Jak już wiemy, Arktyka jest naszybciej ocieplającym się regionem na Ziemi. Ale jest coś co zdumiewa naukowców, gdyż od 2012 roku nie padł jeszcze rekord najmniejszego zasięgu lodu morskiego we wrześniu. Naukowcy przyjrzeli się temu, dlaczego tak się stało. Jakie były tego przyczyny.
Profesor Jennifer Francis z Centrum Badawczego Woods Hole [WHRC – Woods Hole Research Center] oraz doktor Bingyi Wu z Instytutu Atmosferycznych Nauk na Uniwersytecie w Fundan, zaobserwowali, że do tej pory, od 2012 roku, nie padł rekord najmniejszego zasięgu lodu morskiego w Arktyce, ponieważ główna przyczyna tego jest taka, że obszary polarne są przez większość roku bardziej zachmurzone 1.
Naukowcy zauważyli, że w miesiącach wiosennych i wczesnoletnich zasięg lodu zbliżał się często, a czasem przekraczał poprzednie rekordowo niskie wartości. Jednak w drugiej połowie prawie każdego lata od 2012 roku, trajektoria spadku tegoż zasięgu lodu gwałtownie ustawała, wówczas gdy tylko niespodziewanie nad środkową Arktyką pojawiał się silny układ niżowy wraz z równie silnym zachmurzeniem. A więc, obniżone ciśnienie powietrza atmosferycznego nad poziomem morza (SLP – Sea-Level Pressure) jest jedną z głównych przyczyn silnego spowolnienia topnienia lodu morskiego.
Od tego czasu nie było żadnych nowych rekordowych minimów zasięgu lodu morskiego w Arktyce, chociaż zimowe maksima były dość często rekordowe. Należy jednak zwrócić uwagę, że w tym samym czasie, poczynając od 2014 roku, gruby lód wieloletni jest stopniowo wypierany przez cienki, sezonowy lód (Richter-Menge i in. 2019).
Na wstępie opisanej swojej pracy naukowcy zastanawiali się:
Czy ten zmniejszony spadek zasięgu jest spowodowany dziwactwem naturalnej zmienności, czy też coś się zmieniło w systemie, który używał hamulców podczas cofania się lodu?
Rys.1. Średni miesięczny zasięg lodu morskiego Arktyki (miliony km2) w 2020 r. (czerwona linia), 2007 r. (zielona linia) i 2012 r. (niebieska linia). Szara linia pokazuje średnią wartość z lat 1980-200 wraz z maksymalnym i minimalnym odchyleniem od średniej. (Copernicus Marine Service).
I dalej napisali w niej:
Miesięczna ewolucja pokrywy lodu morskiego wyraźnie obrazuje szybkie tempo utraty lodu każdej wiosny i lata od 2012 roku, wraz z nagłym spowolnieniem spadku zasięgu, który następował każdego sierpnia lub na początku września (z wyjątkiem okresu bliskiego rekordowi – lata 2020). Wraz z tym niezwykłym zachowaniem występuje ogólny ujemny trend ciśnienia na poziomie morza (SLP) nad Oceanem Arktycznym w sierpniu w ciągu ostatnich dwóch dekad, aczkolwiek z dużą zmiennością międzyroczną. Niższe ciśnienie ogólnie powoduje zwiększone zachmurzenie, które zmniejsza promieniowanie słoneczne w dół, przyczyniając się do wolniejszej utraty lodu, wraz z możliwymi efektami kompensującymi promieniowanie długofalowe, które zależy od temperatury podstawy chmur. Co więcej, anomalne niskie ciśnienie ma tendencję do rozprzestrzeniania pokrywy lodowej, ponieważ siły mechaniczne powodują ruch na prawo od prędkości wiatru. Trendy przestrzenne SLP w sierpniu od 2010 do 2020 wykazują ujemne anomalie SLP dominujące na Oceanie Arktycznym wraz z dodatnimi trendami na obszarach kontynentalnych na dużych i średnich szerokościach geograficznych. Przewiduje się, że ciśnienie powierzchniowe nad Arktyką będzie dalej spadać, ponieważ gazy cieplarniane nadal gromadzą się w atmosferze (Vavrus i inni, 2012 ; Koinigket i inni, 2013), być może dostarczając dodatniego sprzężenia zwrotnego na temat tempa utraty lodu morskiego w ocieplającym się świecie.
