Kategoria: Klimat

Zbiorowiska ptaków na pustyni Mojave w ciągu ostatniego stulecia zostały zredukowane o 29% pośród 135 gatunków, które występowały 100 lat temu.

Eric Riddell z Muzeum Zoologii Kręgowców na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley w swojej pracy zespołowej wskazał główną przyczynę drastycznego zmniejszenia się populacji ptaków na Pustyni Mojave – stres cieplny z powodu fal upałów ¹.

Najbardziej zagrożone z powodu fal upałów okazują się większe ptaki oraz te, które mają dietę owadzią lub zwierzęcą, gdyż mają większe zapotrzebowanie na wodę, której w warunkach pustynnych, w trakcie dalszego wzrostu średniej temperatury powierzchni Ziemi, będzie tylko ubywać.

Stres cieplny w szczególności pojawia się u ptaków, gdy musiały opuścić zacienione gniazda w celu poszukania partnerów lub pożywienia dla siebie lub dla swojego potomstwa.

Główny autor pracy, Eric Riddell, będący stypendystą podoktoranckim na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, dla serwisu Science Daily powiedział ²:

Często myślimy, że zmiana klimatu może spowodować masową śmiertelność w przyszłości, ale to badanie mówi nam, że zmiana klimatu, która już nastąpiła, jest zbyt gorąca, a na niektórych obszarach zwierzęta nie tolerują ocieplenia i wysuszenia, które już się wydarzyło.

Z kolei starszy autor badania – Steven Beissinger, profesor nauk o środowisku, polityki i zarządzania na UC Berkeley, w tym samym serwisie stwierdził:

To jedno z pierwszych badań, które bezpośrednio wiążą wzrost wymagań fizjologicznych z cieplejszego i bardziej suchego klimatu ze zmianami zachodzącymi w bioróżnorodności.

Większość poprzednich badań nie wykazała bezpośredniego związku fizjologicznego między zmianą klimatu a zmianą bioróżnorodności, której zwykle pośredniczą zmiany w sieci pokarmowej lub konkurujących gatunkach. Nasze badanie wskazuje na bezpośredni wpływ zmiany klimatu poprzez zwiększone zapotrzebowanie na wodę do chłodzenia wyparnego by utrzymać temperaturę ciała w strefie komfortu.

Według analizy naukowców z Berkeley, ptaki owadożerne i drapieżne prawie nie piją wody, tylko ją pobierają z ciał zjadanych swoich ofiar. Większy wzrost temperatury jednak powoduje większe chłodzenie wyparne, a więc utratę wody z organizmów tychże ptaków, a to z kolei prowadzi do jeszcze większego wydatku energetycznego na polowania na owady oraz drobne kręgowce.

—

Fot. Pustynia Mojave (Wikipedia)

—

Swoje spadki populacyjne zaznaczyły drapieżne ptaki, jak: pustułka amerykańska (Falco sparverius), sokół preriowy (Falco mexicanus) i sępnik różogłowy (Cathartes aura) oraz owadożerne, jak: aeronauta białogardły (Aeronautes saxatalis), nadobniczka białoskrzydła (Tachycineta thalassina), piwik północny (Contopus cooperi), wojak żółtogardły (Sturnella neglecta) i błękitnik meksykański (Sialia mexicana).

Mniejsze owadożerne ptaki czy wszystkożerne oraz roślinożerne mają mniejszy wydatek energetyczny, gdyż mniej się nagrzewają i przez to mniej wydzielają też wody ze swoich ciał. Należą do nich: siwuszka ciemnobrewa (Polioptila caerulea), ogniczek (Corthylio calendula), sikora górska (Poecile gambeli), siwuszka czarnosterna (Polioptila melanura), wąsatek czarnogardły (Amphispiza bilineata), żółtoliczek (Auriparus flaviceps), skalik ostrodzioby (Catherpes mexicanus).

Jednak ptaki na diecie wegetariańskiej są zależne od picia wody powierzchniowej ze strumieni, stawów, rzek i jezior. W obszarach gdzie tychże wód powierzchniowych jest bardzo mało albo wysychają one z powodu nasilonego nasłonecznienia podczas długotrwałych fal upałów i susz albo też z powodu pompowania wód gruntowych przez ludzi, ptaki takie jak ziarnojady mocno cierpią i mają ogromny wydatek energetyczny na znalezienie takiej wody, co odbija się ujemnie na ich kondycji zdrowotnej, w tym też na ich sukcesie reprodukcyjnym.

—

Rys.1. Niska trwałość w gorących, suchych miejscach sugeruje, że zapotrzebowanie na wodę leży u podstaw załamania się zbiorowisk ptaków.

A) Trwałość ptaków w ciągu ostatniego stulecia była najniższa w najgorętszych, najbardziej suchych miejscach, przy braku wód powierzchniowych. Trwałość była umiarkowana w mniej gorących i suchych miejscach i nieznacznie spadła w chłodnych i wilgotnych miejscach, prawdopodobnie z powodu czynników niezwiązanych z kosztami chłodzenia.

B) Prognozy dotyczące trwałości w obecności wód powierzchniowych wskazują, że trwałość była znacznie wyższa na obszarach z wyjątkiem gorących i suchych miejsc.

(Eric Riddell i inni, 2019)

—

Riddell w serwisie Science Daily powiedział:

Dla roślinożerców jest to bardziej binarne: to, czy gatunek przetrwał w danym miejscu w ciągu ostatnich 100 lat, czy nie, miało więcej wspólnego z obecnością lub brakiem wód powierzchniowych by móc się napić.

W przypadku owadożerców jest to bardziej zależne od stopnia ochłodzenia, determinowanego przez wielkość ciała i chłonność piór. Im większe zapotrzebowanie na wodę, tym większy spadek liczby gatunków. w którym zmiany klimatu objawiają się dla różnych członków ptasiej społeczności.

Naukowcy zauważyli, że ptaki próbują sposobów na uniknięcie największy fal upałów, przenosząc się na północ lub w górę na zbocza górskie w celu znalezienia chłodniejszych siedlisk. A jeśli zostają w danym miejscu narażonym na ekstremalnie wysokie temperatury, to przesuwają swoje okresy lęgowe na wcześniejsze pory na początku lata.

Na podstawie dokładnych notatek na temat fauny pustynnej, sporządzonych na początku XX wieku przez Josepha Grinnella, przemierzającego samochodem dzikie tereny Kalifornii, Riddell ze swoimi współpracownikami zaobserwował 50-procentową redukcję różnorodności gatunkowej w miejscach na pustyni odwiedzonych sto lat temu przez Grinnella. Dzięki temu naukowcy też zauważyli, że ten spadek nastąpił dzięki coraz szybszemu ocieplaniu się klimatu oraz wysychaniu wielu mokradeł, zbiorników i cieków wodnych, niezbędnych do egzystencji dla zwierząt i roślin pustynnych, w tym wśród fauny dla ptaków pustynnych, które są szczególnie narażone na fale upałów.

—

Referencje:

1. Riddell E. A. et al., 2019 ; Cooling requirements fueled the collapse of a desert bird community from climate change ; Proceedings of the National Academy of Sciences ; https://www.pnas.org/content/116/43/21609
2. University of California – Berkeley, 2019 ; Collapse of desert bird populations likely due to heat stress from climate change ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2019/09/190930161854.htm

Fale upałów na lądach i w wodach oceanów oraz mórz również wywierają mocny wpływ na gatunki inne niż nasz. Najbardziej spektakularne są morskie fale upałów (MHW – Marine Heat Wave – opisane będą w dalszej części książki), które w dużym zakresie w XXI wieku wpływają destrukcyjnie na wiele gatunków morskich. Fale upałów na lądach nie są jeszcze tak dokładnie zbadane jeśli chodzi o ekosystemy. Jednak najmocniej dotyka to populacje gatunków, które są mocno zależne od termoregulacji wodnej, która jest coraz częściej zaburzana przez gwałtowne wzrosty temperatur lokalnych i regionalnych.

—

Jednym z najbardziej narażonych na fale upałów gatunków są wschodnioaustralijskie nietoperze zwane rudawkami. Ofiarami są głównie dwa gatunki: rudawka szarogłowa (Pteropus poliocephalus) i rudawka żałobna (Pteropus alecto). Ale również trzy lata temu gatunek rudawki okularowej (Pteropus conspicillatus) doznał poważnych strat.

Po raz pierwszy niszczycielska i śmiercionośna fala upałów zaatakowała rudawki w 1994 roku (6000 ofiar), w 2000 roku (500), w latach 2002-2007 (ponad 35 000), w 2014 r. (około 107 000), w 2018 r. (około 40 000), w 2019 r. (4500).

Justin A. Welbergen, z Wydziału Zoologii na Uniwersytecie w Cambridge, w Wielkiej Brytanii, i Stefan M. Klose, z Instytutu Ekologii Doświadczalnej na Uniwersytecie w Ulm, w Niemczech, wraz ze swoimi australijskimi współpracownikami: Nicolą Marcus, z WWF Nowa Południowa Walia, oraz Peggy Ebb, z Wydziału Zarządzania Ekosystemem na Uniwersytecie w Nowej Anglii, zaobserwowali, że wszystkie gatunki rudawek (nietoperzy) starają się prowadzić termoregulację w krytycznych w warunkach ekstremalnej fali upału za pomocą wachlowania skrzydłami, dyszenia, ślinienia się, szukania cienia w koronach drzew ¹.

—

Fot.1. Ulga przed upałem: w upalne dni nietoperze — takie jak ta rudawka szarogłowa — zanurzają brzuchy w wodzie, aby się ochłodzić. Nick Edards , CC BY-NC-ND

—

12 stycznia 2002 roku w Nowej Południowej Walii aż 9 kolonii ucierpiało, w których zginęło 3679 osobników. Gdy temperatura powietrza osiągnęła 42 stopnie Celsjusza, doszło do tragedii. Zwierzęta te masowo umierały z przegrzania i niemożności uregulowania temperatury własnych ciał.

5-6% nietoperzy umierało głównie z powodu hipertermii. Śmiertelność była znacznie większa wśród tropikalnych rudawek żałobnych (Pteropus alecto) (10-13%) niż pochodzących z klimatu bardziej umiarkowanego rudawek szarogłowych (Pteropus poliocephalus) (mniej niż 1%). Najbardziej ucierpiały młode osobniki i dorosłe samice niż dorosłe samce (młodzi 23-49%; samice 10-15% , a samce mniej niż 3%).

—

Rys.1. Rozmieszczenie rudawek żałobnych (Pteropus alecto) i rudawek szarogłowych (Pteropus poliocephalus) oraz ich obecna strefa nakładania się (sprawdzone) we wschodniej Australii. Strzałki przerywane pokazują południową równoleżnikową rozpiętość P. alecto w latach 1928, 1965 i 2007. Liczby pogrubione od 1 do 19 przedstawiają ogólne lokalizacje przeszłych wydarzeń wymierania (szczegóły w Tabela 3) (Welbergen J. A. et al., 2020).

—

Doktor Heennilame Ratnayake, z Uniwersytetu w Melbourne, wraz ze swoim zespołem naukowym, na podstawie modelu numerycznej prognozy pogody (NWP) Australian Community Climate and Earth-System Simulator (ACCESS-R)] z Australian Bureau of Meteorology (Australijskiego Biura Meteorologii), wykorzystał siatkowe, godzinowe prognozy temperatury powietrza ².

W listopadzie 2018 roku ekstremalna fala upałów w Australii spowodowała śmierć ponad 33 tysięcy osobników wśród dwóch najbardziej zagrożonych gatunków rudawek: rudawki żałobnej (Pteropus alecto) i endemicznej rudawki okularowej (Pteropus conspicillatus).

