W pierwszej połowie XX wieku były dwie ekstremalne susze, gdzie oczywiście wpływ na nie miały także naturalne zmienności klimatyczne. Była to słynna przede wszystkim susza Dust Bowl, której zasięg sięgał od stanu Oklahoma w USA do prowincji Saskatchewan w Kanadzie. Ta gigantyczna i największa w historii Ameryki Północnej susza przyszła w trzech falach, w latach: 1934, 1936 i 1939-1940. Właściwie zaczęła się ona nawet już od 1931 roku. Zabiła ona wtedy ponad 5000 Amerykanów i 1100 Kanadyjczyków.
Również podczas drugiej wojny światowej w Chinach w latach 1941-1942, w prowincji Henan zmarło z głodu około 3 milionów ludzi, którym wojsko zabierało żywność dziesiątkowaną przez wiatry, gradobicia i szarańczę. Była to jedna z największych klęsk cywilizacyjnych.
Natomiast w okresie 1980-2017 wraz z wyraźnym sygnałem wymuszeń antropogenicznych gazów cieplarnianych, pojawiło się coraz więcej ekstremalnych susz, zwłaszcza od początku XXI wieku.
W latach 1987-89 na Wielkich Równinach blisko Parku Narodowego Yellowstone susza wraz z falą upałów po raz pierwszy doprowadziły do inicjacji pożarów lasów.
Natomiast w latach 2006-2010 w Syrii potężna susza doprowadziła 1,5 miliona mieszkańców do uchodźstwa z powodu zmian klimatu, które doprowadziły w tym kraju gospodarkę rolną do ruiny.
—
Kate Marvel, z Instytutu Badań Kosmosu im. Goddarda przy NASA (NASA GISS – NASA Goddard Institute for Space Studies) oraz z Wydziału Fizyki Stosowanej i Matematyki Stosowanej, na Uniwersytecie Columbia w Nowym Jorku, jako główna autorka pracy, wraz ze swoimi współpracownikami, przedstawiła dane występowania susz za pomocą modeli klimatycznych, obserwacji i rekonstrukcji klimatycznych (badań pośrednich – tzw. proxies) 1.
Badanie to koncentruje się już na wcześniejszym wykryciu wśród szumu zmienności naturalnych, sygnału zmian klimatu, dokładniej wymuszenia gazów cieplarnianych, których skutkiem jest właśnie nasilenie się suszy w XX wieku.
Za pomocą wskaźnika nasilenia suszy Palmera (PDSI – Palmer Drought Severity Index), który również uwzględnia wpływ ocieplenia pod kątem pomiarów opadów deszczu i ewapotranspiracji, naukowcy zbadali wilgotność gleby posługując się metodą rekonstrukcji klimatu za pomocą zapisu słojów drzew w czasie 600-900 lat.
Kate Marvel dla serwisu Carbon Brief powiedziała następująco 2:
Słoje drzew dają nam obraz warunków w letnim okresie wegetacyjnym. Jeśli jest mokry rok z dużą wilgotnością gleby, drzewa rosną bardziej. Jeśli jest suchy rok, rosną mniej. Tak więc grubość poszczególnych słojów mierzy wilgotność gleby w danym roku.
Zastosowując tzw. technikę „odcisków palców”, polegającą na wykryciu sygnału zmian klimatu, naukowcy porównali zapisy słojów drzew i meteorologiczne z modelowymi symulacjami klimatu w okresie 1900-2100. Symulacje te przedstawiły szereg czynników, które mogą wpływać na ryzyko powstawania i nasilenia suszy w danym okresie czasu. Takimi czynnikami stymulującymi mogą być też emisje aeorozoli z erupcji wulkanów, jak i przemysłowe. Aby uwzględnić wpływ spowodowanych przez człowieka zmian klimatycznych, naukowcy wykorzystali scenariusz wysokich emisji gazów cieplarnianych znany jako RCP8.5.
—
Rys.1. Siła związku między szacunkami wskaźnika nasilenia suszy Palmera (PDSI – Palmer Drought Severity Index) na podstawie danych obserwacyjnych – rekonstrukcje słojów drzew (kolor zielony) i zbiory danych meteorologicznych (CRU, kolor ciemnoniebieski; DAI, kolor jasnoniebieski) – a „odcisk palca” związany ze zmianą klimatu. Na osi y liczba powyżej zera wskazuje na trend dodatni, podczas gdy liczby poniżej zera wskazują na trend ujemny. Wyniki przedstawiono dla trzech okresów: 1900-49 (na górze), 1950-75 (w środku) i 1980-2017 (na dole). Na dolnym wykresie rekonstrukcje słojów drzew są zastąpione nowoczesnymi zbiorami danych o wilgotności gleby na powierzchni (pomarańczowy) i korzeniach roślin (czerwony). Źródło: Kate Marvel i in. (2019)
—
Jak widać z danych zestawów meteorologicznych Zakładu Badań Klimatycznych (CRU – Climatic Research Unit) i interfejsu dostępu do danych (DAI – Date Access Interface), okres 1950-1975 zamaskował sygnał wymuszenia gazów cieplarnianych (dodatnich emisji GHG), ale ujawnił sygnał wymuszenia aerozoli (ujemnych emisji GHG).
Badacze na wykresach przedstawili analizę porównawczą okresów 1900-1949, 1950-1975 i 1980-2017 za pomocą rekonstrukcji klimatycznych, obserwacji meteorologicznych i symulacji modelowych.
Od początku XX wieku do początku lat 80, sygnał antropogenicznych zmian klimatu wymuszających nasilenie częstotliwości, długości, intensywności i zasięgu geograficznego susz, był jeszcze słabo wykrywalny. We wcześniejszych okresach szum w systemie klimatycznym powodowały naturalne zmienności klimatyczne. Świat w tym okresie czasu nie był tak mocno ocieplony, ale mimo to susze już miały miejsce, choć nie były tak silne jak od początku lat 80 do dziś.
Spadkowy zapis słojów drzew w latach 1950-1975 był spowodowany nasileniem emisji chłodzących klimat aerozoli antropogenicznego pochodzenia oraz większym zachmurzeniem na półkuli północnej, które zmniejszało fotosyntezę drzew, co przyczyniało się do bardziej zaburzonych przyrostów w słojach drzew w latach chłodniejszych od średniej. Jednak w tym okresie czasu na Wielkich Równinach USA w latach 1950-56 i 1962-66 miały miejsce długotrwałe, ale nie ekstremalne susze, dla których jednak sygnał antropogenicznych wymuszeń radiacyjnych nie był jeszcze tak silny jak od lat 80 do dziś. W tym okresie sygnał wymuszeń gazów cieplarnianych został zamaskowany sygnałem wymuszeń aerozoli chłodzących klimat, co też mogło dawać mylące wrażenie, że antropogeniczne zmiany klimatu, w tym ich wpływ na susze, nie ma miejsca.
Z kolei zapisy słojów drzew w latach 1900-1949 i 1980-2017 wyraźnie pokazały ich trend zwyżkowy oraz wyraźniejszy sygnał wymuszeń radiacyjnych na inicjację i nasilenie susz w XX wieku, gdyż sygnał wymuszeń aerozoli nie był tak silny. W pierwszym przypadku, gdyż nie był tak mocno jeszcze uprzemysłowiony świat, ale była wzmocniona aktywność słoneczna, a w drugim przypadku, ponieważ ludzkość postanowiła zredukować znacząco emisje chłodzących aerozoli siarczanowych w okresie 1950-1975, co w latach 90 odczuliśmy jako wzmocnienie globalnego ocieplenia.
—
Zespół naukowy Céline Bonfils, fizyczki z Narodowego Laboratorium Lawrence Livermore (Lawrence Livermore National Laboratory), przedstawił również wyniki badań identyfikacji „odcisków palców”, w których zaznaczył się wpływ na inicjację i nasilenie susz nie tylko pod wpływem antropogenicznych zmian klimatu, ale i również naturalnych zmienności klimatycznych takich jak erupcje wulkaniczne czy oscylacje oceaniczne jak El Niño czy La Niña 3.
Naukowcy, za pomocą symulacji modeli systemu Ziemi, takich jak zestaw modeli CMIP5 oraz model CanESM2-LE dotyczących odpowiednio lat 1861-2019 i 1950-2019, obliczyli w swoim artykule dwa odciski palców:
- FM1(x) – charakteryzujący się globalnym ociepleniem, nasilonymi wzorcami mokro-suchymi i postępującym wysychaniem kontynentów na dużą skalę, w dużej mierze napędzanym przez kilkudziesięcioletni wzrost emisji gazów cieplarnianych (GHG).
- FM2(x) – rejestrujący:
– wyraźny kontrast temperatury między półkulą północną a południową
– powiązane przesunięcia południkowe w międzyzwrotnikowej strefie konwergencji
– skorelowane anomalie opadów i suchości nad Kalifornią, Sahelem i Indiami
—
Rys.2. Lokalne anomalie opadów (na górze) i „wskaźnik wilgotności klimatu” (CMI; na dole) od 1860 do 2019 roku na całym świecie. Brązowy pokazuje suszenie, podczas gdy zielony pokazuje wzrost opadów i wilgoci (Céline Bonfils i inni, 2020).
—
W niniejszym badaniu, FM2(x) wykazuje nieliniowe zachowanie czasowe: międzytropikalna strefa konwergencji przesuwała się na południe w okresie 1950-1975, w odpowiedzi na wzrost hemisferycznie asymetrycznych emisji aerozoli siarczanowych, a w okresie 1975-2014 przesuwa się na północ z powodu znacznego zmniejszania się emisji dwutlenku siarki i wywołanego przez gazy cieplarniane, takie jak dwutlenek węgla, metan i podtlenek azotu, ocieplenia lądowego na półkuli północnej.
Autorzy pracy w swoim artykule napisali:
Oba odciski palców są statystycznie identyfikowalne w obserwacjach wspólnych zmian temperatury, opadów i suchości w latach 1950–2014. Pokazujemy, że wiarygodna symulacja tych zmian wymaga połączonego wymuszania przez GHG, bezpośredniego i pośredniego wpływu aerozoli oraz dużych erupcji wulkanicznych. Nasze wyniki sugerują, że wysuszenie wywołane GHG może być modulowane regionalnie przez przyszłe redukcje emisji aerozoli siarczanowych.
Główna autorka pracy, dr Céline Bonfils wyjaśniła dla serwisu Carbon Brief 4:
Głównym celem badań nad odciskami palców jest oddzielenie naturalnych i ludzkich wpływów na globalny klimat. Na klimat, którego doświadczamy w dowolnym momencie, wpływa wiele czynników. Jednym z czynników jest wewnętrzny „szum” ziemskiego klimatu – czysto naturalne wahania, takie jak El Niños i La Niñas . Na klimat mają również wpływ czynniki „zewnętrzne”, które działają w różnym tempie i miejscach.
Pierwszy odcisk palca:
Wzorce mokro-suche wskazują coraz wyrażniej za pomocą wskaźnika wilgotności klimatu (CMI – Climate Moisture Index), że w latach 1850-2019 na kontynentach przybywa obszarów zaznaczonych na mapach w kolorze brązowym, które odzwierciedlają obraz wysychania tych regionów. Zielony kolor na mapach pokazuje wzrost opadów i wilgoci.
CMI jest oparty na wzorcach opadów i zależności między temperaturą, opadami i parowaniem.
Zgodnie z wynikami badań, obszary, w których obserwuje się duży spadek opadów deszczu, obejmują Azję Środkową, Półwysep Indochiński, Indonezję, wschodnie Chiny, zachodnią część Stanów Zjednoczonych i Meksyku, zwłaszcza Kalifornię, Amazonię, basen Morza Śródziemnego.
Drugi odcisk palca:
Międzytropikalna strefa konwergencji (ITCZ – Intertropical Convergence Zone) to jest ogromny pas niskiego ciśnienia otaczający Ziemię w pobliżu równika. Reguluje ona roczne wzorce opadów w większości tropików, dzięki czemu ma ogromne znaczenie dla ludzi, gdyż w tym obszarze na Ziemi są najobfitsze opady deszczu niezbędne zarówno dla regionów rolniczych, jak i dla zwierząt i roślin zamieszkujących tropikalne deszczowe ekosystemy.
Bonfils wyjaśniła dla Carbon Brief:
Najsilniejsze opady na Ziemi występują w ITCZ. Ten tropikalny pas deszczowy powstaje tam, gdzie zbiegają się pasaty z półkuli południowej i północnej. Ich połączone masy powietrza spotykają się, unoszą do atmosfery i kondensują, powodując intensywne opady deszczu.
ITCZ każdego roku wędruje na północ i południe przez obszary tropikalne, mniej więcej według położenia słońca w czasie zmian pór roku.
Nowe badania udowodniają, że od lat 80 po redukcji chłodzących przemysłowych aerozoli siarczanowych, emisje antropogenicznych gazów cieplarnianych wpłynęły wyraźnie na ruch ITCZ w kierunku północnym.
Bonfils podsumowała temat w tym samym serwisie:
Drugi i bardziej subtelny „odcisk palca” ujmuje kontrast temperaturowy między półkulą północną a południową, kontrolowany głównie przez chłodzący wpływ zanieczyszczeń pyłowych emitowanych przez człowieka z Europy i Ameryki Północnej do lat 80. XX wieku. Ten kontrast temperatur przesunął tropikalny pas deszczowy [ITCZ] na południe, z dala od chłodniejszej półkuli północnej, powodując więcej opadów nad zachodnimi Stanami Zjednoczonymi, a mniej nad Sahelem i Indiami.
Po 1980 roku półkula północna stała się cieplejsza niż półkula południowa. Były ku temu dwa powody. Po pierwsze, przepisy dotyczące zanieczyszczeń zmniejszyły emisje aerozoli przez człowieka w Ameryce Północnej i Europie. Po drugie, efekt cieplarniany ogrzewa półkulę północną, która jest w przeważającej mierze pokryta lądem, szybciej niż półkulę południową, którą w większości pokrywają oceany.
Z obu tych powodów tropikalny pas deszczowy [ITCZ] cofnął się na północ po 1980 roku, przynosząc mniej opadów w zachodnich Stanach Zjednoczonych, a więcej w Sahelu i w Indiach.
—
Referencje:
- Marvel K. et al., 2019 ; Twentieth-century hydroclimate changes consistent with human influence ; Nature ; https://www.nature.com/articles/s41586-019-1149-8
- Dunne D., 2019 ; Climate change has influenced global drought risk for ‘more than a century’ ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/climate-change-has-influenced-global-drought-risk-for-more-than-a-century
- Bonfils C. J. W. et al., 2020 ; Human influence on joint changes in temperature, rainfall and continental aridity ; Nature Climate Change ; https://www.nature.com/articles/s41558-020-0821-1
- Dunne D., 2020 ; Scientists discover new ‘human fingerprint’ on global drought patterns ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/scientists-discover-new-human-fingerprint-on-global-drought-patterns