Polarny prąd strumieniowy a wir polarny

Czy polarny prąd strumieniowy może mieć taki wpływ, że już na początku września czy pod koniec maja mogą pojawić się nie tylko przymrozki, ale i nawet krótkotrwałe opady śniegu na nizinach średnich szerokości?

Wszystko zależy od tego, jak daleko na niskie szerokości będą trafiać coraz częściej masy polarno-arktycznego powietrza. I na odwrót. Jak daleko na wysokie szerokości będą trafiać coraz częściej masy tropikalno-zwrotnikowego powietrza.

Szczególnie wzbudzają zainteresowanie wśród naukowców wiry polarne na obu biegunach. Zwłaszcza ten nad Arktyką, którego rozbicie wywołało w drugiej połowie zimy w 2018 i 2021 roku powstanie dość dużych fal zimna.

—

 

 

Rys.1. Ujemna i dodatnia faza oscylacji północnoatlantyckiej. Pierwsza przy wolno falującym polarnym prądzie strumieniowym, a druga przy szybko płynącym polarnym prądzie strumieniowym. (Źródło: Met Office)

Daniela Domeisen z Instytutu Nauk o Atmosferze i Klimatu w ETH w Zürichu (Szwajcaria) i Amy Butler z Narodowej Administracji Oceanicznej i Atmosferycznej (NOAA) z Laboratorium Nauk Chemicznych w Boulder (Kolorado w USA), powiedziały na podstawie swoich obserwacji symulacji modeli numerycznych, że pionowe fale planetarne rozchodzące się na granicy troposfery i stratosfery mogą doprowadzić do tzw. nagłego ocieplenia stratosferycznego (SSW – Sudden Stratospheric Warming), co z kolei może wywołać propagację fal lodowatego powietrza ze stratosfery w dół do troposfery i ku powierzchni Ziemi. Często ma ono związek z ujemną fazą oscylacji północnoatlantyckiej (NAO – North Atlantic Oscillation) 1.

Naukowczynie piszą, że ekstrema stratosferycznych wirów polarnych na półkuli północnej (NH – North Hemisphere), takie jak SSW w środku zimy lub silne wirowe zdarzenia, zwykle poprzedzają zmianę w kierunku anomalnie trwałych warunków pogodowych, trwającą nawet do 2 miesięcy. Gdy następuje zakończenie SSW , wówczas pojawiają zazwyczaj wybuchy zimnego powietrza w średnich szerokościach geograficznych, powiązane z ekstremalnie niskimi dziennymi minimalnymi i maksymalnymi temperaturami. W szczególności jest to bardzo dotkliwe w Europie Północnej i Azji, które mają wpływ na zdrowie ludzi i zwierząt.

Wybuchy zimnego powietrza występują również nad Północnym Atlantykiem i Oceanem  Arktycznym. Są to tzw. morskie ogniska zimnego powietrza (MCAO – Marine Cold Air Outbreaks) (rys.147.). Te zjawiska atmosferyczne są skorelowane z ekstremalnymi prędkościami przyziemnego wiatru (rys.147.), czasami związanymi ze zwiększonym ryzykiem tworzenia się specyficznych niżów polarnych (znanych również jako arktyczne huragany), które często zwiększają ryzyko narażenia infrastruktury morskiej i przybrzeżnej oraz żeglugi arktycznej.

Rys.2. Kompozyty SSW dla średnich i ekstremalnych wskaźników dobowej temperatury powierzchni.

Różnica pomiędzy kompozytem 30 dni następujących po 24 zaobserwowanych SSW a kompozytem n losowo dobranych 30-dniowych okresów od grudnia do kwietnia, powtórzonych 3000 razy, dla:

  1. dobowych anomalii średniej temperatury powierzchni
  2. najzimniejszych (w okresie 30 dni) minimalnych dziennych anomalii temperatury powierzchni
  3. najcieplejszych (w okresie 30 dni) maksymalnych dobowych anomalii temperatury powierzchni.

Dane dotyczące temperatury powierzchni i daty SSW są obliczane przy użyciu ponownej analizy tymczasowej ERA (1979–2016).

Stippling (punktowanie: technika graficzna) pokazuje, gdzie anomalie złożonych SSW różnią się istotnie (prawdopodobieństwo: p < 0,05, przy użyciu testu bootstrap z testem wymiany) od anomalii złożonych losowo dobranych.

(Danielle Domeisen i inni, 2020)

Rekordowo silny wir polarny na półkuli północnej (NH), który miał miejsce na początku 2020 roku był związany z serią kolejnych burz, które uderzyły w Wielką Brytanię i Europę Północną. Te ekstremalne zdarzenia pogodowe przyniosły z sobą rozległe zniszczenia oraz bezprecedensowe pojawienie się długotrwałego ciepła w Eurazji. Zdarzenia odbicia fal propagacyjnych wpłynęły na powstanie wybuchów zimnego powietrza nad środkową Kanadą.

Śnieżyce (sztormy śnieżne lub inaczej cyklony śnieżne) są przez ostatnie lata dość częste w północno-wschodniej części USA i na wschodnich wybrzeżach Labradoru we wschodniej Kanadzie, które stają się silniejsze im wolniej zaczyna meandrować polarny prąd strumieniowy. Nieco rzadziej, ale również występują one także w Europie. Np. Tak było zimą na przełomie lutego i marca 2018 roku. To właśnie wtedy zaobserwowano, że któregoś dnia temperatura w Warszawie była chłodniejsza niż na samym biegunie północnym. Do tego zdarzenia doszło po rozbiciu wiru polarnego na trzy części, gdy stratosferyczne zimno rozlało się z polarnych wysokich szerokości daleko na średnie niskie szerokości geograficzne w Ameryce Północnej, Europie i Azji  Na ten temat w serwisie Nauka o klimacie napisali Hubert Bułgajewski i Marcin Popkiewicz 2.

Naukowczynie wyżej wymienionej pracy mówią, że po zakończeniu SSW wraz z ujemną fazą NAO przeważnie występują miesiące wiosenne i letnie bardzo chłodne na średnich szerokościach oraz mocno wilgotne w obszarach podzwrotnikowych o klimacie śródziemnomorskim. Często ma to związek z wychyleniem toru burz daleko na południe z północnego Atlantyku w kierunku równika, co niejednokrotnie zwiększa prawdopodobieństwo występowania również uciążliwych powodzi w Europie południowej. Zmiana frontu polarnego w kierunku południowym prowadzi do powstawania okresów susz w północno-zachodniej części Skandynawii i na Wyspach Brytyjskich. Wówczas po drugiej stronie północnego Atlantyku we wschodniej części Kanady panuje anomalne ciepło. Również jest bardzo gorąco w subtropikach Afryki i Azji.

Rys.3. W dużej części Kanady i Stanów Zjednoczonych raz na rok lub co 2 lata występują bardzo niskie temperatury. Jest to spowodowane zapadnięciem się normalnie jednolitego wiru polarnego. Źródło: Kjeller Vindetknikk ,  Met Office.

Z kolei bez zdarzenia SSW normalnie płynący szybko wir polarny podczas dodatniej fazy NAO, przyczynia się często do występowania susz w południowej Europie, ponieważ tor burz wzdłuż frontu polarnego płynie prawidłowo na wysokości północnego Atlantyku przynosząc z sobą wilgotne i mokre miesiące w północnej Europie, w szczególności w Wielkiej Brytanii. Wówczas panuje rekordowe ciepło w Eurazji, a ekstremalne zimno pojawia się nad środkową Kanadą i środkowymi USA.

