Cyklony tropikalne coraz silniejsze w coraz cieplejszym świecie

Jeszcze dwie, trzy dekady temu, gdy był mniejszy przyrost temperatury globalnej, w pasie szybciej płynącego polarnego prądu strumieniowego na średnich szerokościach geograficznych częściej kształtowały się duże niże przynoszące z sobą nie tylko obfite opady deszczu, ale i burze. Z kolei na tropikalnym Atlantyku, Pacyfiku i Oceanie indyjskim, dzięki nagrzewaniu się oceanów i wzrostowi głębokiej konwekcji równikowej w coraz cieplejszym świecie przybiorą na sile i na wielkości huragany, tajfuny i cyklony, tyle że będzie ich prawie tyle samo, a możliwe, że nawet mniej.

Hiroyouki Murakami z Uniwersyteckiej Korporacji Badań Atmosferycznych oraz z Laboratorium Geofizycznej Dynamiki Płynów (GFDL – Geophysical Fluid Dynamic Laboratory), Narodowej Administracji Oceanicznej i Atmosferycznej (NOAA – National Oceanic and Atmospheric Administration) w Princeton w New Jersey wraz ze swoim zespołem naukowym, przeanalizował rozkład przestrzenny cyklonów tropikalnych na Ziemi w latach 1980-2018 1.

Wcześniejsze badania cyklonów tropikalnych (TC – tropical cyclone) w większości mówiły o tym, że ich liczba albo będzie taka sama albo będzie się nawet zmniejszać wraz z dalszym wzrostem temperatury globalnej w atmosferze i w oceanach. Murakami i jego współpracownicy jednak dokonując symulacji komputerowych na modelach GFDL FLOR (w tym skorygowanej wersji FLOR-FA) i SPEAR, dowiedli, że istnieje wyraźny przestrzenny wzorzec w trendach, a mianowicie tendencje spadkowe TC w południowym Oceanie Indyjskim, zachodnim Północnym Pacyfiku, Morzu Koralowym u północno-wschodniego wybrzeża Australii i dalekowschodnim tropikalnym Północnym Pacyfiku.

W serwisie Carbon Brief Murakami stwierdził następujący fakt 2:

Gazy cieplarniane ogrzewają górną warstwę atmosfery i ocean w tych regionach. To łączy się, aby stworzyć bardziej stabilną atmosferę, z mniejszą szansą, że konwekcja prądów powietrznych pomoże w tworzeniu i rozprzestrzenianiu się cyklonów tropikalnych.

Jednak również są zaznaczone tendencje wzrostowe TC, między innymi na Morzu Arabskim, środkowym Pacyfiku, w tym na Hawajach, oraz na Północnym Atlantyku. A więc, regionalne wzorce przestrzenne cyklonów tropikalnych zasadniczo są odmienne od globalnego.

Naukowcy także stwierdzili, że w skali globalnej liczba roczna cyklonów tropikalnych od 1980 roku, czyli od początku badań satelitarnych, oscyluje wokół liczby 86.


Rys.1. Obserwowany trend liczby cyklonów tropikalnych rocznie w latach 1980-2018. Czerwony do żółtego wskazuje na wzrost liczby cyklonów rocznie, a fioletowy na zielony oznacza spadek. Źródło: (Hiroyouki Murakami i inni, 2020)

 

Również zespół naukowy Murakamiego zaobserwował, że naturalne zmienności miały niewielki wkład w rozkład przestrzenny TC. W tym przypadku raczej główną rolę odegrały, zarówno antropogeniczne wymuszenia w postaci gazów cieplarnianych i aerozoli, jak i naturalne wymuszenia w postaci erupcji wulkanicznych.

W każdym razie, obecni naukowcy zgadzają się z wcześniejszymi wynikami badań, że wewnętrzne zmienności klimatyczne, takie jak wewnątrzdekadowa oscylacja pacyficzna (IPO – Interdecadal Pacific Oscillation) oraz atlantycka zmienność wielodekadowa (AMV – Atlantic Multidecadal Variability) określana również atlantycką oscylacją wielodekadową (AMO – Atlantic Multidecadal Oscillation), mogą mieć znaczący wpływ na aktywność cyklonów tropikalnych w skali globalnej.

W tym drugim przypadku jednak są duże wątpliwości. Michael E. Mann, twórca AMO, uważa, że jako naturalna zmienność klimatyczna ona nie istnieje, a zjawisko jakie występuje na Atlantyku ma ścisły związek z naszym wymuszeniem antropogenicznym. Swoje uwagi opublikował w pracy w 2021 roku. Na ten temat powiemy więcej później w rozdziale o oscylacjach oceanicznych.

Naukowy zespół Murakamiego zaobserwował w swojej pracy, że w latach 1980-1997 była pozytywna faza IPO i negatywna faza AMV, które zmieniają znaki od 1997 roku do dziś. Ich zdaniem, zmiany te w fazie dekadowej w IPO i AMV około 1997 r. mogły być kolejnym potencjalnym czynnikiem odpowiedzialnym za obserwowany przestrzenny wzorzec trendów częstości występowania cyklonów tropikalnych (TCF – tropical cyclone frequency of occurence) w latach 1980-2018.

Omawiając rozkład przestrzenny cyklonów tropikalnych, Murakami w Carbon Brief powiedział:

Zidentyfikowaliśmy większość cyklonów tropikalnych na Północnym Atlantyku w ciągu ostatnich 40 lat, która jest spowodowana spadkiem antropogenicznych aerozoli w Północnym Atlantyku. Spadek zanieczyszczeń pyłowych spowodowany środkami kontrolnymi zwiększył ocieplenie oceanu, pozwalając na wchłonięcie większej ilości światła słonecznego przez ocean. To lokalne ocieplenie doprowadziło do wzrostu aktywności cyklonów tropikalnych.

—-

James P. Kossin i Kenneth R. Knapp z Krajowego Centrum Informacji o Środowisku w Madison, w Narodowej Administracji Oceanicznej i Atmosferycznej (NOAA), Timothy L. Olander i Christopher S. Velden z Kooperacyjnego Instytutu Meteorologicznych Badań Satelitarnych na Uniwersytecie Wisconsin-Madison, mając na względzie pomiary intensywności cyklonów tropikalnych (TC – tropical cyclone), wcześniejszy ujednolicony         28-letni zapis danych satelitarnych za okres 1982–2009 zastąpili dłuższym 39-letnim zapisem za okres 1979-2017 3.

Powodem powyższej korekty było to, że starszy zapis satelitarny, pomimo, że wykazywał rosnące globalne trendy intensywności TC, to jednak nie były one statystycznie istotne przy 95% poziomie ufności (Cl – confidence level). Natomiast, gdy naukowcy zastosowali nowy ujednolicony globalny zapis intensywności TC, trendy wzrostowe intensywności TC zaczęły być już statystycznie istotne przy 95% poziomu ufności (Cl).

W sumie dla badanego 39-letniego okresu zapisu satelitarnego, prawdopodobieństwo przekroczenia wzrostów intensywności TC wyniosło około 5% na dekadę, przy 95% poziomu ufności (CI), czyli w przedziale statystycznym od około 0,4 do 11% na dekadę.

Życie cyklonów tropikalnych (TC) w dużej mierze zależy od stopnia intensywności dzięki nagrzewaniu się wód powierzchniowych oceanu oraz atmosfery w oku cyklonu, a także od intensywności wiatrów powierzchniowych zależnych od stopnia nasilenia się barycznego układu niżowego.

W pierwszym przypadku termodynamiczny stan otoczenia jest paliwem napędowym do tworzenia się tzw. potencjalnej intensywności. Natomiast, w drugim przypadku pionowy uskok wiatru w otoczeniu może hamować rozwój tejże potencjalnej intensywności.

W sumie potencjalna intensywność wzrasta wraz z dalszym wzrostem temperatury globalnej i regionalnych, zarówno w oceanach, jak i w atmosferze. Naukowcy przewidują, że dalsze ocieplanie się klimatu spotęguje jeszcze większe zwiększanie się intensywności tropikalnych cyklonów, takich jak huragany, tajfuny i po prostu cyklony.

Oryginalna wersja  zaawansowanej techniki Dvoraka opartej na algorytmie, statystycznym narzędziu opartym na regresji i analogach w celu oszacowania intensywności huraganów oraz prezentacji ich zapisu satelitarnego ADT-HURSAT (ADT – Advanced Dvorak Technique / HURSAT – Hurricane Satellite)   obejmowała 28-letni okres 1982-2009. Jak już wcześniej zostało wspomniane, zespół Jamesa Kossina rozszerzył zakres tych badań w wydłużonym 39-letnim okresie 1979-2017.


Rys.2. Porównanie komplementarnych skumulowanych funkcji dystrybucji globalnych szacunków intensywności huraganu ADT-HURSAT między wczesną i drugą połową 39-letniego okresu 1979-2017 (James Kossin i inni, 2020).

 

Naukowcy przeprowadzili analizy trendów globalnych przy użyciu regresji kwantylowej na tych danych, które dostarczyły dwa kluczowe wyniki:

1) W większości kwantylów w rozkładzie intensywności stwierdzono pozytywne trendy

ale

2) trendy te nie wzrosły do poziomu ufności 95%

Technika Dvoraka posłużyła jako podstawowe narzędzie operacyjne do szacowania intensywności cyklonów tropikalnych w ciągu ponad 40 lat we wszystkich regionach świata narażonych na wystąpienie tych ekstremalnych zjawisk pogodowych.

W rozważanym badanym okresie 1979-2017 istnieje około 225 000 szacunków intensywności ADT-HURSAT w około 4000 pojedynczych TC na całym świecie.

Powyższy wykres przedstawia szanse wystąpienia cyklonów tropikalnych przekraczających 100 węzłów (kt) podczas „wczesnej” (niebieskiej) i „późnej” (czerwonej) części 39-letniego okresu badań. (Wczesny okres to lata 1979-1997, natomiast późny to lata 1998-2017.).

James Kossin w serwisie Carbon Brief wyjaśnił 4:

Nasza analiza wskazuje, że globalny trend wzrostu intensywności cyklonów tropikalnych osiągnął teraz punkt, w którym jest bardzo mało prawdopodobne, aby był losowy, nawet po rozwiązaniu znanych problemów z danymi historycznymi.

Autorzy powyższej pracy zbadali również, jak zmieniał się udział głównych cyklonów tropikalnych w różnych regionach, w tym na Północnym Atlantyku, wschodnim i zachodnim Północnym Pacyfiku, południowym Pacyfiku oraz północnym i południowym Oceanie Indyjskim.

Naukowcy obliczyli, że w regionie północnoatlantyckim prawdopodobieństwo wystąpienia poważnego huraganu wzrosło o 49% na dekadę, licząc od okresu opublikowania tejże pracy.

Innymi słowy, we wczesnym okresie 1979-1997 na Północnym Atlantyku znajdowało się 777 cyklonów tropikalnych. Spośród nich 136 zostało zakwalifikowanych jako główne (porównując niebieską linię na wykresie dla wszystkich cyklonów tropikalnych).

W późniejszym okresie 1998-2017 na Północnym Atlantyku występowały 1572 cyklony tropikalne. Spośród nich 529 zostało zakwalifikowanych jako główne. Odpowiada to wzrostowi liczby głównych cyklonów o 49% na dekadę (porównując czerwoną linię na wykresie dla wszystkich cyklonów tropikalnych).

—-

W dokonanej analizie oceny przeszłych zmian częstotliwości głównych huraganów atlantyckich w latach 1851-2019, główny autor pracy Gabriel A. Vecchi z Wydziału Nauk o Ziemi na Uniwersytecie w Princeton, wraz ze swoimi współpracownikami, doszedł do wniosku, że za zmniejszeniem częstotliwości tych naturalnych żywiołów na północnym Atlantyku w okresie 1950-80, odpowiadały, zakwestionowana w 2021 roku przez profesora Manna wielodekadowa oscylacja atlantycka (AMO – Atlantic Multidecadal Oscillation) oraz aerozole antropogenicznego pochodzenia pochodzące z uprzemysłowienia krajów europejskich, amerykańskich oraz Rosji i Japonii, które skutecznie zamaskowały wkład gazów cieplarnianych w ocieplenie klimatu 5.

Autorzy w swojej pracy napisali:

Homogeniczne satelitarne obserwacje intensywności cyklonów tropikalnych (TC – tropical cyclone) od wczesnych lat 80-tych pokazują wzrost udziału głównych huraganów (MH – major hurricane) w całości TC zarówno na północnym Atlantyku (NA – North Atlantic), jak i na całym świecie.

Na podstawie 2 wersji bazy danych dotyczących huraganów północnoatlantyckich (HURDAT2) zawierających zapisy aktywności huraganów na północnym Atlantyku w prawie 170-letnim zapisie aktywności huraganów, od 1851 do 2019 roku, naukowcy zastosowali zapis uderzeń huraganów w USA obejmujących burze, w przypadku których siła huraganu, czyli jego prędkość, wynosiła od 33 do 50 m/s .

Wiatry, które uderzyły w kontynentalne USA z Atlantyku lub Zatoki Meksykańskiej. A więc ten zapis obejmuje burze, dla których centrum nie przeszło na ląd.


Fot.32. Widok z lotu ptaka na Gulfport w stanie Mississippi, ukazujący powódź w następstwie huraganu Camille 1969. Źródło: Archiwum zdjęć historycznych Granger / Zdjęcie Alamy .

 

W sumie autorzy pracy zwrócili uwagę, że, w ciągu 40 lat, ilość huraganów głównych, w kategoriach Saffira-Simpsona: 3, 4, i 5, na północnym Atlantyku wzrosła wraz z dalszym ocieplaniem się klimatu w odpowiedzi na dalszy wzrost koncentracji dwutlenku węgla.

W erze antropogenicznej szczególny wpływ na wahania częstotliwości cyklonów tropikalnych (TC) ma obecność wielodekadowych zmian wynikających z występowania kombinacji wewnętrznej zmienności w systemie pogodowym i klimatycznym oraz reakcji na wymuszanie klimatu naturalnego i antropogenicznego.

W metodologii badań, naukowcy użyli zapisu dłuższych okresów czasu w zestawie danych HURDAT2.

  1. wcześniejszy okres przedsatelitarny 1851-1971 zamiast okresu         1878-1971
  2. późniejszy okres satelitarny 1972-2019 zamiast okresu 1972-2008

Do badań obserwacyjnych głównych huraganów (MH) w symulacjach komputerowych, zespół Gabriela Vecchiego zastosował tzw. model promienia wiatru HWIND 1998-2013 o promieniu 50 m/s , w podanym badanym okresie czasu (1998-2013), na podstawie wielu obserwacji dla jednego głównego huraganu (MH).

Profesor Gabriel A. Vecchi w serwisie Carbon Breef powiedział 6:

Jednym z czynników ograniczających ocenę zmian cyklonów tropikalnych jest to, że zapisy satelitarne są stosunkowo krótkie, co utrudnia identyfikację długoterminowych trendów wśród naturalnych wahań z roku lub dekady na następny.

Przed erą satelitów występowanie i intensywność huraganów były w dużej mierze rejestrowane w oparciu o bezpośrednie obserwacje huraganów przychodzących na ląd lub przechodzących w pobliżu lądu, czy też poprzez obserwacje ze statków na morzu napotykających huragany.

W sumie autorzy oszacowali liczbę burz, które mogłyby wystąpić i nie zostały wykryte w każdym roku wcześniejszej ery przedsatelitarnej. Następnie autorzy dostosowali istniejący zapis, aby odzwierciedlić te nieodkryte huragany.


Referencje:
1. Murakami H. et al., 2020 ; Detected climatic change in global distribution of tropical cyclones ; Proceedings of the National of Sciences ; https://www.pnas.org/content/117/20/10706
2. Dunne D., 2020 ; Global warming has ‘changed’ spread of tropical cyclones around the world ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/global-warming-has-changed-spread-of-tropical-cyclones-around-the-world/
3. Kossin J. P. et al., 2020 ; Global increase in major tropical cyclone exceedance probability over the past four decades ; Proceedings of the National Academy of Sciences ; https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.1920849117
4. Dunne D., 2020 ; Major tropical cyclones have become ‘15% more likely’ over past 40 years ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/major-tropical-cyclones-have-become-15-more-likely-over-past-40-years/
5. Vecchi G. A. et al., 2021 ; Changes in Atlantic major hurricane frequency since the late-19th century ; Nature Communications ; https://www.nature.com/articles/s41467-021-24268-5
6. McSweeney R., 2021 ; Recent increase in major Atlantic hurricanes may be ‘rebound’ after 1960-1980s lull ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/recent-increase-in-major-atlantic-hurricanes-may-be-rebound-after-1960-1980s-lull/