Naukowcy australijscy ocenili dokładność prognoz śmiertelności na podstawie różnych progów temperatury powietrza (38,0, 40,0, 42,0 i 44,0°C). Ich wyniki wykazały istotne prawdopodobieństwo śmiertelności rudawek, gdy prognozowana temperatura powietrza wyniesie ≥ 42,0°C. Według dokładnych analiz na podstawie powyższego modelu, prognozy 24-godzinne i 48-godzinne trafnie przewidują odpowiednio, w pierwszym przypadku 77% zgonów nietoperzy, a w drugim przypadku 73%.

Oprócz tego dodatkowo, naukowcy z Zachodniego Uniwersytetu w Sydney oraz Uniwersytetu w Melbourne, opracowali urządzenie do prognozy stresu cieplnego dotykającego rudawki. Prognozator ten przewiduje lokalizacje kolonii (kryjówek) tych nietoperzy, w których prawdopodobnie ponownie doświadczą ekstremalnych fal upałów, nawet trwających do 72 godzin.

Prognozator wykorzystuje dane pogodowe z modelu komputerowego udostępnione przez Australijskie Biuro Meteorologii za pośrednictwem archiwów zbiorów danych sponsorowanych przez NCI, z danymi z kolonii rudawek z Narodowego Programu Monitoringu Rudawek (National Flying-Fox Monitoring Program).

Jessica Meade, z Instytutu Środowiska Hawkesbury na Uniwersytecie w Zachodnim Sydney wraz swoimi współpracownikami, w tym min. z Justinem Welbergenem, zaprezentowała opisany wyżej radar pogodowy do śledzenia siedlisk i behawioru rudawek ³.

Na wstępie swojego artykułu stwierdziła następujący fakt:

Znajomość trendów populacji gatunków ma kluczowe znaczenie podczas planowania ochrony i zarządzania; jednak informacje te mogą być trudne do uzyskania w przypadku niezwykle mobilnych gatunków, takich jak rudawki   (Pteropus spp.; Chiroptera, Pteropodidae). W Australii kontynentalnej rudawki są przedmiotem szczególnej troski w zarządzaniu ze względu na powstawanie konfliktu między ludźmi a nietoperzami będących wektorami chorób odzwierzęcych. Dwa gatunki, rudawka szarogłowa (Pteropus poliocephalus) i rudawka okularowa (P. conspicillatus) są obecnie zagrożone wyginięciem.

Tutaj pokazujemy, że archiwalne dane z radarów meteorologicznych z okresu dziesięciu lat można wykorzystać do monitorowania dużej kolonii rudawek szarogłowych w pobliżu Melbourne. Pokazujemy, że oszacowania radarowe wielkości kolonii ściśle odpowiadają tym uzyskanym za pomocą tradycyjnych metod liczenia.

Ponadto, pokazujemy, że dane radarowe można wykorzystać do określenia czasu i kierunku odlotu rudawek wynurzających się z kryjówki….. Stanowią one jako takie niezwykle obiecujące narzędzie do ochrony i zarządzania wrażliwymi populacjami tych nietoperzy oraz do zarządzania interakcjami człowieka z tymi ważnymi ekologicznie ssakami.

—

Referencje:

1. Welbergen J. A. et al., 2007 ; Climate change and the effects of temperature extremes on Australian flying-foxes ; Biological Sciences ; https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2007.1385

2. Ratnayake H. U. et al., 2019 ; Forecasting wildlife die-offs from extreme heat events ; Animal Conservation ; https://zslpublications.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/acv.12476

3. Meade J. et al., 2019 ; Using weather radar to monitor the number, timing and directions of flying-foxes emerging from their roosts ; Scientific Reports ; https://www.nature.com/articles/s41598-019-46549-2

Wszystkie ekstremalne zjawiska pogodowe jak fale upałów, susze, pożary czy też nawalne opady deszczu, powodzie, a także burze, zawsze były na Ziemi i towarzyszyły ludziom od zarania dziejów. Jednak od początku naszego istnienia nie miały one takiej intensywności, częstotliwości oraz nie miały takiego zasięgu rozprzestrzeniania się jak to dziś obserwujemy wszyscy. Naukowcy od lat 50-60 XX wieku, a politycy, media i społeczeństwo dopiero od co najmniej dekady, zwrócili uwagę na namacalnie występujące zmiany klimatu. Nie ma żadnych wątpliwości, że te ekstrema pogodowe stanowią dla ludzkości bardzo poważne zagrożenie. Już dziś część krajów szuka rozwiązań strategicznych by przeciwdziałać ich szkodom jakie przynoszą coraz częściej naszej cywilizacji oraz ekosystemom lądowym i morskim.

Jedną z czołowych instytucji zajmujących się badaniem czynników naturalnych i antropogenicznych jest wspomniana instytucja – World Weather Attribution, która uważnie monitoruje sytuacje zjawisk pogodowych, których intensywność, częstotliwość oraz zasięg geograficzny coraz bardziej powiększają się. I obserwując przebieg ich zmian w ciągu minionych trzech dekad, naukowcy coraz wyraźniej zauważają, że ten trend zmian klimatu ma charakter rosnący wraz z przybywaniem każdego ułamka stopnia Celsjusza powyżej punktu odniesienia jakim jest okres przedprzemysłowy.

—

Duży zespół naukowy, pod kierownictwem Sjoukje Y. Philipa, holenderskiego meteorologa z Królewskiego Instytutu Meteorologicznego Holandii (RNMI – Royal Netherlands Meteorological Institute) [po holendersku (KNMI – Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut)] w De Bilt, z takimi naukowcami jak: Geert Jan van Oldenborgh z Instytutu Fizyki Atmosferycznej, Oceanicznej i Planetarnej (Atmospheric, Oceanic and Planetary Physics) na Uniwersytecie w Oksfordzie, Friederike E. L. Otto z Uczelni Geografii i Środowiska (School of Geography and the Environment) na Uniwersytecie w Oksfordzie, w szybko przedstawionej pracy w 2021 roku, napisanej pod wpływem ekstremalnie silnej czerwcowej fali upałów jaka nawiedziła rejon pacyficzny w amerykańskich stanach Oregon i Waszyngton oraz w kanadyjskiej prowincji Kolumbia Brytyjska, przedstawił krótką analizę dynamiki fal upałów, obecnie się dziejących, jak i w prognozowanej przyszłości ¹.

Wiele miast i wsi w tamtym regionie odnotowało w ostatnich dniach czerwca 2021 roku temperatury znacznie powyżej 40°C (104 °F), w tym został ustanowiony nowy rekord wszechczasów w Kanadzie wynoszący 49,6°C w wiosce Lytton.

—

Rys.1. Anomalie danych ze stacji podczas zdarzeń fal upałów z czerwca 2021 r. w stosunku do średniej najwyższej dobowej maksymalnej temperatury roku w szeregu czasowym. Należy zauważyć, że niektóre stacje nie mają jeszcze danych do szczytu fali upałów i dlatego nie doceniają zdarzenia. Wartości ujemne z pewnością nie obejmują fali upałów i dlatego zostały usunięte. Czarna ramka pokazuje badany region. Źródło: GHCN-D pobrane 4 lipca 2021 r.

—

To ekstremalne zdarzenie pogodowe miało drastyczny wpływ na tamtejszych mieszkańców, których duża część trafiła do okolicznych szpitali. Część ludzi cierpiących na przewlekłe choroby niestety zmarła. Do tragedii tych doszło przede wszystkim w domach gdzie brakowało klimatyzacji.

Naukowcy z USA, Kanady, Wielkiej Brytanii, Holandii, Francji, Niemiec i Szwajcarii współpracowali, aby ocenić, w jakim stopniu wywołane przez człowieka zmiany klimatyczne sprawiły, że fala upałów stała się gorętsza i bardziej prawdopodobna.

Oto jakie główne wnioski z tejże pracy wyciągnęli naukowcy z World Weather Attribution:

• Na podstawie obserwacji i modelowania występowanie fali upałów z maksymalną temperaturą dobową (TXx) obserwowane w obszarze 45–52°N i 119–123°W było praktycznie niemożliwe bez zmian klimatycznych spowodowanych przez człowieka.
• Zaobserwowane temperatury były tak ekstremalne, że znalazły się daleko poza zakresem historycznie obserwowanej temperatury. To utrudniło określenie ilościowe, jak rzadkie było to wydarzenie. W najbardziej realistycznej analizie statystycznej oszacowano, że w dzisiejszym klimacie wydarzenie to jest około jedno na 1000 lat.
• Istnieją dwa możliwe źródła tego ekstremalnego skoku temperatur szczytowych.

Po pierwsze, jest to zdarzenie o bardzo niskim prawdopodobieństwie, nawet w obecnym klimacie, który zawiera już około 1,2°C globalnego ocieplenia – statystyczny odpowiednik prawdziwego pecha, choć pogorszonego przez zmianę klimatu.

Druga opcja jest taka, że interakcje nieliniowe w klimacie znacznie zwiększyły prawdopodobieństwo tak ekstremalnych upałów, znacznie wykraczających poza stopniowy wzrost ekstremalnych upałów, które zaobserwowano do tej pory. Należy zbadać dalej drugą możliwość, chociaż zauważone zostało, że modele klimatyczne tego nie pokazują. Wszystkie liczby poniżej zakładają, że fala upałów była zdarzeniem o bardzo niskim prawdopodobieństwie, które nie zostało spowodowane przez nowe nieliniowości.

• Przy tym założeniu i połączeniu wyników analizy klimatu, modele i obserwacje pogodowe pokazują, że, zdarzenie definiowane jako dzienne maksimum temperatury (TXx) w rejonie fali upałów, tak rzadkie jak 1 na 1000 lat byłoby co najmniej 150 razy rzadsze bez zmiany klimatu wywołanej przez człowieka.
• Ponadto fala upałów byłaby o około 2°C wyższa niż gdyby miała miejsce na początku rewolucji przemysłowej (kiedy globalna średnia temperatura była o 1,2°C niższa niż dzisiaj).
• Patrząc w przyszłość, w świecie ocieplonym o 2°C (czyli jeszcze o 0,8°C cieplejszym niż dziś, który przy obecnych poziomach emisji zostałby osiągnięty już w latach 40. XX wieku), to wydarzenie byłoby o kolejny stopień gorętsze. Szacuje się, że wydarzenie takie jak to obecnie, gdy występuje tylko raz na 1000 lat, to występowałoby ono mniej więcej co 5 do 10 lat w przyszłym świecie ocieplonym o 2°C.

—

Referencje:

1. Philip S. et al., 2021 ; Rapid attribution analysis of the extraordinary heatwave on the Pacific Coast of the US and Canada June 2021 ; Earth System Dynamics ; https://www.ecodebate.com.br/wp-content/uploads/2021/07/20210707-rapid-attribution-analysis-of-the-extraordinary-heatwave-on-the-pacific-coast-of-the-us-and-canada-june-2021.pdf

W XXI wieku naukowcy badający fizykę atmosfery zaobserwowali eksperymentalnie, że ekstremalne zjawiska pogodowe coraz częściej mają związek ze zmianami klimatu. To znaczy, przy dalszym ociepleniu klimatu, ich oddziaływania są coraz większe, coraz silniejsze i coraz częstsze. Druga dekada naszego wieku to cały kalejdoskop ekstremalnych zdarzeń pogodowych, od pozornie niegroźnych nawalnych opadów deszczu po widowiskowe powodzie od pozornie niezauważalnych fal upałów i susz po spektakularne wielkoskalowe pożary.

Od niedawna specjaliści zmian klimatu podjęli skrupulatnie szczegółowe badania tak zwanej atrybucji zmian klimatu

To bardzo trudny dział klimatologii. Powinniśmy o tym wiedzieć i podkreślać, że na czynniki naturalne nakładają się czynniki antropogeniczne, które coraz częściej przynoszą z sobą ekstremalne zjawiska pogodowe.

