Wzmocnienie arktyczne (amplifikacja), po raz pierwszy zbadane w październiku 1969 roku przez rosyjskiego klimatologa Michaiła I. Budyko z Głównego Obserwatorium Geofizycznego (w dawnym Leningradzie w czasach ZSRR), 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 Oceanu Arktycznego absorbujących promieniowanie słoneczne 1.
Ten proces nagrzewania się powietrza oraz wód w Arktyce powoduje, że coraz częściej występują w niej wyjątkowo ciepłe lata a polarny prąd strumieniowy wówczas płynie niejednokrotnie bardzo wolno, meandrując i przynosząc z sobą na średnich szerokościach wiosną, latem i jesienią wydłużone okresy nawalnych opadów deszczu lub fal upałów, suszy i pożarów, 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.
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. Spostrzeżenie to zostało po raz pierwszy zaobserwowane w 2012 roku i powtórzone w badaniach w 2015 roku przez Jennifer A. Francis z Instytutu Nauk Morskich i Wybrzeży na Uniwersytecie Rutgers w Brunszwiku i Stephena J. Vavrusa z Centrum Badań Klimatycznych na Uniwersytecie Wisconsin-Madison (badanie z 2012 r.) 2 , (badanie z 2015 r.) 3.
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. Więcej na ten temat będzie w rozdziale „Największe ocieplenie w Arktyce”.
Rys.1. Szeregi czasowe indeksu amplifikacji Arktyki dla każdego sezonu. Dodatni wskaźnik wskazuje, że Arktyka ociepla się szybciej niż na średnich szerokościach geograficznych. Źródło: (Francis i Vavrus, 2015).
Autorzy w swojej pracy piszą, że polarny prąd strumieniowy na półkuli północnej, dzięki zmniejszaniu się gradientu temperatur między biegunem północnym a równikiem, staje się bardziej falisty. To znaczy prowadzi do takiego stanu pogodowego, w którym latem na jednym obszarze mogą zalegać długotrwałe okresy suszy, a na innym długotrwałe okresy nawalnych opadów deszczu. Natomiast zimą na jednym obszarze mogą zalegać długotrwałe okresy ciepłych i słonecznych dni, a na innym długotrwałe okresy mroźnych i śnieżnych dni.
Jennifer Francis na łamach serwisu Carbon Brief powiedziała 4:
Wraz z ocieplaniem się Arktyki obserwujemy coraz więcej uporczywych, ekstremalnych warunków pogodowych.
Występowanie tych wydarzeń wzrosło w ostatnich dziesięcioleciach, kiedy wzmocnienie Arktyki stało się silnym sygnałem.
Wzmocnienie w Arktyce jest największe jesienią i zimą, dlatego powoduje głównie uporczywe zimna pogoda.
Praca zespołowa rosyjskiego naukowca Vladimira Petoukhova z Poczdamskiego Instytutu Badań nad Wpływem Klimatu (PIK – Potsdam Institute for Climate Impact Research), 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 5.
Rys.2. Zablokowana fala Rossby’ego „uwięziona” w atmosferycznym falowodzie (Nauka o Klimacie, 2019).
Takie zdarzenie miało miejsce w latach 2014-19. Mieliśmy wówczas często do czynienia z zachmurzeniem Arktyki. W przyszłości, gdyby świat dalej się ocieplał według scenariusza wysokich emisji „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 amplification) fali Rossby’ego.
Jeśli w przyszłości polarny prąd strumieniowy będzie meandrować w okresie zimowym na półkuli północnej, tak jak w poprzednich latach, to może dojść do tragicznych zdarzeń, jak na przełomie lutego i marca 2018 roku na subtropikalnej Florydzie, gdy anomalia mroźnego powietrza z Arktyki wpłynęła znacząco na wymieranie lokalnych populacji manatów w Zatoce Meksykańskiej na Morzu Karaibskim.
