Polarny prąd strumieniowy a arktyczna amplifikacja a wir polarny

O wielu rzeczach, które dzieją się w przyrodzie: w ekosystemach czy w klimacie dowiadujemy się dopiero po jakimś czasie. Często trwa to nawet kilka lat, gdyż tyle czasu często zajmują dokładne analizy obliczeniowe. Tak jest chociażby z obecną sytuacją pogodową i klimatyczną, która rozpoczęła się w grudniu i w dużym stopniu wpłynęła na poważne perturbacje w systemie klimatycznym Ziemi przynosząc nam po trzech latach znowu dość mroźną i śnieżną zimę na wielu średnich szerokościach, w tym w Europie. Sprawcą tego zamieszania był rozbity wir polarny, który swoimi jęzorami lodowatego powietrza prosto ze stratosfery naprzemiennie zakłócał i nie zakłócał przebiegu polarnego prądu strumieniowego (polarnego jet streamu), którego z kolei dynamika jest bardzo ważna w zakresie powiązań ze wzmacnianiem lub osłabianiem arktycznego wzmocnienia (amplifikacji), a więc miało i ma to też związek z kondycją lodu morskiego w Arktyce.

Wzmocnienie arktyczne (amplifikacja arktyczna), po raz pierwszy zbadane w 1969 roku, w pracy “The effect of solar radiation variations on the climate of the Earth” [„Wpływ zmian promieniowania słonecznego na klimat Ziemi”]. przez rosyjskiego klimatologa Michaiła Budyko, polega na zmniejszeniu się różnicy temperatur pomiędzy równikiem a biegunem północnym. Przyczyną jest zmniejszanie się albedo lodu, gdy jego zasięg zmniejsza się kosztem powstawania otwartych ciemnych toni wodnych absorbujących promieniowanie słoneczne. Ten proces amplifikacji powoduje, że są coraz częstsze lata, gdy polarny prąd strumieniowy, czyli polarny prąd strumieniowy, płynie coraz wolniej meandrując i przynosząc z sobą wiosną, latem i jesienią wydłużone okresy nawalnych opadów deszczu lub suszy, a zimą gwałtownych śnieżyc. Te ostatnie jednak zaznaczają się bardziej krótkotrwałymi okresami. 30-40 lat temu, gdy polarny prąd strumieniowy płynął częściej wartko i dość szybko, nie miało to dużego wpływu na częstość ekstremalnych zjawisk pogodowych.

—-

——

Rys.1. Anomalie temperatury (°C), czyli odchylenia temperatur w latach 2000-2009 od średniej z okresu 1951-1980. Rysunek wykorzystuje dane z naziemnych obserwacji temperatury powierzchni Ziemi (obejmujących pomiary prowadzone przez statki i boje ) zgromadzone w bazie danych NASA GISS, dzięki uprzejmości Roberta Simmona z NASA.

—-

Naukowcy szacują w swych modelach klimatycznych, że w przyszłych dziesięcioleciach polarny prąd strumieniowy będzie częściej wolno płynąć niż szybko co będzie wpływało na zmniejszenie częstotliwości frontu polarnego, podczas którego, polarne masy powietrza zderzają się ze zwrotnikowymi.

Jak już wspomnieliśmy, zwolnienie polarnego prądu strumieniowego ma również związek ze wspomnianą już amplifikacją Arktyki. To ostatnie spostrzeżenie zostało po raz pierwszy zaobserwowane w 2012 roku przez amerykańskich naukowców Jennifer Francis z Rutgers University oraz Stephena Vavrusa z University of Wisconsin-Madison w pracy „Evidence linking Arctic amplification to extreme weather in mid‐latitudes” [„Dowody łączące wzmocnienie Arktyki z ekstremalnymi warunkami pogodowymi na średnich szerokościach geograficznych”].

Pokrywa lodu morskiego w Arktyce szybko kurczy się z dekady na dekadę i obecnie jest już znacznie mniej grubego lodu wieloletniego, a znacznie więcej cienkiego lodu rocznego. Zaburzenia pogodowe w Arktyce powodują coraz częstszą adwekcję bardzo ciepłych mas powietrza z niższych szerokości geograficznych, a polarne masy powietrza często spływają z niej właśnie na niższe szerokości geograficzne.