Świat przyrodniczy wśród nas i wokół nas

Mamy trzy światy przyrodnicze:
a) naturalny (już coraz mniej gatunków dzikich z dala od siedzib ludzkich)
b) uczłowieczony niezależny (też coraz mniej gatunków półdzikich z łąk czy muraw oraz z siedlisk synantropijnych, towarzyszącym ludziom w wioskach i miastach, ale o wiele więcej gatunków niż posiada świat naturalny)
c) uczłowieczony zależny (znikoma ilość gatunków udomowionych – głównie ssaków i ptaków, ale za to ogromna ilość osobników tychże gatunków, stanowiąca ponad 15-krotnie większą ilość masy zwierzęcej niż posiada świat naturalny fauny; tu nie ma podanej liczby gatunków roślin udomowionych, ale też jest znikoma ilość i zapewne, wielokrotnie większa niż posiada naturalny świat flory)
Jak więc zrobić tak by świat naturalny zwiększał się bardziej, świat półdziki zwiększał się mniej, a świat hodowlany żeby jednak nie zwiększał się zbyt mocno, ale na tyle by zapewnić żywność każdemu mieszkańcowi Ziemi.
To karkołomne zadanie przed ludzkością. Dać swobodnie rozwijać się w tradycyjny sposób rdzennym ludom plemiennym i sami jako przedstawiciele cywilizacji żebyśmy powrócili do zrównoważonego, aczkolwiek też tradycyjnego rolnictwa, leśnictwa, myślistwa i rybołówstwa.
Jak ukształtować naszą cywilizację w zgodzie z rytmami przyrody? Jak od teraz budować infrastrukturę cywilizacji by nie zakłócała tychże rytmów przyrody?
Jak budować miasta, wioski, drogi, koleje, mosty, osiedla, obiekty gospodarcze, turystyczne, usługowe, handlowe i wiele innych tak by nie zakłócić wspomnianych rytmów przyrody?
Jak kształtować węzły i korytarze ekologiczne pomiędzy formami ochrony przyrody nie tylko poza miastami i wioskami, ale i również w samych ich sercach. Nie tylko na obrzeżach, ale i w ich środkach. Są gatunki, które lubią żyć koło nas. I żyją. Nawet o wielu z nich nie zdajemy sobie sprawy. I powinniśmy o tym pomyśleć, jak im zapewnić bezpieczeństwo w obrębie i na obrzeżach naszej cywilizacji składającej się z miast i wiosek.
Planistami i architektami przestrzeni urbanistycznych oraz krajobrazowych powinni zostawać ludzie wrażliwi na dobro przyrody, które w końcu powinno być priorytetem nie tylko ze względu na funkcje usługowe, w tym zdrowotne dla nas ludzi, ale i również ze względu na funkcje etyczne i moralne. Tak etyka i moralność powinna być poszerzona poza ludzkie aspekty by też dotykać spraw świata zwierzęcego i roślinnego.
Jak dotychczas świat roślin i zwierząt ma dla nas głównie znaczenie instrumentalne, dotyczące upraw tych pierwszych i hodowli tych drugich. Ewentualnie ze świata zwierząt preferujemy pewne gatunki jak głównie psy i koty, by były naszymi towarzyszami dla zaspokojenia naszego ego.
Świat półdziki jest najmniej poznany. To są generalnie w ekosystemach otwartych łąki, murawy czy pastwiska, a w ekosystemach zamkniętych pasy zadrzewień i zakrzewień, głównie w parkach miejskich i wiejskich. Do tej kategorii można też zaliczyć siedliska porębowe w lasach gospodarczych.
Zmieniamy diametralnie świat przyrody. Tworzymy go według własnych wyobrażeń i wygody. Niejednokrotnie oddziałuje tu czynnik atawistyczny. Lęk przed groźnymi zwierzętami, uzasadniony lub też wyolbrzymiony. Nie chcemy w swoim świecie komarów, much, pcheł, pająków, węży, szczurów itp. stworzeń, bo albo napawają nas obrzydzeniem albo lękiem. Dlatego też nasz dwunożny gatunek mocno odizolowuje się od wielu obszarów przyrodniczych. I najczęściej odizolowuje się niszcząc je i sam się osiedla w swoim kokonie technokratyczno-konsumpcyjnej cywilizacji. Aby jak najdalej od przyrody. Ewentualnie spora część ludzi toleruje przyrodę wygładzoną i ukształtowaną przez nich. Im mniej dzikości, np. w ogrodzie, tym większa izolacja od rytmów natury.
I tak się dzieje teraz w dużym zakresie prawie w każdym zakątku globu ziemskiego. Ludzie cały czas non stop niszczą naturalne siedliska po to by je przekształcać w półnaturalne czy też synantropijne, takie w pełni udomowione.
Co zrobić żeby ludzi zawrócić z tej błędnej drogi? Przecież im mniej naturalnych, zwłaszcza leśnych, ekosystemów, w tym wodnych śródlądowych, tym mniej pochłaniania dwutlenku węgla oraz mniej bioróżnorodności. Czy nie ma już żadnych szans na to by ludzi zbliżyć do dzikiej natury? Czy nie można sprawić jakoś by poczuli na nowo jej dźwięki, zapachy i ujrzeli jej immanentne i transcendentne piękno ukryte w dzikości?
Czegóż więcej trzeba by ludzie jak najmniej manipulowali przyrodą, a jak najwięcej kontemplowali jej piękno i niesamowity urok?
Co zrobić by zadziałała zasada 4: więcej odbudować ekosystemów naturalnych (w których jest wiele roślin leczniczych), mniej odbudować ekosystemów półnaturalnych (w których jest też wiele roślin leczniczych), nie odbudowywać ekosystemów synantropijnych (poza utrzymywaniem ekosystemów z roślinami leczniczymi) oraz likwidować przemysłowe sektory gospodarcze upraw roślin i hodowli zwierząt (agrobiznes oparty na chemizacji i intensyfikacji) a odbudowywać małe proekologiczne tradycyjne gospodarstwa rolne tychże uprawianych roślin i hodowanych zwierząt.
Jak to wszystko pogodzić? Jak to połączyć by nie było kolizji cywilizacji z przyrodą? Tym powinni się zająć wszechstronni eksperci znający się na planowaniu przestrzennym nie tylko urbanizacji naszych miast i wiosek czy też ewentualnie krajobrazów polnych i leśnych (zagospodarowanych), ale i również form ochrony przyrody jak parki narodowe, krajobrazowe, rezerwaty przyrody, obszary Natura 2000 i inne. Ale nie tylko. Przyroda jest też poza formami ochrony przyrody i o niej też należy zawsze pamiętać. W szczególności dotyczy to gatunków roślin i zwierząt oraz siedlisk jakie otworzą w obrębie miast i wiosek. Tam też powinno się zadbać by nie było kolizji przyrody z cywilizacją. W szczególności chodzi o zabezpieczenie dróg szybkiego ruchu nie tylko dla wygód ludzi, ale i też dla bezpieczeństwa wielu zwierząt. Jednak powinno się im zapewnić alternatywne szlaki przemieszczania się. Wspomniane korytarze ekologiczne powinny być priorytetem w ochronie zurbanizowanej przyrody w każdym mieście, w każdej wiosce, w każdym zakątku kuli ziemskiej. Jednak powinny być preferowane nasłonecznione przejścia nadziemne a nie zacienione podziemne.
Ludzie nie powinni wszystkiego przeliczać na pieniądze, tylko podejść etycznie do problemu. Nie każde zwierzę zechce pod ziemią przemieszczać się poza ryjącymi w ziemi, dlatego nad ziemią powinny być takie korytarze robione w postaci mostów. W strefach gdzie nie ma dróg i zabudowy powinny być zaplanowane odpowiednie zadrzewienia i zakrzewienia, zwłaszcza wśród rzek i jezior, tak by populacje wielu gatunków zwierząt, a nawet roślin grzybów czy zarodników grzybów, mogły się przemieszczać.
Takich przejść w korytarzach ekologicznych pomiędzy węzłami ekologicznymi powinno być wykonywanych jak najwięcej również w obszarach poza miastami i wioskami, tam gdzie są drogi i koleje czy inne przeszkody infastruktury ludzkiej.
To nie jest proste. Aby wykonać takie plany architektoniczno-krajobrazowe trzeba wielu poważnie wykonanych projektów by połączyć potrzeby cywilizacyjne z potrzebami środowiskowymi. Jednak takie plany powinny być już analizowane i w końcu wdrażane w życie. W każdym obszarze planety Ziemi.
Źódła:

Susza – coraz częstsze zjawisko atmosferyczne w coraz cieplejszym świecie

Susza w obecnych czasach jest poważnym problemem cywilizacyjnym, uderzającym bezpośrednio w naszą działalność gospodarczą, głównie w sektorach: energetycznym, rolniczym i przemysłowym. Również jej ujemny wpływ coraz bardziej zaznacza się w ekosystemach lądowych.
Suszom najczęściej towarzyszą fale upałów, a także, gdy ich okres się wydłuża, dają o sobie znać wielkoskalowe pożary, o których powiemy sobie w dalszej części książki.
—-
Bramha Dutt Vishwakarma z Uczelni Nauk Geograficznych na Uniwersytecie w Bristolu, w Wielkiej Brytanii, w swojej autorskiej pracy pisze, że w 2019 roku jedna czwarta światowej populacji była dotknięta poważnym niedoborem wody przez instytut zasobów wodnych 1. A jak wynika z wcześniejszych prac na ten temat, do 2050 roku przewiduje się, że dostępu do wody nie będzie mieć połowa ludzkości, przy kontynuacji obecnych wysokich emisji gazów cieplarnianych. Te wszystkie prognozy na przyszłość oparte są na coraz dokładniejszych modelach, dzięki czemu potrafimy zrozumieć coraz lepiej współczesną czasoprzestrzenną charakterystykę susz. Dlatego liczne grupy badawcze badają systematycznie trwające i przeszłe zjawiska suszy, aby uzyskać coraz świeższe, nowe informacje na ich temat.
Ciekawą sprawą jest to jak przebiegają badania satelitarne pomiarów wód gruntowych, czyli zmiany magazynowania wody w gruncie. Badania takie przeprowadziła misja produktów satelitarnych GRACE, które też mierzą zmiany w pokrywach lodowych Antarktydy i Grenlandii, w poziomie globalnych wód oceanicznych. Ponadto, przeprowadzane są badania mniej związane z klimatem, bo z pomiarami skał i gruntów pod względem trzęsień ziemi.
Mamy różne rodzaje susz, które charakteryzują się różnymi zmiennymi hydrologicznymi. I na przykład:
– suszę meteorologiczną ocenia się na podstawie opadów,
– suszę hydrologiczną ocenia się na podstawie spływu lub poziomu zbiornika,
– suszę rolniczą ocenia się na podstawie wilgotności gleby
Do badania suszy potrzebne są długie nieprzerwane obserwacje hydrologiczne.
—-
Rys.1. Dane NASA GRACE pokazują, że ziemia w dużej części Doliny Środkowej Kalifornii tonie w wyniku wydobycia wód gruntowych (The New Republic, 2015).
—-
——–
Nie ulega wątpliwości, że kiedy mamy do czynienia z falami upałów, często też im towarzyszą właśnie susze. I to coraz częściej o wymiarze ekstremalnym, tak samo pod względem wzrostu częstotliwości, intensywności oraz długości, a także zasięgu, zarówno pod względem godzin w ciągu dnia, jak i liczby dni, przeważnie w sezonie letnim, ale i coraz częściej mają i one miejsce w sezonie wiosennym, jak np. w 2018 roku.
Jedną z prac przedstawiających układ synergiczny, omawianych wcześniej w książce fal upałów i teraz zaprezentowanych susz, jest praca zaprezentowana przez zespół naukowy, na którego czele stał Mohammad Reza Alizadeh, doktorant pod kierunkiem prof. Jana Adamowskiego na Wydziale Inżynierii Biozasobów na Uniwersytecie McGill w Kanadzie 2.
Naukowcy zidentyfikowali na obszarze Stanów Zjednoczonych dwa mechanizmy podczas samointensyfikacji i samorozprzestrzeniania się zdarzeń gorąco-suchych, a więc jednocześnie fal upałów i susz, gdzie ich częstotliwość, intensyfikacja i poszerzanie zasięgów potęguje tworzenie się sprzężeń zwrotnych lądowej atmosfery. Podczas występowania tych zdarzeń, wzmocniony efekt jednoczesnych fal upałów i susz ma wpływ na większe parowanie gleb, co powoduje, że malejący ich poziom wilgotności wzmacnia intensywnie wzrost temperatury powietrza, co z kolei prowadzi do znacznego ogrzewania atmosfery i do poważnego wysychania, zarówno wód powierzchniowych i gruntowych, jak i roślin.
Współautor badania prof. Mojtaba Sadegh, badacz ekstremów klimatycznych z Uniwersytetu Stanowego Boise (Boise State University) dla Carbon Brief tak powiedział 3:
Samointensyfikacja oznacza, że ​​susze i fale upałów nasilają się nawzajem; suchość prowadzi do większej ilości ciepła – a więcej ciepła powoduje więcej suchości. Samorozprzestrzenianie się odnosi się do przemieszczania się suchości i ciepła z jednego regionu do drugiego.
Zdarzenia sucho-gorące oddziałują bardzo ujemnie, zarówno na lasy naturalne i gospodarcze, jak i na rolnictwo oraz energetykę w danym regionie, w którym mają one miejsce. Ich długotrwała obecność bardzo często stymuluje inicjację pożarów wielkoskalowych, których tematyka będzie szerzej omawiana w następnej kolejności w książce.
Mojtaba Sadegh wyjaśnił w tym samym serwisie:
Jednoczesne susze i fale upałów są najbardziej szkodliwymi stresorami dla systemu rolniczego. Jeśli jest gorąco, potrzeba więcej wody do nawadniania, a jeśli jest sucho, wody do tego nie ma. Trzy takie zdarzenia w latach 2011–2013 w USA spowodowały straty w rolnictwie o wartości ponad 60 miliardów dolarów.
Złożone sucho-gorące wydarzenia są również bardzo szkodliwe dla lasów i mogą powodować śmiertelność drzew na dużą skalę, taką jak zaobserwowano w górach Sierra Nevada w Kalifornii w latach 2014-2017.
Naukowcy skupili się na dokładnej analizie przestrzennej obszarów Stanów Zjednoczonych. I zwrócili uwagę, że te zdarzenia są najczęstsze w zachodniej części kraju oraz w północno-wschodnich i południowo-wschodnich rejonach. W tym celu przestudiowali ponad stuletnie pomiary temperatury, dokładniej okres 1896-2017, co mało naukowców przeprowadzało, i co było powodem niedokładnemu przyjrzeniu się wielkiej suszy Dust Bowl w latach 30 XX wieku, którą ci naukowcy również zaliczyli do zdarzenia gorąco-suchego.
—-
Fot.1. Niepowodzenie upraw z powodu suszy, Nebraska, USA. Źródło: Inga Spence / Alamy Stock Photo.
—-
Nieparametryczna analiza Manna-Kendalla, na grafice poniżej, pokazuje statystycznie istotny trend wzrostowy średniej rocznej temperatury w latach 1896-2017 w większości przyległych obszarów Stanów Zjednoczonych, nie licząc Alaski i Hawajów (CONUS – Contiguous United States), z wyjątkiem części południowo-wschodniej, na wschód od południowych Wielkich Równin i południowej część Środkowego Zachodu.
—-
Rys.2. Nieparametryczna analiza trendu Manna-Kendalla.
Zacienione na czerwono obszary pokazują statystycznie istotny wzrost (na poziomie 5%) okresu powrotu ( A ) ekstremów suchych, ( B ) ekstremów gorących i ( C ) równoczesnych ekstremów suchych i gorących w całym CONUS w ciągu ostatnich 122 lat ( 1896–2017) w skali rocznej. Na rysunku pokazano również ułamek powierzchni w każdym regionie i cały CONUS z istotnymi trendami (Mohammad Reza Alizadeh i inni, 2020).
—-
Częstotliwość złożonych ekstremalnych zdarzeń sucho-gorących zaczyna wzrastać w całym CONUS, trend, który jest znaczący na poziomie 5% w zachodnich Stanach Zjednoczonych,a także w części północno-wschodnich i południowo-wschodnich Stanów Zjednoczonych.
Montaba Sadegh w serwisie Carbon Brief podsumował temat:
Pokazujemy, że jednoczesne susze i fale upałów rozszerzają się przestrzennie w alarmującym tempie, zwiększając prawdopodobieństwo wystąpienia ekstremów w skali kontynentalnej.
——-
Michael Goulden z Wydziału Nauki Systemu Ziemi w Irvine i Roger Bales z Instytutu Badawczego Sierra Nevada – obaj z Uniwersytetu Kalifornijskiego, powiedzieli, że w latach 2012-2015 w stanie USA w Kalifornii mieliśmy do czynienia z jednoczesnym okresem skrajnie rzadkich opadów deszczu ze wzmocnieniem temperatury powietrza oraz z wymieraniem wielu drzew. Najmocniej ucierpiały drzewa w lasach iglastych, które są mniej odporne na takie ekstrema pogodowe niż liściaste 4.
Naukowcy za pomocą obserwacji terenowych i teledetekcyjnych omówili przestrzenne i czasowe wzorce wymierania drzew oraz deficytu wilgoci podczas suszy w Kalifornii.
Susze to przewaga ewapotranspiracji nad opadami. I z tego też wynika, że tak samo się oblicza ten parametr jak opady deszczu czy śniegu z atmosfery na glebę, tylko w kontekście ubytku wody z tejże gleby do atmosfery. Skumulowana ewapotranspiracja podczas wielkiej 4-letniej suszy 2012-2015 w Kalifornii wyniosła 1500 mm. A poziom wilgotności w glebie obniżył się w tym samym czasie do głębokości 5-15 metrów. Umarło wówczas wiele drzew. Zwłaszcza ucierpiały iglaste, które są bardziej podatne na destrukcyjny wpływ susz, zwłaszcza połączonych z falami upałów, w szczególności ekstremalnych.
W badanym okresie czasu wymarło około 55% drzew.
——–
Naukowcy z Niemiec i Czech pod kierownictwem Vittala Hari z Centrum Badań Środowiskowych UFZ-Helmholtz w Lipsku, wykorzystali dane sięgające roku 1766, aby stwierdzić, że dwuletnia susza 2018-2019 była największą i najcięższą zarejestrowaną w historii suszą, od co najmniej 250 lat 5.
Oszacowali oni, że w drugiej połowie XXI wieku liczba ekstremalnych dwuletnich susz wzrośnie aż siedmiokrotnie, gdy będzie kontynuowany scenariusz najgorszych emisji „biznes jak zwykle”. Miałoby to drastycznie ujemny wpływ na 40 milionów hektarów upraw rolnych, czyli w porównaniu z dniem dzisiejszym, byłby to ubytek aż 60% wszystkich ziem rolnych na świecie.
Symulacje komputerowe pod względem umiarkowanych emisji miałyby wpływ na straty rolne o połowę mniej.
Naukowcy napisali w swojej pracy, że dwuletni okres suszy stanowi znacznie poważniejsze zagrożenie dla roślinności aniżeli jednoletnie z poprzednich lat, ponieważ ziemia nie może tak szybko zregenerować się po jednym roku suszy.
Ponadto badacze stwierdzili, że około jedna piąta regionu Europy Środkowej odnotowała słaby stan roślinności w ciągu ostatnich dwóch lat 2018-2019.
W badaniu tym zdefiniowano Europę Środkową jako obejmującą część Niemiec, Francji, Polski, Szwajcarii, Włoch, Austrii, a także Czechy, Belgię, Słowenię, Węgry, Słowację. Stwierdzono, że w tym regionie Europy ponad 34 procent całkowitej powierzchni gruntów jest intensywnie wykorzystywane do celów rolniczych.
—-
Rys.3. Anomalie wskaźnika zdrowia roślinności (VHI – vegetation health index) w latach 2003, 2018 i 2019. ( a , b , c ) Anomalie średniej temperatury (°C ≤ 30) w okresie letnim (czerwiec–sierpień) dla roku 2003, 2018 i 2019 na podstawie klimatologii z lat 1980–2010 oraz ( d , e , f ) odpowiadające im anomalie opadów (%). ( g , h , i ) Stan roślinności pod względem VHI odpowiednio w latach 2003, 2018 i 2019.
( j ) Roczny rozwój okresu letniego, procent powierzchni o słabej kondycji roślinności (tj. VHI °C ≤ 30), oszacowany w regionie środkowoeuropejskim (oznaczonym czarnym prostokątem na panelu g) w latach 2000–2019. Gruba czarna kreskowana linia przedstawia roczną średnią tygodniową VHI w miesiącach letnich, a różowe oznaczenia reprezentują odpowiednio 95% poziom ufności w oparciu o rozkład próby średniej. W latach 2003, 2015, 2018 i 2019 nastąpiło zaburzenie kondycji roślinności, które objęło ponad 20% regionu środkowoeuropejskiego. Obszar zacieniony na szaro podkreśla lata 2018 i 2019, podczas których słaba kondycja roślinności utrzymuje się na ponad 20% obszaru środkowoeuropejskiego, kolejno przez 2 lata.
k) Roczne anomalie opadów i temperatury w okresie letnim oszacowane w regionie Europy Środkowej w ciągu 254 lat. Czerwone kropki oznaczają trzy wyjątkowe lata 2003, 2018 i 2019, w których anomalie średniej temperatury latem nad Europą Środkową osiągnęły rekordowo ekstremalne warunki przekraczające 2°C ; a anomalie opadów wykazują deficyt przekraczający 20%. Mapy na rysunku są generowane przy użyciu Pythona w wersji 3.7.3 (https://www.python.org/search/?q=Python+3.7.3) (Vittal Hari i inni, 2020).
Naukowcy dalej opisują, że gdy w lecie 2003 roku wzrost temperatury był bardziej skoncentrowany w Europie środkowej i południowej, lato 2018 roku charakteryzowało się nieprawidłowym wzrostem w Europie środkowej i północno-wschodniej. Mimo wszystko w obu danych okresach, wzrost temperatury i zmniejszenie opadów deszczu było najsilniejsze w regionie środkowoeuropejskim (rys.3. d–f), co w końcu doprowadziło do przedłużających się ekstremalnych warunków suszy gdzie ucierpiało mocno rolnictwo.
——-
Podobne badanie przeprowadzone przez zespół naukowy dr Any Bastos z Wydziału Geografii, Uniwersytetu Ludwika Maksymiliana w Monachium – przez ówczesną kierowniczkę grupy w Instytucie Biogeochemii im. Maxa Plancka w Jenie, w Niemczech, polegało na porównaniu ekstremalnych fal upałów 2018 roku z minionymi podobnymi zdarzeniami w 2010 i 2003 roku 6.
Naukowcy odkryli, że złożone zjawisko ekstremalnych fal upałów i susz w 2018 roku różniło się wyraźnie od tych z 2010 i 2003 roku, tym, że zarówno fala ciepła, jak i susza w Europie Środkowej miały już miejsce w okresie wiosennym.
Dr Ana Bastos powiedziała w serwisie Carbon Brief 7:
Warunki wiosenne doprowadziły do ​​wzmocnienia fotosyntezy na początku sezonu wegetacyjnego, ale kosztem silnego wyczerpania gleby i wody. Na zdominowanych przez uprawy obszarach w Europie Środkowej zwiększony wzrost wiosną sprawił, że ekosystemy były bardziej podatne na suszę latem i spowodował on załamanie fotosyntezy.
Warto zaznaczyć, że dodatnie anomalie temperatury były znacznie większe w latach 2003 i 2010 niż w 2018 roku, gdyż ogólnie średnia temperatura powierzchni Ziemi czy w mniejszej skali kontynentu Europy, w pierwszej dekadzie XXI wieku była niższa niż pod koniec drugiej dekady.
Z tego co się jeszcze dowiadujemy z powyższej pracy, to jest to, że rekordowo wysokie temperatury i promieniowanie oraz rekordowo niskie opady w sezonie letnim ograniczały się głównie do Europy Środkowej, jak widać na poniższym rysunku. Jednak w porównaniu z innymi latami w 40-letnim zapisie, rok 2018 zarejestrował najsilniejsze przejście między mokrą zimą/wiosną a suchym latem/jesienią w skali kontynentalnej.
Mapy powyżej pokazują, jak była ciepła i słoneczna wiosna 2018 roku na dużej części kontynentu w porównaniu z innymi latami, w których występowały przede wszystkim fale upałów w okresie letnim. Z kolei w 2018 roku, w niektórych częściach Europy w porze wiosennej wystąpiły również niezwykle ogromne deficyty opadów, jednak nie były one jednolite na całym kontynencie.
Za pomocą 11 modeli naukowcy przeprowadzili symulacje wegetacji roślin i porównali trzy okresy wiosenno-letnie 2003, 2010 i 2018. Zaobserwowali wówczas duży przyrost roślinności w porze wiosennej ze względu na większe pochłanianie dwutlenku węgla przez rośliny. Jednak utrzymujący się dłuższy wzrost obniżonych opadów deszczu oraz wysokiej temperatury spowodował powstanie ekstremalnego zdarzenia gorąco-suchego w 2018 roku, o którym już była mowa wcześniej w książce. Z kolei zdarzenia wiosenne 2003 i 2010 nie były pod wpływem fal upałów, ale letnie już tak i to z dużą intensywnością.
—-
Rys.4. Średnia temperatura (na górze), opady (w środku) i promieniowanie słoneczne (na dole) w Europie w miesiącach wiosennych: 2003 (po lewej), 2010 (pośrodku) i 2018 (po prawej). Kolor czerwony oznacza ponadprzeciętne temperatury lub deficyty opadów, natomiast żółty oznacza ponadprzeciętne promieniowanie słoneczne. (Ana Bastos i inni, 2020)
—-
Dr Ana Bastos wyjaśnia w tym samym artykule dla Carbon Brief:
Na zdominowanych przez uprawy obszarach w Europie Środkowej zwiększony wzrost wiosną sprawił, że ekosystemy były bardziej podatne na suszę latem i spowodował załamanie fotosyntezy latem.
A więc, wniosek z tego wypływa następujący, że wraz z rozpoczęciem lata w 2018 roku i cały czas trwającym od wiosny okresem suszy, wysychające gleby oraz rośliny uwalniały duże ilości dwutlenku węgla do atmosfery doprowadzając do jeszcze większego wzrostu temperatury w regionie środkowej Europy oraz potencjalnie bardziej zwiększonej suszy.
Naukowcy też zauważyli, że regiony Europy takie jak Skandynawia, są silnie zalesione i znacznie mniej odczuły wtedy wpływ wzrostu temperatury globalnej i suszy niż bardziej wylesione i o charakterze rolniczym regiony środkowej Europy.
——-
Kolejne badanie 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.
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) 8.
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 9:
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.
—-
Rys.5. Siła związku między szacunkami PDSI na podstawie danych obserwacyjnych – rekonstrukcji słojów drzew (zielony) i zbiorów danych meteorologicznych (CRU, ciemnoniebieski; DAI, jasnoniebieski) – a „odciskiem palca” zmian klimatu. Na osi y liczba powyżej zera wskazuje na trend pozytywny, a liczba poniżej zera na trend negatywny. Wyniki są pokazane dla trzech okresów: 1900-49 (na górze), 1950-75 (w środku) i 1980-2017 (na dole). Na dolnym wykresie rekonstrukcje słojów drzew zastąpiono nowoczesnymi zestawami danych dotyczących wilgotności gleby na powierzchni (pomarańczowy) i korzeni roślin (czerwony). Źródło: Kate Marvel i in. (2019)
—-
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 wysokiej emisji gazów cieplarnianych znany jako RCP8.5.
Jak widać z danych zestawów meteorologicznych, Jednostki 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).
Na powyższym wykresie badacze przedstawili analizę porównawczą okresów 1900-1949 (na górze), 1950-1975 (w środku) i 1980-2017 (na dole) 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, jak widać na wykresie (rys.5.), 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 wyrażnie 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, 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.
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.
—-
Referencje:
1. Vishwakarma B D., 2020 ; Monitoring Droughts From GRACE ; Interdisciplinary Climate Studies ; https://www.frontiersin.org/…/fenvs.2020.584690/full
2. Alizadeh M. R. et al., 2020 ; A century of observations reveals increasing likelihood of continental-scale compound dry-hot extremes ; Science Advances ; https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aaz4571
3. Dunne D., 2020 ; US sees ‘alarming’ increase in combined heatwaves and droughts ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/us-sees-alarming-increase-in…
4. Goulden M. L. et al., 2019 ; California forest die-off linked to multi-year deep soil drying in 2012–2015 drought ; Nature Geoscience ; https://www.nature.com/articles/s41561-019-0388-5
5. Hari V. et al., 2020 ; Increased future occurrences of the exceptional 2018–2019 Central European drought under global Warming ; Scientific Reports ; https://www.nature.com/articles/s41598-020-68872-9
6. Bastos A. et al., 2020 ; Direct and seasonal legacy effects of the 2018 heat wave and drought on European ecosystem productivity ; Science Advances ; https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aba2724
7. Dunne D., 2020 ; Warm spring worsened Europe’s extreme 2018 summer drought, study says ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/warm-spring-worsened-europes-extreme-2018-summer-drought-study-says/
8. Marvel K. et al., 2019 ; Twentieth-century hydroclimate changes consistent with human influence ; Nature ; https://www.nature.com/articles/s41586-019-1149-8
9. 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/

Wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze

Już w drugiej połowie XIX wieku tacy naukowcy jak Eunice Foote ze Stanów Zjednoczonych czy John Tyndall z Irlandii rozpoznali eksperymentalnie własności fizyczne podstawowych gazów cieplarnianych, jak dwutlenek węgla i para wodna. Tyndall dodatkowo zbadał też cząsteczkę metanu.
Amerykańska uczona Eunice Newton Foote po raz pierwszy ujawniła światu naukowemu, że dwutlenek węgla jest gazem odpowiedzialnym za wzrost temperatury w atmosferze. Niestety mylnie zinterpretowała absorpcję CO2przez promieniowanie. Prawidłowe światło podczerwone pomyliła ze światłem widzialnym. Co jednak współczesny świat nauki wybaczył i docenił uczoną za to, że zwróciła po raz pierwszy uwagę na dwutlenek węgla i parę wodną, że mają własności cieplarniane 1.
Wyniki uczonej zostały przedstawione w 1856 roku na zebraniu American Association for the Advancement of Science przez profesora Johna Henry’ego.
—-
Z kolei John Tyndall, niezależnie od odkrycia Foote, w 1860 roku w swoich wynikach pracy eksperymentalnej, zwrócił po raz pierwszy uwagę na wspomniane gazy cieplarniane – dwutlenek węgla, parę wodną, a także metan 2.
Uczony ten zbudował specjalny zestaw do badania własności absorpcyjnych gazów w zakresie promieniowania termicznego („radiant heat”) z wykorzystaniem termostosu i w ten sposób został pionierem spektroskopii absorpcyjnej.
—-
Pierwsze obliczenie podwojenia zawartości dwutlenku węgla pod wpływem wzrostu temperatury globalnej, poczynając od 1900 roku, czyli wyznaczenie po raz pierwszy czułości klimatu, w swoich obliczeniach analitycznych pokazał światu naukowemu szwedzki chemik Svante Arrhenius 3.
Czułość klimatu u Arrheniusa wyniosła 5-6 stopni Celsjusza, a więc prawie dwukrotnie więcej niż to co zostało ustalone w 5 Raporcie Oceny IPCC w latach 2013-14 oraz teraz w 6 Raporcie Oceny IPCC w latach 2021-2022.
—-
Na temat globalnego ocieplenia wywołanego przez człowieka jest szereg dowodów ustalonych już w latach 50 XX wieku. Są to tak zwane klimatyczne odciski palców.
W 1957 roku amerykański oceanolog Roger Revelle wraz z austriackim fizykiem jądrowym Hansem Suessem zbadali po raz pierwszy izotopy dwutlenku węgla w atmosferze i w oceanach. Zaobserwowali, że nastąpił znacznie większy stosunek izotopu węgla 12C do izotopu węgla 13C. Wyciągnęli prosty wniosek, że skoro rośliny bardziej preferują 12C niż 13C, to skoro odkryto rosnący stosunek tego pierwszego do drugiego, to oznaczało, że pochodzą one z roślin kopalnych, czyli ze spalanego węgla kamiennego i brunatnego 4.
—-
Po wielu latach Florian Böhm i jego współpracownicy z Centrum Badawczego Nauk o Ziemi Morskiej – GEOMAR w Kilonii zauważyli podczas swoich badań, że od początku rewolucji przemysłowej, czyli od początku drugiej połowy XIX wieku, gdy zaczęto coraz intensywniej spalać paliwa kopalne i emitować dwutlenek węgla do atmosfery, stosunek izotopowy węgla 12C zaczął się powiększać względem 13C. I to był wyraźny sygnał, że do obecnego globalnego ocieplenia przyczynia się człowiek już od ponad 200 lat 5.
Autorzy pracy piszą:
Szkielety z gąbki koralowej są doskonałym narzędziem do rekonstrukcji historii izotopów rozpuszczonego węgla nieorganicznego (DIC – Dissolved Inorganic Carbon) w tropikalnych wodach powierzchniowych. Zapisy izotopów węgla z gąbek koralowych wyraźnie odzwierciedlają przemysłowy wzrost izotopów węgla δ12C atmosferycznego dwutlenku węgla z precyzją, która pozwala na ilościowe interpretacje.
Na podstawie zapisu zestawu izotopów δ13C pochodzących z czterech okazów gąbek karaibskich, stwierdzamy, że odpowiedź izotopowa nierozpuszczonego węgla nieorganicznego (DIC) w wodzie powierzchniowej na zmieniający się skład izotopowy atmosferycznego CO2 zmieniała się dynamicznie w ciągu ostatniego stulecia, w zależności od tempa zmian atmosferycznych. Trzy z naszych gąbek zapewniają 600-letnie zapisy izotopów 13C.
Na przestrzeni lat 1350-1850, naukowcy zaobserwowali niewielkie wahania izotopów 12C w stosunku do 13C. Wszystko się zmieniło z początkiem rewolucji przemysłowej około 1850 roku, gdy ludzkość zaczęła spalać paliwa kopalne. Wówczas stosunek izotopów 12C do 13C zaczął do dziś się zwiększać.
—-
Rys.1. Względna koncentracja węgla 13C w stosunku do 12C. Na podstawie artykułu Floriana Böhma z 2002 r., Monthly Atmospheric 13C Concentrations, Scripps Institution of Oceanography.
—-
W ciągu 200 lat, które upłynęły od początku epoki przemysłowej, względna zawartość 13C spadła o 2 promile.
Dwutlenek węgla łącząc się w prostej reakcji chemicznej z cząsteczką tlenu, utlenia się do cząsteczki dwutlenku węgla:
C + O2 = CO2
Gdy przybywa dwutlenku węgla w atmosferze, czyli im więcej rośnie jego stężenie, tym więcej pochłania on energii cieplnej w zakresie podczerwieni o długości fal wynoszącej 15 mikrometrów (15 μm). Następnie cząsteczki CO2 wyemitowują tę energię na wszystkie strony, zarówno w kosmos, jak i ku powierzchni chmur i ku powierzchni Ziemi, dzięki czemu omówiony wcześniej efekt cieplarniany jest wzmacniany przez rosnącą koncentrację dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych.
—-
Nawiązując jeszcze do ważnego wydarzenia w związku z badaniem antropogenicznej zmiany klimatu, a zwłaszcza własności fizyko-chemicznych dwutlenku węgla, Charles David Keeling, pracujący w tamtych czasach w Instytucie Oceanografii Scrippsa (Scripps Institution of Oceanography) na Uniwersytecie Kalifornijskim w La Jolla, dokonał analizy, że na półkuli północnej zostało zaobserwowane i eksperymentalnie zbadane, systematyczne zróżnicowanie stężenia i obfitości izotopowej dwutlenku węgla w atmosferze, i to w zależności od pory roku i szerokości geograficznej. Ale na Antarktydzie zmierzono nieco mniejszy, ale trwały, także rosnący wzrost jego koncentracji 6.
Keeling, który zapoczątkował pomiary koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze za pomocą metody badawczej spektrometrii masowej w obserwatorium na Hawajach, na wyspie Mauna Loa, zauważył, że stężenie tego gazu wzrasta systematycznie w górę w takim samym tempie, z małą różnicą pomiędzy okresami jesieni i zimy, gdy wegetacja roślinna ustaje i więcej CO2 trafia do atmosfery oraz pomiędzy okresami wiosny i lata, gdy wegetacja roślin intensyfikuje się i więcej tego gazu jest przez nie pochłaniane. Jednak te fluktuacje wielkości stężenia widoczne w ciągu dwunastu miesięcy, są prawie niezauważalne na tak zwanej krzywej Keelinga, czyli wykresie wzrastającej systematycznie koncentracji dwutlenku węgla.
—-
Na podstawie badań spektrometrycznych Jack C. Pales i Charles D. Keeling, od 1958 do 1963 roku, zaobserwowali już wyraźnie znaczący wzrost koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze i opisali to w swojej pracy w 1965 r. 7.
Autorzy na wstępie swojej pracy naukowej napisali:
Stężenie atmosferycznego dwutlenku węgla w Obserwatorium Mauna Loa na Hawajach i w jego pobliżu jest raportowane w ciągu pierwszych sześciu lat (1958-1963) długoterminowego programu dokumentowania wpływu spalania węgla i ropy naftowej na dystrybucję gazu CO2 w atmosferze i oceanach na świecie. Większość przedstawionych tu pomiarów uzyskano w Obserwatorium Mauna Loa za pomocą analizatora gazów w podczerwieni, który w sposób ciągły rejestrował dane. Zgłaszane są również pomiary 261 oddzielnych próbek powietrza zebranych w szklanych kolbach na Mauna Loa, na nawietrznym wybrzeżu Hawajów oraz z samolotów w pobliżu Wysp Hawajskich. Otrzymano następujące wyniki:
(1) stężenie CO2 w Obserwatorium Mauna Loa zmienia się w zależności od pory roku ze średnią amplitudą 6 ppm i wzrasta w średnim tempie 0,7 ppm rocznie.
(2) Te zmiany odzwierciedlają regionalne zmiany w powietrzu, które leży nad warstwą pasatów w pobliżu Hawajów.
(3) Stężenie CO2 w warstwie pasatów jest zasadniczo takie samo jak w powietrzu, z wyjątkiem miesięcy letnich, kiedy jest nieco niższe.
(4) Emisje wulkaniczne CO2 w pobliżu szczytu Mauna Loa i pochłanianie tego gazu na zalesionych niższych zboczach góry wpływają na jego stężenie w Obserwatorium Mauna Loa, ale nie przeszkadzają poważnie w określaniu zmian regionalnych.
Obecnie krzywa Keelinga przedstawia się następująco.
—-
Rys.2. Krzywa Keelinga (Program Scripps CO2). Wykres pomiaru stężenia dwutlenku węgla mierzonego metodą spektroskopii masowej od 1958 roku do dziś. Badania rozpoczęto w obserwatorium na Hawajach, na wyspie Mauna Loa (Fot. Scripps Institution of Oceanography).
—-
Przez ten czas wyszedł szereg prac monitorujących wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze Ziemi. Dziś mierzymy je w wielu rejonach planety, zarówno na półkuli północnej (np. jeszcze w Barrow na Alasce w USA, na wyspie Lampeduza we Włoszech czy na Szetlandach w Wielkiej Brytanii), jak i na południowej (na wyspie Samoa, w Cape Grim na Tasmanii w Australii, w Baring Head w Nowej Zelandii czy na biegunie południowym).
—-
Bardzo ważna zespołowa praca na temat koncentracji dwutlenku węgla ukazała się w 2013 roku. Jej główni autorzy, pracujący na co dzień w Instytucie Oceanografii im. Scrippsa na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego w La Jolla, Heather D. Graven oraz Ralph Keeling (kontynuator pracy ojca Charlesa Keelinga), przedstawili ważny aspekt zmienności sezonowej stężenia dwutlenku węgla na półkuli północnej 8.
Mianowicie, wraz z nastaniem fotosyntezy roślin, drzew, krzewów i roślin zielnych, oraz ich rozkwitem w porze wiosennej i jej intensyfikacją w porze letniej, koncentracja dwutlenku węgla w atmosferze się zmniejsza, a gdy w porze jesienno-zimowej fotosynteza ustaje i wiele roślin zielnych obumiera, a drzewa i krzewy tracą liście, koncentracja dwutlenku węgla zwiększa się.
W czasach przedprzemysłowych stężenie dwutlenku węgla w atmosferze wahało się od 170 do 280 części na milion w ciągu ostatnich 800 000 lat.
W 1958 roku, gdy Charles Keeling zaczął gromadzić dane pomiarów stężenia dwutlenku węgla na wulkanie Mauna Loa (wyspa Hawaii), stężenie wzrosło do około 315 części na milion.
Przed opublikowaniem tejże pracy w maju 2013 r., dzienne pomiary dwutlenku węgla na Mauna Loa przekroczyły 400 części na milion – po raz pierwszy w historii ludzkości.
W latach 2009-2011 roku, naukowcy przeprowadzili pomiary koncentracji CO2 z samolotów nad Północnym Pacyfikiem i Oceanem Arktycznym. I na podstawie wieloletniego, lotniczego przeglądu chemii atmosferycznej, zaobserwowali, że na wyższych szerokościach półkuli północnej, od 45° do 90° N, pomiędzy porami, wiosenno-letnią, a jesienno-zimową, na wysokości 3-6 kilometrów, amplituda wymiany węgla wzrosła o około 50%, pomiędzy atmosferą a roślinnością i glebami, w porównaniu z wcześniejszymi obserwacjami z samolotów, przeprowadzonych przez zespół naukowy pod kierownictwem Charlesa Keelinga w latach 1958-1961.
—-
Rys.3. Cykliczne wzniesienia i obniżenia koncentracji dwutlenku węgla w jednostkach ppm (parts per milion), a ściślej w danej ilości cząsteczek CO2, np. 415 ppm, na zawartość miliona cząsteczek powietrza atmosferycznego. (Grafika: NOAA)
—-
Podczas badania w 2013 roku, na niższych szerokościach, od 10° do 45°N, międzysezonowa amplituda wymiany węgla, w porównaniu z poprzednimi badaniami, wzrosła o 25%.
Graven i Keeling, wraz ze swoimi współpracownikami, oszacowali, że od początku lat 60 do 2013 roku, stężenie dwutlenku węgla, w stacjach pomiarowych na Mauna Loa (Hawaje) i na Barrow (Alaska), wzrosło o 23 procent, a średnia temperatura na północ od 30°N wzrosła o 1°C od 1960 roku. Ponadto naukowcy stwierdzili, że wzrost amplitudy pomiędzy porą wiosenno-letnią a jesienno-zimową ma duży wpływ na zmiany w ekosystemach. W pierwszym przypadku, podczas fotosyntezy, występuje wzmocnione nawożenie roślin dwutlenkiem węgla, a w drugim, podczas jej zaniku, zwiększenie temperatury Ziemi.
Naukowcy wyciągnęli wnioski, że wzrost międzysezonowej amplitudy wymiany węgla na średnich i wysokich szerokościach geograficznych ma także wpływ na przesuwanie się zasięgów geograficznych gatunków oraz biomów wraz ze strefami klimatycznymi. Również zmiana składu gatunkowego we florze i faunie jest coraz bardziej zauważana wraz z zaobserwowanym procesem zaburzającym dynamikę biosfery lądowej i morskiej. W ekosystemach leśnych i pozaleśnych następują zmiany węgla w liściach, korzeniach i pniach (łodygach) roślin drzewiastych i zielnych.
Na wysokich szerokościach geograficznych, obok zaniku fotosyntezy w porze jesienno-zimowej, na duży sezonowy wzrost koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze ma też ogrzewanie mieszkań.
—-
Referencje:
1. Foote E. , 1856 ; Circumstances affecting the heat of the sun’s rays ; American Journal of Science and Arts 22: 382-383 ; https://static1.squarespace.com/…/foote_circumstances…
2. Tyndall J., 1872 ; Contributions to Molecular Physics in the Domain of Radiant Heat ; Longmand, green and co ; https://archive.org/…/contributionsto0…/page/n8/mode/2up
3. Arrhenius S., 1896 ; On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground ; Philosophical Magazine and Journal of Science 41: 237-276 ; https://www.rsc.org/images/Arrhenius1896_tcm18-173546.pdf
4. Revelle R. et al., 1957 ; Carbon Dioxide Exchange Between Atmosphere and Ocean and the Question of an Increase of Atmospheric CO2During the Past Decades ; Tellus ; https://www.tandfonline.com/…/10.3402/tellusa.v9i1.9075
5. Böhm F. et al., 2002 ; Evidence for Preindustrial Variations in the Marine Surface Water Carbonate System from Coralline Sponges ; Geochemistry, Geophysics and Geosystems ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/…/2001GC000264
6. Keeling C. D. , 1960 ; The Concentration and Isotopic Abundances of Carbon Dioxide in the Atmosphere ; Tellus ; http://www.rescuethatfrog.com/…/2017/01/Keeling-1960.pdf
7. Pales J. C. et al., 1965 ; The concentration of atmospheric carbon dioxide in Hawaii ; Journal of Geophysical Research ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/…/JZ070i024p06053
8. Graven H. D. et al., 2013 ; Enhanced Seasonal Exchange of CO2 by Northern Ecosystems Since 1960 ; Enhanced Seasonal Exchange of CO2 by Northern Ecosystems Since 1960 ; Science