Wszystkie te zawirowania pogodowe mają związek z długofalową naturalną zmiennością, na którą nakładają się antropogeniczne zmiany klimatu. Coraz częstsza obecność wolno meandrującego polarnego prądu strumieniowego jest związana z nierównowagą konwekcyjno-radiacyjną, to znaczy z tym, że do układu ziemskiego wchodzi więcej energii niż z niego wychodzi w kosmos. Kiedy nastąpi kolejna równowaga konwekcyjno-radiacyjna, może to oznaczać, że polarny prąd strumieniowy może znowu przyspieszyć, ale już przy wyższej temperaturze globalnej.

Jednak dalsze emisje gazów cieplarnianych znowu sprawią, że nastąpi wzmocnienie arktyczne i gradient temperatur pomiędzy biegunem północnym a równikiem znowu mocno zwiększy się, co może oznaczać ponownie wzmocnienie ekstremalnych zjawisk pogodowych.

Referencje:

  1. Domeisen D. I. V. et al., 2020 ; Stratospheric drivers of extreme events at the Earth’s surface ; Communications Earth & Environment ; https://www.nature.com/articles/s43247-020-00060-z

2. Bułgajewski H., Popkiewicz M., 2018 ; W Warszawie zimniej niż na biegunie północnym ; Nauka o klimacie ; https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/w-warszawie-zimniej-niz-na-biegunie-polnocnym-277/

Oscylacje oceaniczne – El Niño / La Niña (ENSO)

ENSO (El Niño / Southern Oscillation), czyli oscylacja południowa – to naprzemienne występowanie ciepłych, dodatnich faz El Niño i chłodnych, ujemnych faz La Niña.

Rys.1. Anomalia temperatury powierzchni morza czyli jej odchylenie od średniej wieloletniej. Ilustracja dzięki uprzejmości NASA Earth Observatory.

Pierwszym naukowcem, który zdefiniował oscylację ENSO był brytyjski matematyk i meteorolog sir Gilbert Walker. Było to w latach 20 XX wieku. Również jako pierwszy odkrył oscylację północnoatlantycką oraz komórkę atmosferyczną na Pacyfiku i Oceanie Indyjskim nazwaną od jego nazwiska, odpowiedzialną za powstawanie monsunów w Indiach 1.

Walker zauważył również, gdy ciśnienie na Oceanie Spokojnym jest wysokie, zwykle jest niskie na Oceanie Indyjskim od Afryki po Australię; warunki te są związane z niskimi temperaturami na obu tych obszarach.

—-

Natomiast norweski meteorolog Jacob Bjerknes, jako pierwszy zauważył, że atmosfera równikowa jest mocno z nią sprzężona, i to, że maksymalne temperatury morza we wschodnim i środkowym równikowym Pacyfiku powstają w wyniku anomalnego osłabienia pasatów na półkuli południowej z jednoczesnym osłabieniem upwellingu równikowego u wybrzeży zachodnich Ameryki Południowej 2.

Bjerknes jako pierwszy też odkrył przeciwieństwo ciepłego El Niño, którym jest chłodna La Niña.

2011 rok z najsilniejszą La Niña był chłodniejszy od rekordowo ciepłego w XX wieku 1998 roku z drugim największym w historii pomiarów El Niño, to wtedy rekordowo ciepłe były głębiny oceanów. Podczas La Nina bardzo silnie wieją na tropikalnym Pacyfiku pasaty w kierunku od wybrzeży Ameryki Południowej ku Australii i Indonezji eksportując masy nagrzanego powietrza do oceanu i dalej w głębiny. Wzmaga się wtedy silnie upwelling, czyli wypływ z głębin ku powierzchni oceanu chłodniejszych wód dzięki czemu parowanie z niego do atmosfery jest słabsze i atmosfera na jakiś czas w skali planetarnej ochładza się.

Rys.2. El Niño (po lewej) i La Niña (po prawej). Górny panel: Efekty: grudzień – luty. Dolny panel: Efekty: czerwiec – sierpień sierpień (zdjęcie z serwisu Oceans and Climate).

Wprawdzie najsilniejsze w historii pomiarów El Niño było w latach 1982/1983, ale wtedy był jeszcze mniejszy przyrost temperatury globalnej niż we wspomnianych latach 1997/1998 czy też w latach 2015/2016. W tym ostatnim przypadku było ono jednym z najdłuższych najsilniejszych, odkąd je się mierzy.

—-

El Niño

Agus Santoso z ARC Centrum Badań Zmian Klimatu na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii w Sydney, Michael McPhaden z Laboratorium Środowiska Morskiego Pacyfiku oraz Wenju Cai z Centrum Badań Oceanów Półkuli Południowej i CSIRO w dziale Oceany i Atmosfera, w pracy swojej stwierdzają, że chociaż El Niño 2015/2016 było najsilniejsze w XXI wieku, to i tak w historii badań było ono dopiero trzecie, po 1982/1983 i 1997/1998 Wystąpiło ono już w znacznie bardziej ocieplonym świecie zaznaczonym wieloma ekstremalnymi zjawiskami pogodowymi na miarę katastrof ekologicznych 3.

Autorzy w swojej pracy napisali:

Chociaż El Niño 2015/2016 różni się w charakterystyczny sposób od wydarzeń z lat 1982/1983 i 1997/1998, nadal można je uznać za pierwsze ekstremalne El Niño XXI wieku. Jego skrajność można przypisać po części niezwykle ciepłym warunkom w 2014 r. i długotrwałemu ociepleniu tła. W efekcie badanie to dostarcza listę fizycznie znaczących wskaźników, które można łatwo obliczyć w celu identyfikacji i śledzenia ekstremalnych zdarzeń ENSO w obserwacjach i modelach klimatycznych.

Jak czytamy w powyższym artykule, 2014 rok był rokiem bez El Niño, ale już najcieplejszym wówczas w historii pomiarów. Wzmocnienie El Niño tylko jeszcze bardziej zwiększyło ocieplenie Ziemi w dalszych latach 2015 i nadal rekordowym 2016.

Niniejszy artykuł przeglądowy omawia obecny pogląd na ENSO i jego skrajności w świetle charakterystyki El Niño 2015/2016, poprzez analizę różnych obserwowanych zmiennych, które charakteryzują procesy ENSO.

Naukowcy ocenili ekstremalne wydarzenia El Niño i La Niña, a następnie sporządzili listę fizycznych indeksów, najbardziej ekstremalnych cech ENSO, w celu ich obliczenia.

Rys.3. Klimatologia sezonowa tropikalnego Pacyfiku, pokazująca temperaturę powierzchni morza SST (Sea Surface Temeperature) (zacienienie kolorów), opady (kontury) i prędkości wiatru powierzchniowego (wektory) dla (a) wiosny borealnej (średnia z marca-maja; MAM), (b) lata (średnia z czerwca-sierpnia) , JJA), (c) jesień (średnia wrzesień-listopad, SON) oraz (d) zima (średnia grudzień-luty, DJF). Dane są oparte na ERSSTv5, opadach CMAP i wiatrach NCEP w latach 1979-2017 (Agus Santoso i inni, 2017).

Takie wskaźniki mogą być przydatne nie tylko dla społeczności naukowej i agencji prognozowania klimatu, ale także dla branż, takich jak ubezpieczenia (np. Khalil i in., 2007 ) i rolnictwo (np. Fraisse i in., 2008 ; Iizumi i in. , 2014), które rozważały już wdrożenie niektórych wskaźników w celu opracowania strategii zarządzania ryzykiem.