Jak już wcześniej wspomnieliśmy, mroźne śnieżyce wcale nie zaprzeczają istnieniu globalnego ocieplenia. Wprost przeciwnie. Mogą one występować w 2100 roku nawet w temperaturze 3 stopni Celsjusza powyżej okresu przedprzemysłowego 1850-1900. Ale oczywiście te okresy będą znacznie krótsze niż teraz w nadchodzącej dekadzie lat 20 XXI wieku.
Trudno powiedzieć jak w przyszłości zachowa się polarny prąd strumieniowy na półkuli północnej. Według obliczeń QRA, za pomocą zestawu modeli CMIP5, zespół naukowy Michaela E. Manna ze Stanowego Uniwersytetu Pensylwanii (Penn State University) oszacował, że troposferyczny wiatr przyspieszy na dużych wysokościach, gdy na średnich szerokościach (głównie w Chinach i w Indiach) ustaną emisje aerozoli ze spalania paliw kopalnych, rozpraszających promieniowanie słoneczne, co spowoduje takie samo tempo ocieplania 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 6.
W artykule powyższym czytamy, że w tym stuleciu prawdopodobieństwo wystąpienia QRA może być o 50% większe w przypadku scenariusza wysokiej emisji (RCP8.5 według V Raportu Oceny IPCC).
Wydarzenia QRA powodują ekstremalną letnią pogodę, kiedy prąd strumieniowy wykazuje szerokie meandry północ-południe i zatrzymuje się, a szczyty i doliny są zablokowane w miejscu.
Rys.3. Fale Rossby’ego w 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 litery N – niżów atmosferycznych. (Tło stanowi wizualizacja NASA Visualization Studio). [w:] (Nauka o klimacie , 2019).
Profesor Michael Mann w serwisie Science Daily powiedział 7:
Większość stacjonarnych zaburzeń prądu strumieniowego zniknie z czasem. Jednak w pewnych okolicznościach zakłócenie fal jest skutecznie ograniczane przez falowód atmosferyczny, coś podobnego do sposobu, w jaki kabel koncentryczny prowadzi sygnał telewizyjny. Zakłócenia wtedy nie mogą być łatwo rozproszone i mogą pozostać bardzo duże wahania amplitudy w strumieniu na północ i południe na swoim miejscu, gdy okrąża kulę ziemską.
Z kolei współautor badania Stefan Rahmstorf z Poczdamskiego Instytutu Badań nad Wpływem Klimatu (PIK) powiedział również w tym serwisie:
Jeśli ta sama pogoda będzie się utrzymywać przez wiele tygodni w jednym regionie, wtedy słoneczne dni mogą przekształcić się w poważną falę upałów i suszę, a długotrwałe deszcze mogą doprowadzić do powodzi.
Ponadto naukowcy wyjaśnili w swojej pracy związek ekstremalnych zdarzeń pogodowych mających związek z zakłóceniem polarnego prądu strumieniowego na półkuli północnej:
Seria uporczywych, ekstremalnych i kosztownych letnich zdarzeń pogodowych w ciągu ostatniej półtorej dekady, w tym fala upałów w Europie w 2003 r., powódź w Pakistanie w 2010 r., fala upałów w Rosji, susza w Teksasie w 2011 r., powodzie w Europie w 2013 r., pożary w Kalifornii w 2015 r. i pożary lasów w stanie Alberta w Kanadzie w 2016 r., doprowadziła do ciągłej dyskusji w literaturze naukowej dotyczącej związku między antropogenicznymi zmianami klimatu a ekstremalnymi temperaturami w okresie ciepłym.
Pewne wzrosty ekstremalnych temperatur letnich można wytłumaczyć stosunkowo prostymi procesami termodynamicznymi, np. przesunięciami w górę rozkładu temperatury prowadzącymi do wzrostu częstotliwości fal upałów lub wpływem ocieplenia atmosfery na intensywne opady atmosferyczne. Rosnąca liczba badań sugeruje jednak, że mechanizmy obejmujące dynamikę atmosfery są niezbędne do wyjaśnienia w szczególności nadzwyczaj trwałych i wzmożonych zakłóceń w polarnym prądzie strumieniowym – które są związane z utrzymującymi się ekstremalnymi letnimi zdarzeniami pogodowymi.
Granica polarnego prądu strumieniowego (front polarny – strefa opadów deszczu i burz), czyli zderzenie mas zwrotnikowego powietrza z masami polarnego – ta strefa jest znacznie słabsza, gdy polarny 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. Miało ono miejsce, 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 susze i pożary w Kalifornii, Skandynawii, Portugalii, Grecji, czy też ekstremalne fale upałów w Japonii i południowo-wschodniej Kanadzie, które dominowały nad odmiennymi zjawiskami pogodowymi jak nawalne opady deszczu czy powodzie w Indiach i Bangladeszu.
Amplifikacja arktyczna ma nadal miejsce. Obszary polarne nagrzewają się szybciej niż obszary tropikalne, zwłaszcza równik, na którym bardzo silna głęboka konwekcja powoduje intensywne parowanie na coraz wyższe szerokości, gdzie następuje wspomniana adwekcja, czyli transport mas nagrzanego powietrza na wyższe szerokości geograficzne, w tym w coraz większym zakresie na obszar bieguna północnego.
Aiguo Dai, wraz ze swoimi współpracownikami, zauważył, że najsilniej wzmocnienie arktyczna (amplifikacja arktyczna) oddziałuje pod osłoną nocy polarnej, od października do kwietnia, wtedy też mamy do czynienia ze znacznie bardziej zwiększonym występowaniem promieniowania podczerwonego aniżeli w okresie od kwietnia do października, gdy ma miejsce dzień polarny. Właśnie wtedy też występuje większy ubytek lodu morskiego pod wpływem większego stężenia CO2 13.
W pracy naukowcy wzięli pod uwagę dwa okresy: historyczny (1976-2016) oraz przyszły (2019-2300). Zastosowano następujące metody badawcze pod kątem zmian lodu w Arktyce:
Za pomocą danych reanalizy tymczasowej ERA oraz symulacji modelu CMIP5 przedstawiono następujące zmiany:
- zmiany arktycznej pokrywy lodu morskiego (SIC – Sea Ice Cover)
- zmiany temperatury powietrza na powierzchni (TAS – Temperature Air Surface)
- zmiany przepływu energii
Za pomocą sprzężonego modelu klimatycznego CESM1:
- zmiany klimatu z 1 % rocznym wzrostem atmosferycznego CO2 bez stałego SIC przez okres 235 lat
- zmiany strumienia wody powierzchniowej
- zmiany przepływu energii
Dai ze swoimi współpracownikami napisali, że podczas ciepłego letniego sezonu nadmiernie pochłonięte promieniowanie słoneczne przez powierzchnię regionu Arktyki występuje i jest magazynowane w nowo otwartych od lodu wodach przy minimalnym wzroście temperatury powierzchni, co ma wpływ na niewielkie zmiany w długofalowym promieniowaniu powierzchniowym (LW –longwave), skierowanym do góry ciepłem jawnym (SH – sensible heat) i utajonym (LH – latent heat) – czyli strumieniami ciepła podczas letniego sezonu.
Naukowcy w swojej pracy napisali następująco:
Od października do kwietnia strumienie LW w górę i SH + LH znacznie wzrosły, co wskazuje na ciepłą powierzchnię oceanu i dodatkowe ogrzewanie powietrza. Prowadzi to do zwiększonego ocieplenia atmosfery w pobliżu powierzchnii w dolnej troposferze. Różnica między listopadem a lipcem w strumieniach w górę LH (około 4 W/m 2 /dekadę) i SH + LH (około 1,7 W/m 2 /dekadę) można przypisać zwiększonemu ociepleniu powierzchni oceanów (z powodu połączenia dodatkowej absorpcji promieniowania słonecznego w ciepłych porach roku i otwarcia nowych powierzchni wody w zimnych porach roku).