Przyczyny wzrostu poziomu morza

Wzrost poziomu morza występuje z wielu przyczyn. Najważniejszą z nich jest termosteryczny wzrost poziomu morza, czyli dzięki rozszerzalności cieplnej ośrodka wodnego jakim są oceany, morza, a także w znacznie mniejszym stopniu rzeki i jeziora. W następnej kolejności we wkład wzrostu poziomu morza przyczyniają się utrata masy pokrywy lodowej Antarktydy o raz topnienie i utrata masy pokrywy lodowej Grenlandii, a także topnienie lodowców górskich. Również coraz bardziej poważny wpływ ma spływ powierzchniowy i gruntowy wód śródlądowych do mórz i oceanów.

Wzrost poziomu morza analizowany dzięki samej rozszerzalności termicznej.

Zespół naukowy Svetłany Jevrejevej z Instytutu Modelowania Systemów Morskich w Narodowym Centrum Oceanografii (NOC – National Oceanography Center) w Liverpoolu, stwierdził, że według obecnego zestawu modeli CMIP6, średni termosteryczny wzrost poziomu morza będzie tak samo znacznie wyższy, jak ten, który pochodzi z topnienia lodowców górskich i pokryw lodowych 1.


Fot.1. Większość wzrostu poziomu morza na Ziemi to termosteryczny wzrost poziomu morza.

W powyższej pracy czytamy, że wkład rozszerzalności cieplnej we wzrost poziomu morza, przy wykorzystaniu symulacji globalnego średniego termosterycznego poziomu morza (GMTSL – Global Mean Thermosteric Sea Level) na podstawie 15 dostępnych modeli w fazie 6 projektu CMIP6.

Naukowcy piszą:

Obliczamy wzrost GMTSL o 18,8 cm [12,8–23,6 cm, zakres 90%] i 26,8 cm [18,6–34,6 cm, zakres 90%] dla okresu 2081–2100, w stosunku do lat 1995-2014 odpowiednio dla scenariuszy SSP2-4.5 i SSP5-8.5. W porównaniu ze zbiorem 20 modeli z Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5), średnia zbiorowa CMIP6 przyszłego GMTSL (2014–2100) jest wyższa dla obu scenariuszy i wykazuje większą wariancję. Dla porównania, dla okresu 1901-1990 GMTSL z modeli CMIP6 ma o połowę mniej wariancji niż z CMIP5. W latach 1940-2005 tempo wzrostu średniej zbiorowej CMIP6 GMTSL wynosiło 0,2 ± 0,1 mm/rok , co stanowi mniej niż połowę obserwowanego wskaźnika (0,5 ± 0,02 mm/rok).


Rys.1. Porównanie średniej wielomodelowej (MEM – Multi-Model Ensemble Mean) z zestawu modeli CMIP6 i CMIP5 ze średnią obserwacyjną globalnego termosterycznego poziomu morza (GMTSL – Global Mean Thermosteric Sea Level) w latach 1957–2005. Szeregi czasowe zostały wymienione w latach 1986-2005. Wkład w głębokie oceany wynoszący 0,1 ± 0,1 mm/rok (dostępny tylko w okresie 1990-2000), oszacowany przez Purkeya i Johnsona ( 2010 ), nie jest uwzględniony w obserwacyjnym GMTSL.

(Jevrejeva S. i in., 2020)

 

W metodach badawczych zastosowano globalne średnie symulacje termosteryczne w zestawie modeli CMIP6, symulacje GMTSL w CMIP5 oraz GMTSL z obserwacji in situ.

Naukowcy dochodzą do wniosku, że dla zestawu średniej wielomodelowej (MEM) wskaźnik CMIP6 MEM pokazuje wyższe tempo wzrostu GMTSL niż dla tego samego zestawu średniej wielomodelowej (MEM), wskaźnik CMIP5 MEM.

W przyszłych prognozach scenariusze SSP2-4.5 i SSP5-8.5 dla zestawu modeli CMIP6 mają wyższe wartości niż scenariusze RCP4.5 i RCP8.5 dla zestawu modeli CMIP5 (tabela 4).

Natomiast w przypadku symulacji historycznych (okres 1901–1990) wskaźnik MEM dla modeli CMIP6 jest niższy niż w przypadku MEM dla modeli CMIP5.

 

Czas Wskażnik CMIP6 Wskaźnik CMIP5
Eksperyment Okres (mm / rok ) (mm / rok )
Historyczny 1901-1990 0.2 ± 0.1 0.3 ± 0.1
SSP2-4.5/RCP4.5 2015-2100 2.4 ± 0.3 2.1 ± 0.8
SSP5-8.5/RCP8.5 2015-2100 3.6 ± 1.2 3.3 ± 1.1

Tabela 1. Wskaźniki GMTSL dla lat 1901–1990 i 2015–2100 w scenariuszach emisji w przyszłości SSP2-4.5/RCP4.5 i SSP5-8.5/RCP8.5. Niepewność wskaźnika odchylenia standardowego (2 sigma) jest obliczana przy użyciu metody Monte Carlo opisanej w rozdziale artykułu.

Wzrost poziomu morza analizowany dzięki topnieniu pokryw lądolodów

Międzynarodowe badanie prowadzone przez zespół naukowy Benjamina P. Hortona z Nanyang Technological University w Singapurze (NTU Singapore) wykazało, że globalny średni wzrost poziomu morza może przekroczyć 1 metr w 2100 i 5 metrów w 2300 roku, jeśli globalne cele ustalone na Porozumieniu Paryskim w grudniu 2015 roku w zakresie emisji nie zostaną osiągnięte 2.

Autorzy zwrócili uwagę, że w V Raporcie nie został precyzyjnie przedstawiony wkład we wzrost poziomu morza z powodu niestabilności morskiej pokrywy lodowej (MISI – Marine Ice Sheet Instability), to znaczy nie położono nacisku na prawdopodobieństwo gwałtownej dynamiki pokrywy lodowej Antarktydy podczas dalszego wzrostu temperatury globalnej, a wkład we wzrost poziomu morza z powodu niestabilności morskich klifów lodowych (MICI – Marine Ice Cliffs Instability) w ogóle nie został wzięty pod uwagę.


Rys.2. Przedstawienie niestabilności morskiego lądolodu (a) i niestabilności morskiego klifu lodowego (b).

W (a) przerzedzenie przyporowego szelfu lodowego prowadzi do przyspieszenia przepływu lądolodu i przerzedzenia obrzeża lodowego zakończonego morskim podłożem. Podłoże skalne pod pokrywą lodową opada w kierunku jej wnętrza, co oznacza, że przerzedzenie lodu powoduje cofanie się linii gruntowania i zwiększenie przepływu lodu w kierunku morza, dalsze rozcieńczenie obrzeża lodu i dalsze cofanie się linii gruntowania.

W (b) rozpad lodowca szelfowego z powodu topnienia dna i/lub szczelinowania wodnego wytwarza klif lodowy. Jeśli klif jest wystarczająco wysoki, naprężenia przy ścianie klifu przekraczają wytrzymałość lodu, a klif zawodzi strukturalnie w powtarzających się przypadkach cielenia się lodowca. Źródło: IPCC:  Rysunek CB8.1  (pdf) w Carbon Brief 3.

 

Według „Specjalnego raportu IPCC na temat oceanów i kriosfery w zmieniającym się klimacie” [SROCC – „Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate”], opracowanego we wreśniu 2019 roku przez Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu (IPCC), topnienie lodu na lądzie spowodowało połowę wzrostu poziomu morza od 1993 r.

Rys.3. Szeregi czasowe globalnych anomalii średniej rocznej temperatury powietrza na powierzchni (w odniesieniu do lat 1986-2005) z eksperymentów CMIP5 opartych na koncentracji, zmodyfikowanych na podstawie IPCC AR5.

Prognozy temperatury odpowiadają dolnemu (RCP 2.6; niebieski kolor) i górnemu (RCP 8.5; czerwony kolor) scenariuszowi gazów cieplarnianych zawartemu w Reprezentatywnych Ścieżkach Stężenia (RCP) i ich rozszerzeniu do 2300. Projekcje dla każdego RCP pokazują średnią z wielu modeli ( linie ciągłe) oraz zakres 5–95 % w rozkładzie poszczególnych modeli (cieniowanie). Nieciągłości w 2100 są spowodowane różną liczbą modeli, które wykonują rozszerzenia poza XXI wiek (i nie mają fizycznego znaczenia).

(Horton B. P. i in., 2020)


Badanie na temat wzrostu poziomu morza do końca XXI i do końca XXIII wieku było przeprowadzone przez naukowców w 2015 roku. Zespół Hortona zauważył, że prognozy do 2100 roku mniej więcej są podobne w niniejszej pracy do tej sprzed 5 lat, ale już prognozy do 2300 roku mają wydłużone ogony na wykresach. Naukowcy w swojej pracy napisali:

W ramach Reprezentatywnej Ścieżki Koncentracji (RCP – Representative Concentration Pathways) RCP2.6, 106 ekspertów przewidywało (średnie prawdopodobieństwo 66%) wzrost GMSL (Global Mean Sea Level – Globalny Średni Poziom Morza) o 0,30–0,65 metrów do 2100 r. i o 0,54–2,15 metrów do 2300 r. w stosunku do lat 1986–2005. W ramach RCP8.5 ci sami eksperci przewidywali prawdopodobny wzrost GMSL o 0,63–1,32 m do 2100 i 1,67–5,61 m do 2300 roku.

Ogólnie topnienie pokryw lodowych Grenlandii i Antarktydy ma coraz wyraźniejszy wpływ w podnoszenie się poziomu wód oceanów i mórz na całym świecie. Ostatnie wyniki badań już będą szeroko nawiązywać do VI Raportu IPCC i najnowszych modeli klimatycznych CMIP6 (Coupled Model Intercomparison Project – Projekt Porównywania Modeli Sprzężonych).

—-

W ramach CMIP6 badając wkład pokryw lodowych wspomnianych lądolodów w coraz szybszy wzrost poziomu morza, jednocześnie powstały w 2020 roku dwie ważne prace: pod kierownictwem Heiko Goelzera z NORCE Norweskiego Centrum Badawczego, Centrum Badań Klimatu w Bjerknes oraz pod kierownictwem Hélène Seroussi z Laboratorium napędów odrzutowych, Kalifornijskiego Instytutu Technologii w Pasadenie w USA 4,5.

W obu podobnych pracach, na podstawie najnowszej generacji wielu modeli z projektu porównywania modeli pokryw lodowych (ISMIP6 – Ice Sheet Model Intercomparison Project) oszacowano łącznie prawdopodobny wynik uśredniony wkładu we wzrost poziomu morza o około 38-40 cm pod koniec 2100 roku. Symulacje komputerowe zostały przeprowadzone mając na względzie prognozy w okresie lat 2015- 2100.


Fot.2. Szelfy lodowe na Antarktydzie, takie jak Getz, są wrażliwe na ocieplenie się temperatury oceanu. Warunki oceaniczne i atmosferyczne to niektóre z czynników powodujących utratę pokrywy lodowej, które naukowcy rozważyli w nowym badaniu szacującym dodatkowy globalny wzrost poziomu morza do 2100 roku.

Zdjęcie: Jeremy Harbeck/NASA


Badania przeprowadzono na podstawie 14 modeli ISMIP6 dla najłagodniejszego scenariusza emisji RCP 2.6 i dla najgorszego RCP 8.5. Wykazały one, że utrata masy pokryw lodowych na Ziemi do 2100 roku będzie miała wkład we wzrost poziomu morza następujący:

Dla Grenlandii:

  1. Dla scenariusza RCP 2.6 – 1,5-5 cm
  2. Dla scenariusza RCP 8.5 – 4-14 cm

Dla Antarktydy:

  1. Dla scenariusza RCP 2.6 – 0-3 cm
  2. Dla scenariusza RCP 8.5 – 30 cm

Oszacowanie dokładnych prognoz na 2100 rok dla Antarktydy, zwłaszcza jego wschodniej części, jest bardzo trudne ze względu na prawdopodobieństwo w wielu regionach występowania większej liczby opadów śniegu (akumulacja) niż jego topnienia i utraty masy lodowej (ablacja). Z kolei oszacowanie zachodniej części jest niepewne ze względu na wspomniane MISI (niestabilność morskiej pokrywy lodowej) i MICI (niestabilność morskich klifów lodowych). Im będzie wyższy  wzrost temperatury globalnej, tym bardziej prawdopodobne są te procesy destabilizacji pokryw lodowych Antarktydy.

—-

Wzrost poziomu morza analizowany dzięki topnieniu lodowców górskich

Ważną kwestią w omawianiu wzrostu poziomu morza jest też dość znaczny wkład topnienia lodowców górskich.

Zespół Naukowy Romaina Hugonetta z Laboratorium Hydrauliki, Hydrologii i Glacjologii (VAW) w ETH w Zürichu, w Szwajcarii, przedstawia obraz utraty masy lodowców górskich już od co najmniej połowy XX wieku 6.

Jest to pierwsze badanie, które obejmuje wszystkie lodowce na świecie – łącznie około 220 000 – z wyłączeniem pokryw lodowych Grenlandii i Antarktyki. Przestrzenna i czasowa rozdzielczość badania jest bezprecedensowa i pokazuje, jak szybko lodowce traciły grubość i masę w ciągu ostatnich dwóch dekad.

W latach 2000-2019 lodowce górskie w ciągu roku średnio traciły 267 gigaton lodu. Roczny wkład we wzrost poziomu morza wynosi 0,76 mm – 21%. Jedynie rozszerzalność termiczna wynosi nadal około 50%.

Autorzy pracy na podstawie obserwacji satelitarnych zwracają uwagę, że zmniejszanie się grubości lodu, pod wpływem jego topnienia w górach na Ziemi, powiększyło się prawie dwukrotnie. Z 36 cm w 2000 roku do 69 cm w 2019 roku.

Badanie również wykazało, że we wspomnianym okresie czasu utrata masy lodowców była o 47% wyższa niż w przypadku pokrywy lodowej Grenlandii (GIS – Greenland Ice Sheet) i ponad dwukrotnie większa niż w przypadku pokrywy lodowej Antarktyki (AIS – Antarctica Ice Sheet).


Rys.4. Mapa pokazująca lokalizacje lodowców analizowanych w tym badaniu w kolorze fioletowym. Źródło: (Hugonnet i in. 2021).

  1. Góry Alaski
  2. Góry Skaliste, Góry McKenzie i Góry Kaskadowe
  3. Wyspa Ellesmere’a
  4. Ziemia Baffina
  5. Pasma górskie wschodniej i zachodniej Grenlandii
  6. Góry Islandii
  7. Góry Svalbardu
  8. Góry Skandynawskie
  9. Wyspa Franciszka Józefa. Nowa Ziemia, Ziemia Siewiernaja
  10. Ałtaj, Sajany, Góry Wierchojańskie, Góry Czerskiego, Góry Kołymskie, Kamczatka
  11. Alpy
  12. Kaukaz
  13. Tybet, Kunlun
  14. Himalaje
  15. Hindukusz, Karakorum, Pamir, Tien Szan
  16. Andy Północne blisko Amazonii
  17. Andy Południowe, w tym Ziemia Ognista
  18. Alpy Południowe w Nowej Zelandii
  19. Półwysep Antarktyczny                                                                                                                                                                                                                                                               (Carbon Brief7

—-

Wzrost poziomu morza analizowany dzięki spływowi wód powierzchniowych i gruntowych

Wzrost poziomu morza występuje również pod wpływem jeszcze jednego interesującego czynnika klimatycznego, mianowicie pod wpływem zmiany bilansu wód gruntowych i powierzchniowych na kontynentach i wyspach.

