Skutki opóźnienia czasowego we wzroście drzew po ekstremalnej suszy

Obecnie nadal wpływ ekstremalnych zjawisk klimatycznych na ekosystemy lądowe jest słabo poznany. Dotyczy to zarówno fal upałów, susz, jak i pożarów. Jeśli chodzi o susze, wpływ tych ekstremów jest bardzo ważny dla przewidywania sprzężeń zwrotnych związanych z przebiegiem cyklu węglowego, który z kolei może mieć wpływ na przyspieszenie lub ograniczenie zmian klimatu.

William W. R. L. Anderegg, adiunkt biologii na Wydziale Ekologii i Biologii Ewolucyjnej na Uniwersytecie Princeton oraz na Wydziale Biologii na Uniwersytecie Utah w Salt Lake City, wraz ze swoim zespołem naukowców, stwierdził następujący fakt, że połączone modele cyklu klimatyczno-węglowego zazwyczaj we wcześniejszych badaniach zakładały, że powrót roślinności po ekstremalnej suszy jest natychmiastowy i całkowity, jednak to jest sprzeczne ze zrozumieniem podstawowej fizjologii roślin.

Naukowcy zbadali w terenie odnowienie wzrostu pni drzew po silnej suszy w 1338 obszarach leśnych na całym świecie, obejmujących okres czasu 49 lat i porównali wyniki z jego symulowanym odnowieniem  w modelach klimatyczno-roślinnych. I odkryli wszechobecne i znaczące efekty opóźnienia wzrostu drzew, czyli ich zmniejszonego wzrostu i niepełnego wyzdrowienia w ciągu 1 do 4 lat po ciężkiej i długotrwałej suszy.

William Anderegg dla Phys.Org powiedział:

To naprawdę ma znaczenie, ponieważ w przyszłości oczekuje się, że w wyniku zmian klimatycznych w przyszłości susze będą powiększać się i nasilać. Niektóre lasy mogą konkurować ze sobą o odbudowę przed następną suszą.


Rys. Efekty opóźnienia wzrostu drzew są najbardziej rozpowszechnione w południowo-zachodnich i środkowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych oraz w części północnej Europy.

Efekty opóźnienia są określane ilościowo jako różnica między obserwowanym a przewidywanym wzrostem (wskaźnik bezjednostkowy) po anomalii dwóch susz po kolei w klimatycznym deficycie wody w 1338 miejscach.

( A ) Efekt opóźnienia na poziomie terenu zsumowany w ciągu pierwszych 4 lat po suszy.

( B ) Średnia korelacja między wzrostem drzew (wskaźnik szerokości pierścienia) a klimatycznym deficytem wody (wilgotność gleby od 0 do 100 cm minus ewapotranspiracja potencjalna).

(William Anderegg i inni, 2015)


Tempo powrotu do zdrowia po suszy jest w dużej mierze nieznane dla większości gatunków drzew. Anderegg i współpracownicy dokładnie zmierzyli odnowienie wzrostu pni drzew po ciężkich suszach od 1948 r. w ponad 1300 obszarach leśnych na całym świecie, korzystając z danych z Międzynarodowego Banku Danych Słojów Drzew. Słoje te zapewniają wygodną historię wzrostu drzew i dzięki temu można dokładnie śledzić absorpcję węgla w ekosystemie, w którym one rosły.

Średnio wzrost pnia trwał od 2 do 4 lat, aby drzewo mogło się zregenerować do stanu przed ekstremalną suszą. Był on o około 9 procent wolniejszy w pierwszym roku po jej zakończeniu i o 5 procent wolniejszy w drugim roku po jej zakończeniu.

Za pomocą zestawu modeli CMIP5, naukowcy przeprowadzili symulacje efektów opóźnienia wśród roślin iglastych z rodziny sosnowatych Pinaceae i roślin liściastych z rodziny bukowatych Fagaceae. I doszli do wniosku, że w obszarach suchych najsilniej one oddziałują na gatunki iglaste.

Łagodne efekty opóźnienia, gdzie zaobserwowany wzrost pni drzew był wyższy niż przewidywano po suszy, były najczęstsze w Kalifornii i regionie Morza Śródziemnego (rys.111A).

Autorzy pracy piszą, że nasiona roślin nagozalążkowych, pod względem wielkości i czasu trwania, wykazywały silniejsze efekty opóźnienia niż okrytozalążkowych.

Ogólnie, podczas analizy dwóch wybranych rodzin drzew: Pinaceae – głównie sosny, i Fagaceae – głównie dęby (> 90% analizowanych chronologii), naukowcy zaobserwowali większy efekt opóźnienia u tej pierwszej rodziny niż u drugiej. I jak piszą w swojej pracy:

Choć sosny zazwyczaj występowały na stanowiskach suchszych niż dęby (średnie roczne opady dla sosen = 660 mm/rok; średnie dla dębów = 760 mm/rok), model uwzględniający interakcje między opadami a rodziną był bardzo istotny, co wskazuje, że takie interakcje były ważne.

Zarówno mokre, jak i suche siedliska sosny wykazywały silne negatywne skutki opóźnienia, podczas gdy mokre siedliska dębu wykazywały nieznacznie negatywne skutki opóźnienia, ale już suche siedliska dębu miały silnie pozytywne, czyli silnie łagodne skutki opóźnienia…..

Jak zostało stwierdzone w bazie danych, sosny wykazywały również silniejsze negatywne skutki efektów opóźnienia niż inna główna rodzina nagonasiennych – jałowcowate Cupressaceae. Czyli, wynik ten jest zgodny z ogólnie wyższą tolerancją na suszę tej drugiej rodziny niż tej pierwszej i ukazuje on mechanizm uszkodzeń hydraulicznych leżący u podstaw efektów opóźnienia wzrostu drzew. Były one najbardziej rozpowszechnione w suchych ekosystemach, wśród rodziny sosnowatych Pinaceae i wśród gatunków o niskim marginesie bezpieczeństwa hydraulicznego.

Naukowcy stwierdzili, że obecne modele klimatyczno-roślinne symulują ograniczone lub żadne skutki opóźnienia po suszy. A ich wyniki podkreśliły histerezę (czyli opóźnienie) obiegu węgla na poziomie ekosystemu i opóźnioną regenerację po ekstremalnych warunkach klimatycznych.

Podsumowując ten temat, naukowcy mówią, że jeszcze nie wiadomo, w jaki sposób susza powoduje tak długotrwałe szkody, zaproponowali trzy możliwe odpowiedzi:

  1. utrata zapasów liści i węglowodanów podczas suszy może osłabić wzrost w kolejnych latach
  2. w drzewach narażonych na suszę mogą gromadzić się szkodniki i choroby
  3. trwałe uszkodzenie tkanek naczyniowych może zaburzać transport wody

William Anderegg w serwisie Phys.Org powiedział:

Susza, zwłaszcza ta, która ma znaczenie dla lasów, dotyczy równowagi między opadami a parowaniem. Parowanie jest bardzo silnie powiązane z temperaturą. Fakt, że temperatury idą w górę sugeruje dość mocno, że zachodnie regiony USA będą miały częstsze i bardziej dotkliwe susze, co znacznie zmniejszy zdolność lasów do wyciągania węgla z atmosfery.

Tak samo badacze zwracają też szczególną uwagę na to, że ilość składowanego dwutlenku węgla w półpustynnych ekosystemach w ciągu 100 lat spadła o około 1,6 gigaton, czyli jest to równe ilości około jednej czwartej całej emisji w USA w ciągu roku.

Anderegg w tym samym serwisie jeszcze podkreślił:

W większości naszych obecnych modeli ekosystemów i klimatu wpływ suszy na lasy włącza się i wyłącza jak światło. Kiedy susza mija, modele zakładają, że odbudowa lasu jest całkowita i bliska natychmiastowej. Tak nie działa prawdziwy świat.


Fot. Narażony na stres wodny las w południowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych. Źródło: Leander Anderegg


Bibliografia:

1. Anderegg W. R. L. et al., 2015 ; Pervasive drought legacies in forest ecosystems and their implications for carbon cycle models ; Science ; https://www.researchgate.net/publication/280582920_FOREST_ECOLOGY_Pervasive_drought_legacies_in_forest_ecosystems_and_their_implications_for_carbon_cycle_models

2. University of Utah, 2015 ; Drought’s lasting impact on forests ; Phys.Org ; https://phys.org/news/2015-07-drought-impact-forests.html

Pomiary fal upałów

Od co najmniej początku XXI wieku nie ma dosłownie roku żebyśmy nie mieli do czynienia chociaż z jedną falą upałów. Niestety rośnie nie tylko ich częstotliwość i długość dni oraz natężenie, ale i również wielkość.

Obecnie najbardziej zagrożonymi obszarami są Indie i Pakistan oraz Stany Zjednoczone i nierzadko Europa Zachodnia oraz Australia. I im dłużej będziemy zwlekać z jak najszybszą redukcją emisji gazów cieplarnianych, tym bardziej fale upałów będą dotkliwsze dla nas ludzi oraz dla ekosystemów, zarówno lądowych, jak i morskich.

Sarah E. Perkins-Kirkpatrick z Centrum Badań Zmian Klimatu na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii w Sydney i S.C Lewis ze Szkoły Nauki Uniwersytetu Nowej Południowej Walii w Canberze, zaobserwowali, że globalnie trendy w częstotliwości fal upałów, ich czasu trwania oraz kumulacji ciepła od lat 50 XX wieku wyraźnie przyspieszyły. Również w skali regionalnej te trendy są zauważalne, także ze względu na wysokie zmienności klimatu. Z kolei trendy w średniej intensywności fal upałów są nieznaczne 1.

Naukowcy wzięli do badań okres 1950-2017 w celu wykrycia trendów zmian badanych parametrów.

W zestawach danych brytyjskiego Met Office – HadGHCND i kalifornijskiego Berkeley Earth – Berkeley Earth, widać wyraźnie, że pod kątem badań regionalnych zmian klimatu, częstotliwość fal upałów wzrosła znacząco prawie we wszystkich regionach Ziemi. W żadnym nie stwierdzono spadku. Podobnie wzrasta skumulowana częstotliwość fal upałów.

Z kolei wspomniana średnia intensywność wykazuje niewielkie zmiany wzrostowe, natomiast przybywa dni z falami upałów oraz wydłużają się one.

W modelu HadGHCND zastosowano quasi-globalną ocenę zmian fal upałów w okresie 1950-2011, gdyż zabrakło danych dla Ameryki Środkowej i Południowej, Bliskiego Wschodu, Indii, Indonezji, północnej Kanady i Grenlandii. Ponadto, ma on niezbyt dokładną rozdzielczość siatki przy 3,75° długości i 2,5° szerokości geograficznej

Z kolei model Berkeley Earth zapewnia znacznie większe pokrycie przestrzenne przy znacznie lepszej rozdzielczości, wynoszącej 1° długości geograficznej na 1° szerokości geograficznej. Ten dokładniejszy pomiar oceny zmian fal upałów jest analizowany w okresie lat 1950-2014.

W badaniu powyższym zastosowano nową metrykę pod względem badań fal upałów. Główna autorka pracy w serwisie The Conversation wyjaśnia co oznacza termin s skumulowane ciepło 2:

Załóżmy na przykład, że w konkretnej lokalizacji próg fali upałów wynosił około 30°C. „Dodatkowe ciepło” w dniu, w którym temperatury osiągają 35°C, wyniosłoby 5°C. Jeśli fala upałów trwała trzy dni, a wszystkie dni osiągnęły 35°C, to skumulowany upał dla tego wydarzenia wyniesie 15°C.

Skumulowane upały zazwyczaj mają miejsce wtedy, gdy sumuje się temperaturę powyżej tego progu we wszystkich dniach fali upałów.


Rys.1. Globalne mapy obserwowanych dekadowych trendów fal upałów.

Trendy w sezonowych dniach fali upałów (a , b); długość najdłuższej fali upałów (c , d); średnia intensywność fali upałów (e , f); oraz skumulowane ciepło (g , h) dla quasi-globalnego zbioru danych obserwacyjnych HadGHCND   (a , c , e , g) oraz globalnego zbioru danych obserwacyjnych Berkeley Earth (b , d , f , h) w latach 1950-2014. Trendy są wyrażone jako dni dekady -1 dla (a – d) i °C   dekady -1 dla (e – h)

(Sarah Perkins-Kirkpatrick i inni, 2020).


W najgorszym sezonie upałów w Australii w całym kraju wystąpiło dodatkowe 80°C skumulowanych dni upalnych. Natomiast w Rosji i na Morzu Śródziemnym, najbardziej ekstremalne sezony miały dodatkowe 200°C lub więcej.

W serwisie Science Daily dr Sarah Perkins Kirkpatrick powiedziała 3:

Nie tylko widzieliśmy coraz dłuższe fale upałów na całym świecie w ciągu ostatnich 70 lat, ale trend ten znacznie przyspieszył…

…Skumulowane upały wykazują podobne przyspieszenie, wzrastając globalnie średnio o 1 — 4,5°C co dekadę, ale w niektórych miejscach, takich jak Bliski Wschód oraz części Afryki i Ameryki Południowej, trend wynosi do 10°C na dekadę.

Przykładowo, gdy weźmiemy pod uwagę regiony na naszej planecie, to:

W basenie Morza Śródziemnego został zaobserwowany dramatyczny wzrost fal upałów, którego pomiary wykonuje się na przestrzeni kilkudziesięciu lat. W latach 1950-2017 na Morzu Śródziemnym fale upałów zaznaczyły wzrost o dwa dni na dekadę. Jednak już trend liczony od 1980 do 2017 roku wyraźnie przyśpieszył do 6,4 dnia na dekadę.

