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.
To byłby po prostu koniec wielokomórkowego życia na planecie, a może nawet w wielu przypadkach zredukowałoby to szczepy wielu bakterii przystosowanych do chłodniejszych warunków. Jedynie mogłyby przeżyć bakterie ekstremofilne tak ogromny napływ ciepła do atmosfery. Możliwe, że warunki stałyby się podobne do tych z archaiku gdy nie było jeszcze tlenu w atmosferze Ziemi.
Mogłoby też wówczas nastąpić odwrócenie katastrofy tlenowej (oksydacyjnej), tej z okresu 2,5 miliarda lat temu, gdy wiele beztlenowych organizmów musiało wyginąć podczas ekspansji organizmów tlenowych (zwłaszcza fotosyntetycznych), a „niedobitki beztlenowe” musiały wycofać się do takich nisz ekologicznych jak chociażby kominy hydrotermalne w rowach oceanicznych tam gdzie zachodzi oceaniczny spreading, czyli rozszerzanie się dna oceanicznego w strefie podwodnych trzęsień ziemi i obecności podwodnych wulkanów. Jakby nie było, życie narodziło się w oceanach, i to w warunkach beztlenowych.
Praca zespołowa Lijinga Chenga z Międzynarodowego Centrum Nauk o Klimatu i Środowisku oraz Instytutu Fizyki Atmosfery w Chińskiej Akademii Nauk, w Pekinie, napisana w 2017 r., zatytułowana „Improved estimates of ocean heat content from 1960 to 2015” [„Ulepszone szacunki zawartości ciepła w oceanie od 1960 do 2015 roku”], pokazuje wyraźnie, że pomiary zawartości ciepła w oceanie (OHC – Ocean Heat Content) i wzrostu poziomu morza (SLR – Sea Level Rise) są skuteczniejsze niż pomiar średniej globalnej temperatury powierzchni (GMST – Global Mean Surface Temperature).
Podczas pomiarów, sygnał trendu ocieplenia z szumu zaburzających go zmienności klimatycznych, np. oscylacji południowopacyficznej El Niño (ENSO – El Niño-Southern Oscillation) można wykryć szybko. OHC w ciągu 3,9 lat, a SLR w ciągu 4,6 lat. Natomiast dla GMST potrzeba aż 27 lat.
W każdym razie nie jest dobrze. Oceany nagrzewają się i podnosi się ich poziom coraz szybciej, choć mimo wszystko znacznie wolniej niż atmosfera, ale tylko dlatego, że mają ogromną bezwładność i pojemność cieplną.
Autorzy piszą w pracy:
Na podstawie zrekonstruowanych pól temperatury i związanych z nimi słupków błędu, miesięczne zmiany OHC w zakresie od 0 do 700 i od 700 do 2000 m (rys. 4A) [w moim artykule: 1A] wykazują znaczne ocieplenie w ciągu ostatnich 56 lat. Silniejsza tendencja do ocieplania się oceanów istnieje od późnych lat 80. na głębokości od 0 do 700 i od 700 do 2000 m, w porównaniu z latami 60-80 XX wieku.
Naukowcy analizując zawartość cieplną oceanów (OHC) w podanym okresie osiągnęli następujące wyniki obliczając energię cieplną w dżulach (Joule – J) i strumień promieniowania podczerwonego w watach na metr kwadratowy (W / m2):
Na rysunku 1 (oryginalnie – rys. 4), na wykresie lewym widać obliczoną zawartość cieplną w oceanach (OHC). Liniowy trend OHC na głębokości od 0 do 700 m wynosił:
-
0,15 ± 0,08 × 1022 J / rok (strumień energii w podczerwieni: 0,09 ± 0,05 W / m2) w latach 1960–1991
-
0,61 ± 0,04 × 1022 J / rok (strumień energii w podczerwieni: 0,38 ± 0,03 W / m2) w latach 1992–2015.
Można wyciągnąć z tego wniosek, że trend ocieplenia oceanów na głębokości od powierzchni do 700 m, z lat 1992-2015 był czterokrotnie silniejszy niż w latach 1960–1991.
