Klimat Ziemi

Od lat 60 XX wieku przybywa coraz więcej energii cieplnej w oceanach, które od tamtej pory zaczęły się dość szybko i gwałtownie nagrzewać, pomimo, że te największe zbiorniki wodne na Ziemi i tak znacznie wolniej nagrzewają się niż atmosfera naszej planety. System klimatyczny Ziemi jest jednak bezwładny i nawet gdy zatrzymają się emisji gazów cieplarnianych do atmosfery, po ustabilizowaniu temperatury globalnej w atmosferze co najmniej do końca wieku, to i tak nie pomoże już to ustabilizować w tym samym czasie ocieplania się oceanów. Główną przyczyną jest ogromna pojemność cieplna i wspomniana bezwładność cieplna.

W swojej naukowej pracy Sydney Levitus i jego zespół naukowy zaobserwowali, że w badanym okresie 1955-2010 oceany ociepliły się aż o 93% ¹.

Autorzy na wstępie swojej pracy napisali:

Warstwa oceaniczna o głebokości 700-2000 m odpowiada za około jedną trzecią ocieplenia warstwy 0-2000 m Oceanu Światowego. Komponent termosteryczny trendu poziomu morza wynosi 0,54 ± 0,05 mm rok ^-1 dla warstwy 0–2000 m oraz 0,41 ± 0,04 mm rok ^-1 dla warstwy 0–700 m Oceanu Światowego w latach 1955–2010.

Korzystając ze Światowej Bazy Danych Oceanu (WOD – World Ocean Datebase), naukowcy za pomocą batytermografów oraz wyprofilowanych pływaków w sieci Argo, maksymalnie do głębokości 1750 metrów, dokonali pomiarów zawartości cieplnej w oceanach.

W badanym okresie 1955-2006, naukowcy obliczyli w każdym punkcie siatki, zarówno zawartość ciepła oceanu (OHC – Ocean Heat Content), jak i ciepło właściwe wody, jej gęstość, za pomocą średnich rocznych wartości klimatycznych temperatury i zasolenia (Locarnini i inni, 2010) (Antonov i inni, 2010). Następnie wykonali dokładne obliczenia średnich miesięcznych klimatycznych w każdym punkcie siatki.

W badaniach wcześniejszych wykorzystano zbiorcze średnie wyniki z siedemnastu klasycznych atmosferyczno-oceanicznych modeli ogólnej cyrkulacji (AOGCM – Atmosphere-Ocean General Circulation Model), które zostały wymuszone wzrostem emisji gazów cieplarnianych w atmosferze z projektu porównywania sprzężonych modeli w fazie 3 (CMIP3 – Third Coupled Model Intercomparison Project Phase 3) w celu wsparcia IV Raportu Oceny IPCC z 2007 r.

Warstwa 700–2000 m odpowiada za około ¹/₃ całkowitego ocieplenia warstwy 0–2000 m.

—

Rys.1. Szeregi czasowe dla zawartości ciepła Oceanu Światowego w dżulach (10 ²² J) dla warstw 0–2000 m (czerwona linia) i 700–2000 m (czarna linia) na podstawie bieżących analiz pięcioletnich. Okres odniesienia to lata 1955-2006.

Niebieski wykres słupkowy na dole przedstawia, od co najmniej 1957 roku, procentowe pokrycie zawartości ciepła oceanu dla głębokości 700 m w badanym okresie czasu w skali globalnej. Linia niebieska zamieszczona na wykresie słupkowym pokazuje to samo dla głębokości 2000 m.

(Sydney Levitus i inni, 2012)

—

Naukowcy ogólnie oszacowali, że w badanym okresie czasu ocieplił się prawie każdy basen oceaniczny. Ocieplenie to postępowało pomimo występowania zmiennych klimatycznych, ochładzających fluktuacyjnie światowy ocean w ciągu lat lub dekad, jak oscylacja południowopacyficzna El Niño (La Niña) (ENSO – El Niño (La Niña) Southern Oscillation), dekadowa oscylacja pacyficzna (PDO – Pacific Decadal Oscillation), oscylacja północnoatlantycka (NAO – Northern Atlantic Oscillation).

Naukowcy generalnie stwierdzili, że w badanym okresie czasu 1955-2010 w Oceanie Światowym przy średnim objętościowym ociepleniu wynoszącym 0,09°C na głębokości 0–2000 m, OHC, czyli zawartość ciepła oceanu wyniosła 24 × 10²² J.

Na koniec, naukowcy stwierdzili kontrowersyjnie:

Gdyby to ciepło zostało natychmiast przeniesione do niższej warstwy globalnej atmosfery na wysokość 10 km, to spowodowałoby to średnie ocieplenie tej warstwy atmosferycznej o około 36°C (65°F).

To przeniesienie oczywiście nie nastąpi; ziemski system klimatyczny po prostu nie działa w ten sposób. Ale to obliczenie daje perspektywę na ilość ogrzewania, jakie przeszedł system ziemski od 1955 roku.

—-

Praca zespołowa, Lijinga Chenga z Międzynarodowego Centrum Nauk o Klimatu i Środowisku oraz Instytutu Fizyki Atmosfery w Chińskiej Akademii Nauk w Pekinie, pokazuje wyraźnie, że pomiary zawartości ciepła w oceanie (OHC – Ocean Heat Content) i wzrostu poziomu morza (SLR – Sea Level Rise) są skuteczniejsze niż pomiar średniej globalnej temperatury powierzchni (GMST – Global Mean Surface Temperature) ².

Podczas pomiarów sygnał trendu ocieplenia z szumu zaburzających go zmienności klimatycznych, np. oscylacji południowopacyficznej El Niño (ENSO – El Niño-Southern Oscillation), można wykryć szybko. OHC w ciągu 3,9 lat, a SLR w ciągu 4,6 lat. Natomiast dla GMST potrzeba aż 27 lat.

W każdym razie nie jest dobrze. Oceany nagrzewają się i podnosi się ich poziom coraz szybciej, choć mimo wszystko znacznie wolniej niż atmosfera, ale tylko dlatego, że mają ogromną bezwładność i pojemność cieplną.

Autorzy piszą w pracy:

Na podstawie zrekonstruowanych pól temperatury i związanych z nimi słupków błędu, miesięczne zmiany OHC w zakresie od 0 do 700 i od 700 do 2000 m wykazują znaczne ocieplenie w ciągu ostatnich 56 lat. Silniejsza tendencja do ocieplania się oceanów istnieje od późnych lat 80 na głębokości od 0 do 700 i od 700 do 2000 m, w porównaniu z latami 60 i 80 XX wieku.

Naukowcy analizując zawartość cieplną oceanów (OHC) w badanym okresie 1960-2015 osiągnęli następujące wyniki obliczając energię cieplną w dżulach (Joule – J) i strumień promieniowania podczerwonego w watach na metr kwadratowy (W/m²):

Liniowy trend OHC na głębokości od 0 do 700 m wynosił:

a) 0,15 ± 0,08 × 10²² J/rok (strumień energii: 0,09 ± 0,05 W/m²) w latach 1960–1991

b) 0,61 ± 0,04 × 10²² J/rok (strumień energii: 0,38 ± 0,03 W/m²) w latach 1992–2015.

Można wyciągnąć z tego wniosek, że trend ocieplenia oceanów na głębokości od powierzchni do 700 m, z lat 1992-2015 był czterokrotnie silniejszy niż w latach 1960–1991.

Liniowy trend OHC na głębokości od 700 do 2000 m wynosił:

a) 0,04 ± 0,08 × 10²² J/rok (strumień energii: 0,02 ± 0,05 W/m²) w latach 1960–1991

b) 0,37 ± 0,02 × 10²² J/rok (strumień energii: 0,23 ± 0,02 W/m²) w latach 1992–2015.

A tutaj z kolei na głębokości od 700 do 2000 m jest zaznaczony jeszcze większy wzrost, bo aż dziewięciokrotnie silniejszy w latach 1992-2015 niż w latach 1960–1991.

—

Rys.2. Globalne szeregi czasowe zmian OHC.

( A ) Wzrost zawartości ciepła (OHC) na głębokości od 0 do 700 m (niebieski kolor), od 700 do 2000 m (czerwony kolor) i od 0 do 2000 m (ciemnoszary kolor) od 1955 do 2015, jak uzyskano w tym badaniu, z niepewnością przedziału w standradowym odchyleniu ± 2σ pokazaną na zacienieniu. Wszystkie szeregi czasowe nowej analizy są wygładzane przez 12-miesięczny filtr średniej kroczącej w stosunku do okresu bazowego 1997–2005.

( B ) Nowe oszacowanie porównuje się z niezależnymi szacunkami NCEI z jego błędem standardowym (SE – Standard Error) jako linie przerywane. Zarówno OHC od 0 do 700 m, jak i OHC od 700 do 2000 m są pokazane od 1957 do 2014 r. Linia bazowa szeregów czasowych z NCEI jest dostosowywana do wartości bieżącej analizy w latach 2005–2014.

(Lijing Cheng i inni, 2017)

—

Jak widać, obserwujemy przyspieszone wprowadzanie ciepła do obu warstw oceanów, zarówno od 0 do 700 m, jak i od 700 do 2000 m. Przyspieszenie jest najprawdopodobniej związane z rosnącą nierównowagą energetyczną Ziemi (EEI – Earth’s Energy imbalance) w czasie.

Na prawym wykresie rysunku 59 pokazane jest porównanie badań zespołu Chenga z pomiarami Narodowego Centrum Informacji o Środowisku, czyli NCEI (National Centre Environment information) instytucji rządowej NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), w którym analiza oszacowania wzrostu zawartości cieplnej oceanów (OHC), dla głębokości w oceanach od 0 do 700 m i od 700 do 2000 m, ukazała wyraźniejszy trend długoterminowych zmian w latach 2005-2010.

Autorzy zauważyli też, że przyspieszone ocieplenie nastąpiło przede wszystkim w oceanach na półkuli południowej, w tym w Oceanie Południowym, zaobserwowane dzięki globalnym pomiarom temperatury przez pływaki autonomiczne w projekcie Argo od 2004 roku oraz dzięki satelitarnym pomiarom wzrostu poziomu morza od 1993 roku. Ogólnie, aktualne szacunki OHC wskazują, że trend ocieplania oceanów przyspieszył od 1960 roku.

Badania zespołu Chenga polegały na zapisie danych o temperaturze in situ ze Światowej Bazy Danych o Oceanie (WOD – World Ocean Database) dostępnego w Narodowym Centrum Informacji Środowiskowej (NCEP – National Centers for Environmantal Information), zastosowaniu metody mapowania, czyli optymalnej metody interpolacji zespołowej z zespołem dynamicznym (EnOI-DE) zapewnianym przez symulacje historyczne CMIP5, zastosowaniu metod podpróbkowych mających na celu uśrednienie anomalii temperatury w siatce 1° na 1° w okresie pracy podwodnych wyprofilowanych pływaków w sieci Argo, dla każdego wybranego miesiąca (styczeń i sierpień od 2007 do 2014 roku) oraz obliczenia statystyczne czasowej zmienności oceanu.

W sumie badania zespołu Chenga i NCEI wcześniej pokazały, że do lat 80 XX w. mniej więcej ocieplenie oceanów zatrzymywało się na głębokości około 700 m. Od tamtego czasu zaczęło przenikać głębiej. Dziś, jak już wiadomo, sięga do głębokości 2000 m. W każdym razie w trakcie globalnego zapylenia atmosfery (1950-1980) sygnał ocieplenia oceanów był nieznaczny. Teraz jest wyraźniejszy.

