Wzrost poziomu morza analizowany dzięki samej rozszerzalności termicznej.
Wzrost poziomu morza występuje z wielu przyczyn. Najważniejszą z nich jest termosteryczny wzrost poziomu morza, czyli dzięki rozszerzalności cieplnej ośrodka wodnego jakim są oceany i morza, a także w znacznie mniejszym stopniu rzeki i jeziora. W następnej kolejności swój wkład we wzrost poziomu morza mają lądolody i lodowce: górskie i polarne. Przyczyniają się one do utraty masy pokrywy lodowej na Antarktydzie i Grenlandii oraz przyspieszonego topnienia lodowców górskich i polarnych. Także coraz bardziej poważny wpływ ma spływ powierzchniowy i gruntowy wód śródlądowych do mórz i oceanów.
—
Fot.1. Wschodni kraniec Ocean Isle Beach w Karolinie Północnej doświadczył przez lata znacznej erozji wybrzeża, która doprowadziła do utraty i przeniesienia wielu domów. Źródło: NASA/JPL-Caltech
—
Zespół naukowy Svetłany Jevrejevej z Instytutu Modelowania Systemów Morskich w Narodowym Centrum Oceanografii (NOC – National Oceanography Center) w Liverpoolu, stwierdził, że według obecnego zestawu modeli CMIP6, średni termosteryczny wzrost poziomu morza będzie tak samo znacznie wyższy, jak ten, który pochodzi z topnienia lodowców górskich i pokryw lodowych. 1
W powyższej pracy czytamy, że wkład rozszerzalności cieplnej we wzrost poziomu morza, przy wykorzystaniu symulacji globalnego średniego termosterycznego poziomu morza (GMTSL – Global Mean Thermosteric Sea Level) na podstawie 15 dostępnych modeli w fazie 6 projektu CMIP6, będzie znaczący.
—
Rys.1. Porównanie MEM CMIP6 i CMIP5 ze średnią obserwacyjną GMTSL w latach 1957–2005. Szeregi czasowe zostały przywołane w latach 1986–2005. Udział głębin oceanicznych wynoszący 0,1 ± 0,1 mm rok (Svetlana Jevrejeva i inni, 2020).
—
Naukowcy w swoim artykule napisali:
Obliczamy wzrost GMTSL o 18,8 cm [12,8–23,6 cm, zakres 90%] i 26,8 cm [18,6–34,6 cm, zakres 90%] dla okresu 2081–2100, w stosunku do lat 1995-2014 odpowiednio dla scenariuszy SSP2-4.5 i SSP5-8.5. W porównaniu ze zbiorem 20 modeli z Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5), średnia zbiorowa CMIP6 przyszłego GMTSL (2014–2100) jest wyższa dla obu scenariuszy i wykazuje większą wariancję. Dla porównania, dla okresu 1901-1990 GMTSL z modeli CMIP6 ma o połowę mniej wariancji niż z CMIP5. W latach 1940-2005 tempo wzrostu średniej zbiorowej CMIP6 GMTSL wynosiło 0,2 ± 0,1 mm/rok , co stanowi mniej niż połowę obserwowanego wskaźnika (0,5 ± 0,02 mm/rok).
W metodach badawczych zastosowano globalne średnie symulacje termosteryczne symulacji GMTSL w zestawach modeli CMIP6 i CMIP5 oraz GMTSL z obserwacji in situ.
Naukowcy dochodzą do wniosku, że dla średniej zestawu wielomodelowego (MEM – Multi-Model Ensemble), wskaźnik CMIP6 MEM pokazuje wyższe tempo wzrostu GMTSL niż wskaźnik CMIP5 MEM.
W przyszłych prognozach scenariusze SSP2-4.5 i SSP5-8.5 dla zestawu modeli CMIP6 mają wyższe wartości niż scenariusze RCP4.5 i RCP8.5 dla zestawu modeli CMIP5 (tabela 4).