Sitar Karabil z Instytutu Badań Morskich i Atmosferycznych oraz Katedry Geografii Fizycznej na Wydziale Nauk o Ziemi, na Uniwersytecie w Utrechcie wraz ze swoim zespołem badawczym dokonał ciekawej analizy zmian w magazynowaniu wody na lądzie (LWS – Land Water Storage) 8.

Naukowcy analizując regionalną zmianę poziomu morza przeprowadzili swoje badania jeszcze na podstawie modeli bazowych dla V Raportu IPCC – dla zestawu modeli CMIP5.

Jak wiadomo, zmiany w magazynowaniu wody wynikają zarówno z bezpośredniej działalności człowieka, jak i z powodu zachodzących zmian klimatu. Badając zmiany LWS posłużyli się modelem hydrologicznym i zasobów wodnych PCR-GLOBWB w celu zaprojektowania regionalnych wzorców poziomu morza.

Obliczenia szacunkowe pokazały ogólnie naukowcom, że wkład zmiany magazynowania wody na lądzie w dalszy wzrost poziomu morza wyniesie 10%. A więc, nie jest to mało. Warto też wziąć pod uwagę, że rezygnacja z wielu inwestycji spiętrzania wód w sztucznych zbiornikach wodnych i tamach, również pod naciskiem ochrony bioróżnorodności rzek, wpłynęła również na spływ podziemny i powierzchniowy wód do oceanów i mórz na całym świecie, dlatego został też zaznaczony większy wzrost poziomu morza także z magazynowania wody na lądach (LWS).

Autorzy pracy piszą:

Przewiduje się, że udział LWS w podnoszeniu poziomu morza w regionie będzie znacznie większy niż wynosi średnia globalna w kilku regionach. Również może być on o 60% wyższy niż wynosi ogółem globalna średnia wzrostu poziomu morza wywołanego przez LWS, w tym na wyspach Pacyfiku i południowym wybrzeżu Afryki i zachodnim wybrzeżu Australii.


Rys.5. (A) Przegląd komórki siatki PCR-GLOBWB 2 z Sutanudjaja et al. (2018) . S1, S2 (magazynowanie wilgoci w glebie), S3 (magazynowanie wód gruntowych), Qdr (odpływ powierzchniowy), Qsf (przepływ burzowy), Qbf (przepływ bazowy) i Inf (przenikanie rzekami do wód gruntowych).

(B) Uproszczony szkic przepływów LWS. (Precip) Opady, (Evap) parowanie; (Dsal) odsalanie wody, (SRun) odpływ (Runoff) (na podstawie Sutanudjaja i in., 2018). Strumienie (km3/rok) przedstawione na (B) wskazują średnie wartości w skali światowej w ciągu okresu 2000-2015.

(Karabil S. i in., 2021)


Referencje:
1. Jevrejeva S. et al., 2020 ; Global mean thermosteric sea level projections by 2100 in CMIP6 climate models ; Environmental Research Letters ; https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/abceea
2. Horton B. P. et al., 2020 ; Estimating global mean sea-level rise and its uncertainties by 2100 and 2300 from an expert survey ; Climate and Atmospheric Science ;
3. Evans S. et al., 2019 ; In-Depth Q & A: The IPCC’s Special Report on the Ocean and Cryosphere ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/in-depth-qa-the-ipccs-special…
4. Goelzer H. et al., 2020 ; The future sea-level contribution of the Greenland ice sheet: a multi-model ensemble study of ISMIP6 ; Cryosphere ; https://tc.copernicus.org/articles/14/3071/2020/
5. Seroussi H. et al., 2020 ; ISMIP6 Antarctica: a multi-model ensemble of the Antarctic ice sheet evolution over the 21st century ; Cryosphere ; https://tc.copernicus.org/articles/14/3033/2020/
6. Hugonnet R. et al., 2021 ; Accelerated global glacier mass loss in the early twenty-first century ; Nature ; https://www.nature.com/articles/s41586-021-03436-z
7. Tandon A., 2021 ; Melting Glaciers Drove ‘21% of Sea Level Rise’ over Past Two Decades ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/melting-glaciers-drove-21-of…
8. Karabil S. et al., 2021 ; Contribution of Land Water Storage Change to Regional Sea-Level Rise Over the Twenty-First Century ; Interdisciplinary Climate Studies ; https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/feart.2021.627648/ful2

Groźba przyspieszonego kolapsu ekosystemów oraz dalszej redukcji gatunków

Wymieranie gatunków to poważny problem, o którym naukowcy już mówią bardzo poważnie od co najmniej trzech dekad. Tyle, że wiadomo, że wcześniej był to przede wszystkim problem środowiskowy i ekologiczny. Jeszcze ocieplenie klimatu i inne zmiany klimatu nie wywierały niekorzystnego wpływu na gatunki. I nadal jeszcze czynniki klimatyczne nie stanowią potencjalnego zagrożenia dla zagrożonych (ale nie tylko) gatunków, zwłaszcza endemitów, głównie na małych wyspach tropikalnych.

—-

Fot.1. Goryl górski (Fot. Animals around the Glob)

Ekolożka Monica G. Turner wraz ze swym zespołem badawczym, zauważyła, że zmienność klimatu już teraz ma bardzo silny związek i będzie mieć jeszcze większy w najbliższej przyszłości z nagłymi i nieodwracalnymi zmianami w ekosystemach 1.

Nagłe zmiany w systemach ekologicznych (ACES – Abrupt changes in ecological systems) są trudne do zaobserwowania empirycznie, ponieważ zdarzenia ekstremalne są ze swej natury stochastyczne i rzadko przewidywalne. Niemniej autorzy wzywają wszystkich naukowców, aby priorytetem było wykrywanie, wyjaśnianie i przewidywanie ACES w odpowiedzi na zachodzące zmiany klimatu. W szczególności dotyczy to hotspotów.

Badaczka zauważyła, że nie ma już powrotu do „nowej normalnej równowagi”, raczej zaczynamy obserwować przyspieszenie tempa zmian intensywności i częstotliwości określonych czynników prowadzących do ubożenia różnorodności biologicznej. Badanie identyfikuje ważne zasady ogólne, które prowadzą do pytań i hipotez dotyczących przyszłych badań. Są to:

a) Niektóre systemy ekologiczne są bardziej podatne na nagłe zmiany niż inne

b) Ekstremalne zmiany klimatu w tych systemach ekologicznych mogą być bardziej prawdopodobne niż średnie tendencje do wywołania stopniowych zmian.

Np. bielenie koralowców napędzane jest raczej przez ekstremalne fale upałów niż stopniowe ocieplenie oceanów.

c) Wiele czynników często współdziała w celu wytworzenia ACES

Np. ekstremalna susza spowodowana zmianami klimatu czy też ekstremalny pożar mogą prowadzić jednocześnie do nagłych zmian ekosystemów lądowych. Np. zamiany ekosystemów leśnych na nieleśne.

Z kolei wprowadzone patogeny w połączeniu z ociepleniem klimatu mogą powodować szkodliwy wpływ na wiele populacji wrażliwych gatunków drzew.

—-

Christopher Trisos z Afrykańskiej Inicjatywy na rzecz Klimatu i Rozwoju na Uniwersytecie w Kapsztadzie (RPA), Cory Merow z Wydziału Ekologii i Biologii Ewolucyjnej na Uniwersytecie Connecticut w Storrs oraz Alex Pigot z Centrum Badań Bioróżnorodności i Środowiska na wydziale Genetyki, Ewolucji i Środowiska na Uniwersytecie (College) w Londynie, przedstawiając obraz załamywania się ekosystemów pod wpływem dalszego wzrostu temperatury globalnej, podjęli się próby opisania projekcji klimatycznych dla przyszłości bioróżnorodności w ekosystemach 2.

Na wykresach i mapach, badacze oszacowali roczne prognozy od 1850 do 2100 roku wpływ przyszłego wzrostu temperatury i opadów oddziałujących na ponad 30 000 gatunków morskich i lądowych przy zastosowaniu różnych scenariuszy emisji gazów cieplarnianych.

Trisos, Merow i Pigot zaprezentowali skumulowany odsetek gatunków wcześniej opuszczających swoje historyczne nisze klimatyczne (zasięgi geograficzne) oraz odsetek tych gatunków dla danego ekosystemu, które tuż przed albo w czasie progu krytycznego dopiero opuszczą je. Również został przedstawiony odsetek gatunków pozostających w swych historycznych niszach klimatycznych, dla których nie ma już żadnego ratunku.

Naukowcy przewidywali, że zmiany w ekosystemach będą nagłe i wpływające ujemnie na przeżywalność wielu gatunków.

Dla poszczególnych zespołów wyznaczyli następujące parametry:

– termin możliwego załamania – rok, w którym odsetek gatunków wyjdzie ze swojej historycznej niszy i przekroczy 50%

– zasięg zmiany, czyli całkowity odsetek gatunków, które wyjdą ze swojej historycznej niszy

– nagłość zmiany, opisywana jako odsetek gatunków, które wyjdą ze swojej historycznej niszy w dekadzie maksymalnego narażenia (w ciągu pięciu lat przed i po terminie możliwego załamania), liczony względem całkowitej liczby gatunków, które wyjdą ze swojej niszy.


Rys.1. Przykład projekcji zmian w zespole gatunków – region Kajmanów. Przedstawiono odsetek gatunków narażonych na wyjście ze swojej historycznej niszy klimatycznej (lewa oś, czarna linia ciągła na wykresie) i średnią temperaturę roczną w tym regionie (prawa oś, szara i czerwona linia na wykresie). Temperaturę w przyszłości obliczono na podstawie scenariusza wysokich emisji gazów cieplarnianych (RCP8.5).

Na wykresie zaznaczono zasięg zmiany w ekosystemie (67%), termin jej wystąpienia (rok 2074), „dekadę maksymalnego narażenia” (2074 ± 5), oraz nagłość zdarzenia (ok. 57% gatunków, które wyjdą poza swoją historyczną niszę właśnie w dekadzie (2074 ± 5). Źródło: (Trisos C. i in., 2020 w: Kardaś A., 2020) 3.


Rys.2. Niepewność w metrykach lokalnego narażenia gatunków w 22 modelach klimatycznych CMIP5 w ramach RCP8.5. Niepewność, czyli odchylenie standardowe (SD – Standard Deviation) co ​​do wielkości narażenia jest największa wokół granic tropików, z niewielką geograficzną zmiennością niepewności co do czasu lub gwałtowności.

a) Zasięg zmiany bioróżnorodności (całkowity odsetek gatunków narażonych na lokalne            wyginięcie z powodu wystąpienia warunków, w których te gatunki dotąd nie żyły) w                  poszczególnych częściach świata w roku 2100, w scenariuszu RCP8.5 (wysokich emisji        gazów cieplarnianych).

b) Nagłość zmiany (odsetek gatunków, które doświadczą warunków, w których dotąd nie            funkcjonowały w przedziale ± 5 lat od terminu możliwego załamania, liczony względem          całkowitej liczby gatunków, które go przekroczą) w poszczególnych częściach świata w          roku 2100, w scenariuszu RCP8.5 (wysokich emisji gazów cieplarnianych).

c) Termin możliwego załamania (rok, w którym odsetek gatunków, które doświadczać będą        nowych warunków, przekracza 50%) w poszczególnych częściach świata w roku 2100, w      scenariuszu RCP8.5 (wysokich emisji gazów cieplarnianych).

Rozpatrywano zespoły gatunków zamieszkujących w obszarach o wymiarach 100 x 100 km.

(Trisos C. i in., 2020 – wykres w: Trisos C. i in., 2020)


W sumie możliwość załamania ekosystemów, inaczej zespołów gatunków, naukowcy oszacowali na 2074 rok, z poprawką 5 lat wcześniej czy później, czyli w prawdopodobnym okresie 2069-2079, oczywiście jeśli będzie dalej kontynuowany kurs emisji gazów cieplarnianych RCP8.5.

Sam zasięg 67% zmiany (1850-2100) oznacza ilość gatunków, które jeszcze przed progiem krytycznym opuszczą swoje historyczne nisze ekologiczne, co łatwiej pomoże im w adaptacji do coraz większych zmian klimatycznych.

Z kolei nagłość zmiany (1850-2100) oznacza ilość gatunków, które dopiero w ostatniej chwili, gdy już się pojawił próg krytyczny w 2074 r. (podany przez Trisosa i in.), opuszczą swoje historyczne nisze ekologiczne, co jest trudniejsze w adaptacji do coraz większych zmian klimatycznych.

Im dłuższe jednak zwlekanie w czasie z migracją, tym gorzej dla gatunków, gdyż w coraz cieplejszym świecie mechanizmy ewolucyjnej adaptacji będą coraz słabsze, co doprowadzi wiele z nich po prostu do szybszego wymierania.

Autorzy piszą:

W scenariuszu wysokich emisji (reprezentatywna ścieżka stężenia (RCP 8.5), takie nagłe przypadki narażenia rozpoczynają się przed 2030 r. w oceanach tropikalnych i rozprzestrzeniają się na lasy tropikalne i wyższe szerokości geograficzne do 2050 r.

Podsumowując temat tej pracy, jeśli miałby być osiągnięty cel polityczny Porozumienia Paryskiego z 2015 r. aby nie dopuścić do przekroczenia krytycznego progu temperatury globalnej 2 stopnie Celsjusza powyżej okresu 1850-1900, to tylko 2% zespołów gatunków będzie narażonych na utratę bioróżnorodności, czyli 20% gatunków przekroczy swoje historyczne nisze klimatyczne i znajdzie się na progu ekstynkcji. Natomiast jeśli według scenariusza RCP8.5 będziemy dalej spalać paliwa kopalne i wylesiać Ziemię, doprowadzając w 2100 r. do przekroczenia progu 4 stopni Celsjusza, to niestety aż 15% zespołów gatunków przekroczy swoje historyczne nisze klimatyczne z czego ponad 50% gatunków znajdzie się na progu ekstynkcji.

—-

Rachel Warren z Centrum Badań Zmian Klimatu im. Tyndalla na Uniwersytecie Wschodniej Anglii, wraz ze swoim zespołem badawczym, wyciągnęła takie następujące wnioski na temat wpływu ocieplenia klimatu na taksony roślin i zwierząt, że jeśli emisje gazów cieplarnianych nie zostaną znacząco szybko zredukowane, to klimat znacznie bardziej ociepli się 4.

Naukowcy na podstawie prognoz zawartych w swojej pracy, oszacowali, że nawet ponad 50% gatunków utraci większość swoich odpowiednich warunków klimatycznych do 2100 r., z powodu nasilenia się scenariusza największej emisji gazów cieplarnianych.

I tak:

a) wzrost temperatury globalnej o 3,2 stopnia Celsjusza doprowadzi do wymarcia 44%                owadów, 44% roślin, 26 % kręgowców

b) wzrost temperatur globalnej o 2 stopnie Celsjusza doprowadzi do wymarcia 18% owadów,      16% roślin, 8% kręgowców

c) wzrost temperatury globalnej o 1,5 stopnia Celsjusza doprowadzi do wymarcia 6%                  owadów, 8% roślin, 4% kręgowców


Rys.3. Odsetek modelowanych gatunków, które stracą ponad połowę swojego klimatycznie określonego zasięgu do 2100 r. Na określonych poziomach globalnego ocieplenia. [n – liczba gatunków]

( A ) Bezkręgowce (n = 34 104), ( B ) Strunowce (n = 12 640), ( C ) Rośliny           (n = 73 224), ( D ) Owady (n = 31 536), ( E ) Ssaki (n = 1769), ( F ) Ptaki (n = 7966), ( G ) Gady (n = 1850) i ( H ) Płazy (n = 1055).

Kolory: niebieski – z realnym rozproszeniem) i pomarańczowy – bez rozproszenia.

Dane przedstawiono jako średnie prognozy dla 21 alternatywnych wzorców modeli klimatycznych ze słupkami błędów wskazującymi zakres od 10 do 90%.

(Warren R. i in., 2018)


Fot.1. Zieleńczyk ostrężyniec (Callophrys rubi) siedzący na paproci. Wybrzeże Devon, Wielka Brytania. Źródło: Steve Bloom Images/Alamy Stock Photo.

Naukowcy analizując swoją pracę badawczą wykorzystali cztery scenariusze, w których temperatury globalne w stosunku do okresu przedprzemysłowego sięgają kolejno do 1,5°C, 2°C, 3,2°C, gdy kraje dotrzymują pewnych swoich krajowych zobowiązań do ograniczenia emisji oraz do 4,5°C, kiedy kraje nic nie robią i kontynuują scenariusz „biznes jak zwykle” (RCP8.5).

Generalnie uczeni stwierdzili, że bardziej zagrożone są i będą bezkręgowce niż kręgowce. Stałocieplne kręgowce jak gromady ptaków i ssaków, będą odporniejsze na wzrost temperatury czy brak opadów, gdyż ich organizmy są w dużej mierze niezależne od czynników zewnętrznych. Ale oczywiście też do pewnego czasu.

Naukowcy zauważyli, że zagrożonymi kluczowymi grupami zwierząt wśród bezkręgowców – owadów – są zapylacze. A więc, pszczoły, trzmiele, motyle.

W szczególności dotkniętych będzie wiele hotspotów dzikiej fauny  na świecie, zwłaszcza w południowej Afryce i Amazonii, gdzie zamieszkuje 30% światowych gatunków.

Rachel Warren w serwisie Carbon Brief powiedziała 5:

Prawdopodobnie dlatego, że owady to są gatunki ektotermiczne, więc to oznacza, że ich temperatura ciała jest kontrolowana zewnętrznie, a nie wewnętrznie, jak u ludzi i innych ssaków oraz ptaków. Owady mają też etapy życia – jaja, larwy, poczwarki, a także osobniki dorosłe. Każdy z tych etapów może być podatny na różne czynniki, takie jak wysychanie jaj w przypadku zbyt małych opadów.

W tropikach i subtropikach są mniejsze wahania temperatury niż w klimacie umiarkowanym, dlatego też tam osiadłe gatunki mogą być bardziej narażone na postępujący wzrost temperatur lokalnych i regionalnych oraz globalnej. Naukowczyni dodaje w Carbon Brief:

Tu w Wielkiej Brytanii możemy mieć straszne lata i bardzo ładne – podczas gdy w tropikach jest to dużo bardziej przewidywalne. Oznacza to, że w krajach o umiarkowanym klimacie gatunki prawdopodobnie będą buforowane przed dość dużą zmiennością klimatu naturalnego. Natomiast w tropikach, gdy przeciętny klimat się zmienia, może szybko wyjść poza zakres naturalnej zmienności, do której gatunki są przystosowane.

—-

Naukowcy – Gerald Ceballos z Instytutu Ekologii, Narodowego Autonomicznego Uniwersytetu Meksyku , Paul R. Ehrlich z Centrum Biologii Konserwatorskiej na Wydziale Biologii na Uniwersytecie Stanforda oraz Peter H. Raven z Wydziału Nauk o Roślinach w Ogrodzie Botanicznym Missouri w St. Louis, na temat szóstego wymierania w swojej pracy napisali 6:

Badamy 29 400 gatunków kręgowców lądowych i określamy, które są na skraju wyginięcia, ponieważ mają mniej niż 1000 osobników. Na krawędzi występuje 515 gatunków (1,7% ocenianych kręgowców). Około 94% populacji – 77 gatunków ssaków i ptaków żyjących na krawędzi zaginęło w ostatnim stuleciu. Zakładając, że wszystkie gatunki na krawędzi mają podobne tendencje, ponad 237 000 populacji tych gatunków zniknęło od 1900 roku.

