Średni miesięczny zasięg lodu morskiego Arktyki (miliony km2) w 2020 r. (czerwona linia), 2007 r. (zielona linia) i 2012 r. (niebieska linia). Szara linia pokazuje średnią wartość z lat 1980-200 wraz z maksymalnym i minimalnym odchyleniem od średniej. Źródło: Copernicus Marine Service/CC BY 4.0

–

I dalej napisali:

Miesięczna ewolucja pokrywy lodu morskiego wyraźnie obrazuje szybkie tempo utraty lodu każdej wiosny i lata od 2012 roku, wraz z nagłym spowolnieniem spadku zasięgu, który następował każdego sierpnia lub na początku września (z wyjątkiem okresu bliskiego rekordowi – lata 2020).

–

Ujemny trend niskiego ciśnienia nad poziomem morza

Kluczowym problemem, a właściwie szczęściem dla mieszkańców Ziemi, zwłaszcza Arktyki, jest częste powstawanie w sierpniu, w ciągu minionych dwóch dekad XXI wieku, ujemnego trendu niskiego ciśnienia nad poziomem morza (SLP). Ponadto nad Oceanem Arktycznym, przez tak długi okres czasu, kształtuje się prawie co roku zachmurzone niebo, które powoduje zmniejszenie dopływu promieniowania słonecznego w kierunku powierzchni lądowej i morskiej Arktyki. Jednocześnie słabiej się ona nagrzewa, co ma przełożenie na mniejsze wypromieniowanie promieniowania długofalowego do chmur i atmosfery i z powrotem ku powierzchni Arktyki.

Jednak co najbardziej zaskakujące – anomalnie niskie ciśnienie wywołuje silne warunki wietrzne, czyli wzrasta prędkość wiatru, które rozpychają lód. Ogólnie ujemne anomalie SLP dominowały nad Oceanem Arktycznym w drugiej dekadzie XXI wieku, od sierpnia do sierpnia. W tym samym czasie dodatnie anomalie miały miejsce na obszarach kontynentów na wysokich i średnich szerokościach geograficznych. Badacze napisali:

Przewiduje się, że ciśnienie powierzchniowe nad Arktyką będzie dalej spadać, ponieważ gazy cieplarniane nadal gromadzą się w atmosferze (Stephen J. Vavrus i inni, 2012 ; Torben Koenigk i inni, 2013), być może dostarczając dodatniego sprzężenia zwrotnego na temat tempa utraty lodu morskiego w ocieplającym się świecie.

–

Badania – dane atmosferyczne NCEP/NCAR z okresu 1979-2020, dobowe temperatury powietrza przt powierzchni, ciśnienie nad poziomem morza, prędkość wiatrów, stopień pokrywy chmur, wysokość geopotencjału, analiza funkcji ortogonalnej, wskaźnik zachodniego wiatru

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

Ponadto, naukowcy obliczyli dobowe temperatury powietrza przy powierzchni (SAT – Surface AIr Temperature), ciśnienie nad poziomem morza (SLP) (w tym też średnie miesięczne), prędkość wiatrów przy ciśnieniu 300 hPa, stopień pokrywy chmur oraz wysokość geopotencjału. Uczeni również wykorzystali pola grubości ciśnienia 1000-500 hPa do przedstawienia średniej temperatury w troposferze od niskiej do średniej oraz zastosowali empiryczną analizę funkcji ortogonalnej (EOF – Empirical orthogonal function) w celu zidentyfikowania pierwszych dwóch dominujących wzorców i głównych składowych (PC – Principal Components) prezentujących wspomniane pola grubości ciśnienia latem w obszarze na północ od 30°N.

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

–

Badania regresji letnich anomalii grubości 1000-500 hPa na postawie dwóch głównych składowych PC1 i PC2

W badaniach regresji letnich anomalii grubości 1000–500 hPa, stosując wspomniane dwie główne składowe PC (w artykule rys.4, panel a), naukowcy zaobserwowali, że PC1 pokazała wartości dodatnie, głównie na arktycznych i wschodnich obszarach półkuli północnej (w artykule rys.4., panel b), gdzie wysokość geopotencjału w okresie letnim wyniosła 500 hPa. Natomiast PC2 pokazała jej wartości ujemne w środkowej Arktyce oraz silne dodatnie nad środkową szerokością geograficzną Azji Wschodniej, Skandynawią, północno-środkową Ameryką Północną i północno-zachodnim Oceanem Spokojnym (w artykule rys.4., panel c) (Jennifer Francis & Bingyi Wu, 2020).