Z kolei, nowsza praca z listopada 2020 roku „Why has no new record-minimum Arctic sea-ice extent occurred since September 2012?” [„Dlaczego od września 2012 r. nie wystąpił nowy rekordowo minimalny zasięg lodu morskiego w Arktyce?”], napisana przez Jennifer Francis, już pracującej w Woods Hole Research Center i chińskiego doktora Bingyi Wu z Uniwersytetu w Fundan, mówi o tym, że do tej pory od 2012 roku nie padł rekord najmniejszego zasięgu lodu morskiego w Arktyce, bo główna przyczyna tego jest taka, że obszary polarne są przez większość roku bardziej zachmurzone.Zachmurzenie nieba arktycznego prawie przez całe lato, zwłaszcza pod jego koniec na przełomie sierpnia i września aż do około połowy tego ostatniego miesiąca, trwające często w okresie 2014-2020 , sprzyja na razie temu, że lód morski wolniej topnieje w sezonie wiosenno-letnim, zwłaszcza w drugiej połowie lata. Przyczyną tego jest coraz częstsze wolne meandrowanie naszego głównego bohatera powyższego artykułu – polarnego prądu strumieniowego, który sprawia, zwłaszcza gdy tworzy się falowód sinusoidalnych fal planetarnych Rossby’ego, że w klinczu frontu polarnego na wyższych szerokościach w kierunku bieguna tworzą się układy niżowe z bardzo specyficznym zachmurzeniem nieba arktycznego, a na niższych szerokościach w kierunku zwrotników tworzą się na średnich szerokościach specyficzne układy wyżowe, mroźne zimą czy też upalne latem charakteryzujące się długotrwałymi okresami. Zachmurzenie nieba arktycznego, zwłaszcza chmur niskich, także sprzyja zwiększeniu odbijania się promieni słonecznych od jasnych ich powierzchni z powrotem w przestrzeń kosmiczną (zwiększenie albedo chmur). A przez miesiące letnie zaleganie dość 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 zalegały na dłużej układy wyżowe, dawniej charakterystyczne dla Arktyki.                                                                                                                              Trudno powiedzieć jak zachowa się polarny prąd strumieniowy (polarny jet stream) na półkuli północnej, ale według obliczeń zawartych w pracy z 2018 roku „Projected changes in persistent extreme summer weather events: The role of quasi-resonant amplification” [„Przewidywane zmiany w utrzymujących się ekstremalnych letnich zdarzeniach pogodowych: Rola wzmocnienia quasi-rezonansowego”], zespołu naukowego Michaela Manna z Penn State University, ten stratosferyczny wiatr przyspieszy, gdy na średnich szerokościach (głównie w Chinach i w Indiach) ustaną emisje aerozoli rozpraszających promieniowanie słoneczne, co spowoduje takie samo ocieplanie tychże szerokości jak w Arktyce albo nawet szybsze dzięki większemu dopływowi do nich strumienia słonecznego. A to z kolei wpłynie na przyspieszenie biegu polarnego prądu strumieniowego.

—–

——

Rys.2. Fale Rossby’ego na prądzie strumieniowym. Cienkie, kolorowe kreski pokazują kierunek i prędkość przepływu powietrza w wyższych partiach atmosfery, kolory żółty, pomarańczowy, czerwony oznaczają kolejno coraz większe prędkości. Duże niebieskie i czerwone strzałki pokazują kierunki napływu ciepłych (czerwone) i chłodnych (niebieskie) mas powietrza. Duże litery W oznaczają obszary wyżów a N – niżów atmosferycznych. Tło stanowi wizualizacja NASA Visualization Studio.

—–

Możliwe, że na jakiś okres czasu wystąpią takie same układy pogodowe jak w poprzednim wieku i będzie miało to związek ze zmniejszeniem długości naprzemiennych okresów susz z falami upałów i pożarami oraz opadów deszczu wraz występowaniem powodzi. Jednak gdy emisje gazów cieplarnianych znowu przyspieszą to będzie się to wiązało znowu ze wzmocnieniem arktycznym oraz ponownie coraz częstszym spowolnieniem polarnego prądu strumieniowego, a także wzmocnieniem oddziaływania ekstremalnych zjawisk pogodowych.