Naukowcy zauważyli, że obecne tempo wymierania gatunków jest setki, a może nawet tysiące razy szybsze aniżeli na przestrzeni czasowej kilkudziesięciu milionów lat. I będzie ono jeszcze szybsze, o ile jeżeli nie podejmiemy działań, zarówno dekarbonizacyjnych, jak i renaturalzacji ekosystemów.

Naukowcy podkreślili, że za każdym razem, gdy gatunek lub populacja znika z życia, zdolność Ziemi do utrzymywania usług ekosystemowych ulega poważnemu zaburzeniu do pewnego stopnia, w zależności od gatunku lub populacji, której ono dotyczy. Każda populacja jest prawdopodobnie na swój sposób wyjątkowa, a zatem może różnić się zdolnością dopasowania się do określonego ekosystemu i odgrywania w nim określonej roli, włącznie z interakcjami z innymi gatunkami oraz warunkami fizykochemicznymi.


Fot.2. Kręgowce lądowe na krawędzi wymierania (tj. z 1000 lub mniej osobnikami) obejmują gatunki takie jak ( A ) nosorożec sumatrzański (Dicerorhinus sumatrensis) ; źródło : Rhett A. Butler [fotograf], ( B ) strzyżyk wyspowy (Troglodytes tanneri) ; zdjęcie źródło : Claudio Contreras Koob [fotograf]), ( C ) żółw olbrzymi (Chelonoidis hoodensis) ; źródło : (GC) oraz ( D ) kikutnik pstry (Atelopus varius) ; wielkość populacji gatunku jest nieznana, ale szacuje się ją na mniej niż 1000; źródło obrazu: (GC).


Dalej naukowcy napisali, że przy dalszej kontynuacji scenariusza emisji GHG „biznes jak zwykle”, skutki wymierania tychże gatunków jeszcze bardziej pogorszą się w nadchodzących dziesięcioleciach, ponieważ nastąpi utrata jednostek funkcjonalnych oraz możliwe, że zbyt gwałtowna i nadmierna zmienność genetyczna i kulturowa zmienią całe ekosystemy. A ludzkość, mimo wszystko, także potrzebuje podtrzymywania funkcji własnej egzystencji w postaci względnie stabilnego klimatu, przepływów słodkiej wody, zwalczania szkodników i chorób w rolnictwie, zapylania upraw itp., a wszystko to tylko mogą zapewnić w miarę względnie funkcjonalne ekosystemy, czego wielu ludzi dalej nie rozumie.


Referencje:

  1. Turner M. G. et al., 2020 ; Climate change, ecosystems and abrupt change: science priorities ; Biological Sciences ; https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rstb.2019.0105
  2. Trisos C. H. et al., 2020 ; The projected timing of abrupt ecological disruption from climate change ; Nature ; https://www.nature.com/articles/s41586-020-2189-9
  3. Kardaś A., 2020 ; Nagłe załamywanie się ekosystemów – kiedy nastąpi? ; Nauka o klimacie ; https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/nagle-zalamywanie-sie-ekosystemow-kiedy-nastapi-427/
  4. Warren R. et al., 2018 ; The projected effect on insects, vertebrates, and plants of limiting global warming to 1.5°C rather than 2°C ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aar3646
  5. Dunne D., 2018 ; Restricting global warming to 1.5C could ‘halve’ risk of biodiversity loss ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/restricting-global-warming-to-1-5c-could-halve-risk-of-biodiversity-loss
  6. Ceballos G. et al., 2020 ; Vertebrates on the brink as indicators of biological annihilation and the sixth mass extinction ; Proceedings of the National Academy of Sciences ; https://www.pnas.org/content/117/24/13596

Zakwaszenie oceanów – ujemny wpływ na koralowce i inne bezkręgowce

Zakwaszenie oceanów ma bardzo duży związek z wpływem na bioróżnorodność. Dwutlenek węgla, który w nadmiarze trafia do oceanów i mórz nie powoduje ich ogrzewania czy nawet odtleniania, ale jest częstą przyczyną ich zakwaszenia. Przede wszystkim mocno cierpi na tym fauna bezkręgowców morskich, które są zbudowane z wapiennych muszli i pancerzyków (np. małże i skorupiaki itp.).

Lydia Kapsenberg & Tyler Cyronak dokonali analizy przeglądowej tzw. refugiów zakwaszenia oceanów (OAR – Ocean Acidification Refugium), czyli obszarów morskich, w których gatunki ryb i bezkręgowców są w dużym stopniu narażone na wahania pH wód oceanicznych ze względu na zmienność w skali przestrzenno-czasowej strumienia dwutlenku węgla rozpuszczanego w nich 1.

Autorzy na wstępie pracy piszą:

Ostoje zmiany klimatu w lądowej biosferze to obszary, na których gatunki są chronione przed globalną zmianą środowiska i powstają w wyniku naturalnej różnorodności krajobrazów i klimatu. W obszarze morskim zakwaszenie oceanów lub globalny spadek pH wody morskiej pozostaje wszechobecnym zagrożeniem dla organizmów i ekosystemów. Naturalna zmienność chemii dwutlenku węgla (CO2) w wodzie morskiej stanowi jednak okazję do zidentyfikowania ostoi zakwaszenia oceanów (OAR) dla gatunków morskich.

Globalne pH powierzchni oceanów naturalnie waha się między pH 8,0 a 8,2 (Bates i inni, 2014) i przewiduje się, że spadnie o > 0,4 jednostki, jeśli emisje CO2 utrzymają się w obecnym tempie (Hans Otto Pörtner i inni, 2014).

Występuje wiele czynników biogeochemicznych i fizycznych, które mają dość potencjalnie duży wpływ na dynamikę lokalnego składu chemicznego dwutlenku węgla w wodzie morskiej i mogą one również podlegać takim samym dynamicznym zmianom parametrów fizycznych, jak np. temperatura, opady czy upwelling w systemie klimatycznym Ziemi.


Rys.1. Procesy modyfikujące ekspozycję na zakwaszenie oceanów w zakresie częstotliwości czasowych i skal przestrzennych.

(a) Sezonowe reżimy pH napędzane przez ocieplenie w ekosystemie umiarkowanym i produkcję pierwotną w ekosystemie polarnym (Lydia Kapsenberg, Samir Alliouane i inni, 2017 ; Lydia Kapsenberg i inni, 2015).

(b) Zmienność pH w skali zdarzeń w okresie 5 tygodni. Produkcja pierwotna przez zakwit fitoplanktonu zwiększa pH, które zmniejsza się po zaprzestaniu zakwitu, podczas gdy okresowe zjawiska upwellingu powodują silne spadki pH (Lydia Kapsenberg, 2015 ; Lydia Kapsenberg & Gretchen E. Hofmann, 2016).

(c) Intensywne wahania pH w ekosystemie rafy koralowej napędzane fotosyntezą bentosową i oddychaniem (Tyler Cyronak, Izaak C. Santos i inni, 2014).

(Lydia Kapsenberg i Tyler Cyronak, 2019)


Obszary refugiów zakwaszenia oceanu (OAR – Ocean Acidification Refugues), to przede wszystkim siedliska przybrzeżne jak namorzyny, trawy morskie, miejsca o wolnym przepływie wód, miejsca z daleka od upwellingu (wypływu wód bogatych w składniki pokarmowe dla zwierząt morskich), wzniesienia głębinowe itp.

—-

W 2020 roku naukowcy z Uniwersytetu w Edynburgu we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu Heriot-Watt i Narodowej Administracji Oceaniczno-Atmosferycznej (NOAA – National Oceanic and Atmospheric Administration), badając głębinowe rafy koralowe w Pacyfiku u wybrzeży południowej Kalifornii zaobserwowali najniższy poziom pH na strukturach raf koralowych w historii pomiarów. Badaniami tymi kierował Sebastian J. Hennige z Grupy Badawczej Zmiany Oceanów oraz ze Szkoły Nauk o Ziemi na Uniwersytecie w Edynburgu 2.

Zespół amerykańskich naukowców z NOAA podjął badania tamtejszego ekosystemu raf koralowych za pomocą pojazdów podwodnych i zaobserwował wśród osobników koralowców gatunku Lophelia pertusa porowatość ich struktur. Następnie pobrał próbki tych żywych zwierząt i przekazał je do laboratorium w Edynburgu dla brytyjskich specjalistów od inżynierii środowiska, którzy z kolei w swoich zademonstrowanych eksperymentach w ciągu jednego roku zauważyli szybkie osłabienie szkieletów i odkryli uderzające podobieństwo do osłabienia obserwowanego w ludzkich kościach w wyniku osteoporozy. Nową chorobę zidentyfikowaną u Lophelia pertusa nazwali koralporozą albo koralowicą.


Fot.1. Koralowiec Lophelia pertusa z chłodnych wód głębinowych w południowej części Zatoki Kalifornijskiej. Po lewej stronie kolonia składająca się ze zdrowych osobników (białe korony) i chorych osobników na koralporozę (brązowo-szare podwaliny). Po prawej stronie kolonia składająca się z samych zdrowych osobników, ale na odsłoniętej skale o niskiej złożoności siedlisk. Nad oboma zdjęciami jest ukazana podziałka stanu nasycenia aragonitem (Ω Arag ) wód morskich w Zatoce Kalifornijskiej w badanym regionie.

Kadr z obrazów w (a, b) został wykonany wraz z materiałem ROV przedstawiającym lokalizacje z dalszymi szczegółami lokalizacji.

(Sebastian J. Hennige i inni, 2020)


Oba zespoły naukowe zaobserwowały, że zarówno w warunkach laboratoryjnych, jak i w środowisku morskim, niski poziom pH powoduje pękanie i rozpad osobników koralowców laboratoryjnych Lophelia pertusa. Z kolei nurkując w pojazdach podwodnych w tamtym rejonie, zaobserwowali, że ekosystem koralowców tamtejszych oraz wielu innych gatunków zależnych od głębinowych raf koralowych już się kurczy, a w przyszłości przy dalszej nadmiernej absorpcji dwutlenku węgla przez oceany, ten proces jeszcze bardziej się nasili.

Główny autor pracy dr Sebastian Hennige ze Szkoły Geonauk (School of GeoSciences) na Uniwersytecie w Edynburgu w serwisie Science Daily napisał następująco 3:

Badanie to podkreśla, że głównym zagrożeniem dla tych wspaniałych ekosystemów głębinowych jest osłabienie strukturalne spowodowane zakwaszeniem oceanów, napędzanym przez rosnące ilości wytwarzanego przez nas dwutlenku węgla. Rafy głębinowe istnieją poza naszym zasięgiem wzroku, z pewnością o nich nie zapominamy, a nasza praca podkreśla, w jaki sposób naukowcy z różnych dyscyplin i krajów mogą połączyć siły, aby stawić czoła globalnym wyzwaniom.

Z kolei współautor badania, dr Peter Etnoyer z Narodowego Centrum Nauk Wybrzeży Oceanu (NCOS – National Centres for Coastal Ocean Science) w NOAA, stwierdził:

Koralowce głębinowe rosnące w południowej Kalifornii są oknem na przyszły ocean. Region jest naturalnym laboratorium do badania skutków zakwaszenia oceanów.

Natomiast dr Uwe Wolfram z Uniwersytetu Heriot-Watt w Edynburgu powiedział:

Dzięki możliwości dostosowania strategii do raf koralowych, które są rutynowo stosowane do monitorowania osteoporozy i oceny ryzyka złamań kości, możemy dysponować potężnymi nieinwazyjnymi narzędziami do monitorowania tych delikatnych ekosystemów.

——

Również w tym samym roku została przedstawiona ciekawa praca przez zespół naukowy  Eugenio Rastelli’ego z Wydziału Nauk o Środowisku i Naukach Przyrodniczych, Politechniki Marche w Ankonie we Włoszech. Ukazała ona interesujące informacje naukowe, w których stabilne ekosystemy ze zróżnicowaną bioróżnorodnością morską są znacznie odporniejsze na zakwaszenie oceanów niż ich bardziej uproszczone odpowiedniki 4.

Przeanalizowano te badania na wybranych gatunkach koralowców, gąbek i makroglonów oraz innych organizmów morskich, w których stwierdzono też mniejszy wpływ oportunistycznych wirusów bentosowych na twardym dnie gdzie się kształtują zdrowe ekosystemy raf koralowych.


Rys.2. Wpływ zakwaszenia na taksony dominujące. Odnotowano zmiany tempa wzrostu różnych taksonów koralowych (czerwonych koralowców, kalcyfikujących glonów, niekalcyfikujących glonów, epilitycznych gąbek, endolitycznych gąbek, kalcyfikujących gąbek) spowodowane zakwaszeniem. Tempo wzrostu wyraża się jako zmiany masy w przypadku koralowca czerwonego lub w pokryciu powierzchni w przypadku makroglonów i gąbek. Podawane są wartości średnie i odchylenie standardowe (SD – Standard Deviation). Gwiazdki wskazują na istotne różnice (p < 0,01) w zabiegu zakwaszonym w porównaniu z odpowiednią kontrolą (Eugenio Rastelli i inni, 2020).

Na wstępie niniejszej pracy Rastelli zauważył zaskakujący wynik pracy przeprowadzony eksperymentalnie w Morzu Śródziemnym, a ściślej w Morzu Liguryjskim. Mianowicie, jego zdaniem utrata różnorodności biologicznej pod wpływem zmian klimatu zagraża jednocześnie ekosystemom morskim. Stwierdził, że hipoteza, pod względem współzależności między różnorodnością biologiczną, stanowiącą naturalne zespoły wielogatunkowe, a funkcjonowaniem ekosystemów morskich, w związku z zakwaszeniem oceanu nie jest jeszcze dokładnie przetestowana.

Rastelli w swojej pracy napisał:

Tutaj, w warunkach kontrolowanych eksperymentalnie, zbadaliśmy wpływ zakwaszenia na kluczowe organizmy tworzące siedliska (w tym koralowce, gąbki i makroglony) oraz powiązane mikroby w zbiorowiskach o twardym dnie, charakteryzujących się różnymi poziomami bioróżnorodności.

Nasze wyniki wskazują, że przy wyższej bioróżnorodności wpływ zakwaszenia na kluczowe organizmy, w inny sposób bardzo wrażliwe, można zmniejszyć o 50 do > 90%, w zależności od gatunku. Tutaj pokazujemy, że taki pozytywny wpływ większej bioróżnorodności może być związany z wyższą dostępnością zasobów żywności i zdrowym związkiem mikroorganizm-gospodarz, ogólnym zwiększeniem odporności gospodarza na zakwaszenie, przy jednoczesnym przeciwstawieniu się szkodliwym oddziaływaniom mikroorganizmów oportunistycznych.

Biorąc pod uwagę scenariusze zmian klimatu przewidywane na przyszłość, dochodzimy do wniosku, że ochrona różnorodności biologicznej ekosystemów o twardym dnie ma fundamentalne znaczenie również dla łagodzenia skutków zakwaszenia oceanów.

Warto też dodać, że wody morskie, gdzie w mezokosmach, przeprowadzano badania eksperymentalne są dość mocno wysycone wapieniami: aragonitem i kalcytem. A większe zróżnicowanie gatunkowe wskazuje na wspomnianą większą odporność badanych ekosystemów, zarówno pod względem wpływu zakwaszenia oceanu, jak i oddziaływania wirusów bentosowych na faunę bentosową.

W badanym regionie, najliczniejsza jest rodzina Corallidae z najliczniejszym gatunkiem, koralowcem czerwonym Corallium rubrum, w którym coraz rzadziej występują zróżnicowane biocenotycznie ekosystemy, w których występują najliczniejsze rodziny gąbek z rodzin: Hymedesmiidae , Ancorinidae , Clathrinidae , Leucosoleniidae i Sycettidae , mszywiołów: Celleporidae , Smittinidae , Beanidae , Crisiidae i Schizoporellidae , makroglonów: Hildenbrandiaceae i Hapalidiaceae, parzydełkowców: Dendrophylliidae i Epizoanthidae oraz wieloszczetów: Serpuloidae.

Podsumowując wyniki tej pracy, można stwierdzić, że ekosystemy raf koralowych z dominującym koralowcem czerwonym Corallium rubrum, ale silnie zubożone w gatunki z wyżej wymienionych zwierząt są najbardziej narażone na zakwaszenie oceanu.

—-

Naukowy zespół Katharina E. Fabricius z Australijskiego Instytutu Morskich Nauk (Australian Institute of Marine Science) w Townsville, w 2020 roku przebadał stan raf koralowych w pobliżu dwóch oceanograficznych stacji pomiarowych w obrębie Wielkiej Rafy Koralowej. Stacji GBRWIS na Heron Island i stacji NRSYON na Yongala, na których mierzy się źródła zmienności składu chemicznego węgla w długofalowym trendzie czasowym 5.

Badacze w swojej pracy naukowej piszą, że dane z subtropikalnego środkowego szelfu GBRWIS obejmowały 3-godzinne zapisy z instrumentów, a dane z tropikalnego wybrzeża NRSYON były miesięcznymi próbkami wody morskiej.

Dokładna analiza badań w dekadzie 2009-2019 mówi bardzo wyraźnie, że Wielka Rafa Koralowa już jest w dłuższej perspektywie czasu nie do uratowania.

Na obu stacjach zaobserwowano duże wahania lotności dwutlenku węgla (f CO2) w wodzie morskiej, na które nałożyły się wahania sezonowych i dziennych fluktuacji temperatury i zasolenia.


Rys.3. Mapa Wielkiej Rafy Koralowej (linie pomarańczowe: rafy koralowe) i stacji referencyjnej gazów atmosferycznych Cape Ferguson ( a ) oraz stacji oceanograficznych GBRWIS ( b ) i NRSYON ( c ). Niebieskie cieniowanie wskazuje na batymetrię, a gruba czarna linia przedstawia 100-metrową linię batymetrii. Liczby zostały wygenerowane przy użyciu danych batymetrycznych z 30-metrowego modelu głębokości dla Wielkiej Rafy Koralowej – RJ Beaman

Pobrano zdjęcia z Geonauk Australii (Geoscience Australia)

https://ecat.ga.gov.au/geonetwork/srv/eng/catalog.search#/metadata/115066

i wykreślono za pomocą oprogramowania Matlab w wersji R2020a z pakietem mapującym M_Map (wersja 1.4 m, autorstwa R. Pawlowicza, https://www.eoas.ubc.ca/~rich/map.html).

W ciągu zbadanych 10 lat, lotność dwutlenku węgla (fCO2) na obu stacjach wzrosła o > 2,0 ± 0,3 µatm w ciągu roku. Również w tym samym czasie zaobserwowano wzrost temperatury i zasolenia wody morskiej, a także jej pH. Ponadto, stan nasycenia aragonitem spadł bardzo wyraźnie. I na to wygląda, że wszystkie te wymienione parametry będą dalej spadać, jeśli będziemy dalej  w takiej ilości jak obecnie emitować dwutlenek węgla do atmosfery i do oceanów.

Autorzy tejże pracy piszą:

Dekadowy trend wzrostowy lotności (f) CO2 pozostał istotny w danych znormalizowanych dla temperatury i zasolenia. Rzeczywiście, roczne minima f CO2 są obecnie wyższe niż szacowane maksymalne wartości f CO2 na początku lat sześćdziesiątych XX wieku, czyli średnio, lotność CO2 teraz wynosi o 28% więcej niż 60 lat temu. Nasze dane wskazują, że rozpuszczanie węglanów z dna morskiego sprawia, że nie jesteśmy obecnie w stanie ochronić Wielkiej Rafy Koralowej przed zakwaszeniem oceanów. Ma to ogromnie niepokojące znaczenie dla tysięcy raf koralowych i innych różnorodnych ekosystemów morskich znajdujących się w tym rozległym systemie szelfu kontynentalnego.