—

Referencje:

1. Levitus S. et al., 2012 ; World ocean heat content and thermosteric sea level change (0–2000 m), 1955–2010 ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2012GL051106
2. Cheng L. et al., 2017 ; Improved estimates of ocean heat content from 1960 to 2015 ; Science Advances ; https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.1601545

Torfowiska obecnie jeszcze nie są uwzględniane w ogólnych modelach klimatycznych (ESM – Earth System Model), dlatego coraz więcej naukowców zwraca szczególną uwagę na te niedocenione ekosystemy, które gdy są nienaruszone, to przechowują ogromne ilości węgla. A więc, wówczas są skutecznym pochłaniaczem i magazynem węgla na Ziemi. W serwisie Carbon Brief dowiadujemy się, że te ekosystemy potrafią zmagazynować około¹/₄ węgla glebowego (3%). Dwa razy więcej niż wszystkie drzewa na świecie ¹.

—

Fot.1. Krajobraz torfowiskowy w Wielkiej Brytanii (Fot. Mark Reed)

—

Torfowiska są specyficznymi ekosystemami, w połowie mającymi warunki tlenowe, i w połowie beztlenowe.

Pierwsze warunki są niezbędne do życia dla roślin, takich jak mchy i turzyce czy też rośliny okrytonasienne z rodziny wrzosowatych czy mięsożernych rosiczkowatych. Wszystkie te rośliny są przystosowane do kwaśnego środowiska w nawodnionej glebie, ale bardzo ubogiej w tlen, gdzie częściowo funkcjonują bakterie tlenowe.

Natomiast drugie warunki, już bez bakterii tlenowych, ale sprzyjające rozwojowi bakterii beztlenowych, są z kolei bardzo istotne do magazynowania węgla po obumarłych szczątkach roślin, zwłaszcza mchów torfowców. Dzięki temu węgiel w torfie nie ulega tak szybko utlenianiu do postaci dwutlenku węgla.

—-

Zespół naukowy Julie Loisel, adiunkt z Wydziału Geografii, na Uniwersytecie Texas A&M, w stanie Teksas w USA, przewiduje, że w obecnym wieku bilans węgla w torfowiskach zmieni się z pochłaniacza na źródło ².

Naukowcy stwierdzają ewidentny fakt:

Ekosystemy torfowiskowe są nadal pomijane w głównych modelach systemu Ziemi, które mogłyby być wykorzystywane w przyszłych prognozach zmian klimatu, i nie są uwzględniane w zintegrowanych modelach oceny, gdzie mogłyby być wykorzystywane w badaniach wpływu i łagodzenia zmian klimatu.

Wykorzystując dowody, zsyntetyzowane z literatury, i ekspertyzy, definiujemy i określamy ilościowo główne czynniki napędzające zmiany, które wpłynęły na zasoby węgla w torfowiskach w holocenie i przewidujemy ich skutki w tym stuleciu i w dalekiej przyszłości. Identyfikujemy również niepewności i luki w wiedzy w środowisku naukowym oraz zapewniamy wgląd w lepszą integrację torfowisk w ramach modelowania. Biorąc pod uwagę znaczenie wkładu torfowisk w globalny obieg węgla, niniejsze badanie pokazuje, że nauka o torfowiskach jest krytycznym obszarem badawczym i że wciąż czeka nas długa droga do pełnego zrozumienia powiązania torfowisko-węgiel-klimat.

W serwisie Carbon Brief  Angela Gallego-Sala i Julie Loisel, na temat powyższej pracy, napisały, że nie tylko zmiany klimatyczne zadecydują o przyszłym losie torfowisk. Autorki wymieniły następujące czynniki zmian, które mogą również odgrywać pewną rolę w zwiększeniu emisji dwutlenku węgla, takie jak, zmiana użytkowania gruntów, zanieczyszczenie atmosfery i wielkoskalowe pożary.

Główne czynniki zmian wpływające na globalny bilans węglowy torfowisk na całym świecie.

a) temperatura

Temperatura to główny czynnik powodujący akumulację węgla na północnych torfowiskach w holocenie. Ocieplenie może przyczynić się z jednej strony w niektórych regionach do wzrostu produktywności roślin i zakopywania torfu, a z drugiej strony w innych regionach do zwiększonego rozkładu i utraty węgla. Temperatura działa w parze z wilgocią. Torfowiska rozprzestrzeniły się na rozległych terenach podczas ocieplenia deglacjalnego i mogą rozprzestrzenić się w kierunku biegunów w scenariuszach ocieplenia.

b) atmosferyczne zanieczyszczenie

Rozkład azotu sprzyja produkcji roślinnej przyspieszając rozkład torfu. Zasugerowano próg, powyżej którego mech torfowy nie może już konkurować z ukorzenionymi roślinami (krzewami). Takie warunki doprowadziłyby do zmian w zbiorowiskach roślinnych i utraty odporności torfowisk. Podczas gdy pył mineralny i nawożenie CO₂ mogły zwiększyć produkcję biomasy z torfowisk, związki siarki spowodowały erozję torfu i zmiany wegetacji w częściach świata spalających węgiel.

c) poziom morza

Podnoszenie izostatyczne wytwarza nowe podłoża do ekspansji torfowisk. Podczas gdy szybki wzrost poziomu morza zalewa istniejące torfowiska, umiarkowane tempo wzrostu poziomu morza może dać czas torfowi by umożliwić gromadzenie dodatkowego materiału. Wiadomo również, że erozja wybrzeża towarzyszy podnoszeniu się poziomu morza.

d) pożar

Spalanie torfu prowadzi do bezpośrednich strat węgla roślinnego i torfowego. Po pożarze torfu może nastąpić szybkie odzyskanie węgla ze zwiększonej produkcji roślinnej. Jednak bardziej suche warunki mogą sprawić, że torfowiska będą bardziej podatne na ogień i zakłócenia, a także przyspieszą odwilż wiecznej zmarzliny. Torfowiska mają tendencję do regeneracji po pożarach, chociaż wzrost częstotliwości i/lub intensywności może prowadzić do głębszych blizn i trudniejszej regeneracji.

e) zmarzlina

Degradacja zmarzliny może prowadzić do jej zawalenia się i ponownego zwilżania gleb, co może stymulować produkcję roślinną i prowadzić do dużych emisji metanu. Jeśli woda z roztopu spłynie, oczekuje się, że będzie zwiększony rozkład torfu. Przejściowy pochłaniacz dwutlenku węgla można znaleźć tam, gdzie warunki są wystarczająco wilgotne, aby sprzyjać wzrostowi roślin i zakopywaniu torfu.

f) wilgoć

Wilgotność powierzchni i równowaga wilgoci kontrolują zbiorowiska roślinne, co z kolei wpływa na stosunek dwutlenku węgla do metanu, emitowanych gazów cieplarnianych do atmosfery. Równowaga wilgoci jest ściśle powiązana z hydrologią torfowisk, produktywnością roślin i rozkładem torfu, na które wpływ ma również temperatura.

g) użytkowanie gruntu

Odwadnianie i przebudowa torfowisk, na potrzeby rolnictwa, hodowli lasu, żniw i innych zastosowań, prowadzi do utraty zdolności do magazynowania węgla. W wielu przypadkach duże straty węgla do atmosfery następują również w wyniku wzmożonego rozkładu torfu. Przyjęcie międzynarodowych porozumień lub rozporządzeń dotyczących wykorzystania torfu może prowadzić do wdrożenia praktyk renaturyzacyjnych i systemów ochrony, które mogą powstrzymać utratę węgla.

—

W powyższym artykule autorki zebrały opinię ekspertów na temat torfowisk, które z jednej strony, gdy są zachowane, pochłaniają i magazynują węgiel, a z drugiej strony, gdy są degradowane, wydzielają dwutlenek węgla do atmosfery. Następnie klimatolożki zbadały jak zmienił się pochłaniacz dwutlenku węgla na torfowiskach w okresie holocenu w ciągu ostatnich 10 000 lat i jak prawdopodobnie zmieni się w przyszłości w coraz cieplejszym świecie.

—

Fot.2. Widok na torfowisko kocowe na Migneint w Ysbyty Ifan, Snowdonia (National Trust Images/John Miller)

—

Ogólnie opinie ekspertów w tej sprawie są różne, ale prawie wszyscy zgadzają się z tym, że w obecnym stuleciu, przy dalszej kontynuacji emisji gazów cieplarnianych, torfowiska zmienią się z pochłaniacza dwutlenku węgla na jego źródło – głównie ze względu na skutki zmian klimatu i wpływ działalności człowieka na tropikalnych torfowiskach.

Ponadto badaczki tego artykułu zauważyły, że jednym z czynników ograniczających zrozumienie, jak zmienią się torfowiska, jest fakt, że nie są one obecnie uwzględniane w modelach systemu Ziemi (ESM – Earth System Model), które część naukowców już wykorzystuje do prognozowania zmian klimatu. Jednak to powinno się jak najszybciej zmienić, co podkreśla zespół naukowy Julie Loisel.

W sumie jest to spowodowane tym, że nie są owe czynniki spostrzegane jako odgrywające ważną rolę w obiegu węgla. Częściowo dlatego tak jest, że w większości na planecie torfowiska powoli pochłaniają dwutlenek węgla, budując je przez tysiące lat. Ale i również dlatego, że bardzo często uważano je za „obojętne” magazyny dwutlenku węgla.

Teraz większość specjalistów, zajmujących się badaniami zmian klimatu, dostrzegła, że gdy torfowiska są stabilne, to są one bardzo istotnymi magazynami węgla. Gdy jednak są degradowane, to wysuszane i narażone na długotrwałe okresy fal upałów i susz, coraz częściej są podatne na pożary torfu, jak na przykład w południowo-wschodniej Azji, w Kanadzie, Rosji, a nawet w Wielkiej Brytanii. Procesy te nasilają ocieplenie klimatu, gdyż ogień bardzo często doprowadza do tego, że węgiel z torfu szybko utlenia się i wydziela do atmosfery w postaci dwutlenku węgla czy też ulatnia się do atmosfery w postaci beztlenowej jako metan, którego cząsteczka ma 28 razy silniejszy potencjał cieplarniany niż cząsteczka CO₂ w horyzoncie czasowym 100 lat.

—

Referencje:

1. Gallego-Sala A. V. et al., 2020 ; Guest post: How human activity threatens the world’s carbon-rich peatlands ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/guest-post-how-human-activity-threatens-the-worlds-carbon-rich-peatlands
2. Loisel J. et al., 2020 ; Expert assessment of future vulnerability of the global peatland carbon sink ; Nature Climate Change ; https://www.nature.com/articles/s41558-020-00944-0

Gleby na świecie zawierają od dwóch do trzech razy więcej węgla niż atmosfera, a wyższe temperatury przyspieszają w niej rozkład materii organicznej. Proces ten prowadzi w niektórych regionach nie tylko do zmniejszenia pochłaniania netto dwutlenku węgla przez gleby, ale i nawet niektóre z nich powoli stają się źródłem netto.

—

Fot.1. Pustynia Sarigua, na zachód od miasta Panama w Panamie, widziana po nadmiernym wypasie zwierząt gospodarskich i utracie wierzchniej warstwy gleby w wyniku erozji. Zdjęcie: Tomas Munita/AP

—

Zespół międzynarodowy, którym kierowała Rebecca M. Varney z Uniwersytetu w Exeter, przedstawił, za pomocą zestawu modeli CMIP5 i CMIP6, w swoich badaniach wyniki obliczeń, że globalne ocieplenie Ziemi o 2°C doprowadziłoby do uwolnienia około 230 miliardów ton węgla ze wszystkich gleb na świecie ¹.

Współautorka niniejszego badania dr Sarah Chadburn z Uniwersytetu w Exeter w serwisie Science Daily powiedziała ²:

Nasze badanie wyklucza najbardziej ekstremalne prognozy – niemniej jednak sugeruje znaczne straty węgla w glebie spowodowane zmianami klimatu przy ociepleniu zaledwie o 2°C, a nie obejmuje to nawet strat węgla z głębszej wiecznej zmarzliny.

Klimatolodzy zauważają, że reakcja węgla w glebie na zmianę klimatu jest największym obszarem niepewności w zrozumieniu cyklu węgla w prognozach dotyczących zmiany klimatu.