Autorzy pracy napisali:

Tropikalny Pacyfik zawiera podstawowe elementy geograficzne i fizyczne, które generują i wspierają istnienie ENSO, z których wszystkie ewoluowały w historii Ziemi (np. Lyle i in., 2008 ). W świecie bez mas lądowych nie byłoby cyklu ENSO, ponieważ nie ma południkowych granic, które mogą wspierać taki strefowy tryb zmienności (Marshall i in., 2007 ).

Zasadniczo ENSO istnieje dzięki temu, że na tropikalnym Pacyfiku występują pasaty wiejące w kierunku równikowym, które pod wpływem siły Coriolisa skręcają na zachód, akumulując ogromne ilości wody o temperaturze powyżej 28°C w kierunku kontynentu morskiego [rys.155.] (Yan i in., 1992), określany jako ciepły basen zachodniego Pacyfiku (WPWP – western Pacific warm pool). Ciepły basen napędza energiczną konwekcję wilgotnego powietrza, tworząc wznoszącą się gałąź cyrkulacji Walkera. Ten wielkoskalowy ruch masy powietrza opada nad suchym wschodnim równikowym Pacyfikiem, naznaczonym przez język chłodniejszych wód wznoszących się w górę, które rozciągają się na północny zachód od wybrzeży Ameryki Południowej z powodu pasatów.

Międzytropikalna strefa konwergencji (ITCZ – Intertropical Convergence Zone), pasmo opadów konwekcji atmosferycznej, znajduje się na północ od tego „zimnego języka”, rozciągając się na zachód w kierunku WPWP (Schneider et al., 2014 ). Inną ważną strefą konwekcyjną jest strefa konwergencji południowego Pacyfiku (SPCZ – Southern Pacific Convergence Zone), pasmo deszczu rozciągające się na południowy wschód od ciepłego basenu w kierunku Polinezji Francuskiej (Kiladis et al., 1989). W związku z tym układem klimatologicznym ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza jest niższe w zachodnim tropikalnym Pacyfiku niż we wschodnim tropikalnym Pacyfiku.

Ogólnie, naukowcy w badaniach wykonali pomiary anomalii temperatur powierzchni morza, opadów deszczu, zawartości ciepła w górnym oceanie oraz ewolucji wiatrów strefowych.

—-

W coraz cieplejszym świecie ekstremalne zdarzenia El Niño będą coraz częstsze. Na ten temat już w ubiegłej dekadzie wypowiedzieli się naukowcy.

Praca zespołowa z 2014 roku, której głównym autorem jest Wenju Cai z Organizacji Badań Naukowych i Przemysłowych Wspólnoty Narodów (CSIRO – Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation), Instytutu Badań Morskich i Atmosferycznych w Aspendale, w stanie Wiktoria w Australii, mówi o tym, że takie ekstremalne zdarzenia El Niño, jak w latach 1997/98 i 1982/83 ulegną wręcz podwojeniu w przyszłym coraz cieplejszym świecie z temperaturą 1,5 stopnia Celsjusza powyżej okresu bazowego 1850-1900 4.

Są to typowe zmienności klimatu, które już oddziałują na wymuszenia antropogenicznych gazów cieplarnianych. Charakteryzują się one wyraźnym rozszerzeniem na wschód ciepłego basenu zachodniego Pacyfiku i rozwojem konwekcji atmosferycznej. Dlatego też występuje ogromny wzrost opadów na zazwyczaj zimnym i suchym równikowym wschodnim Pacyfiku.

Tak ogromna przebudowa planetarnej konwekcji atmosferycznej, w postaci ekstremalnego El Niño, powoduje bardzo poważnie zakłócone globalne wzorce pogodowe, które oddziałują ujemnie zarówno na ekosystemy, jak i na naszą gospodarkę. Np. rolnictwo, rybołówstwo. Te ekstremalne oscylacje oceaniczne również powodują nasilenie się cyklonów tropikalnych, susz, pożarów buszu, powodzi i innych ekstremalnych zjawisk pogodowych na całym świecie.

Wenju Cai w serwisie Carbon Brief powiedział 5:

Te ruchy powodują masową reorganizację cyrkulacji atmosfery, prowadząc do ekstremalnych warunków klimatycznych i pogodowych na całym świecie. Na przykład powodzie w Ekwadorze, Peru i południowo-zachodniej Ameryce, ale susze w Indonezji i innych krajach zachodniego Pacyfiku.

—-

Guojian Wang i Wenju Cai z Organizacji Badań Naukowych i Przemysłowych Wspólnoty Narodów (CSIRO – Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) przedstawili wykres na poniższym rysunku, który pokazuje globalny wzrost temperatury (czarna linia; oś po lewej) oraz częstotliwość ekstremalnych zdarzeń El Niño (linia fioletowa; oś po prawej stronie) 6.

Rys.4. Wykresy pokazują liczbę ekstremalnych El Niños na 100 lat (linia fioletowa, oś po prawej stronie) wykreślone w stosunku do średniej globalnej temperatury (linia czarna, oś po lewej stronie, w stosunku do linii bazowej sprzed epoki przemysłowej z lat 1869-1899). Wykresy przedstawiają prognozy do końca XXI wieku (po lewej), a następnie do połowy 23 wieku (po prawej). Obszar zacieniony na zielono wskazuje średnią z 31 lat, ześrodkowaną na ociepleniu o 1,5°C; fioletowy zacieniony obszar wskazuje średnią 2050-2150. Źródło: (Guojian Wang i inni, 2017).

Do czasu, gdy ocieplenie nie osiągnie 1,5°C powyżej poziomu sprzed epoki przemysłowej (patrz zielony zacieniony pasek), ekstremalne El Niños będą występować mniej więcej raz na 10 lat. Jest to i tak wzrost o 130 % w stosunku do częstotliwości sprzed epoki przemysłowej.

Naukowcy, na podstawie symulacji 13 modeli w okresie 1869-2100, przedstawili dowody modelowania klimatu podwojenia liczby zdarzeń ekstremalnych El Niños w przyszłości w odpowiedzi na coraz bardziej postępujące ocieplenie atmosfery i oceanów. Oszacowali zmianę, agregując wyniki z modeli klimatycznych, zarówno w fazie 3 (CMIP3 – IV Raport Oceny IPCC 2007), jak i 5 (CMIP5 – V Raport Oceny IPCC), z wielomodelowych baz danych oraz zespołu zaburzonej fizyki.

Zwiększona częstotliwość wynika z przewidywanego ocieplenia powierzchni nad wschodnim równikowym Pacyfikiem, które zachodzi szybciej niż w sąsiednich otaczających wodach oceanicznych,  a to sprzyja rozwojowi większej liczby wystąpień konwekcji atmosferycznej we wschodnim regionie równikowym.

—-

Autorzy w zespole francusko-amerykańskim, Janeet Sanabria i David Labat z wydziału Geonauk Środowiska na Uniwersytecie w Tuluzie oraz Carlos M. Carillo z wydziału Nauk o Ziemi i Atmosferze na Uniwersytecie im. Cornella w Nowym Jorku, w swojej pracy zamieścili następującą wypowiedź 7:

Korzystając z pionowo zintegrowanej pary wodnej i jej konwergencji, związanej z regionalną cyrkulacją atmosferyczną na dużą skalę, odkryliśmy dwa wzorce opadów na wschodnim Pacyfiku (EP – Eastern Pacific) i w tropikalnych Andach – ze szczególnym uwzględnieniem Ekwadoru i północnego Peru – podczas trzech niedawnych zdarzeń El Niño: 1983, 1998 i 2016.