—-

Z kolei Catriona Hurd w swojej pracy zespołowej, na jej wstępie napisała 6:

Zakwaszenie oceanów jest zjawiskiem globalnym, ale nakłada się na nie wyraźna zmienność regionalna modulowana przez lokalną fizykę, chemię i biologię. Uznanie jego wielopłaszczyznowego charakteru i współdziałania zakwaszenia z innymi czynnikami wpływającymi na ocean doprowadziło do międzynarodowych i regionalnych inicjatyw mających na celu ustanowienie sieci obserwacyjnych i opracowanie ujednolicających zasad reakcji biologicznych. Rośnie świadomość zagrożenia, jakie stanowi zakwaszenie oceanów dla usług ekosystemowych, a konsekwencje społeczno-gospodarcze stają się coraz bardziej widoczne i wymierne. W świecie o wyższym poziomie emisji CO2 przyszłe wyzwania obejmują lepsze projektowanie i rygorystyczne testy opcji adaptacyjnych, łagodzących i interwencyjnych, aby zrównoważyć skutki zakwaszenia oceanów w skali od lokalnej do regionalnej.


Referencje:
1. Kapsenberg L. et al., 2019 ; Ocean acidification refugia in variable environments ; Global Change Biology ; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/gcb.14730
2. Hennige S. J. et al., 2020 ; Crumbling Reefs and Cold-Water Coral Habitat Loss in a Future Ocean: Evidence of “Coralporosis ; Deep-Sea Environments and Ecology ; https://www.frontiersin.org/…/10…/fmars.2020.00668/full
3. University of Edinburgh, 2020 ; Ocean acidification puts deep-sea coral reefs at risk of collapse ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/rel…/2020/09/200917105321.htm
4. Rastelli E. et al., 2020 ; A high biodiversity mitigates the impact of ocean acidification on hard-bottom ecosystems ; Scientific Reports ; https://www.nature.com/articles/s41598-020-59886-4
5. Fabricius K. E. et al., 2020 ; Progressive seawater acidification on the Great Barrier Reef continental shelf ; Scientific Reports ; https://www.nature.com/articles/s41598-020-75293-1
6. Hurd C. L. et al., 2018 ; Current understanding and challenges for oceans in a higher-CO2 world ; Nature Climate Change ; https://www.nature.com/articles/s41558-018-0211-1

Zakwaszenie coraz cieplejszych oceanów

W drugiej połowie XVIII wieku miało swój początek pierwsze spalanie paliw kopalnych, a konkretniej emisje dwutlenku węgla. I to nie tylko do atmosfery, ale i też, z większym upływem czasu, do oceanów. Z tą jednak różnicą, że rosnące stężenie dwutlenku węgla w wodach oceanicznych nie przyczynia się do zatrzymywania energii cieplnej w zakresie w podczerwieni, jak to się dzieje właśnie w atmosferze, ale powoduje inną zmianę klimatu – zakwaszenie oceanów.

A dzieje się dlatego, gdyż cząsteczka dwutlenku węgla reagując z cząsteczką wody, zamienia się się w słaby kwas węglowy, który ulega dysocjacji na jony: aniony wodorowęglanowe i kationy wodorowe, i następnie, na aniony węglanowe i znowu na kationy wodorowe.

CO2 + H2O > H2CO3 ; H2CO3 > HCO3+H+ ; HCO3> CO32- + H+

W obiegu węglowym atmosferyczny dwutlenek węgla jest cały czas w interakcji z oceanami. Problem jednak zaczyna się robić, gdy tego najważniejszego gazu w systemie klimatycznym, pojawia się znacznie więcej niż potrzeba. To znaczy, gdy rośnie stosunek anionów wodorowęglanowych względem węglanowych. To znaczy, gdy zaczyna go brakować do budowy skorupek u skorupiaków i muszli u małży.

Oceany, tak jak i lądy, mniej więcej w naturalnych procesach tyle samo emitują co absorbują dwutlenku węgla. Jednak od uruchomienia pierwszych manufaktur opalających węgiel w Wielkiej Brytanii, również stężenie tego gazu zaczęło powoli wzrastać w oceanach. Ale temperatura i energia cieplna w największych akwenach wodnych Ziemi dopiero zaczęła rosnąć od lat 70 XX wieku, gdy unowocześniono pomiary i zaobserwowano na wykresach szybki wzrost tych parametrów.

Jak czytamy w pracy naukowej, opublikowanej w instytucji naukowej NOAA Morskiego Laboratorium Środowiska Pacyficznego (PMEL – Pacific Marine Environment Laboratory) przez badaczy zakwaszenia oceanów: Richarda Feely’ego, Christophera Sabine i Victorię Fabry – od początku ery przemysłowej ocean wchłonął z atmosfery około 525 miliardów ton CO2 1.

A więc w 2006 roku było to już około 22 milionów ton dziennie.

Na łamach serwisu Smithsonian Institution czytamy 2:

Początkowo naukowcy myśleli, że może to być dobre rozwiązanie, ponieważ pozostawia mniej dwutlenku węgla w powietrzu, aby ogrzać planetę. Ale w ostatniej dekadzie zdali sobie sprawę, że to spowolnione ocieplenie odbywa się kosztem zmiany chemii oceanu. Kiedy dwutlenek węgla rozpuszcza się w wodzie morskiej, woda staje się bardziej kwaśna, a stężenie (pH) oceanu (miara kwasowości lub zasadowości oceanu) spada. Chociaż ocean jest ogromny, wystarczająca ilość dwutlenku węgla może mieć duży wpływ. Tylko w ciągu ostatnich 200 lat woda w oceanie stała się o 30 procent bardziej kwaśna – szybciej niż jakakolwiek znana zmiana chemiczna oceanu w ciągu ostatnich 50 milionów lat.

—–

Jeden z najważniejszych eksperymentów badania wpływu zakwaszenia oceanu na gatunki oceaniczne i morskie – Mesocosm – został przeprowadzony w pelagialu u wybrzeży Norwegii w 2015 r. Projektem tym kierował Ulf Riebesell, profesor Biologicznej Oceanografii, pracujący w GEOMAR – Centrum Badań Oceanicznych im. Helmholtza w Kilonii 3.

Badania przeprowadzone zostały w ośmiu mezokosmach o pojemności 55 000 litrów każdy. Są to eksperymentalne zbiorniki wodne umieszczone w morzu lub w oceanie i obsługiwane przez 36 badaczy, którzy przez 50 dni pobierali próbki.

Projekt ten pokazał, że kluczowe gatunki w skali globalnej o strukturze wapiennej jak glon Emiliania huxleyi czy zwierzę bezkręgowe – mięczak, pteropod, czyli morski ślimak skrzydłonogi Limacina helicina, będą głównymi przegranymi.

Wspomniany glon Emiliania huxleyi odgrywa dwie ważne role klimatyczne. Po pierwsze, transportuje węgiel w głębiny oceaniczne opadając po śmierci, a więc, łagodzi klimat. A po drugie, wytwarza chłodny i jasny gaz aerozolowy – dimetylek siarczku (DMS – Dimethyl Sulfoxide), dzięki czemu chmury bieleją, głównie stratocumulusy nad oceanami, i silnie odbijają w przestrzeń kosmiczną promienie słoneczne, a więc, i tu ochładza klimat. Z kolei ślimak skrzydłonogi Limacina helicina jest bardzo ważnym ogniwem w sieci troficznej, służącym jako pokarm dla wielu ryb i morskich ssaków i ptaków. Gdy go zabraknie w ekosystemie pelagicznego planktonu, to łańcuchy i sieci pokarmowe po prostu załamią się i może dojść do katastrofy ekologicznej. Mięczak ten jest uzależniony od wysokiego nasycenia wód pelagicznych aragonitem.


Fot.1. Skaningowa mikrografia elektronowa pojedynczej komórki Emiliania huxleyi 


Fot.2. Żywy osobnik Limacina helicina


Do zwycięzców należą gatunki niewapienne – pikoplanktonowe, jak bakterie, a wśród bezkręgowych zwierząt, megaplanktonowe osłonice Oicopleura doica, a także z pewnością wiele innych o galaretowatym kształcie zwierząt, jak inne gatunki osłonic czy też wiele gatunków meduz.


Fot.3. Mezokosmy na Svalbardzie. Naukowcy pobierają próbkę wody z mezokosmu. Fot. Maike Nicolai, GEOMAR


Kunshan Gao, z Państwowego Kluczowego Laboratorium Nauk o Środowisku Morskim i Wyższej Szkoły Nauk o Oceanie i Ziemi na Uniwersytecie w Xiamen w Chinach, wraz ze swoim zespołem badawczym, na temat swojej pracy napisał 4:

Oceany pobierają ponad 1 milion ton antropogenicznego CO2 na godzinę, zwiększając poziom ciśnienia parcjalnego rozpuszczonego dwutlenku węgla (pCO2) i obniżając stężenie (pH) wody morskiej w procesie zwanym zakwaszeniem oceanów (OA – Ocean Acidification). Jednocześnie szklarniowe ocieplenie powierzchni oceanu powoduje zwiększone rozwarstwienie górnych warstw mieszanych, narażając żyjące tam organizmy fotosyntetyczne na zwiększone promieniowanie widzialne i ultrafioletowe (UV), a także na zmniejszoną podaż składników odżywczych. Ponadto ocieplenie oceanów i eutrofizacja antropogeniczna zmniejszają stężenie rozpuszczonego O2 w wodzie morskiej, przyczyniając się do rozprzestrzeniania się stref niedotlenienia.

Ze wszystkich organizmów fotosyntetyzujących na Ziemi, morskie organizmy odpowiadają za około połowę globalnego wiązania węgla (Falkowski i Raven, 2013). W większości oceanów dominującymi fotoautotrofami są gatunki fitoplanktonowe: jednokomórkowe mikroglony i sinice, których habitaty są przede wszystkim na otwartych wodach oceanów. Natomiast duże glony, makroglony, oraz trawy morskie preferują głównie siedliska przybrzeżne. Na te organizmy wpływa zarówno wzrost ciśnienia parcjalnego dwutlenku węgla (pCO2) , jak i spadek stężenia wód (pH) wraz z trwającym zakwaszeniem oceanu (OA – Ocean Acidification).

Wzrost stężenia atmosferycznego dwutlenku węgla wynosi obecnie 0,5 % rocznie. I właśnie ono przyczynia się do zakwaszenia oceanu (OA – Ocean Acidification). Jednak towarzyszące stężeniu CO2 ocieplenie atmosfery powoduje też ocieplenie oceanu stymulując powstawanie stratyfikacji i wypłycenia górnej warstwy mieszanej (UML – Upper Mixed Layer). Powoduje to wyhamowanie dopływu składników odżywczych z głębszych warstw, a organizmy żyjące w UML są bardziej narażone na zwiększoną dzienną ekspozycję dawki na promieniowanie fotosyntetycznie aktywne (PAR Photosynthetically Active Radiation) i promieniowanie ultrafioletowe (UV – Ultraviolet) (Gao i inni, 2012a ; Hutchins i Fu, 2017 ; Rys.76).

Ocieplenie oceanu prowadzi do spadku rozpuszczalności tlenu w górnej warstwie oceanu, a to oznacza jego odtlenianie. A powstająca w niej stratyfikacja hamuje wentylację oceanu, czyli mieszanie powierzchniowych wód natlenionych z wodami głębszymi pelagicznymi i bentosowymi. A to z kolei prowadzi do odtleniania głębszych warstw oceanu. Ponadto, ludzie prowadząc działalność rolnictwa intensywnego doprowadzają często do tego, że ich nawozy azotanowe i fosforanowe stymulują rozwój bakterii i sinic, które w produkcji pierwotnej netto usuwają tlen z otoczenia wód morskich przybrzeżnych doprowadzając do ich odtleniania i wymierania wielu morskich gatunków przybrzeżnych.

W swoich wynikach badań, naukowcy ci zauważyli, że promieniowanie słoneczne ultrafioletowe oraz / lub podwyższona temperatura wyraźnie powodują zmniejszenie zwapnienia pośród glonów wapiennych. Natomiast u okrzemek został stwierdzony większy wzrost ich budowy krzemianowej przy podwyższonym poziomie CO2, ale i przy niewielkim nasłonecznieniu. Jednak zbyt intensywne światło słoneczne hamuje rozwój tych glonów krzemianowych (Schmidtko i inni, 2017; Breitburg i inni, 2018).


Rys.1. Zakwaszenie oceanu, ocieplenie i odtlenienie związane z rosnącym wzrostem CO2 w atmosferze . Zaleganie górnej warstwy mieszanej (UML) w wyniku ocieplenia naraża żyjące tam organizmy na wyższe poziomy promieniowania słonecznego [przerysowano na podstawie (Gao i inni, 2012a) oraz (Hutchins i Fu, 2017)].


Grace Saba i Liza Wrighr-Fairbanks z Rutgers w Stanowym Uniwersytecie New Jersey oraz Baoshan Chen z Uniwersytetu Stony Brook i Wei-Jun Cai z Uniwersytetu Delaware w 2018 roku przetestowali szybowiec autonomiczny Slocum w kształcie żółtej torpedy, który przez trzy tygodnie mierzył pH, zasolenie i temperaturę wód oceanicznych w całym słupie wody przybrzeżnego Atlantyku, od portowego miasta Atlantic City do skraju podwodnego szelfu kontynentalnego na odcinku 130 mil, tam i z powrotem 5.


Fot.4. Szybowiec Slocum obsługiwany przez Rutgers University jest rozmieszczony u wybrzeży New Jersey. Podwodne szybowce wyposażone w czujniki dostarczają danych na żywo, które pomagają naukowcom zrozumieć w czasie rzeczywistym, jak zmienia się kwasowość w oceanach Ziemi. Źródło: Liza Wright-Fairbanks, Rutgers University


Dane porównawcze pH mierzonego na północno-wschodnim szelfie kontynentalnym na różnych jego głębokościach, od powierzchni oceanu do dna, tradycyjną metodą spektrofotometryczną za pomocą pobierania próbek wody, a metodą za pomocą przemieszczania się automatycznego szybowca, wyraźnie się różniły. Okazało się, że pomiary czujnika pH z szybowca miały znacznie wyższą rozdzielczość z dokładnością 0,011 jednostek lub nawet lepszą, mierzoną non stop w ciągu kilku tygodni w całym słupie wody oceanicznej.

Ogólnie naukowcy ci zaobserwowali, że wcześniejsze wysiłki w zakresie monitorowania zakwaszenia miały albo zbyt niską rozdzielczość przestrzenną (cumowanie), albo z kolei zbyt wysokie koszty i zbyt niską rozdzielczość czasową oraz przestrzenną (rejsy badawcze).


Rys.2. Mapa pokazująca lokalizację pierwszych wodowań szybowców pH (Saba G. K. and Wright-Fairbanks E. i in., 2019).

W przypadku pierwszego wodowania (tor w kolorze magenta) szybowiec został zwodowany u wybrzeży Atlantic City w stanie New Jersey w dniu 2 maja 2018 r. i wykonał pomiary pH i innych zmiennych od przybrzeżnego do skraju szelfu kontynentalnego i z powrotem, gdzie został zacumowany 22 maja 2018 r.

W przypadku drugiego zwodowania (trasa w kolorze błękitnym), szybowiec został zwodowany na wschód od Georges Bank 5 lipca 2018 roku i wykonał pomiary pH i innych zmiennych podczas przepływu, dopóki nie został zacumowany u wybrzeży Atlantic City 28 sierpnia 2018 r. Podczas tego zwodowania szybowiec był wciągnięty w ciepły wir na prawie 5 dni (żółte równoległoboki i koło). Zaniepokojeni biodegradacją z powodu długiego okresu przebywania w ciepłej wodzie, 31 lipca szybowiec ten został przechwycony na południe od Montauk w stanie New Jersey w Stanach Zjednoczonych.

(Grace Saba i Liza Wrighr-Fairbanks, 2019)


Referencje:

  1. Feely R. et al., 2006 ; Carbon Dioxide and Our Ocean Legacy ; Smithsonian Institution ; https://www.pmel.noaa.gov/pubs/PDF/feel2899/feel2899.pdf
  2. Bennett J., 2006 ; Ocean Acidification ; Smithsonian ; https://ocean.si.edu/ocean-life/invertebrates/ocean-acidification
  3. Riebesell U. et al., 2016 ; Competitive fitness of a predominant pelagic calcifier impaired by ocean acidification ; Nature Geoscience ; https://www.nature.com/articles/ngeo2854
  4. Gao K. et al., 2019 ; Effects of Ocean Acidification on Marine Photosynthetic Organisms Under the Concurrent Influences of Warming, UV Radiation, and Deoxygenation ; Global Change and the Future Ocean ; https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2019.00322/full
  5. Saba G. K. et al., 2018 ; The Development and Validation of a Profiling Glider Deep ISFET-Based pH Sensor for High Resolution Observations of Coastal and Ocean Acidification ; Observation Ocean ; https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2019.00664/full

Podmorska i lądowa wieczna zmarzlina

Wieczna zmarzlina to bogata w węgiel zamarznięta gleba, która pokrywa 24% powierzchni lądowej półkuli północnej, obejmując rozległe obszary Alaski, Kanady, Syberii i Grenlandii.

Po raz pierwszy rozmarzanie zmarzliny zaobserwowano w latach 90 XX wieku. A więc, kiedy naukowcy zauważyli wyraźnie, że ostatnia dekada ubiegłego wieku mocno ociepliła się, po tym jak ludzkość podjęła się na początku wspomnianej dekady redukcji zanieczyszczeń przemysłowych, takich jak związki siarki i azotu, które będąc gazami chłodzącymi tworzyły wraz z pyłami duże zachmurzenie nad wieloma regionami przemysłowymi, dzięki czemu mniej światła słonecznego dochodziło do powierzchni Ziemi i mniej przez to była ogrzewana powierzchnia Ziemi. Ale redukcja tych aerozoli oznaczała rozjaśnienie nieba i większy dopływ promieniowania słonecznego, czyli większe nagrzewanie planety przy rosnącym stężeniu gazów cieplarnianych. Okazało się, że to nagłe ocieplenie globu ziemskiego uderzyło z dużym impetem w Arktykę i właśnie w zmarzlinę znajdującą się w głębi tajgi i tundry i też nad wybrzeżami zmarzliny lądowej, a także podmorskiej, na szelfach kontynentalnych. W tym ostatnim przypadku, dotyczy to wód syberyjskich, a konkretniej Morza Łaptiewów i Morza Karskiego. Kiedy dobiegł końca ostatni glacjał Würm (115-11,7 tys. lat temu), Ocean Arktyczny i przybrzeżne morza wokół Eurazji i Ameryki Północnej oraz Grenlandii zaczęły podnosić swój poziom, zalewając wiele obszarów suchej zmarzliny na szelfach kontynentalnych

W 2020 roku dr Sayedeh Sara Sayedi i starszy badacz dr Ben Abbott z Brigham Young University (BYU) w Provo w Stanie Utah oszacowali, że podmorska wieczna zmarzlina zawiera około 560 gigaton węgla (GtC – gigatonnes carbon), czyli 170-740 GtC [w przedziale ufności 90%] w samej materii organicznej (OM – organic matter) wraz z organicznym węglem (OC – organic carbon) oraz 45 GtC, czyli 10-110 GtC [w przedziale ufności 90%] w samym tylko metanie (CH4). Z kolei aktualne strumienie CH4 i dwutlenku węgla (CO2) w słupie wody oszacowano na 18 (2-34) i 38 (13-110) megaton węgla (MtC – megatonnes) przez rok czasu (C / rok) 1.