—

Rys.1. Przestrzenna zmienność czasu obiegu węgla w glebie wywnioskowana z obserwacji. Mapy: a) obserwowana ilość węgla glebowego (Cs – Carbon soil) w kilogramach do głębokości 1 m na obszarze 1 metra kwadratowego (kg C/m²) b) obserwowane oddychanie heterotroficzne gleby (wartość Rh,0 – średnią z dekady 1995–2005) w kilogramach do głębokości 1 m na obszarze 1 metra kwadratowego w ciągu roku (kg C/m²/yr) c) wywnioskowany zlogarytmizowany czas obrotu węgla w glebie (log τs = C_s/R_h) (Rebecca Varney i inni, 2020).

—

Aby temu zadaniu sprostać, naukowcy wykorzystali nową kombinację danych obserwacyjnych do modeli systemu Ziemi, które symulują klimat oraz obieg węgla, a następnie prognozują zmiany klimatu.

Główna autorka badania Rebecca Varney z University of Exeter, stwierdziła w serwisie Science Daily:

Zbadaliśmy, w jaki sposób węgiel w glebie jest powiązany z temperaturą w różnych miejscach na Ziemi, aby określić jego wrażliwość na globalne ocieplenie.

—

Najnowocześniejsze modele dotąd sugerowały niepewność, która wynosiła około 120 miliardów ton utraty węgla (+/-) przy średnim globalnym ociepleniu o 2°C powyżej okresu bazowego 1850-1900.

Badanie powyższego artykułu zmniejszyli tę niepewność do około 50 miliardów ton węgla.

Współautor badania, profesor Peter Cox z Instytutu Globalnych Systemów (GSI – Global Systems Institute) w Exeter, powiedział w Science Daily:

Zmniejszyliśmy niepewność związaną z reakcją na zmianę klimatu, która jest niezbędna do obliczenia dokładnego globalnego budżetu węglowego i pomyślnego osiągnięcia celów porozumienia paryskiego.

—-

Andrew T. Notthingham z Instytutu Tropikalnych Badań Smithsonian (STRI –  Smithsonian Tropical Research Institute) na Uniwersytecie w Edynburgu, wraz ze swoim zespołem badawczym, odkrył, że nagrzewające się coraz cieplejsze gleby tropikalne uwalniają coraz więcej węgla, a to ma wpływ na zmienianie się gatunków drobnoustrojów glebowych, które jeszcze silnie zwiększają swoją aktywność mikrobiologiczną. Dalsze nagrzewanie się gleb, tylko przyspieszy proces ten ³.

Andrew Nottingham, główny autor pracy, powiedział na łamach Science Daily:

Jeśli przyjąć obecne prognozy wzrostu globalnych temperatur o 4-8 stopni Celsjusza w następnym stuleciu, gleby tropikalne mogą spowodować około 9% wzrost atmosferycznego dwutlenku węgla w tym stuleciu.

Natomiast Patrick Meir, z Narodowego Uniwersytetu Australijskiego i Uniwersytetu Edynburgu w Szkocji, jeden z głównych badaczy projektu dodał:

Los węgla w glebie w odpowiedzi na globalne ocieplenie pozostaje jednym z największych źródeł niepewności w naszych prognozach dotyczących przyszłego klimatu. Gleby tropikalne mają szczególnie duży wpływ na globalny obieg węgla i są siedliskiem wyjątkowej różnorodności biologicznej, ale ich reakcja na ocieplenie pozostaje słabo poznana.

Ogólnie w badaniach zmiany klimatu w tropikach, wpływ roślinności  na potencjał uwalniania węgla do atmosfery jest lepiej zbadany niż dynamiki gleb oraz działalności drobnoustrojów glebowych.

Nottingham wraz ze swoimi naukowcami przeprowadzili interesujący eksperyment w peruwiańskich Andach. Mianowicie, badacze zostawili obszar kontrolny na pośrednich wysokościach górskich, ale też pobrali w czterech miejscach rdzenie gleb z tego obszaru, i dalej, zamieścili je po dwa: 3000 metrów wyżej, gdzie jest chłodniej o 4-15°C i o 3000 metrów niżej, gdzie jest cieplej o 4-15°C .

Badacze zauważyli, że poziom węgla w glebie spadał w ciągu monitorowanych 5 lat o 4% w odpowiedzi na każdy wzrost temperatury o 1°C. Całkowita utrata węgla miała związek z jego pierwotną ilością oraz niestabilnością, a także była wzmocniona zmianami w fizjologii drobnoustrojów glebowych, w tym również ze zwiększoną wydajnością wykorzystania węgla przez te mikroorganizmy, a także z przesunięciami taksonów danych gatunków drobnoustrojów w kierunku adaptacji ewolucyjnej w siedliskach glebowych na niżej i wyżej położonych terenach górskich lasów tropikalnych, na których nastąpił także wzrost temperatury lokalnej wraz ze zwiększoną aktywnością enzymów hydrolitycznych w organizmach tychże mikroorganizmów.

Czyli reasumując, modele klimatyczne przewidują, że utrata węgla z ocieplających się gleb będzie w dużym zakresie zależna od dynamiki fizjologii drobnoustrojów.

Po przeprowadzonym badaniu Nottingham zauważył:

Nasze badanie jasno pokazuje, że globalne ocieplenie prawdopodobnie stworzy potężną pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego, ponieważ mikroby i enzymy, które są syntetyzowane przez nie, rozwijają się w cieplejszych warunkach i wówczas uwalniają jeszcze więcej węgla z gleby do atmosfery.

Musimy skorzystać z eksperymentów terenowych, aby dokładniej to zbadać, zwłaszcza w nizinnych lasach tropikalnych.

Z kolei Ben Turner, współautor i pracownik naukowy STRI podsumował wypowiedź dla Science Daily ⁴:

Ilościowe określenie prawdopodobnej emisji dwutlenku węgla z ocieplających się gleb to duży krok naprzód, możliwy dzięki długoterminowej współpracy międzynarodowej.

Badanie to wskazuje, że gleby tropikalne mogą być znaczącym źródłem węgla do atmosfery, sprzyjając dalszemu wzrostowi temperatury.

—

Referencje:

1. Varney R. M. et al., 2020 ; A spatial emergent constraint on the sensitivity of soil carbon turnover to global Warming ; Nature Communications ; https://www.nature.com/articles/s41467-020-19208-8
2. University of Exeter, 2020 ; Warming of 2°C would release billions of tons of soil carbon ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2020/11/201102072915.htm
3. Nottingham A. T. et al., 2019 ; Microbial responses to warming enhance soil carbon loss following translocation across a tropical forest elevation gradient ; Ecology Letters ; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/ele.13379
4. Smithsonian Tropical Research Institute, 2019 ; Microbial responses to warming enhance soil carbon loss following translocation across a tropical forest elevation gradient ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2019/09/190930161925.htm

Chmury dają wysoką niepewność. Symulacje komputerowe modeli wskazują, że przy obecnych albo wyższych emisjach gazów cieplarnianych może dojść do nieprzewidzianych zmian klimatu przyśpieszających wzrost globalnej temperatury.

—

Fot.1. Rola chmur w klimacie (w uproszczeniu):

– chmury wysokie (lewa część rysunku) przepuszczają większość padającego na nie promieniowania słonecznego (żółte strzałki), ale zatrzymują wypromieniowywane przez Ziemię promieniowanie podczerwone (czerwone strzałki), powodując wzrost średnich temperatur,

– chmury niskie (prawa część rysunku) silnie rozpraszają promieniowanie słoneczne, powodując spadek średnich temperatur powierzchni Ziemi. Zdjęcia chmur dzięki uprzejmości NASA (Aleksandra Kardaś, 2014) ¹.

—

Coraz wyższy wzrost temperatury w atmosferze sprawia, że niska graniczna atmosfera „wysycha”, na co zwrócił uwagę już w 2014 roku Steven Sherwood z Centrum Badań nad Zmianą Klimatu i Centrum Doskonałości ARC dla Nauk o Systemie Klimatu na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii w Sydney wraz ze swoimi współpracownikami: Sandrine Bony i Jeanem-Louisem Dufresne z Laboratorium Dynamicznej Meteorologii i z Instytutu im. Pierre’a Laplace’a na Uniwersytecie Pierre’a i Marii Curie (LMD/IPSL) w Paryżu ².

Przyczyną jest zanikanie tworzenia stratocumulusów, głównie nad oceanami, z powodu mieszania się powietrza z różnych warstw atmosfery i zapobiegania tworzenia się głębokiej konwekcji, co z kolei skutkuje tym, że para wodna wędruje na wyższe wysokości, gdzie się ona skrapla i tworzy więcej chmur średnich i wysokich dających mniej deszczu i słabsze albedo niż chmury niskie. Oznacza to, że sprzężenie zwrotne jest dodatnie, dające większy efekt ocieplenia klimatu.

—

Rys.1. Struktura średniego miesięcznego wzrostu troposferycznego ujawnia mieszanie się niższych warstw troposferycznych na dużą skalę w obserwacjach i modelach (Steven Sherwood i inni, 2014).

—

Na powyższym rysunku, na mapach, pokazana jest prędkość wzrostu ciśnienia ω w ciągu jednego miesiąca (wrzesień), na podstawie wartości podanych z: a) reanalizy MERRA , b) modelu IPSL-CM5A i c) modelu IPSL-CM5B , przy ciśnieniu 850 hPa (kolor czerwony) oraz przy ciśnieniu 500 hPa (kolor niebiesko-zielony).

Kolor jasnoczerwony oznacza wznoszenie, które które jest obciążone w kierunku niższej troposfery z dywergencją (rozbieżnością) środkowej troposfery. Z kolei jaśniejsze kolory oznaczają głębokie wznoszenie, a ciemniejsze opadanie. Na panelu czarne linie zarysowują region, w którym obliczany jest indeks mieszania D w niższej troposferze na dużą skalę. Region międzytropikalnej strefy konwergencji Pacyfiku i Atlantyku są konsekwentnie czerwone w reanalizach i modelach, podczas gdy pojedyncze czerwone plamy w innych mają tendencję do zmiany w czasie.

Jeszcze w trakcie ukazania się V Raportu Oceny IPCC (2013-14) dla decydentów, autorzy powyższej pracy na jej wstępie tak napisali:

Równowagowa czułość klimatu odnosi się do ostatecznej zmiany średniej globalnej temperatury w odpowiedzi na zmianę wymuszeń zewnętrznych. Pomimo dziesięcioleci badań próbujących zawęzić niepewność, szacunki równowagowej czułości klimatu, na podstawie modeli klimatycznych, nadal obejmują około 1,5 do 5 stopni Celsjusza, co oznacza podwojenie stężenia dwutlenku węgla w atmosferze, uniemożliwiając dokładne prognozy przyszłego klimatu. Rozprzestrzenianie się wynika w dużej mierze z różnic w sprzężeniu zwrotnym z niskich chmur, z powodów, które nie zostały jeszcze poznane.

Tutaj pokazujemy, że różnice w symulowanej sile mieszania konwekcyjnego między dolną i środkową troposferą zwrotnikową wyjaśniają około połowy wariancji czułości klimatu oszacowanej przez 43 modele klimatyczne. Pozornym mechanizmem jest to, że takie mieszanie powoduje odwodnienie warstwy granicznej niskich chmur, w tempie, które wzrasta wraz z ociepleniem klimatu, a ta szybkość wzrostu zależy od początkowej siły mieszania, łącząc mieszanie ze sprzężeniem zwrotnym z chmurami.

Mieszanie wywnioskowane z obserwacji wydaje się być wystarczająco silne, aby sugerować czułość klimatyczną większą niż 3 stopnie na podwojenie dwutlenku węgla. Jest to znacznie wyższa wartość niż obecnie akceptowana dolna granica 1,5 stopnia, co ogranicza prognozy modelowe w kierunku stosunkowo poważnego przyszłego ocieplenia.

—

Joel Norris z Instytutu Oceanografii im. Scrippsa (Scripps Institution of Oceanography) na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, w Ja Jolla, wraz ze swoim zespołem badawczym, dzięki badaniom satelitarnym, stwierdził, że wraz z dalszym wzrostem globalnej temperatury chmury wędrują też wzdłuż szerokości geograficznych ³.

—

Fot.2. Zmiany wzorców chmur w ciągu ostatnich trzech dekad, które prawdopodobnie miały wpływ na ocieplenie planety, są zsynchronizowane z symulacjami modeli klimatycznych. Zdjęcie dzięki uprzejmości NASA Goddard Space Flight Center.

—

Naukowcy zaobserwowali trzy zmiany istotne względem przesuwania się chmur. Mianowicie; z obszarów suchych subtropikalnych, jak pustynie: Sahara na północnej półkuli i Kalahari na południowej półkuli, chmury przesuwają się w kierunku biegunów. Również z obszarów średnich szerokości geograficznych, tez na obu półkulach, tory burzowe także przesuwają się w kierunku biegunów, co obserwują satelity. Wniosek z tego wypływa taki, że mniejsze zachmurzenie nad oceanami sprawi, że więcej energii słonecznej pochłoną oceany, jeszcze bardziej przyczyniając się do globalnego ocieplenia.

Ponadto badacze stwierdzili, że coraz cieplejsza atmosfera sprawia, że w niej tworzy się coraz więcej chmur na większych wysokościach. A to oznacza, że noce w pochmurne dni będą jeszcze bardziej gorące, gdyż mniej promieniowania w zakresie fal w podczerwieni będzie uchodzić w przestrzeń kosmiczną.

Joel Norris dla Carbon Brief wyjaśnił ⁴:

Chmury ograniczają również emisję termicznego promieniowania podczerwonego w przestrzeń kosmiczną – dlatego pochmurne noce są cieplejsze niż pogodne noce. Wzrost wierzchołka chmur skutecznie zagęści „koc chmur” i zmniejszy emisję termicznego promieniowania podczerwonego w przestrzeń kosmiczną, co również doprowadzi do większego globalnego ocieplenia.

Autorzy powyższej pracy na jej wstępie piszą:

Tutaj pokazujemy, że kilka niezależnych, empirycznie skorygowanych zapisów satelitarnych wykazuje wielkoskalowe wzorce zmian chmur między latami 80 a 2000 latami., które są podobne do tych wytwarzanych przez modelowe symulacje klimatu z niedawnym historycznym zewnętrznym wymuszeniem radiacyjnym.

Obserwowane i symulowane wzorce zmian chmur są zgodne z wycofywaniem się w kierunku biegunów torów burzowych na średnich szerokościach geograficznych, rozszerzaniem się subtropikalnych stref suchych i rosnącą wysokością najwyższych wierzchołków chmur na wszystkich szerokościach geograficznych.

Wydaje się, że głównymi czynnikami tych zmian w chmurach są rosnące stężenia gazów cieplarnianych i wpływ wulkanicznego chłodzenia radiacyjnego. Wyniki te wskazują, że zmiany chmur najbardziej konsekwentnie przewidywane przez globalne modele klimatyczne zachodzą obecnie w przyrodzie.

—

Z pracy naukowej, której autorami są Jenny Bjordal ,Trude Storelvmo i Tim Carlsen z Wydziału Nauk o Ziemi na Uniwersytecie w Oslo oraz Kari Alterskjær z Centrum Międzynarodowych Badań Klimatu i Środowiska (CICERO) również w Oslo, dowiadujemy się, że chociaż niskie chmury uwodnione dają większy efekt albedo ochładzając klimat aniżeli te same wysokie chmury lodowe, to i tak gdy ocieplenie klimatu sprawia, że tych drugich ubywa, to tych pierwszych jednak nie przybywa na tyle dużo by było znacząco duże zachmurzenie i opady deszczu ⁵.

—

Rys.2. Przestrzenny rozkład optycznego sprzężenia zwrotnego głębokości netto (w watach na metr kwadratowy na stopień Kelvina) dla a) pierwszych 15 lat i b) ostatnich 15 lat dla 150-letniej symulacji (2020-2170) po czterokrotnym zwiększeniu CO₂ za pomocą modelu CESM2. Cieniowanie wskazuje na dodatnie (czerwone) i ujemne (niebieskie) sprzężenie zwrotne (Jenny Bjordal i in., 2020).

—

Naukowcy tych cennych informacji na temat zmienności chmur dowiedzieli się dzięki symulacjom środowiskowego modelu systemu Ziemi w fazie 2 (CESM2 – Community Earth System Model phase 2), w okresie przyszłych 150 lat, który oszacował średnio równowagową czułość klimatu (ECS – Equilibrium Climate Sensitivity) na 5,3 stopnia Celsjusza.

Na podstawie powyższego rysunku, dr Tim Carlsen, współautor badania, w serwisie Carbon Brief zwrócił szczególną uwagę na dynamikę sprzężenia zwrotnego chmur ⁶:

Nasze symulacje rzeczywiście pokazują, że za wysokiemu ECS odpowiada ogólnie całkowite dodatnie sprzężenie zwrotne chmur. Ale w szczególności pokazują te symulacje, że dodatnie sprzężenie zwrotne w chmurze wzmacnia się z czasem.

Aby to zrozumieć, musimy przyjrzeć się różnym wkładom w sprzężenie zwrotne chmur. W naszych symulacjach zmiany wysokości chmur (21%) i ilości chmur (16%) mogą wyjaśnić tylko niewielką część zmiany sprzężenia zwrotnego. Głównym czynnikiem przyczyniającym się do tego jest zmiana ilości światła słonecznego odbijanego przez chmurę, która jest również znana jako „głębokość optyczna” chmur (63%).

Głębokość optyczna chmur zależy głównie od całkowitej ilości wody w chmurze i jej fazy. Byliśmy w stanie zidentyfikować Ocean Południowy jako region, w którym nastąpi większość zmian głębokości optycznej.

W pierwszej dekadzie symulacji głębokości optycznej sprzężenia zwrotnego nad Oceanem Południowym było silnie ujemne. Widać to po ciemnoniebieskim cieniowaniu regionu na górnej mapie poniżej. Nie jest to zaskoczeniem, ponieważ wiadomo, że Ocean Południowy obfituje w chmury o mieszanych fazach. Jeśli przypomnimy sobie nasz wcześniejszy eksperyment myślowy, w chmurach jest dużo lodu, który po ociepleniu staje się płynny, zwiększając w ten sposób głębokość optyczną chmur i ochładzając powierzchnię.

Analizując złożoną i chaotyczną dynamikę chmur w systemie klimatycznym Ziemi od 2020 do do 2170 roku, badacze oszacowali, że w ciągu pierwszego okresu 15 lat jeszcze jest umiarkowana przewaga dodatnich sprzężeń zwrotnych nad ujemnymi, ale gdy badacze wzięli pod obserwację w symulacjach ostatni okres 15 lat (już w 2 połowie XXII w.), to dodatnie sprzężenia zwrotne bardzo wyraźnie przeważają nad ujemnymi.

Symulacje CESM2 pokazały, że po 150 latach ujemne sprzężenie zwrotne prawie zniknęło na Oceanie Południowym (które dziś jeszcze przeważa w tamtym regionie Ziemi), za to już pojawiło się.

Ogólnie mówiąc, w drugiej połowie XXII wieku może wystąpić wyższa równowagowa czułości klimatu z powodu spadku niskiego zachmurzenia. I w takim razie można wyciągnąć taki wniosek, że rośnie ona wraz z dalszym zmniejszaniem się ilości niskich chmur uwodnionych.

Aczkolwiek paradoksalnie, gdy w chłodniejszym klimacie mieliśmy więcej wysokich chmur lodowych słabiej odbijających promienie słoneczne, a silniej absorbujących promieniowanie podczerwone, wówczas ilość takich chmur dramatycznie spadła, zwłaszcza nad oceanami. A na ich miejsce pojawiła się większa ilość niskich chmur uwodnionych powodujących silniejsze ochłodzenie klimatu.

Jednak obecnie, gdy klimat ociepla się, naukowcy zaobserwowali, że gdy ubywa chmur lodowych, toteż zaczęło jeszcze szybciej ubywać chmur uwodnionych. Dlatego też czułość klimatu według zestawu modeli CMIP6 jest obliczana na 5-6 stopni Celsjusza powyżej okresu 1850-1900, z powodu narastania dodatniego sprzężenia zwrotnego, właśnie z przyczyny zanikania wspomnianych chmur uwodnionych.

—

Jedna z najnowszych prac na temat interakcji: chmura – aerozol, wskazuje na podstawie symulacji modelowania chmur, że równowagowa czułość klimatu (ECS), którą pokazuje większość modeli z zestawu CMIP6, jest nie tylko wyższa niż w poprzednim zestawie CMIP5, ale również to, że pokazuje podobne efekty równoważenia się emisji dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych w kontrze do chłodzących emisji aerozoli, ale tylko przez większą część XX wieku.

Chenggong Wang i Gabriel Vecchi z Programu Nauk Atmosferycznych i  Oceanicznych na Uniwersytecie w Princeton, Brian Soden ze Szkoły Nauk Morskich i Atmosferycznych im. Rosenstiela na Uniwersytecie w Miami oraz Wenchang Yang z Wydziału Nauk o Ziemi na Uniwersytecie w Princeton dokonali w swojej pracy badawczej analizy w okresie 1850-2014 na podstawie przeprowadzonych symulacji dziewięciu modeli B9 i dziewięciu modeli T9 ⁷.

Naukowcy wykonali niezależny dwupróbkowy test studenta t, aby rozróżnić statystycznie istotne cechy w tychże modelach. I zaobserwowali, że kompensacja w interakcji: gazy cieplarniane – aerozole, nie występuje w przyszłych scenariuszach emisji gazów cieplarnianych (GHG – Greenhouse Gases), w których przewiduje się, że emisje aerozoli ulegną zmniejszeniu w miarę dalszego wzrostu CO₂ i innych gazów cieplarnianych. A więc, oznaczać to będzie zmaksymalizowanie dodatniego sprzężenia zwrotnego w przyszłości przy kontynuacji obecnych emisji według scenariusza „biznes jak zwykle”.

—

Rys.3. Na panelach a) i b) jest zaprezentowana modelowana (T9 i B9) i obserwowana (GISTEMP) zmiana temperatury powierzchni (Chenggong Wang i inni, 2021).

—

Na powyższym rysunku, modele o mniejszej czułości na klimat są bardziej zgodne z obserwowanymi różnicami temperatur, szczególnie między półkulą północną i południową.

Oba wykresy przedstawiają:

a) zmiany rocznej średniej temperatury powierzchni

b) zmiany różnicy temperatur między półkulą północną i południową w latach 1850-2000

Czerwona linia reprezentuje modele T9 o wysokiej czułości na klimat, a niebieska linia reprezentuje modele B9 o niskiej czułości na klimat.

Czarna linia pokazuje obserwowane fluktuacje temperatury zebrane przez NASA Goddard Institute for Space Studies projekt analizy temperatury powierzchni, które są bardziej zbliżone do niebieskiej linii, jeśli chodzi o temperaturę między półkulami.

Szare tła wskazują lata, w których różnice między modelami o wysokiej i niskiej czułości na klimat są znaczące.

Na lewym panelu rysunku, ukazany jest parametr ΔTs , czyli przyrost temperatury powierzchni w stopniach K (Kelwina). Natomiast prawy panel przedstawia dodatkowo skróty  NH-SH (północna półkula-południowa półkula).

Do obliczenia siły sprzężenia zwrotnego chmur, naukowcy zastosowali tzw. jądra radiacyjne wzięte z modelu GFDL (Brian Soden i inni, 2008), w celu uzyskania odpowiedzi radiacyjnej na szczycie atmosfery (TOA – Top of Atmosphere) wymuszonej zmianami temperatury, pary wodnej, albedo powierzchni i chmur.

Modele klimatyczne dotychczas pokazywały, że większa ilość aerozoli jest na półkuli północnej, aniżeli na południowej, co jest sprzeczne z obserwacjami, wykonanymi na podstawie globalnej analizy obserwacji temperatury powierzchni, wziętej z danych GISS Surface Temperature Analysis version 4 (GISTEMP v4).

Ze względu na większy efekt chłodzenia w interakcji: aerozol – chmura (ACI – Aerosol, Cloud – Interaction), modele T9 (czerwona linia) symulują nieco chłodniejsze anomalie temperatury powierzchni od połowy do końca XX wieku w porównaniu z modelami B9 (niebieska linia), pomimo, że modele T9 mają bardziej dodatnie sprzężenie zwrotne chmur i wyższą równowagową czułość klimatu (ECS).

Chociaż, jak piszą autorzy w pracy, ta różnica między anomalią temperatury powierzchni w modelach B9 i T9 jest niewielka, to jest ona uśredniona globalnie. Asymetria obu półkul Ziemi pod względem historycznego wymuszania aerozolu powoduje z kolei znaczne różnice asymetryczne w ociepleniu międzypółkulowym.

Na podstawie symulacji komputerowych zespół naukowy Chenggonga Wanga podał informację w swojej publikacji, że dalszy wzrost temperatur pod koniec XX wieku ukazał, że asymetria międzypółkulowa w ewolucji temperatur pod koniec XX wieku odróżnia modele T9 i B9. Te pierwsze pokazały symulacje bardziej nagrzanej półkuli południowej (SH – Southern Hemisphere) niż północnej (NH – Northern Hemisphere) w ostatnim stuleciu, na podstawie nie tylko silniejszego sprzężenia zwrotnego chmur, ale i pośredniego efektu aerozolowego w interakcji z nimi, co jest sprzeczne z wynikami pomiarowymi na podstawie obserwacji. Z kolei, te drugie, pokazały symulacje, w których wprawdzie jest słabsze sprzężenie zwrotne chmur, ale i też pośredni efekt aerozolowy jest mniejszy, co jest bardziej zgodne z obserwacjami.

Symulacje pokazały, że różnice w asymetrii ocieplenia, między obu półkulami, pomiędzy modelami T9 i B9 są szczególnie wyraźne w latach 1950-2000.

Podsumowując temat, naukowcy odkryli, że modele o niższej czułości klimatycznej są bardziej zgodne z obserwowanymi różnicami temperatury między półkulą północną i południową, a zatem stanowią dokładniejszy obraz przewidywanej zmiany klimatu niż nowsze modele z wyższą czułością klimatu.

Badanie zostało wsparte przez inicjatywę łagodzenia emisji dwutlenku węgla (CMI) z siedzibą w Instytucie Środowiskowym High Meadows (HMEI – High Meadows Environmental Institute) w Princeton.

Współautor powyższej pracy Gabriel Vecchi, profesor nauk o Ziemi w Princeton i High Meadows Environmental Institute oraz główny badacz w CMI w serwisie Eurekalert, tak powiedział ⁸:

Większa czułość klimatu wymagałaby oczywiście znacznie bardziej agresywnego ograniczania emisji dwutlenku węgla.

Społeczeństwo musiałoby znacznie szybciej zmniejszyć emisje dwutlenku węgla, aby osiągnąć cele porozumienia paryskiego i utrzymać globalne ocieplenie poniżej 2 stopni Celsjusza. Zmniejszenie niepewności czułości klimatu pomaga nam opracować bardziej niezawodną i dokładną strategię radzenia sobie ze zmianami klimatu.

 —

Referencje:

1. Kardaś A., 2014 ; Chmury, klimat i przyśpieszony wzrost temperatur ; Nauka o klimacie ; https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/chmury-klimat-i-przyspieszony-wzrost-temperatur-32/
2. Sherwood S. C. et al., 2014 ; Spread in model climate sensitivity traced to atmospheric convective mixing ; Nature ; https://www.nature.com/articles/nature12829
3. Norris J. R. et al., 2016 ; Evidence for climate change in the satellite cloud record ; Nature ; https://www.nature.com/articles/nature18273
4. McSweeney R., 2016 ; Shifting global cloud patterns could amplify warming, study says ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/shifting-global-cloud-patterns-could-amplify-warming-study-says
5. Bjordal J. et al., 2020 ; Equilibrium climate sensitivity above 5°C plausible due to state-dependent cloud feedback ; Nature Geoscience ; https://www.researchgate.net/publication/344890474_Equilibrium_climate_sensitivity_above_5_C_plausible_due_to_state-dependent_cloud_feedback
6. Carlsen T. et al., 2020 ; Guest post: How declining ice in clouds makes high ‘climate sensitivity’ plausible ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/guest-post-how-declining-ice-in-clouds-makes-high-climate-sensitivity-plausible
7. Wang C. et al., 2021 ; Compensation Between Cloud Feedback and Aerosol-Cloud Interaction in CMIP6 Models ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2020GL091024
8. Princeton University, 2021 ; High end of climate sensitivity in new climate models seen as less plausible ; EurekAlert ; https://www.eurekalert.org/news-releases/820279

Metan

Metan (CH₄) to cząsteczka składająca się z atomu węgla (C) i czterech atomów wodoru (H₄).

Według danych z Narodowej Administracji Oceaniczno-Atmosferycznej (NOAA – National Oceanic and Atmospheric Administration), atmosferyczna koncentracja tego gazu, od początku rewolucji przemysłowej do dziś, wzrosła od około 772,2 ppb (parts per bilion – cząsteczki metanu na miliard cząsteczek powietrza atmosferycznego) do 1892,3 ppb, czyli o około 160%.

Według unijnej Europejskiej Komisji (EU – European Commision), chociaż globalny potencjał cieplarniany (GWP – Global Warming Potential) cząsteczki metanu jest 28 razy silniejszy w stuletnim horyzoncie czasowym niż cząsteczki dwutlenku węgla, to trzeba pamiętać, że żywot takiej molekuły CH₄ w atmosferze wynosi średnio najwyżej 12 lat. Potem w wielu reakcjach chemicznych, głównie z rodnikami hydroksylowymi OH, jest ona przekształcana w molekułę dwutlenku węgla, która z kolei ma bardzo ważne znaczenie w cyklu węglowym.

—

Rys.1. Wzór strukturalny i model cząsteczki metanu (Wikipedia)

—-

Dzięki pracy zespołowej Marielle Saunois, z Laboratorium Nauk o Klimacie i Środowisku w Instytucie Pierre’a Simona Laplace’a w Paryżu, dowiadujemy się, że najprawdopodobniej głównym motorem niedawnego gwałtownego wzrostu globalnych stężeń metanu jest wzrost emisji głównie z rolnictwa i gospodarki odpadami ¹.

Podział źródeł emisji antropogenicznych metanu jest następujący:

a) 30% z fermentacji jelitowej i gospodarowania obornikiem

b) 22% z wydobycia i wykorzystania ropy i gazu

c) 18% z utylizacji odpadów stałych i płynnych

d) 11% z wydobycia węgla

e) 8% z uprawy ryżu

f) 8% ze spalania biomasy i biopaliw.

g) 3% z transportu (np. transportu drogowego) i przemysłu

—

Rys.2. Stężenie metanu w obserwatorium NOAA Mauna Loa do lipca 2021 r.: Rekordowy poziom 1912 ppb został osiągnięty w grudniu 2020 r. (Wikipedia)

—

Na półkuli północnej 64% globalnych emisji metanu pochodzi z tropików, 32% ze średnich szerokości geograficznych i tylko 4% z wysokich szerokości geograficznych ².

—

Wyniki pracy zespołowej przedstawione przez Roba Jacksona, z wydziału Nauk o Energii i Środowisku na Uniwersytecie Ziemi w Stanford, mówią wyraźnie, że w skali globalnej emisje metanu osiągnęły już rekordowe poziomy. Wzrosty te pochodzą głównie z wydobycia węgla, produkcji ropy naftowej i gazu ziemnego, hodowli bydła i owiec oraz składowisk odpadów ³.

Naukowcy napisali, że roczne emisje metanu wzrosły aż o 9 procent, czyli o 50 milionów ton rocznie od początku XXI wieku. I jeśli weźmie się pod uwagę potencjał ocieplenia, to dodanie do atmosfery tak dużej ilości metanu od 2000 roku jest równoznaczne z wprowadzeniem 350 milionów samochodów na drogi świata lub z podwojeniem całkowitej emisji w Niemczech czy Francji.

Ponadto, w serwisie Science Daily Rob Jackson podkreślił zasadniczy fakt ⁴:

Emisje metanu pochodzące od bydła i innych przeżuwaczy są prawie tak duże, jak te z przemysłu paliw kopalnych.

Do końca XX wieku aż ²/₃ emisji metanu pochodziły z sektora rolniczego, w szczególności z fermentacji jelitowej przeżuwaczy, i tylko ¹/₃ tych emisji wchodziły w zakres spalania paliw kopalnych, głównie z energetyki i transportu. Jednak przez obecnie minione dwie dekady te drugie emisje w dużym zakresie zwiększyły się.

W serwisie Science Daily czytamy, że w 2017 roku emisje metanu z rolnictwa wzrosły do 227 milionów ton, czyli o 11% więcej niż wynosi średnia 2000-2006. Natomiast emisje CH₄ ze spalania paliw kopalnych wzrosły do 108 milionów ton, czyli o 15% więcej niż wynosi ta sama średnia.

Największe emisje metanu występują w Afryce, na Bliskim Wschodzie, w Chinach, Azji Południowej, w Australii. Nieco mniejsze w Stanach Zjednoczonych. Najmniejsze są w Europie.

Duży udział emisji metanu pochodzi z szybów naftowych i gazowych oraz z nieszczelnych rurociągów. W szczególności ten problem występuje w Ameryce Północnej.

Podtlenek azotu

Kolejnym gazem cieplarnianym, który może wzbudzać niepokój, jest podtlenek azotu (N₂O). Molekuła ta składa się z dwóch atomów azotu (N₂) i jednego atomu tlenu (O).

Według amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska (EPA – Environmental Protection Agency), w horyzoncie czasowym do 100 lat, cząsteczka N₂O ma 273 razy silniejszy potencjał cieplarniany (GWP) niż dwutlenku węgla. Z kolei na podstawie Światowej Organizacji Meteorologicznej (WMO – World Meteorological Organization), w 1750 roku jej koncentracja wynosiła 270 ppb, a w 2018 roku zmierzono 331 ppb. Największy przyrost emisji tego gazu odnotowano w ciągu ostatnich minionych pięciu dekad.

Na podstawie danych z raportu z grudnia 2018 roku, Gerard Velthof i Rene Rietra, z Uniwersytetu w Wageningen, podali dane, że rolnictwo odpowiada za około 75% całkowitej emisji N₂O. Dominującymi światowymi źródłami emisji tego gazu są obornik na użytkach zielonych (22%) i nawozy syntetyczne (18%) ⁵.

—

Rys.3. Wzór strukturalny i model cząsteczki podtlenku azotu (Wikipedia)

—-

Hanquin Tian, dyrektor Międzynarodowego Centrum Badań nad Klimatem i Zmianą Globalną w Szkole Nauk Leśnych i Przyrody na Uniwersytecie Auburn, wraz ze swoim dużym międzynarodowym zespołem naukowym, zauważył, że mocno nasiliły się emisje podtlenku azotu z nawozów sztucznych w Chinach, Indiach i USA oraz z naturalnych, jak obornik zwierzęcy, głównie w Afryce i Ameryce Południowej. Jednak emisje tego gazu znacząco zmniejszyły się w Europie ⁶.

—

Rys.4. Koncentracja podtlenku azotu (NOAA)

—

Brytyjska współautorka badania, dr Parvadha Suntharalingam, z Wydziału Nauk o Środowisku z Uniwersytetu Wschodniej Anglii (UEA – University of East England), w serwisie Science Daily powiedziała następująco ⁷:

Badanie to przedstawia najbardziej kompleksowy i szczegółowy obraz emisji N₂O i ich wpływu na klimat. Ta nowa analiza identyfikuje czynniki napędzające stale rosnący poziom N₂O w atmosferze i podkreśla pilną potrzebę opracowania skutecznych strategii łagodzenia, jeśli mamy ograniczyć globalne ocieplenie i osiągnąć cele klimatyczne.