Natomiast w przypadku symulacji historycznych (okres 1901–1990) wskaźnik MEM dla modeli CMIP6 jest niższy niż w przypadku MEM dla modeli CMIP5.
| Czas | Wskażnik CMIP6 | Wskaźnik CMIP5 | |
| Eksperyment | Okres | (mm / rok ) | (mm / rok ) |
| Historyczny | 1901-1990 | 0.2 ± 0.1 | 0.3 ± 0.1 |
| SSP2-4.5/RCP4.5 | 2015-2100 | 2.4 ± 0.3 | 2.1 ± 0.8 |
| SSP5-8.5/RCP8.5 | 2015-2100 | 3.6 ± 1.2 | 3.3 ± 1.1 |
Tabela. Wskaźniki GMTSL dla lat 1901–1990 i 2015–2100 w scenariuszach emisji w przyszłości SSP2-4.5/RCP4.5 i SSP5-8.5/RCP8.5. Niepewność wskaźnika odchylenia standardowego (2σ) jest obliczana przy użyciu metody Monte Carlo opisanej w rozdziale artykułu.
—
Wzrost poziomu morza analizowany dzięki topnieniu pokryw lądolodów
Międzynarodowe badanie prowadzone przez zespół naukowy Benjamina P. Hortona z Nanyang Technological University w Singapurze (NTU Singapore), wykazało, że globalny średni wzrost poziomu morza może przekroczyć 1 metr w 2100 i 5 metrów w 2300 roku, jeśli globalne cele ustalone na Porozumieniu Paryskim w grudniu 2015 roku w zakresie emisji nie zostaną osiągnięte. 2
Autorzy zwrócili uwagę, że w V Raporcie nie został precyzyjnie przedstawiony wkład we wzrost poziomu morza z powodu niestabilności morskiej pokrywy lodowej (MISI – Marine Ice Sheet Instability), to znaczy nie położono nacisku na prawdopodobieństwo gwałtownej dynamiki pokrywy lodowej Antarktydy podczas dalszego wzrostu temperatury globalnej, a wkład we wzrost poziomu morza z powodu niestabilności morskich klifów lodowych (MICI – Marine Ice Cliffs Instability) w ogóle nie został wzięty pod uwagę.
—
Rys.2. Schematyczne przedstawienie: a) niestabilności morskiej pokrywy lodowej (MISI – Marine Ice Sheet Instability) i b) morskiej niestabilności klifów lodowych (MICI – Marine Ice Cliff Instability). Objaśnienia: a) panel lewy: pokrywa lodowa (Ice sheet), regresywne zbocze (Retrograde slope), cofanie się linii gruntowania (retreating geounding line), przepływ na linii gruntowania (Flux at the grounding line), izostatyczne odbicie (Isostatic rebound), antarktyczne podłoże (Antrctic bed), gorąco (Heat), ocean (Ocean), grounding line (linia gruntowania), b) panel prawy: pokrywa lodowa (Ice sheet), progresywne bądź regresywne zbocze (Progressive or retrograde slope), szczelinowanie hydrauliczne (Hydro-fracturing), rozpad klifów (Cliff failure), antarktyczne podłoże (Antarctic bed), gorąco (Heat), ocean (Ocean), linia gruntowania (Grounding line). Źródło: Frank Pattyn (2018).
—
Jeżeli linia gruntowania zaczyna cofać się wzdłuż zbocza wstecznego, tj. gdy wysokość koryta spada w kierunku lądu, cofanie się wykazuje wówczas tendencje niestabilności, ponieważ strumień linii gruntowania, biegnący od wewnątrz lądolodu stale rośnie w kierunku śródlądowym. To powoduje, że cofanie się linii gruntowania może zostać wywołane przez topnienie lodu przez napływ coraz cieplejszych wód oceanicznych, a ściślej okołobiegunowej wody głębinowej (CDW – Circumpolar Deep Water), bądź poprzez rozpad pływającego przedłużenia lodowca lub szelfu lodowego. Wspomniane ciepłe wody (zaznaczone na rysunku kolorem czerwonym) znajdują się na głębokości, zwykle poniżej 400-700 m, w pobliżu linii gruntowania głównych lodowców Antarktydy. Przeważające wiatry będą miały wpływ na wtargnięcie ciepłej wody na szelf kontynentalny i głębokość termokliny, które już oddziałują na szybkość topnienia lodowców i tempo cofania się linii gruntowania.