—

Rys.1. Przedstawiony diagram pokazuje zakres zaufania naukowców do badań mających na celu wykrycie wpływu globalnego ocieplenia na określone ekstremalne wydarzenie (oś pionowa) zależy od poziomu wiedzy naukowej na temat tego, jak globalne ocieplenie wpłynie na procesy atmosferyczne, które powodują tego typu zdarzenia. Grafika zaadaptowana z rysunku 4.7 w NAS 2016. (NOAA).

—

Friederike Otto, niemiecka specjalistka atrybucji zmiany klimatu i współautorka projektu Atrybucja Światowej Pogody (WWA – World Weather Attribution) oraz dyrektor Instytutu Zmian Środowiska na Uniwersytecie Oksfordzkim, stwierdziła następujący fakt ¹:

W niektórych regionach istnieją długie, wysokiej jakości zapisy, a w wielu przypadkach możliwe jest utworzenie obszernego zapisu symulowanej pogody i ekstremalnych zjawisk pogodowych za pomocą najnowocześniejszych modeli klimatycznych i metod statystycznych. Dzięki temu naukowcy mogą oszacować, co jest możliwe dla pogody w świecie, w którym żyjemy, i oszacować prawdopodobieństwo zaobserwowanego ekstremalnego zdarzenia pogodowego. Czy było to wydarzenie 1 na 100 lat? Albo wydarzenie 1 na 10 lat? Po określeniu prawdopodobieństwa wystąpienia zdarzenia w dzisiejszym klimacie, tj. wraz ze zmianą klimatu, możemy następnie zapytać, jakie byłoby prawdopodobieństwo tego zdarzenia w świecie bez zmiany klimatu wywołanej przez człowieka. Chociaż nie mamy obserwacji świata, który mógłby istnieć bez zmiany klimatu, wiemy bardzo dobrze, ile zostało przez nas wyemitowane CO₂ i innych gazów cieplarnianych. To umożliwia nam symulację możliwej pogody na świecie, która mogłaby obyć się bez wywołanej przez człowieka zmiany klimatu, w taki sam sposób, w jaki symulujemy możliwe zdarzenia pogodowe dzisiaj.

Obecnie modele klimatyczne symulujące pogodę i ekstremalne zjawiska pogodowe są coraz dokładniejsze, co podkreśla autorka pracy. No i częstotliwość zdarzeń ekstremalnej pogody wzrasta z każdym ułamkiem stopnia Celsjusza. Dlatego też już raczej przeważnie, gdy dochodzi do nich, to musimy liczyć się z tym, że na czynniki naturalne pogodowe nakładają się w coraz szerszym zakresie czynniki antropogeniczne zmiany klimatu. Otto podkreśla, że częstość i intensywność takich ekstremalnych zdarzeń pogodowych zdecydowanie wzrasta i w coraz cieplejszym świecie te procesy zmian klimatu będą jeszcze silniejsze.

—

Fot.1. Ekstremalna pogoda (Friederike Otto, 2019)

—

Badaczka atrybucji zmian klimatu w swoim artykule podkreśla:

Chociaż jesteśmy bardzo pewni, że ryzyko europejskiej fali upałów, takiej jak ta zaobserwowana w 2003 r., co najmniej podwoiło się z powodu zmiany klimatu, nie możemy obecnie przypisywać zdarzeń na małą skalę, takich jak na przykład gwałtowne powodzie, burze gradowe lub tornada. Jednak dzięki lepszym modelom klimatycznym i rosnącej liczbie naukowców pracujących nad tym zagadnieniem i wzajemnie analizujących swoje prace, nasze metody są stale ulepszane.

—

Z kolei zespół klimatologów, z Chińskiej Akademii Nauk Meteorologicznych w Pekinie, w składzie: Panmao Zhai, Baiquan Zhou i Yang Chen, badając w Chinach zmiany lub zdarzenia związane z temperaturą, takie jak atrybucja zmian średniej i ekstremalnej temperatury oraz indywidualnych zdarzeń związanych z falami upałów, zaobserwowali, że jednak istnieją wyraźne luki w atrybucji zmiany klimatu, jeśli chodzi o ekstremalne opady, susze, tropikalne cyklony w powiązaniu z cyrkulacjami atmosferycznymi i oceanicznymi ².

Fakt dokładnej analizy atrybucji zmiany klimatu w Azji Wschodniej utrudnia częstość i intensywność zmienności klimatycznych takich jak, chociażby tam powszechne w okresie letnim monsuny wiejące w stronę lądu i w okresie zimowym w stronę oceanu. Autorzy pracy piszą:

W oparciu o nowe metody statystyczne oraz lepsze modele i obserwacje, najnowsze badania dodatkowo weryfikują wnioski dotyczące atrybucji zmiany klimatu w IPCC AR5 i wzbogacają dowody antropogenicznych wpływów na pogodę i zmienne klimatyczne oraz ekstrema. Niepewność globalnej zmiany temperatury, którą można przypisać wymuszeniom antropogenicznym, polega na znacznej niepewności oszacowania całkowitego wymuszania radiacyjnego powodowanego przez aerozole, natomiast niepewność atrybucji zmian opadów atmosferycznych wynika z ograniczeń obserwacji i symulacji modelowych, a także z wpływów dużej zmienności wewnętrznej.

Autorzy pracy tak samo stwierdzają jak Otto, że metody badawcze atrybucji zmiany klimatu są coraz bardziej udoskonalane, więc diagnozowanie procesów, w których na czynniki naturalnych zmienności klimatycznych nakładają się czynniki antropogenicznych zmian klimatu, jest już i będzie coraz skuteczniejsze.

—

Referencje:

1. Friederike O., 2019 ; Attribution of extreme weather events: how does climate change affect weather? ; Royal Meteorological Society ; https://rmets.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/wea.3610
2. Zhai P. et al., 2018 ; A Review of Climate Change Attribution Studies ; Journal of Meteorological Research ; https://www.researchgate.net/publication/328482134_A_Review_of_Climate_Change_Attribution_Studies

Wraz z degradacją środowiska morskiego – zanieczyszczaniem wód morskich odpadami oraz ich eutrofizacją poprzez spływy azotanów i fosforanów pochodzących z nawozów sztucznych, coraz większym problemem ocieplania się wód oceanicznych i ich zakwaszenia, również poważnym problemem jest ich odtlenianie, czyli powiększanie się stref beztlenowych w oceanach świata.

Denise Breitburg z Centrum Badań Środowiska Smithsonian w Edgewater, w USA, wraz ze swoimi współpracownikami, pisze następująco ¹:

Globalne ocieplenie spowodowane gazami cieplarnianymi jest prawdopodobnie ostateczną przyczyną trwającej dezoksygenacji w wielu częściach otwartego oceanu. W przypadku górnego oceanu w latach 1958–2015 zawartość tlenu i ciepła jest silnie skorelowana z gwałtownym wzrostem zarówno dezoksygenacji, jak i zawartości ciepła w oceanie, począwszy od połowy lat 80. XX wieku.

Badanie to zostało przeprowadzone przez zespół naukowców z Globalnej Sieci Tlenu Oceanicznego (GO2NE – Global Ocean Oxygen Network), nowej grupy roboczej utworzonej w 2016 r. przez Międzyrządową Komisję Oceanograficzną ONZ. Jest ono jednym z pierwszych badań wnikliwie badających przyczyny i skutki odtleniania oceanów.

Naukowcy piszą:

Potrzebne są ulepszone modele numeryczne procesów oceanograficznych, które kontrolują ubytek tlenu i wielkoskalowy wpływ zmienionych cykli biogeochemicznych, aby lepiej przewidywać wielkość i wzorce przestrzenne odtleniania na otwartym oceanie, a także sprzężenia zwrotne z klimatem. Opracowanie i weryfikacja kolejnej generacji tych modeli będą wymagały wzmożonych obserwacji in situ i lepszego zrozumienia mechanizmów w różnych skalach.

Autorzy powyższej pracy zauważyli w swoich wynikach badań, że w takich obszarach morskich jak Zatoka Chesapeake i Zatoka Meksykańska, poziom tlenu spada do tak niskiego poziomu, że wiele zwierząt dusi się i umiera. Gdy jednak mimo wszystko ryby unikają tych stref, ich siedliska kurczą się, a wtedy stają się te ryby bardziej podatne na drapieżniki lub połowy przez ludzi.

—

Rys.1. Niskie i malejące poziomy tlenu w otwartym oceanie i wodach przybrzeżnych wpływają na procesy, od biogeochemii po bezpieczeństwo żywnościowe (Denise Breitburg i inni, 2018).

—

Mapa globalna wskazuje obszary przybrzeżne, w których antropogeniczne składniki odżywcze zaostrzyły lub spowodowały spadek O₂ do < 2 mg litra/rok     (< 63 μmol litra/rok) (czerwone kropki), a także strefy o minimalnej zawartości tlenu w oceanach na głębokości 300 m ( regiony zacieniowane na niebiesko).

Mapa stworzona na podstawie danych dostarczonych przez R. Diaza, zaktualizowana przez członków sieci GO2NE i pobrana ze Światowego Atlasu Oceanu (World Ocean Atlas) w 2009 r.

Bardzo silny spadek tlenu w wodach oceanicznych przyczynia się również do spadku reprodukcji wielu gatunków morskich, częstych chorób, a nawet śmierci wielu osobników mniej przystosowanych do tak zmiennych warunków oksydacyjnych. Grozi to też uwalnianiem się szkodliwego dla organizmów podtlenku azotu, którego molekuła ma 300 razy silniejszy potencjał cieplarniany niż dwutlenku węgla. Ponadto powstaje równie bardzo niebezpieczny, toksyczny gaz – siarkowodór.

Zmiana klimatu ma wpływ na odtlenianie wód oceanicznych, głównie na otwartym oceanie, gdzie największe stężenie tlenu jest w powierzchniowej warstwie, a najmniejsze w głębinach, zwłaszcza na dnie, gdzie też właśnie najczęściej powstają martwe strefy oceaniczne i morskie. Z kolei w wodach przybrzeżnych, duży wpływ ma działalność gospodarcza, zwłaszcza spuszczanie do rzek nawozów sztucznych, np. azotanów i fosforanów, które gdy trafią do oceanu czy morza, powodują silne zakwity glonów oraz toksycznych sinic.

Również odtlenianie oceanów uderza mocno w gospodarkę opartą na rybołówstwie. Tam gdzie powstają martwe strefy oceaniczne i morskie, tam spada produkcja ryb i „owoców morza”, czyli bezkręgowców morskich, takich jak np. popularne w Stanach Zjednoczonych krewetki czy w południowej Europie homary.

Zdaniem naukowców, potrzebne są bardziej skuteczne działania profilaktyczne: zdrowotne, sanitarne, epidemiologiczne, a także środowiskowe oraz konieczne są działania mitygacyjne i adaptycyjne przeciw zmianom klimatu.

—

Według wyników badań, oceanografów: Matthew Longa z Narodowego Centrum Badań Atmosferycznych w Boulder, w Kolorado, Curtisa Deutcha ze Szkoły Oceanografii na Uniwersytecie Waszyngtońskim w Seattle oraz Taki Ito z Wydziału Nauki o Ziemi i Atmosferze w Instytucie Technologii Georgia w Atlancie, coraz cieplejsze oceany i morza powodują ich stratyfikację utrudniającą mieszanie i dopływ tlenu, dwutlenku węgla, tlenu i innych składników pokarmowych do głębszych warstw oceanu dla wielu głębinowych organizmów morskich, co skutkuje ich odtlenianiem. A dzieje się tak dlatego, że od powierzchni morza ku większym głębokościom rośnie gradient gęstości wody, właśnie gdy one coraz słabiej mieszają się pod wpływem coraz wyższego wzrostu temperatury ².