Z kolei, współautor badania dr Joseph Canadell, z Organizacji Badań Naukowych i Przemysłowych Wspólnoty Narodów (CSIRO) w Australii, będący też dyrektorem wykonawczym Global Carbon Project, powiedział następująco:

Ta nowa analiza wymaga ponownego przemyślenia na pełną skalę sposobów, w jakich używamy i nadużywamy nawozów azotowych na całym świecie, i wzywa nas do przyjęcia bardziej zrównoważonych praktyk w sposobie produkcji żywności, w tym ograniczenia marnotrawienia żywności. Te odkrycia podkreślają pilność i możliwości ograniczenia emisji podtlenku azotu na całym świecie, aby uniknąć najgorszego wpływu na klimat.

—

Referencje:

1. Saunois M. et al., 2020 ; The Global Methane Budget 2000–2017 ; Earth System Science Data ; https://essd.copernicus.org/articles/12/1561/2020/
2. Euro-Mediterranean Center on Climate Change ; Methane: Emissions increase and it’s not good news ; Phys.Org ; https://phys.org/news/2020-08-methane-emissions-good-news.html
3. Jackson R. B. et al., 2020 ; Increasing anthropogenic methane emissions arise equally from agricultural and fossil fuel sources ; Environmental Research Letters ; https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/ab9ed2
4. Stanford’s School of Earth, Energy & Environmental Sciences, 2020 ; Global methane emissions soar to record high ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2020/07/200714182228.htm
5. Velthof G. et al. 2018 ; Nitrous oxide emissions from agricultural soils ; Wageningen Environmental Research Report 2921 ; https://edepot.wur.nl/466362
6. Tian H. et al., 2020 ; A comprehensive quantification of global nitrous oxide sources and sinks ; Nature ; https://www.nature.com/articles/s41586-020-2780-0
7. University of Anglia, 2020 ; Nitrous oxide emissions pose an increasing climate threat, study finds ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2020/10/201007123131.htm

W systemie klimatycznym Ziemi węgiel krąży, od kilku do kilkuset lat, pomiędzy atmosferą, oceanami, biosferą w szybkim cyklu węglowym i od kilku tysięcy do kilku milionów lat między oceanami i atmosferą a litosferą w wolnym cyklu węglowym.

W atmosferze atom węgla (C) łącząc się z dwoma atomami tlenu, czyli cząsteczką tlenu (O₂), tworzy dwutlenek węgla (CO₂), który z kolei jest absorbowany przez rośliny i glony na całej Ziemi.

Od ponad 200 lat w atmosferze jest nadwyżka dwutlenku węgla, która pochodzi z naszych emisji. Dlatego też gaz ten w bardzo dużym zakresie przyczynił się do ocieplania atmosfery ziemskiej poprzez większe zatrzymywanie energii cieplnej w zakresie fal w podczerwieni.

Po wybuchu rewolucji przemysłowej opartej na spalaniu paliw kopalnych oraz zwiększonym wylesieniu planety, została zaburzona równowaga energetyczna, podczas której tyle energii cieplnej ile wchodziło do systemu klimatycznego naszej planety, tyle z niej uchodziło w kosmos.

—

Rys.1. Wzór strukturalny i model cząsteczki dwutlenku węgla

—-

Według pracy przedstawionej przez duży międzynarodowy zespół badaczy pod kierownictwem Pierre’a Friedlingsteina ze Szkoły Inżynierii, Matematyki i Nauk Fizycznych na Uniwersytecie w Exeter (Wielka Brytania) i z Laboratorium Meteorologii Dynamicznej w Instytucie Pierre’a Simona Laplace’a w Paryżu, globalna w czasach przedprzemysłowych średnia roczna koncentracja dwutlenku węgla wynosiła 277 ppm (parts per milion), a w 2019 roku 409,85 ± 0,1 ppm. Ale z danych informacyjnych NOAA dowiadujemy się, że pod koniec 2020 roku wynosiła już 412,5 ppm, czyli o o około 50% więcej niż w okresie przedprzemysłowym ¹.

—

Rys.2. Stężenie atmosferycznego dwutlenku węgla (w ppm) oraz roczne emisje tego gazu w latach 1750-2019 (NOAA).

Rys.3. Średnie powierzchniowe stężenie CO₂ w atmosferze (ppm). Miesięczne dane z lat 1980-2019 pochodzą z NOAA / ESRL (Dlugokencky I Tans, 2020) i opierają na średniej z bezpośrednich pomiarów CO₂ w atmosferze z Wielu Stacji w morskiej warstwie granicznej (Masarie I Tans, 1995). Dane miesięczne z lat 1958-1979 pochodzą z Scripps Institution of Oceanography, oparte na średniej z bezpośrednich pomiarów CO₂ w atmosferze ze stacji Mauna Loa i Bieguna Południowego (Keeling i in., 1976) (Pierre Friedlingstein, 2020).

—

Jak już wiemy, koncentracja dwutlenku węgla rośnie dzięki naszym antropogenicznym emisjom, a ściślej, obecnie dzięki głównie spalaniu paliw kopalnych (84% emisji GHG) oraz wylesianiu (14% emisji GHG). Ten drugi trend był jeszcze większy w latach 1750-1950, jednak od połowy XX wieku do dnia dzisiejszego błyskawicznie rosną emisje dwutlenku węgla, jak i innych gazów cieplarnianych, głównie metanu i podtlenku azotu, właśnie ze źródeł spalania paliw kopalnych.

Zdaniem naukowców, istotne jest zrozumienie zaburzeń w budżecie węglowym, analizując dokładniej trendy dynamiki węgla w jego naturalnym cyklu węglowym. To znaczy, należy zrozumieć reakcje naturalnych pochłaniaczy i źródeł węgla w interakcji z emisjami z antropogenicznych źródeł.

Badacze zauważyli, że globalne emisje CO₂ „rosły z każdą dekadą” od lat 60 XX wieku. I chociaż tempo wzrostu emisji spadło z 4,3% rocznie w latach 60 do 0,9% rocznie w latach 90, w XXI w. ponownie wzrosło – do 3,0% rocznie w latach 2000-2010 i ponownie spadło do 1,2% rocznie w latach 2010-2020.

Zgodnie z wytycznymi z Porozumienia Paryskiego z grudnia 2015 roku, by osiągnąć cel nieprzekroczenia progu 2 stopni Celsjusza względem okresu przedprzemysłowego, prof. Pierre Friedlingstein , kierownik matematycznego modelowania systemów klimatycznych na Uniwersytecie w Exeter , powiedział podczas briefingu prasowego:

Potrzebujemy trwałej redukcji emisji o 1-2 GtCO₂  rocznie w ciągu najbliższych 20-30 lat, aby ograniczyć ocieplenie znacznie poniżej 2 stopni Celsjusza.

Jak czytamy w Global Carbon Atlas , Globalny Budżet Węglowy 2011-2020 (Global Carbon Budget 2011-2020) pokazuje zdecydowanie największe emisje antropogeniczne, które pochodzą z sektora paliw kopalnych, bo aż prawie 90%. Mały procent jest udziałem produkcji cementu, a pozostała liczba procentowa dotyczy zmian użytkowania terenu, głównie wylesiania ².

Z kolei według serwisu Our World in Data, roczne emisje CO₂ według sektorów gospodarczych z 2018 roku są następujące ³:

1. Elektryczność i ciepło – 15,59 mld ton
2. Transport – 8,26 mld ton
3. Produkcja i budownictwo – 6,16 mld ton
4. Budynki – 2,88 mld ton
5. Przemysł – 1,50 mld ton
6. Zmiany użytkowania terenu i leśnictwo – 1,19 mld ton
7. Inne spalanie paliw – 623,71 mln ton
8. Niezorganizowane emisje – 233,49 mln ton

W sumie:

Według Global Carbon Project emisje z paliw kopalnych w 2018 roku wyniosły 36.6 GtCO₂, w 2019 roku 36.8 GtCO₂ i w 2020 roku emisje CO₂ prawdopodobnie zostaną oszacowane na około 34 GtCO_2..

Według Our World in Data emisje w 2018 roku wyniosły 36,65 GtCO₂, w 2019 roku 36,71 GtCO₂ i w 2020 roku 34,81 GtCO₂.

Jak podaje z Uniwersytetu w Stanfordzie portal Stanford Earth Matters, 2020 rok był rokiem znacznego spadku emisji światowych z powodu pandemii koronawirusa, która sparaliżowała wszystkie gospodarki na świecie. Emisje dwutlenku węgla do atmosfery były o 7% niższe w porównaniu z 2019 rokiem ⁴.

—

Referencje:

1. Friedlingstein P. et al., 2020 ; Global Carbon Budget 2020 ; Earth System Science Data ; https://essd.copernicus.org/articles/12/3269/2020/
2. Global Carbon Atlas, 2020 ; Global Carbon Budget 2011-2020 ; Global Carbon Project ; http://www.globalcarbonatlas.org/en/content/global-carbon-budget
3. Ritchie H. and Roser M., 2020 ; Emissions by sector ; Our World in Data ; https://ourworldindata.org/emissions-by-sector
4. Stanford University, 2020 ; COVID lockdown causes record drop in carbon emissions for 2020 ; Stanford Earth Matters ; https://earth.stanford.edu/news/covid-lockdown-causes-record-drop-carbon-emissions-2020#gs.tax85x

Nagrzewanie się powierzchni Ziemi zależy w dużym stopniu od wielkości albedo. Ten parametr ma szerokie zastosowanie w fizyce, w tym w astronomii. W naszym przypadku ten współczynnik załamania światła słonecznego (krótkofalowego) na naszej planecie odgrywa istotną rolę w jej systemie klimatycznym.

Im jaśniejsza jest powierzchnia Ziemi, jak w przypadku pokryw lodowych, tym większy jest stosunek odbicia promieni słonecznych względem jego padania na powierzchnię planety. To znaczy, że pochłania ona mniej energii słonecznej. A więc, wówczas ma to wpływ chłodzący naszą Ziemię.

Z kolei im ciemniejsza jest powierzchnia, jak w przypadku oceanów i mórz, tym mniejszy jest stosunek odbicia tychże promieni słonecznych względem jego padania na powierzchnię planety. A więc, tu oznacza to, że pochłania ona więcej energii słonecznej. I ma to znowuż wpływ ogrzewający naszą Ziemię.

Albedo również dotyczy powierzchni chmur, a także aerozoli, zarówno naturalnego, jak i antropogenicznego pochodzenia.

Tabela 1. Albedo dla różnych powierzchni naturalnych i sztucznych (Wikipedia).

—

Na kontynentach (poza pokrywami lodowymi) albedo jest większe na obszarach nieleśnych, jak naturalne pustynie czy stepy i antropogeniczne pola uprawne, a także na obszarach wylesionych, a najmniejsze jest na obszarach leśnych. W szczególności lasy iglaste są z reguły ciemniejsze od lasów liściastych i w skali planetarnej dają efekt mniejszego albedo. Ale również jeszcze mniejsze albedo śródlądowe występuje na zbiornikach i ciekach wodnych, podobnie jak na oceanach i morzach.

—

Graeme Leslie Stephens, z Laboratorium napędów odrzutowych w Kalifornijskim Instytucie Technologii w Pasadenie, wraz ze swoim zespołem naukowców, udowodnił, że promienie słoneczne gdy padają w kierunku powierzchni Ziemi, na półkuli północnej (NH – Northern Hemisphere) i gdy docierają do powierzchni chmur na półkuli południowej (SH – Southern Hemisphere), mniej więcej równoważą różnice w dopływie ciepła słonecznego pomiędzy półkulą północną  a południową. Jak wiemy, na pierwszej jest więcej lądów, z wyższym albedo, niż oceanów, z niższym albedo. A na drugiej jest na odwrót ¹.

