Dopiero w XXI wieku nauka zaczęła w pełni doceniać oceany jako największy magazyn klimatyczny Ziemi. Przez dekady były one badane fragmentarycznie i niedokładnie, co dawało paliwo denialistom klimatycznym. Dopiero rozwój nowoczesnych technik pomiarowych – od batytermografów po boje Argo – pozwolił uchwycić prawdziwe tempo kumulacji ciepła w wodach oceanicznych i lepiej zrozumieć globalne ocieplenie.
Największy magazyn energii na Ziemi – oceany – przez wiele dekad pozostawał niemal niepoznany. Wczesne błędy pomiarowe dawały złudny obraz klimatu, co skrzętnie wykorzystywali denialiści. Dopiero rozwój nowoczesnych metod, od batytermografów po program Argo, pozwolił odkryć prawdę: oceany pochłaniają i przechowują olbrzymie ilości ciepła, a ich rola w systemie klimatycznym jest kluczowa dla przyszłości planety.
Na początku do pomiarów temperatury wody służyły wiadra
Od lat 30-40, a może nawet jeszcze wcześniej, badano temperaturę wody w oceanach za pomocą wiadra. Brytyjczycy przed wojną pobierali wodę bezpośrednio z oceanu na pokład, a Amerykanie podczas II wojny – z oceanu prosto do maszynowni statku. Różnica temperatur była znaczna. Woda, która była wyciągana w wiadrze szybko parowała oraz wychładzała się, a więc temperatura była przez to zaniżona. Natomiast maszynownia była silnie nagrzana, więc temperatura wody siłą rzeczy była znacznie wyższa.
Kiedy po wojnie Brytyjczycy powrócili do regularnych pomiarów temperatury oceanów, ich udział ponownie wzrósł do 50% światowych obserwacji. Natomiast pomiary wykonywane przez Amerykanów spadły do 30%. Wówczas zaobserwowano ponownie trend sprzed wojny jaki był dokonywany przy pomiarach temperatury oceanów przez Brytyjczyków. Czyli stwierdzono wtenczas czas sztuczny spadkowy trend temperatury, co oczywiście nie było prawdą. (David Thompson i inni, 2008).
W ten sposób już około 70 lat temu powstał proces zaburzający dokładne oszacowanie temperatury oceanów na świecie. Co umiejętnie podchwytywali żądni wszelkich sensacji denialiści preparując fałszywe wykresy, że rzekomo podczas wojny było nawet cieplej niż teraz. Oczywiście jest to kłamstwo. Prawdą jednak jest, że jeszcze wówczas wymuszenie radiacyjne (słoneczne) miało swój duży udział w podniesieniu temperatury na globie ziemskim co najmniej od początku XX wieku.
Fot.1 Drewniane wiadro służące do pomiaru temperatury powierzchni morza w czasie II wojny światowej. Muzeum Marynarzy. Źródło: NASA/CC BY-SA 4.0
Wcześniej pomiary zakwaszenia były już w miarę dokładne, a pomiary temperatury wody jeszcze nie
Jeszcze przez ponad pół wieku, badanie oceanów nie było zbytnio zadowalające. Jednak pod koniec lat 60, jednym z ciekawszych zdarzeń było odkrycie zakwaszania się wód oceanicznych, czyli obniżania się w nich pH, przez Rogera Revelle i jego zespół badawczy ze Scripps Institution of Oceanography w La Jolla, Już wówczas wiedziano, że nadmierne ilości dwutlenku węgla z atmosfery pochodzenia antropogenicznego zaczęły trafiać intensywnie do oceanów i powodować ich zakwaszenie, no i ocieplenie.
Nadal jednak mało wiedziano o tym jaką tak naprawdę poszczególne warstwy oceanu mają temperaturę, zasolenie, gęstość itp. Początkowo znano jedynie powierzchniową temperaturę, którą mierzono już przed wojną i podczas niej metodą „chałupniczą” wyżej opisaną. Nadal nic jednak nie wiedziano o temperaturze na większych głębokościach. Nie mówiąc o innych parametrach.
Fot.2 Batytermograf. Źródło: Jelly/CC BY-SA 3.0
Pierwsze przedwojenne batytermografy
Z biegiem czasu ludzie wynaleźli tzw. batytermografy. Pierwsze prototypy pojawiły się już w 1935 r, ale na szerszą skalę zostały wykorzystane w badaniach oceanicznych w latach 60 do 2005 r. Są to urządzenia tylko mierzące temperaturę. Mają wiele wad: raz wrzucone do wody są na zawsze tracone, nie mierzą głębokości, na której była dana temperatura, ani innych parametrów, takich jak gęstość wody, jej przepływ oraz zasolenie. Dlatego batytermografy okazały się nieskuteczne w szczegółowych pomiarach temperatury oceanów, gdyż nie uwzględniały w swych analizach danych o zawartości energii w oceanie (John Abraham i in., 2013). A właśnie jest to jeden z najistotniejszych parametrów, by zrozumieć, ile ciepła w sobie kryją teraz oceany.
W drugiej połowie XX wieku, dużym niedoszacowaniem w obliczeniach energii cieplnej w oceanach były w pewnych analizach luki, w których na miejsce brakujących danych (konkretnych wyników liczbowych) wstawiano średnie klimatyczne, najczęściej z wielu lat, czyli tzw. zerową anomalię (odchylenie od średniej) (Masayoshi Ishii i Masahide Kimoto, 2009, Sydney Levitus i in., 2012). Przełożyło się to na zaniżanie trendów spadkowych i wzrostowych, zwłaszcza dla półkuli południowej, którą w XX wieku bardzo słabo zbadano w przeciwieństwie do północnej.