Badacze swoje spostrzeżenia naukowe oparli na symulacji komputerowej Dużego Zestawu Modelu Systemu Ziemskiego Klimatu (CESM-LE – Community Earth System Model Large Ensemble) opartego na Narodowym Centrum Badań Atmosfery (NCAR – National Center for Atmospheric Research), sfinansowanego przez Narodową Fundację Nauki i Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych.

Zgodnie z prawem Henry’ego, z każdym wzrostem temperatury wód oceanicznych maleje w nich rozpuszczalność wszystkich gazów, takich jak: dwutlenek węgla i tlen. Ponadto zmniejsza się gęstość wód powierzchniowych pod wpływem ich ocieplania. W sumie stratyfikacja powodująca hamowanie mieszania wód i transportu dwutlenku węgla i tlenu do głębszych warstw wód oceanicznych sprawia, że te gazy w dużej ilości kumulują się najsilniej w nagrzewanych przypowierzchniowych warstwach wód oceanów. W szczególności, gdy już w niektórych rejonach oceanicznych nastąpiło przesycenie dwutlenkiem węgla w uwarstwionych wodach powierzchniowych, może on więcej się wydzielać do atmosfery niż być pochłanianym z niej przez oceany.

—

Rys.2. Średnie roczne stężenie tlenu rozpuszczonego na powierzchni o gęstości potencjalnej σ θ =26,5. (góra) Średnia zespołowa na podstawie modelu CESM-LE z lat 1981–2000; (na dole) Optymalnie interpolowana średnia roczna klimatologia z Atlasu Oceanów Świata (WOA – World Ocean Atlas), 2013 [ Garcia et al. , 2014 ].

—

Andreas Oschlies, naukowiec pracujący w instytucie oceanicznym Centrum Badań Oceanu – Helmholtz (Helmholtz Center for Ocean Research) GEOMAR w Kilonii, zauważa na podstawie symulacji Modelu Systemu Ziemskiego Klimatu z Uniwersytetu w Victorii, że nawet zatrzymanie emisji gazów cieplarnianych do atmosfery nie powstrzyma, nie tylko dalszego ocieplania się wód oceanicznych, ale i także ich odtleniania, zwłaszcza na ich większych głębokościach, z powodu zwiększającej się stratyfikacji hamującej transport pionowy tlenu i dwutlenku węgla, zarówno z powierzchni oceanów w głębiny, jak i z głębin ku powierzchni oceanów ³.

W szczególności groźne jest odtlenianie o czym pisze autor we wspomnianym artykule. Wskaźnik metaboliczny pokazuje nawet 25% spadku zawartości tlenu w głębinach oceanów poniżej 2000 metrów, co oczywiście już wpływa bardzo niekorzystnie na będącą tam faunę pelagiczną i bentosową.

Oschlies tłumaczy, że każda utrata objętości tlenu w wodzie wiąże się z utratą danych siedlisk morskich oraz redukcją populacji gatunków w morzach i oceanach. W szczególności najsilniej narażone są gatunki z większych głębokości.

I co bardzo istotne, autor podkreśla w swoje pracy, że wprawdzie tempo spadku tlenu nie jest tak duże, bo wynosi około 5 mmol m^{– 3} na 100 lat do roku 2650, ale zgodnie z symulacją komputerową modelu systemu Ziemi w wersji 2.8 (ESM – Earth System Model, version 2.8), pochodzącego z Uniwersytetu Victorii, w szczególności w głębinach oceanicznych, najprawdopodobniej odtlenianie oceanów jest już nieuniknione, nawet jeśli emisje dwutlenku węgla zostałyby całkowicie zatrzymane pod koniec 2020 r.

Symulacje zostały przeprowadzone w okresie od czasów przedindustrialnych w 1800 roku, poprzez współczesne w 2020 roku, do czasów wybiegających daleko w przyszłość do 2650 roku.

Profesor Oschlies w serwisie Science Daily wyjaśnił ⁴:

W badaniu wykorzystano model systemu Ziemi do oceny tego, co w dłuższej perspektywie stanie się w oceanie, jeśli wszystkie emisje CO₂ zostaną natychmiast zatrzymane.

Wyniki pokazują, że nawet w tym ekstremalnym scenariuszu ubytek tlenu będzie trwał przez wieki, ponad czterokrotnie zwiększając utratę tlenu, jaką do tej pory widzieliśmy w oceanie.

—

Referencje:

1. Breitburg D. et al., 2018 ; Declining oxygen in the global ocean and coastal waters ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aam7240
2. Long M. C. et al., 2016 ; Finding forced trends in oceanic oxygen ; Global Biogeochemical Cycles ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015GB005310
3. Oschlies A., 2020 ; A committed fourfold increase in ocean oxygen loss ; Nature Communications ; https://www.nature.com/articles/s41467-021-22584-4
4. Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel (GEOMAR), 2020 ; Long-term consequences of CO2 emissions ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2021/04/210416120005.htm

W drugiej połowie XVIII wieku miało swój początek pierwsze spalanie paliw kopalnych, a konkretniej emisje dwutlenku węgla. I to nie tylko do atmosfery, ale i też, z większym upływem czasu, do oceanów. Z tą jednak różnicą, że rosnące stężenie dwutlenku węgla w wodach oceanicznych nie przyczynia się do zatrzymywania energii cieplnej w zakresie w podczerwieni, jak to się dzieje właśnie w atmosferze, ale powoduje inną zmianę klimatu – zakwaszenie oceanów.

Cząsteczka dwutlenku węgla, reagując z cząsteczką wody, zamienia się się w słaby kwas węglowy, który ulega dysocjacji na jony: aniony wodorowęglanowe i kationy wodorowe, i następnie, na aniony węglanowe i znowu na kationy wodorowe.

CO₂ + H₂O > H₂CO₃ ; H₂CO₃ > HCO₃^– +H⁺ ; HCO₃^– > CO₃^2- + H⁺

W obiegu węglowym atmosferyczny dwutlenek węgla jest cały czas w interakcji z oceanami. Problem jednak zaczyna się robić, gdy tego najważniejszego gazu w systemie klimatycznym, pojawia się znacznie więcej niż potrzeba. To znaczy, gdy rośnie stosunek anionów wodorowęglanowych względem węglanowych i gdy zaczyna tych drugich brakować do budowy skorupek u skorupiaków i muszli u małży.

Oceany, tak jak i lądy, mniej więcej w naturalnych procesach tyle samo emitują co absorbują dwutlenku węgla. Jednak od uruchomienia pierwszych manufaktur opalających węgiel w Wielkiej Brytanii, również stężenie tego gazu zaczęło powoli wzrastać w oceanach, a temperatura i energia cieplna w największych akwenach wodnych Ziemi zaczęła rosnąć dopiero od lat 70 XX wieku, gdy unowocześniono pomiary i zaobserwowano na wykresach szybki wzrost tych parametrów.

Jak czytamy w pracy naukowej, opublikowanej, w instytucji naukowej NOAA – Morskim Laboratorium Środowiska Pacyficznego (PMEL – Pacific Marine Environment Laboratory), przez badaczy zakwaszenia oceanów: Richarda Feely’ego, Christophera Sabine i Victorię Fabry, od początku ery przemysłowej ocean wchłonął z atmosfery około 525 miliardów ton CO₂ ¹.

A więc w 2006 roku było to już około 22 milionów ton dziennie.

Autorzy serwisu Smithsonian Institution piszą tak ²:

Początkowo naukowcy myśleli, że może to być dobre rozwiązanie, ponieważ pozostawia mniej dwutlenku węgla w powietrzu, aby ogrzać planetę. Ale w ostatniej dekadzie zdali sobie sprawę, że to spowolnione ocieplenie odbywa się kosztem zmiany chemii oceanu. Kiedy dwutlenek węgla rozpuszcza się w wodzie morskiej, woda staje się bardziej kwaśna, a stężenie (pH) oceanu (miara kwasowości lub zasadowości oceanu) spada. Chociaż ocean jest ogromny, wystarczająca ilość dwutlenku węgla może mieć duży wpływ. Tylko w ciągu ostatnich 200 lat woda w oceanie stała się o 30 procent bardziej kwaśna – szybciej niż jakakolwiek znana zmiana chemiczna oceanu w ciągu ostatnich 50 milionów lat.

—–

Jeden z najważniejszych eksperymentów badania wpływu zakwaszenia oceanu na gatunki oceaniczne i morskie – Mesocosm – został przeprowadzony w pelagialu u wybrzeży Norwegii w 2015 r. Projektem tym kierował Ulf Riebesell, profesor Biologicznej Oceanografii, pracujący w GEOMAR – Centrum Badań Oceanicznych im. Helmholtza w Kilonii ³.

Badania przeprowadzone zostały w ośmiu mezokosmach o pojemności 55 000 litrów każdy. Są to eksperymentalne zbiorniki wodne umieszczone w morzu lub w oceanie i obsługiwane przez 36 badaczy, którzy przez 50 dni pobierali próbki.

Projekt ten pokazał, że kluczowe gatunki w skali globalnej o strukturze wapiennej jak glon Emiliania huxleyi czy zwierzę bezkręgowe – mięczak, pteropod, czyli morski ślimak skrzydłonogi Limacina helicina, będą głównymi przegranymi.

Wspomniany glon Emiliania huxleyi odgrywa dwie ważne role klimatyczne. Po pierwsze, transportuje węgiel w głębiny oceaniczne opadając po śmierci, a więc, łagodzi klimat. Po drugie, wytwarza chłodny i jasny gaz aerozolowy – dimetylek siarczku (DMS – Dimethyl Sulfoxide), dzięki czemu chmury bieleją, głównie stratocumulusy nad oceanami, i silnie odbijają w przestrzeń kosmiczną promienie słoneczne. A więc, w tym przypadku ten glon ochładza klimat. Z kolei ślimak skrzydłonogi Limacina helicina jest bardzo ważnym ogniwem w sieci troficznej, służącym jako pokarm dla wielu ryb i morskich ssaków (zwłaszcza waleni) i ptaków. Gdy go zabraknie w ekosystemie pelagicznego planktonu, to łańcuchy i sieci pokarmowe po prostu załamią się i może dojść do katastrofy ekologicznej. Mięczak ten jest uzależniony od wysokiego nasycenia wód pelagicznych aragonitem.

—

Fot.1. Skaningowa mikrografia elektronowa pojedynczej komórki Emiliania huxleyi (z witryny internetowej).

Fot.2. Żywy osobnik Limacina helicina (z witryny internetowej).

—

Do zwycięzców należą gatunki niewapienne – pikoplanktonowe, jak bakterie, a wśród bezkręgowych zwierząt, megaplanktonowe osłonice Oicopleura doica, a także z pewnością wiele innych o galaretowatym kształcie zwierząt, jak inne gatunki osłonic czy też wiele gatunków meduz.

—

Fot.3.: po lewej: Studium lokalizacji eksperymentów KOSMOS. po prawej: mezokosmosy KOSMOS rozmieszczone u wybrzeży Ny Ålesund na Svalbardzie (Signe Klavsen – GEOMAR).

Fot.4. Trzy z dziesięciu mezokosmów Kilonia KOSMOS w Gullmar Fjord w Szwecji (Maike Nicolai – GEOMAR).

—

Kunshan Gao, z Państwowego Kluczowego Laboratorium Nauk o Środowisku Morskim i Wyższej Szkoły Nauk o Oceanie i Ziemi na Uniwersytecie w Xiamen w Chinach, wraz ze swoim zespołem badawczym, zaobserwował, że wzrost stężenia atmosferycznego dwutlenku węgla wynosi obecnie 0,5% rocznie. I właśnie ono przyczynia się do zakwaszenia oceanu (OA – Ocean Acidification).

Gdy powierzchniowe górne warstwy wody nie mieszają się (UML – upper mixed layer), to gatunki morskie, zwłaszcza fotosyntetyczne glony, są bardziej narażone na zwiększoną dzienną ekspozycję dawki promieniowania fotosyntetycznie aktywnego (PAR Photosynthetically Active Radiation) i promieniowania ultrafioletowego (UV – Ultraviolet). Stratyfikacja oceanu sprzyja również zmniejszonym dostawom składników pokarmowych z dna i głębin oceanicznych oraz zmniejszonemu rozpuszczaniu się tlenu i tworzeniu się stref beztlenowych, co stanowi już dziś bardzo poważne zagrożenie dla flory i fauny w wielu akwenach oceanicznych morskich. ⁴  

—

Rys.1. Zakwaszenie oceanu, ocieplenie i odtlenienie związane z rosnącym wzrostem CO₂ w atmosferze . Zaleganie górnej warstwy mieszanej (UML) w wyniku ocieplenia naraża żyjące tam organizmy na wyższe poziomy promieniowania słonecznego [przerysowano na podstawie (Kunshan Gao i inni, 2012a) oraz (David Hutchins & Feixue Fu, 2017).

—

Autorzy w swojej pracy napisali:

Oceany pobierają ponad 1 milion ton antropogenicznego CO₂ na godzinę, zwiększając poziom ciśnienia parcjalnego rozpuszczonego dwutlenku węgla (pCO₂) i obniżając stężenie (pH) wody morskiej w procesie zwanym zakwaszeniem oceanów (OA – Ocean Acidification).

Ze wszystkich organizmów fotosyntetyzujących na Ziemi, morskie organizmy odpowiadają za około połowę globalnego wiązania węgla (Paul Falkowski & John Raven, 2013). W większości oceanów dominującymi fotoautotrofami są gatunki fitoplanktonowe: jednokomórkowe mikroglony i sinice, których habitaty występują przede wszystkim na otwartych wodach oceanów. Natomiast duże glony, makroglony, oraz trawy morskie preferują głównie siedliska przybrzeżne. Na te organizmy wpływa zarówno wzrost ciśnienia parcjalnego dwutlenku węgla (pCO₂) , jak i spadek stężenia wód (pH) wraz z trwającym zakwaszeniem oceanu (OA – Ocean Acidification).

Ocieplenie oceanu prowadzi do spadku rozpuszczalności tlenu w górnej warstwie oceanu, a to oznacza jego odtlenianie. A powstająca w niej stratyfikacja hamuje wentylację oceanu, czyli mieszanie powierzchniowych wód natlenionych z wodami głębszymi pelagicznymi i bentosowymi. A to z kolei prowadzi do odtleniania głębszych warstw oceanu. Ponadto, ludzie prowadząc działalność rolnictwa intensywnego doprowadzają często do tego, że ich nawozy azotanowe i fosforanowe stymulują rozwój bakterii i sinic, które w produkcji pierwotnej netto usuwają tlen z otoczenia wód morskich przybrzeżnych doprowadzając do ich odtleniania i wymierania wielu morskich gatunków przybrzeżnych.

W swoich wynikach badań, powyżej opisany zespół naukowy zauważył, że promieniowanie słoneczne ultrafioletowe oraz / lub podwyższona temperatura wyraźnie powodują zmniejszenie zwapnienia pośród glonów wapiennych. Natomiast u okrzemek został stwierdzony większy wzrost ich budowy krzemianowej przy podwyższonym poziomie CO₂, ale i przy niewielkim nasłonecznieniu. Jednak zbyt intensywne światło słoneczne hamuje również rozwój tych glonów krzemianowych (Sunke Schmidtko i inni, 2017; Denise Breitburg i inni, 2018).

—

Referencje:

1. Feely R. et al., 2006 ; Carbon Dioxide and Our Ocean Legacy ; Smithsonian Institution ; https://www.pmel.noaa.gov/pubs/PDF/feel2899/feel2899.pdf
2. Bennett J., 2006 ; Ocean Acidification ; Smithsonian ; https://ocean.si.edu/ocean-life/invertebrates/ocean-acidification
3. Riebesell U. et al., 2016 ; Competitive fitness of a predominant pelagic calcifier impaired by ocean acidification ; Nature Geoscience ; https://www.nature.com/articles/ngeo2854
4. Gao K. et al., 2019 ; Effects of Ocean Acidification on Marine Photosynthetic Organisms Under the Concurrent Influences of Warming, UV Radiation, and Deoxygenation ; Global Change and the Future Ocean ; https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2019.00322/full

 

 

Lasy są jednym z najważniejszych pochłaniaczy dwutlenku węgla w systemie klimatycznym Ziemi. Naukowcy zwracają szczególną uwagę na zaburzone przepływy węgla w cyklu węglowym. Ostatnie wyniki badań wskazują wyraźnie, że gdy świat się będzie coraz bardziej ocieplać, to lasy zamiast być pochłaniaczami netto, mogą stawać się powoli jego źródłami.

Fot.1. Przez amazoński las deszczowy w Peru wije się rzeka (Peru North).

—

Nate G. McDowell, z Krajowego Laboratorium Północno-Zachodniego Pacyfiku w Richland w stanie Waszyngton, wraz ze swoimi współpracownikami, przedstawił procesy dynamiczne gatunków drzew  w korelacji z zaburzonymi przepływami dwutlenku węgla oraz pary wodnej w ekosystemach leśnych ¹.

Dynamika lasu to procesy odnowienia, wzrostu, śmierci i strat gatunków drzew wchodzących w skład zbiorowiska leśnego. Procesy te są jednak napędzane zaburzeniami, zarówno naturalnymi, jak i antropogenicznymi.

Naukowcy dokonali tutaj przeglądu ostatnich postępów w zrozumieniu czynników napędzających dynamikę lasów oraz ich interakcji i zmian w kontekście globalnej zmiany klimatu. Autorzy pokazali, że zmiany te mają już miejsce. Wysnuli wnioski w procesie badawczym, że w skali globalnej ubywa starszych lasów (starodrzewi), a przybywa młodocianych. Ma to związek, zarówno z nadmierną działalnością gospodarczą (wycinka, wypalanie lasów), jak i również z wyraźnym wpływem ocieplenia klimatu (fale upałów, susze, pożary, nawałnice, nasilone gradacje owadów, patogenów).

Badania teledetekcyjne wyraźnie wskazują, że od co najmniej dwóch dekad, lasy pochłaniają coraz słabiej dwutlenek węgla. Ma to też związek nie tylko ze wzrostem temperatury w atmosferze, ale i również z deficytem ciśnienia pary wodnej (VPD – Vapour Pressure Deficit).

—

Rys.1. Schemat koncepcyjny składowych dynamiki lasu i napędzających je zaburzeń.

W panelu skrajnie lewym dojrzały ekosystem reaguje przede wszystkim na miejscową śmiertelność, a głównymi czynnikami są zmienne, takie jak CO₂, temperatura i deficyt ciśnienia pary wodnej (VPD – Vapour Pressure Deficit). W następnym panelu lewym system zostaje zakłócony przez pożar, pojawienie się owadów lub inne perturbacje na dużą skalę, które usuwają większość drzew ponadpiętrowych, a gatunki przystosowane do szybkiego odnowienia po zakłóceniach odrastają. W trzecim panelu prawym odnowienie i wzrost dominują w procesach demograficznych, przy czym śmiertelność wzrasta z czasem, ponieważ konkurencja prowadzi do samoprzerzedzania. W ostatnim panelu skrajnie prawym dojrzały ekosystem jest zdominowany przez gatunki, które zastąpiły pierwotną społeczność w odpowiedzi na chroniczne zmiany środowiskowe, co prowadzi do powstania nowego ekosystemu.

(Nate McDowell i inni, 2020)

—

Nate McDowell dla serwisu Science Daily powiedział ²:

Wniosek jest taki, że zmiana klimatu już teraz wywiera presję na lasy na świecie, a jej przyszłe następstwa mogą być na tyle poważne, że negatywnie wpłyną na całkowitą sekwestrację węgla przez lasy.

—-

Brytyjski geograf ds. ekosystemów Thomas Pugh z Uniwersytetu w Birmingham, wraz ze swoimi współpracownikami, odkrył, że nie tylko dojrzałe lasy w średnim wieku produkcyjnym są jednymi z największych pochłaniaczy węgla, ale jak się okazuje, także odrastające lasy odgrywają w tym główną rolę po zaburzeniach naturalnych, takich jak np. pożary, nawałnice czy też po zaburzeniach antropogenicznych, takich jak np. wycinka drzew ³.

—

Rys.2. Część lasów zdefiniowana jako odrastające (mniejszy wiek niż 140 lat) w zestawie danych dotyczących wieku na rok 2010. W południowej Australii występuje pusty obszar, ponieważ w zestawie danych GFAD nie ma tam danych (Thomas A. M. Pugh i inni, 2019).

—

Naukowcy swoje wyniki badań oszacowali w globalnej bazie danych wieku lasów (GFAD – Global Forest Age Database) w ramach unijnoeuropejskiego projektu GEOCARBON (Operacyjnego globalnego systemu obserwacji dwutlenku węgla), w którym został uwzględniony rozkład wieku drzewostanów w 10-letnich przedziałach wiekowych, obliczony do 140 lat, od roku bazowego 2010 na siatce 0,5° w zinwentaryzowanych lasach obejmujących głównie większość regionów umiarkowanych i borealnych.

Na podstawie GFAD naukowcy obliczyli, że łączna powierzchnia starodrzewu w 2010 r. wynosiła 16,5 mln km ², a drzewostany w stanie odrośnięcia stanowiły 26,3 mln km ^2. Drzewostany odrostowe są głównie skoncentrowane w północnych regionach pozatropikalnych, gdzie zdecydowana większość z nich należy do tej kategorii, podczas gdy stare drzewostany są skoncentrowane w regionach tropikalnych lasów deszczowych.

Jednak Pugh ze swoim zespołem naukowym podkreślił istotną rzecz. Mianowicie, że pod względem obszarowym całkowity wskaźnik pochłaniania węgla jest najwyższy w dojrzałych drzewostanach klimatu umiarkowanego: liściastych, wiecznie zielonych iglastych oraz mieszanych. Dotyczy to również starszych lasów odrostowych.

Obecnie lasy tropikalne są mniejszym pochłaniaczem węgla niż silnie odrostowe i naturalne ze średnich i borealnych szerokości geograficznych, ale gdy będą w przyszłości coraz mniej zaburzane przez działalność ludzką czy zmiany klimatu, to też mogą stać się tak samo silnym pochłaniaczem węgla.

—-

W swojej pracy zespołowej Nancy L. Harris, będąca kierownikiem ds. badań Nadzoru Globalnych Lasów (GFW – Global Forest Watch), stwierdziła, że w latach 2001-2019 lasy na świecie pochłonęły już około dwa razy więcej dwutlenku węgla niż go wyemitowały. Reasumując, lasy zaabsorbowały netto 7,6 miliarda ton metrycznych CO₂ rocznie, czyli 1,5 razy więcej dwutlenku węgla niż populacja Stanów Zjednoczonych emituje rocznie ⁴.

Poddając analizie najważniejsze lasy tropikalne w Ameryce Południowej, Afryce i Azji południowo-wschodniej, Harris, w serwisie Instytutu Zasobów Świata (WRI – World Resources Instittute), zaznaczyła, że są one najbardziej narażone by stać się znaczącymi źródłami netto dwutlenku węgla. Napisała w nim następująco ⁵:

—

Rys. Dorzecze rzeki Amazonki, dorzecze rzeki Kongo o Południowowschodnia Azja. Strumień netto rocznego ekwiwalentu dwutlenku węgla w gigatonach (emisje do atmosfery i usuwanie z atmosfery CO₂) (Nancy L. Harris i inni, 2021)

—

W ciągu ostatnich 20 lat lasy w Azji Południowo-Wschodniej łącznie stały się źródłem netto emisji dwutlenku węgla z powodu wycinania pod plantacje, niekontrolowanych pożarów i osuszania gleb torfowych.

Dorzecze Amazonki, które rozciąga się na dziewięć krajów Ameryki Południowej, nadal jest pochłaniaczem dwutlenku węgla netto, ale balansuje na krawędzi, aby stać się źródłem netto, jeśli utrata lasów będzie się utrzymywać w obecnym tempie. Dorzecze Amazonki doświadczyło wzmożonego wylesiania w ciągu ostatnich czterech lat w celu utworzenia rozległych pastwisk dla bydła oraz doznało degradacji spowodowanej  wielkoskalowymi pożarami.

Spośród trzech największych lasów tropikalnych na świecie, tylko Kongo ma wystarczająco dużo zwartych lasów, aby pozostać silnym pochłaniaczem dwutlenku węgla netto. Tropikalny las deszczowy Konga pochłania 600 milionów ton metrycznych więcej dwutlenku węgla rocznie niż emituje, co odpowiada około ¹/₃ emisji CO₂ z całego transportu w USA.

—

Referencje:

1. McDowell N. G. et al., 2020 ; Pervasive shifts in forest dynamics in a changing world ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aaz9463
2. DOE/Pacific Northwest National Laboratory, 2020 ; Global environmental changes leading to shorter, younger trees ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2020/05/200528161052.htm
3. Pugh T. A. M. et al., 2019 ; Role of forest regrowth in global carbon sink dynamics ; Proceedings of the National Academy of Sciences ; https://www.pnas.org/content/116/10/4382
4. Harris N. L. et al., 2021 ; Global maps of twenty-first century forest carbon fluxes ; Nature Climate Change ; https://www.nature.com/articles/s41558-020-00976-6
5. Harris N. L. & Gibbs D., 2021 ; Forests Absorb Twice As Much Carbon As They Emit Each Year ; World Resources Institute ; https://www.wri.org/insights/forests-absorb-twice-much-carbon-they-emit-each-year

W 2019 roku ukazała się ważna praca naukowa o pomiarach wzrostu zawartości ciepła oceanicznego (OHC – ocean heat content), której głównym autorem był Lijing Cheng, a współautorami byli między innymi: Kevin Trenberth z Narodowego Centrum Badań Atmosferycznych w Boulder, w Kolorado, oraz Michael Mann z Wydziału Meteorologii i Nauk o Atmosferze na Uniwersytecie Stanowym Pensylwanii ¹.

W swoim artykule naukowcy przedstawili wykres, na którym wzrost zawartości ciepła w oceanach został zarejestrowany na głębokościach poniżej 2000 m –  nawet do dna. I ten przyrost jest dosyć duży. W poprzednich publikacjach, tuż przed i po wydaniu V Raportu IPCC, był nie tylko mniejszy przyrost roczny w zetadżulach (wcześniej opisywany w dżulach x 10 ²²), ale i też na większej głębokości jeszcze nie był zaznaczony przyrost poniżej dwóch kilometrów. Oceany bardzo szybko ocieplają się na co szczególną uwagę zwracają autorzy pracy. A piszą tak:

Ewolucja OHC pokazuje, że, według Instytutu Fizyki Atmosfery z Chińskiej Akademii Nauk (IAP  – Institute of Atmospheric Physics), górne 2000 m OHC w 2019 r. wynosiło 228 ± 9 ZJ (2,28 x 10 ²² ± 9 x 10 ²¹ J) powyżej średniej z lat 1981–2010, czyli o 25 ZJ (2,5 x 10 ²² J) więcej niż w 2018 r. Natomiast, rekordowe ciepło oceanu znajduje się również w pomiarach Narodowej Administracji Oceaniczno-Atmosferycznej / Narodowego Centrum dla Środowiskowej Informacji (NOAA / NCEI  – National Oceanic and Atmospheric Administration / National Center for Environmental Information), pokazujące 217 ± 4 ZJ (2,17 x 10 ²² J), także w 2019 r. powyżej średniej z lat 1981-2010, czyli o 21 ZJ (2,1 x 10 ²² J) więcej niż w 2018 r. (patrz: tabela)

 

Ranga	Rok	IAP	NOAA/NCEI
1	2019	228	217
2	2018	203	196
3	2017	193	189
4	2015	185	180
5	2016	180	164

Tab. Wartości zawartości cieplnej oceanów (OHC) to anomalie (jednostki: ZJ) w stosunku do średniej z lat 1981–2010.

—

Rys.1. Wykres zmian globalnej zawartości ciepła w oceanach w górnych 2000 metrów oceanu, przedstawiający średnią miesięczną w ujęciu rocznym w porównaniu ze średnią roczną w latach 1955–2019. (NOAA/NCEI i IAP).

—

Należy też być ostrożnym w pomiarach OHC, gdyż w postaci szumu często występują naturalne zmienności klimatyczne, takie jak np.: oscylacje oceaniczne ENSO (chłodna La Niña vs ciepłe El Niño), które zakłócają sygnał oznaczający antropogeniczny wzrost ocieplenia oceanów. Mogą też pojawić się błędy w pomiarach instrumentalnych, dlatego też ważną kwestią w poprawnych obliczeniach jest dłuższy przedział czasowy, czyli długotrwały trend ocieplania się oceanów. Metodą mniejszych kwadratów obliczono dwa trendy czasowe:

a) okres czasowy 1955-1986

b) okres czasowy 1987-2019

Po raz pierwszy budżet cieplny został przedstawiony poniżej głębokości 2000 m aż do dna. Na poniższym wykresie widać podział zawartości ciepła na czterech poziomach głębokości:

a) od powierzchni do 300 m

b) od 300 do 700 m

c) od 700 do 2000 m

d) od 2000 m do dna oceanów

—

Rys.2. Budżet ciepła oceanu, od 1960 do 2019, zrealizowany na podstawie danych z analizy IAP od 0 do 2000 m (Purkey i Johnson, 2010), dla zmian głębin oceanicznych poniżej 2000 m (jednostki: ZJ). Jest to zaktualizowany rysunek ze starszego artykułu (Cheng i inni, 2017). Szare przerywane linie to 95% przedział ufności całkowitego budżetu ciepła oceanu (Lijing Cheng i inni, 2020).

—

Naukowcy dokładnie przeanalizowali zawartość cieplną oceanów (OHC). Po dokładnym oszacowaniu stwierdzili (tak jak widać to na wykresie):

Nowe wyniki wskazują na całkowite głębinowe ocieplenie oceanów o 370 ± 81 ZJ (równe ogrzewaniu netto 0,38 ± 0,08 W m ^–2 na powierzchni globu) w latach 1960-2019, przy udziale 41,0%, 21,5%, 28,6% i 8,9% odpowiednio dla warstw 0–300 m, 300–700 m, 700–2000 m i poniżej 2000 m.

Metody badawcze były identyczne jak w poprzedniej omawianej pracy Chenga i jego zespołu.

Jeszcze warte odnotowania jest to, że Cheng i jego współpracownicy zauważyli, że Atlantyk i Ocean Południowy, zwłaszcza wokół Antarktycznego Prądu Okołobiegunowego na południowej szerokości geograficznej 40–60 ° S , ocieplają się najszybciej na Ziemi. W szczególności Ocean Południowy w obszarze polarnym na południe od 30 ° S , w latach 1970-2017, przyczynił się do wzrostu globalnego OHC aż o 35–43% na głębokości 0-2000 metrów.

Tak stwierdził Michael Meredith z Brytyjskich Badań Antarktyki (BAS – British Antarctic Survey), jeden z czołowych autorów IPCC, który wziął udział w przygotowaniu Specjalnego raportu na temat oceanu i kriosfery w zmieniającym się klimacie (Special Report on The Ocean and Cryosphere in a Changing Climate) we wrześniu 2019 r ².

—-

Dzięki systematycznemu badaniu energii cieplnej z automatycznych pływaków, między innymi w systemie Argo oraz z wcześniej używanych batytermografów, naukowcom w XXI wieku udało się coraz lepiej oszacować ocieplenie oceanów.

W ostatnich czasach systemy obserwacji oceanów zostały mocno ulepszone. Dowodzi tego zespołowa praca fizyka z Uniwersytetu w Tuluzie, Benoita Meyssignaca ³.

Kluczowe techniki pomiarowe to:

a) bezpośrednie obserwacje temperatury in situ

b) satelitarne pomiary strumieni ciepła netto na powierzchni oceanu

c) satelitarne oszacowania rozszerzalności cieplnej oceanu

d) ponowne analizy oceanów, które uwzględniają obserwacje z instrumentów satelitarnych i in situ

Autorzy pracy napisali:

Precyzyjne monitorowanie nierównowagi energetycznej Ziemi (EEI – Earth’s Energy Imbalance) ma kluczowe znaczenie dla oceny obecnego stanu zmian klimatu i przyszłej ewolucji klimatu. Jednak monitorowanie EEI jest trudne, ponieważ jest ono o dwa rzędy wielkości mniejsze niż strumieni promieniowania przychodzącego do systemu Ziemi i wychodzącego z niego. Ponad 93% nadwyżki energii pozyskiwanej przez Ziemię w odpowiedzi na dodatnią EEI gromadzi się w oceanie w postaci ciepła. Ta akumulacja ciepła może być śledzona za pomocą systemu obserwacji oceanów, tak że obecnie monitorowanie zawartości ciepła oceanu (OHC) i jego długoterminowej zmiany zapewnia najbardziej efektywne podejście do szacowania wskaźnika EEI.

—

Rys.3. Schematyczne przedstawienie ewolucji systemów obserwacyjnych in situ i teledetekcyjnych do oceny globalnej zawartości ciepła w oceanach. Zacieniony obszar wskazuje tak zwany „złoty okres” pomiarów systemu Ziemi w celu oszacowania globalnej zawartości ciepła w oceanach, który rozpoczyna się około 2005 roku i charakteryzuje się początkowo rzadkim, ale stale poprawiającym się globalnym zasięgiem pomiarów temperatury in situ za pośrednictwem programu Argo (Benoit Meyssignac i inni, 2019).

—

Przed II wojną światową pomiary temperatury oceanu in situ były przeprowadzane na wysokich szerokościach geograficznych półkuli północnej, na statkach u wybrzeży z mniejszych głębokości, za pomocą wiadra (John Abraham i inni, 2013). A w czasach przedsatelitarnych, próbki temperatury oceanu były już pobierane na większych głębokościach za pomocą batytermografów, odpowiednio, w latach 60 do głębokości 300 metrów, a w latach 70 do głębokości 700 metrów. Ale już często z dala od wybrzeży i już coraz częściej na polarnych i tropikalnych wodach. Były one jednak najczęstsze na półkuli północnej (John M. Lyman i Gregory C. Johnson, 2008 ; John M. Lyman i Gregory C. Johnson, 2014 , Rebecca Cowley i inni, 2013  ; M. Rhein i inni, 2013 ; Tim Boyer i inni, 2016 ; Lijing Cheng i inni, 2016a).

W czasach satelitarnych, rozpoczętych od lat 90, a ściślej od 1993 roku, gdy użyto metod altymetrycznych w technikach teledetekcji, pomiary oceanów in situ były przeprowadzane za pomocą platform autonomicznych, nowoczesnych systemów komputerowych na statkach. W tym okresie czasu zostały wdrożone modele numeryczne polegające na asymilacji danych obserwacyjnych in situ z danymi satelitarnymi, po to by zapewnić czterowymiarowy obraz oceanu (Magdalena Alonso Balmaseda i inni, 2013 ; Matthew D. Palmer i inni, 2017 ; Karina von Schuckmann i inni, 2018 ; Andrea Storto i inni, 2019).

Od końca XX wieku, a właściwie już od początku XXI wieku, wchodzi złoty okres pomiarów za pomocą wyprofilowanych pływaków i robotów wodnych, min. w sieci Argo, dzięki czemu można mierzyć już temperaturę, zasolenie i energię cieplną oceanów, a ściślej zawartość cieplną oceanu (OHC), na głębokości zarówno do 700 metrów, jak i w późniejszych latach, do 2000 metrów (N. G. Loeb i inni, 2012 ; W. Llovel i inni, 2014 ; Kevin Trenberth i John Fasullo, 2016 ; Karina von Schuckmann i inni, 2016 ; Don P. Chambers i inni, 2017 ; H. B. Dieng i inni, 2017).

—

Referencje:

1. Cheng L. et al., 2019 ; Record-Setting Ocean Warmth Continued in 2019 ; Advances in Atmospheric Sciences ; https://www.researchgate.net/publication/338568129_Record-Setting_Ocean_Warmth_Continued_in_2019
2. Meredith M. et al., 2019 ; Polar Regions ; IPCC: Special Report on The Ocean and Cryosphere in a Changing Climate ; https://www.ipcc.ch/srocc/
3. Meyssignac B. et al., 2019 ; Measuring Global Ocean Heat Content to Estimate the Earth Energy Imbalance ; Ocean Observation ; https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2019.00432/full

Od lat 60 XX wieku przybywa coraz więcej energii cieplnej w oceanach, które od tamtej pory zaczęły się dość szybko i gwałtownie nagrzewać, pomimo, że te największe zbiorniki wodne na Ziemi i tak znacznie wolniej nagrzewają się niż atmosfera naszej planety. System klimatyczny Ziemi jest jednak bezwładny i nawet gdy zatrzymają się emisji gazów cieplarnianych do atmosfery, po ustabilizowaniu temperatury globalnej w atmosferze co najmniej do końca wieku, to i tak nie pomoże już to ustabilizować w tym samym czasie ocieplania się oceanów. Główną przyczyną jest ogromna pojemność cieplna i wspomniana bezwładność cieplna.

W swojej naukowej pracy Sydney Levitus i jego zespół naukowy zaobserwowali, że w badanym okresie 1955-2010 oceany ociepliły się aż o 93% ¹.

Autorzy na wstępie swojej pracy napisali:

Warstwa oceaniczna o głebokości 700-2000 m odpowiada za około jedną trzecią ocieplenia warstwy 0-2000 m Oceanu Światowego. Komponent termosteryczny trendu poziomu morza wynosi 0,54 ± 0,05 mm rok ^-1 dla warstwy 0–2000 m oraz 0,41 ± 0,04 mm rok ^-1 dla warstwy 0–700 m Oceanu Światowego w latach 1955–2010.

Korzystając ze Światowej Bazy Danych Oceanu (WOD – World Ocean Datebase), naukowcy za pomocą batytermografów oraz wyprofilowanych pływaków w sieci Argo, maksymalnie do głębokości 1750 metrów, dokonali pomiarów zawartości cieplnej w oceanach.

W badanym okresie 1955-2006, naukowcy obliczyli w każdym punkcie siatki, zarówno zawartość ciepła oceanu (OHC – Ocean Heat Content), jak i ciepło właściwe wody, jej gęstość, za pomocą średnich rocznych wartości klimatycznych temperatury i zasolenia (Locarnini i inni, 2010) (Antonov i inni, 2010). Następnie wykonali dokładne obliczenia średnich miesięcznych klimatycznych w każdym punkcie siatki.

W badaniach wcześniejszych wykorzystano zbiorcze średnie wyniki z siedemnastu klasycznych atmosferyczno-oceanicznych modeli ogólnej cyrkulacji (AOGCM – Atmosphere-Ocean General Circulation Model), które zostały wymuszone wzrostem emisji gazów cieplarnianych w atmosferze z projektu porównywania sprzężonych modeli w fazie 3 (CMIP3 – Third Coupled Model Intercomparison Project Phase 3) w celu wsparcia IV Raportu Oceny IPCC z 2007 r.

Warstwa 700–2000 m odpowiada za około ¹/₃ całkowitego ocieplenia warstwy 0–2000 m.

—

Rys.1. Szeregi czasowe dla zawartości ciepła Oceanu Światowego w dżulach (10 ²² J) dla warstw 0–2000 m (czerwona linia) i 700–2000 m (czarna linia) na podstawie bieżących analiz pięcioletnich. Okres odniesienia to lata 1955-2006.

Niebieski wykres słupkowy na dole przedstawia, od co najmniej 1957 roku, procentowe pokrycie zawartości ciepła oceanu dla głębokości 700 m w badanym okresie czasu w skali globalnej. Linia niebieska zamieszczona na wykresie słupkowym pokazuje to samo dla głębokości 2000 m.

(Sydney Levitus i inni, 2012)

—

Naukowcy ogólnie oszacowali, że w badanym okresie czasu ocieplił się prawie każdy basen oceaniczny. Ocieplenie to postępowało pomimo występowania zmiennych klimatycznych, ochładzających fluktuacyjnie światowy ocean w ciągu lat lub dekad, jak oscylacja południowopacyficzna El Niño (La Niña) (ENSO – El Niño (La Niña) Southern Oscillation), dekadowa oscylacja pacyficzna (PDO – Pacific Decadal Oscillation), oscylacja północnoatlantycka (NAO – Northern Atlantic Oscillation).

Naukowcy generalnie stwierdzili, że w badanym okresie czasu 1955-2010 w Oceanie Światowym przy średnim objętościowym ociepleniu wynoszącym 0,09°C na głębokości 0–2000 m, OHC, czyli zawartość ciepła oceanu wyniosła 24 × 10²² J.

Na koniec, naukowcy stwierdzili kontrowersyjnie:

Gdyby to ciepło zostało natychmiast przeniesione do niższej warstwy globalnej atmosfery na wysokość 10 km, to spowodowałoby to średnie ocieplenie tej warstwy atmosferycznej o około 36°C (65°F).

To przeniesienie oczywiście nie nastąpi; ziemski system klimatyczny po prostu nie działa w ten sposób. Ale to obliczenie daje perspektywę na ilość ogrzewania, jakie przeszedł system ziemski od 1955 roku.

—-

Praca zespołowa, Lijinga Chenga z Międzynarodowego Centrum Nauk o Klimatu i Środowisku oraz Instytutu Fizyki Atmosfery w Chińskiej Akademii Nauk w Pekinie, pokazuje wyraźnie, że pomiary zawartości ciepła w oceanie (OHC – Ocean Heat Content) i wzrostu poziomu morza (SLR – Sea Level Rise) są skuteczniejsze niż pomiar średniej globalnej temperatury powierzchni (GMST – Global Mean Surface Temperature) ².

Podczas pomiarów sygnał trendu ocieplenia z szumu zaburzających go zmienności klimatycznych, np. oscylacji południowopacyficznej El Niño (ENSO – El Niño-Southern Oscillation), można wykryć szybko. OHC w ciągu 3,9 lat, a SLR w ciągu 4,6 lat. Natomiast dla GMST potrzeba aż 27 lat.

W każdym razie nie jest dobrze. Oceany nagrzewają się i podnosi się ich poziom coraz szybciej, choć mimo wszystko znacznie wolniej niż atmosfera, ale tylko dlatego, że mają ogromną bezwładność i pojemność cieplną.

Autorzy piszą w pracy:

Na podstawie zrekonstruowanych pól temperatury i związanych z nimi słupków błędu, miesięczne zmiany OHC w zakresie od 0 do 700 i od 700 do 2000 m wykazują znaczne ocieplenie w ciągu ostatnich 56 lat. Silniejsza tendencja do ocieplania się oceanów istnieje od późnych lat 80 na głębokości od 0 do 700 i od 700 do 2000 m, w porównaniu z latami 60 i 80 XX wieku.

Naukowcy analizując zawartość cieplną oceanów (OHC) w badanym okresie 1960-2015 osiągnęli następujące wyniki obliczając energię cieplną w dżulach (Joule – J) i strumień promieniowania podczerwonego w watach na metr kwadratowy (W/m²):

Liniowy trend OHC na głębokości od 0 do 700 m wynosił:

a) 0,15 ± 0,08 × 10²² J/rok (strumień energii: 0,09 ± 0,05 W/m²) w latach 1960–1991

b) 0,61 ± 0,04 × 10²² J/rok (strumień energii: 0,38 ± 0,03 W/m²) w latach 1992–2015.

Można wyciągnąć z tego wniosek, że trend ocieplenia oceanów na głębokości od powierzchni do 700 m, z lat 1992-2015 był czterokrotnie silniejszy niż w latach 1960–1991.

Liniowy trend OHC na głębokości od 700 do 2000 m wynosił:

a) 0,04 ± 0,08 × 10²² J/rok (strumień energii: 0,02 ± 0,05 W/m²) w latach 1960–1991

b) 0,37 ± 0,02 × 10²² J/rok (strumień energii: 0,23 ± 0,02 W/m²) w latach 1992–2015.

A tutaj z kolei na głębokości od 700 do 2000 m jest zaznaczony jeszcze większy wzrost, bo aż dziewięciokrotnie silniejszy w latach 1992-2015 niż w latach 1960–1991.

—

Rys.2. Globalne szeregi czasowe zmian OHC.

( A ) Wzrost zawartości ciepła (OHC) na głębokości od 0 do 700 m (niebieski kolor), od 700 do 2000 m (czerwony kolor) i od 0 do 2000 m (ciemnoszary kolor) od 1955 do 2015, jak uzyskano w tym badaniu, z niepewnością przedziału w standradowym odchyleniu ± 2σ pokazaną na zacienieniu. Wszystkie szeregi czasowe nowej analizy są wygładzane przez 12-miesięczny filtr średniej kroczącej w stosunku do okresu bazowego 1997–2005.

( B ) Nowe oszacowanie porównuje się z niezależnymi szacunkami NCEI z jego błędem standardowym (SE – Standard Error) jako linie przerywane. Zarówno OHC od 0 do 700 m, jak i OHC od 700 do 2000 m są pokazane od 1957 do 2014 r. Linia bazowa szeregów czasowych z NCEI jest dostosowywana do wartości bieżącej analizy w latach 2005–2014.

(Lijing Cheng i inni, 2017)

—

Jak widać, obserwujemy przyspieszone wprowadzanie ciepła do obu warstw oceanów, zarówno od 0 do 700 m, jak i od 700 do 2000 m. Przyspieszenie jest najprawdopodobniej związane z rosnącą nierównowagą energetyczną Ziemi (EEI – Earth’s Energy imbalance) w czasie.

Na prawym wykresie rysunku 59 pokazane jest porównanie badań zespołu Chenga z pomiarami Narodowego Centrum Informacji o Środowisku, czyli NCEI (National Centre Environment information) instytucji rządowej NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), w którym analiza oszacowania wzrostu zawartości cieplnej oceanów (OHC), dla głębokości w oceanach od 0 do 700 m i od 700 do 2000 m, ukazała wyraźniejszy trend długoterminowych zmian w latach 2005-2010.

Autorzy zauważyli też, że przyspieszone ocieplenie nastąpiło przede wszystkim w oceanach na półkuli południowej, w tym w Oceanie Południowym, zaobserwowane dzięki globalnym pomiarom temperatury przez pływaki autonomiczne w projekcie Argo od 2004 roku oraz dzięki satelitarnym pomiarom wzrostu poziomu morza od 1993 roku. Ogólnie, aktualne szacunki OHC wskazują, że trend ocieplania oceanów przyspieszył od 1960 roku.