Naukowcy podkreślili, że wymuszanie długofalowego promieniowania (LW) w górę jest ponad dwukrotnie większe od zmian ciepła jawnego i utajonego (SH + LW). Ich zdaniem ma to związek z tym, że w Arktyce występuje duża różnica temperatur między powierzchnią wody a lodu w sezonie zimowym, która wynosi 10–30°C.
Rys.4. Stuletnie zmiany w modelach CMIP5. a od 1970–1999 do 2070–2099 oraz b od 2070–2099 do 2170–2199. Pokazano zmiany grudniowego stężenia lodu morskiego (SIC, %, cieniowanie), temperatury powietrza (Tas, °C, czerwone kontury, odstęp = 2) oraz utajone i jawne strumienie ciepła (LH + SH, W m- 2 , żółte kontury, interwał = 10). Kontury przerywane są dla wartości ujemnych. Na podstawie zbiorowej średniej dziewięciu symulacji z dziewięciu modeli CMIP5 w scenariuszach historycznych i RCP85 (Aiguo Dai i inni, 2019).
Ponadto badacze oszacowali na podstawie symulacji opisanych wyżej dziewięciu modeli CMIP5, że pod koniec XXI wieku lód arktyczny w dużym stopniu zaniknie. W swoim artykule napisali:
Symulowany model CMIP5 ocieplenie Arktyki i utrata lodu morskiego różnią się znacznie w zależności od miesiąca w XXI i XXII wieku, ale nie w XXIII wieku, kiedy większość lodu morskiego ma ulec stopieniu. W XXI wieku duże ubytki lodu morskiego (>20% powierzchni Arktyki) wystąpić mają od czerwca do stycznia, a duża arktyczna amplifikacja (AA) wystąpić ma tylko od października do kwietnia, osiągając szczyt w okresie od listopada do grudnia. Zmniejszona pokrywa lodu morskiego (SIC) umożliwić ma Oceanowi Arktycznemu pochłanianie większej ilości światła słonecznego od kwietnia do sierpnia, ale ta dodatkowa energia jest magazynowana w górnej części Oceanu Arktycznego bez znacznego zwiększania temperatury powierzchni ze względu na dużą pojemność cieplną warstwy mieszanej oceanu.
Warto też wiedzieć, że nawet niskie chmury wraz z wysokimi chmurami w długie noce polarne od połowy września do połowy marca mają większy efekt ogrzewający niż ochładzający, dlatego też właśnie wtedy jesienią i zimą do wczesnej wiosny najwięcej gromadzi się ciepła podczerwonego. Słoneczne promieniowanie wtedy nie dochodzi.
Referencje:
- Budyko M. I., 1969 ; The effect of solar radiation variations on the climate of the Earth ; Tellus ; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.2153-3490.1969.tb00466.x
- Francis J. et al., 2012 ; Evidence linking Arctic amplification to extreme weather in mid-latitudes ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2012GL051000
- Francis J. et al., 2015 ; Evidence for a wavier jet stream in response to rapid Arctic Warming ; Environmental Research Letters ; https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/10/1/014005
- McSweeney R., 2015 ; Scientists discuss how strongly a warming Arctic is implicated in extreme weather ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/scientists-discuss-how-strongly-a-warming-arctic-is-implicated-in-extreme-weather
- Vladimir Petoukhov et al., 2016 ; Role of quasiresonant planetary wave dynamics in recent boreal spring-to-autumn extreme events ; Proceedings of the National Academy of Sciences ; https://www.pnas.org/content/113/25/6862
- Mann M. E. et al., 2018 ; Projected changes in persistent extreme summer weather events: The role of quasi-resonant amplification ; Science Advances ; https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aat3272
- Penn State, 2018 ; Controlling future summer weather extremes still within our grasp ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2018/10/181031141603.htm
- Dai A. et al., 2019 ; Arctic amplification is caused by sea-ice loss under increasing CO2 ; Nature Communications ; https://www.nature.com/articles/s41467-018-07954-9