Szereg czasowy PC1 (ciągła czerwona linia) wykazał znaczący (>99% pewności) dodatni trend (przerywana czerwona linia), zgodnie z antropogenicznym globalnym ociepleniem i odpowiadał za 30% zmienności. Z kolei szereg czasowy PC2 (ciągła niebieska linia) wykazał 10% wariancji (rys.4.a).

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

Przy przesunięciu letnich anomalii grubości 1000-500 hPa na dwie główne składowe PC (rys.4.b,c), widać, że dodatnie wartości wokół większości obszarów na półkuli północnej są związane z PC1, szczególnie nad Arktyką i wschodnimi odcinkami kontynentalnymi półkuli północnej, zgodnie z zaobserwowanymi dodatnimi trendami na wysokościach geopotencjalnych 500 hPa w okresie letnim nad całym terytorium.

–

Obserwacje PC2

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

Naukowcy w swoim artykule dali do zrozumienia, że coraz wcześniejsza utrata pokrywy śnieżnej, zwiastująca szybsze zakończenie zimy, sprzyja powstawaniu na wysokich i średnich szerokościach w okresie wiosenno-letnim pasa letnich anomalii temperatury i ciśnienia. Czyli sprzyja ona tworzeniu się silnych, ciepłych i suchych wyżów, co też powoduje tworzenie się latem w zachodniej części Arktyki silnych wiatrów cyklonicznych, hamujących transport lodu z Arktyki przez Cieśninę Frama do Morza Grenlandzkiego i północnego Atlantyku. Powstające dzięki temu układy atmosferyczne, tzw. quasi-rezonasowe amplifikacje (QRA – Quasi-Resonant Amplification) (Michael Mann et al., 2018), dzięki spowalnianiu polarnego prądu strumieniowego, wzmacniają w atmosferze planetarne fale Rossby’ego oraz są główną przyczyną tego, że na średnich i wysokich szerokościach geograficznych półkuli północnej, w Azji, Europie i Ameryce Północnej, mają miejsce coraz częstsze ekstremalne zjawiska pogodowe, takie jak fale upałów, susze czy pożary oraz nawalne opady deszczu i powodzie.

–

W każdym razie po ponad dekadzie jest mniej lodu wieloletniego niż rocznego

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

Podsumowując temat, należy stwierdzić, że w wielu przeprowadzonych badaniach, dotyczących lodu arktycznego, naukowcy są zgodni, że w drugiej połowie lata częste zachmurzenie nieba nad Arktyką oraz silne wiatry cykloniczne wiejące w jej zachodniej części, sprzyjają zwiększeniu odbijania się promieni słonecznych z powrotem w przestrzeń kosmiczną, głównie od jasnych powierzchni chmur, ale i też od jasnych powierzchni lodu, który wówczas wolniej topnieje, gdy dociera mniej promieni słonecznych do tego regionu polarnego. Również w okresie letnim obecność częstych ośrodków niżowych, sprzyja dość częstym lokalnym opadom śniegu, choć w sezonie letnim, gdy panują bardzo wysokie temperatury w Arktyce, także opadom deszczu. Dzięki czemu topnienie lodu morskiego od 2012 roku nie jest tak szybkie jak chociażby w pierwszej dekadzie XXI wieku, gdy występowały na dłużej układy wyżowe, dawniej charakterystyczne dla Arktyki.

–

Czy będzie Blue Ocean Event?

Jednak w obecnej dekadzie jeszcze wszystko może ulec zmianie. Częstość zdarzeń póżnoletnich jak w 2012 i 2020 r. może się w przyszłości zwiększyć bądź nie, tego nie wiemy. Ale klimat ziemski się ociepla i następne takie wydarzenie może być jeszcze bardziej dotkliwe, grożąc pojawieniem się tzw. „Blue Ocean Event” (zdarzenie błękitnego oceanu) w Arktyce. Czyli roku prawie bez lodu morskiego we wrześniu. Mniej niż 1 milion kilometrów kwadratowych.