Praca zespołowa z 2016 roku „Role of quasiresonant planetary wave dynamics in recent boreal spring-to-autumn extreme events” [„Rola quasi-rezonansowej dynamiki fal planetarnych w ostatnich ekstremalnych wydarzeniach borealnych od wiosny do jesieni”], rosyjskiego naukowca Vladimira Petoukhova z Potsdam Institute for Climate Impact Research (PIK) wyjaśnia nam, że wolno meandrujący wiatr stratosferyczny, czyli dobrze nam znany polarny prąd strumieniowy na wysokich szerokościach geograficznych, na półkuli północnej może wtedy, wytworzyć specyficzny sinusoidalny falowód, tak zwaną falę Rossby’ego charakteryzującą się tym, że często zdarza się tak, że w porze letniej tenże falowód tworzy specyficzne wypustki (6-8), gdzie w strefie polarnej powstają układy niżowe, a w strefie zwrotnikowej wyżowe. I tak było w latach 2014-19. Mieliśmy wówczas też dość często do czynienia z zachmurzeniem Arktyki. W przyszłości, gdyby świat dalej się ocieplał według scenariusza emisji gazów cieplarnianych „biznes jak zwykle”, amplifikacja Arktyki może być jeszcze większa. Możliwe, że będziemy mieli wtedy do czynienia nawet z potrojeniem quasi-rezonansowego wzmocnienia (QRA – quasi resonant ampification) fali Rossby’ego.

—–

——-

Rys.3. Zablokowana fala Rossby’ego „uwięziona” w atmosferycznym falowodzie.

—–

Granica polarnego prądu strumieniowego, to jest front polarny, strefa opadów deszczu i burz, czyli zderzenie mas zwrotnikowego powietrza z masami polarnego. Ta strefa jest znacznie słabsza, gdy prąd strumieniowy płynie wolno sinusoidalnie. Wtedy też na dłużej powstają wzorce pogodowe takie jak długotrwałe okresy nadmiernych susz, w tym dość częstych fal upałów i pożarów czy też z drugiej strony okresy nadmiernych opadów deszczu, w tym także dość częstych powodzi.

Z taką sytuacją mieliśmy do czynienia właśnie w 2018 roku podczas bardzo upalnej wiosny i lata na średnich szerokościach półkuli północnej. Powstanie układu sinusoidalnego falowodu przyniosło z sobą wiele spektakularnych ekstremalnych zjawisk pogodowych.

Z prac wykonanych po raz pierwszy na temat fal planetarnych, na Wydziale Meteorologii w Universytecie w Reading, w Anglii przez Briana Hoskinsa z Davidem Karoly z 1981 roku „The Steady Linear Response of a Spherical Atmosphere to Thermal and Orographic Forcing” [„Stała liniowa reakcja atmosfery sferycznej na wymuszenie termiczne i orograficzne”], oraz późniejszej pracy Briana Hoskinsa z Tercio Ambrizzi’m z 1993 roku „Rossby Wave Propagation on a Realistic Longitudinally Varying Flow” [„Propagacja fal Rossby’ego na realistycznym, zmiennym podłużnym przepływie”], wynika, że w atmosferze może powstawać specyficzny układ sinusoidalny – falowód, który na obszarze koła polarnego skutecznie blokuje przepływ energii fal planetarnych z północy na południe i z południa na północ, dzięki czemu front polarny przedziela układy niżowe po stronie polarnej od układów wyżowych po stronie średnich szerokości. I właśnie takie QRA (quasi-rezonansowe wzmocnienie arktyczne) miało miejsce w 2018 roku, zarówno późną zimą (w lutym i marcu gdy po rozbiciu wiru polarnego było bardzo zimno i śnieżnie na wielu średnich szerokościach półkuli północnej), jak i wiosną i latem (od kwietnia do września, gdy panowały na tych samych szerokościach ekstremalne upały, susze i pożary w Kalifornii, Skandynawii, Portugalii, Grecji, Japonii, które dominowały nad odmiennymi zjawiskami pogodowymi jak nawalne opady deszczu czy powodzie w Pakistanie, Indiach i Bangladeszu).

Pod względem meteorologicznym, gdy podczas dodatniej fazy oscylacji północnoatlantyckiej (NAO – North Atlantic Oscillation) normalnie stabilnie płynie polarny prąd strumieniowy, mamy stały wyż azorski nad Wyspami Kanaryjskimi bliżej północno-zachodniej Afryki po stronie zwrotnikowo-tropikalnych mas powietrza oraz stały niż islandzki, który kształtuje się wówczas po drugiej stronie frontu polarnego w strefie mas powietrza polarno-arktycznego. Wtedy jest ciepło we wschodniej części USA oraz w północnej Europie. Natomiast chłodno i sucho jest na południu Europy i w basenie Morza Śródziemnego, a w północno-wschodniej Kanadzie i na zachodniej Grenlandii jest nie tylko chłodno, ale i dodatkowo tworzy się też więcej lodu morskiego.