Fot.1. Klatrat metanu (Wikipedia).


Rys.1. Szacunki ekspertów skumulowanych emisji gazów cieplarnianych w ekwiwalentach CO2 (CO2e) z podmorskiej domeny wiecznej zmarzliny dla scenariuszy emisji RCP2.6, RCP4.5 i RCP8.5. Mediana dolnych, środkowych i górnych oszacowań jest reprezentowana przez ciągłe czarne linie, z szarym wypełnieniem między nimi, co oznacza jakościowy 90% przedział ufności. Względne udziały metanu (CH4) (znormalizowane do CO2e) i CO2 tylko dla oszacowań centralnych są pokazane w kolorze różowym i niebieskim. Dla porównania, żółta przerywana linia pokazuje skumulowany CO2e, gdyby emisje z podmorskiej zmarzliny miały pozostać na obecnym poziomie do 2300. Szczegółowe dane i obliczenia w tabeli S5 (Sayedi S. S. i in., 2020)


Autorzy pracy powiedzieli w swojej pracy wprost:

Szelfy kontynentalne Oceanu Arktycznego i otaczających go mórz zawierają duże zapasy materii organicznej (OM) i metanu (CH4), co stanowi potencjalne sprzężenie zwrotne ekosystemu ze zmianą klimatu, nieuwzględnione w międzynarodowych porozumieniach klimatycznych.

Aby porównać ogólne wymuszanie klimatu z podmorskiej zmarzliny naukowcy przeliczyli emisje metanu (CH4) na ekwiwalent (równoważnik) dwutlenku węgla (CO2e), stosując 100-letni współczynnik przeliczeniowy z potencjałem cieplarnianym 28-krotnie większym dla metanu w horyzoncie czasowym 100 lat uwzględnionym w Piątym Raporcie Oceny IPCC (Schuur i in . 2013 , Abbott i in . 2016 ). Po przeliczeniu [tabela S5 w artykule], CH4 odpowiadał za ponad połowę całkowitego wymuszania klimatu, stanowiąc średnio 65%, 67% i 72% skumulowanych uwolnień CO2e dla RCP2.6, RCP4.5 i RCP8.5, odpowiednio (rys.1.).


Rys.2. Arktyczna zmarzlina (permafrost).

1/5 zamarzniętych gleb na wysokich szerokościach podlega nagłemu i nieustannemu odmrażaniu (tajaniu), doprowadzając do osuwisk i powodzi, co skutkuje uwalnianiem węgla do atmosfery.

Poziomy gleb bogatych w węgiel – kilogramy węgla na  metr kwadratowy

Kg C/m2   

a) nagłe odmrażanie:

> 139 (8%) ; 139-105 (10%) ; 104-70 (60%) ; 69-36 (19%)

b) stopniowe odmrażanie:

>139 (4%) ; 139-105 (3%) ; 104-70 (26%) ; 69-36 (39%)

—-

  1. North Slope, Alaska, USA

Nagłe rozmrażanie powoduje osuwiska i erozję gór.

  1. Cieśnina Dmitrija Łaptiewa, półnowschodnia Syberia

Wieczna zmarzlina zawierająca grube warstwy lodu gruntowego zapada się nagle, gdy lód się topi.

  1. Nizina Zatoki Hudsona

Rozmrażanie torfowisk może spowodować uwolnienie dużej ilości węgla.

  1. Tavvavuoma, północna Szwecja

Narastające jeziora roztopowe są głównym źródłem metanu.

(Turetsky M.R. in., 2019)


Kierownik katedry badań kanadyjskich na Wydziale Biologii Integracyjnej Uniwersytetu Guelph w Kanadzie, Meritt R. Turetsky, wraz ze swoimi współpracownikami, dokonał głębszej analizy dotyczącej rozmrażającej się zmarzliny lądowej, ostrzegając świat przed grożącym podwojeniem ocieplenia klimatu przez coraz szybciej uwalniające się z niej gazy cieplarniane 2.

Na wstępie swojej pracy naukowcy napisali tak:

Gdy temperatura gleby wzrasta powyżej zera, mikroorganizmy rozkładają materię organiczną w glebie. Gazy cieplarniane, takie jak: dwutlenek węgla, metan i podtlenek azotu – są uwalniane do atmosfery, przyspieszając globalne ocieplenie. Gleby w regionie wiecznej zmarzliny zawierają dwa razy więcej węgla niż atmosfera – prawie 1600 miliardów ton.

W skład wiecznej zmarzliny wchodzą różnego rodzaju gleby, skały lub osady, często wymieszane z dużymi bryłami lodu. Na Ziemi, na półkuli północnej, jest około ¼  gleb zamarzniętych w ten sposób. Węgiel w nich gromadził się przez okresy długich tysiącleci, dlatego, że materia organiczna, składająca się ze szczątków martwych roślin, zwierząt i mikroorganizmów, nie uległa rozkładowi.

Naukowcy dalej napisali:

Modelarze próbują przewidzieć, ile tego węgla zostanie uwolnione, gdy topi się wieczna zmarzlina. Jest to skomplikowane: na przykład muszą zrozumieć, ile węgla w powietrzu zostanie pobrane przez rośliny i zwrócone do gleby, uzupełniając część utraconych. Prognozy sugerują, że powolne i stałe rozmrażanie spowoduje uwolnienie około 200 miliardów ton węgla w ciągu najbliższych 300 lat w ramach scenariusza emisji „biznes jak zwykle”. Odpowiada to około 15% całego węgla w glebie gromadzonego obecnie na zamarzniętej północy.

Zespół naukowy Meritta stwierdził, że powinno być wdrożone więcej badań dotyczących klimatu i gleby, w nurtującej kwestii, ile i skąd będą pochodzić największe emisje gazów cieplarnianych, takich jak: dwutlenek węgla, metan i podtlenek azotu.

Nadal jest słabo poznana erozja rozmrożonych gleb na zboczach wzgórz, gdyż zapadające się zbocza są trudne do wykrycia za pomocą satelitów i tylko przeprowadzono kilka badań tego typu na dużą skalę. Dlatego też naukowcy muszą ustalić, ile węgla z wiecznej zmarzliny przemieszcza się po rozmrożeniu, no i co dzieje się dalej z tym węglem. Na przykład nadal nie wiadomo, ile pozostanie go w ziemi i zostanie w niej zakopane, a ile dostanie się niestety do atmosfery już jako gaz cieplarniany. W warunkach tlenowych jako dwutlenek węgla, a w warunkach beztlenowych jako metan. No i też badacze rozważają, co się stanie z tym węglem, jeśli dostanie się do naturalnych jezior, rzek czy estuariów?

Dalej, wspomniani naukowcy analizują w jakim stopniu wzrost roślin mógłby zrównoważyć węgiel uwalniany przez wieczną zmarzlinę, która rozmarza i zapadając się tworzy specyficzne jeziora, tak zwane termokrasowe. Wiadomo już, że z biegiem czasu te jeziora są zarastane przez rośliny mokradłowe, które ostatecznie mają tendencje do osuszania i przekształcania tychże jezior z powrotem w tundrę. A obszary zerodowane są kolonizowane skutecznie przez rośliny, co pomaga stabilizować gleby i przyspieszać ich regenerację, tym bardziej, że wzrost poziomu CO2, wilgotności gleb oraz nutrientów w nich zawartych, sprzyja rozwojowi roślinności i jej nasilonym procesom fotosyntezy. Dlatego też modelarze będą musieli dokładnie szacować procesy biogeochemiczne pod względem przyszłych sprzężeń zwrotnych obiegu węgla pomiędzy gatunkami tundrowymi a przekształcaną geomorfologią w krajobrazie tundry.

Fot.2. Jeziora termokrasowe wzdłuż wybrzeża Arktyki na Alasce, które powstają podczas topnienia lodu i wiecznej zmarzliny. (Steven Kazlowski / NPL).

Na koniec Meritt ze swoim zespołem naukowym stwierdzają fakt, że rozmieszczenie lodu w ziemi jest właśnie głównym czynnikiem wpływającym na losy węgla w wiecznej zmarzlinie. Jednak obserwacje ogólne lodu na ziemi są nieliczne. Bardziej rozpowszechnione są pomiary geofizyczne, które mogłyby stworzyć mapę zagłębień lodu pod powierzchnią, ujawniając, gdzie się koncentruje i jak szybko topi się.

—-

Z kolei niemiecki badacz Boris Biskaborn z Instytutu Alfreda Wegenera, Centrum Badań Polarnych i Morskich im. Helmholtza, wraz ze swoim międzynarodowym zespołem badawczym, po głębszej analizie terenowej stwierdził fakt, że wieczna zmarzlina ociepla się w skali globalnej 3.

Stosując globalny zestaw danych serii czasowych temperatury wiecznej zmarzliny, na podstawie programu Globalna Sieć Lądowa dla Zmarzliny (GTNP – Global Terrestrial Network for Permafrost), naukowcy obliczyli zmiany temperatury w regionach wiecznej zmarzliny w okresie 2007-2016, poczynając od Międzynarodowego Roku Polarnego (IPY – International Polar Year) (2007-2009).


Rys.3. Temperatura wiecznej zmarzliny i tempo zmian w pobliżu głębokości zerowej amplitudy rocznej.

a , b Średnie roczne temperatury gruntu w latach 2014–2016 na półkuli północnej i na Antarktydzie, n  = 129 otworów wiertniczych.

c , d Dziesięcioletnie tempo zmian temperatury wiecznej zmarzliny od 2007 do 2016 roku, n  = 123 odwiertów.

Zmiany w średniej dokładności pomiaru około ±0,1°C są zaznaczone na zielono.

Strefa ciągłej wiecznej zmarzliny (pokrycie >90%); strefa nieciągłej wiecznej zmarzliny (pokrycie <90%).

Strefy wiecznej zmarzliny pochodzą z mapy Międzynarodowego Stowarzyszenia Zmarzliny (IPA – International Permafrost Association). Dane dotyczące granic świata pochodzą z http://thematicmapping.org/downloads/world_borders.php i na licencji CC BY-SA 3.0 ( https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

(Biskaborn B. i in., 2019)

 

Szacunki pokazały wyraźnie, że w latach 2007-2016 temperatura gruntu, znajdującego się w pobliżu głębokości zerowej rocznej amplitudy w strefie ciągłej wiecznej zmarzliny, wzrosła o 0,39 ± 0,15°C. W tym samym okresie, nieciągła wieczna zmarzlina ogrzała się o 0,20 ± 0,10°C. Wieczna zmarzlina w górach ociepliła się o 0,19 ± 0,05°C, a na Antarktydzie o 0,37 ± 0,10°C. W skali globalnej temperatura wiecznej zmarzliny wzrosła o 0,29 ± 0,12°C.

Sami autorzy mówią:

Nasze wyniki pokazują, że w ciągu dekady po IPY wieczna zmarzlina ogrzała się w 71 otworach, w 12 ochłodziła, a w pozostałych 40 pozostała niezmieniona (w zakresie dokładności pomiaru) (Rys.3). Z kolei temperatura gruntu wzrosła powyżej 0°C w pięciu otworach wiertniczych, co wskazuje na rozmarzanie na głębokości pomiarowej 10 m w rocznej amplitudzie zerowej (Z*).


Rys.4. Reżim termiczny wiecznej zmarzliny. Schemat przedstawiający maksymalną (linia czerwona) i minimalną temperaturę gruntu (linia niebieska) w ciągu roku oraz ich zbieżność w celu uzyskania średniej rocznej temperatury gruntu T¯ (Biskaborn B. i in., 2019)


Referencje:

  1. Sayedi S. S. et al., 2020 ; Subsea permafrost carbon stocks and climate change sensitivity estimated by expert assessment ; Environmental Research Letters ; https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/abcc29
  2. Turetsky M. R. et al., 2019 ; Permafrost collapse is accelerating carbon release ; Nature ; https://www.nature.com/articles/d41586-019-01313-4
  3. Biskaborn B. K. et al., 2019 ; Permafrost is warming at a global scale ; Nature Communications ; https://www.nature.com/articles/s41467-018-08240-4

 

Bez mitygacji nic nam się nie uda

Powinniśmy sobie to uzmysłowić bardzo poważnie, że mamy dwa czynniki, które decydują o ochronie Ziemi. Nie tylko ekologiczny, ale i też klimatologiczny.
Akurat tego nie rozumie nie tylko wielu zwyczajnych ludzi, ale i też aktywistów i miłośników przyrody.
Planeta ocieplać się zaczęła od około 1850 roku z powodu rosnącej koncentracji gazów cieplarnianych (GHG) takich głównie jak dwutlenek węgla oraz sprzężona z nim para wodna. Mniejsze znaczenie, ale wzrastające mają kolejne dwa istotne gazy – metan i podtlenek azotu. Również jeszcze wpływ mają gazy przemysłowe jak freony, choć tutaj podjęto wiele działań o wycofywaniu z użycia wielu gazów chloroflurowęglowodorowych (CFC) i zastępowaniu ich gazami chlorofluorowodorowymi (HFC). Te drugie jednak mając ekstremalnie silny potencjał cieplarniany, oddziałują silnie na wzmacnianie efektu cieplarnianego.
Generalnie, to nie tyle same gazy cieplarniane są problemem, co procesy fizykochemiczne, które one wytwarzają w atmosferze. Ich rosnące stężenia zatrzymują duże ilości promieniowania cieplnego w zakresie długofalowych fal w podczerwieni. To znaczy ich rosnąca obecność w atmosferze wpłynęła na powstanie nierównowagi energetycznej. To znaczy przy względnie regularnym dopływie energii słonecznej do układu ziemskiego, obserwuje się w troposferze naszej planety zmniejszony odpływ energii podczerwonej w przestrzeń kosmiczną. Rosnące emisje gazów cieplarnianych, głównie z sektorów gospodarczych opartych na spalaniu paliw kopalnych powodują nie tylko wzrost stężenia (koncentracji) gazów cieplarnianych w atmosferze, ale i też przy okazji wzrost średniej temperatury globalnej. Według wytycznych Międzyrządowego Panelu ds. Zmian Kliamtu (IPCC), mając na względzie punkt odniesienia – 1850 rok odkąd pojawił się ten problem – świat ocieplił się dziś o co najmniej 1,2 stopnia Celsjusza. I właśnie to ocieplenie zaczyna oddziaływać nie tylko na system klimatyczny planety, ale i również na biosferę, na ekosystemy, na biocenozy, na populacje wielu różnorodnych gatunków zamieszkujących Ziemię.
Niestety, wielu ludzi dalej nie rozumie tego, że naczynia są połączone. Nie rozumie tego, że to co się dzieje z klimatem ma także wpływ na biosferę. Nie ma żadnej cykliczności odkąd cały czas spalamy paliwa kopalne oraz dokonujemy zmian użytkowania terenu, głównie wylesiania. To wszystko zostało zachwiane. Dystrybucja temperatury i opadów na Ziemi została zakłócona w taki sposób, że mając na względzie wykres z 30 lub więcej latami, widać wyraźnie, że w rejonach dotychczas bardzo suchych będzie jeszcze bardziej sucho, a w rejonach bardzo wilgotnych będzie jeszcze bardziej wilgotno. Tak pokazuje symulacje większość modeli klimatycznych, z którymi zgadza się wielu klimatologów, w tym specjalistów od analiz statystycznych i rachunku prawdopodobieństwa.
Są rejony na Ziemi, takie jak np. Polska, które będą wysychać wraz z każdym wzrostem ułamka stopnia Celsjusza w stosunku do okresu przedprzemysłowego 1850-1900. W obecnie trwającym VI Raporcie IPCC mamy pięć scenariuszy emisji GHG: od najłagodniejszego SSP1-1.9 poprzez mniej łagodny SSP1-2.6. , średni SSP2-4.5 , mniej ostry SSP3-7.0 do najostrzejszego SSP5-8.5. Jakim scenariuszem będziemy podążać przez następne kilka dekad, wszystko zależy od nas samych, jakie decyzje podejmiemy. Czy takie by przyspieszyć dekarbonizację, czy niestety zachowawcze i kunktatorskie jak do tej pory.
Wiele się pisze teraz o adaptacji klimatycznej, ale są one zależne od mitygacji (łagodzenia) klimatycznej. Podobnie jak para wodna jest zależna w atmosferze od obecności dwutlenku węgla, gdyż ta pierwsza powoduje najsilniejsze w systemie klimatycznym planety dodatnie sprzężenie zwrotne, a ten drugi powoduje najsilniejsze wymuszenie radiacyjne. Tak więc, bez mitygacji, czyli zmasowanej globalnej redukcji emisji GHG, adaptacja nic nam nie da.
Aby uchronić bioróżnorodność w wielu ekosystemach morskich i lądowych, potrzeba właśnie przede wszystkich działań mitygacyjnych. Bez nich adaptacyjne nic nie dadzą. I owszem należy budować wszelkie zabezpieczenia technologiczne, organizacyjne w miastach, wioskach czy także w ekosystemach lądowych i morskich, zwłaszcza przed kataklizmami takimi jak sztormy, huragany, nawalne opady deszczu, powodzie, fale upałów, susze, pożary. Jednak to niewiele pomoże bez konkretnych jednoczesnych zadań mitygacyjnych, czyli konkretnie zaplanowanych znaczących globalnych redukcji emisji GHG.
Jeśli podejmiemy skuteczne działania renaturalizacyjne ekosystemów, np. mokradłowych czy też rzek czy jezior, to w dłuższej perspektywie czasowej nic to nam nie da jeśli jednocześnie nie podejmiemy natychmiastowych działań mitygacyjnych – redukcji globalnych emisji GHG.
Nie łudźmy się tym, że ekosystemy wrócą do stabilnej formy jak w przeszłości jeśli zignorujemy działania dekarbonizacyjne. Tak samo nic nam nie da sekwestracja gleb, zalesianie czy budowanie infrastruktury retencyjnej rzek, jezior czy też mokradeł takich jak oczka wodne, bagna, jeśli zlekceważymy tak samo działania dekarbonizacyjne polegające głównie na redukcji emisji GHG pochodzącej ze spalania paliw kopalnych takich jak węgiel kamienny, węgiel brunatny, ropa naftowa, piaski bitumiczne czy też gaz ziemny.
Generalnie największym problemem są właśnie paliwa kopalne. Emisje tych surowców w prawie żadnym zakresie nie są sekwestrowane. A poza tym geoinżynieria nie rozwiąże problemu z jakim borykamy się jako ludzkość. Stężenie (koncentracja) dwutlenku węgla w atmosferze zawiera teraz prawie 415 ppm (parts per million). Naszym celem jako ludzkości jest w tej chwili zatrzymanie wzrostu tego stężenia. Tak samo jak innych gazów, takich głównie jak metan (1892,2 ppb – ok. 1,9 ppm) czy podtlenek azotu (331,1 ppb – ok. 0,3 ppm), czyli pomimo znacznie wyższego potencjału cieplarnianego, to i tak koncentracja tych gazów jest wielokrotnie mniejsza niż dwutlenku węgla.
Nadal emisje gazów cieplarnianych ze wszystkich sektorów gospodarczych, głównie z energetyki, wynoszą w skali globalnej 84%. Jeśli nie podejmiemy wielkoskalowych działań mitygacyjnych, to nie tylko my ludzie odczujemy dalszy uciążliwy wzrost temperatury globalnej oraz nasilenie się ekstremów pogodowych, ale i również wiele gatunków zwierząt i roślin to bardzo mocno odczuje. Wiele ekosystemów, które zamieszkują będą dla nich niezdatne do życia. Podobnie jak wiele miast i wsi dla ludzi.
Źródła: