Arktyczny lód i jego trend spadkowy

Wstęp

Ludzie zaczęli spalać paliwa kopalne od 1769 r. Jednak to jeszcze nie miało wpływu na zmianę budżetu energetycznego i własności cieplnych atmosfery. Dopiero ok. 1850 r. wystąpił taki wpływ, który wprawdzie spowodował wycofywanie się lodowców górskich, ale jeszcze nie oddziaływał on na topnienie lodu morskiego, topnienie lądolodów Grenlandii i Antarktydy oraz na wzrost poziomu morza.

Od Optimum Holoceńskiego do początku XX wieku

Od Klimatycznego Optimum holoceńskiego 7,5 tysiąca lat temu, gdy orbita Ziemi nachyla się cały czas tak, że coraz mniej promieni słonecznych padało i pada do dziś na obszary polarne i wokółpolarne i przez cały ten okres czasu klimat na Ziemi, klimat ochładzał się. Ale ten długofalowy trend spadku temperatury globalnej trwał do tylko do około 1850 r., do wybuchu rewolucji industrialnej opartej na spalaniu paliw kopalnych oraz wzmożonych emisjach gazów cieplarnianych do atmosfery. Miało to więc wpływ odwrotny, na powolny wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi nad oceanami i kontynentami oraz na stopniowe topnienie lodowców górskich, ale lód morski w Arktyce był jeszcze względnie ustabilizowany. Zimą intensywnie zamarzał, a latem odmarzał, ale nie na tyle dużo by miało to wpływ na zmniejszenie czapy polarnej, jej zasięgu i powierzchni, a potem jej grubości i objętości. Wszystko jednak powoli zaczęło się destabilizować około 1900 r., a już na pewno około 1950 roku.

Fot. Marynarka Wojenna USA przez lata prowadziła w Arktyce podwodne pomiary (fot. flickr.com/U.S. Geological Survey)

Badania zapisków w dziennikach okrętowych i na podstawie obserwacji lotniczych

Według badań z XX w. na podstawie obserwacji lotniczych, z dzienników okrętowych oraz analiz z instytutów: brytyjskiego Met Office i duńskiego Danish Meteorology Institute naukowcy współcześni betamo recenzja tacy jak John E. Walsh ze swym zespołem badawczym w 2016 r. dokonali rekonstrukcji historycznego zasięgu i koncentracji lodu w okresie czasu 1901-1995 (John E. Walsh i in., 2016).

Rys.1. Zmiany zasięgu arktycznego lodu morskiego (1850-2013) na podstawie rekonstrukcji danych. Niebieska linia – zasięg marcowego maksimum, czerwona linia – zasięg wrześniowego minimum. Źródło Walsh i in. 2016.

Według powyższej pracy, niektóre źródła informacji zostały wykorzystane do stworzenia zestawu danych dotyczących lodu morskiego przed czasami satelitarnymi:

Dane o położeniach linii brzegowych lodu morskiego na Północnym Atlantyku w latach 1850–1978, pochodzące z różnych źródeł, w tym z gazet, obserwacji statków, obserwacji samolotów, pamiętników i innych.
Dane dotyczące stężenia lodu morskiego zgromadzone podczas regularnych badań lotniczych lodu we wschodniej Arktyce przez Instytut Badawczy Arktyki i Antarktyki w Rosji w Sankt Petersburgu, rozpoczęte od 1933 r.
Pozycje linii brzegowych lodu morskiego dla Nowej Fundlandii i Kanadyjskiego Regionu Morskiego (Zatoka Św. Wawrzyńca, Morze Labradorskie i Morze Baffina) podane z obserwacji w latach 1870–1962.
Szczegółowe mapy lodu na wodach wokół Alaski w latach 1954–1978.
Arktyczne mapy pokrywy lodowej z Duńskiego Instytutu Meteorologicznego z lat 1901–1956.
Wpisy do dzienników statków wielorybniczych, w których odnotowano pozycję ich wraz ze wskazaniem, czy były one w obecności lodu

Wynikiem wszystkich tych prac jest zestaw danych „Gridded Monthly Sea Ice Extent and Concentration, od 1850 r.”. Ukazuje on wahania lodu morskiego z roku na rok, a także trend długoterminowy.

Badania paleoklimatologiczne

Z kolei według współczesnych badań paleoklimatologicznych na podstawie rdzeni osadów oceanicznych, a ściślej, wyekstrahowanych z nich metodą chromatografii gazowej biomarkerów geochemicznych ( z liczbą atomów węgla w lipidach okrzemek, tzw. IP25 (ice proxy)) (T.A. Brown i in, 2014), zauważono, że pokrywa lodu morskiego od początku ubiegłego wieku zaczęła stopniowo tracić na wspomnianym zasięgu i powierzchni (pomiary kilometrów kwadratowych) oraz na jej objętości (pomiary kilometrów sześciennych), a także grubości (pomiary metrów i wieku lodu).