Również tak jak basen Morza Śródziemnego, regiony w Ameryce Południowej, takie jak Amazonia, północno-wschodnia Brazylia czy też region Azji Zachodniej, doświadczają dość gwałtownych zmian fal upałów, podczas gdy obszary takie jak Australia Południowa i Azja Północna wprawdzie doświadczają tych samych zmian, ale w znacznie wolniejszym tempie.

—–

Bradfield Lyon, profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie Maine i główny autor badania oraz jego współpracownicy: Anthony Barnston, główny prognostyk w Międzynarodowym Instytucie Badawczym Klimatu i Społeczeństwa Uniwersytetu Columbia; Ethan Coffel, adiunkt w Katedrze Geografii i Środowiska na Uniwersytecie w Syracuse oraz Radley M. Horton, profesor w Obserwatorium Ziemi Lamonta-Doherty’ego na Uniwersytecie Columbia, zwrócili uwagę, że obok intensywności i częstotliwości fali upałów poważnym problem staje się ich zasięg przestrzenny, co dotychczas w publikacjach naukowych raczej nie było omawiane 4.


Rys.2. Średnia z wielu modeli (MMM – Mean Multi-Model). Procent dni w ciepłej porze roku (maj-wrzesień) w ciągłych falach upałów (>95 percentyla przez 3 lub więcej kolejnych dni) dla historycznych przebiegów 1980-2005 (lewa kolumna) i prognoz na lata 2031-2055 (prawa kolumna) na podstawie forsowania RCP8.5.

(a) i (b) dotyczą maksymalnej temperatury dziennej, (c) i (d) dziennej maksymalnej temperatury odczuwalnej oraz (e) if) minimalnej temperatury dziennej.

Należy zauważyć, że różne skale kolorów różnią się o rząd wielkości między dwiema kolumnami.

(Bradfield Lyon i inni, 2019)


W swojej pracy naukowcy obliczyli, że już do połowy wieku, w scenariuszu średniej emisji gazów cieplarnianych, średni rozmiar fal upałów może wzrosnąć aż o 50%. Natomiast przy wysokich stężeniach gazów cieplarnianych średni rozmiar tychże fal upałów może wzrosnąć nawet o 80%, a jeszcze bardziej ekstremalne fale upałów mogą zwiększyć swój zasięg nawet ponad dwukrotnie.

Profesor Bradfield Lyon, główny autor pracy, dla serwisu Science Daily powiedział 5:

Wraz ze wzrostem fizycznych rozmiarów dotkniętych falami upałów regionów coraz więcej osób będzie narażonych na stres cieplny.

Większe fale upałów zwiększyłyby również obciążenia elektryczne i szczytowe zapotrzebowanie na energię w sieci, ponieważ coraz więcej osób i firm włącza w odpowiedzi klimatyzację.

Naukowcy zauważyli też, że szczególnie trzeba poważnie wziąć pod uwagę zasięg przestrzenny sąsiadujących regionów jednocześnie doświadczających warunków fal upałów. W przyszłości regiony sąsiedzkie mogą się na siebie nakładać, co będzie skutkowało złączeniem się ich w jeden ogromny obszar, nad którym pojawi się długotrwała, uciążliwa fala upału, która wpłynie na koszty adaptacji ludzi i zwierząt do takich ekstremalnych warunków pogodowych.

W badaniu naukowcy odkryli, że rozmiary fali upałów i narażonej danej populacji objętej tym zjawiskiem pogodowym są mocno skorelowane z  atrybutami fali upałów, takimi jak czas trwania, wielkość i stopniodni chłodzenia (miara zużycia energii), które mogą znacznie wzrosnąć.

Profesor Bradfield w tym samym serwisie podkreślił następującą uwagę:

Wzrost atrybutów, takich jak wielkość i czas trwania, jest zgodny z oczekiwaniami dotyczącymi ocieplenia klimatu. Nowością w naszym badaniu jest sposób, w jaki je obliczyliśmy, co pozwoliło nam uznać rozmiar za nowy wymiar fali upałów.

Poprzednie badania generalnie obliczały statystyki fal upałów na poziomie lokalnym – obliczając atrybuty, takie jak częstotliwość dla każdej lokalizacji lub punkt siatki, a następnie agregując wyniki, aby zobaczyć wzorce przestrzenne. W tym badaniu autorzy śledzili fale upałów i określili ilościowo ich atrybuty jako połączonych regionów, które poruszają się i zmieniają rozmiar i siłę w ciągu swojego życia.

Z kolei Anthony Barnston, współautor badania dodał w Science Daily:

Jeśli mamy dużą, ciągłą falę upałów na gęsto zaludnionym obszarze, trudniej byłoby temu obszarowi zaspokoić szczytowe zapotrzebowanie na energię elektryczną niż w przypadku kilku obszarów o mniejszych falach upałów, które po połączeniu mają ten sam rozmiar.

Te nowatorskie odkrycie przestrzennych rozległych fal upałów ma posłużyć w planowaniu strategicznym w zabezpieczeniu energetycznym, zdrowotnym, żywieniowym ludności oraz zwierząt przed możliwym powtórzeniem się ich w niedalekiej przyszłości.

—–

Praca badawcza zespołu George’a Zittisa z Instytutu Cypryjskiego wyjaśnia wielomodelowy zespół projekcji klimatycznych zaprojektowany wyłącznie dla danego obszaru geograficznego 6.

Naukowcy scharakteryzowali przyszłe okresy ekstremalnie gorących dni za pomocą wskaźnika wielkości fal upałów.

Główny autor pracy dla serwisu Science Daily powiedział 7:

Nasze wyniki dotyczące ścieżki biznesowej jak zwykle wskazują, że szczególnie w drugiej połowie tego stulecia pojawią się bezprecedensowe super i ultraekstremalne fale upałów.

Naukowcy ostrzegają, że przy kontynuacji scenariusza wysokich emisji, według scenariusza „biznes jak zwykle”, zdarzenia te będą miały coraz częstszy związek z nadmiernie wysokimi temperaturami dochodzącymi nawet do 56 stopni Celsjusza, a także znacznie wyższymi w warunkach miejskich i mogą one utrzymywać się przez wiele tygodni, potencjalnie zagrażając życiu ludzi i zwierząt. Np. Imprezy masowe w regionie Bliskiego Wschodu i Afryki Północnej MENA – Middle East and North Africa), takie jak Pielgrzymka Muzułmańska, inaczej Hadżdż, mogą być szczególnie narażone na ekstremalne upały. W drugiej połowie stulecia około połowa populacji tamtejszej, licząca około 600 milionów ludzi, może być narażona na takie powtarzające się co roku ekstremalne warunki pogodowe.


Rys.3. Przewidywane zmiany temperatury maksymalnej.

Krzywe gęstości prawdopodobieństwa dla symulowanej historycznej i przewidywanej w bliższym i dalszym czasie temperatury w rejonie MENA:

  1. a) średniej w ciepłej porze roku
  2. b) maksymalnej w ciepłej porze roku

(George Zittis i inni, 2021)

 

Dokonując analizy historycznych i przyszłych fal upałów, zespół Zittisa zbadał znaczenie statystyczne przewidywanego w przyszłości sygnału zmiany klimatu.

Konkretnie zbadano średnią maksymalną dzienną temperaturę powietrza blisko powierzchni (TASMAX – Daily Maximum Near-Surface Air Temperature) w ciepłym sezonie, przy zastosowaniu testu t- Studenta.

Naukowcy przewidują, że już w ciągu najbliższych kilku dekad (2021–2050) TASMAX będzie mieć statystycznie znacznie wyższe średnie (przy 95% przedziale ufności) dla większości obszarów.

Istnieje przekonująca zgodność między różnymi eksperymentami, ponieważ co najmniej 90% prognoz prognoz skoordynowanego regionalnego eksperymentu zmniejszania skali w regionie Bliskiego Wschodu i Afryki Północnej (MENA-CORDEX – Middle East-North Africa-Coordinated Regional Downscaling Experiment) sugeruje znaczący wpływ zmiany klimatu. A pod koniec obecnego stulecia (2071–2100) dla prawie każdej części regionu, nasze wyniki zbiorowe wskazują na statystycznie istotne zmiany maksymalnej dobowej temperatury. Wyniki te zgadzają się z wcześniejszymi badaniami dla regionu.

Początkowe symulacje w modelu MENA-CORDEX, od 1981 roku do około 2020 roku, mają przebiegi średnio „normalne” i „umiarkowane” pod względem fal upałów. Modele te ukazują jednak coraz wyraźniej w najbliższej przyszłości, przechodzenie do zdarzeń „ciężkich”, „ekstremalnych” i „bardzo ekstremalnych” w latach 2050-2070. Przewiduje się, że w kolejnych dekadach i pod koniec XXI wieku warunki termiczne w regionie staną się szczególnie trudne, ponieważ nieobserwowane do tej pory, a tym samym bezprecedensowe „super-ekstremalne” i „ultra-ekstremalne” zdarzenia mają być powszechne w ramach reprezentatywnej ścieżki koncentracji RCP 8.5, czyli „biznes jak zwykle”.

Współautor artykułu, Jos Lelieveld, dyrektor Instytutu Chemii im. Maxa Plancka, dla Science Daily mówi:

Obywatele podatni na zagrożenia mogą nie mieć środków, aby przystosować się do tak trudnych warunków środowiskowych. Te fale upałów w połączeniu z regionalnymi czynnikami gospodarczymi, politycznymi, społecznymi i demograficznymi mają duży potencjał, aby spowodować masową, przymusową migrację do chłodniejszych regionów na północy.

Naukowcy apelują o natychmiastową redukcję gazów cieplarnianych i podejmowanie rozwiązań adaptacyjnych w ciężkich warunkach miejskich.

W ciągu najbliższych 50 lat prawie 90 procent narażonej populacji na fale upałów w regionie Bliskiego Wschodu i Afryki Północnej (MENA) będzie mieszkać w ośrodkach miejskich, które niestety będą musiały radzić sobie z tymi destrukcyjnymi społecznie warunkami pogodowymi, jeśli ludzkość dalej będzie emitować gazy cieplarniane do atmosfery.

Zittis na podstawie analizy badawczej podsumowuje następujący fakt:

Istnieje pilna potrzeba uczynienia miast bardziej odpornymi na zmiany klimatu.


Bibliografia:

  1. Perkins-Kirkpatrick S. E. et al., 2020 ; Increasing trends in regional heatwaves ; Nature Communications ; https://www.nature.com/articles/s41467-020-16970-7
  2. Perkins-Kirkpatrick S. E., 2020 ; The world endured 2 extra heatwave days per decade since 1950 – but the worst is yet to come ; The Conversation ; https://theconversation.com/the-world-endured-2-extra-heatwave-days-per-decade-since-1950-but-the-worst-is-yet-to-come-141983
  3. University of New South Wales, 2020 ; Heatwave trends accelerate worldwide ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2020/07/200706114005.htm
  4. Bradfield L. et al., 2019 ; Projected increase in the spatial extent of contiguous US summer heat waves and associated attributes ; Environmental Research Letters ; https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/ab4b41
  5. NOAA Headquarters, 2019 ; Heat waves could increase substantially in size by mid-century ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2019/10/191007180051.htm
  6. Zittis G., 2021 ; Business-as-usual will lead to super and ultra-extreme heatwaves in the Middle East and North Africa ; Nature Climate and Atmospheric Science ; https://www.nature.com/articles/s41612-021-00178-7
  7. Max Planck Institute for Chemistry, 2021 ; Extreme temperatures, heat stress and forced migration ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2021/03/210324094656.htm

Badania satelitarne strumieni węgla

Cykl węglowy jest najbardziej podstawowym cyklem biogeochemicznym na Ziemi, ale jego znaczna część pozostaje zagadkowa. Wiadomo nam, że jest zakłócany poprzez spalanie paliw kopalnych oraz zmiany użytkowania terenu.

Węgiel jako pierwiastek chemiczny w procesie spalania łączy się z atmosferycznym tlenem (O2), a podczas deforestacji, karczowania, osuszania mokradeł, gdy powstaje w warunkach tlenowych, to trafia do atmosfery jako związek chemiczny dwutlenek węgla (CO2), a w warunkach beztlenowych jako metan (CH4). I tak powstająca nadwyżka dwutlenku węgla w atmosferze ma już pochodzenie antropogeniczne. Jedna jej połowa zostaje w atmosferze, a druga połowa jest absorbowana przez lądy i oceany.

Węgiel naturalnego pochodzenia uczestniczy w cyklu węglowym. I jest nie tylko wydzielany, ale i też pochłaniany przez oceany i gleby. Z kolei w przypadku roślinności na Ziemi, zachodzi fotosynteza, czyli pochłanianie atmosferycznego dwutlenku węgla, w porze dziennej przez wszystkie rośliny i glony oraz wydzielanie w tym samym czasie tlenu. Jednak wyjątek stanowią rośliny tzw. typu C3 (których jest większość na Ziemi), które w porze nocnej dodatkowo wydzielają dwutlenek węgla. Ponadto ten gaz jest wydzielany do atmosfery przez rośliny po ich śmierci.

Z kolei zwierzęta i grzyby tylko CO2 wydzielają do atmosfery, za to absorbując tlen, zarówno w porze dziennej, jak i nocnej.

Pośmiertna zespołowa praca, której głównym autorem był zmarły w grudniu 2016 roku Piers J. Sellers – dyrektor Wydziału Nauk o Ziemi w Goddard Space Flight Center NASA w Greenbelt, to jeden z kamieni milowych na temat satelitarnych badań węgla w atmosferze Ziemi i jego interakcji z lądem oraz z oceanem 1.

W powyższym artykule Sellers i jego współpracownicy zbadali „sprzężenia zwrotne obiegu węgla i klimatu” – potencjalną odpowiedź systemów naturalnych na zmiany klimatyczne spowodowane przez emisje człowieka.

Naukowcy zastanawiają się, jak wymiana węgla wpłynie na interakcje pomiędzy lądem, oceanem a powietrzem. Nie są pewni jak dalszy wzrost temperatury globalnej wpłynie na dalsze procesy absorpcji węgla przez lasy i oceany, które w pewnym sensie na razie są buforami spowolnienia ocieplania się klimatu w atmosferze, od której my ludzie oraz wiele zwierząt lądowych jest zależnych. Można zadać pytanie czy pochłanianie netto węgla przez lądy i oceany zmniejszy się czy też te rezerwuary węgla będą powoli stawać się źródłami netto węgla?


Rys.1. Sprzężenia zwrotne systemu ziemskiego prowadzą do pochłaniaczy, które pochłaniają około połowy emisji antropogenicznych, a pozostała część przyczynia się do wzrostu atmosferycznego węgla.

Strumienie węgla pochodzą z globalnego budżetu węglowego „Global Carbon Budget” (Le Quéré et al., 2015).

Ten budżet nie jest zbilansowany i zawiera szczątkowy strumień wynoszący 0,6 Pg/rok.

(Piers Sellers i inni, 2018)


David Schimel, naukowiec z Laboratorium Napędów Odrzutowych (JPL – Jet Propulsion Laboratory) w Pasadenie oraz wieloletni współpracownik naukowy Sellersa, będący także współautorem artykułu odpowiedział:

Wszyscy postrzegaliśmy zrozumienie przyszłości sprzężeń zwrotnych obiegu węgla jako jedno z największych wyzwań nauki o zmianie klimatu.

—-

W 2014 roku NASA wystrzeliła satelitę Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2), po to by bezpośrednio mierzyć stężenie dwutlenku węgla w atmosferze. A wraz z dalszym postępem w zakresie pomiarów i technik modelowania komputerowego, naukowcy coraz lepiej rozumieją w swoich symulacjach w jaki sposób węgiel przepływa pomiędzy atmosferą, lądem a oceanem.

Zadaniem OCO-2 jest gromadzenie globalnych pomiarów z wystarczającą precyzją, pokryciem i rozdzielczością, aby pomóc w identyfikacji źródeł i pochłaniaczy CO2.

Interesujące i zbliżone prace na ten temat, w kontekście satelitarnych badań koncentracji dwutlenku węgla, pokazali w tym samym czasie naukowcy, tacy jak Annmarie Eldering, Junjie Liu i Florian Schwandner, pracujący w Laboratorium Napędów Odrzutowych (JPL) na Technologicznym Instytucie Kalifornijskim w Pasadenie w Kalifornii.

—-

Pierwsza praca zespołowa, której autorką była Annmarie Eldering wyjaśnia nam wiele tematów 2.

Jednym z nich jest przyjrzenie się uważne, że tropikalne regiony Ameryki Południowej, Afryki środkowej i Azji południowo-wschodniej podczas silnego El Niño 2015-16 wyemitowały do atmosfery wielokrotnie więcej dwutlenku węgla niż w okresie 2010-11 podczas silnej La Niña.

Ten temat wyjaśnia nam, że procesy zachodzące w rytmie pór roku podczas regionalnych zmian stężeń CO2 w cyklu węglowym na półkuli północnej mają charakter cykliczny. Koncentracja CO2 na półkuli północnej spada wiosną i latem, gdy kwitnące i owocujące rośliny pobierają ten gaz z powietrza, natomiast wzrasta jesienią i zimą w trakcie występującego wówczas rozkładu materii organicznej z rozkładającej się roślinności oraz z procesu wyhamowania fotosyntezy, gdy w strefie umiarkowanej drzewa wtedy gubią liście. W ten sposób CO2 wraca w większej ilości z powrotem do atmosfery. Na fluktuacje sezonowe wzrostu i spadku stężenia dwutlenku węgla w atmosferze nakłada się też stały wzrost koncentracji CO2 w atmosferze związany ze spalaniem paliw kopalnych podczas zwiększonego ogrzewania mieszkań i domów użyteczności publicznej.


Rys.2. Wpływ El Niño na strumień węgla w 2015 r. W stosunku do 2011 r., Wykryty na podstawie danych z satelity Greenhouse Gases Observing Satellite (GOSAT) i OCO-2 (Anmarie Eldering i inni, 2017).

—–

Interesujące jest też badanie zespołu badawczego Junjie Liu, w którym naukowcy połączyli dane pomiarowe satelity OCO-2 z danymi zebranymi za pomocą innych satelitów 3.

Ostatecznie, pokazały one, że opisane, także przez zespoły Eldering i Liu, tropikalne regiony Ameryki Południowej, Afryki i Azji, podczas bardzo silnego El Niño wyemitowały do atmosfery w 2015 roku aż 2,5 GtC (gigaton węgla) więcej niż w 2011 roku, gdy była bardzo silna La Niña, czyli blisko o ¼ , tyle, ile wynoszą łącznie emisje antropogeniczne. Jak się okazało, ekstremalnie wysokie temperatury towarzyszące falom upałów, suszom i pożarom sprzyjały temu, że do atmosfery w tropikach trafiało więcej dwutlenku węgla z gleb, roślinności i zapewne z oceanów.


Rys.3. Zróżnicowane anomalie czynników klimatycznych i reakcje cyklu węglowego na El Niño 2015–2016 na trzech kontynentach tropikalnych tropikalnych (Jiunjie Liu i inni, 2017).

 

Z kolei Florian Schwandner i jego współpracownicy przyjrzeli się dokładniej analizie satelitarnej, w której na trzech obszarach tropikalnych, opisanych przez Elderinga i Liu, procesy pokazujące wzrost emisji były różne 4.

I tak przykładowo:

W Ameryce Południowej przyczyną emisji był brak deszczu przynoszący suszę. Z kolei w Afryce, chociaż wzrost roślin był normalny, emisje wzmacniały temperatury regionalne, które były wyższe od średniej temperatury, a to prowadziło do szybszego rozkładu materii organicznej. Natomiast w Azji główną przyczyną emisji były pożary podczas suszy w wielu regionach silnie wylesionych.

Przyszłość naszego klimatu jest niepewna. Anomalnie wysokie temperatury, susze oraz pożary najprawdopodobniej przyczynią się do dodatkowych emisji CO2 i dalszego nasilenia się ocieplania klimatu.

Rys.4. Pomiary stężeń CO2 próbkowane w prostokątach 1,3 x 2,25 km, wykonane przez OCO-2 podczas jednego z przelotów nad Los Angeles. Źródło Schwander i in., 2018.

 

Marcin Popkiewicz w artykule „Satelitarne obserwacje stężeń źródeł emisji i miejsc pochłaniania CO2”, w serwisie Nauka o klimacie, pisze 5:

Przykładowo, dane zebrane podczas przelotów OCO-2 nad Los Angeles (rysunek 8) wykazały, że koncentracje CO2 w próbkowanych obszarach nad centrum miasta przy korzystnych warunkach wiatrowych były o 4,4-6,1 ppm wyższe niż w leżących 100 km dalej terenach pozamiejskich. Podobnie rejestrowane są też emisje CO2 z aktywnych wulkanów oraz ich zmiany wraz ze zmianami aktywności, rejestrowanej równolegle za pomocą znajdujących się na innych satelitach detektorów SO2 (dwutlenku siarki).


Referencje:

  1. Sellers P. J. et al., 2016 ; Observing carbon cycle–climate feedbacks from space ; Proceedings of the National Academy of Sciences ; https://www.pnas.org/content/115/31/7860
  2. Eldering A. et al., 2017 ; The Orbiting Carbon Observatory-2 early science investigations of regional carbon dioxide fluxes ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aam5745
  3. Liu J. et al., 2017 ; Contrasting carbon cycle responses of the tropical continents to the 2015–2016 El Niño ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aam5690
  4. Schwandner F. M. et al., 2017 ; Spaceborne detection of localized carbon dioxide sources ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aam5782
  5. Popkiewicz M., 2018 ; Satelitarne obserwacje stężeń, źródeł emisji i miejsc pochłaniania CO2 ; Nauka o klimacie : https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/satelitarne-obserwacje-stezen-zrodel-emisji-i-miejsc-pochlaniania-co2-293/

Wyższa czułość klimatu według CMIP6

Czułość klimatu jest to odpowiedź globalnej temperatury Ziemi na podwojenie stężenia dwutlenku węgla. Obliczamy ją od umownego okresu w 1750 r., gdy rozpoczęto spalać paliwa kopalne. Wówczas średnia globalna koncentracja (stężenie) dwutlenku węgla wynosiła 280 ppm (parts per milion). Dziś wynosi 415 ppm. W latach 2070-2100 przy kontynuacji scenariusza wysokich emisji gazów cieplarnianych (GHG) wyniosłaby ona 560 ppm.
Prawdopodobnie średnia czułości klimatu wówczas będzie wyższa niż 3 stopnie Celsjusza, która taka była podczas ustalania V Raportu Oceny IPCC w latach 2013-14. Obecnie trwa jeszcze weryfikacja VI Raportu Oceny IPCC (2021-2022), po którego zakończeniu pod koniec 2022 roku, najprawdopodobniej zostanie w końcu ustalona nowa wyższa średnia czułości klimatu.
—-
Według wspomnianego V Raportu IPCC modele klimatyczne projektu porównywania modeli sprzężonych (CMIP5 – Coupled Model Intercomparison Project) pokazują równowagową czułość klimatu (ECS – Equilibrium Climate Sensitivity) wynoszącą 3 stopnie Celsjusza powyżej okresu przedprzemysłowego..
—-
—-
Rys.1. Zakres równowagowej czułości klimatu (ECS – Equilibrium Climate Sensitivity) z nowego badania dla wyników podstawowych (czarny kolor), z piątego raportu oceny IPCC (AR5 – Assessment Report 5) (niebieski kolor), ostatniej generacji projektu porównywania połączonych modeli sprzężonych klimatu w fazie 5 (CMIP5 – Coupled Model Intercomparision Project) (żółty kolor) oraz nowych sprzężonych modeli klimatycznych w fazie 6 (CMIP6) (pomarańczowy kolor).
W przypadku wyników badań Sherwooda i in. oraz z AR5, prawdopodobną czułość klimatu (zakres 66%) pokazują grube słupki, natomiast bardzo prawdopodobną czułość (zakres 90%) przedstawiają cienkie słupki.
Wykres według Carbon Brief przy użyciu Highcharts.
—-
Zespół naukowy pod kierownictwem Stevena Sherwooda, profesora meteorologii fizycznej i dynamiki klimatu atmosferycznego na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii w Sydney, obliczył na podstawie własnych modeli, metod statystycznych oraz miar: równowagowej czułości klimatu (ECS) i przejściowej reakcji klimatycznej (TCR – Transient Reaction Climate), że czułość klimatu może mieć przedział w zakresie 2,6-4,1 stopni Celsjusza. A więc, najwyższa czułość klimatu przy najwyższym ówczesnym badanym scenariuszu emisji RCP 8.5, to 4,1 °C , a nie 4,5 °C , o którym mówiono już nie tylko w V Raporcie IPCC z 2013 roku, ale i nawet w IV z 2007 roku.
Do obliczeń równowagowej czułości klimatu (ECS) oraz przejściowej reakcji klimatycznej (TCR) wykorzystano szeroki zestaw modeli klimatycznych GCM (Global Climate Model), biorąc pod uwagę szereg sprzężeń zwrotnych, zwłaszcza związanych z chmurami.
—-
Jedna z pierwszych prac naukowych na temat modeli najnowszej generacji CMIP6 ukazała się w 2016 roku.
Wykonawcami jej jest zespół badawczy Veroniki Eyring badaczki z Niemieckiego Centrum Lotniczego (DLR) oraz Instytutu Fizyki Atmosfery w Oberpfaffenhofen w Niemczech.
Naukowcy pokazali w swojej pracy wyższy wskaźnik czułości klimatu, który wyniósł prawie 6 stopni Celsjusza w stosunku do okresu przedprzemysłowego.
Piotr Florek pracujący na co dzień w brytyjskim Met Office Hadley Centre pisze na łamach serwisu Nauka o klimacie w artykule „Wyższa czułość klimatu w nowym raporcie IPCC”:
Dla klimatologów nie jest wielkim zaskoczeniem, że wysoka czułość jest powiązana z klimatycznymi sprzężeniami zwrotnymi, i że główną rolę przynajmniej w części modeli (np. amerykańskiej rodzinie CESM2, kanadyjskim CanESM5, francuskich CNRM-CM6-1 i CNRM-ESM2-1 oraz brytyjskich HadGEM3-GC3.1 i UKESM1) odgrywają tutaj zmiany zachmurzenia na ocieplającej się planecie, oraz wpływ, jaki na tworzenie się chmur mają drobne cząsteczki zwane aerozolem, zarówno naturalnego, jak i antropogenicznego pochodzenia.
—-
—-
Rys.2. Schemat eksperymentalnego projektu CMIP/CMIP6 i 21 zatwierdzonych przez CMIP6 MIP. (Graham Simpkins, 2017).
—-
W serwisie Carbon Brief dowiadujemy się na temat schematu projektu eksperymentalnego CMIP/CMIP6 na temat diagnostycznych, ewaluacyjnych i charakterystycznych cech klimatu (DECK – Diagnosis, Evaluation, Characterization of Klima):
Eksperymenty w CMIP6 obejmują podstawowe symulacje „diagnostyczne” (zwane DECK ), w których CO2 wzrasta o 1% rocznie lub nagle czterokrotnie, lub gdzie wymuszane zmiany klimatyczne pozostają względnie niezmienione przez długi czas. Obejmują one historyczne przebiegi napędzane obserwowanymi zmianami CO2 i innymi czynnikami klimatycznymi oraz scenariusze przyszłych emisji w XXI wieku i później.
Ponadto istnieją 22 specjalistyczne eksperymenty (23, w tym scenariusze przyszłych emisji), w których grupy zajmujące się modelowaniem mogą wziąć udział. Eksperymenty te – zwane porównawczymi projektami modeli (MIP – Model Intercomparison Projects) – dostarczają użytecznych ocen zmian klimatu poza tymi w podstawowej diagnostyce i symulacje historyczne. Na przykład w eksperymencie GeoMIP różne grupy modelujące symulują wpływ różnych typów geoinżynierii na klimat. Na poniższym rysunku pokazano procedury MIP zawarte w CMIP6.
Poniżej zostały wymienione procedury MIP zawarte w CMIP6 – opisane na rys.32.:
Projekt porównywania modeli aerozoli i chemii (AerChemMIP)
Projekt porównawczy dla połączonego klimatycznego cyklu węglowego (CMIP4)
Projekt porównywania modeli usuwania dwutlenku węgla (CDRMIP)
Projekt porównywania modeli sprzężeń zwrotnych w chmurze (CFMIP)
Projekt porównywania modeli detekcji i atrybucji (DAMIP)
Dekadalny projekt prognozy klimatycznej (DCPP)
Projekt porównywania modeli wymuszonych przez anomalię strumienia (FAFMIP)
Projekt porównywania modeli geoinżynieryjnych (GeoMIP)
Globalny projekt porównawczy modeli monsunów (GMMIP)
Projekt porównywania modeli o wysokiej rozdzielczości (HighResMIP)
Projekt porównywania modeli lądolodu dla CMIP6 (ISMIP6)
Wilgotność powierzchni ziemi, śniegu i gleby (LS3MIP)
Projekt porównywania modeli użytkowania gruntów (LUMIP)
Projekt porównywania modeli oceanicznych (OMIP)
Projekt porównywania polarnych modeli amplifikacji (PAMIP)
Projekt porównawczy modelowania paleoklimatycznego (PMIP)
Projekt porównywania modeli wymuszania radiacyjnego (RFMIP)
Projekt porównania modeli scenariuszy (ScenarioMIP)
Projekt porównawczy modeli sił wulkanicznych (VolMIP)
Skoordynowany regionalny eksperyment zmniejszania skali klimatu (CORDEX)
Projekt porównywania modeli dynamiki i zmienności (DynVarMIP)
Projekt porównywania modeli lodu morskiego (SIMIP)
Rada Doradcza ds. Usług Podatności, Oddziaływania, Adaptacji i Klimatu (VIACS AB)
—-
Przed pojawieniem się VI Raportu Oceny IPCC, ukazała się bardzo niedawno jeszcze jedna bardzo ważna praca naukowa na temat wyższej czułości klimatu, opracowana na podstawie tego samego zestawu modeli.
Najnowszy model CMIP6, zaprezentowany przez instytucję badawczą Met Office HadCRUT, który ukazał się w VI Raporcie IPCC jesienią w 2021 roku, już pokazuje zakres czułości klimatu od stosunkowo niskich wartości 1,8 °C do wysokich wartości 5,6 °C. Zakres tej czułości klimatu omówił Mark D. Zelinka, wraz ze swoimi współpracownikami z Narodowego Laboratorium (Lawrence Livermore National Laboratory) w Kalifornii:
Dotkliwość zmian klimatu jest ściśle związana z tym, jak bardzo Ziemia się ociepla w odpowiedzi na wzrost emisji gazów cieplarnianych. Tutaj dowiadujemy się, że reakcja temperaturowa na nagły czterokrotny wzrost atmosferycznego dwutlenku węgla znacznie wzrosła w najnowszej generacji globalnych modeli klimatycznych. Dzieje się tak głównie dlatego, że jest coraz niższa zawartość wody w chmurach i bardzo silnie zmniejsza się ich zasięg wraz z postępującym globalnym ociepleniem, powodując zwiększoną absorpcję światła słonecznego przez planetę – wzmacniające sprzężenie zwrotne, które ostatecznie skutkuje jeszcze większym ociepleniem.
Różnice w fizycznej reprezentacji chmur w modelach napędzają tę zwiększoną czułość w porównaniu z poprzednią generacją modeli. Istotne jest ustalenie, czy najnowsze modele, które przypuszczalnie lepiej prezentują system klimatyczny niż ich poprzednicy.
—-
Referencje:
Forster P. et al., 2020 ; Guest post: Why low-end ‘climate sensitivity’ can now be ruled out ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/guest-post-why-low-end-climate-sensitivity-can-now-be-ruled-out
Sherwood S. C. et al., 2020 ; An Assessment of Earth’s Climate Sensitivity Using Multiple Lines of Evidence ; Reviews of Geophysics ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019RG000678
Eyring V. et al., 2016 ; Overview of the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) experimental design and organization ; Geoscience Model Development ; https://gmd.copernicus.org/articles/9/1937/2016/gmd-9-1937-2016.pdf
Florek P., 2019 ; Wyższa czułość klimatu w nowym raporcie IPCC? ; Nauka o klimacie ; https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/wyzsza-czulosc-klimatu-w-nowym-raporcie-ipcc-384/
Hausfather Z., 2019 ; CMIP6: the next generation of climate models explained ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/cmip6-the-next-generation-of-climate-models-explained
Zelinka M. D. et al., 2021 ; Causes of Higher Climate Sensitivity in CMIP6 Models ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019GL085782

Kenozoik – stany termiczne klimatu w skali geologicznej

Aby dokładniej oszacować prawdopodobieństwo przyszłego ocieplenia klimatu, naukowcy badają nie tylko rzeczywisty stan systemu klimatycznego Ziemi czy prawdopodobny w jej przyszłości, ale również uważniej przyglądają się, jak w przeszłości geologicznej przebiegał klimat, a zwłaszcza jego znacznie większe ocieplenie od współczesnego.
Dzięki coraz lepiej zaawansowanym technikom pomiarowym, po 50 latach żmudnych badań pośrednich (proxies), coraz lepiej poznajemy przeszłość geologiczną pod względem zmian klimatu.
Zarówno bliższą, jak i dalszą przeszłość klimatu, bada się metodami izotopowymi, za pomocą których ustala się zegar geologiczny.
Czyli, w zakres bliższej przyszłości wchodzą głównie badania słojów drzew i rdzeni lodowych, rdzeni koralowców, stalagmitów, aparatów szparkowych, pyłków kopalnych oraz aktywności słonecznej. Natomiast w zakres dalszej przyszłości wchodzą już badania głównie tzw. paleozoli (gleb kopalnych), odwiertów głębinowych w osadach morskich i jeziornych; organizmów morskich: pancerzyków i muszli wymarłych bezkręgowców, np. otwornic bentosowych, molekuł atomów węgla w organizmach glonów, tzw. alkenonów, archeowców, jak np. paleotermometr TEX 86.
Wszystkie powyżej wymienione badania odegrały kluczową rolę w rekonstrukcji klimatu całej ery kenozoicznej. W szczególności paleowskaźnik TEX 86 przyczynił się do ustalenia względnej rozdzielczości czasowej w zbadaniu nie tylko ery mezozoicznej i paleozoicznej w naszym eonie fanerozoiku, ale i także eonów starszych jak proterozoik i archaik). W szczególności z roku na rok są coraz bardziej udoskonalane prace badawcze pod kątem obserwacji temperatur w poszczególnych okresach, a w bliższej przyszłości, także w wyższej rodzielczości czasowej, w epokach geologicznych podanych w danych okresach. A te z kolei są sklasyfikowane w erach. No a te w eonach.
Temat paleowskaźnika TEX 86 został szeroko opisany przez Jessicę E. Tierney z Instytutu Oceanograficznego Woods Hole oraz przez Martina P. Stangleya z Wydziału Statystyki i Meteorologii, w Stanowym Uniwersytecie Pensylwanii.
—-
—-
Fot. Pokryte żłobieniami czerwone i brązowe paleozole w Painted Hills of John Day Fossil Beds National Monument, Oregon
—-
W dalszej przeszłości geologicznej na dynamikę systemu klimatycznego Ziemi miały wpływ różnorodne czynniki, jak geologiczne (tektonika płyt) czy typowo fizyczne atmosferyczne i hydrologiczne (cyrkulacje atmosferyczne i oceaniczne). W historii Ziemi, na zmienności i zmiany klimatu miał także chociaż jeden czynnik pozaziemski, jak np. asteroida. Najlepiej opisany i poznany z końca mezozoicznego okresu kredy i początku kenozoicznego paleogenu.
Era kenozoiczna przez bardzo długi czas nie była dokładnie zbadana pod względem zrozumienia dynamiki systemu klimatycznego naszej planety. W szczególności słabo było to ujęte, przez 34 milionów lat temu.
—-
Badanie z września 2020 roku przedstawione w Science, ukazało nam nowe oblicze klimatu kenozoicznego.
Główny autor publikacji, Thomas Westerhold z Centrum Nauk o Środowisku Morskim (MARUM – Centre for Marine Environmental Sciences) na Uniwersytecie w Bremie, tłumaczy:
Naszym celem było stworzenie nowego zestawu danych o przeszłości klimatu, który nie tylko uwzględnia dane o najwyższej rozdzielczości, ale także jest precyzyjniej datowany. Wiemy teraz dokładniej, kiedy na naszej planecie było cieplej lub zimniej, a także lepiej rozumiemy rządzącą tymi zmianami dynamikę… To był ogromny wspólny wysiłek wielu kolegów z całego świata, aby odzyskać próbki materiału, przeanalizować je i skompilować do postaci jednej krzywej.
Współautor, Norbert Marwan z Poczdamskiego Instytutu Badań nad Wpływem Klimatu (PIK), dodaje ważną uwagę:
Nasze analizy matematyczne ujawniły to, co z początku trudno w danych z osadów zauważyć – ukryte zależności i powtarzające się wzorce w klimacie. Spojrzenie w przeszłość jest więc również spojrzeniem w przyszłość. Z powolnych naturalnych fluktuacji klimatycznych zachodzących na przestrzeni milionów lat możemy wyciągnąć wnioski na temat oszałamiająco szybkich antropogenicznych zmian w naszym obecnym stuleciu.
W ramach obecnego wielkiego projektu paleoklimatologicznego International Ocean Discovery Program (IODP) oraz jego poprzedników w ciągu minionego pół wieku, podczas międzynarodowych ekspedycji wiertniczych na dnach oceanów udało się naukowcom skompletować wyniki badań przeszłego klimatu. Od początku XXI wieku położono duży nacisk na badania starsze niż 34 miliony lat, a więc, zanim na Antarktydzie pojawił się pierwszy lód.
—-
Wprawdzie pierwszych analiz rekonstrukcji klimatu kenozoicznego podjął się już w 2001 roku, James Zachos, pracownik Wydziału Nauk o Ziemi na Uniwersytecie Kalifornijskim, wraz ze swoim zespołem badawczym, ale pierwsza połowa kenozoiku w okresie ciepłym od 65 do 34 milionów lat nie została opisana dokładniej, chociaż już wtedy dokładniej opisano hipertermiczny epizod zwany PETM (Paleoceńsko-Eoceńskie Maksimum Termiczne), który miał miejsce 56 milionów lat temu. I właśnie ten stan klimatu nazwany został cieplarnianym, który był na początku ery kenozoicznej pomiędzy stanem ciepłym.
Westerhold wraz ze swoim zespołem badawczym na podstawie analiz naukowych klimatu kenozoicznego swoich poprzedników, dokładniej graficznie zobrazował nowy wykres, który nazwał CENOGRID (CENOzoic Global Reference benthic carbon and oxygen Isotope Dataset).
—-
—-
Rys.1. Graficzny wykres w postaci kodu kreskowego pokazujący stany termiczne klimatu: cieplarniany, ciepły, chłodny i zimny. Górny panel pokazuje od 66 milionów lat do dziś, epoki geologiczne. Dolny panel pokazuje od 66 milionów lat do dziś stężenie CO2 w ppm. Źródło: CENOGRID.
—-
Spoglądając na wykres na rysunku 1, widzimy cztery stany klimatu pod względem średniej temperatury powierzchni Ziemi. Mianowicie: cieplarniany, ciepły, chłodny i zimny. Przy jego rekonstrukcji zastosowano innowacyjne metody statystyczne stosowane w badaniach złożonych systemów dynamicznych. A konkretniej, udało się z wysoką rozdzielczością czasową oszacować przebieg temperatury w kenozoiku pod postacią spadkowej krzywej referencyjnej.
Na temat niniejszej pracy, prof. Szymon Malinowski na łamach serwisu naukowego Nauka o Klimacie, pisze:
Skład izotopowy tlenu i węgla w przebadanych osadach dostarcza informacji o przeszłych temperaturach oceanu, objętości lodu zamkniętego w lądolodach i lodowcach oraz cyklu węglowym. Graficznie wyniki badań można przedstawić jak fascynujący kod kreskowy.
Ochładzanie klimatu kenozoicznego polegało na szybkim usuwaniu dwutlenku węgla z atmosfery do gleb i skał oraz oceanów, niezależnie od przebiegających wymuszeń astronomicznych (słonecznych i orbitalnych), i miało głównie charakter geologiczny, tektoniczny. Oto trzy kluczowe zdarzenia, w których klimat w stanie ciepłym zaczął mieć trend ochładzający:
• około 50 milionów lat temu podczas zderzenia płyty indyjskiej z eurazjatycką i wypiętrzania się łańcuchów górskich Himalajów, Tien-Szanu, Karakorum, Hindukuszu, Kunlunu, Pamiru oraz płaskowyżu Tybetu (stan ciepły)
• około 34 miliony lat temu podczas powstania antarktycznego prądu wokółbiegunowego po ostatecznym rozpadzie Gondwany i pojawieniu się pierwszej pokrywy lodowej na Antarktydzie Wschodniej (przeskok ze stanu ciepłego w chłodny podczas przechodzenia klimatu z eocenu do oligocenu)
• około 14 milionów lat temu wzrost pokrywy lodowej na Antarktydzie Zachodniej (stan chłodny w środkowym miocenie)
• około 3 miliony lat temu podczas zamknięcia Przesmyku Panamskiego i powstania Prądu Zatokowego (Golfsztromu) i pojawienia się pierwszej pokrywy lodowej na Grenlandii i lodu morskiego w Arktyce (stan chłodny około 400 tysięcy lat przed końcem pliocenu i rozpoczęciem epoki plejstocenu ze stadiami glacjalno-interglacjalnymi (stan zimny, zwłaszcza podczas glacjałów)
Zespół naukowy Westerholda, gdy uzyskał w badaniach analitycznych składu izotopowego tlenu i węgla w mikroskamieniałościach otwornic bentosowych w wywierconych rdzeniach osadów oceanicznych, bardzo wysoką rozdzielczość czasową, przede wszystkim posłużył się jedną z najbardziej ciekawych metod statystycznych badania złożonych systemów dynamicznych, zwaną analizą rekurencji. Polega ona na opisie w przebiegu wykresów podobnych zdarzeń jakich spodziewamy się przy kontynuacji scenariusza emisji gazów cieplarnianych SSP5-8.5 (biznes jak zwykle). Od początku XXI wieku, dokładna analiza odwiertów sprzed 34 milionów laty pozwala spojrzeć naukowcom w przeszłość i przyszłość, gdy temperatury globalne mogą być analogiczne, o ile nie podejmiemy szybkich kroków dekarbonizacyjnych.
Kolejny wykres naukowców Westerholda ukazał interesującą trajektorię zmian klimatu. Zaczyna się nietypowo. Po uderzeniu asteroidy i uruchomieniu kaskadowych sprzężeń zwrotnych, najpierw ujemnych (zapylenie atmosfery, w tym stratosfery powodujące mroźną zimę w skali planetarnej), a potem dodatnich (masowe emisje dwutlenku węgla z wulkanicznych bazaltowych trapów dekańskich).
W sumie na ten krótki epizodyczny czas po impakcie bolidu, który zmiótł z powierzchni Ziemi 76 % gatunków, w tym wszystkie nieptasie dinozaury (C/Pe), okazał się wyjątkowo chłodny i na krótko (jak widać na wykresie) koncentracja CO2 spadła nawet do około 250 ppm.
—-
Praca zbiorowa Alfio Alessandro Chiarenzy, opublikowana w 2020 roku w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences, wskazuje wyraźnie tę ujemną anomalię klimatyczną. Jednak potem w tym samym czasie wulkanizm z trapów dekańskich spowodował w dość krótkim, w skali geologicznej, czasie do ogromnego wzrostu koncentracji dwutlenku węgla.
W artykule Westerholda na wykresie z trajektorią zmian klimatu (rys.232) pominięty został epizod hipertermiczny PETM (paleoceńsko-eoceńskie maksimum termiczne) i nieco mniejszy ETM-2 (eoceńskie maksimum termiczne). Zwłaszcza ten pierwszy był bardzo istotny. Był to krótkotrwały pik termiczny, podczas którego koncentracja dwutlenku węgla wzrosła ze stabilnego wówczas poziomu 1000 do 2000 ppm.
Wczesne eoceńskie optimum klimatyczne (EECO) miało miejsce 51,5 mln lat temu. A więc, mniej więcej w tym samym czasie, gdy płyta indyjska zderzyła się z eurazjatycką, co spowodowało gwałtowne usuwanie dwutlenku węgla z atmosfery do skał i gleb. Spadek był z 1200 do około 800 ppm.
Następnie wystąpiło przejście klimatyczne pomiędzy eocenem a oligocenem (EOT) 34,5 miliona lat temu, gdy pojawił się pierwszy lód na Wschodniej Antarktydzie. Koncentracja CO2 spadła z 700 do 400 ppm
Podczas klimatycznego optimum mioceńskiego (MCO) w klimacie już w stanie chłodnym, koncentracja dwutlenku węgla mieściła się w granicach spadkowych 400-350 ppm.
Środkowo-mioceńska zmiana klimatu (mMCT) to już okres pojawiania się pokryw lodowych na Antarktydzie Wschodniej. Koncentracja CO2 wynosiła wówczas mniej więcej tyle samo 350-400 ppm.
Od 11,6 do 3,3 miliona lat temu koncentracja dwutlenku węgla raz wznosiła się w górę, raz podnosiła do poziomu 350-400 ppm.
Następnie od 2,6 miliona lat do 11,7 tysiąca lat trwa epoka plejstocenu z cyklami interglacjalnymi z dwutlenkiem węgla na poziomie 280 ppm i glacjalnymi na poziomie 180 ppm.
Podczas ostatniego maksimum glacjalnego (LGM) koncentracja dwutlenku węgla oscylowała między 180 a 200 ppm.
—-
Rys.2. Trajektoria zmian klimatu na Ziemi od 66 milionów lat do dziś. Na osi Y są pokazane głębinowe izotopy tlenu 18O. Na osi X widnieje koncentracja CO2 w ppm. A na prawej osi wykresu jest ukazany przedział czasowy w milionach lat.
(Thomas Westehold i inni, 2020).
—-
Bibliografia:
—-
Tierney J. E. et al., 2015 ; A TEX 86 surface sediment database and extended Bayesian calibration ; Scientific Data ; https://www.nature.com/articles/sdata201529
Westerhold T. et al., 2020 ; An astronomically dated record of Earth’s climate and its predictability over the last 66 million years ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aba6853
Zachos J. et, al., 2001 ; Trends, Rhythms, and Aberrations in Global Climate 65 Ma to Present ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.1059412
Chiarenza A. A. et al., 2020 ; Asteroid impact, not volcanism, caused the end-Cretaceous dinosaur extinction ; Proceedings of the National Academy of Sciences ; https://www.pnas.org/content/117/29/17084
—-
Malinowski Sz., 2021 ; Geologia i globalne ocieplenie: co nowego? ; Nauka o klimacie

Destabilizacja lodowców szelfowych Thwaites i Pine Island na Antarktydzie Zachodniej

Antarktyda to specyficzny kontynent. Jego topografia wyraźnie różni się od topografii Grenlandii. Jest położona w niecce wraz z wieloma lodowcami szelfowymi. Część zachodnia znacznie mniejsza jest zanurzona częściowo w oceanie, natomiast wschodnia jest znacznie większa, górzysta i bardziej wyniesiona ponad poziom morza. Wpływ ocieplającego się klimatu najsilniej oddziałuje na stabilność pokrywy lodowej Antarktydy.
David Pollard i Richard Alley z Instytutu Systemów Ziemi i Środowiska na Uniwersytecie Stanowym w Pensylwanii oraz Robert DeConto z Wydziału Nauk o Ziemi na Uniwersytecie Massachusetts w Amherst na podstawie trójwymiarowego modelu pokrywy lodowej stwierdzili, że lodowce szelfowe będące barierami dla wnętrza lodowego kontynentu, głównie topnieją przez wnikanie ciepłych wód głębinowych w podstawy lodowców szelfowych.
Choć duże znaczenie ma też tak zwane szczelinowanie hydrauliczne, czyli wnikanie wód roztopowych głęboko w szczeliny tychże lodowców przyczyniające się do ich osłabiania i pękania oraz rozpadu klifów lodowych prowadzącego do cielenia gór lodowych, co powoduje na powierzchni pokrywy lodowej Antarktydy przyspieszony spływ strumieni i rzek lodowych prosto do oceanu. Cielenie gór nie podnosi poziomu morza, ale spływ masy lodowej z kontynentu, już tak.
Na Zachodniej Antarktydzie, będącej bez lodu archipelagiem wysp, najbardziej naukowcy obawiają się jednak nie tyle bezpośrednio szybkiej utraty masy lodu i jego topnienia, ale zawalenia się ogromnych lodowców szelfowych Thwaites i Pine Island, których rozmiar jest taki jak obszar Wielkiej Brytanii.
—-
—-
Rys.1. Schematyczne przekroje lądolodu zbliżającego się do rozpadu klifu. Przepływ lodu odbywa się od lewej do prawej, od lodu gruntowego do pływającego szelfu.
M = powierzchniowy spływ cieczy do szczelin. C = cielenie. O = oceaniczne podstawowe topnienie. F = przepływ deformacyjny przez linię gruntowania. Czerwone strzałki pokazują możliwy ruch linii gruntowania.
(a) Ze znacznym szelfem lodowym i płytkimi nachyleniami powierzchni w strefie gruntowania.
(b) Po silnym ociepleniu (duże M, C, O) z półką prawie usuniętą, ale nadal obecną na płytkich zboczach.
(c) Po całkowitym usunięciu szelfu i odsłanięciu pionowego urwiska > około 100 m nad poziomem morza, które uległo strukturalnemu uszkodzeniu powodującemu bardzo szybkie wycofanie się linii gruntowania. Należy zauważyć, że uszkodzenie klifu może również wystąpić na liniach gruntowania z półkami lodowymi, jeśli półka lodowa zapewnia niewielkie lub żadne podpory.
(David Pollard i inni, 2015)
—-
Tyler C. Sutterley z Wydziału Nauki Systemu Ziemi na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine wraz ze swym zespołem badawczym zauważył w swoich badaniach, że sam rozpad Thwaites i Pine Island doprowadziłby do wzrostu poziomu oceanów o około 1,2 metra.
Naukowcy obliczyli to na podstawie pomiarów z wysokościomierzy laserowych satelity ICESat i samolotów badawczych w misji Operation IceBridge, z wysokościomierzy radarowych satelity Envisat, pomiarów grawitacji zmiennej w czasie dokonanych przez satelitę GRACE oraz za pomocą symulacji regionalnego modelu klimatu atmosferycznego RACMO2.3. Ponadto, obliczono bilans masy powierzchni, prędkość lodu na podstawie radarów obrazujących oraz grubość lodu za pomocą sond radarowych.
Lodowce te stoją na grzbiecie pomiędzy szelfem kontynentalnym, a niecką kontynentalną pod lądolodem, czyli kontynentalną częścią zachodnią Antarktydy. I silnie podmywane podstawy tych lodowców sprawiają, że cofa się linia gruntowania, która może w każdej chwili załamać się gdy oba lodowce zapadną się w niecce.
Współautor powyższego badania Eric Rignot mówi:
Nie stwierdziliśmy obecności na dnie oceanicznym żadnych przeszkód, które mogłyby zapobiec dalszemu cofaniu się lodowców i ich zniknięciu z całego obszaru.
Sam rozpad tych dwóch gigantycznych lodowców szelfowych grozi spowodowaniem powstania ogromnych fal tsunami oraz przyspieszonego wzrostu poziomu morza, które zagrożą wielu niskim wybrzeżom kontynentalnym oraz wyspom, a także portom, uprawom rolnym, zabudowie miejskiej i wiejskiej, a także wielu ekosystemom morskim i nadmorskim oraz częściowo lądowym i nadmorskim, tak zwanym estuariom. Koszty zniszczeń infrastruktur miejskich i wiejskich oraz ekosystemów będą astronomiczne.
—-
—-
Rys.2. (a) Wskaźniki bilansu masy powierzchni RACMO: SMB (niebieski kolor) i zrzutu lodu (D – Discharge), dane z Mouginot et al. [ 2014 ] (czarny kolor).
(b) Szacunki bilansu masy, d M ( t )/d t
(c) skumulowane anomalie masy, M ( t ) dla Zatoki Morza Amundsena (ASE – Amundsen Sea Embayment) Antarktydy z metody budżetu masy (MBM – Mass Budget Method) (czarny), satelity GRACE – zmienna w czasie grawitacja (czerwona), wysokościomierz radarowy Envisat (zielony kolor) i wysokościomierz laserowy ICESat/IceBridge (pomarańczowy kolor).
(Tyler C. Sutterley i inni, 2014)
—-
Podsumowując temat, naukowcy piszą:
Cztery przedstawione metody są zgodne pod względem ubytku masy i przyspieszenia ubytku w skali regionalnej. W latach 1992–2013 ubytek masy wyniósł 83 ± 5 Gt/rok z przyspieszeniem 6,1 ± 0,7 Gt/rok. W powszechnym okresie 2003–2009 ubytek masy wyniósł 84 ± 10 Gt/rok z przyspieszeniem 16,3 ± 5,6 Gt/rok 2, prawie 3-krotne przyspieszenie w latach 1992–2013. W latach 2003–2011 ubytek masy wyniósł 102 ± 10 Gt/rok z przyspieszeniem 15,7 ± 4,0 Gt/rok. Wyniki uzgadniają niezależne szacunki bilansu masy w otoczeniu zdominowanym przez zmianę dynamiki lodu ze znaczną zmiennością bilansu masy powierzchni.
—-
—-
Rys.3. Antarktyka: wysokość terenu nad poziomem morza. Wszystkie zaznaczone na niebiesko obszary znajdują się poniżej poziomu morza. (Fretwell i in., 2013)
—-
Tak więc, gdy zawalą się na Antarktydzie Zachodniej kolosalne lodowce szelfowe, takie jak Thwaites wielkości Wielkiej Brytanii i Pine Island wielkości stanu Nevada w USA, to mogą wywołać one tak potężne fale tsunami oraz wzrost poziomu morza, że wiele nisko położonych wysp oraz wybrzeży lądowych może być po prostu narażonych na groźne podtopienia, a nawet na całkowite zalania. W niebezpieczeństwie jest wiele nadbrzeżnych wielkich portów wielkich miast takich jak Tokio, Nowy Jork, Jakarta, Aleksandria, Wenecja, Dhaka, Rio de Janeiro, Amsterdam, Szanghaj, Miami czy Londyn.
—-
Pollard D. et al., 2015 ; Potential Antarctic Ice Sheet retreat driven by hydrofracturing and ice cliff failure ; Earth and Planetary Science Letters ; 
Sutterley T. C. et al., 2014 ; Mass loss of the Amundsen Sea Embayment of West Antarctica from four independent techniques ; Geophysical Research Letters ;

Atlantyfikacja wód subpolarnych

Nie wszystkie wody pochodzące z Golfsztromu podlegają systemowi zatapiania się. Część z nich płynie dalej wzdłuż Prądu Północnoatlantyckiego w kierunku cieśnin: Frama i Daviesa oraz Morza Norweskiego, do wód arktycznych. I wraz z postępującym ociepleniem klimatu, wędrówce wód atlantyckich do wód polarnych towarzyszą też coraz częstsze migracje ryb, ptaków, waleni i innych gatunków atlantyckich w rejony subarktyczne. Jest to tak zwany proces atlantyfikacji mórz subarktycznych, a nawet samego Oceanu Arktycznego polegający na wypieraniu gatunków arktycznych przez atlantyckie.
—-
Rys.1. Polarne Morze Barentsa poddane wpływowi atlantyckich wód (Fot. Z serwisu Carbon Brief).
—-
Atlantyfikacja, termin po raz pierwszy użyty w 2017 roku przez rosyjskiego klimatologa i oceanografa Igora Polyakova pracującego w Międzynarodowym Centrum Badań Arktycznych i na Uniwersytecie Alaski w Fairbanks na wydziale Naturalnych Nauk i Matematyki*.
Zdaniem naukowców, Wschodni Basen Eurazjatycki Oceanu Arktycznego znajduje się na południe od strony Bieguna Północnego i na północ od Atlantyku. Jednak w miarę ocieplania się klimatu staje się on bardziej podobny do swojego większego sąsiada z północy. Badacze zaobserwowali w swoich wynikach pracy, że region ten wyraźnie ewoluuje w kierunku stanu osłabienia naturalnej stratyfikacji w rejonie polarnym, a zwiększa się mieszanie pionowe, powodujące uwalnianie ciepła oceanicznego przyczyniającego się do redukcji ilości lodu morskiego. Zmiany te mogą mieć znaczny wpływ na inne geofizyczne i biogeochemiczne aspekty systemu Oceanu Arktycznego i zapowiadać całkowicie nowy stan klimatu Arktyki.
Igor Polyakov ze swoimi współpracownikami piszą:
Atlantyfikacja jest to proces, w którym topnienie lodu latem wprawdzie wysładza powierzchniowe wody. Ale ocieplenie klimatu sprawia, że jest go coraz mniej. Kurczy się jego zasięg i traci na grubości. Tak się dzieje w eurazjatyckiej Subarktyce na Morzu Barentsa. Haloklina, warstwa przejściowa wód pod względem gęstości i zasolenia, staje się tam coraz mniej stabilna i nie zapobiega już tak mieszaniu, co sprzyja temu, że przy mniejszej zawartości lodu łatwiej wody atlantyckie mieszają się z arktycznymi. Na dodatek często bardzo silne wiatry spychają skutecznie z Atlantyku te masy ciepłych nagrzanych wód do Arktyki.
—-
Kolejna podobna interesująca na ten temat praca naukowa została przedstawiona przez badaczy norweskich: Sigrid Lind i Randi B. Ingvaldsen z Instytutu Badań Morskich w Tromsø oraz Tore’go Furevika z Instytutu Geofizycznego, na Uniwersytecie w Bergen w Centrum Badań Klimatu Bjerknes*.
W pracy norweskich naukowców zostało potwierdzone co Polyakov rok wcześniej odkrył. Na podstawie kompilacji obserwacji hydrograficznych w Morzu Barentsa, w badanym okresie 1970-2016, naukowcy zaobserwowali nie tylko nasilający się napływ ciepłych i zasolonych wód atlantyckich do chłodnych i mniej zasolonych polarnych włącznie z ich coraz bardziej ułatwionym mieszaniem się pionowym, ale i również też osłabiony transport lodu z Oceanu Arktycznego. I ma to właśnie ujemne skutki dla dalszej egzystencji gatunków polarnych związanych zarówno z mniej słonymi wodami polarnymi, jak i z obecnością słodkiego lodu morskiego jako habitatu dla ssaków i ptaków morskich żyjących na co dzień w klimacie polarnym.
Rys.2. Ilustracja obszaru granicznego między strefami klimatycznymi oceanu atlantyckiego (po lewej) i Arktyki (po prawej). Domena atlantycka ma ciepłą i słoną wodę atlantycką (czerwony kolor) zajmującą cały słup wody i ma duże straty ciepła do atmosfery (zimą). Domena arktyczna jest zimna, uwarstwiona i pokryta lodem morskim, z pośrednią warstwą arktycznej zimnej i świeżej wody arktycznej (niebieski kolor) nad głęboką warstwą Atlantyku. W domenie arktycznej przepływy ciepła i soli w górę z głębokiej warstwy Atlantyku są największe w regionie przygranicznym, gdzie rozwarstwienie jest słabsze. Źródło: (Sigrid Lind i inni, 2018 ; w Carbon Brief)
—-
Polyakov I. V. et al., 2017 ; Greater role for Atlantic inflows on sea-ice loss in the Eurasian
Basin of the Arctic Ocean ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aai8204
Lind S. et al., 2018 ; Arctic warming hotspot in the northern Barents Sea linked to declining sea-ice import ; Nature Climate Change ; https://www.nature.com/articles/s41558-018-0205-y

Hamowanie Prądu Zatokowego na Północnym Atlantyku i powstanie zimnej plamy

W pierwszych latach XXI wieku, naukowcy zaobserwowali, że na północnym Atlantyku został zaburzony mechanizm zatapiania słonych wód – NADW (North Atlantic Deep Water – Północnoatlantyckie Wody Głębinowe). Badania obserwacyjne oraz symulacje modeli klimatycznych pokazują, że Prąd Zatokowy coraz bardziej zwalnia.
Badania brytyjskich naukowców Harry’ego L. Brydena, Hannah R. Longworth i Stewarta A. Cunninghama z Narodowego Centrum Oceanografii w Southampton w Wielkiej Brytanii* pokazały w 2005 roku, że przepływ Prądu Zatokowego, w badanym okresie czasu         1957-2017, zmniejszył się już o 30 %.
Naukowcy poddali badaniu odcinek transatlantycki wzdłuż szerokości geograficznej 25° N w celu podstawowego oszacowania cyrkulacji wymiennej i związanego z nią transportu ciepła. Następnie porównali go z czterema poprzednimi odcinkami wykonanymi w ciągu ostatnich pięćdziesięciu lat.
Pionowy rozkład południkowego przepływu geostroficznego śródoceanicznego w przekroju 25° N. Transport na jednostkę głębokości (w m2·s-1) reprezentuje strefowo uśrednioną prędkość geostroficzną w kierunku północnym pomnożoną przez strefową odległość w przekroju na każdej głębokości. a, Profil od góry do dołu pokazujący ogólne podobieństwo w strukturze pionowej przepływu dla każdego odcinka z przepływem na południe w wodach górnych, przepływem wód pośrednich na północ, przepływem wód głębokich na głębokość 1200–5000 m na południe oraz przepływ w kierunku północnym w wodach przydennych. b, Rozszerzony profil przepływu termokliny pokazujący silniejszy przepływ na południe w sekcjach 1998 i 2004. c, rozszerzony profil poniżej głębokości 1000 m, pokazujący dwa rdzenie płynącego na południe górnego NADW ze środkiem na głębokości około 2000 m i dolnego NADW ze środkiem na głębokości 4000 m.
Rys.1. Pionowy rozkład południkowego przepływu geostroficznego środkowego oceanu w przekroju 25° N. Transport na jednostkę głębokości (w m2 s-1) reprezentuje uśrednioną strefowo prędkość geostroficzną w kierunku północnym pomnożoną przez odległość strefową w przekroju na każdej głębokości.
a) profil od góry do dołu ukazujący ogólne podobieństwo w strukturze pionowej przepływu dla każdego odcinka z przepływem na południe w wodach górnych, przepływem wód pośrednich na północ, przepływem wód głębokich na południe na głębokości 1200–5000 m, oraz przepływ na północ w wodach przydennych.
b) rozszerzony profil przepływu termokliny pokazujący silniejszy przepływ w kierunku południowym na odcinkach w latach 1998 i 2004.
c) rozszerzony profil poniżej 1000 m głębokości pokazujący dwa rdzenie płynącego na południe górnego NADW wyśrodkowanego na około 2000 m głębokości i dolnego NADW wyśrodkowanego na 4000 m głębokości
Autorzy na wstępie swojej pracy napisali:
Atlantycka Południkowa Cyrkulacja Wymienna (AMOC – Atlantic Meridional Overturning Circulation) przenosi ciepłe wody górne na dalekie północne szerokości geograficzne i zawraca zimne, głębokie wody na południe przez równik. Jej transport ciepła w znacznym stopniu przyczynia się do umiarkowanego klimatu morskiej i kontynentalnej Europy, a jakiekolwiek spowolnienie cyrkulacji zwrotnej miałoby poważne konsekwencje dla zmian klimatycznych.
Stefan Rahmstorf z Poczdamskiego Instytutu Badań nad Wpływem Klimatu, min. z Michaelem Mannem z Wydziału Meteorologii na Uniwersytecie Stanowym w Pensylwanii (Penn State University) i Jasonem Boxem ze Służby Geologicznej Danii i Grenlandii (GEUS – Geologic Survey of Denmark and Greenland) w Kopenhadze*, zauważyli, że gdy jest mowa o słabnięciu AMOC, to zwalnia Prąd Zatokowy, czyli Golfsztrom, który jest w pętli tej cyrkulacji oceanicznej.
Naukowcy zaobserwowali na podstawie badań proxy koralowców oraz izotopów wody, że w chłodniejszych czasach przedindustrialnych, Golfsztrom płynął szybciej z Karaibów wzdłuż wschodnich wybrzeży Ameryki Północnej, skręcając na wschód w kierunku południowej Grenlandii. Część jego wód była systematycznie zatapiana, a część płynęła w kierunku Europy już w Prądzie Północnoatlantyckim, silnie ogrzewając ten kontynent, a część tych wód płynęła dalej na północ w kierunku Arktyki.
Jednak jak podkreślają to badacze powyższej pracy, z powodu emisji gazów cieplarnianych i dalszego ocieplania planety od drugiej połowy XX wieku, Prąd Zatokowy zaczął coraz bardziej spowalniać, zwłaszcza od lat 90 XX wieku, z powodu zwiększonego topnienia pokrywy lodowej Grenlandii powodującego spływ do północnego Atlantyku wód słodkich.
I wszystko jest możliwe, że pod koniec naszego wieku AMOC już bardzo silnie spowolni, a nawet zatrzyma się przez to Prąd Zatokowy. Modele klimatyczne, którymi posłużyli się naukowcy, wskazały, że w przyszłych dekadach może często dochodzić w sezonie zimowym do ochłodzenia regionów Europy Zachodniej, choć w porze letniej będą częste, dłuższe i intensywniejsze fale upałów oraz susze.
| Liniowe trendy temperatury powierzchni od roku 1901. Na podstawie danych temperaturowych NASA GISS (ref. 48). a, Globalna mapa równoobszarowa (projekcja Hammera) na lata 1901–2013; biały oznacza niewystarczającą ilość danych. b, Ta sama analiza dla sektora północnoatlantyckiego w latach 1901–2000. Oprócz obserwowanych trendów temperatury b pokazuje również punkty siatki (czarne kółka) obszaru wiru subpolarnego, dla których szeregi czasowe pokazano na rysunkach 3 i 5, a także średni modelowy kontur chłodzenia 2 @BULLET C (biały ) z porównania 1 modeli klimatycznych, w którym modele uległy silnej redukcji AMOC wywołanej dodaniem anomalii słodkowodnej do północnego Atlantyku. Zasięg geograficzny przewidywanej przez model reakcji temperatury na redukcję AMOC dobrze pokrywa się z obszarem obserwowanego ochłodzenia w XX wieku. Modele są wymuszone silniej, a chłodzenie rozciąga się dalej na zachód w wyniku wyłączenia konwekcji w Morzu Labradorskim, co jak dotąd miało miejsce w prawdziwym świecie tylko na krótko. (Należy pamiętać, że druga strefa ochłodzenia w Afryce Środkowej występuje w regionie o słabym zasięgu danych i może być artefaktem niejednorodności danych).  
Rys.2. Liniowy trend wzrostu temperatury w okresie 1900-2013. Na tle ogarniającego całą kulę ziemską ocieplenia, ochłodzenie subpolarnego Północnego Atlantyku jest szczególne wyraźne i dobrze udokumentowane licznymi pomiarami – w odróżnieniu od niewielkiego obszaru w Afryce Północnej, który uważa się za artefakt niekompletnych i niejednorodnych danych pomiarowych ze stacji meteorologicznych (Rahmstorf S. et al., 2015).
Również w swej pracy Rahmstorf ze swoimi współpracownikami zauważyli drugie niepokojące zjawisko fizyczne, że na południe od Grenlandii wytworzyła się anomalia zimna zwana zimną plamą (Cold Blob), która właśnie powstała z powodu spływu lodu z topniejącej pokrywy lodowej Grenlandii i wysładzania oraz ochładzania północnego Atlantyku. Ma to wpływ na coraz większe zacinanie się mechanizmu Północnoatlantyckie Wody Głębinowe (NADW – North Atlantic Deep Water), inaczej zwanego downwellingiem, będącego także częścią AMOC.
Ponadto naukowcy zaobserwowali, że z powodu zwalniania Prądu Zatokowego, poziom wód północnego Atlantyku wokół wybrzeży północno-wschodnich USA bardzo silnie ogrzewa się grubo powyżej średniej światowej oraz mocno podnosi się, co jest ewenementem na półkuli północnej. Dlatego też ten rejon Ziemi może być narażony na jeszcze gwałtowniejsze huragany. Tak więc, częstość huraganów o intensywności jak Sandy w 2012 r. będzie z biegiem lat również coraz bardziej rosła kierując się dalej na wyższe szerokości geograficzne opuszczając strefę wód subtropikalnych.
Cold blob, czyli zimna plama na południe od Grenlandii jest najzimniejszym regionem morskim na Ziemi. Główną przyczyną jej powstania jest wspomniane topnienie pokrywy lodowej tego lądolodu co prowadzi nie tylko do spowalniania Prądu Zatokowego i AMOC, czyli do spowalniania napływu ciepłych mas wody z tropikalnych Karaibów, ale i do innych procesów zaburzających dynamikę i stabilność tego obszaru na Ziemi.
Według pracy badawczej Paula Keila z Instytutu Meterologii im. Maxa Plancka w Hamburgu oraz jego współpracowników*, do powstawania zimnej plamy przyczyniło się też powstawanie większego zachmurzenia nad tym rejonem gdzie jest mniejszy dopływ promieni słonecznych do powierzchni oceanu, gdyż są one odbijane od jasnych powierzchni niskich chmur oraz przyczyną było powstanie wiru subpolarnego wypychającego ciepłe masy wody z rejonu zimnej plamy.
Schematyczna ilustracja sterowników WH AMOC jest zaznaczona czerwonymi strzałkami, cyrkulacja wirów niebieskimi strzałkami, a sprzężenie zwrotne chmur w postaci odbitego promieniowania krótkofalowego żółtymi strzałkami. Zacienienie przedstawia trend temperatury powierzchni dla zespołu wzrostu o 1% CO2 rocznie.
Rys.3. Schematyczna ilustracja czynników przerwy ocieplenia (WH – Warming Hole) AMOC jest oznaczony czerwonymi strzałkami, cyrkulacja wiru niebieskimi strzałkami, a sprzężenie zwrotne chmur w postaci odbitego promieniowania krótkofalowego żółtymi strzałkami. Zacieniowanie przedstawia trend temperatury powierzchni przy wzroście CO2 o 1 procent w ciągu roku w zestawie (Keil P. et al., 2020).
Naukowcy piszą:
Zaobserwowano, że pomimo globalnego ocieplenia, region na Oceanie Północnoatlantyckim ochładza się, co jest zjawiskiem znanym jako przerwa ocieplenia. Jego pojawienie się wiąże się ze spowolnieniem atlantyckiej południkowej cyrkulacji wymiennej (AMOC), co prowadzi do zmniejszenia transportu ciepła oceanicznego do regionu przerwy ocieplenia.
Tutaj pokazujemy, że oprócz zmniejszonego importu ciepła w niskich szerokościach geograficznych, zwiększony transport ciepła oceanicznego z regionu do wyższych szerokości geograficznych i krótkofalowe sprzężenie zwrotne chmur dominuje nad formowaniem i czasową ewolucją dziury ocieplającej się pod wpływem gazów cieplarnianych.
W symulacjach modeli klimatycznych z okresu historycznego zanik atlantyckiej południkowej cyrkulacji wymiennej na niskich szerokościach geograficznych nie wynikał z naturalnej zmienności, podczas gdy przyspieszenie transportu ciepła do wyższych szerokości geograficznych jest wyraźnie związane z wymuszeniami antropogenicznymi. Zarówno wymiana, jak i cyrkulacja wirowa przyczyniają się do zwiększonego transportu ciepła oceanicznego na dużych szerokościach geograficznych, a zatem mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia przeszłych i przyszłych ewolucji przerwy ocieplenia.
Jest jeszcze jedna alternatywna zespołowa praca naukowa na temat spowalniania AMOC. Jest to praca pod kierownictwem uznanego klimatologa Jamesa Hansena, byłego pracownika Uniwersytetu Columbia w Instytucie Ziemi*, w której naukowiec wysunął śmiałą i dość kontrowersyjną tezę, której nie należy lekceważyć.
Zdaniem badaczy, którzy wykorzystali dane z modeli klimatycznych, badań proxy i z obserwacji, skoro Golfsztrom zwolni znacząco albo ustanie, to i tak energia cieplna gwałtownie trafi do atmosfery. I bardzo silnie nagrzane masy powietrza spowodują powstanie superhuraganów zwanych hiperkanami, które będą w coraz cieplejszym świecie nawiedzać wybrzeża Atlantyku w Europie i w Ameryce Północnej, a temperatura powietrza bardziej ekstremalnie wzrośnie przynosząc z sobą wiele innych pozostałych ekstremalnych zjawisk pogodowych włącznie z powodziami i suszami, pożarami oraz wielokrotnie szybszym wzrostem poziomu morza.
Analogii opisanych wydarzeń jakie mogą zdarzyć się w coraz cieplejszym świecie z coraz silniejszymi tropikalnymi cyklonami, Hansen i jego współpracownicy doszukali się na podstawie danych paleoklimatycznych, w dokładnej lokalizacji i analizie rdzeni oceanicznych i lodowych, gdy 120 tysięcy lat temu gigantyczne sztormy wyrzuciły ogromne głazy przez fale na wybrzeża Bahamów na dość dużą wysokość nad poziomem morza. I takie ślady geologicznej przeszłości z eemianu (poprzedniego interglacjału) sprzed 118 tysięcy lat temu, właśnie znaleźli uczeni tam na tych wyspach.
Również po dokładnej analizie rekonstrukcji klimatu w poprzednim interglacjale eemskim, Hansen i jego współpracownicy zaobserwowali, że w ciągu nawet 50-150 lat wzrost poziomu morza może nawet wynieść kilka metrów z powodu kontynuacji dalszego spalania paliw kopalnych. A więc, jak wynika z przeprowadzonych badań, takie krytyczne obszary nisko położone, jak Bangladesz nad Oceanem Indyjskim czy Holandia nad Morzem Północnym, będą znacznie szybciej zalane. Jednak podkreślają, że czarny scenariusz nie musi się ziścić, jeśli tylko jako ludzkość podejmiemy stanowcze kroki do redukcji emisji gazów cieplarnianych.
Naukowcy narysowali również scenariusz spowolnienia lub zatrzymania Golfsztromu bez ochłodzenia regionalnego Europy, co okazało się nowością nigdy wcześniej nie opisywaną.
Pracy Hansena i jego zespołu naukowego nie zlekceważyło wielu znakomitych klimatologów. Należą do nich: glacjolog Ruth Mottram specjalizująca się w badaniach lądolodu Grenlandii, geolog Richard Alley specjalizujący się w obiegu dwutlenku węgla, paleontolog Michael Mann, będący też twórcą słynnego „kija hokejowego”, paleoklimatolożka Kim Cobb, specjalistka od korali i stalagmitów jaskiniowych czy też współautor pracy i glacjolog Eric Rignot będący specjalistą od czap lodowych Grenlandii i Antarktydy.
Symulacje komputerowe zostały wykonane za pomocą modeli: ER GISS symulującego dynamikę oceanu oraz E GISS symulującego dynamikę atmosfery.
Referencje:
1. Bryde H. L. et al., 2005 ; Slowing of the Atlantic Meridional Overturning Circulation at 25°N ; Nature ; https://www.nature.com/articles/nature04385
2. Rahmstorf S. et al., 2015 ; Exceptional twentieth-century slowdown in Atlantic Ocean overturning circulation ; Nature Climate Change ; https://www.nature.com/articles/nclimate2554
3. Keil Paul et al., 2020 ; Multiple drivers of the North Atlantic warming hole ; Nature Climate Change ; https://www.nature.com/articles/s41558-020-0819-8

Polarny prąd strumieniowy a arktyczna amplifikacja

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, czyli zmniejszanie się odbijania promieni słonecznych od białej powierzchni lodowej kosztem zwiększania się ich pochłaniania przez poszerzające się, z dekady na dekadę, otwarte ciemne tonie wodne Oceanu Arktycznego.

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.

—-
—-
Rys.1. Anomalie temperatury (°C), czyli odchylenia temperatur w latach 2000-2009 od średniej z okresu 1951-1980. Rysunek wykorzystuje dane z naziemnych obserwacji temperatury powierzchni Ziemi (obejmujących pomiary prowadzone przez statki i boje ) zgromadzone w bazie danych NASA GISS, dzięki uprzejmości Roberta Simmona z NASA.
—-
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. To ostatnie spostrzeżenie zostało po raz pierwszy zaobserwowane w 2012 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.*
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.
Autorzy piszą:
Zróżnicowane ocieplenie Arktyki względem średnich szerokości geograficznych jest kluczem łączącym amplifikację arktyczną (AA – Arctic Amplification) z wzorcami sprzyjającymi trwałym warunkom pogodowym na średnich szerokościach geograficznych. Przewiduje się dwa oddzielne wpływy na charakterystykę górnego poziomu: słabsze gradienty grubości biegunów powodują wolniejsze wiatry strefowe, a zwiększone ocieplenie na dużych szerokościach geograficznych powoduje wzrost wysokości 500 hPa bardziej niż na średnich szerokościach geograficznych, co wydłuża szczyty grzbietów na północ i zwiększa amplitudę fal. Oba te efekty powinny spowolnić progresję fali na wschód. Cechy fal w polach 500 hPa są analizowane od 1979 do 2010 roku. Badanie koncentruje się na średnich szerokościach geograficznych Ameryki Północnej i Północnego Atlantyku (140°W do 0°, ryc.2 [rys.2. poniżej]), na północ od których utrata lodu była znaczna, a ogrzewanie atmosferyczne było istotne statystycznie (Ryc.1 [w oryginalnym artykule]). Do tej analizy wybrano pola o wysokości 500 hPa, ponieważ są one ograniczone obserwacjami z licznych radiosond i danych satelitarnych, są stosunkowo wolne od efektów powierzchniowych i wychwytują wzorce fal wyższego poziomu.
—-
—-
Rys.2. Obszar badań: 140°W do 0°. (a) Gwiazdki [kolor czerwony] ilustrują przykład wybranego zakresu wysokości 500 hPa zastosowanego w analizie. (b) Schemat wydłużenia grzbietu (przerywany vs. pełny) na wyższych poziomach spowodowanych zwiększonym ociepleniem w Arktyce w stosunku do średnich szerokości geograficznych. Fale o wyższej amplitudzie posuwają się na wschód wolniej, co wskazują strzałki (Francis J. A. et al., 2012).
—-
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.
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.
—-
—-
Rys.3. Zablokowana fala Rossby’ego „uwięziona” w atmosferycznym falowodzie (Nauka o Klimacie, 2019).
—-
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.
—-
—-
Rys.4. Szeregi czasowe obserwowanych amplitud (w metrach na sekundę) strefowych liczb falowych m = 6 (czarny kolor), m = 7 (czerwony kolor) i m = 8 (niebieski kolor) dla biegu średniej południkowej prędkości wiatru (15-dniowego) przy ciśnieniu 300 hPa na szerokościach 37,5°N – 57,5°N w okresie od maja do września w latach 2012 i 2013, w oparciu o codzienne dane z ponownej analizy.
Wypełnione kółka oznaczają zaobserwowane zdarzenia o wysokiej amplitudzie szczytowej (HPA – high-peak-amplitude) przekraczające standardowe odchylenie (SD – Standard Deviation) o 1,5 (przerywane linie poziome) powyżej okresu z lat 1980–2013 (linie poziome ciągłe), gdy mechanizm QRA działał z przesunięciem czasowym do 1,5–2 tygodni względem odpowiedniego zdarzenia HPA. Amplitudy tych zdarzeń QRA są oznaczone kolorowymi wypełnionymi kwadratami.
Otwarte kółko (z czarną obwódką) oznacza obserwowane zdarzenie HPA, gdy mechanizm QRA nie działał. Otwarty kwadrat (z czerwoną obwódką) oznacza wysoką amplitudę zdarzenia QRA dla m = 7, kiedy odpowiadające mu zdarzenie HPA przewidywane przez QRA nie miało miejsca (Petoukhov V. et al., 2016).
—-
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 ocieplanie 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.
—-
—-
Rys.5. 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 artykule powyższym czytamy, że w tym stuleciu prawdopodobieństwo wystąpienia QRA może być o 50% większe w przypadku scenariusza wysokiej emisji (RCP 8.5 według V Raportu Oceny IPCC).
W artykule naukowcy piszą:
Jesteśmy teraz w stanie zrozumieć zachowanie obserwowane w serii odcisków palców QRA (ryc.5 [poniżej rys.6]). Dla pełnej średniej wielomodelowej, widzimy spowolnienie trendu wzrostowego w pierwszej połowie XXI wieku, a następnie przyspieszenie pod koniec XXI wieku. W przypadku podzbioru AIE [przypis: skutków pośrednich aerozoli – AIE – Aerosol Indirect Effects] obserwujemy płaską (właściwie bardzo nieznacznie ujemną) tendencję w pierwszej połowie XXI wieku, po której następuje bardzo szybki wzrost w drugiej połowie XXI wieku. Niewielka większość (59%) symulacji wielomodelowych wykazuje wzrost odcisku palca QRA w pierwszej połowie XXI wieku, podczas gdy w symulacjach AIE występuje równy podział (50%) między rosnącym i malejącym QRA.
—-
—-
Rys.6. Seria odcisków palców quasi-rezonansowej amplifikacji (QRA) dla przyszłych projekcji RCP8.5.
Zarówno ( A ) pełny zespół multimodelowy, jak i ( B ) podzbiór składający się tylko z pośrednich skutków aerozoli (AIE). Konwencje są jak na rys. 3D [w oryginalnym artykule]. Historyczna seria QRA obliczona na podstawie obserwacji temperatury powierzchni [Goddard Institute for Space Studies Surface Temperature Analysis (GISTEMP)] od 1894 do 1916 (kolor cyjanowy) oraz rzeczywista seria rocznych zliczeń QRA (kolor zielony) od 1979 do 2015 (zdiagnozowana przez ERA dane z ponownej analizy; patrz Materiały i metody w celu uzyskania dalszych szczegółów) przedstawiono dla porównania (Mann M. E. et al., 2018).
—-
Ponadto naukowcy pod kierownictwem Michaela Manna wyjaśniają 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 ostatnich 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 upały, susze i pożary w Kalifornii, Skandynawii, Portugalii, Grecji, Japonii, które dominowały nad odmiennymi zjawiskami pogodowymi jak nawalne opady deszczu czy powodzie w Indiach i Bangladeszu).
—-
Referencje:
1. 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
2. Francis J. et al., 2012 ; Evidence linking Arctic amplification to extreme weather in mid‐latitudes ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/…/2012GL051000
3. 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
4. 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
—-

Pożary w Kalifornii

Pożary z powodu postępującego ocieplania się troposfery ziemskiej są już na całym świecie prawie na wszystkich kontynentach. Jednak najbardziej spektakularne od minionej dekady są właśnie w Kalifornii.
Praca zespołowa „Observed Impacts of Anthropogenic Climate Change on Wildfire in California” [„Obserwowane wpływy antropogenicznych zmian klimatu na pożar w Kalifornii”] opublikowana 15 lipca 2019 roku w czasopiśmie Earth’s Future, której autorem jest A. Park Williams, bioklimatolog z Obserwatorium Ziemi Lamont-Doherty na Uniwersytecie Columbia, przedstawia dokładną analizę wpływu antropogenicznego pochodzenia na pożary w Kalifornii.
Pożary w Kalifornii najczęściej występują w ciepłych okresach letnich i jesiennych i w dużej mierzą zależą od typu roślinności i jej stopnia wilgotności, topografii, zależnej od układu ciśnień atmosferycznych oraz wzorców osadnictwa ludzkiego, w tym rozbudowywanego na obrzeżach lasów.
W serwisie Science Daily w artykule, z 15 lipca 2019 roku, „Study bolsters case that climate change is driving many California wildfires” [„Badanie potwierdza, że zmiany klimatyczne powodują wiele pożarów w Kalifornii”], czytamy:
Na tle długotrwałych wzrostów temperatury w ostatnich dziesięcioleciach Kalifornia odnotowuje coraz większe skoki sezonowych pożarów, a w ciągu ostatnich dwóch lat ciąg katastrofalnych, rekordowych pożarów. To skłoniło naukowców, polityków i media do zastanowienia się: jaką rolę może tu odegrać ocieplenie klimatu? Nowe badanie ukazuje wiele czynników, które mogą sprzyjać pożarom i stwierdza, że w wielu, choć nie we wszystkich przypadkach, ocieplenie klimatu jest decydującym czynnikiem. Badanie wykazało w szczególności, że ogromne letnie pożary lasów, które nawiedziły Północne Wybrzeże i regiony Sierra Nevada, mają ostatnio silny związek z suchymi warunkami gruntowymi wywołanymi przez rosnące ciepło. Sugeruje to, że pożary lasów mogą wzrosnąć wykładniczo w ciągu najbliższych 40 lat, w miarę dalszego wzrostu temperatury.
Badanie dokonuje analizy coraz większego wpływu ocieplenia klimatu na inicjację pożarów w zachodniej części Ameryki Północnej, szczególnie w stanie Kalifornia. Jednak występują one sezonowo, głównie latem oraz jesienią.
W latach 1972-2018 Kalifornia doświadczyła pięciokrotnego wzrostu rocznej spalonej powierzchni, głównie ze względu na ponad ośmiokrotny wzrost zasięgu letnich pożarów lasów. Wpłynęło na to wszystko wiele czynników.
—-
—-
Rys.1. Sezonowe i roczne spalone obszary w Kalifornii w latach 1972–2018. (a) Całkowity obszar spalony w czterech regionach zainteresowania: (b) Wybrzeże Północne, (c) Sierra Nevada, (d) Wybrzeże Środkowe, oraz (e) Wybrzeże Południowe. Roczny spalony obszar rozkłada się na ten, który wystąpił w okresie styczeń-kwiecień (zielony kolor), maj-wrzesień (czerwony kolor) i październik-grudzień (pomarańczowy kolor). Znaczące prawdopodobieństwo (p < 0,05) trendów przedstawiono jako pogrubione czarne krzywe.
—-
Naukowcy tutaj zwracają szczególną uwagę na suchość atmosfery nad Kalifornią, zwłaszcza południową jej częścią, która jest często także powodowana napływem gorącego pustynnego powietrza, niejednokrotnie przynoszą je specyficzne bardzo suche i gorące wiatry fenowe tzw. Santa Ana. Wzmocniony efekt ekstremów pogodowych – fal upałów i suszy inicjuje zapłony niekontrolowanych pożarów.
Już od wczesnych lat siedemdziesiątych XX wieku, średnio bardzo gorące i suche dni w całej Kalifornii ociepliły się do dziś o około
1,4 °C w stosunku do okresu 1900-2000.
Ponadto, w atmosferze nad wybrzeżami i z dala od nich w części górzystej Kalifornii nastąpił znaczny spadek opadów deszczu, zwłaszcza w okresie od wiosny do jesieni, z powodu blokady wyżowej na Pacyfiku, przez to znacznie zwiększył się deficyt ciśnienia atmosferycznego (VPD – Vapour Pressure Deficit) – charakterystyczny podczas występowania susz. Najprościej mówiąc, jest to pobór wilgoci przez gorące powietrze atmosferyczne.
Naukowcy na wstępie swojej pracy piszą:
Trendy te są zgodne z trendami antropogenicznymi symulowanymi przez modele klimatyczne. Reakcja obszarów letnich pożarów lasów na VPD jest wykładnicza, co oznacza, że ocieplenie ma coraz większy wpływ. Solidne międzyroczne relacje między VPD a obszarem letniego pożaru lasu silnie sugerują, że prawie cały wzrost obszaru letniego pożaru lasu w latach 1972–2018 był spowodowany wzrostem VPD. Wpływ zmiany klimatu na letnie pożary lasów był mniej widoczny na terenach nieleśnych. Jesienią dominującymi stymulatorami pożarów są wiatry i opóźniony początek opadów zimowych. Chociaż te zmienne nie zmieniły się znacząco w ciągu ostatniego stulecia, ocieplenie gruntów i wynikające z tego wysychanie w nich paliwa w coraz większym stopniu zwiększa prawdopodobieństwo dużych jesiennych pożarów. Wśród wielu procesów ważnych dla różnych reżimów pożarowych w Kalifornii, suszenie paliwa wywołane ociepleniem jest jak dotąd najwyraźniejszym powiązaniem między antropogeniczną zmianą klimatu a zwiększoną aktywnością pożarów w Kalifornii.
—-
—-
Rys.2. Korelacja między spalonym obszarem a klimatem latem (maj–wrzesień): 1972–2018.
Mapy: Regionalne korelacje między logarytmem powierzchni spalonej latem a średnim sezonowym klimatem (zarys wokół regionu: p < 0,05).
Wykresy punktowe reprezentują pełną dziedzinę badania. Zmienne klimatyczne w (a–f): deficyt ciśnienia pary wodnej (VPD), maksymalna dobowa temperatura (Tmax), standaryzowany wskaźnik opadów (SPI), częstotliwość dni mokrych (częstotliwość dni z sumą opadów ≥ 2,54 mm), 1000-godzinna wilgotność paliwa martwego (FM1000 – Fuel Moisture 1000) i SPI od marca do października 2017 r. – 2 lata przed pożarem (Antecedent SPI). Kolory na wykresach punktowych odpowiadają legendzie w (a)
—-
Na dodatek, na południu Kalifornii naukowcy obserwują z roku na rok coraz bardziej zmniejszająca się grubość pokrywy śniegowej. Bywają lata, że prawie śniegu nie ma. Coraz mniej wilgoci w glebie z kolei wpływa na to, że roślinność, zwłaszcza drzewostany iglaste, ma coraz bardziej obniżony poziom wód gruntowych. Dłuższy niedostatek deszczu oraz coraz gorętsza atmosfera w upalne letnie, a także coraz częściej, ciepłe jesienne dni (tu z powodu wspomnianych wiatrów fenowych Santa Ana), roślinność ta cierpi na stres wodny i zarazem cieplny. A to z kolei skutkuje jej masowym wysychaniem. Dlatego też, niejednokrotnie w takich zapalnych regionach świata jak Kalifornia, staje się ona paliwem zapalnym do powstawania wielkoskalowych pożarów.
Kierownik badania autor, Park Williams, bioklimatolog z Obserwatorium Ziemi Lamont-Doherty na Uniwersytecie Columbia:
Nie jest zaskoczeniem, że klimat ma taki wpływ na lasy, ale Kalifornia jest tak duża i tak zmienna, że nie ma jednego uniwersalnego wyjaśnienia, w jaki sposób klimat może wpływać na pożary na całym świecie.
Staraliśmy się zapewnić kompleksowe wyniki badań, aby pokazać ludziom, jak klimat wpłynął lub, w niektórych przypadkach, nie wpłynął na aktywność pożarową.
Podwyższone temperatury i wynikająca z tego suchość na ziemi podwoiły obszar wypalony w pożarach lasów na większych obszarach zachodnich Stanów Zjednoczonych w ostatnich dziesięcioleciach.
W Kalifornii infrastruktura ludzka rozrasta się w lasach, co stwarza potencjalne zagrożenie nie tylko dla lasów, ale i też dla ludzi mieszkających w pobliżu nich.
Chociaż, jak zauważają słusznie naukowcy, fragmentacja krajobrazów leśnych w wyniku ingerencji człowieka może w niektórych przypadkach ograniczać rozprzestrzenianie się pożarów. Jednak z powodu skurczenia się szaty roślinnej, opady deszczu i śniegu z roku na rok stają się coraz rzadsze i czasami te obszary lokalne mogą być narażone na zwiększenie ryzyka powstania pożaru, a czasami na jego zmniejszenie także. Wszystko zależy od wielu złożonych czynników naturalnych wpływających na kształt i dynamikę pogody i klimatu Kalifornii. Ale obszary zbiorowisk roślinnych zdominowane przez krzewy lub trawy z niewielkimi zadrzewieniami w danym regionie, wcale nie muszą podobnie reagować.
Naukowcy łącząc wiele danych naukowych z wielu źródeł,, doszli do wniosku, że rosnący deficyt ciśnienia pary wodnej (VPD) wywołany temperaturą odpowiadał za prawie cały wzrost pożarów lasów w latach 1972-2018.
W grudniu 2017 r. ustanowiono nowoczesny rekord państwowy w zakresie największego indywidualnego pożaru (ponad 285 000 akrów) i najbardziej niszczycielskiego (spalone 5636 budowli, 22 osoby zabite).
W lipcu 2018 r. ustanowiono nowy rekord pod względem całkowitej rocznej spalonej powierzchni (prawie 1,7 miliona akrów), a rekordy z grudnia 2017 r. zostały pobite w odniesieniu do największego indywidualnego pożaru (pożar kompleksu Mendocino, który zniszczył 464 500 akrów) i najbardziej destrukcyjnego: pożaru, który spalił 18 804 budowle i zabił 85 osób. Ogień zrównał z ziemią prawie całą leśną bioróżnorodność Paradise.
Naukowcy w swojej pracy piszą:
Zdolność suchych paliw do wywoływania dużych pożarów jest nieliniowa, co pozwoliło na zwiększenie wpływu ocieplenia.
Ocieplenie spowodowane przez człowieka już znacznie zwiększyło aktywność pożarów w Kalifornii, szczególnie w lasach Sierra Nevada i na północnym wybrzeżu, i prawdopodobnie będzie tak dalej w nadchodzących dziesięcioleciach.
—-