Klimat Ziemi

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.

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^– > CO₃^2- + 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

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.

2. Cieśnina Dmitrija Łaptiewa, półnowschodnia Syberia

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

3. Nizina Zatoki Hudsona

Rozmrażanie torfowisk może spowodować uwolnienie dużej ilości węgla.

4. 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

Pierwszym uczonym, który użył terminu efekt cieplarniany był Francuz Joseph Fourier, który  w swoich pracach z 1824 i 1827 roku, wyjaśnił jego działanie na naszej planecie. Odkrył, że obok konwekcji powietrza atmosferycznego i przewodnictwa cieplnego pary wodnej, ważne znaczenie ma trzeci czynnik napędzający efekt cieplarniany, którym okazało się wypromieniowywane ciepło w zakresie fal w podczerwieni zwane też ciepłem termicznym Ziemi ^1,2.

Ciepło jest dostarczane, od naszej gwiazdy Słońca ku powierzchni chmur oraz powierzchni wodnej i lądowej naszej planety, w postaci promieniowania elektromagnetycznego. A ściślej, krótkofalowego, dla ludzkich oczu niewidzialnego nadfioletowego oraz widzialnego dla nas ; pomiędzy bliskim nadfioletem i bliską podczerwienią oraz długofalowego, także dla ludzkich oczu niewidzialnego.

Generalnie ponad 90% światła w nadfiolecie pochłania atmosfera i chmury. Tylko niewielka część dociera do powierzchni naszej planety. Zdecydowana większość światła docierającego do naszego globu, to światło widzialne. Część jego jest odbijana, w tak zwanym efekcie albedo, od powierzchni jasnych chmur. Część jego jest pochłaniana przez powierzchnię chmur. Tak samo, mniejsza część jego jest odbijana od jaśniejszej lądowej powierzchni planety (w największym stopniu przez śnieg i lód oraz piasek pustynny), a większa jego część jest pochłaniana przez nią, głównie przez oceany i morza, ale i też w mniejszym stopniu przez lasy. Odbite światło słoneczne (albedo), czy to od powierzchni chmur czy od powierzchni planety, bezpośrednio trafia w przestrzeń kosmiczną. Jednak, pochłonięte powoduje nagrzewanie się chmur i atmosfery czy powierzchni planety, co z kolei prowadzi do emisji promieniowania podczerwonego we wszystkich kierunkach. Wypromieniowane z powierzchni Ziemi światło podczerwone pochłonięte przez chmury i atmosferę (przez rosnącą koncentrację gazów cieplarnianych), następnie reemituje je w dużym zakresie z powrotem ku powierzchni naszej planety, przez co jest jeszcze bardziej wzmacniany efekt cieplarniany.

W drugiej połowie XIX wieku pionierem badań transferu radiacyjnego, czyli transferu promieniowania elektromagnetycznego o różnych długościach fal w atmosferze był amerykański fizyk i inżynier, pionier lotnictwa oraz założyciel Smithsonian Astrophysical Observatory (obserwatorium astrofizycznego), Samuel Pierpoint Langley. Za pomocą zbudowanego przez siebie bolometru mierzył on natężenie promieniowania padającego na wybraną powierzchnię oraz dokonywał obserwacji dwóch zasadniczych promieniowań: widzialnego i podczerwonego, (opisanych powyżej). Uczony ten, wykonując swoje doświadczenia, dokonywał ich, zarówno nad poziomem morza, jak i wysoko w górach. Mierząc o różnych długościach fal cały zakres promieniowania elektromagnetycznego w poszczególnych warstwach atmosfery, badacz ten oszacowywał, kiedy i jak ono jest absorbowane i rozpraszane przez gazy, chmury i cząstki unoszące się w powietrzu, a kiedy ono jest odbijane od powierzchni chmur czy planety ³.

Dziś już wiemy, że planetarne albedo najczęściej zachodzi w chmurach niskich posiadających mniejsze kropelki wody łatwiej odbijające te promieniowanie słoneczne z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Z kolei najrzadziej ma ono miejsce w chmurach wysokich, w których z kolei kryształki lodowe skutecznie absorbują energię cieplną w zakresie fal w podczerwieni.

Jeśli chodzi o długofalowe promieniowanie niewidzialne, czyli podczerwone, to duża jego część jest zatrzymywana w systemie klimatycznym Ziemi, a tylko mniejsza jego część opuszcza naszą planetę bezpośrednio z jej powierzchni przez tak zwane okna atmosferyczne. Natomiast, większa część tego promieniowania opuszcza nasz system klimatyczny z wierzchołków chłodniejszych warstw chmur.

Czyli w sumie, jak już zostało to wcześniej wspomniane, energia cieplna w zakresie fal w podczerwieni pochłonięta w warstwach chmur i w molekułach gazów cieplarnianych reemituje we wszystkich kierunkach, w tym ku powierzchni Ziemi. I co najmniej od połowy XIX wieku jej zawartość rośnie dzięki zwiększaniu się koncentracji dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych. Zostaje w ten sposób zaburzona równowaga radiacyjna, o której naukowcy zaczęli pisać już coraz dokładniej, podejrzewając działalność człowieka jako główną przyczynę ocieplenia klimatu.