Liniowy trend OHC na głębokości od 700 do 2000 m wynosił:
-
0,04 ± 0,08 × 1022 J / rok (strumień energii: 0,02 ± 0,05 W / m2) w latach 1960–1991
-
0,37 ± 0,02 × 1022 J / rok (strumień energii: 0,23 ± 0,02 W / m2) w latach 1992–2015.
A tutaj z kolei, na głębokości od 700 do 2000 m jest zaznaczony jeszcze większy wzrost, bo aż dziewięciokrotnie silniejszy w latach 1992-2015 niż w latach 1960–1991.
Jak widać, obserwujemy przyspieszone wprowadzanie ciepła do obu warstw oceanów, zarówno od 0 do 700 m, jak i 700 do 2000 m. Przyspieszenie jest najprawdopodobniej związane z rosnącą nierównowagą energetyczną Ziemi (EEI – Earth’s Energy imbalance) w czasie.
—-
—-
Rys. 1 [oryginalnie rys. 4] Globalne szeregi czasowe zmian OHC.
( A ) OHC od 0 do 700 m (niebieski), 700 do 2000 m (czerwony) i 0 do 2000 m (ciemnoszary) od 1955 do 2015, jak uzyskano w tym badaniu, z niepewnością przedziału ± 2σ pokazaną na zacienienie. Wszystkie szeregi czasowe nowej analizy są wygładzane przez 12-miesięczny filtr średniej kroczącej w stosunku do okresu bazowego 1997–2005. ( B ) Nowe oszacowanie porównuje się z niezależnymi szacunkami NCEI z jego SE jako linie przerywane. Zarówno OHC 0 do 700 m, jak i OHC 700 do 2000 m są pokazane od 1957 do 2014 r. Linia bazowa szeregów czasowych z NCEI jest dostosowywana do wartości bieżącej analizy w latach 2005–2014 (Rys.4 Lijing Cheng i in., 2017)
—-
Na prawym wykresie rysunku 1 (w pracy naukowej rys. 4) pokazane jest porównanie badań zespołu Chenga z pomiarami Narodowego Centrum Informacji o Środowisku, czyli NCEI (National Centre Environment information) instytucji rządowej NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), w którym analiza oszacowania wzrostu zawartości cieplnej oceanów (OHC) dla głębokości w oceanach od 0 do 700 m i od 700 do 2000 m, ukazała wyraźniejszy trend długoterminowych zmian w latach 2005-2010.
Autorzy zauważają też, że przyspieszone ocieplenie nastąpiło przede wszystkim w oceanach na półkuli południowej, w tym w Oceanie Południowym zaobserwowane dzięki globalnym pomiarom temperatury przez pływaki autonomiczne w projekcie Argo od 2004 roku oraz dzięki satelitarnym pomiarom wzrostu poziomu morza od 1993 roku. Ogólnie, aktualne szacunki OHC wskazują, że trend ocieplania oceanów przyspieszył od 1960 roku.
Badania zespołu Chenga i NCEI wcześniej pokazały, że do lat 80 XX w. mniej więcej ocieplenie oceanów zatrzymywało się na głębokości około 700 m. Od tamtego czasu zaczęło przenikać głębiej. Dziś jak już wiadomo sięga do głębokości 2000 m. W każdym razie w trakcie globalnego zapylenia atmosfery (1950-1980) sygnał ocieplenia oceanów był nieznaczny. Teraz jest wyraźniejszy.
—-
Trzy lata później, 27 stycznia 2020 roku, w czasopiśmie Link Springer, ukazuje się jedna z najważniejszych prac naukowych w pomiarach wzrostu zawartości ciepła oceanicznego „Record-Setting Ocean Warmth Continued in 2019” [„Rekordowe ocieplenie oceanu utrzymało się w 2019 r”], której głównym autorem jest także Lijing Cheng, a współautorami są min. Kevin Trenberth z Narodowego Centrum Badań Atmosferycznych w Boulder, w Kolorado oraz Michael Mann z Wydziału Meteorologii i Nauk o Atmosferze na Uniwersytecie Stanowym Pennsylvanii.