Chociaż te trzy zdarzenia były najsilniejszymi El Niños, różne źródła wilgoci przyczyniły się do różnych wzorców opadów między El Niños w latach: 1983, 1998 a 2016. W regionie rozkład przestrzenny opadów podczas El Niño z 2016 roku przedstawia bezprecedensową reakcję atmosferyczną poza fazą, spójną i zweryfikowaną z transportem pary wodnej w porównaniu z El Niños z lat 1983 i 1998. Podczas El Niño z 2016 roku opady w Andach zostały wzmocnione przez wilgotne powietrze transportowane z Amazonii – z odwrotnym reżimem w porównaniu z jego osiadaniem, które dominowało w latach 1983 i 1998. Podczas El Niños w latach 1983 i 1998, źródło wilgoci zasilającej Wschodni Pacyfik zostało wzmocnione przez dywergencję wyższego poziomu ciśnienia (300 hPa), które wspomogło napływ wilgoci do średnich poziomów na wschodnim Pacyfiku. W El Niño 2016 ten rozbieżny przepływ górnego poziomu wilgoci migrował na północ. Badanie to ilustruje związek między cyrkulacją na wyższym poziomie na dużą skalę a regionalnymi mechanizmami niskiego poziomu transportu wilgoci w określaniu różnych wzorców opadów podczas wydarzeń El Niño.

Gdy mamy rok z bardzo silnym El Niño, przynosi ono z sobą ekstremalne opady deszczu na naturalnie suchych wybrzeżach Ameryki Południowej w Peru i w Ekwadorze oraz niebezpieczne lawiny błotne w Andach. Również następuje wtedy znaczne osłabienie upwelllingu powodujące drastyczny spadek w rybołówstwie oraz także zakłócenia w rytmach biologicznych gatunków morskich i nadmorskich.

Rys.5. Kompozyty od stycznia do kwietnia (JFMA – January, February, March, April) anomalii temperatury powierzchni morza (° C) nad tropikalnym Pacyfikiem podczas trzech silnych zdarzeń El Niños ( a ) 1982/1983, ( b ) 1997/1998 i ( c ) 2015/2016 . Te anomalie pochodzą ze zbioru danych Met Office HadISST z lat 1950–2016 (Janeet Sanabria i inni, 2019).

—-

Z kolei Hege-Beate Fredriksen z Wydziału Fizyki i Technologii na Arktycznym Uniwersytecie Norwegii w Tromsø UiT) i jej współpracownicy opisali badania wpływu ocieplenia klimatu na region Niño 3.4, w których wykorzystali najnowszej generacji zestaw modeli CMIP6. Modele te mają już zastosowanie w pracach naukowych wykorzystanych w obecnym VI Raporcie IPCC 8.

Naukowcy zasugerowali, że w wielu pracach zbadano reakcję ENSO na globalne ocieplenie w poprzednich generacjach modeli klimatycznych, ale nie ma jasnego konsensusu co do tego, jak ENSO zmieni się w warunkach globalnego ocieplenia.

Poprzednie analizy z modeli CMIP5 wykazywały zmiany w cyrkulacji oceanicznej Walkera oraz w samej temperaturze powierzchni morza (SST), ale jednak nie miało to przełożenia na zmiany amplitudy ENSO mierzonej poszczególnymi wskaźnikami – w tym Niño 3.4 – będącymi średnimi anomalii SST w stałych lokalizacjach.

Naukowcy stwierdzili, że nastąpił wzrost amplitudy ENSO pod wpływem, zarówno zwiększonej średniej temperatury globalnej Ziemi, jak i pod względem stratyfikacji oceanów, w których w powierzchniowej warstwie występuje często najcieplejsza woda. Dlatego też przyjrzeli się w swoim badaniu związkowi pomiędzy zmianami amplitudy ENSO a zmianami  średniego gradientu strefowego temperatury powierzchni morza (SST).

ENSO to jest przede wszystkim tropikalny proces sprzężony z oceanem i atmosferą, który ma globalny wpływ poprzez telekoneksyjne połączenia atmosferyczne i oceaniczne.

Dużą rolę odgrywają zmiany telekoneksji atmosferycznych i oceanicznych oddziałujących na ENSO.

Naukowcy w swojej pracy napisali:

Diagnostyka telekoneksji zastosowana w tym badaniu jest zgodna z diagnostyką Stevensona i in. ( 2012). Kompozyty El Niño i La Niña dla średniego zestawu CMIP6 są obliczane dla anomalii ciśnienia na poziomie morza (SLP – Sea Level Pressure).

Zmiany w telekoneksjach są następnie oceniane przez porównanie dla scenariusza wysokich emisji SSP5-8.5. Zmiany w przyszłym klimacie w całym zestawie modeli CMIP6 pokazane są czarnymi konturami na rysunku 158 poniżej.

Naukowcy zaobserwowali wyraźne zmiany w rejonie wysp aleuckich na półkuli północnej i w rejonie Oceanu Południowego. Co ciekawe, telekoneksje atmosferyczne wykazują słabszy sygnał w scenariuszu SSP5-8.5 w porównaniu z symulacjami modelu piControl. Zostało to zbadane w poprzednich wersjach podobnych modeli klimatycznych i częściowo zostało to przypisane wzrostowi statycznej stabilności atmosfery w cieplejszym klimacie (Ma et al.,  2012 ; Stevenson et al.,  2012).

Rys.6. Wzór telekoneksji ENSO dla zimowych miesięcy: grudzień, styczeń, luty (DJF – December, January, February) pokazany jako średnie anomalie ciśnienia nad poziomem morza (SLP – Sea Level Pressure) w modelach piControl (kolory) dla (a) El Niño i (b) La Niña oraz odpowiadające im zmiany średnich anomalii SLP dla przyszłego scenariusza wysokich emisji SSP5-8.5 (czarne kontury). (c) El Niño i (d) La Niña – ich rozrzut anomalii SLP w modelu piControl (kolory) i zmiana dla przyszłego scenariusza SSP5-8.5 (czarne kontury), mierzone przez odchylenie standardowe (SD – Standard Deviaton).(Hege Beate Fredriksen i inni, 2020).

Pasaty podczas El Niño na środkowym tropikalnym Pacyfiku słabną coraz częściej w tak zwanym regionie Niño 3.4 i zawracają, zakłócając upwelling u wybrzeży zachodnich Ameryki Południowej. Nagrzana wówczas powierzchnia Pacyfiku mocno paruje ocieplając silnie atmosferę i podnosząc znacząco jej globalną temperaturę.

Rys.7. Regiony Niño: Niño 1+2, Niño 3, Niño 4 i Niño 3.4 (NCDC/NOAA.GOV)

——

La Niña

La Niña z kolei jest wzmocnieniem neutralnej fazy i często przynosi z sobą znacznie silniejsze pasaty wiejące ze wschodniego Pacyfiku na zachodni oraz nadmierne opady deszczu i powodzie w Australii i w archipelagu indonezyjskim, przynosząc z sobą również straty ekonomiczne, zarówno w ekosystemach, jak i w infrastrukturze miast i wsi.

Wenju Cai za pomocą symulacji modelu CMIP5 oszacował, że nastąpił przyrost ekstremalnych zdarzeń La Niña z jednego na 23 lata do jednego na 13 lat. A dzieje się tak dlatego, ponieważ przewidywane jest szybsze średnie ocieplenie kontynentu morskiego niż środkowego Pacyfiku. Następnie przewidywane są zwiększone pionowe gradienty temperatury w górnej części oceanu i zwiększona częstotliwość ekstremalnych zjawisk El Niño sprzyjają rozwojowi ekstremalnych zdarzeń La Niña 9.

Naukowcy piszą, że w latach 1998–1999 ekstremalne wydarzenie La Niña, które nastąpiło po ekstremalnym El Niño w latach 1997–1998, wpłynęło na zamianę ekstremalnych susz wywołanych przez El Niño w niszczycielskie powodzie w krajach zachodniego Pacyfiku i w południowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych. Co też miało taki wpływ, że podczas ekstremalnych wydarzeń La Niña na środkowym Pacyfiku zaczęły rozwijać się zimne warunki powierzchniowe, dzięki którym zaczął powstawać zwiększony gradient temperatury od strony kontynentu morskiego w kierunku środkowego Pacyfiku.

Rys.8. Różnica temperatur powierzchni morza (SST) między słabym (górnym) a ekstremalnym (dolnym) zdarzeniem La Niña. (Wenju Cai i inni, 2015).

 

Na podstawie modeli CMIP5, naukowcy przedstawili dowody podczas modelowania klimatu i ekstrapolacji w przyszłość, że zwiększona częstotliwość takich ekstremalnych wydarzeń La Niña będzie miała miejsce w coraz cieplejszym świecie.

W sumie jednak przyszłość oscylacji La Niña jest jednak trudna do dokładniejszej analizy. Nie można też tego wykluczyć, że będą nasilone. Tego do końca tak dokładnie jeszcze nie wiemy.

Referencje:

  1. Walker G. et al., 1926 ; Correlation in seasonal variations of weather, IX. A further study of world weather ; Monthly Weather Review, Volume 53: Issue 6 ; https://journals.ametsoc.org/view/journals/mwre/53/6/1520-0493_1925_53_252_cisvow_2_0_co_2.xml
  2. Bjerknes J., 1969 ; Atmospheric teleconnections from the equatorial Pacific ; Monthly Weather Review, Volume 97: Issue 3 ; https://journals.ametsoc.org/view/journals/mwre/97/3/1520-0493_1969_097_0163_atftep_2_3_co_2.xml
  3. Santoso A. et al., 2017 ; The Defining Characteristics of ENSO Extremes and the Strong 2015/2016 El Niño ; Reviews of Geophysics ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2017RG000560
  4. Cai W. et al., 2014 ; Increasing frequency of extreme El Niño events due to greenhouse Warming ; Nature Climate Change ; https://www.nature.com/articles/nclimate2100
  5. McSweeney R., 2017 ; „‘Extreme’ El Niños to double in frequency under 1.5C of warming, study says” ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/extreme-el-ninos-double-frequency-under-one-point-five-celsius-warming-study
  6. Wang G. et al., 2017 ; Continued increase of extreme El Niño frequency long after 1.5 °C warming stabilization ; Nature Climate Change ; https://www.researchgate.net/publication/318667786_Continued_increase_of_extreme_El_Nino_frequency_long_after_15_C_warming_stabilization
  7. Sanabria J. et al., 2019 ; Unprecedented Rainfall and Moisture Patterns during El Niño 2016 in the Eastern Pacific and Tropical Andes: Northern Perú and Ecuador ; Atmosphere ; https://www.researchgate.net/publication/337736082_Unprecedented_Rainfall_and_Moisture_Patterns_during_El_Nino_2016_in_the_Eastern_Pacific_and_Tropical_Andes_Northern_Peru_and_Ecuador
  8. Fredriksen H. B. et al., 2020 ; How Does El Niño–Southern Oscillation Change Under Global Warming—A First Look at CMIP6 ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2020GL090640
  9. Cai W. et al., 2015 ; Increased frequency of extreme La Niña events under greenhouse Warming ; Nature Climate Change ; https://www.researchgate.net/publication/273287307_Increased_frequency_of_extreme_La_Nina_events_under_greenhouse_warming

Stratyfikacja oceanów

Dziennikarka naukowa Andrea Elyse Messer, na stronie uczelni Penn State, napisała, że ocieplenie oceanów i ich dążenie do stabilizacji wpływa na zmniejszanie się gęstości wód, a to z kolei hamuje mieszanie pionowe wód i z głębin dostaje się na powierzchnię coraz mniej składników odżywczych, a zwłaszcza tlenu, niezbędnego dla ryb i wielu bezkręgowców zależnych od tlenu w wodzie.

Zmniejszona dostawa z natlenionych głębin składników pokarmowych dla planktonu i mniejszych ryb, ma wpływ na redukcję ich populacji, a to ma też ujemny wpływ na uszczuplanie się bazy pokarmowej dla większych ryb oraz dla ptaków i ssaków morskich, wprawdzie oddychających powietrzem atmosferycznym, ale uzależnionych pokarmowo od środowiska wodnego.

Z kolei niestabilna atmosfera coraz mniej dostarcza dwutlenku węgla niezbędnego do oddychania dla fitoplanktonu, a także dla zjadającego go zooplanktonu, również zjadanego przez mniejsze ryby, które z kolei są zjadane przez większe oraz przez ptaki i ssaki morskie.

Fot. Ocieplenie powierzchni oceanów zmniejszy ilość tlenu w górnych warstwach oceanów i zmniejszy bioproduktywność, wpływając na źródło pożywienia dla delfinów i innych, które są zależne od ilości ryb w środowisku morskim. OBRAZ: NOAA

CO2 – te nieodzowne cząsteczki chemiczne opadają na dno oceanów, w ciałach martwych organizmów planktonowych, wspomnianych ryb, ptaków i ssaków morskich, w tym wielkich waleni, i tam są odkładane w skałach osadowych takich jak, węglany i krzemiany. Czyli, droga tych molekuł, polega na usuwaniu się z szybkiego cyklu węglowego (powierzchnia lądowa + ocean + atmosfera) do wolnego cyklu węglowego (skały w skorupie ziemskiej), już w płaszczu Ziemi, gdzie ulegają różnorodnym procesom metamorfizacji przez długie setki tysięcy lat, by, poprzez kominy wulkaniczne, zarówno pod wodą w oceanach, jak i na lądach, trafić z powrotem do atmosfery.

Naukowcy zaczynają zauważać, że ten mechanizm obiegu węgla, jak i natlenienia wszystkich warstw oceanicznych, coraz bardziej spowalnia w miarę ocieplania się i stratyfikacji wód oceanicznych.

Michael Mann, wybitny profesor nauk o atmosferze i dyrektor Centrum Nauk Systemu Ziemi (Earth System Science Center) na Uniwersytecie w Penn State, dla Science Daily powiedział 1:

Ten sam proces, globalne ocieplenie, sprawia, że ​​atmosfera jest mniej stabilna, a oceany bardziej stabilne. Woda w pobliżu powierzchni oceanu nagrzewa się szybciej niż woda poniżej. To sprawia, że ​​oceany stają się bardziej niestabilne.

Również, gdy lód topnieje z pokryw lodowych, woda słodka z nich trafia do oceanu i powstaje tak samo stratyfikacja, gdyż ma ona mniejszą gęstość niż słona.

Ponadto dla tego samego serwisu Michael Mann stwierdził:

Zdolność oceanów do pochłaniania ciepła z atmosfery i łagodzenia globalnego ocieplenia jest trudniejsza, gdy ocean staje się bardziej uwarstwiony i mniej się miesza. Mniejsze mieszanie się w dół ocieplających się wód oznacza, że ​​powierzchnia oceanu nagrzewa się jeszcze szybciej, prowadząc na przykład do silniejszych huraganów. Globalne modele klimatyczne nie doceniają tych trendów

Guancheng Li z Chińskiej Akademii Nauk w Pekinie we współpracy chińsko-amerykańskiej wraz ze swoimi współpracownikami, zaobserwował w swojej pracy naukowej, że postępujący wzrost temperatury w oceanach pogłębia tworzenie się stratyfikacji polegającej na tym, że przy powierzchni tworzą się wody o mniejszej gęstości (pyknoklina), ale im głębiej się zanurzamy, ich gęstość wzrasta. Ma to swoje ujemne oddziaływania w powodowaniu zaburzeń cyrkulacji oceanów, czyli turbulencji na większych głębokościach, w tym też w zmniejszaniu się w obrębie słupa wody transportu ciepła, węgla, tlenu i innych składników odżywczych jak fosfor i azot w głębiny i ku powierzchni 2.

Michael Mann i Lijing Cheng, współautorzy powyższego badania, zauważają również, że od 1960 do 2018 roku  (całego okresu badań) znacznie więcej ciepła zgromadziło się w górnej granicy oceanu do głębokości około 180 metrów niż poniżej. Stwierdzają następujący fakt:

Jeśli powierzchnia oceanu nagrzewa się szybciej i mniej węgla jest przenoszone w głąb, procesy te, wraz z innymi sprzężeniami zwrotnymi klimatycznymi, mogą doprowadzić do potrojenia atmosferycznego CO2, a średnia temperatura na świecie może wzrosnąć o 8 stopni Fahrenheita (4,4 stopnia Celsjusza) do 2100 roku.

Dalej naukowcy zauważają, że będziemy mieli do czynienia z wieloma dodatnimi sprzężeniami zwrotnymi. Kumulujący się dwutlenek węgla w wypłycającej się i coraz cieplejszej warstwie oceanu dziś powoduje zakwaszenie, ale dalszy wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi przyczyni się do tego, że największe akweny na świecie zamiast pochłaniać ten gaz, będą wydzielać go do atmosfery, jeszcze silniej ją podgrzewając.

—

Rys. Liniowe trendy zmian stratyfikacji wód oceanów mierzone zmianami współczynnika kwadratu częstotliwości wyporności (kwadratu częstotliwości Brunt–Väisälä) – N2 (patrz wykres obok w stosunku do oceanów i w skali globalnej) między głębokościami 0-2000 m w latach 1960-2018. Kolor czerwony oznacza wzmocnioną stratyfikację wód; niebieski – ich mocniejsze mieszanie. (Źródło: Guancheng Li inni, 2020)

Marcin Popkiewicz w swoim artykule pisze na portalu naukowym Nauka o klimacie 3:

Rozbudowa sieci pomiarowych (patrz Program ARGO sięga głęboko) umożliwiła uzyskanie dobrych danych dotyczących zmian temperatury i zasolenia w oceanach do głębokości 2000 m. Praca, opublikowana ostatnio w czasopiśmie Nature Climate Change Li in., 2020 [pełna wersja] pt. Wzrost stratyfikacji oceanów w ostatnim półwieczu (Increasing ocean stratification over the past half-century) pokazuje, że w latach 1960-2018 stratyfikacja oceanów (mierzona tym razem współczynnikiem kwadratu częstotliwości oscylacji cząstki płynu odchylonej od stanu równowagi N2 , (patrz ramka pod rysunkiem 1) wzrosła o 5,3%.

Bob Berwyn w serwisie naukowym Inside Climate News pisze, że Stefan Rahmstorf z Poczdamskiego Instytutu nad Wpływem Klimatu, który nie wziął udziału w tym badaniu. stwierdził, że pogłębiająca się stratyfikacja również redukuje mocno transport tlenu w głębiny, co często powoduje w nich powstawanie stref beztlenowych, bardzo groźnych dla pelagicznych i bentonicznych organizmów wodnych. Jego zdaniem też zaburza to rozkład wymiany zimnych i ciepłych wód pomiędzy Oceanem Arktycznym a Oceanem Południowym. Oddziałuje to też ujemnie na przepływ Prądu Zatokowego w obrębie atlantyckiej południkowej cyrkulacji wymiennej (AMOC – Atlantic Meridional Overturning Circulation), co z kolei już ma wpływ na wzmocnienie energii cieplnej w północnym Atlantyku u wybrzeży Nowej Anglii prowadzące do zwiększenia fal sztormowych i nawet zmianę kierunku huraganów tropikalnych (np. Sandy w 2012 r.), które mogą obierać swój kurs daleko na północne szerokości, na wschodnie wybrzeża Stanów Zjednoczonych. Ocieplenie w tamtym rejonie wód powoduje też jeden z największych wzrostów poziomu morza 4.

Berwyn dalej pisze, że Michael Mann zauważył też, że w miarę dalszego ocieplania się klimatu, zwiększy się częstość i intensywność ogrzewających atmosferę oscylacji oceanicznych El Niño w stosunku do chłodzących La Niña. Czyli, gdy będzie cały czas wzrastała temperatura na Ziemi, to może nastąpić punkt krytyczny w systemie klimatycznym, w którym będziemy mieli do czynienia wręcz ze stanem nieustannego, permanentnego El Niño.

Z kolei – pisze dziennikarz Inisde Climate News – Kevin Tenberth z Narodowego Centrum Badań Atmosferycznych (NCAR – National Center Atmospheric Research), również współautor badania, dodał jeszcze, że zaburzane pionowe ruchy w oceanach doprowadzą w coraz cieplejszym świecie do tego, że zmniejszy się ilość składników odżywczych dostarczanych z głębin ku powierzchni, co źle wpłynie na zooplankton, ryby i ssaki. Naukowiec zauważył:

Substancje odżywcze z dna oceanu muszą łączyć się ze światłem słonecznym w górnych warstwach, aby uzyskać wysoką produktywność, ale coraz bardziej zestratyfikowane warstwy mogą ograniczać wzrost tych składników.

Obecnie wszystkie oceany na świecie pochłaniają z atmosfery około ¼ dwutlenku węgla, jednak dalsze ich ocieplanie się i stratyfikacja wpłynie na zmniejszanie się tej ilości.

Wspomniany naukowiec powiedział, że kumulowanie się ciepła w górnej warstwie oceanów, do głębokości 90-120 metrów, sprzyja gromadzeniu się nad nimi ogromnej zawartości pary wodnej, czyli energii cieplnej zmienianej w energię kinetyczną oceanu. W sumie, wzburzony ocean wyrzuca zimniejszą wodę, co wzmacnia energię potencjalną oceanu, a więc siłę oddziaływania burz. Stwierdził następujący fakt:

W dzisiejszych czasach „ta zimna woda jest cieplejsza niż kiedyś”, co umożliwia burzom formowanie się i utrzymywanie większej intensywności. Dlatego huragany są większe, trwalsze i bardziej intensywne niż wcześniej.

Oceany gdy są znacznie cieplejsze, więcej parują, a więc, więcej pary wodnej trafia do atmosfery silniej ją podgrzewając.

Im więcej energii cieplnej w atmosferze, tym cieplejsze powierzchniowe warstwy oceanów, a to przekłada się na gromadzenie większej ilości pary wodnej, która skraplając się przynosi z sobą często zbyt gwałtowne opady deszczu oraz powodzie w obszarach już silnie wilgotnych.

Referencje:

  1. Penn State, 2020 ; Increasing stability decreases ocean productivity, reduces carbon burial; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2020/09/200928125106.htm
  2. Li G. et al., 2020 ; Increasing ocean stratification over the past half-century ; Nature Climate Change ; http://www.meteo.psu.edu/holocene/public_html/Mann/articles/articles/ChengEtAl_NatureClimate20.pdf
  3. Popkiewicz M., 2020 ; Coraz większe rozwarstwienie w oceanie ; Nauka o klimacie ; https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/coraz-wieksze-rozwarstwienie-w-oceanie-446/
  4. Berwyn B., 2020 ; New Study Shows a Vicious Circle of Climate Change Building on Thickening Layers of Warm Ocean Water ; Inside Climate News ; https://insideclimatenews.org/news/28092020/ocean-stratification-climate-change/

Morskie fale upałów – wpływ na morskie ekosystemy

Niepokojącym zjawiskiem w ocieplających się oceanach jest pojawianie się coraz częstszych fal upałów, które wywołują często śmiertelne skutki w wymieraniu wielu osobników gatunków morskich, które są bardzo wrażliwe na skoki wysokich temperatur, które jeszcze mają tendencje do wydłużania się w czasie.

Szwajcarscy naukowcy z Centrum Badań Klimatu im. Oeschgera (Oeschger Center for Climate Research) na Uniwersytecie w Bernie: Charlotte Laufkötter, Jakob Zscheischler i Thomas Frölicher, w której dokonali oni analizy morskich fal upałów w ciągu ostatnich 40 lat na podstawie badań satelitarnych polegających na pomiarach temperatury powierzchni morza (SST – Sea Surface Temperature) 1.

Co to jest generalnie morska fala upałów?

Jest to okres co najmniej pięciu dni z „ekstremalnie ciepłymi” temperaturami wód powierzchniowych.

Naukowcy obliczyli na podstawie badanego okresu z lat 1981-2017, że w pierwszej dekadzie wystąpiło 27 morskich fal upałów (MHW – Marine Heat Wave), które średnio trwały 32 dni i wynosiły 4,8 stopnia Celsjusza powyżej średniej wieloletniej. Ale w ostatniej dekadzie było już aż 172 przypadki MHW, które występowały średnio 48 dni i osiągały już 5,5 stopnia Celsjusza powyżej średniej.

Uczeni wyciągnęli następujący wniosek, przedstawiając go na łamach serwisu Phys.Org 2:

Temperatura w morzu zwykle zmienia się tylko nieznacznie. Tygodniowe odchylenia o 5,5 stopnia na obszarze 1,5 miliona kilometrów kwadratowych – obszarze 35 razy większym od Szwajcarii – stanowią niezwykłą zmianę w warunkach życia organizmów morskich.

Od około czterech dekad morskie fale upałów często prowadzą do zwiększenia się śmiertelności ptaków, ryb i ssaków morskich. Również ich obecność może sprzyjać powstawaniu szkodliwych zakwitów glonów, zwłaszcza sinic (cyjanobakterii), którym wzrost temperatury wód pomaga w intensywnym rozmnażaniu się i powodowaniu poważnych zaburzeń w ekosystemach wśród gatunków morskich. Np. w ograniczeniu ilości tlenu oraz składników pokarmowych w oceanach. Morskie fale upałów prowadzą również do blaknięcia koralowców.

Także MHW wywołują wymuszone migracje wielu gatunków ryb poszukujących chłodniejszych wód. Jak na to wskazują wyniki badań powyższych, mogą one już w niedalekiej przyszłości cieplarnianej przyczyniać się do częstego gwałtownego zanikania polarnych czap lodowych.

Rys.2. Anomalia temperatury powierzchni morza – Ocean Spokojny (zdjęcie z serwisu Phys.Org).

 

Obecność MHW ma charakter wybitnie antropogeniczny i niestety wszystko na to wskazuje, że ich oddziaływanie będzie jeszcze bardziej dotkliwe dla wielu gatunków morskich. Przyniesie to nie tylko szkody w wielu ekosystemach morskich, ale i także w gospodarce rybnej. A więc, będzie to również niekorzystne dla samych ludzi.

—-

Australijscy naukowcy z Uniwersytetu Tasmanii w Hobarcie: Hakase Hayashida, Peter G. Strutton i Richard J. Matear oraz Xuebing Zhang z instytutu CSIRO Oceany i Atmosfera w Hobarcie, zaprezentowali ciekawą analizę fizyczno-geograficzną, w której wzrost temperatury globalnej powodujący stymulację prądów morskich spowoduje w ciągu następnych trzech dekad intensyfikację morskich fal upałów 3.

MHW w szczególności będzie wzmocnione na odcinkach Prądu Leeuwin w Australii i Prądu Wschodnioaustralijskiego; Prądu Zatokowego w Stanach Zjednoczonych; japońskiego Prądu Kuroshio; a także najpotężniejszego ze wszystkich prądu morskiego, Antarktycznego Prądu Wokółbiegunowego.

Dr Hakase Hayashida z Zarządu Australijskich Badań Centrum Doskonałości Klimatycznych Ekstremów (ARC CECE – Australian Research Council Center of Excellence for Climate Extremes) w serwisie Science Daily powiedział 4:

Wiemy, że fale upałów na morzu nasilają się na całym świecie, ale decydenci, eksperci ds. rybołówstwa, przemysł akwakultury i ekolodzy muszą wiedzieć, jak to się rozegra na poziomie regionalnym, zwłaszcza pod względem miejsca ich występowania i tego, o ile będą one gorętsze.

Naukowcy przewidują za pomocą modeli, że wzmocnienia morskich fal upałów w pewnych obszarach Ziemi będą miały znaczący wpływ na ekosystemy morskie, zwłaszcza u wybrzeży. I np., gdy będą z dala od wybrzeży Tasmanii, nie wpłynie to zbyt destrukcyjnie na florę i faunę wybrzeży. Ale już np. Prąd Zatokowy u wybrzeży amerykańskich, od stanu Wirginia w USA do prowincji Nowego Brunszwiku w Kanadzie, płynący blisko wybrzeży, doświadczy dość intensywnie MHW.

Naukowcy zastosowali modele OFAM3 o wysokiej rozdzielczości przestrzennej, w której dokładnie mogli zbadać przebieg mezoskalowych wirów oceanicznych, badając przeszłość i przyszłość rozwoju MHW, w okresie od 1982 do 2050 roku.

W szczególności za pomocą tych nowoczesnych modeli naukowcy dokładniej przyjrzeli się zachodnim granicznym prądom morskim, w całości lub na danych odcinkach. Wyniki ich symulacji są porównywane z pomiarami modeli MGD skorelowanymi z pomiarami satelitarnymi i in situ temperatury powierzchni morza (SST – Sea Surface Temperature) wykonywanymi przez Japońską Agencję Meteorologiczną (JMA – Japan Meteorology Agency ), czy też z symulacjami modeli IPCC – CMIP5 (wielomodelowym średnim produktem 23 globalnych modeli), który obecnie już w analizowanym VI Raporcie Oceny IPCC będzie zastąpiony przez modele CMIP6.

Australijscy naukowcy zauważyli, że chociaż w zachodnich granicznych prądach pojawiały się bardziej intensywne morskie fale upałów, to już na skraju ich wyglądało to zupełnie inaczej. Wiry, które odrywały się od głównego prądu, tworzyły obszary, w których wzrost liczby dni fali upałów był niższy od średniej, a nawet niektóre regiony pokazywały niższą od średniej intensywność fal upałów. W szczególności było to widoczne w modelu OFAM3, który badacze z Hobartu zastosowali.

Profesor Peter Strutton, także w serwisie Science Daily powiedział:

Podobnie jak wiele aspektów systemu klimatycznego, ocieplenie oceanów nie jest wszędzie takie samo, co oznacza, że ​​ekologia będzie inaczej reagować na globalne ocieplenie, w zależności od lokalizacji.