Pod koniec wieku rusza program Argo, który trwa do dziś
Pierwsze szacunkowe pomiary w programie Argo pierwsza sonda pomiarowa wykonała już w 1999 r., a w 2008 r. w końcu ruszył projekt Argo. Został on utworzony w wyniku współpracy 50 instytutów naukowo-badawczych z 26 krajów. Stanowi on również część międzynarodowych projektów takich jak: Global Climate Observing System, Global Ocean Observing System, Climate Variability and Predictability Experiment, Global Ocean Data Assimilation Experiment.
Rys.1 Typowy cykl pomiarowy boi Argo. Źródło: Nauka o klimacie/CC BY-SA 3.0
Jest to wielkie przedsięwzięcie oceaniczne, na które złożyło się ponad 3 000 boi pomiarowych zdalnie sterowanych początkowo zanurzających się do 700 m, a potem do 2000 m. Zadaniem tych boi jest rejestr nie tylko temperatury, ale i prędkości przepływu wody, jej zasolenia oraz kumulacji energii cieplnej w oceanach świata. Są one rozmieszczone mniej więcej w jednakowym stopniu, zarówno na półkuli północnej, jak i na południowej. To właśnie dzięki nim na nowo oszacowano pomiary energii cieplnej w oceanach.
Okazało się, że autorzy opublikowanej 2 lata temu pracy Paul Durack i in. (2014), gdy wprowadzili odpowiednie poprawki, zauważyli, że w okresie 1970-2004 ocean do głębokości 700 m ogrzał się w granicach 24-58 %, a więc bardziej niż wcześniej to oszacowano.
Rys.2 Zmiany obserwowanej (kolorowe słupki) i wynikającej z symulacji (szare słupki) zawartości energii w oceanie do głębokości 700 m dla okresu 1970-2004 względem poprzednich analiz. Jednostki: 1022J/35lat, MMM (multi model mean) – średnia z wielu modeli. Górne fragmenty wykresu odpowiadają poprawkom. Źródło: Durack P. et al., 2014.
Wyniki badań – rozkład ocieplenia i poziom morza
Sydney Levitus i in. (2012) zaobserwowali w swojej pracy badawczej, że najsilniejsze ocieplenie nastąpiło w regionie północnego Atlantyku oraz w rejonie podzwrotnikowym pętli prądów morskich na północnym Pacyfiku. W szczególności interesujący jest obszar półkuli południowej – na szerokościach geograficznych od około 30 do 50 stopnia, na granicy z Oceanem Południowym, który wcześniej był bardzo słabo badany. Dopiero wraz z programem Argo brakujące pomiary zostały uzupełnione.
Sydney Levitus i in. (2012) zaobserwowali, że najsilniejsze ocieplenie nastąpiło w regionie północnego Atlantyku oraz w rejonie podzwrotnikowym pętli prądów morskich na północnym Pacyfiku. W szczególności interesujący jest obszar półkuli południowej – na szerokościach geograficznych od około 30 do 50 stopnia, na granicy z Oceanem Południowym, który wcześniej był bardzo słabo badany. Dopiero wraz z programem Argo brakujące pomiary zostały uzupełnione.
Jednak został definitywnie stwierdzony brak ocieplenia w Antarktyce. Złożyło się na to wiele przyczyn. Obok ochładzającej dziury ozonowej duży udział miały intensywne wiatry zachodnie, które od lat 70 nie tylko wzmocniły się, ale także bardziej skierowane były ku wnętrzu bieguna (Joellen Russell i in., 2006). Powinno to mieć wpływ na natężenie wymiany energii cieplnej pomiędzy atmosferą a oceanem, co oznacza, że z biegiem czasu powinniśmy zaobserwować jeszcze większy dopływ ciepła do głębin oceanów (Tomoko Inui i in., 1999).
Przy szczegółowej analizie rozbieżności symulacji i pomiarów, Paul Durack i in. (2014) odkryli, że choć półkula południowa znacznie wolniej ociepla się od północnej, to jednak przyrost poziomu oceanów (patrz rysunek 3) – zarówno dzięki rozszerzalności cieplnej, jak i dzięki dostawom słodkiej wody z topniejących lodowców Antarktydy – jest znacznie wyższy niż na półkuli północnej. A więc, jest to mocno zastanawiające, gdyż na półkuli północnej zarówno lądy, jak i wody oceaniczne są o wiele cieplejsze, ale nie jest tak wysoki przyrost poziomu Wszechoceanu.
Rys.3 Mapy przedstawiają 35-letnie średnie z wielu symulacji: lewy górny panel – energia zmagazynowana w oceanie do głębokości 700 m, prawy górny panel – od powierzchni do dna, lewy dolny panel – anomalia wysokości powierzchni morza obliczona na podstawie wynikających z symulacji temperatur i zasolenia, prawy dolny panel – wysokość powierzchni morza wynikająca wprost z symulacji CMIP5. Źródło: Durack P. et al., 2014.
Ku badaniom głębinowym
Czyż nie jest to dziwne, w jak zagadkowy sposób przebiega to globalne ocieplenie? Dziś jednak już coraz więcej wiemy na temat kumulacji energii cieplnej w oceanach. Już od 2017 r. mają ruszyć pierwsze boje pomiarowe na głębokość do 6000 m. Bo pamiętajmy, że ciepło w oceanach zanurza się coraz niżej, dlatego też nasza technika musi koniecznie nadążyć za tym coraz szybszym ocieplaniem się największego zbiornika klimatycznego na Ziemi jakim jest dotychczas bardzo słabo zbadany Wszechocean.
Referencje:
http://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/niedoszacowane-ocieplenie-oceanu-68
https://pl.wikipedia.org/wiki/Argo_(oceanografia)
http://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/program-argo-siega-gleboko-135