W 1957 roku, jeszcze w Związku Radzieckim, Michaił I. Budyko opracował pierwszy atlas bilansu radiacyjnego, który jednak nie odbił się szerokim echem w świecie naukowej klimatologii ⁴.

Pierwszymi naukowcami, którzy zwrócili uwagę, w swoich wynikach badań, na zaburzenie równowagi radiacyjnej Ziemi byli fizycy atmosfery Syukuro Manabe i Richard Wetherald. Obaj pracowali w latach 60 w Laboratorium Dynamiki Płynów Geofizycznych (GDFL – Geophysical Dynamics Fluid Laboratory), w Waszyngtonie, które było jednym z siedmiu laboratoriów w Narodowej Administracji Oceanicznej i Atmosferycznej (NOAA – National Oceanic and Atmospheric Administration).

Obaj uczeni w 1966 r. opisali w globalnym modelu numerycznym strukturę termiczną atmosfery wyjaśniającą rolę procesów radiacyjnych i konwekcyjnych w ogólnym bilansie energetycznym naszej planety. Opisali między innymi rozkład temperatury w atmosferze z wysokością w różnych warunkach i na różnych szerokościach geograficznych ⁵.

Rys.1. Po lewej – Regularne poziomy dwutlenku węgla (CO₂), metanu (CH₄) i podtlenku azotu (N₂O) są tworzone przez normalne procesy życiowe, zatrzymując część ciepła słonecznego i zapobiegając zamarzaniu planety. Po prawej – Niesamowita emisja CO₂ ze spalania paliw kopalnych zatrzymuje nadmiar ciepła i powoduje wzrost średniej temperatury naszej planety. Rozwiązaniem jest ograniczenie działalności człowieka, która emituje gazy zatrzymujące ciepło. (Fot. Will Elder, NPS)

Warto też wiedzieć, że w troposferze, dolnej warstwie atmosfery, ciepło jest przenoszone w górę także przez ciepło utajone, czyli parowanie z gleb (ewaporacja) czy z roślinności (transpiracja), oraz przez ciepło jawne (konwekcję powietrza ciepłego), dzięki czemu temperatura na Ziemi wraz z wysokością spada powoli, aż do tropopauzy, tuż pod stratosferą, warstwą atmosfery, w której dzięki warstwie ozonowej temperatura wraz z wysokością wzrasta. Najdynamiczniej, procesy te zachodzą w obszarach równikowych podczas tak zwanej głębokiej konwekcji.

W ogólnym bilansie cieplnym Ziemi, ciepło unoszone do góry, jest również przenoszone adwekcyjnie przez wiatry z niższych cieplejszych do wyższych chłodniejszych szerokości geograficznych. A także pod wpływem nagrzewania się oceanów, ciepło w nich jest przenoszone rówńież z niższych cieplejszych do wyższych chłodniejszych wód.

—-

Pomiary satelitarne atmosfery Ziemi są prowadzone od 1970 roku. Z biegiem lat naukowcy pod kierownictwem Johna Harriesa z Zespołu Fizyki Kosmicznej i Atmosferycznej, w Laboratorium Blackett w Królewskiej Uczelni w Londynie, zauważyli, że w badanym okresie czasu 1970-1996 więcej energii termicznej kumuluje się w troposferze, a mniej w stratosferze ⁶.

Rys.2. Zmiana w spektrum od 1970 do 1996 roku spowodowana gazami śladowymi. Na osi pionowej temperatura jasnościowa (Harries i inni 2001).

Pomiary zostały ponownie powtórzone po kilku latach przez Johna Harriesa  i Jennifer Griggs z Bristolskiego Centrum Glacjologii na Uniwersytecie w Bristolu ⁷.

Autorzy w swoich wynikach badań posłużyli się pomiarami porównawczymi satelitarnymi na tle nieba bezchmurnego. Porównali widmo promieniowania podczerwonego zmierzone w 1971 roku przez amerykańskiego satelitę  Nimbus-1 z widmem radiacyjnym w zakresie fal w podczerwieni zmierzonego w 1996 roku przez japońskiego satelitę ADEOS.

Oto co Harries i Griggs na wstępie swojej pracy napisali:

Dane są kalibrowane w celu usunięcia skutków różnych rozdzielczości i pól widzenia, aby można było dokonać bezpośredniego porównania. Dokonuje się porównań średniego widma promieniowania długofalowego bezchmurnego nieba wychodzącego nad oceanami w kwietniu, maju i czerwcu. Widma różnicowe są porównywane z symulacjami tworzonymi przy użyciu znanych zmian w gazach cieplarnianych, takich jak CH₄ (metan), CO₂ (dwutlenek węgla) i O₃ (ozon) w tym okresie czasu. Stanowi to bezpośredni dowód na znaczące zmiany w gazach cieplarnianych w ciągu ostatnich 34 lat, co jest zgodne z obawami dotyczącymi zmian radiacyjnego wymuszania klimatu.