Z kolei, gdy podczas ujemnej fazy NAO polarny prąd strumieniowy silnie meandruje, to wprawdzie jest na tym samym mniej więcej miejscu, zarówno, wyż azorski, jak i niż islandzki, ale ten drugi jest już pod wpływem zwrotnikowo-tropikalnych mas powietrza. Wówczas jest dość często bardzo chłodno i śnieżnie we wschodniej części USA. Wówczas mamy tam często do czynienia z polarnymi mroźnymi i burzowymi wiatrami tzw. Nor’easterami (północnowschodniakami), czyli bombami cyklonowymi. Również jest chłodno i sucho w północnej Europie. Natomiast jest ciepło i mokro na południu Europy i w basenie Morza Śródziemnego oraz ciepło, ale z mniejszą ilością lodu, w północno-wschodniej Kanadzie i na zachodniej Grenlandii.

Szczególnie wzbudzają zainteresowanie wśród naukowców 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.

Daniela Domeisen z ETH (Environmental Systems Science) w Zurychu i Amy Butler z NOAA Chemical Sciences Laboratory, w pracy z 2020 roku „Stratospheric drivers of extreme events at the Earth’s surface” [„Stratosferyczne czynniki wywołujące ekstremalne zdarzenia na powierzchni Ziemi„] powiedziały, 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).

—–

——

Rys.4. Ujemna i dodatnia faza oscylacji północnoatlantyckiej. Pierwsza przy falującym wolno polarnym jet streamie, a druga przy szybko płynącym polarnym prądzie strumieniowym

——

Śnieżyce (sztormy śnieżne), dość częste w Nowej Anglii, a nawet dalej 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, ale również w Europie one też występują. Np. tak było zimą na przełomie lutego i marca 2018 roku. To właśnie wtedy zaobserwowano, że temperatura w Warszawie była chłodniejsza niż na samym biegunie północnym. Do tego zdarzenia doszło po rozbiciu wiru polarnego na dwie części, gdy stratosferyczne zimno rozlało się z polarnych wysokich szerokości daleko na średnie niskie szerokości geograficzne w Ameryce Północnej i Europie.

Autorki wyżej wymienionej pracy mówią, 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 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.

Z kolei normalnie płynący szybko wir polarny podczas dodatniej fazy NAO, bez zdarzenia SSW, 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. Wówczas panuje rekordowe ciepło w Eurazji, a ekstremalne zimno pojawia się nad środkową Kanadą i środkowymi USA.

—–

—–

Rys.5. W dużej części Kanady i Stanów Zjednoczonych raz na rok lub co 2 lata występują bardzo niskie temperatury. Jest to spowodowane zapadnięciem się normalnie jednolitego wiru polarnego

Wszystkie te zawirowania pogodowe mają związek z długofalową z 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.

Jednak dalsze emisje gazów cieplarnianych znowu sprawią, że nastąpi wzmocnienie arktyczne i różnica temperatur pomiędzy biegunem północnym a równikiem znowu mocno się zmniejszy, co może oznaczać ponownie wzmocnienie ekstremalnych zjawisk pogodowych.

Podsumowując. Do tej pory było wszystko jasne. Gdy polarny prąd strumieniowy zwalniał i powoli meandrował z zachodu na wschód, to oznaczało jedno – wzmocnienie (amplifikację) arktyczne. Często też dochodziło do sytuacji jak w 2018 roku, gdy prąd ten zmieniał kierunek, a to z kolei doprowadzało do poważnego zaburzenia w troposferze., dzięki czemu tworzyły się uporczywie długo trwające układy wyżowe i niżowe, przynosząc z sobą, albo długotrwałe okresy nawalnych opadów, powodzi czy burz, albo długotrwałe okresy fal upałów, susz i pożarów. Często też przynosił w porze zimowej, z jednej strony ekstrema bardzo niskich i mroźnych temperatur, albo z drugiej strony ekstrema bardzo wysokich i ciepłych temperatur. I często takiemu zaburzeniu polarnego prądu strumieniowemu zimą towarzyszyło rozbicie wiru polarnego, dzięki czemu było znacznie cieplej w Arktyce.

Jednak druga połowa zimy 2021 przyniosła zaskakujące efekty, na których naukowe wyjaśnienie przyjdzie nam jeszcze poczekać. Rozbiciu wiru polarnego i rozlaniu się jęzorów lodowatego stratosferycznego powietrza daleko na średnie szerokości geograficzne tym razem nie towarzyszyła amplifikacja Arktyki. Wprost przeciwnie było wyraźnie bardziej chłodno w Arktyce, a polarny prąd strumieniowy mimo to też w miarę szybko płynął niezakłócony. Głównym winowajcą ekstremalnie mroźnych i śnieżnych zim na średnich szerokościach półkuli północnej był oczywiście rozbity wir polarny.

—-