W pracy tej przedstawiony został wykres, na którym już wzrost zawartości ciepła w oceanach został zarejestrowany na głębokościach poniżej 2000 m nawet do dna. I ten przyrost jest dosyć duży. W poprzednich publikacjach tuż przed i po wydaniu V Raportu IPCC był nie tylko mniejszy przyrost roczny w zetadżulach (dżulach x 10 22), ale i też na większej głębokości jeszcze nie był zaznaczony przyrost poniżej 2 kilometrów. Oceany bardzo szybko ocieplają się na co szczególną uwagę zwracają autorzy pracy. A piszą tak:
Ewolucja OHC (rys. 1) [przypis autorski: rys. 2] pokazuje, że górne 2000 m OHC w 2019 r. wynosiło 228 ± 9 ZJ (2,28 x 1023 ± 9 x 1021 J) powyżej średniej z lat 1981–2010. Rekordowe ciepło oceanu znajduje się również w pomiarach National Oceanic and Atmospheric Administration / National Center for Environmental Information (NOAA / NCEI), pokazujące 217 ± 4 ZJ (2,17 x 1022 J) w 2019 r. powyżej średniej z lat 1981-2010 (o 21 ZJ (2,1 x 1022 J) więcej niż w 2018 r. – patrz: tabela 1)
—-
Tab.1. Wartości zawartości cieplnej oceanów (OHC) to anomalie (jednostki: ZJ) w stosunku do średniej z lat 1981–2010.
| Ranga | Rok | IAP | NOAA/NCEI |
| 1 | 2019 | 228 | 217 |
| 2 | 2018 | 203 | 196 |
| 3 | 2017 | 193 | 189 |
| 4 | 2015 | 185 | 180 |
| 5 | 2016 | 180 | 164 |
—-
—-
Rys. 2 [oryginalnie rys. 1a] Wykres zmian globalnej zawartości ciepła w oceanach w górnych 2000 metrów oceanu, przedstawiający średnią miesięczną w ujęciu rocznym w porównaniu ze średnią roczną w latach 1955–2019. Dzięki uprzejmości NOAA/NCEI i IAP. (Rys.1a Lijing Cheng i in., 2020)
—-
Należy też być ostrożnym w pomiarach OHC, gdyż w postaci szumu często występują naturalne zmienności klimatyczne takie jak np.: oscylacje oceaniczne ENSO (chłodna La Niña vs ciepłe El Niño), które zakłócają sygnał oznaczający antropogeniczny wzrost ocieplenia oceanów. Mogą też pojawić się błędy w pomiarach instrumentalnych, dlatego też ważną kwestią w poprawnych obliczeniach jest dłuższy przedział czasowy, czyli długotrwały trend ocieplania się oceanów. Metodą mniejszych kwadratów obliczono dwa trendy czasowe:
a) Okres czasowy 1955-1986
b) Okres czasowy 1987-2019
Po raz pierwszy budżet cieplny został przedstawiony powyżej głębokości 2000 m aż do dna. Na wykresie poniższym widać podział zawartości ciepła na czterech poziomach głębokości:
a) Od powierzchni do 300 m
b) Od 300 do 700 m
c) Od 700 do 2000 m
d) Od 2000 m do dna oceanów
Naukowcy dokładnie przeanalizowali zawartość cieplną oceanów (OHC). Po dokładnym oszacowaniu stwierdzili (tak jak widać to na wykresie):
Nowe wyniki wskazują na całkowitą głębinowe ocieplenie oceanów o 370 ± 81 ZJ (równe ogrzewaniu netto 0,38 ± 0,08 W / m2 na powierzchni globu) w latach 1960-2019, przy udziale 41,0%, 21,5%, 28,6% i 8,9% odpowiednio dla warstw 0–300 m, 300–700 m, 700–2000 m i poniżej 2000 m.