Rys.2. Chromatogramy wyciągów lipidowych otrzymanych z różnych okrzemek izolowanych z mieszanych zestawów wraz z autentyczną próbką IP ₂₅(T.A. Brown i in, 2014).

Korelacja map lodowych 1901-1995 z badaniami satelitarnymi

Dzisiaj NSIDC (National Snow and Ice Data Center) podaje dane satelitarne z instrumentów SMMR i SSM / I, które są połączone z wcześniejszymi obserwacjami z map lodowych i innych źródeł w celu uzyskania szeregów czasowych zasięgu lodu arktycznego od wczesnych lat XX wieku. Chociaż zapisy przed satelitami nie są tak wiarygodne, ich tendencje są w ogólnej zgodzie z zapisami satelitarnymi i wskazują, że zasięg arktycznego lodu morskiego zmniejsza się przynajmniej od wczesnych lat pięćdziesiątych.

Zapis grubości, wieku i objętości lodu arktycznego

Ważnymi wskaźnikami kondycji lodu arktycznego są też jego grubość oraz objętość, a także oszacowanie jego wieku. Np. zanurzenie lodu (lód będący poniżej powierzchni wody) pod koniec sezonu topnienia we wrześniu w Arktyce, zostało zredukowane o około 1,3 metra w okresie 1950-1990. (D. A. Rothrock i in., 1999)

W badaniu z 2009 r. na temat grubości arktycznego lodu morskiego, naukowcy na podstawie analiz jego zapisów uzyskanych z okrętów podwodnych (1958-2000) oraz satelity ICESat-2 (2003-2008), uzyskali wynik, w którym średnia grubość lodu na Oceanie Arktycznym spadła z 3,64 metra w 1980 r. do 1,89 metra w 2008 r. Czyli w tym okresie czasu nastąpił spadek o 1,75 metrów (Ron Kwok i D. A. Rothrock 2009).

Rys.3. Koncepcja artystyczna ICESat-2. Kredyty: NASA Goddard Space Flight Center

——-

W 1987 r. roku 57 procent lodu miało co najmniej pięć lat. Z kolei 25 procent tego lodu miała jeszcze co najmniej dziewięć lat. W 2007 r. zaobserwowano już, że tylko 7 procent lodu miało co najmniej pięć lat i praktycznie już nie występował żaden lód, który by miał co najmniej dziewięciu lat (J. A. Maslanik i in., 2007).

Wniosek z tego wypływa prosty. Wielowiekowy lód morski nadal spada w Arktyce (Donald K. Perovich, i in. 2014).

Badania satelitarne zasięgu lodu arktycznego

Od 1979 r. prowadzi się do dziś regularne pomiary satelitarne lodu morskiego w Arktyce. Tzw. pasywne dane mikrofalowe ujawniają, że od 1979 r. zasięg lodu arktycznego w zimie zmniejszył się o około 3 procent na dekadę w stosunku do średniej z lat 1981-2010 (Donald J. Cavalieri i Claire L. Parkinson 2012).

Rys.4. Miesięczny zasięg lodu we wrześniu w latach 1979-2019 pokazuje spadek o 12,9 procent na dekadę.

Źródło: National Snow and Ice Data Center

Według obserwacji NASA najmniejszy zasięg lodu w Arktyce latem 1979 r. wynosił 7,06 mln km2. Właśnie wtedy zaobserwowano zauważalny szybki spadek lodu arktycznego. Następny najmniejszy zasięg był w 1985 r. i wyniósł już 6,70 mln km2. Na następny rekord trzeba było czekać do 1990 r. Zaobserwowano wówczas spadek lodu do 6,14 mln km2. W 1995 r. był to nieznacznie mniejszy zasięg wynoszący 6,08 mln km2. I długo utrzymywał się aż do 2002 r. gdy lód arktyczny miał już zasięg 5,83 mln km2. Następny rekord padł w 2005 z 5,50 mln km2. To właśnie wtedy po raz pierwszy zostało otwarte Przejście Północno-Wschodnie w syberyjskiej Eurazji. W 2007 r. odnotowano wyjątkowo jeden z najmniejszych zasięgów lodu z 4,27 mln km2, który jest do tej pory drugi odkąd prowadzi się pomiary satelitarne. Wówczas zostało otwarte po raz pierwszy Przejście Północno-Zachodnie w północnej Kanadzie, choć ciekawa sprawa, że zamknęło się Północno-Wschodnie. Mimo wszystko do tej pory mniej otwarte było Północno-Zachodnie. Kolejny i jak do tej pory najmniejszy rekordowy zasięg lodu arktycznego był w 2012 r. Wyniósł on wówczas 3,57 mln km2. Czyli prawie o połowę mniej niż w 1979 r. gdy zaczęto zapisy satelitarne. Ostatni 2019 r. jest trzeci w swym zapisie rekordowym i wynosi 4,32 mln km2.