—-

Z kolei Rolf Philipona z Fizyczno-Meteorologicznego Obserwatorium i Światowego Centrum Radiacji w Davos Dorf w Szwajcarii, wraz ze swoimi współpracownikami zauważył przy wykonywaniu pomiarów w Alpach zmiany trendów strumieni promieniowania na powierzchni oraz ich związek ze wzrostem gazów cieplarnianych, a także zmiany temperatury i wilgotności w badanym okresie czasu 1995-2002, i to, że skoro satelity mierzą coraz mniej energii cieplnej uciekającej z troposfery do stratosfery, to obserwowany jest jej większy przyrost tuż przy powierzchni Ziemi ⁸.

To znaczy, fale w podczerwieni emitowane z powierzchni Ziemi są absorbowane przez rosnące stężenie gazów cieplarnianych, głównie dwutlenku węgla, a następnie wyemitowywane we wszystkich kierunkach, ale w niższych warstwach troposfery w największym zakresie ku powierzchni naszej planety. Jest to tak zwane promieniowanie zwrotne atmosfery.

—-

W 2013 roku Benjamin Santer z Programu dla Diagnostyki i Wzajemnego Porównania w Narodowym Laboratorium Lawrence Livermore oraz jego współpracownicy, na podstawie modelu pochodzącego z projektu porównawczego sprzężonych modeli w fazie 5 (CMIP5 – Coupled Model Intercomparison Project Phase 5), jeszcze wyraźniej wskazali, że ciągłe emisje gazów cieplarnianych i rosnące ich koncentracje przyczyniają się właśnie do tego, że coraz więcej ciepła gromadzi się przy powierzchni Ziemi. W szczególności tam gdzie jest wysoka koncentracja pary wodnej ⁹.

Naukowcy napisali w swoim artykule:

Porównujemy wyniki symulacji z obserwowanymi zmianami temperatury atmosferycznej wywnioskowanymi z satelitarnych jednostek sondowania mikrofalowego (MSU – Microwave Sounding Units). Skupiamy się na uśrednionych strefowo zmianach temperatury w trzech szerokich warstwach atmosfery: dolnej stratosferze (TLS – the lower stratosphere), środkowej i górnej troposferze (TMT – the mid- to upper troposphere) i dolnej troposferze (TLT – the lower troposphere).

Korzystamy z informacji obserwacyjnych MSU z dwóch różnych grup: systemów teledetekcyjnych (RSS – Remote Sensing Systems) i Uniwersytet Alabama w Huntsville (UAH – University of Alabama at Huntsville). Ważnym aspektem naszego badania odcisku palców jest wykorzystanie dodatkowych szacunków niepewności obserwacji dostarczonych przez grupę RSS.

Rys.3. Szeregi czasowe symulowanych miesięcznych średnich prawie globalnych anomalii w temperaturze dolnej stratosfery (TLS), środkowej do górnej troposfery (TMT) i dolnej troposfery (TLT) ( A–C ). Wyniki modelu pochodzą z połączonych symulacji historycznych/RCP8.5 z połączonym antropogenicznym i naturalnym wymuszaniem zewnętrznym (ALL+8.5) oraz z symulacji wyłącznie z naturalnym wymuszaniem zewnętrznym (NAT).

Pogrubione linie oznaczają średnie multimodelowe ALL+8,5 i NAT, obliczone dla modeli CMIP5 (odpowiednio). Temperatury są uśrednione w zakresie 82,5°N-82,5°S dla TLS i TMT oraz ponad 82,5°N-70°S dla TLT.

(Benjamin Santer i inni, 2013)

Referencje:

1. Fourier J. B. J. , 1824 ; Remarques Générales Sur Les Températures Du Globe Terrestre Et Des Espaces Planétaires ; Annales de Chimie et de Physique 27: 136-67. ; https://books.google.fr/books?id=1Jg5AAAAcAAJ&hl=fr&pg=PA136#v=onepage&q&f=false
2. Fourier J. B. J. , 1827 ; Mémoire Sur Les Températures Du Globe Terrestre Et Des Espaces Planétaires ; Mémoires de l’Académie Royale des Sciences 7: 569-604. ; https://www.academie-sciences.fr/pdf/dossiers/Fourier/Fourier_pdf/Mem1827_p569_604.pdf
3. Langley S. P., 1881 ; The Bolometer and Radiant Energy ; Vol. 16 (May, 1880 – Jun., 1881), pp. 342-358 (17 pages) ; Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences ; https://www.jstor.org/stable/25138616?origin=crossref&seq=1
4. Budyko M. I., 1957 ; Тепловой баланс земной поверхности ; Booksite ; https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/109/891.htm
5. Manabe S. et al., 1967 ; Thermal Equilibrium of the Atmosphere with a Given Distribution of Relative Humidity ; Journal of the Atmospheric Sciences ; https://journals.ametsoc.org/view/journals/atsc/24/3/1520-0469_1967_024_0241_teotaw_2_0_co_2.xml
6. Harries J. E. et al., 2001 ; Increases in greenhouse forcing inferred from the outgoing longwave radiation spectra of the Earth in 1970 and 1997 ; Nature ; https://www.nature.com/articles/35066553
7. Griggs J. A. et al., 2007 ; Comparison of spectrally resolved outgoing longwave data between 1970 and present ; Journal of Climate ; https://journals.ametsoc.org/view/journals/clim/20/15/jcli4204.1.xml
8. Philipona R. et al., 2004 ; Radiative forcing ‐ measured at Earth’s surface ‐ corroborate the increasing greenhouse effect ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2003GL018765
9. Santer B. D. et al., 2013 ; Human and natural influences on the changing thermal structure of the atmosphere ; Proceedings of the National Academy of the Science ; https://www.pnas.org/content/110/43/17235

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

Fot. Rola chmur w klimacie (w uproszczeniu):

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

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

Z pracy naukowej, której autorami są Jenny Bjordal ,Trude Storelvmo i Tim Carlsen z Wydziału Nauk o Ziemi na Uniwersytecie w Oslo oraz Kari Alterskjær z Centrum Międzynarodowych Badań Klimatu i Środowiska (CICERO) również w Oslo, dowiadujemy się, że chociaż niskie chmury uwodnione dają większy efekt albedo ochładzając klimat aniżeli te same wysokie chmury lodowe, to i tak gdy ocieplenie klimatu sprawia, że tych drugich ubywa, to tych pierwszych jednak nie przybywa na tyle dużo by było znacząco duże zachmurzenie i opady deszczu ¹.

Rys.1. Przestrzenny rozkład optycznego sprzężenia zwrotnego głębokości netto (w watach na metr kwadratowy na stopień Kelvina) dla a) pierwszych 15 lat i b) ostatnich 15 lat dla 150-letniej symulacji (2020-2170) po czterokrotnym zwiększeniu CO₂ za pomocą modelu CESM2. Cieniowanie wskazuje na dodatnie (czerwone) i ujemne (niebieskie) sprzężenie zwrotne. Źródło: Bjordal i in. (2020).

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

Analizując złożoną i chaotyczną dynamikę chmur w systemie klimatycznym Ziemi od 2020 do do 2170 roku, badacze oszacowali, że w ciągu pierwszego okresu 15 lat (0-15 na górnym wykresie rys.1.) jeszcze jest umiarkowana przewaga dodatnich sprzężeń zwrotnych nad ujemnymi, ale gdy badacze wzięli pod obserwację w symulacjach ostatni okres 15 lat (135-150 na dolnym wykresie, rys.1.; już w 2 połowie XXII w.), to dodatnie sprzężenia zwrotne bardzo wyraźnie przeważają nad ujemnymi (rysunek w serwisie Carbon Brief) ².

Symulacje CESM2 pokazały, że po 150 latach ujemne sprzężenie zwrotne prawie zniknęło na Oceanie Południowym (które dziś jeszcze przeważa w tamtym regionie Ziemi), za to pojawiło się już dodatnie (na dolnym wykresie rys.33.)

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

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

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

—-

Coraz wyższy wzrost temperatury w atmosferze sprawia, że niska graniczna atmosfera „wysycha”, na co zwrócił uwagę już w 2014 roku Steven Sherwood z Centrum Badań nad Zmianą Klimatu i Centrum Doskonałości ARC dla Nauk o Systemie Klimatu na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii w Sydney wraz ze swoimi współpracownikami: Sandrine Bony i Jeanem-Louisem Dufresne z Laboratorium Dynamicznej Meteorologii i z Instytutu im. Pierre’a Laplace’a na Uniwersytecie Pierre’a i Marii Curie (LMD/IPSL) w Paryżu ³.

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

Rys.2. Wykształcenie się głębokiej (8-16 km, zależnie od szerokości geograficznej) konwekcji oznacza, że para wodna zabierana z warstwy granicznej atmosfery (poniżej ok. 2 km) i zużywana do tworzenia chmury powraca na powierzchnię Ziemi w postaci opadów. Mieszanie może zapobiegać powstawaniu rozbudowanych w pionie chmur a w rezultacie – opadów. W efekcie w „wysuszonej” warstwie granicznej atmosfery chmur na piętrach niskich ubywa, a przybywa chmur na piętrach średnich i wysokich (2-8 km) (Nauka o Klimacie, 2014) ⁴.

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

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

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

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

Dziś jak już wiemy, czułość klimatu ma zakres, w przypadku pracy zespołowej Stevena Sherwooda z 2020 roku (omawianej w poprzednim rozdziale),           2,6-4,1°C , a w przypadku prac Veronici Eyring i jej zespołu naukowego (2016) oraz Marka Zelinki i jego zespołu badawczego (2021), zgodnie z projektem porównywania modeli sprzężonych (CMIP6), zakres 1,8-5,6°C .

—-

Joel Norris z Instytutu Oceanografii im. Scrippsa (Scripps Institution of Oceanography) na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, w Ja Jolla, wraz ze swoim zespołem badawczym, dzięki badaniom satelitarnym, stwierdził, że wraz z dalszym wzrostem globalnej temperatury chmury wędrują też wzdłuż szerokości geograficznych ⁵.

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

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

Joel Norris dla Carbon Brief wyjaśnia ⁶:

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

Rys.3. Zmiany w pokryciu się zachmurzenia (Joel Norris i inni, 2016).

Autorzy powyższej pracy na jej wstępie piszą:

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

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

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

—-

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

Te wyniki badań przeprowadzili Chenggong Wang i Gabriel Vecchi z Programu Nauk Atmosferycznych i  Oceanicznych na Uniwersytecie w Princeton, Brian Soden ze Szkoły Nauk Morskich i Atmosferycznych im. Rosenstiela na Uniwersytecie w Miami oraz Wenchang Yang z Wydziału Nauk o Ziemi na Uniwersytecie w Princeton ⁷.

Naukowcy dokonali w swojej pracy badawczej analizy w okresie 1850-2014 na podstawie przeprowadzonych symulacji dziewięciu modeli B9 i dziewięciu modeli T9. Wykonali niezależny dwupróbkowy test studenta t, aby rozróżnić statystycznie istotne cechy w tychże modelach. I zaobserwowali, że kompensacja w interakcji: gazy cieplarniane – aerozole, nie występuje w przyszłych scenariuszach emisji gazów cieplarnianych (GHG – Greenhouse Gases), w których przewiduje się, że aerozole ulegną zmniejszeniu w miarę dalszego wzrostu CO₂ i innych gazów cieplarnianych. A więc, oznaczać to będzie zmaksymalizowanie dodatniego sprzężenia zwrotnego w przyszłości przy kontynuacji obecnych emisji według scenariusza „biznes jak zwykle”.

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

Rys.4. Modelowana i obserwowana zmiana temperatury powierzchni. Roczne szeregi czasowe:

Modele o mniejszej czułości na klimat są bardziej zgodne z obserwowanymi różnicami temperatur, szczególnie między półkulą północną i południową. Wykres przedstawia:

a)    zmiany rocznej średniej temperatury powierzchni                                                            b)    zmiany różnicy temperatur między półkulą północną i południową w latach 1850-2000

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

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

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

Parametry:

NH-SH (północna półkula-południowa półkula) ;

ΔTs – przyrost temperatury powierzchni w stopniach K (Kelwina)

(Chenggong Wang i inni, 2021).

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

Ze względu na większy efekt chłodzenia w interakcji: aerozol – chmura (ACI – Aerosol, Cloud – Interaction), modele T9 (czerwona linia) symulują nieco chłodniejsze anomalie temperatury powierzchni od połowy do końca XX wieku w porównaniu z modelami B9 (niebieska linia) (Rysunek 36a), pomimo, że modele T9 mają bardziej dodatnie sprzężenie zwrotne chmur i wyższą równowagową czułość klimatu (ECS).

Chociaż, jak piszą autorzy w pracy, ta różnica między anomalią temperatury powierzchni w modelach B9 i T9 jest niewielka, to jest ona uśredniona globalnie. Asymetria obu półkul Ziemi pod względem historycznego wymuszania aerozolu powoduje z kolei znaczne różnice asymetryczne w ociepleniu międzypółkulowym (rysunek 36b).

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

Symulacje pokazały, że różnice w asymetrii ocieplenia, między obu półkulami, pomiędzy modelami T9 i B9 są szczególnie wyraźne w latach 1950-2000 (szare cieniowanie na rys. 36b).

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

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

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

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

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

Referencje:

1. Bjordal J. et al., 2020 ; Equilibrium climate sensitivity above 5°C plausible due to state-dependent cloud feedback ; Nature Geoscience ; https://www.nature.com/articles/s41561-020-00649-1
2. Carlsen T. et al., 2020 ; Guest post: How declining ice in clouds makes high ‘climate sensitivity’ plausible ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/guest-post-how-declining-ice-in-clouds-makes-high-climate-sensitivity-plausible
3. Sherwood S. C. et al., 2014 ; Spread in model climate sensitivity traced to atmospheric convective mixing ; Nature ; https://www.nature.com/articles/nature12829
4. Kardaś A., 2014 ; Chmury, klimat i przyśpieszony wzrost temperatur ; Nauka o klimacie ; https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/chmury-klimat-i-przyspieszony-wzrost-temperatur-32/
5. Norris J. R. et al., 2016 ; Evidence for climate change in the satellite cloud record ; Nature ; https://www.nature.com/articles/nature18273
6. McSweeney R., 2016 ; Shifting global cloud patterns could amplify warming, study says ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/shifting-global-cloud-patterns-could-amplify-warming-study-says
7. Wang C. et al., 2021 ; Compensation Between Cloud Feedback and Aerosol-Cloud Interaction in CMIP6 Models ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2020GL091024
8. Princeton University, 2021 ; High end of climate sensitivity in new climate models seen as less plausible ; EurekAlert ; https://www.eurekalert.org/news-releases/820279

Wzrost stężenia gazów cieplarnianych, zwłaszcza dwutlenku węgla w atmosferze powoduje wzrost w niej temperatury, co z kolei ma wpływ na wzrost energii cieplnej w systemie klimatycznym naszej planety. To ocieplenie występuje od lat 70 również w oceanach. Już od początku XX wieku cofają się lodowce górskie, powoli topnieje lód morski w Arktyce oraz od lat 30 XX wieku topnieją pokrywy lodowe Grenlandii i Antarktydy, co też ma w końcu wpływ na podnoszenie się poziomu morza, które w całym XX wieku bardzo mocno przyspieszyło.