Według „Specjalnego raportu IPCC na temat oceanów i kriosfery w zmieniającym się klimacie” [SROCC – „Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate”], opracowanego we wreśniu 2019 roku przez Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu (IPCC), topnienie lodu na lądzie spowodowało połowę wzrostu poziomu morza od 1993 r.
—
Rys.3. Szeregi czasowe globalnych anomalii średniej rocznej temperatury powietrza na powierzchni (w odniesieniu do lat 1986-2005) z eksperymentów CMIP5 opartych na koncentracji, zmodyfikowanych na podstawie IPCC AR5. Prognozy temperatury odpowiadają dolnemu (RCP 2.6; niebieski kolor) i górnemu (RCP 8.5; czerwony kolor) scenariuszowi gazów cieplarnianych zawartemu w Reprezentatywnych Ścieżkach Stężenia (RCP) i ich rozszerzeniu do 2300. Projekcje dla każdego RCP pokazują średnią z wielu modeli ( linie ciągłe) oraz zakres 5–95 % w rozkładzie poszczególnych modeli (cieniowanie). Nieciągłości w 2100 są spowodowane różną liczbą modeli, które wykonują rozszerzenia poza XXI wiek (i nie mają fizycznego znaczenia) (Benjamin P. Horton i inni, 2020).
—
Badanie na temat wzrostu poziomu morza do końca XXI i do końca XXIII wieku było przeprowadzone przez naukowców w 2015 roku. Zespół Hortona zauważył, że prognozy do 2100 roku mniej więcej są podobne w niniejszej pracy do tej sprzed 5 lat, ale już prognozy do 2300 roku mają wydłużone ogony na wykresach. Naukowcy w swojej pracy napisali:
W ramach Reprezentatywnej Ścieżki Koncentracji (RCP – Representative Concentration Pathways) RCP2.6, 106 ekspertów przewidywało (średnie prawdopodobieństwo 66%) wzrost GMSL (Global Mean Sea Level – Globalny Średni Poziom Morza) o 0,30–0,65 metrów do 2100 r. i o 0,54–2,15 metrów do 2300 r. w stosunku do lat 1986–2005. W ramach RCP8.5 ci sami eksperci przewidywali prawdopodobny wzrost GMSL o 0,63–1,32 m do 2100 i 1,67–5,61 m do 2300 roku.
W badaniach wykorzystano ankiety do prezentacji wykresów pudełkowych (box plots) i plików funkcji gęstości prawdopodobieństwa (PDF – Probability Density Function) z uwzględnieniem zależności i zmienności między poszczególnymi prognozami eksperckimi wzrostu poziomu morza do 2100 i 2300 roku.
—
Rys.4. Wykresy pudełkowe prawdopodobnego (od 17 do 83 percentyla) i bardzo prawdopodobnego (od 5 do 95 percentyla) wzrostu poziomu mórz dla scenariuszy gazów cieplarnianych RCP 2,6 (niebieski) i RCP 8,5 (czerwony) na rok 2100 na podstawie badań prognostycznych: H14 i ankiety H20 oraz raportów IPCC: AR5; i SROCC8 (Benjamin P. Horton i inni, 2020)
–.
Ogólnie topnienie pokryw lodowych Grenlandii i Antarktydy ma coraz wyraźniejszy wpływ na podnoszenie się poziomu wód oceanów i mórz na całym świecie.
W ramach symulacji zestawu modeli CMIP6 podczas badania wkładu topnienia pokryw lodowych Grenlandii i Antarktydy w coraz szybszy wzrost poziomu morza, w 2020 roku powstały jednocześnie dwie ważne zespołowe prace badawcze. Pierwsza pod pod kierownictwem Heiko Goelzera z NORCE Norweskiego Centrum Badawczego, Centrum Badań Klimatu w Bjerknes oraz druga pod kierownictwem Hélène Seroussi z Laboratorium napędów odrzutowych, Kalifornijskiego Instytutu Technologii w Pasadenie w USA. 3, 4
—
Fot.2. Szelfy lodowe na Antarktydzie, takie jak Getz, są wrażliwe na ocieplenie się temperatury oceanu. Warunki oceaniczne i atmosferyczne to niektóre z czynników powodujących utratę pokrywy lodowej, które naukowcy rozważyli w nowym badaniu szacującym dodatkowy globalny wzrost poziomu morza do 2100 roku (Źródło: Jeremy Harbeck/NASA).
—
W obu wyżej wymienionych podobnych pracach, na podstawie najnowszej generacji wielu modeli z projektu porównywania modeli pokryw lodowych (ISMIP6 – Ice Sheet Model Intercomparison Project), oszacowano łącznie prawdopodobny wynik uśredniony wkładu we wzrost poziomu morza o około 38-40 cm pod koniec 2100 roku. Symulacje komputerowe zostały przeprowadzone na podstawie prognozy w okresie lat 2015- 2100.
Badania powyższe przeprowadzono na podstawie 14 modeli ISMIP6 dla najłagodniejszego scenariusza emisji RCP 2.6 i dla najgorszego RCP 8.5. Wykazały one, że utrata masy pokryw lodowych na Ziemi do 2100 roku będzie miała wkład we wzrost poziomu morza następujący:
Dla Grenlandii:
- Dla scenariusza RCP 2.6 – 1,5-5 cm
- Dla scenariusza RCP 8.5 – 4-14 cm
Dla Antarktydy:
- Dla scenariusza RCP 2.6 – 0-3 cm
- Dla scenariusza RCP 8.5 – 30 cm
Oszacowanie dokładnych prognoz na 2100 rok dla Antarktydy, zwłaszcza jego wschodniej części, jest bardzo trudne ze względu na prawdopodobieństwo w wielu regionach występowania większej liczby opadów śniegu (akumulacja) niż jego topnienia i utraty masy lodowej (ablacja). Z kolei oszacowanie zachodniej części jest niepewne ze względu na wspomniane MISI (niestabilność morskiej pokrywy lodowej) i MICI (niestabilność morskich klifów lodowych). Im będzie wyższy wzrost temperatury globalnej, tym bardziej prawdopodobne są te procesy destabilizacji pokryw lodowych Antarktydy.
Wzrost poziomu morza analizowany dzięki topnieniu lodowców górskich
Ważną kwestią w omawianiu wzrostu poziomu morza jest też dość znaczny wkład topnienia lodowców górskich.
Zespół Naukowy Romaina Hugonetta z Laboratorium Hydrauliki, Hydrologii i Glacjologii (VAW) w ETH w Zürichu, w Szwajcarii, przedstawił obraz utraty masy lodowców górskich już od co najmniej połowy XX wieku: 5
—
Rys.5. Randolph Glacier Inventory to zestawienie wszystkich lodowców na świecie. Jest to pierwszy globalny katalog lodowców, który został opracowany, aby pomóc naukowcom IPCC poprawić szacunki wzrostu poziomu mórz. Źródło: Earth Observatory NASA
—
Jest to pierwsze badanie, które obejmuje wszystkie lodowce na świecie – łącznie około 220 000 – z wyłączeniem pokryw lodowych Grenlandii i Antarktyki. Przestrzenna i czasowa rozdzielczość badania jest bezprecedensowa i pokazuje, jak szybko lodowce traciły grubość i masę w ciągu ostatnich dwóch dekad.
—
Rys.6. Utrata lodu z lodowców górskich od 1970 do 2020. W latach 2019-2020 straciły one objętość lodu odpowiadającą około 27,5 metra (90 stóp) wody zawartej na każdym lodowcu, co miało znaczący wkład w podniesienie się poziomu morza na całym świecie. Źródło: NOAA Climate.gov na podstawie danych z World Glacier Monitoring Service.
—
W latach 2000-2019 lodowce górskie w ciągu roku średnio traciły 267 gigaton lodu. Roczny wkład we wzrost poziomu morza wynosił 0,76 mm – 21%. Jedynie rozszerzalność termiczna wynosi nadal około 50%.
Autorzy pracy na podstawie obserwacji satelitarnych zwrócili uwagę, że zmniejszanie się grubości lodu, pod wpływem jego topnienia w górach na Ziemi, powiększyło się prawie dwukrotnie. Z 36 cm w 2000 roku do 69 cm w 2019 roku.
Badanie również wykazało, że we wspomnianym okresie czasu utrata masy lodowców była o 47% wyższa niż w przypadku pokrywy lodowej Grenlandii (GrIS – Greenland Ice Sheet) i ponad dwukrotnie większa niż w przypadku pokrywy lodowej Antarktydy (AIS – Antarctica Ice Sheet).
Wzrost poziomu morza analizowany dzięki spływowi wód powierzchniowych i gruntowych
Wzrost poziomu morza występuje również pod wpływem jeszcze jednego interesującego czynnika klimatycznego, mianowicie pod wpływem zmiany bilansu wód gruntowych i powierzchniowych na kontynentach i wyspach.
Sitar Karabil, z Instytutu Badań Morskich i Atmosferycznych oraz Katedry Geografii Fizycznej na Wydziale Nauk o Ziemi, na Uniwersytecie w Utrechcie, wraz ze swoim zespołem badawczym, dokonał ciekawej analizy zmian w magazynowaniu wody na lądzie (LWS – Land Water Storage). 6
Naukowcy analizując regionalną zmianę poziomu morza przeprowadzili swoje badania jeszcze na podstawie modeli bazowych dla V Raportu IPCC – dla zestawu modeli CMIP5.
Jak wiadomo, zmiany w magazynowaniu wody wynikają zarówno z bezpośredniej działalności człowieka, jak i z powodu zachodzących zmian klimatu. Badając zmiany LWS posłużyli się modelem hydrologicznym i zasobów wodnych PCR-GLOBWB w celu zaprojektowania regionalnych wzorców poziomu morza.
—
Rys.7. Regionalna zmiana poziomu morza spowodowana LWS (mm) oparta na zespołowych średnich modelach klimatycznych do końca XXI wieku w scenariuszu RCP8.5 (Sitar Karabil i inni, 2021).
—
Obliczenia szacunkowe pokazały ogólnie naukowcom, że wkład zmiany magazynowania wody na lądzie w dalszy wzrost poziomu morza wyniesie 10%. A więc, nie jest to mało. Warto też wziąć pod uwagę, że rezygnacja z wielu inwestycji spiętrzania wód w sztucznych zbiornikach wodnych i tamach, również pod naciskiem ochrony bioróżnorodności rzek, wpłynęła również na spływ podziemny i powierzchniowy wód do oceanów i mórz na całym świecie, dlatego został też zaznaczony większy wzrost poziomu morza także ze zmniejszonego magazynowania wody na lądach (LWS).
Autorzy pracy piszą:
Przewiduje się, że udział LWS w podnoszeniu poziomu morza w regionie będzie znacznie większy niż wynosi średnia globalna w kilku regionach. Również może być on o 60% wyższy niż wynosi ogółem globalna średnia wzrostu poziomu morza wywołanego przez LWS, w tym na wyspach Pacyfiku i południowym wybrzeżu Afryki i zachodnim wybrzeżu Australii.
—
Referencje:
- Jevrejeva S. et al., 2020 ; Global mean thermosteric sea level projections by 2100 in CMIP6 climate models ; Environmental Research Letters ; https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/abceea
- Horton B. P. et al., 2020 ; Estimating global mean sea-level rise and its uncertainties by 2100 and 2300 from an expert survey ; Climate and Atmospheric Science ; https://www.nature.com/articles/s41612-020-0121-5
- Goelzer H. et al., 2020 ; The future sea-level contribution of the Greenland ice sheet: a multi-model ensemble study of ISMIP6 ; Cryosphere ; https://tc.copernicus.org/articles/14/3071/2020/
- Seroussi H. et al., 2020 ; ISMIP6 Antarctica: a multi-model ensemble of the Antarctic ice sheet evolution over the 21st century ; Cryosphere ; https://tc.copernicus.org/articles/14/3033/2020/
- Hugonnet R. et al., 2021 ; Accelerated global glacier mass loss in the early twenty-first century ; Nature ; https://www.researchgate.net/publication/351137909_Accelerated_global_glacier_mass_loss_in_the_early_twenty-first_century
- Karabil S. et al., 2021 ; Contribution of Land Water Storage Change to Regional Sea-Level Rise Over the Twenty-First Century ; Interdisciplinary Climate Studies ; https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/feart.2021.627648/full