Badania zespołu Chenga polegały na zapisie danych o temperaturze in situ ze Światowej Bazy Danych o Oceanie (WOD – World Ocean Database) dostępnego w Narodowym Centrum Informacji Środowiskowej (NCEP – National Centers for Environmantal Information), zastosowaniu metody mapowania, czyli optymalnej metody interpolacji zespołowej z zespołem dynamicznym (EnOI-DE) zapewnianym przez symulacje historyczne CMIP5, zastosowaniu metod podpróbkowych mających na celu uśrednienie anomalii temperatury w siatce 1° na 1° w okresie pracy podwodnych wyprofilowanych pływaków w sieci Argo, dla każdego wybranego miesiąca (styczeń i sierpień od 2007 do 2014 roku) oraz obliczenia statystyczne czasowej zmienności oceanu.

W sumie badania zespołu Chenga i NCEI wcześniej pokazały, że do lat 80 XX w. mniej więcej ocieplenie oceanów zatrzymywało się na głębokości około 700 m. Od tamtego czasu zaczęło przenikać głębiej. Dziś, jak już wiadomo, sięga do głębokości 2000 m. W każdym razie w trakcie globalnego zapylenia atmosfery (1950-1980) sygnał ocieplenia oceanów był nieznaczny. Teraz jest wyraźniejszy.

—

Referencje:

1. Levitus S. et al., 2012 ; World ocean heat content and thermosteric sea level change (0–2000 m), 1955–2010 ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2012GL051106
2. Cheng L. et al., 2017 ; Improved estimates of ocean heat content from 1960 to 2015 ; Science Advances ; https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.1601545

Torfowiska obecnie jeszcze nie są uwzględniane w ogólnych modelach klimatycznych (ESM – Earth System Model), dlatego coraz więcej naukowców zwraca szczególną uwagę na te niedocenione ekosystemy, które gdy są nienaruszone, to przechowują ogromne ilości węgla. A więc, wówczas są skutecznym pochłaniaczem i magazynem węgla na Ziemi. W serwisie Carbon Brief dowiadujemy się, że te ekosystemy potrafią zmagazynować około¹/₄ węgla glebowego (3%). Dwa razy więcej niż wszystkie drzewa na świecie ¹.

—

Fot.1. Krajobraz torfowiskowy w Wielkiej Brytanii (Fot. Mark Reed)

—

Torfowiska są specyficznymi ekosystemami, w połowie mającymi warunki tlenowe, i w połowie beztlenowe.

Pierwsze warunki są niezbędne do życia dla roślin, takich jak mchy i turzyce czy też rośliny okrytonasienne z rodziny wrzosowatych czy mięsożernych rosiczkowatych. Wszystkie te rośliny są przystosowane do kwaśnego środowiska w nawodnionej glebie, ale bardzo ubogiej w tlen, gdzie częściowo funkcjonują bakterie tlenowe.

Natomiast drugie warunki, już bez bakterii tlenowych, ale sprzyjające rozwojowi bakterii beztlenowych, są z kolei bardzo istotne do magazynowania węgla po obumarłych szczątkach roślin, zwłaszcza mchów torfowców. Dzięki temu węgiel w torfie nie ulega tak szybko utlenianiu do postaci dwutlenku węgla.

—-

Zespół naukowy Julie Loisel, adiunkt z Wydziału Geografii, na Uniwersytecie Texas A&M, w stanie Teksas w USA, przewiduje, że w obecnym wieku bilans węgla w torfowiskach zmieni się z pochłaniacza na źródło ².

Naukowcy stwierdzają ewidentny fakt:

Ekosystemy torfowiskowe są nadal pomijane w głównych modelach systemu Ziemi, które mogłyby być wykorzystywane w przyszłych prognozach zmian klimatu, i nie są uwzględniane w zintegrowanych modelach oceny, gdzie mogłyby być wykorzystywane w badaniach wpływu i łagodzenia zmian klimatu.

Wykorzystując dowody, zsyntetyzowane z literatury, i ekspertyzy, definiujemy i określamy ilościowo główne czynniki napędzające zmiany, które wpłynęły na zasoby węgla w torfowiskach w holocenie i przewidujemy ich skutki w tym stuleciu i w dalekiej przyszłości. Identyfikujemy również niepewności i luki w wiedzy w środowisku naukowym oraz zapewniamy wgląd w lepszą integrację torfowisk w ramach modelowania. Biorąc pod uwagę znaczenie wkładu torfowisk w globalny obieg węgla, niniejsze badanie pokazuje, że nauka o torfowiskach jest krytycznym obszarem badawczym i że wciąż czeka nas długa droga do pełnego zrozumienia powiązania torfowisko-węgiel-klimat.

W serwisie Carbon Brief  Angela Gallego-Sala i Julie Loisel, na temat powyższej pracy, napisały, że nie tylko zmiany klimatyczne zadecydują o przyszłym losie torfowisk. Autorki wymieniły następujące czynniki zmian, które mogą również odgrywać pewną rolę w zwiększeniu emisji dwutlenku węgla, takie jak, zmiana użytkowania gruntów, zanieczyszczenie atmosfery i wielkoskalowe pożary.

Główne czynniki zmian wpływające na globalny bilans węglowy torfowisk na całym świecie.

a) temperatura

Temperatura to główny czynnik powodujący akumulację węgla na północnych torfowiskach w holocenie. Ocieplenie może przyczynić się z jednej strony w niektórych regionach do wzrostu produktywności roślin i zakopywania torfu, a z drugiej strony w innych regionach do zwiększonego rozkładu i utraty węgla. Temperatura działa w parze z wilgocią. Torfowiska rozprzestrzeniły się na rozległych terenach podczas ocieplenia deglacjalnego i mogą rozprzestrzenić się w kierunku biegunów w scenariuszach ocieplenia.

b) atmosferyczne zanieczyszczenie

Rozkład azotu sprzyja produkcji roślinnej przyspieszając rozkład torfu. Zasugerowano próg, powyżej którego mech torfowy nie może już konkurować z ukorzenionymi roślinami (krzewami). Takie warunki doprowadziłyby do zmian w zbiorowiskach roślinnych i utraty odporności torfowisk. Podczas gdy pył mineralny i nawożenie CO₂ mogły zwiększyć produkcję biomasy z torfowisk, związki siarki spowodowały erozję torfu i zmiany wegetacji w częściach świata spalających węgiel.

c) poziom morza

Podnoszenie izostatyczne wytwarza nowe podłoża do ekspansji torfowisk. Podczas gdy szybki wzrost poziomu morza zalewa istniejące torfowiska, umiarkowane tempo wzrostu poziomu morza może dać czas torfowi by umożliwić gromadzenie dodatkowego materiału. Wiadomo również, że erozja wybrzeża towarzyszy podnoszeniu się poziomu morza.

d) pożar

Spalanie torfu prowadzi do bezpośrednich strat węgla roślinnego i torfowego. Po pożarze torfu może nastąpić szybkie odzyskanie węgla ze zwiększonej produkcji roślinnej. Jednak bardziej suche warunki mogą sprawić, że torfowiska będą bardziej podatne na ogień i zakłócenia, a także przyspieszą odwilż wiecznej zmarzliny. Torfowiska mają tendencję do regeneracji po pożarach, chociaż wzrost częstotliwości i/lub intensywności może prowadzić do głębszych blizn i trudniejszej regeneracji.

e) zmarzlina

Degradacja zmarzliny może prowadzić do jej zawalenia się i ponownego zwilżania gleb, co może stymulować produkcję roślinną i prowadzić do dużych emisji metanu. Jeśli woda z roztopu spłynie, oczekuje się, że będzie zwiększony rozkład torfu. Przejściowy pochłaniacz dwutlenku węgla można znaleźć tam, gdzie warunki są wystarczająco wilgotne, aby sprzyjać wzrostowi roślin i zakopywaniu torfu.

f) wilgoć

Wilgotność powierzchni i równowaga wilgoci kontrolują zbiorowiska roślinne, co z kolei wpływa na stosunek dwutlenku węgla do metanu, emitowanych gazów cieplarnianych do atmosfery. Równowaga wilgoci jest ściśle powiązana z hydrologią torfowisk, produktywnością roślin i rozkładem torfu, na które wpływ ma również temperatura.

g) użytkowanie gruntu

Odwadnianie i przebudowa torfowisk, na potrzeby rolnictwa, hodowli lasu, żniw i innych zastosowań, prowadzi do utraty zdolności do magazynowania węgla. W wielu przypadkach duże straty węgla do atmosfery następują również w wyniku wzmożonego rozkładu torfu. Przyjęcie międzynarodowych porozumień lub rozporządzeń dotyczących wykorzystania torfu może prowadzić do wdrożenia praktyk renaturyzacyjnych i systemów ochrony, które mogą powstrzymać utratę węgla.

—

W powyższym artykule autorki zebrały opinię ekspertów na temat torfowisk, które z jednej strony, gdy są zachowane, pochłaniają i magazynują węgiel, a z drugiej strony, gdy są degradowane, wydzielają dwutlenek węgla do atmosfery. Następnie klimatolożki zbadały jak zmienił się pochłaniacz dwutlenku węgla na torfowiskach w okresie holocenu w ciągu ostatnich 10 000 lat i jak prawdopodobnie zmieni się w przyszłości w coraz cieplejszym świecie.

—

Fot.2. Widok na torfowisko kocowe na Migneint w Ysbyty Ifan, Snowdonia (National Trust Images/John Miller)

—

Ogólnie opinie ekspertów w tej sprawie są różne, ale prawie wszyscy zgadzają się z tym, że w obecnym stuleciu, przy dalszej kontynuacji emisji gazów cieplarnianych, torfowiska zmienią się z pochłaniacza dwutlenku węgla na jego źródło – głównie ze względu na skutki zmian klimatu i wpływ działalności człowieka na tropikalnych torfowiskach.

Ponadto badaczki tego artykułu zauważyły, że jednym z czynników ograniczających zrozumienie, jak zmienią się torfowiska, jest fakt, że nie są one obecnie uwzględniane w modelach systemu Ziemi (ESM – Earth System Model), które część naukowców już wykorzystuje do prognozowania zmian klimatu. Jednak to powinno się jak najszybciej zmienić, co podkreśla zespół naukowy Julie Loisel.

W sumie jest to spowodowane tym, że nie są owe czynniki spostrzegane jako odgrywające ważną rolę w obiegu węgla. Częściowo dlatego tak jest, że w większości na planecie torfowiska powoli pochłaniają dwutlenek węgla, budując je przez tysiące lat. Ale i również dlatego, że bardzo często uważano je za „obojętne” magazyny dwutlenku węgla.

Teraz większość specjalistów, zajmujących się badaniami zmian klimatu, dostrzegła, że gdy torfowiska są stabilne, to są one bardzo istotnymi magazynami węgla. Gdy jednak są degradowane, to wysuszane i narażone na długotrwałe okresy fal upałów i susz, coraz częściej są podatne na pożary torfu, jak na przykład w południowo-wschodniej Azji, w Kanadzie, Rosji, a nawet w Wielkiej Brytanii. Procesy te nasilają ocieplenie klimatu, gdyż ogień bardzo często doprowadza do tego, że węgiel z torfu szybko utlenia się i wydziela do atmosfery w postaci dwutlenku węgla czy też ulatnia się do atmosfery w postaci beztlenowej jako metan, którego cząsteczka ma 28 razy silniejszy potencjał cieplarniany niż cząsteczka CO₂ w horyzoncie czasowym 100 lat.

—

Referencje:

1. Gallego-Sala A. V. et al., 2020 ; Guest post: How human activity threatens the world’s carbon-rich peatlands ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/guest-post-how-human-activity-threatens-the-worlds-carbon-rich-peatlands
2. Loisel J. et al., 2020 ; Expert assessment of future vulnerability of the global peatland carbon sink ; Nature Climate Change ; https://www.nature.com/articles/s41558-020-00944-0