Autorzy niniejszej pracy napisali:

Wspólne analizy danych dotyczących powierzchniowego strumienia słonecznego, które stanowią skomplikowaną mieszankę pomiarów i obliczeń modelowych z pomiarami strumienia z wierzchołka atmosfery (TOA – Top of Atmosphere) z obecnych satelitów na orbicie, dają szereg zaskakujących wyników, włącznie na półkuli północnej i południowej (NH – Northern Hemisphere, SH – Southern Hemisphere), które odbijają tę samą ilość światła słonecznego w granicach około 0,2 W/m². Symetrię tę uzyskuje się dzięki zwiększonemu odbiciu od chmur na półkuli południowej (SH), dokładnie równoważąc większe odbicie od lądów na półkuli północnej (NH).

Zgodnie z danymi satelitarnymi NASA oraz systemu promieniującej energii Ziemi i chmur – budżetu energii dostosowanych strumieni (CERES EBAF – Clouds and Earth’s Radiant Energy System – Energy Budget Adjusted Fluxes), globalny, roczny średni strumień odbity z całkowitego nieba (od bezchmurnego do zachmurzonego) wynosi 99,7 W/m² (jest to równowartość globalnego albedo (α), która wynosi 0,293 W/m²), a strumień odbity tylko z bezchmurnego nieba wynosi 52,4 W/m² (albedo (α) – 0,149). Różnica między tymi strumieniami wynosi 47,3 W/m² (albedo (α) –  0,144) i jest zwykle przyjmowana jako miara wpływu chmur na strumień promieniowania.

—

Rys.1. Globalne rozkłady (a) średniego rocznego strumienia odbitego obejmującego całe niebo, (b) udziału rozpraszania atmosferycznego oraz (c) udziału odbicia od powierzchni, gdzie (a) = (b) + (c). (d) Różnica między wkładem powierzchni czystego nieba a wkładem powierzchni całego nieba. Ta różnica reprezentuje ilość chmur maskujących rzeczywiste odbicie powierzchni, zmniejszając w ten sposób ilość światła słonecznego odbijanego od powierzchni o tę wartość (Graemme Stephens i inni, 2015).

—

Różnicę składową atmosfery można wyjaśnić głównie różnicami hemisferycznymi (półkulowymi) gęstości optycznej aerozolu (AOD – Aerosol Optical Density). Średnia dziesięcioletnia AOD stosowana do wytworzenia danych strumienia powierzchniowego, za pomocą satelity CERES, wynosi odpowiednio 0,14 dla półkuli północnej (NH) i 0,07 dla półkuli południowej (SH).

Jeśli założymy globalną wydajność radiacyjną aerozolu oceanicznego na poziomie 30–40 W/m² (wymuszanie radiacyjne na jednostkę AOD) (Norman G. Loeb i Natividad Manalo-Smith, 2005), to udział w strumieniu bezchmurnego nieba na półkuli północnej (NH) przez aerozol wynosi około 4–6 W/m², a na południowej (SH)  2–3 W/m². Czyli wymuszenie radiacyjne aerozolu jest większe na północnej niż na południowej półkuli.

Rozpraszanie atmosferyczne, które ma tak duży wpływ na obserwowane odbite strumienie na niższych szerokościach geograficznych, odzwierciedla ich wysokie zachmurzenie. Ma to związek z wysoką zawartością pary wodnej (głęboka konwekcja równikowa).

Maskowanie chmur występuje głównie na obszarach lądowych NH, a także na obszarach polarnych obu półkul. Efekt maskowania może być lokalnie duży na najjaśniejszych powierzchniach, zwłaszcza na wyższych szerokościach geograficznych, gdzie chmury skutecznie zmniejszają udział powierzchni o około 50%.

—-

P. R. Goode, ze Słonecznego Obserwatorium Big Bear w Institucie Technologii w New Jersey, w Kalifornii, wraz ze swoim zespołem naukowym, odkrył, że w ciągu 20 lat albedo na powierzchni Ziemi zmniejszyło się, i przez to pochłania ona o 0,5 W/m² więcej energii słonecznej ².

W latach 1998-2017 naukowcy przeprowadzili pomiary blasku Ziemi w solarnym obserwatorium Big Bear (BBSO – Big Bear Solar Observatory), z użyciem nowoczesnych technik fotometrycznych, w celu precyzyjnego określenia dziennych, miesięcznych, sezonowych, rocznych i dziesięcioletnich zmian albedo ziemskiego od blasku Ziemi.

W swoich wynikach badań nie znaleźli korelacji pomiędzy pomiarami aktywności słonecznej a zmianami albedo w badanym okresie czasu. Blask planety do końca nie jest zgodny z pomiarami z satelity CERES, rozpoczętymi od 2001 roku. Obserwacje albedo przez satelity CERES wykazały większe wymuszenie radiacyjne (0,6 W/m²), a pomiary Earthshine (Blask Ziemi) mniejsze (0,5 W/m²).

Ogólnie mówiąc, ta metoda badawcza – blask Ziemi, prowadzona za pomocą teleskopu refraktancyjnego, polega na tym, że światło słoneczne odbija się od powierzchni naszej planety w dzień, i następnie trafia w tarczę ciemnej powierzchni naszego satelity Księżyca, od którego kolejne odbicie poświaty słonecznej trafia do oczu obserwatora. Pomiary blasku Ziemi były wykonywane w nocy. Przy okazji obserwowano też jasną część księżyca oświetloną przez Słońce.

Historycznie Blask Ziemi został po raz pierwszy wyjaśniony przez Leonardo Da Vinci około 1510 roku. Sam projekt  BBSO rozpoczął działalność w połowie lat 90-tych aby zmierzyć albedo Ziemi za pomocą obserwacji Księżyca, którego pionierem w 1928 roku był francuski astronom André-Louis Danjon (1890-1967). Czyli prawie sto lat temu.

—

Rys.2. Anomalie, średniego rocznego albedo w pomiarach Blasku Ziemi (Earthshine), w latach 1998–2017, wyrażone jako odbity strumień w W/m². Słupki błędów są pokazane jako zacieniony szary obszar, a przerywana czarna linia pokazuje liniowe dopasowanie do rocznych anomalii strumienia energii odbitej w Earthshine. Roczne anomalie albedo badane za pomocą satelitów CERES w latach 2001-2019, również wyrażone w W/m², są pokazane na niebiesko. Liniowe dopasowanie do danych CERES (2001–2019) pokazano niebieską linią przerywaną. Średnie słupki błędów dla pomiarów CERES są rzędu 0,2 W/m² (P. R. Goode i inni, 2021).

—

Podczas tego eksperymentu naukowcy zauważyli, że niedawny spadek albedo Ziemi ma możliwy związek ze zmianą fazy ujemnej na dodatnią w pacyficznej oscylacji dekadowej (PDO – Pacific Decadal Oscillation). To zjawisko fizyczne ma miejsce, gdy na półkuli północnej Pacyfik we wschodniej części, czyli u zachodnich wybrzeży Ameryki Północnej zaczyna się nagrzewać. Uczeni nie wykluczają też w tym przypadku związku z globalnym ociepleniem.

Wcześniej globalnie zintegrowane albedo Ziemi w zakresie widzialnym zostało zmierzone za pomocą Earthshine (Blasku Ziemi) przez zespół naukowy Goode’go w 2001 roku (P. R. Goode i inni,  2001).

Referencje:

1. Stephens G. L. et al., 2015 ; The Albedo of Earth ; Reviews of Geophysics ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2014RG000449

2. Goode P. R. et al., 2021 ; Earth’s Albedo 1998–2017 as Measured From Earthshine ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GL094888

Połynie. Otwarte wody bez lodu. Obecnie odkąd ocieplany jest klimat z powodu spalania paliw kopalnych i znaczącego wylesienia kontynentów, połynie, zarówno w Arktyce, jak i w Antarktyce są coraz częstszym zjawiskiem. Jest to niepokojące zjawisko, gdyż występowanie coraz większej liczby obszarów bez lodu stanowi zagrożenie dla zwierząt, których habitaty są z nim związane.

W szczególności jest to przerażające, gdy połynie zaczęły występować w miejscach, w których dotąd lód był stabilny. I był to lód wieloletni.

George William Kent Moore z Wydziału Fizyki na Uniwersytecie w Toronto i z Wydziału Nauk Chemicznych i Fizycznych, Instytutu w Mississauga na Uniwersytecie w Toronto oraz Axel Schweiger, Jinlun Zhang i Mike Steele z Centrum Polarnych Nauk w Laboratorium Fizyki Stosowanej na Uniwersytecie Waszyngtońskim w Seattle, omówili ciekawy przypadek powstania pod koniec lutego 2018 r we wschodnim sektorze Ostatniego Obszaru Lodowego (LIA – Last Ice Area), u wybrzeży północnej Grenlandii na Morzu Wandela, rozległego obszaru wodnego wolnego od lodu zwanego połynią ¹.

Obszar ten, objęty zdjęciami satelitarnymi dotychczas nie był znany z rozwoju połyń. Odkrycie to wzbudziło zainteresowanie obserwatorów Arktyki i społeczności naukowej, stawiając pytania o naturę i przyczynę tego niezwykłego wydarzenia.

Rys.1. Spojrzenie na koncentrację lodu morskiego w dniu 25 lutego, na którym widać połynię na północ od Grenlandii (William G. K. Moore i inni, 2018).

Połynia ta w lutym 2018 roku miała nawet średnicę dochodzącą do 100 kilometrów, dzięki powstałej adwekcji bardzo silnych wiatrów, które na duże odległości wręcz wywiały stary gruby, wieloletni lód, tworząc początkowo na ogromnym obszarze otwarte wody, które póżniej zostały już zastąpione tylko cienkim rocznym lodem, który utrzymywał się do pory letniej, do sierpnia, gdy ponownie nastąpiły wiatry, ale znacznie słabsze niż zimą, które z łatwością ponownie zmiotły, ale już cienki lód, tworząc znowu szeroką przestrzeń wodną wolną od lodu, dzięki czemu słońce intensywnie nagrzewało Morze Wandela, co też z kolei sprzyjało szybszemu podpowierzchniowemu topnieniu sąsiednich kier lodowych.

Do celów badawczych dynamiki i ewolucji połyni naukowcy wykorzystali dane o stężeniu lodu morskiego z zapisu danych klimatycznych NOAA/NSIDC w oparciu o instrumenty pomiarowe satelitarne SMMR, SSM/I i SSMIS w rozdzielczości 25 km od 1979 r. (Walter N. Meier i inni, 2014), a także pozyskali dane zestawu ASI z Uniwersytetu z Bremy, oparte na przyrządach AMSRE i Advanced Microwave Scanning Radiometer 2 przy rozdzielczości 6,25 km od 2002 r. (Gunnar Spreen i inni, 2008).

Z kolei dane ciśnienia powierzchniowego, temperatury powietrza, prędkości i kierunku wiatru zespół naukowy Kenta Moore’a mógł pobierać co 3 godziny podczas prowadzenia powyższych badań naukowych, dzięki udostępnieniu ich przez Duński Instytut Meteorologiczny (DMI – Danish Meteorological Institute) obsługujący dwie stacje meteorologiczne w północnej Grenlandii (John Cappelen, 2019):

1. na Station Nord (SN: 81,6°N; 16,65°W, od 1961 do chwili obecnej)
2. na Kap Morris Jessup (83,65°N; 33,37°W, 1985 do chwili obecnej).

Ponadto, do głębszej analizy dynamiki połyni uczeni wykorzystali dane z Systemu modelowania i asymilacji panarktycznego oceanu lodowego (PIOMAS – Pan-Arctic Ice Ocean Modeling and Assimilation System) (Jinlun Zhang i D. A. Rothrock, 2003).

Standardowy przebieg PIOMAS (SPINUP) asymiluje satelitarną koncentrację lodu morskiego i w badaniach został wykorzystany do zapewnienia warunków początkowych dla przebiegów modelowych opisanych w tejże pracy (Axel J. Schweiger i inni, 2011).