—-
—-
Rys. 3 [oryginalnie rys. 2]. Budżet ciepła oceanicznego od 1960 do 2019 na podstawie danych z analizy IAP od 0 do 2000 m oraz z pracy Purkeya i Johnsona (2010 r.) dla głębokich zmian oceanów poniżej 2000 m (jednostki: ZJ). Rysunek zaktualizowany na podstawie Cheng i in. (2017). Anomalie są związane z linią bazową z lat 1958-1962, a szeregi czasowe są wygładzane przez lokalnie ważone wygładzanie rozrzutu na wykresie (LOWESS – locally weighted scatterplot smoothing) o rozpiętości 24 miesięcy. Szare linie przerywane to 95% przedział ufności całkowitego budżetu ciepła oceanu. (Rys.2 Lijing Cheng i in., 2020)
—-
W ostatnich czasach systemy obserwacji oceanów zostały mocno ulepszone. Dowodzi tego praca fizyka z Uniwersytetu w Tuluzie, Benoita Meyssignaca, zatytułowana „Measuring Global Ocean Heat Content to Estimate the Earth Energy Imbalance” [„Pomiar globalnej zawartości ciepła w oceanie w celu oszacowania nierównowagi energii Ziemi”], którą przedstawił wraz ze swoim zespołem w 2019 r na łamach czasopisma Frontier in Marine Science.
Kluczowe techniki pomiarowe to:
a) bezpośrednie obserwacje temperatury in situ
b) satelitarne pomiary strumieni ciepła netto na powierzchni oceanu
c) satelitarne oszacowania rozszerzalności cieplnej oceanu
d) ponowne analizy oceanów, które uwzględniają obserwacje z instrumentów satelitarnych i in situ
—-
Wracając jeszcze do pracy poprzedniej.
Cheng i jego współpracownicy zauważyli, że Atlantyk i Ocean Południowy, zwłaszcza wokół Prądu Antarktycznego Okołobiegunowego na południowej szerokości geograficznej 40–60°S , ocieplają się najszybciej na Ziemi. W szczególności Ocean Południowy w obszarze polarnym na południe od 30°S w latach 1970-2017 przyczynił się do wzrostu globalnego aż o 35–43 % na głębokości 0-2000 metrów, tak stwierdza w swojej pracy zespołowej Michael Meredith z Brytyjskich Badań Antarktyki (BAS – British Antarctic Survey), jeden z czołowych autorów rozdziału 3: Regionu polarne, zamieszczonego w specjalnym raporcie IPCC z września 2019 r. zatytułowanego „The Ocean and Cryosphere in a Changing Climate” [„Ocean i kriosfera w zmienianiu klimatu”].
Dzięki systematycznemu badaniu energii cieplnej z automatycznych pływaków, między innymi w systemie Argo oraz z jeszcze używanych batytermografów naukowcom w XXI wieku udało się coraz lepiej oszacować ocieplenie oceanów.
—-
Referencje:
- Levitus S. et al., 2012 ; World ocean heat content and thermosteric sea level change (0–2000 m), 1955–2010 ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2012GL051106
- Cheng L. et al., 2017 ; Improved estimates of ocean heat content from 1960 to 2015 ; Science Advances ; https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.1601545
- Cheng L. et al., 2019 ; Record-Setting Ocean Warmth Continued in 2019 ; Advances in Atmospheric Sciences ; https://www.researchgate.net/publication/338568129_Record-Setting_Ocean_Warmth_Continued_in_2019
- Meredith M. et al., 2019 ; Polar Regions ; IPCC: Special Report on The Ocean and Cryosphere in a Changing Climate ; https://www.ipcc.ch/srocc/
- Meyssignac B. et al., 2019 ; Measuring Global Ocean Heat Content to Estimate the Earth Energy Imbalance ; Ocean Observation ; https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2019.00432/full
- Ma X. et al., 2020 ; Dependence of regional ocean heat uptake on anthropogenic warming scenarios ; Science Advances ; https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abc0303