Autorzy powyżej opisanej pracy naukowej napisali:

Nad Arktyką dipolowy wzorzec wysokiego ciśnienia w zachodniej Arktyce wraz z anomalnie niskim ciśnieniem nad środkową Syberią tworzy anomalny przepływ wiatru, który sprzyja silnemu wirowi Beauforta, eksportowi lodu do północnego Atlantyku i anomalnie ciepłym temperaturom powietrza nad Arktyką Ocean Arktyczny (rysunek S3), przyczyniając się do ogólnego zmniejszenia zasięgu lodu morskiego.

Właśnie to się wydarzyło w latach 2012 i 2020.

–

Stan z 2022 r.: Arktyka ociepla się dwa i pół razy szybciej niż reszta świata

Na podstawie raportu z 2022 r. NOAA „Arctic Report Card: Update for 2022” na temat stanu kriosfery na półkuli północnej, Thomas Ballinger z Uniwersytetu Alaski w Fairbanks wraz ze swoim zespołem badawczym, zauważył, że obecnie Arktyka ociepla się dwa i pół razy szybciej niż wynosi średnia światowa. Autorzy napisali w nim następująco 3:

–

Rys.9. Rok wodny (od października do września) Anomalie średniej temperatury powierzchni powietrza w Arktyce i na świecie (°C) dla (a) obszarów lądowych i oceanicznych, (b) tylko lądowych i (c) tylko oceanicznych w latach 1900- 2022. Anomalie przedstawiono w odniesieniu do poziomu bazowego z lat 1991-2020. Źródło: Dane SAT pochodzą z NASA GISTEMP

–

Miniony rok wodny (październik 2021 – wrzesień 2022) był szóstym najcieplejszym dla Oceanu Arktycznego i obszarów lądowych na północ od 60° N od 1900 r. (ryc. 1a). Temperatury powietrza przy powierzchni były o 0,73°C wyższe niż średnia z lat 1991-2020, kontynuując powszechny, niedawny schemat, w którym roczne temperatury zarówno przekroczyły 30-letnią średnią arktyczną, jak i były wyższe niż średnia globalna. Łącznie z ubiegłym rokiem, wszystkie dziesięć najcieplejszych lat obserwowanych w Arktyce miało miejsce od 2011 r. (ryc. 1a).

–

Referencje:

David Schröeder et al., 2014 ; September Arctic sea-ice minimum predicted by spring melt-pond fraction ; Nature Climate Change ; https://www.researchgate.net/publication/261798050_September_Arctic_sea-ice_minimum_predicted_by_spring_melt-pond_fraction
Notz D. et al., 2016 ; Observed Arctic sea-ice loss directly follows anthropogenic CO2 emission ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aag2345
Kashiwase H. et al., 2017 ; Evidence for ice-ocean albedo feedback in the Arctic Ocean shifting to a seasonal ice zone ; Nature Scientific Reports ; https://www.nature.com/articles/s41598-017-08467-z
Tilling R. L. et al., 2018 ; Estimating Arctic sea ice thickness and volume using CryoSat-2 radar altimeter data ; Advances in Space Research ; https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0273117717307901
Kwok R., 2018 ; Arctic sea ice thickness, volume, and multiyear ice coverage: losses and coupled variability (1958–2018) ; Environmental Research Letters ; https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/aae3ec
Rothrock D. A. et al., 1999 ; Thinning of the Arctic sea-ice cover ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/1999gl010863
Moore G. W. K. et al., 2018 ; What Caused the Remarkable February 2018 North Greenland Polynya? ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2018GL080902
Schweiger A. J. et al., 2021 ; Accelerated sea ice loss in the Wandel Sea points to a change in the Arctic’s Last Ice Area ; Communications Earth & Environment ; https://www.nature.com/articles/s43247-021-00197-5
Małecki J., 2021 ; Ostatni obszar lodu ; Nauka o klimacie ; https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/ostatni-obszar-lodu/
World Meteorological Organization, 2020 ; Arctic research expedition ends ; WMO ; https://public.wmo.int/en/media/news/arctic-research-expedition-ends
Francis J. A. et al., 2020 ; Why has no new record-minimum Arctic sea-ice extent occurred since September 2012? ; Environmental Research Letters ; https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/abc047
Ballinger T. J. et al., 2022 ; Arctic Report Card: Update for 2022. The warming Arctic reveals shifting seasons, widespread disturbances, and the value of diverse observations ; Arctic Program ; https://arctic.noaa.gov/Report-Card/Report-Card-2022/ArtMID/8054/ArticleID/992/Surface-Air-Temperature

Leave a Comment Cancel Reply