Przebiegi PIOMAS, które są stymulowane przez wymuszenia antropogeniczne, zostały wybrane w celu określenia:

1. w jaki sposób połynia w 2018 roku ewoluowała, kiedy lód morski był jeszcz grubszy, a adwekcja ciepłego powietrza słabsza
2. kiedy w przyszłości przewiduje się, że lód morski będzie cieńszy

Naukowcy w symulacjach modeli zainicjowali przebieg dynamiki lodu morskiego do 1 stycznia 2035 r. Następnie przetestowali wpływ wymuszania wiatru redukując przy tym wiatry przyziemne o 25% i 50% w porównaniu z wartościami z 2018 r. w okresie od 15 lutego do 1 marca.

Na koniec przetestowali wpływ wysokich temperatur podczas otwierania się polyni, wykonując również przebieg z zimniejszym wymuszeniem termicznym z 1979 roku.

Naukowcy w swojej pracy napisali:

Należy zauważyć, że PIOMAS nie jest sprzężony z modelem atmosferycznym, a zatem nie będzie w pełni uchwycał interakcji powietrze-morze związane z ewolucją połyni.

Zdarzenie to związane z otwieraniem połyni, odpowiedzialne za silne wiatry i ciepłe temperatury, miało miejce podczas fazy dodatniej NAO. A z zamknięciem jej podczas nadejścia fazy ujemnej NAO, charakterystycznej z występowaniem słabszych wiatrów i chłodniejszych temperatur.

—-

Naukowcy po tak ekstremalnym zdarzeniu związanym z połynią w 2018 roku, sądzili, że jest ono wyjątkowo rzadkim i nie tak prędko się zdarzy ponownie. Sugerowali się tym, że zimą 2020 roku morski arktyczny lód był względnie stabilny w LIA i badacze byli pewni dzięki temu, że nie będzie on tak szybko topnieć w porze letniej. Jednak pomylili się.

Ponownie, Axel Schweiger, Michael Steele, Jinlun Zhang, George William Kent Moore i dodatkowo Kristin Laudre – także z Centrum Polarnych Nauk w Laboratorium Fizyki Stosowanej na Uniwersytecie Waszyngtońskim w Seattle, zaobserwowali, że gruby, wieloletni lód w sierpniu 2020 roku został ponownie „zaatakowany” przez bardzo silne i gwałtowne ciepłe wiatry wiejące z południa, które tak samo na odległość 100 kilometrów dokonały gigantycznej „przerębli” rozpychając, zarówno, wieloletni, jak i jednoroczny lód. I w ten sposób po dwóch latach znowu w okresie letnim wytworzyła się ogromna połynia powodująca intensywne nagrzewanie się otwartych wód na Morzu Wandela i szybsze roztapianie grubych kier w sąsiedztwie tego obszaru. Wschodni sektor „Ostatniego Obszaru Lodowego” został ponownie zdestabilizowany ².

Naukowcy stwierdzili, że trasa niemieckiego lodołamacza Polarstern, podczas wyprawy badawczej w latach 2019-2020, została wytyczona przez zdjęcia satelitarne pokazujące rozległe obszary ukazujące koncentrację lodu na wodach otwartych i na morzu Wandela. Ogólnie pokrycie lodu morskiego (SIC) w tym rejonie było bardzo niskie i wynosiło 70% na szerokości 87°N.

Badania powyższe wykonane zostały na obszarze Morza Wandella (WS – Wandell Sea) na szerokościach geograficznych 81,5°N–85°N oraz na długościach geograficznych 10°W–50°W, czyli dokładnie na tym samym obszarze, na którym zostało zaobserwowane to samo zdarzenie w lutym 2018 r .

Fot.1. W maju 2020 roku na północ od Wyspy Ellesmere po raz pierwszy zaobserwowano połynię o powierzchni 3000 kilometrów kwadratowych. Szczelina uformowana w strefie ostatniego lodu, która ma być ostatnim bastionem lodu morskiego w ocieplającej się Arktyce. Źródło: NASA EOSDIS Worldview

25 lipca 2020 roku dzienna pokrywa lodu morskiego na Morzu Wandella (2020 WS SIC) spadła poniżej 80%.

Przy wykorzystaniu nowych badań na temat grubości lodu, z danych PiOMAS i satelity CryoSat-2/SMOS oraz na temat anomalii adwekcji i ruchu lodu za pomocą modelu lodu morskiego, naukowcy zidentyfikowali przyczynę rekordowych spadków lodu morskiego latem 2020 roku.

Zespół Schweigera stwierdził, że około 80% tych spadków wynikało z czynników związanych z pogodą, takich jak wiatr załamujący się i poruszający się lód. Pozostałe 20%, czyli jedna piąta, było spowodowane długotrwałym przerzedzaniem się lodu morskiego w wyniku globalnego ocieplenia.

14 sierpnia 2020 r. wystąpiło rekordowo niskie minimum pokrywy lodu morskiegi (SIC), które wyniosło 52%.

Kilka wcześniejszych wysokich minimów SIC w regionie Morza Wandela było w następujących latach: 1985: 57 %, 1990: 67 % i 1991: 62 %.

Utrata lodu morskiego w okresie letnim na dowolnym obszarze następuje w odpowiedzi na adwekcję lodu (tj. dynamikę) i topnienie lodu (tj. termodynamikę).

Aby zrozumieć przyczyny utraty lodu morskiego na Morzu Wandela latem 2020 roku, do badań naukowcy ponownie wykorzystali dane z systemu modelowania i asymilacji panarktycznego oceanu lodowego (PIOMAS).

Ponadto naukowcy wykorzystali do przebiegu swoich badań dzienne średnie dane z reanalizy NCEP/NCAR wykorzystywane jako wymuszanie atmosferyczne, tj.:

1. do wysokości 10 metrów wiatry przyziemne
2. Na wysokości 2 metrów temperatura powietrza przy powierzchni,
3. wilgotność właściwa
4. opady
5. parowanie
6. promieniowanie długofalowe w dół
7. ciśnienie na poziomie morza
8. frakcja chmur służąca do obliczania downwellingu promieniowania krótkofalowego

Komponenty masy lodu morskiego i budżetów cieplnych górnych warstw oceanu były obliczane bezpośrednio z danych wyjściowych modelu PIOMAS.

Anomalie adwekcji lodu dominują w miesięcznej zmienności od 1979 do 2020 roku, ale bez długoterminowego trendu. Anomalna adwekcja lodu w czerwcu, lipcu i sierpniu (JJA – June, July, August) 2020 jest zasadniczo ujemna (tj. Strata grubości lodu morskiego (SIT – Sea Ice Thickness), chociaż kilka wcześniejszych lat również ma anomalie o podobnej wielkości. Anomalie ruchu lodu w lipcu i sierpniu pokazują, że lód jest odsuwany na północny zachód od Morza Wandela (WS).

Rys.2. Ostatni obszar lodowy o raz obszar badań na Morzu Wandela (Axel Schweiger i inni, 2021).

Naukowcy podkreślili, że produkcja lodu w miesiącach letnich JJA w 2020 r. miała rekordowo niską wartość ubytku grubości lodu morskiego (SIT), wynoszącego  -0,3 m/miesiąc. W rzeczywistości wszystkie lata od 2016 roku wykazały ujemne anomalie produkcji lodu JJA.

W artykule naukowcy napisali na temat zmienności atmosfery:

Aby umieścić adwekcję lodu morskiego na Morzu Wandela w 2020 r. (WS), w kontekście większej skali, rozważamy tutaj podstawowe mody (tryby) zmienności atmosfery Arktyki, tj. oscylację arktyczną (AO – Arctic Oscillation), arktyczną anomalię dipolową (ADA – Arctic Dipole Mode) i oscylację Barentsa (BO – Barents Oscillation). Każdy z nich odpowiada głównym (PC – Principal Components) empirycznych funkcji ortogonalnych obliczonych z miesięcznych pól ciśnienia średniego poziomu morza na północ od 30°N.

W okresie od stycznia do marca 2020 r., kiedy lód morski wpłynął do Morza Wandela, ciśnienie na poziomie morza (SLP) nad Arktyką było niskie, z wzorcem ciśnienia na poziomie morza podobnym do tego, który stwierdzono w 2017 r., kiedy Wir Beauforta odwrócił się. Powstały ruch lodu na lądzie przyczynił się do powstania anomalnie grubego lodu na północ od Grenlandii.

W tym samym czasie zarówno AO, jak i ADA były bardzo wysokie (AO była w rzeczywistości rekordowa). Była to sytuacja niespotykana w żadnym innym roku w ciągu 41-letniego szeregu czasowego.

Co ciekawe, warunki latem 2020 roku pokazały coś przeciwnego, mianowicie ruch lodu na zachód od Morza Wandela (WS), a AO i ADA były wówczas bliskimi rekordowo ujemnych wartości. Wydaje się jasne, że anomalne wymuszanie wiatru na Morzu Wandela (WS) w 2020 roku było związane z anomalnymi wzorcami wiatrów powierzchniowych na dużą skalę.

—-

Jakub Małecki, glacjolog z Uniwersytetu Adama Mickiewicza w Poznaniu, na łamach serwisu Nauka o klimacie napisał ³:

Początkowo odchylenie od wieloletniej normy wynosiło kilkanaście procent, ale w połowie sierpnia zlodzenie było niższe od średniej niemal o połowę, bijąc dotychczasowe rekordy. Obszar otwartej wody był ogromny, a otaczała go potężna powierzchnia wodno-lodowej mieszanki, z koncentracją lodu niestanowiącą problemu dla przepływającego nieopodal lodołamacza Polarstern. Jego dowództwo zdecydowało się wykorzystać te warunki i w sierpniu 2020 roku (pod koniec trwania ekspedycji MOSAiC) popłynąć ku biegunowi północnemu.

Axel J. Schweiger ze swoim zespołem naukowym w swojej pracy napisali z niepokojem na temat zagrożenia fauny arktycznej:

Ostatni Obszar Lodowy (LIA – Last Ice Area) jest uważany za ostatnie schronienie dla związanych z lodem arktycznych ssaków morskich, takich jak niedźwiedzie polarne ( Ursus maritimus ), foki obrączkowane ( Pusa hispida) i foki brodate ( Erignathus barbatus) oraz morsy ( Odobendus rosmarus ). LIA jest również ważny dla mew modrodziobych (Pagophila eburnea), które rozmnażają się w północnej Grenlandii.

Fot.2. Polarstern w drodze do bieguna północnego w ramach ekspedycji MOSAiC. Fot. Alfred Wegener Institut/Stefen Graupner/CC BY-4.0

Konkluzja na temat lodu morskiego w Arktyce jest taka, że pomimo jeszcze „ratującego” go tworzenia się adwekcji układów niżowych przynoszących wysoki stopień zachmurzenia w drugiej połowie lata, dzięki czemu dochodzi mniej promieni słonecznych do powierzchni morskiej i lodowej, to i tak, jak się dowiadujemy z wyników badań naukowych, powstają obszary destabilizujące, takie jak rejon Morza Wandela, gdzie ekstremalne wiatry południowe stają się przyczyną powstawania rozległych połyni, czyli otwartych ciemnych wód bardzo silnie nagrzewających się w okresie letnim i przyspieszającym podpowierzchniowe topnienie sąsiednich obszarów lodowych, zarówno paków, jak i kier.

Referencje:

1. Moore G. W. K. et al., 2018 ; What Caused the Remarkable February 2018 North Greenland Polynya? ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2018GL080902

2. Schweiger A. J. et al., 2021 ; Accelerated sea ice loss in the Wandel Sea points to a change in the Arctic’s Last Ice Area ; Communications Earth & Environment ; https://www.nature.com/articles/s43247-021-00197-5

3. Małecki J., 2021 ; Ostatni obszar lodu ; Nauka o klimacie ; https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/ostatni-obszar-lodu/