Haruhiko Kashiwase z Tomakomai National College of Technology Department of Engineering of Innovation w Hokkaido wraz ze swoim zespołem naukowym zaobserwowali i opisali w swojej pracy z 15 sierpnia 2017 roku „Evidence for ice-ocean albedo feedback in the Arctic Ocean shifting to a seasonal ice zone” [„Dowody na sprzężenie zwrotne albedo lodowo-oceanicznego na Oceanie Arktycznym przechodzącego w sezonową strefę lodową”], zamieszczonej w czasopiśmie Scientific Reports, że dodatnie sprzężenie zwrotne albedo lodu i śniegu ma duży związek ze zwiększeniem się nagrzewania odkrytych ciemniejszych powierzchni oceanicznych. 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:
a) znaczne zmniejszenie zasięgu lodu letniego
b) przerzedzenie lodu morskiego
c) 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.
—-
Rys.1. Mapa Oceanu Arktycznego ze średnim stężeniem lodu morskiego we wrześniu w latach 1979–2014. Przeprowadzono analizę budżetu cieplnego i obliczenie dywergencji lodu dla obszaru wachlarzowego. Dla obszaru prostokątnego zastosowano model uproszczony. Mapa została narysowana przez GrADS 2.0.2 (dostępne z http://cola.gmu.edu/grads/grads.php ).
—-
Zespół Haruhiko Kashiwase wybrał do swych celów badawczy Arktyki, sektor pacyficzny, 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 stopionych zamiast lodu, zmniejsza albedo lodu, ale za to zwiększa powierzchnię 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:
a) wielokanałowy mikrofalowy radiometr (SMRR – Scanning Multichannel Microwave Radiometer)
b) obronny meteorologiczny program satelitarny (DMSP – Defence Meteorological Satellite Program)
c) specjalistyczny obrazowy czujnik mikrofalowy (SSM/I i SSMIS – Special Sensor Microwave Imager)
Do pomiaru prędkości dryfu lodu morskiego wykorzystano zestaw czujników dostarczonych przez NSIDC:
AMSR-E , SSM/I , AVHRR , boje IABP
Temperatura powietrza i temperatura punktu rosy na wysokości 2 metrów, prędkość wiatrow 10 m/s i całkowite zachmurzenie, zostały pozyskane z globalnej ponownej analizy ERA-Interim, opracowanej przez Europejskie Centrum Średnioterminowych Prognoz Pogody (ECMWF – European Centre for MediumRange Weatheer Forecasts).
—-
Według, zamieszczonej w Nature Climate Change, pracy Dusty’ego Schröedera i jego współpracowników z 20 kwietnia 2014 roku, zatytułowanej „September Arctic sea-ice minimum predicted by spring melt-pond fraction” [„Wrześniowe arktyczne minimum lodu morskiego przewidywane przez frakcję roztopionych stawów”], powierzchnia lodu morskiego w Arktyce we wrześniu zmniejszyła się z około 7 mln km 2 w latach 90. do mniej niż 5 mln km 2 w ciągu pięciu z ostatnich siedmiu lat, z rekordowym minimum 3,4 mln km 2 w 2012 r.
—-
Fot.1. Staw roztopowy w Arktyce. Credit: dpa picture alliance / Alamy Stock Photo.
—-
Naukowcy wywnioskowali, 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. Badanie to daje wkład do tego by jeszcze bardziej ulepszyć modele klimatyczne przewidywania dynamiki lodu morskiego w Arktyce w najbliższych latach.
—-
Rys.2. Zmienność czasowa obszaru arktycznego stawu roztopowego.
a. Roczny cykl arktycznej średniej części obszaru lodu morskiego pokrytego przez odsłonięte stawy roztopowe w naszej symulacji CICE. Obszar zacieniony na szaro przedstawia zakres frakcji stawowej symulowanej w okresie 35 lat.
b. Szeregi czasowe znormalizowanej frakcji stawowej (średnia z okresu od 25 czerwca do 25 lipca).
(Dusty Schröeder i inni, 2014)
—-
Naukowcy piszą w swojej pracy:
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 ułamkiem 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 (rys. 3a [w książce rys.186a]). Należy zauważyć, że nie ma istotnej korelacji między obszarem zlodzenia maja i czerwca a zasięgiem zlodzenia września (rysunek uzupełniający 1).
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 cz też pogoda słoneczna i/lub burzowa i wietrzna; jak np. w 2012 roku).
Naukowcy pomiarów grubości i objętości lodu dokonali przy pomocy modelu lodu morskiego Los Alamos CICE – dynamiczno-termodynamicznego modelu lodu morskiego przeznaczonego do włączenia do globalnego modelu klimatu. Ponadto w modelu CICE, naukowcy wdrożyli dwa dodatkowe podrzędne modele:
a) model prognostyczny dla stawów roztopowych
b) rozdzielny (klastyczny) model anizotropowo-plastyczny (EAP), 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.
—-
Zespół naukowy pod kierownictwem Alexandry Jahn, adiunkt na Wydziale Nauk Atmosferycznych i Oceanicznych oraz członkini w Instytucie Badań Arktycznych i Alpejskich (IAAR – Institute of Arctic and Alpine Research) na Uniwersytecie w Colorado, używając Środowiskowych Modeli Systemu Ziemi (CESM – Community Earth System Model), w pracy „How predictable is the timing of a summer ice‐free Arctic?” [„Jak przewidywany jest czas Arktyki wolnej od lodu w porze letniej?”], zamieszczonej 16 sierpnia 2016 roku w czasopiśmie Geophysical Research Letters, stwierdził, że cały system klimatyczny jest w pewnym sensie chaotyczny i zarówno naturalna zmienność klimatyczna dynamiki arktycznego lodu morskiego, jak i wpływ antropogenicznego wymuszenia radiacyjnego pomiędzy scenariuszami emisji gazów cieplarnianych RCP 4.5 a RCP 8.5, dają duży zakres niepewności w prognozach klimatycznych.
Za pomocą symulacji modeli CESM (LE), CESM (ME) i CESM 1-CAM5, naukowcy w niniejszym artykule poszukali odpowiedzi na temat wpływu wewnętrznej zmienności i niepewności scenariusza na prognozy klimatyczne, badając wrześniowe topnienie lodu.
jeśli ludzkość nie podejmie stanowczych działań znaczniejszych redukcji emisji gazów cieplarnianych, to Arktyka po raz pierwszy późnym latem może być wolna od lodu już w 2032 roku.
W badaniu tym też obliczono, że naturalna zmienność w systemie arktycznym wyniosła około dwóch dekad niepewności. Oznacza to, że każda prognoza letnia bez lodu może wymagać 20-letniego okna, aby uwzględnić wpływ zjawisk i procesów naturalnych.
—-
Rys.3. (a) Wrześniowy zasięg lodu morskiego na podstawie symulacji modeli CMIP5, które mają wielkość zespołu 5 lub większą dla scenariusza wysokich emisji RCP8.5 i symulacji historycznych oraz zasięg lodu morskiego, według danych NSIDC (gruba brązowa linia), a także (b) histogram roczny, w którym po raz pierwszy przekroczono próg 1 miliona km2 bez lodu dla średniej wrześniowej w modelach CMIP5, w porównaniu z symulacją modelu CESM LE.
—-
Naukowcy twierdzą, że wyniki modelu CESM LE i CESM ME pokazują, że z powodu samych wewnętrznych naturalnych zmienności nie można jeszcze przewidzieć czasu letniej Arktyki bez lodu, z niepewnością mniejszą niż 21 lat.
—-