Fot.1. Wzrost poziomu morza (Internet)

Odkąd wykonuje się pomiary satelitarne, czyli od 1993 roku, wzrost poziomu morza według NASA GISS wynosi 98 (± 4,0) mm. A całościowy wzrost poziomu morza w okresie 1900-2018, również mierzony przez NASA, wyniósł ponad 200 mm.

Rys.1. Według satelitarnych pomiarów NASA GISS poziom morza wzrósł o ponad 9 cm od 1993 r. I przy tym tempie do końca stulecia nastąpiłby wzrost poziomu morza o ponad 30 cm (źródło: NASA Global Climate Change).

Rys.2. Według instrumentalnych i satelitarnych pomiarów NASA GISS wzrost poziomu morza w latach 1900-2018 (źródło: NASA Global Climate Change).

Robert Kopp z Uniwersytetu Rutgers z Wydziału Nauk Ziemi i Planetarnych, w swojej zespołowej pracy zwrócił uwagę, że nauka o poziomie morza wskazuje na dużą niepewność w prognozach przyszłego systemu klimatycznego. Wszystko w dużej mierze zależy od tego jakie scenariusze emisji gazów cieplarnianych obierze nasza cywilizacja ¹.

Autorzy powyższej pracy zaznaczyli, że w długoterminowym oddziaływaniu wzrost temperatury globalnej spowoduje coraz szybszy wzrost poziomu morza z powodu topnienia lodu na Ziemi, zarówno pokryw lodowych Grenlandii i Antarktydy, jak i lodowców górskich oraz z powodu rozszerzalności termicznej, czyli rosnącej objętości coraz cieplejszych wód oceanicznych i morskich, i ze zmiany magazynowania wody na lądach.

Natomiast w krótkoterminowym oddziaływaniu zmienności klimatyczne, jak np. pływy czy sztormy już w tej chwili wywierają poważne szkody w przybrzeżnych ekosystemach oraz w infrastrukturze budowlanej oraz drogowej ludzi.

Ponadto autorzy napisali o przesuwaniu się masy między kriosferą, hydrosferą lądową i oceaniczną, które wywołuje efekty grawitacyjne i rotacyjne, które zmieniają wysokość powierzchni morza, a także deformują skorupę ziemską, wpływając na wysokość lądu. Są to tzw. efekty grawitacyjne, rotacyjne i deformacyjne (GRD – gravitational, rotational, and deformational) (np. Clark i Lingle, 1977 ; Mitrovica i in., 2011 ). Gdyż, ciągła reakcja płaszcza Ziemi na przeszłe zmiany obciążenia powoduje wzrost dodatkowych efektów GRD, znanych jako glacjalna korekta izostatyczna (GIA – Glacial Isostatic Adjustment); np. (Farrell i Clark 1976 ; Lambeck et al., 2014 ; Peltier et al., 2015).

Rys.3. (a) Czynniki wpływające na zmianę średniego globalnego poziomu morza (GMSL – Global Mean Sea Level) i regionalnego poziomu morza (RSL – Regional Sea Level). Pogrubione etykiety identyfikują proces, który napędza zmiany GMSL, z przybliżonym średnim wkładem w latach 1993-2017 (Mouginot i in., 2019 ; Rignot i in., 2019 ; WCRP Global Sea Level Budget Group, 2018 ; Zemp i in., 2019). Na podstawie Milne et al. (2009). (b) Różnica między medianą RSL a medianą projekcji GMSL w RCP 8.5 w 2100, na podstawie prognoz Robert Kopp i inni (2014).

Skoro z powodu ocieplenia klimatu topnienie lodu na Ziemi podnosi poziom morza, to naukowców intrygowało to kiedy dokładnie i w jakich obszarach planety przebiega on najszybciej.

Tą zagadkę udało się rozwiązać w 2019 roku niemieckiemu oceanografowi Sönke Dangendorfowi, który wraz ze swoim zespołem badawczym z Uniwersytetu w Siegen dokonał tak zwanej rekonstrukcji hybrydowej (HR – Hybrid Reconstruction) poszczególnych regionów oceanicznych na Ziemi ².

To znaczy, naukowcy zastosowali dwie metody : probabilistyczną, w której dobrze da się uchwycić długoterminowe zmiany klimatu, ale słabo krótkoterminowe zmiany, jak np. takie zmienności klimatyczne jak ENSO (El Nino / La Nina) oraz empiryczną ortogonalną, w której na odwrót, dobrze da się uchwycić zmiany krótkoterminowe, a słabiej długoterminowe. Dzięki temu właśnie skompletowali zapis z pływomierzy (mareografów) od 1900 roku do dziś łącznie z pomiarami z altymetrów (wysokościomierzy) satelitarnych wykonywanymi od 1991 roku przez ESA (Europejską Agencję Kosmiczną) i od 1993 roku przez NASA (Narodową Amerykańską Agencję Kosmiczną).

Badacze zauważyli najważniejsze, że w latach 60 wzrost poziomu morza zaczął przyspieszać, co widać na poniżej przedstawionym wykresie.

Naukowcy z Uniwersytetu w Siegen analizując wzrost poziomu morza sprzed 60 lat zaobserwowali, że jest najwyższy na półkuli południowej na styku Oceanu Indyjskiego i Oceanu Spokojnego oraz w Oceanie Atlantyckim. Na 40-tym stopniu południowej szerokości geograficznej wieją bardzo silne Wiatry Zachodnie, tzw. „ryczące czterdziestki”, które silnie spychają ciepłą górną warstwę wody daleko na północ, po to by spowodować wypływ zimniejszej gęstszej wody z głębin oceanu. I właśnie ta zimna woda pochłania znacznie więcej ciepła, co skutkuje większą rozszerzalnością termiczną, czyli zwiększaniem się objętości wody morskiej. Wyniki badań wskazały w ciągu 70 lat intensyfikację Wiatrów Zachodnich o 15%, co poskutkowało wzrostem średniego globalnego poziomu morza do 40 mm.

Z kolei szacuje się, że termosteryczny wzrost poziomu morza odpowiada w przybliżeniu za jedną czwartą obserwowanego tempa globalnego wzrostu poziomu morza w latach 1961-2003, przyczyniając się do wzrostu 0,32 ± 0,12 mm w ciągu roku, dzięki ociepleniu wód do głębokości 700 m oraz 0,42 ± 0,12 mm w ciągu roku dzięki ociepleniu wód do głębokości 3000 m.

Rys.4. Wydajność rekonstrukcji hybrydowych (HR) w porównaniu do wysokościomierza satelitarnego i pływów

a) Korelacja między względnym poziomem morza skorygowanym przez glacjalną korektę izostatyczną (GIA – Glacial Isostatic Adjustment) wziętą z rekonstrukcji hybrydowych (HR) i z wysokościomierza satelitarnego w latach 1993-2015 (cieniowanie) oraz z HR i z pływomierzy (czarne kółka) w ich nakładających się okresach.

Korelacje obliczono na podstawie rocznych zmanipulowanych szeregów czasowych.

b) Średnie w skali basenu obliczone z rekonstrukcji hybrydowej (kolor niebieski) i wysokościomierza satelitarnego (kolor czerwony). Cienkie linie pokazują średnie miesięczne, podczas gdy grube linie oznaczają średnie roczne.

(Sönke Dangendorf i inni, 2019)

Referencje:

1. Kopp R. E. et al., 2019 ; Usable Science for Managing the Risks of Sea-Level Rise ; Earth’s Future ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2018EF001145
2. Dangendorf S. et al., 2019 ; Persistent acceleration in global sea-level rise since the 1960s ; Nature Climate Change ; https://www.nature.com/articles/s41558-019-0531-8

Coraz częściej fale upałów mają bardzo ujemny wpływ na wiele gatunków zwierząt. Dotychczas przeprowadzono niewiele badań na ten temat. Jednak ten problem będzie coraz bardziej się nasilał z każdym wzrostem ułamka stopnia Celsjusza powyżej okresu przedprzemysłowego.

Bardzo często długotrwałym okresom fal upałów towarzyszą równie długotrwałe okresy suszy, które oddziałują na behawioryzm zwierząt oraz na ich reprodukcyjność, a także na przeżywalność.

Eric Riddell z Muzeum Zoologii Kręgowców na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley w swojej pracy zespołowej wskazał główną przyczynę drastycznego zmniejszenia się populacji ptaków na Pustyni Mojave – stres cieplny z powodu fal upałów ¹.

Zbiorowiska ptaków na pustyni Mojave w ciągu ostatniego stulecia zredukowały się o 29% pośród 135 gatunków, które występowały 100 lat temu.

Najbardziej zagrożone z powodu fal upałów okazują się większe ptaki oraz te, które mają dietę owadzią lub zwierzęcą, gdyż mają większe zapotrzebowanie na wodę, której w warunkach pustynnych, w trakcie dalszego wzrostu średniej temperatury powierzchni Ziemi, będzie tylko ubywać.

Stres cieplny w szczególności pojawia się u ptaków, gdy musiały opuścić zacienione gniazda w celu poszukania partnerów lub pożywienia dla siebie lub dla swojego potomstwa.

Główny autor pracy, Eric Riddell, będący stypendystą podoktoranckim na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, dla serwisu Science Daily powiedział ²:

Często myślimy, że zmiana klimatu może spowodować masową śmiertelność w przyszłości, ale to badanie mówi nam, że zmiana klimatu, która już nastąpiła, jest zbyt gorąca, a na niektórych obszarach zwierzęta nie tolerują ocieplenia i wysuszenia, które już się wydarzyło.

Z kolei starszy autor badania – Steven Beissinger, profesor nauk o środowisku, polityki i zarządzania na UC Berkeley, w tym samym serwisie stwierdził:

To jedno z pierwszych badań, które bezpośrednio wiążą wzrost wymagań fizjologicznych z cieplejszego i bardziej suchego klimatu ze zmianami zachodzącymi w bioróżnorodności.

Większość poprzednich badań nie wykazała bezpośredniego związku fizjologicznego między zmianą klimatu a zmianą bioróżnorodności, której zwykle pośredniczą zmiany w sieci pokarmowej lub konkurujących gatunkach. Nasze badanie wskazuje na bezpośredni wpływ zmiany klimatu poprzez zwiększone zapotrzebowanie na wodę do chłodzenia wyparnego by utrzymać temperaturę ciała w strefie komfortu.

