Susza w obecnych czasach jest poważnym problemem cywilizacyjnym, uderzającym bezpośrednio w naszą działalność gospodarczą, głównie w sektorach: energetycznym, rolniczym i przemysłowym. Również jej ujemny wpływ coraz bardziej zaznacza się w ekosystemach lądowych.
Suszom najczęściej towarzyszą fale upałów, a także, gdy ich okres się wydłuża, dają o sobie znać wielkoskalowe pożary, o których powiemy sobie w dalszej części książki.
—-
Bramha Dutt Vishwakarma z Uczelni Nauk Geograficznych na Uniwersytecie w Bristolu, w Wielkiej Brytanii, w swojej autorskiej pracy napisał, że w 2019 roku jedna czwarta światowej populacji była dotknięta poważnym niedoborem wody przez instytut zasobów wodnych 1.
Jak wynika z wcześniejszych prac na ten temat, do 2050 roku przewiduje się, że dostępu do wody nie będzie mieć połowa ludzkości, przy kontynuacji obecnych wysokich emisji gazów cieplarnianych. Te wszystkie prognozy na przyszłość oparte są na coraz dokładniejszych modelach, dzięki czemu potrafimy zrozumieć coraz lepiej współczesną czasoprzestrzenną charakterystykę susz. Dlatego liczne grupy badawcze badają systematycznie trwające i przeszłe zjawiska suszy, aby uzyskać coraz świeższe, nowe informacje na ich temat.
Ciekawą sprawą jest to jak przebiegają badania satelitarne pomiarów wód gruntowych, czyli zmiany magazynowania wody w gruncie. Badania takie przeprowadziła misja produktów satelitarnych GRACE, które też mierzą zmiany w pokrywach lodowych Antarktydy i Grenlandii, w poziomie globalnych wód oceanicznych. Ponadto, przeprowadzane są badania mniej związane z klimatem, bo z pomiarami skał i gruntów pod względem trzęsień ziemi.
Mamy różne rodzaje susz, które charakteryzują się różnymi zmiennymi hydrologicznymi. I na przykład:
– suszę meteorologiczną ocenia się na podstawie opadów
– suszę hydrologiczną ocenia się na podstawie spływu lub poziomu zbiornika
– suszę rolniczą ocenia się na podstawie wilgotności gleby
Do badania suszy potrzebne są długie nieprzerwane obserwacje hydrologiczne.
—
Rys.1. Dane NASA GRACE pokazują, że ziemia w dużej części Doliny Środkowej Kalifornii tonie w wyniku wydobycia wód gruntowych (Bramha Dutt Vishvakarma i inni, 2019).
—
Felicia Chiang, Omid Mazdiyasni i Amir AghaKouchak, pracownicy na Wydziale Inżynierii Lądowej i Środowiskowej, na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine, przedstawili dowody powiązań wymuszania antropogenicznego z cechami meteorologicznej suszy 2.
Korzystając ze wskaźników: standaryzowanego wskaźnika opadów (SPI – Standarised Precipitation index) i standaryzowanego wskaźnika opadów i ewapotranspiracji (SPEI – Standarised Precipitation-Evapotranspiration Index), wygenerowanych z zestawu 9 modeli CMIP6 (przy użyciu 3 realizacji na każdy model), naukowcy pokazali, że obecność wymuszeń antropogenicznych zwiększyła częstotliwość suszy, maksymalny czas jej trwania oraz jej maksymalną intensywność, mającą wpływ w dużej części obu Ameryk, w basenie Morza Śródziemnego, na południu Afryki i we wschodniej części Azji.
Oszacowując prawdopodobieństwo wystąpienia suszy pod wpływem zmian klimatu, badacze posłużyli się współczynnikiem prawdopodobieństwa zastosowanym do ilościowego określenia prawdopodobieństwa wystąpienia suszy w warunkach historycznych w stosunku do warunków tylko naturalnych (tutaj nie wliczając czynników antropogenicznych) pod koniec XX wieku.
Ponadto Chiang, Mazdiyasni i AghaKouchak zidentyfikowali regiony o większej wrażliwości na antropogeniczną zmianę klimatu z perspektywy suszy meteorologicznej oraz poddali analizie indywidualny wpływ wymuszeń wyłącznie antropogenicznych gazów cieplarnianych (GHG) i aerozoli (AER) na prawdopodobieństwo wystąpienia suszy, aby lepiej zrozumieć indywidualny wkład wymuszeń GHG i AER. Oprócz analizy opartej na SPI, zbadali charakterystykę suszy w oparciu o dane SPEI, aby lepiej zrozumieć wpływ wymuszeń antropogenicznych na dostępność wody netto, uważaną tutaj za różnicę między miesięcznymi opadami a ewapotranspiracją potencjalną.
Korzystając przede wszystkim ze SPEI, naukowcy mogli dokładniej zbadać dodatkowy wpływ wymuszeń antropogenicznych na zapotrzebowanie atmosfery na parowanie, które ma wzrosnąć wraz ze wzrostem globalnych temperatur.
Ogólnie rzecz biorąc, zrozumienie wpływu antropogenicznych zmian klimatu na charakterystykę suszy jest ważne w naszej interpretacji historycznie obserwowanych trendów suszy.
—
Rys.2. Współczynnik prawdopodobieństwa obliczany dzięki wyznaczeniu 6-miesięcznych spadków SPI mniejszych niż 1,5 jako zdarzeń suszy, przy użyciu danych SPI wygenerowanych z zestawu porównywania sprzężonych modeli klimatycznych CMIP6 dla a) historycznego, b) tylko GHG i c) tylko AER. Wartości powyżej 1 wskazują na wyższe ryzyko wystąpienia suszy w warunkach wymuszonych, podczas gdy wartości poniżej 1 wskazują na niższe ryzyko wystąpienia suszy w warunkach naturalnych. Przekraczanie komórek siatki wskazuje, że mediana zbioru modelu jest statystycznie istotnie większa niż 1 (Felicia Chiang i inni, 2021).
—
Główna autorka badania Felicia Chiang, która wtedy prowadziła projekt jako absolwentka na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine w zakresie inżynierii lądowej i środowiskowej dla Science Daily powiedziała 3:
Od zawsze istniała naturalna zmienność w zjawiskach suszy na całym świecie, ale nasze badania pokazują wyraźny wpływ człowieka na suszę, w szczególności emisje aerozoli antropogenicznych, dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych.
Przeprowadzone badania za pomocą modeli CMIP6 nie wykazały regionalnych zmian w charakterystyce suszy od końca XIX do końca XX wieku.
Zespół odkrył bardzo istotną rzecz, że badając oddzielnie czynniki antropogeniczne (wyłączając wpływ czynników naturalnych), gazy cieplarniane miały widocznie większy wpływ na obszar Morza Śródziemnego, Ameryki Środkowej, Amazonii i południowej części Afryki, natomiast aerozole przemysłowe odgrywały znacznie większą rolę w azjatyckich regionach monsunowych i na subarktycznej półkuli północnej, a więc w rejonach silnie uprzemysłowionych, zurbanizowanych i zmotoryzowanych i także, jak chociażby w przypadku Półwyspu Indyjskiego, nasilonych spalaniem biomasy i odpadów w rolnictwie.
Z kolei współautor badania, Omid Mazdiyasni, który uzyskał doktorat w 2020 roku w inżynierii lądowej i środowiskowej na tym samym uniwersytecie i obecnie jest naukowcem w Departamencie Robót Publicznych hrabstwa Los Angeles, powiedział dla Science Daily następującą rzecz, w której wskazał rozwiązanie problemu, zarówno na ograniczenie szkodliwego zanieczyszczenia przemysłowego, jak i na zmniejszenie oddziaływania susz:
Co gorsza, suszom mogą towarzyszyć fale upałów, a wysokie temperatury i niska wilgotność mogą zwiększać ryzyko pożarów, które jest już znaczące w zachodnich Stanach Zjednoczonych.
Jeśli susze w ciągu ostatniego stulecia pogorszyły się z powodu zanieczyszczeń pochodzących z działalności człowieka, istnieje duże prawdopodobieństwo, że problem można złagodzić poprzez ograniczenie tych emisji.
—
Trzeba powiedzieć jeszcze o bardzo istotnym parametrze decydującym o tym jak zareagują rośliny na jego uaktywnienie się. Mowa tutaj o deficycie ciśnienia pary wodnej (VPD – Vapour Pressure Deficit).
Profesor Wenping Yuan, badacz ekologii globalnych zmian z Uniwersytetu Sun Yat-sen w Kantonie w Chinach, w swojej pracy zespołowej zwrócił uwagę, że rosnący poziom stresu wodnego może przeciwdziałać efektowi nawożenia CO2 4.
Profesor Yuan dla Carbon Breef powiedział 5:
Globalny wzrost roślinności został wzmocniony przed końcem lat 90 – korzystając z efektu nawożenia CO2. Jednak nasze badanie pokazuje, że globalny wzrost roślinności wykazał tendencję spadkową od końca lat 90, kiedy globalne zmiany pary wodnej zaczęły się zwiększać.
VPD jest to miernik wskazujący różnicę pomiędzy ilością pary wodnej w powietrzu a punktem, w którym para wodna w powietrzu ulega nasyceniu. Miara ta daje wyobrażenie o „potencjale wody” w atmosferze, wyjaśnia Yuan:
Zasadniczo, jeśli potencjał wody w atmosferze jest większy – na przykład, jeśli VPD jest większy – woda będzie rozpraszać się szybciej i silniej z gleby i roślin.
Zwiększenie deficytu ciśnienia pary wodnej ma bardzo ujemny wpływ na gleby i roślinność, które ulegają szybszemu wysychaniu podczas intensywniejszego parowania.
—
Rys.3. Globalne anomalie średniego deficytu ciśnienia pary wodnej (VPD – Vapour Pressure Deficit) obszarów porośniętych roślinnością od 1850 roku do dnia dzisiejszego. Anomalie odnoszą się do średniej z lat 1982-2015. Kolorowe kółka służą do przedstawienia wyników z różnych zestawów danych klimatycznych (CRU / ERA-Interim, MERRA, HadISDH. Niebieska linia i szary obszar ilustrują średnią i odchylenie standardowe VPD symulowane przez modele klimatyczne CMIP5 przy użyciu scenariusza emisji GHG – RCP4.5. Źródło: (Wenping Yuan i inni, 2019).
—
Naukowcy za pomocą kilku globalnych zbiorów danych klimatycznych przeanalizowali od 1850 roku zmiany VPD, w szczególności na obszarach z roślinnością i odkryli jego szczególny wzrost od końca lat 90 XX wieku po dzisiejszy dzień.
Jak czytamy w pracy, naukowcy w swoim badaniu wykorzystali cztery oparte na obserwacjach globalnie siatkowe zestawy danych klimatycznych — CRU (Climatic Research Unit), ERA-Interim, HadISDH i MERRA (Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications) — w celu przeanalizowania trendu długoterminowego VPD nad gruntami porośniętymi roślinnością.
Jednocześnie również jest obserwowane zmniejszanie się ilości pary wodnej w atmosferze. Według najnowszych badań może to być spowodowane spadkiem ilości wody parującej z oceanów na świecie. Yuan mówi dla Carbon Brief:
Globalne ocieplenie może zmniejszyć prędkość wiatru, co z kolei zmniejsza parowanie wody z powierzchni oceanu.
Oznacza to, że deficyt między ilością pary wodnej w powietrzu a poziomem nasycenia ciśnienia wody w powietrzu rośnie wraz ze zmianą klimatu.
Naukowcy dokonując skrupulatnych obliczeń powiedzieli, że prawie 60-letni szereg czasowy pokazał, że dziesięcioletnia zmiana globalnego parowania oceanicznego ( ocean E – oceanic evaporation) charakteryzowała się wyraźnym przejściem od trendu wzrostowego do spadkowego około roku 1998. Parowanie to zmniejszyło się o około 2,08 mm rocznie -1 , od szczytowego poziomu 1197 mm rocznie -1 w 1998 r. do niskiego 1166 mm rocznie -1 w 2015 r., a 76 % powierzchni morza ujawniło zmniejszone parowanie ocean E po 1999 r.
Naukowcy zauważyli, że jest to też kluczowa przyczyna spowolnienia dostaw wilgotnego powietrza nad obszary zachodniej części Stanów Zjednoczonych, zwłaszcza Kalifornii od lat 90 XX wieku.
W kolejnej części badania autorzy wykorzystali dane satelitarne, aby zaobserwować, jak zmieniło się globalne tempo wzrostu roślin od lat 90 XX wieku.
Jak widać na rysunku powyżej, znormalizowany różnicowy wskaźnik wegetacji (NDVI – Normalized Diffirent Vegetation Index) mierzony za pomocą satelitów, pokazał przyrost od 1982 do 1998, ale pozostał ustabilizowany i następnie zatrzymał się po 1999 roku.
—
Od 1982 do 1998 roku około 84% powierzchni roślinności wykazywało wzrost trendu NDVI (ze znacznym wzrostem ok. 28,5 %). Dla porównania, po 1999 r. trendy NDVI w wielu regionach odwróciły się, a 59% obszarów roślinnych wykazywało wyraźną tendencję spadkową pokazującą brązowienie roślinności (ze znacznym spadkiem 21,5 %).
Yuan podsumował temat:
Wyniki pokazują, że rosnąca od końca lat 90 VPD jest dominującą przyczyną zmniejszonego wzrostu roślinności.
—
Referencje:
- Vishwakarma B D., 2020 ; Monitoring Droughts From GRACE ; Interdisciplinary Climate Studies ; https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenvs.2020.584690/full
- Chiang F. et al., 2021 ; Evidence of anthropogenic impacts on global drought frequency, duration, and intensity ; Nature Communications ; https://www.nature.com/articles/s41467-021-22314-w
- University of California – Irvine ; Greenhouse gas and aerosol emissions are lengthening and intensifying droughts ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2021/05/210517124927.htm
- Yuan W. et al., 2019 ; Increased atmospheric vapor pressure deficit reduces global vegetation growth ; Science Advances ; https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aax1396
- Dunne D., 2019 ; Rising water stress could counteract ‘global greening’ ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/rising-water-stress-could-counteract-global-green-study-says