Działalność człowieka pod względem emisji gazów cieplarnianych i ocieplania regionu Arktyki wiąże się zarówno z utratą habitatów gatunków polarnych, jak i miejsca bytowania ludzi związanych z lodem, np. Inuitów. Ponadto wzmocnienie ocieplenia Arktyki skorelowane z obniżonym gradientem temperatury pomiędzy nią a równikiem, już doprowadza do wielu zmiennych wzorców pogodowych na średnich szerokościach geograficznych, co bardzo niekorzystnie wpływa na gatunki zamieszkujące je.
Dirk Notz z Instytutu Meteorologii im. Maxa Plancka w Hamburgu oraz Julienne Stroeve z Narodowego Centrum Danych Lodu i Śniegu (NSIDC – National Snow And Ice Data Center) na Uniwersytecie w Boulder w Kolorado, za pomocą przez siebie symulowanych modeli klimatycznych stwierdzili zależność liniową taką, że lód morski we wrześniu traci 3 ± 0,3 metrów kwadratowych powierzchni na tonę metryczną emisji CO2. 1
Naukowcy oszacowali wrażliwość arktycznego lodu morskiego na wpływ zmian antropogenicznych wymuszeń zewnętrznych. Sprawdzili zgodność symulacji modeli CMIP5 z zapisem obserwacyjnym. I wywnioskowali, że czas obliczony na podstawie 30-letniej kroczącej, w którym we wrześniu zaniknie sezonowo lód morski w Arktyce jest zgodnie liniowo skorelowany ze skumulowanymi (od 1850 r. do dziś) antropogenicznymi emisjami CO2.
W pracy także czytamy, że większość modeli klimatycznych nie doszacowała utraty lodu morskiego Arktyki, gdyż nie został wzięty dokładnie pod uwagę, w promieniowaniu zwrotnym atmosfery, wzrost napływającego strumienia promieniowania długofalowego przy obecnym wzroście antropogenicznych emisji CO2.
—
Rys.1. Zależność liniowa między wrześniowym obszarem lodu morskiego Arktyki a skumulowanymi antropogenicznymi emisjami CO2. (A) Wartości rzeczywiste. Gruba niebieska linia przedstawia 30-letnią średnią kroczącą obserwowanego we wrześniu obszaru lodu morskiego, a cieńsza czerwona 30-letnią średnią kroczącą pochodzącą z symulacji modelu CMIP5. Dla porównania pokazane są również roczne wartości obserwowanego wrześniowego obszaru lodu morskiego. Wartości podane na podstawie zbioru danych obserwacji Met Office Hadley Center HadISST, w latach 1953-1978 (jasnoniebieskie kółka) oraz w latach 1979-2015 na wskaźniku lodu morskiego NSIDC (jasnoniebieskie diamenty) (B) Symulacje znormalizowane. W przypadku tego wykresu symulowany za pomocą modeli CMIP5 obszar lodu morskiego jest znormalizowany przez podzielenie przez symulowany obszar lodu morskiego na początku okresu przejściowego, jak określono w tekście. Dla każdej symulacji skumulowane emisje są ustawiane w punkcie 0.0 na początku okresu przejściowego, a następnie skalowane liniowo, aby osiągnąć 1 gigatonę do końca okresu przejściowego (Dirk Notz i inni, 2016).
—
W artykule dalej czytamy:
Jeśli chodzi o przyszłą ewolucję lodu morskiego, nasza analiza sugeruje, że nie ma powodów, aby sądzić, że obserwowana czułość utraty lodu morskiego w Arktyce ulegnie znacznej zmianie w przewidywalnej przyszłości. W związku z tym możemy bezpośrednio oszacować, że pozostała część letniego lodu morskiego w Arktyce zostanie utracona, gdy do atmosfery trafi dodatkowe około 1000 gigaton (Gt) emisji CO2 na podstawie obserwowanej czułości lodu morskiego, gdzie we wrześniu występuje 3,0 ± 0,3 m 2 straty lodu morskiego na tonę emisji antropogenicznego CO2.
Utrata 800 tysięcy km2 lodu arktycznego – z 1 mln km2 do 200 tys. km2 – równać się będzie wzrostowi 1 gigatony skumulowanych emisji CO2.
—
Haruhiko Kashiwase, z Narodowego Instytutu Badań Polarnych w Tachikawie, wraz ze swoim zespołem naukowym, zaobserwował, że dodatnie sprzężenie zwrotne albedo lodu i śniegu ma duży związek ze zwiększeniem się nagrzewania odkrytych ciemniejszych powierzchni oceanicznych. 2
Naukowcy stwierdzili, że z dekady na dekadę jest coraz mniejszy zasięg, przerzedzenie lodu oraz pojawianie się coraz większej ilości lodu sezonowego kosztem stałego. A wszystkie te zmiany zostały uwidocznione po 2000 roku, które tylko zwiększyły wzmocnienie arktyczne.
W Oceanie Arktycznym niedawne obserwacje satelitarne wykazały:
- znaczne zmniejszenie zasięgu lodu letniego
- przerzedzenie lodu morskiego
- przejście od lodu wieloletniego do sezonowego
Naukowcy coraz bardziej upewniają się, że z roku na rok ubywa lodu wieloletniego, a przybywa rocznego. Zaobserwowali to w porze letniej oraz w pierwszej połowie września. Zwiększanie się ciemnych otwartych wód oceanicznych napędza coraz mocniej dodatnie sprzężenie zwrotne, w którym lód zanika coraz szybciej, gdy świat się coraz bardziej ociepla, zarówno w atmosferze, jak i w oceanach oraz na lądach.
—
Rys.2. Mapa Oceanu Arktycznego ze średnim stężeniem lodu morskiego we wrześniu w latach 1979–2014. Przeprowadzono analizę budżetu cieplnego i obliczenie dywergencji lodu dla obszaru w kształcie wachlarza. Dla obszaru prostokątnego zastosowano model uproszczony. Mapa została narysowana przez GrADS 2.0.2 (Żródło: http://cola.gmu.edu/grads/grads.php).
—
Zespół Haruhiko Kashiwase wybrał do swych celów badawczych sektor pacyficzny Arktyki, który doświadczył w okresie 2000-2014 największego zmniejszenia się zasięgu i objętości w całym Oceanie Arktycznym
Międzyroczna zmienność cofania się lodu w tym rejonie wyjaśnia około 86% wariancji na całym Oceanie Arktycznym.
Szacunki z analizy budżetu ciepła i obserwacji satelitarnych pokazują, że frakcja wody otwartej dobrze odpowiada ilościowo objętości topnienia lodu morskiego, zarówno dla zmienności sezonowej, jak i międzyrocznej.
Ponadto uczeni dokonali pomiaru albedo w sezonie letnim na podstawie uproszczonego modelu sprzężonego z lodem i górną częścią oceanu. Również zaobserwowali, że pojawiająca się coraz większa liczba stawów roztopowych, zamiast lodu, zmniejsza albedo lodu, dzięki temu zwiększa się powierzchnia pochłaniania energii słonecznej przez ciemniejszą wodę.
W metodach badań satelitarnych do pomiarów lodu morskiego zostały wykorzystane produkty satelity Nimbus 7, dokonujące pomiarów Arktyki od 1979 do 2014 roku:
- wielokanałowy mikrofalowy radiometr (SMRR – Scanning Multichannel Microwave Radiometer)
- obronny meteorologiczny program satelitarny (DMSP – Defence Meteorological Satellite Program)
- specjalistyczny obrazowy czujnik mikrofalowy (SSM/I Special Sensor Microwave Imager) oraz specjalistyczny obrazowo-dźwiękowy czujnik mikrofalowy (SSM/IS – Special Sensor Microwave Imager/Sounder)
Do pomiaru prędkości dryfu lodu morskiego wykorzystano zestaw czujników dostarczonych przez NSIDC:
- Zaawansowany mikrofalowy radiometr skanujący Eos (AMSR-E – Advanced Microwave Scanning Radiometer Eos),
- Zaawansowany radiometr o bardzo wysokiej rozdzielczości (AVHRR – Advanced Very High Resolution Radiometer).
- Boje wykorzystane w Międzynarodowym programie boi arktycznych (IABP – International Arctic Buoy Program)
- SSM/I (jak wyżej)
Temperatura powietrza i temperatura punktu rosy na wysokości 2 metrów, prędkość wiatrów 10 m/s i całkowite zachmurzenie, zostały pozyskane z globalnej reanalizy ERA-Interim, opracowanej przez Europejskie Centrum Średnioterminowych Prognoz Pogody (ECMWF – European Centre for MediumRange Weather Forecasts).
—
Jeden z zespołów naukowych już w 2014 roku wywnioskował, że istnieje silna korelacja między frakcją stawu roztopowego a wrześniowym minimum zasięgu lodu morskiego, głównie z cienkim lodem poniżej 1,4 metra. Wyjaśnia to mechanizm dodatniego sprzężenia zwrotnego: więcej stawów zmniejsza albedo; niższe albedo powoduje większe topnienie; więcej topnienia zwiększa frakcję stawów.
David Schröeder i jego współpracownicy zaobserwowali, że powierzchnia lodu morskiego w Arktyce we wrześniu średnio zmniejszyła się z około 7 mln km2 w latach 90 do mniej niż 5 mln km2 w okresie 2007-2013, z rekordowym minimum 3,4 mln km2 w 2012 r. 3
—
Fot.1. Stawy roztopowe są typowymi cechami na powierzchni lodu morskiego Arktyki w okresie letnim. Ze względu na niskie albedo odgrywają kluczową rolę w bilansie masy lodu morskiego w okresie letnim. Zmiany w pokryciu stawu roztopowego i ich związek z grubością lodu wymagają dalszych badań. Zdjęcie: M. Tjernström.
—
Badanie to dało wkład do tego by jeszcze bardziej ulepszyć modele klimatyczne przewidywania dynamiki lodu morskiego w Arktyce w najbliższych latach.
Naukowcy w swojej pracy napisali:
Wiadomo, że zasięg lodu we wrześniu zależy zarówno od stanu lodu na wiosnę (na przykład ilość cienkiego lodu), jak i od warunków atmosferycznych w Arktyce latem (na przykład kierunek wiatru). Aby umieścić nasze wyniki dla stawów roztopowych w kontekście, obliczyliśmy korelację między frakcją cienkiego lodu (najniższe kategorie dwulodowe w modelu; tj. lód cieńszy niż 1,4 m) z zasięgiem lodu we wrześniu przy użyciu tych samych okresów integracji. Korelacja jest silnie istotna, ale współczynniki są niższe dla frakcji cienkiego lodu niż dla frakcji powierzchniowej stawu przy okresach integracji do końca czerwca. Należy zauważyć, że nie ma istotnej korelacji między obszarem zlodzenia maja i czerwca a zasięgiem zlodzenia września.
—
Ogólnie w Arktyce zasięg lodu morskiego we wrześniu w dużej mierze zależy od stanu lodu na wiosnę (cieńszy lub grubszy lód / z większą lub mniejszą pokrywą śnieżną) oraz od warunków atmosferycznych latem (pogoda pochmurna i/lub spokojna czy też pogoda słoneczna i/lub burzowa i wietrzna; jak np. w 2012 roku).
Naukowcy pomiarów grubości i objętości lodu dokonali przy pomocy termodynamicznego modelu lodu morskiego Los Alamos CICE, który został włączony do globalnego modelu klimatu.
Ponadto w modelu CICE naukowcy wdrożyli dwa dodatkowe podrzędne modele:
- model prognostyczny dla stawów roztopowych
- model elastyczny anizotropowo-plastyczny (EAP – Elastic Anisotropic Plastic), który wyraźnie uwzględnia obserwowaną anizotropię (zależność zmienności właściwości fizycznych ciała od kierunku) subkontinuum pokrywy lodu morskiego.
W sumie wszyscy naukowcy są zgodni. W Arktyce gromadzi się coraz więcej promieniowania cieplnego. Zmniejszająca się jej pokrywa lodowa na oceanie powoduje zmniejszanie się albedo lodu, dlatego, że coraz więcej jego topnieje, odkrywając ciemniejsze powierzchnie wody oceanicznej, które intensywnie pochłaniają promieniowanie słoneczne, nagrzewając jeszcze silniej ocean i wzmacniając dalsze topnienie lodu dzięki zwiększonemu parowaniu, czyli zwiększonej obecności pary wodnej. Arktyka staje się przez to bardziej wilgotna niż np. kilka dekad temu. I coraz częściej mamy tam do czynienia z opadami deszczu.
—
Referencje:
- Notz D. et al., 2016 ; Observed Arctic sea-ice loss directly follows anthropogenic CO2 emission ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aag2345
- Kashiwase H. et al., 2017 ; Evidence for ice-ocean albedo feedback in the Arctic Ocean shifting to a seasonal ice zone ; Nature Scientific Reports ; https://www.nature.com/articles/s41598-017-08467-z
- David Schröeder et al., 2014 ; September Arctic sea-ice minimum predicted by spring melt-pond fraction ; Nature Climate Change ; https://www.researchgate.net/publication/261798050_September_Arctic_sea-ice_minimum_predicted_by_spring_melt-pond_fraction