W pracy Francis i Wu wykorzystali dane atmosferyczne na półkuli północnej, obejmujące okres 1979–2020, które zostały udostępnione z Narodowego Centrum dla Prognoz Środowiskowych/Narodowego Centrum Reanaliz Badań Atmosferycznych (NCEP – National Center for Environmental Prediction/NCAR – National Center for Atmospheric Research Reanalysis) (Kalnay i inni, 1996), dostępnej pod adresem http://iridl.ldeo.columbia
Ponadto naukowcy obliczyli dobowe temperatury powietrza przy powierzchni (SAT – Surface AIr Temperature), ciśnienie nad poziomem morza (SLP) (w tym też średnie miesięczne), prędkość wiatrów przy ciśnieniu 300 hPa, stopień pokrywy chmur oraz wysokość geopotencjału.
Rys.2. (a) Szeregi czasowe ciśnienia nad poziomem morza (SLP – Seal Level Pressure) [hPa] w okresie sierpnia w latach 1980–2020 na północ od 70°N. Niebieska linia oznacza średnią, a czerwona linia przedstawia trend od 2010 do 2020 roku. (b) Przestrzenny rozkład trendów SLP w sierpniu od 2010 do 2020 [hPa/rok ], z fioletowymi konturami wskazującymi istotność > 90% ufności . Dane pochodzą z reanalizy NCEP/NCAR.
(Jennifer Francis i inni, 2020)
Wskaźnik Zachodniego Wiatru Arktyki (AWI – Arctic Westerly Index) został zdefiniowany jako ważony obszarowo, regionalnie uśredniony wiatr strefowy 300 hPa na północ od 70°N.
W badaniach regresji letnich anomalii grubości 1000–500 hPa, stosując wspomniane dwie główne składowe PC, naukowcy zaobserwowali, że PC1 pokazał jej wartości dodatnie głównie na arktycznych i wschodnich obszarach półkuli północnej, gdzie wysokość geopotencjału w okresie letnim wyniosła 500 hPa. Natomiast PC2 pokazał jej wartości ujemne w środkowej Arktyce oraz silne dodatnie nad środkową szerokością geograficzną Azji Wschodniej, Skandynawią, północno-środkową Ameryką Północną i północno-zachodnim Oceanem Spokojnym.
Szereg czasowy PC1 (ciągła czerwona linia) wykazał znaczący (>99% pewności) dodatni trend (przerywana czerwona linia), zgodnie z antropogenicznym globalnym ociepleniem i odpowiadał za 30% zmienności. Z kolei PC2 (ciągła niebieska linia) wykazał 10% wariancji (rys.140.a).
Okres niskich wartości dla PC2, wyróżniony niebieską przerywaną linią, pojawił się w latach 2007–2012, zbiegając się z szybką utratą lodu.
Przy przesunięciu letnich anomalii grubości 1000-500 hPa na dwie główne składowe PC (rys.140.b,c), widać, że dodatnie wartości wokół większości obszarów na półkuli północnej są związane z PC1, szczególnie nad Arktyką i wschodnimi odcinkami kontynentalnymi półkuli północnej, zgodnie z zaobserwowanymi dodatnimi trendami na wysokościach geopotencjalnych 500 hPa w okresie letnim nad całym terytorium.
Następnie Francis i Wu połączyli obliczenie SLP dla ostatnich sierpni z dodatnimi i ujemnymi wartościami PC2. I zaobserwowali, że gdy PC2 jest dodatnia, SLP nad Arktyką wykazuje wyraźną anomalię ujemną wraz z anomalią dodatnią nad północno-centralną Eurazją.
Naukowcy w swoim artykule opisali ten proces tak:
Warunki te sprzyjają zachmurzeniu nad Arktyką, które mają tendencję do obniżania temperatury powietrza i topnienia lodu morskiego, podczas gdy związane z nimi anomalne cykloniczne wiatry uniemożliwiają transport lodu z Cieśniny Fram i mieszanie się wody morskiej nad Oceanem Arktycznym. Połączenie tych czynników spowalnia tempo zmniejszania się lodu morskiego, które by prowadziło do rekordowego minimalnego rocznego zasięgu we wrześniu.
Rys.3. (a) Złożone anomalie ciśnienia nad poziomem morza (SLP – Sea-Level Pressure) mierzonego w hektopaskalach (hPa) w sierpniu w okresie letnim od 2005 roku z dodatnimi wartościami komputera PC2 (2006, 2013, 2016, 2017, 2018), (b) jak w (a) także dla lat z ujemnymi wartościami PC2 (2007, 2008, 2009, 2011, 2012, 2015, 2019).
(Jennifer Francis i inni, 2020)
Rys.4. (a) Złożone anomalie ciśnienia nad poziomem morza (SLP – Sea-Level Pressure) mierzonego w hektopaskalach (hPa) w sierpniu w okresie letnim od 2005 roku z dodatnimi wartościami komputera PC2 (2006, 2013, 2016, 2017, 2018), (b) jak w (a) także dla lat z ujemnymi wartościami PC2 (2007, 2008, 2009, 2011, 2012, 2015, 2019).
(Jennifer Francis i inni, 2020)
Tymczasem kopuła anomalnie wysokiego ciśnienia w całej Eurazji sprzyja stagnacji mas powietrza i opadającym pionowym ruchom, z których oba zjawiska przyczyniają się do powstawania fal upałów.
Natomiast w okresie letnim zdominowanym przez ujemne wartości PC2 (rys.141b), sierpniowe anomalie SLP znacznie się różnią. Nad Arktyką układ dipolowy wysokiego ciśnienia w zachodniej Arktyce wraz z anomalnie niskim ciśnieniem nad środkową Syberią powoduje anomalny przepływ wiatru, który sprzyja silnemu wirowi Beauforta, eksportowi lodu na Północny Atlantyk i anomalnie ciepłemu powietrzu nad Oceanem Arktycznym, przyczyniającemu się do ogólnego zmniejszenia zasięgu lodu morskiego. Niektóre z najniższych zasięgów lodu we wrześniu wystąpiły w tym okresie niskich wartości PC2. [rys.132].
Należy wziąć też to pod uwagę, że chociaż morska pokrywa lodowa w całej Arktyce nie zmniejszyła się tak znacząco (za wyjątkiem 2020 r., gdy padł drugi rekord w historii pomiarów wynoszący 3,74 mln km2) jak we wrześniu 2012 roku przy 3,41 mln km2, ale zawiera dziś mniej lodu wieloletniego i więcej rocznego niż w tamtym czasie.
W sumie w wielu przeprowadzonych badaniach, na temat lodu arktycznego, naukowcy są zgodni, że zachmurzenie nieba arktycznego, zwłaszcza chmur niskich, także sprzyja zwiększeniu odbijania się promieni słonecznych od jasnych ich powierzchni z powrotem w przestrzeń kosmiczną (zwiększenie albedo chmur). A przez miesiące letnie zaleganie dość częstych ośrodków niżowych, sprzyja dość częstym lokalnym opadom śniegu, choć w sezonie letnim, gdy panują bardzo wysokie temperatury w Arktyce, także opadom deszczu. Dzięki czemu topnienie lodu morskiego od 2012 roku nie jest tak szybkie jak chociażby w pierwszej dekadzie XXI wieku, gdy zalegały na dłużej układy wyżowe, dawniej charakterystyczne dla Arktyki.
A powstający taki układ pogodowy związany ze spowalnianiem i silnym meandrowaniem polarnego prądu strumieniowego, znacznie spowalnia transport lodu arktycznego przez Cieśninę Frama w kierunku północnego Atlantyku. Jednak w obecnej dekadzie jeszcze wszystko może ulec zmianie.