Badanie objętości lodu morskiego w Arktyce w dobie zapisów satelitarnych

Badania objętości lodu morskiego zostały zapoczątkowane na początku XXI wieku, gdy już były zaawansowane badania satelitarne. W pracy opublikowanej w 2013 r. naukowcy porównali objętość lodu morskiego między dwoma okresami: 2003–2008 i 2010–2012. Naukowcy wykorzystali w niej dane z satelity ICESat, modelu Pan-Arctic Ice-Ocean Modeling and Asimilation System (PIOMAS) oraz misji Europejskiej Agencji Kosmicznej CryoSat-2. I ostatecznie stwierdzili, że objętość lodu morskiego, porównując tylko te dwa okresy czasu, zmniejszyła się o 4 291 kilometrów sześciennych pod koniec lata i o 1 479 kilometrów sześciennych pod koniec zimy (Seymour W. Laxon i in., 2013).

Rys.5. Objętość lodu w Arktyce w 2020 roku względem wartości z ostatnich lat i średniej 1979-2001. PIOMAS

Średnia objętość lodu morskiego w Arktyce w maju 2020 r. miała 21 500 km ³ . Wartość ta wynosi 1700 km ³ powyżej rekordowej minimalnej wartości 19 800 km ³ w 2017 roku. Była to szósta najniższa objętość lodu arktycznego w historii. Była o 39% niższa niż maksymalna wartość w 1979 r. I o 25% niższa niż wynosi średnia wartość w latach 1979–2019.

CryoSat-2 nadal monitoruje grubość lodu morskiego, gdy naukowcy udoskonalają metody badań (Robert Ricker i in. 2014) (Ron Kwok i Glen F. Cunningham, 2015).

Rys.6. Ilustracja satelity CryoSat-2 z osłonami termicznymi na antenach SIRAL (źródło zdjęcia: ESA)

Podsumowując opis badań, analiza długoterminowego zapisu satelitarnego z 1979 r. i wcześniejszych zapisów z lat 50. wskazuje, że wiosenne okresy topnienia rozpoczęły się wcześniej i trwały przez dłuższy okres w ciągu roku (Mark C. Serreze i in., 2007).

Przyczyny przyspieszonego topnienia lodu arktycznego

Arktyczna oscylacja (AO) jest wzorcem tzw. huśtawki zmiennego ciśnienia atmosferycznego na polarnych i średnich szerokościach geograficznych. Faza dodatnia stymuluje wytwarzanie silnego wiru polarnego w korelacji z polarnym prądem strumieniowym na średniej szerokości geograficznej przesuwającym się w kierunku północnym. Natomiast faza ujemna wytwarza przeciwne warunki. Od lat pięćdziesiątych do osiemdziesiątych AO zmieniało się między fazami dodatnią i ujemną, ale weszło znowu potem w silną dodatnią fazę między 1989 a 1995 rokiem. A więc, przyspieszenie spadku lodu morskiego od połowy lat 90. XX wieku mogło być częściowo wywołane silnym trybem dodatniego AO w poprzednich latach (Ignatius G. Rigor i in. 2002) oraz (Ignatius G. Rigor i John M. Wallace 2004), który wypychał starszy, grubszy lód z Arktyki, jednak inne czynniki również odgrywały zasadniczą rolę.

Rys.7. Indeks oscylacji arktycznej (AO) w latach 1950-2019 (Arctic Haze)

Na rysunku powyższym widać, że wartości ujemne AO były w latach 60-tych i 70-tych oraz dodatnie w latach 80-tych z wyraźnym maksimum we wczesnych latach 90-tych. Od tego czasu zaznaczony jest spadek do najniższej wartości od ponad 40 lat, jaka wystąpiła zimą 2010 roku (Arctic Haze, 2020).

Następnym takim czynnikiem stymulującym przyspieszone topnienie lodu było zaburzenie długowieczności lodu w Wirze Beauforta z powodu ocieplenia wzdłuż wybrzeży Alaski i Syberii. W przeszłości lód morski w tym wirze mógł pozostawać przez długie lata w Arktyce, z czasem gęstniejąc. Jednak począwszy od późnych lat 90. XX wieku lód morski zaczął topnieć w południowym ramieniu wiru, dzięki coraz cieplejszym temperaturom powietrza i bardziej rozległemu topnieniu letnim na północ od Alaski i Syberii.