Według analizy naukowców z Berkeley, ptaki owadożerne i drapieżne prawie nie piją wody, tylko ją pobierają z ciał zjadanych swoich ofiar. Większy wzrost temperatury jednak powoduje większe chłodzenie wyparne, a więc utratę wody z organizmów tychże ptaków, a to z kolei prowadzi do jeszcze większego wydatku energetycznego na polowania na owady oraz drobne kręgowce.

Fot. Pustynia Mojave (Fot. Secret World)

Swoje spadki populacyjne zaznaczyły drapieżne ptaki, jak: pustułka amerykańska (Falco sparverius), sokół preriowy (Falco mexicanus) i sępnik różogłowy (Cathartes aura) oraz owadożerne, jak: aeronauta białogardły (Aeronautes saxatalis), nadobniczka białoskrzydła (Tachycineta thalassina), piwik północny (Contopus cooperi), wojak żółtogardły (Sturnella neglecta) i błękitnik meksykański (Sialia mexicana).

Mniejsze owadożerne ptaki czy wszystkożerne oraz roślinożerne mają mniejszy wydatek energetyczny, gdyż mniej się nagrzewają i przez to mniej wydzielają też wody ze swoich ciał. Należą do nich: siwuszka ciemnobrewa (Polioptila caerulea), ogniczek (Corthylio calendula), sikora górska (Poecile gambeli), siwuszka czarnosterna (Polioptila melanura), wąsatek czarnogardły (Amphispiza bilineata), żółtoliczek (Auriparus flaviceps), skalik ostrodzioby (Catherpes mexicanus).

Jednak ptaki na diecie wegetariańskiej są zależne od picia wody powierzchniowej ze strumieni, stawów, rzek i jezior. W obszarach gdzie tychże wód powierzchniowych jest bardzo mało albo wysychają one z powodu nasilonego nasłonecznienia podczas długotrwałych fal upałów i susz albo też z powodu pompowania wód gruntowych przez ludzi, ptaki takie jak ziarnojady mocno cierpią i mają ogromny wydatek energetyczny na znalezienie takiej wody, co odbija się ujemnie na ich kondycji zdrowotnej, w tym też na ich sukcesie reprodukcyjnym.

Riddell w serwisie Science Daily powiedział:

Dla roślinożerców jest to bardziej binarne: to, czy gatunek przetrwał w danym miejscu w ciągu ostatnich 100 lat, czy nie, miało więcej wspólnego z obecnością lub brakiem wód powierzchniowych by móc się napić.

W przypadku owadożerców jest to bardziej zależne od stopnia ochłodzenia, determinowanego przez wielkość ciała i chłonność piór. Im większe zapotrzebowanie na wodę, tym większy spadek liczby gatunków. w którym zmiany klimatu objawiają się dla różnych członków ptasiej społeczności.

Rys. Niska trwałość w gorących, suchych miejscach sugeruje, że zapotrzebowanie na wodę leży u podstaw załamania się zbiorowisk ptaków.

1. A) Trwałość ptaków w ciągu ostatniego stulecia była najniższa w najgorętszych, najbardziej suchych miejscach, przy braku wód powierzchniowych. Trwałość była umiarkowana w mniej gorących i suchych miejscach i nieznacznie spadła w chłodnych i wilgotnych miejscach, prawdopodobnie z powodu czynników niezwiązanych z kosztami chłodzenia.
2. B) Prognozy dotyczące trwałości w obecności wód powierzchniowych wskazują, że trwałość była znacznie wyższa na obszarach z wyjątkiem gorących i suchych miejsc.

(Eric Riddell i inni, 2019)

Naukowcy zauważyli, że ptaki próbują sposobów na uniknięcie największy fal upałów, przenosząc się na północ lub w górę na zbocza górskie w celu znalezienia chłodniejszych siedlisk. A jeśli zostają w danym miejscu narażonym na ekstremalnie wysokie temperatury, to przesuwają swoje okresy lęgowe na wcześniejsze pory na początku lata.

Na podstawie dokładnych notatek na temat fauny pustynnej, sporządzonych na początku XX wieku przez Josepha Grinnella, przemierzającego samochodem dzikie tereny Kalifornii, Riddell ze swoimi współpracownikami zaobserwował 50-procentową redukcję różnorodności gatunkowej w miejscach na pustyni odwiedzonych sto lat temu przez Grinnella. Dzięki temu naukowcy też zauważyli, że ten spadek nastąpił dzięki coraz szybszemu ocieplaniu się klimatu oraz wysychaniu wielu mokradeł, zbiorników i cieków wodnych, niezbędnych do egzystencji dla zwierząt i roślin pustynnych, w tym wśród fauny dla ptaków pustynnych, które są szczególnie narażone na fale upałów.

Referencje:

1. Riddell E. A. et al., 2019 ; Cooling requirements fueled the collapse of a desert bird community from climate change ; Proceedings of the National Academy of Sciences ; https://www.pnas.org/content/116/43/21609
2. University of California – Berkeley, 2019 ; Collapse of desert bird populations likely due to heat stress from climate change ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2019/09/190930161854.htm