Rys.8. Transpolarny dryf i wir Beauforta to główne prądy oceaniczne w Oceanie Arktycznym (Wikipedia)

Ponadto był i jest w wysokim tempie kontynuowany ruch transportu lodu z Arktyki, czyli transpolarny dryf, przez Cieśninę Frama pomimo zmiany AO. Tak więc, ogólnie mówiąc, warunki ocieplenia atmosfery i wód Arktyki oraz bardzo silne wiatry, częste sztormy arktyczne, były i są głównymi czynnikami powodującymi gwałtowny spadek lodu od końca lat 90.

Już od 2005 r., topnienie lodu morskiego jest na tyle silne pod wpływem globalnego ocieplenia, że nie jest już w stanie zregenerować się, a punkt zwrotny mógł zostać już przekroczony, gdy Arktyka będzie ostatecznie wolna od lodu przez co najmniej część lata (R. W. Lindsay i J. Zhang, 2005).

Julienne Stroeve już w 2007 r. zauważyła, że IV Raport IPCC ukazał dramatyczną sytuację spadku lodu morskiego w Arktyce, czego wcześniej nie było w poprzednich raportach (Julienne Stroeve i in., 2007).

Rys.9. Mapy pokrywy lodowej dla minimum rocznego we wrześniu dla okresów 1850–1900, 1901–1950, 1951–2000 i 2001–2013. Mapy pokazują zasięg lodu morskiego w najniższym minimum w każdym okresie, czyli w latach: 1879, 1943, 1995 i 2012.

Podsumowanie

Podsumowując analizę topnienia lodu morskiego w Arktyce, trzeba generalnie stwierdzić, że zauważalny spadek zasięgu lodu morskiego oraz zmniejszanie się jego grubości stwierdzono w latach 50 XX wieku. A spadek jego objętości na początku XXI wieku. Od 1979 r. prowadzone są badania satelitarne, przy których zostało stwierdzone, że w połowie lat 90 na wpływ globalnego ocieplenie nałożyły się czynniki naturalne jak powstanie silnej dodatniej fazy Oscylacji Arktycznej gdy pod wpływem silnych wiatrów lód był silnie wypychany z Oceanu Arktycznego przez Cieśninę Frama między Svalbardem a wschodnią Grenlandią do północnego Atlantyku gdzie szybko topniał. W tych latach i wcześniejszych przy fazie ujemnej tego nie było, ponieważ średnia temperatura powierzchni Ziemi nie była jeszcze tak wysoka. Od co najmniej 2002 lub przynajmniej 2005 r. gdy jest coraz cieplejsza atmosfera i coraz cieplejszy ocean, lód będąc bardzo cienkim łatwo przez wiatry jest wypychany przez Cieśninę Frama nawet bez dodatniej fazy Oscylacji Arktycznej. W latach 2007,2012 i 2016 były silne niżowe sztormy w środku lata przeplatane silnymi wyżowymi upałami, co miało wpływ na pobijanie rekordów w zapisach najmniejszego zasięgu lodu arktycznego. W tym samym czasie zaobserwowany został też silny spadek objętości lodu oraz jego grubości i wieku. W następnych latach, 2016 i 2019, zapisy najmniejszego zasięgu są bliskie 2007, ale do 2012 jeszcze trochę pozostało. Z kolei objętość i grubość lodu w obecnej dekadzie zmniejsza się. Lodu rocznego dziś jest znacznie więcej niż wieloletniego. Na odwrót było w poprzedniej dekadzie.

Tak więc, pomimo, że zaskakujące wyniki były pod względem redukcji zasięgu i grubości oraz wieku lodu w roku 2007, a zwłaszcza 2012, to i tak trend wieloletni jest taki, że następuje fluktuacyjny spadek tych wartości dużo poniżej średniej 1981-2010.

https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1111/j.1931-0846.2016.12195.x

https://www.nature.com/articles/ncomms5197

http://www.arcticnaa.org.uk/download1.pdf

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2009GL039035

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2007GL032043

https://www.researchgate.net/publication/269703124_Sea_Ice_in_Arctic_Report_Card_2014

https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2012TCry….6..881C/abstract

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/grl.50193

https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2014.0157

https://www.researchgate.net/publication/318249334_A_weekly_Arctic_sea-ice_thickness_data_record_from_merged_CryoSat-2_and_SMOS_satellite_data

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2006JD008230

https://journals.ametsoc.org/jcli/article/15/18/2648/29795/Response-of-Sea-Ice-to-the-Arctic-Oscillation