Takie szczegółowe modelowanie jest pierwszym krokiem w zrozumieniu, które ekosystemy będą się rozwijać lub zanikać, jak zmieni się produktywność oceanów i te części łańcucha pokarmowego, które najprawdopodobniej zostaną dotknięte. To jest dokładnie ten rodzaj wiedzy, którego potrzebujemy, aby dostosować się do nieuniknionych konsekwencji globalnego ocieplenia.

Generalnie intensyfikacja morskich fal upałów jest poważnym problemem dla organizmów morskich, które są bliskie przekroczenia swoich poziomów tolerancji termicznej. MHW mogą również zwiększać prawdopodobieństwo zmian ekosystemu poprzez mechanizmy inne niż stres termiczny.

Rys.85. Przewidywane dni morskiej fali upałów w zachodnich regionach granicznych.

Porównanie przestrzenne prognozowanych zmian (2021–2050 minus         1982–2018) rocznych dni morskich fal upałów (MHW) w:

a , b ) Prąd Kuroshio, c , d) Prąd Zatokowy, e , f) Prąd Agulhas, g , h) Prąd Wschodnioaustralijski oraz i , j) Prąd Brazylijski

Obecne regiony pomiędzy wynikiem modelu oceanicznego o wysokiej rozdzielczości (0,1°) (OFAM3; lewa kolumna) a 1° wielomodelowym średnim produktem 23 globalnych modeli klimatycznych (CMIP5; prawa kolumna) w ramach Reprezentatywnej Ścieżki Stężeń 8.5 (Hakase Hayashida i inni, 2020).

Rys.86. Przewidywana intensywność morskiej fali upałów w zachodnich regionach granicznych.

Porównanie przestrzenne prognozowanych zmian (2021–2050 minus         1982–2018) średniej intensywności morskiej fali upałów (MHW) w:

a , b) Prąd Kuroshio, c , d) Prąd Zatokowy, e , f) Prąd Agulhas, g , h) Prąd Wschodnioaustralijski oraz i , j) Prąd Brazylijski.

Obecne regiony między wynikiem modelu oceanicznego o wysokiej rozdzielczości (0,1°) (OFAM3; lewa kolumna ) a 1° wielomodelowym średnim produktem 23 globalnych modeli klimatycznych (CMIP5; prawa kolumna ) w ramach Reprezentatywnej ścieżki koncentracji 8.5 (Hakase Hayashida i inni, 2020).

 

Skutki ekologiczne i ekonomiczne coraz częstszych zdarzeń związanych z MHW obejmują również lokalne wymieranie lasów namorzynowych i wodorostów, bielenie koralowców, podwyższoną śmiertelność bezkręgowców, ryb, ptaków i ssaków morskich, a także nasila inwazje obcych gatunków.

——–

Praca zespołowa Hillary A. Scannell, doktorantki oceanografii na Uniwersytecie Waszyngtońskim, pokazała, że wzrost częstotliwości, intensywności i czasu trwania morskich fal upałów stał się bardziej powszechny od lat 70 XX wieku. Autorzy przeanalizowali 65 lat obserwacji temperatury powierzchni oceanów, od 1950 do 2014 roku, a także przyjrzeli się, jak MHW w północno-zachodnim Atlantyku u wybrzeży Nowej Anglii oraz ciepła plama gorąca z okresu 2013-14, nakładały się na siebie 5.

MHW na północno-zachodnim Atlantyku wówczas miały rozmiar obszaru Stanów Zjednoczonych i trwały przez trzy miesiące. Temperatura w oceanie wynosiła 2 stopnie Fahrenheita (1,1 stopnia Celsjusza) powyżej średniej. Naukowcy obliczają, że prawdopodobnie wystąpią one naturalnie średnio co pięć lat na Północnym Atlantyku i północno-zachodnim Pacyfiku.

Jednak częściej zdarzenia z MHW będą pojawiały się na północno-wschodnim Pacyfiku. Plama gorąca miała tam jeszcze większy zasięg. Temperatura w wodach oceanu wynosiła wtedy 2,5 stopnia Fahrenheita (1,5 stopnia Celsjusza) powyżej średniej. MHW trwała w tym regionie aż 17 miesięcy. I także z wyników badań wynika, że naturalnie będzie ona występować średnio co 5 lat.

Tutaj jeszcze trzeba zwrócić uwagę, że najbardziej prawdopodobne wystąpienie rozległych, długotrwałych i coraz intensywniejszych morskich fal upałów będzie miało miejsce podczas występowania silnych El Niño, zwłaszcza takich jak w okresie lat 2015-16. Nałożenie się plamy gorąca w latach 2013-14 przyniosło ogromny wzrost temperatury w Pacyfiku, ale i też pośrednio w Atlantyku. Miało to poważne skutki w spustoszeniu flory i fauny morskiej.

Referencje:

  1. Laufkötter C. et al., 2020 ; High-impact marine heatwaves attributable to human-induced global Warming ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aba0690
  2. University of Bern, 2020 ; Marine heatwaves are human-made ; Phys.Org ; https://phys.org/news/2020-09-marine-heatwaves-human-made.html
  3. Hayashida H. et al., 2020 ; Insights into projected changes in marine heatwaves from a high-resolution ocean circulation model ; Nature Communications ; https://www.nature.com/articles/s41467-020-18241-x
  4. University of New South Wales, 2020 ; Where marine heatwaves will intensify fastest: New analysis ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2020/08/200828102157.htm
  5. Scannell H. A. et al., 2016 ; Frequency of marine heatwaves in the North Atlantic and North Pacific since 1950 ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2015GL067308

Skutki opóźnienia czasowego we wzroście drzew po ekstremalnej suszy

Obecnie nadal wpływ ekstremalnych zjawisk klimatycznych na ekosystemy lądowe jest słabo poznany. Dotyczy to zarówno fal upałów, susz, jak i pożarów. Jeśli chodzi o susze, wpływ tych ekstremów jest bardzo ważny dla przewidywania sprzężeń zwrotnych związanych z przebiegiem cyklu węglowego, który z kolei może mieć wpływ na przyspieszenie lub ograniczenie zmian klimatu.

William W. R. L. Anderegg, adiunkt biologii na Wydziale Ekologii i Biologii Ewolucyjnej na Uniwersytecie Princeton oraz na Wydziale Biologii na Uniwersytecie Utah w Salt Lake City, wraz ze swoim zespołem naukowców, stwierdził następujący fakt, że połączone modele cyklu klimatyczno-węglowego zazwyczaj we wcześniejszych badaniach zakładały, że powrót roślinności po ekstremalnej suszy jest natychmiastowy i całkowity, jednak to jest sprzeczne ze zrozumieniem podstawowej fizjologii roślin.

Naukowcy zbadali w terenie odnowienie wzrostu pni drzew po silnej suszy w 1338 obszarach leśnych na całym świecie, obejmujących okres czasu 49 lat i porównali wyniki z jego symulowanym odnowieniem  w modelach klimatyczno-roślinnych. I odkryli wszechobecne i znaczące efekty opóźnienia wzrostu drzew, czyli ich zmniejszonego wzrostu i niepełnego wyzdrowienia w ciągu 1 do 4 lat po ciężkiej i długotrwałej suszy.

William Anderegg dla Phys.Org powiedział:

To naprawdę ma znaczenie, ponieważ w przyszłości oczekuje się, że w wyniku zmian klimatycznych w przyszłości susze będą powiększać się i nasilać. Niektóre lasy mogą konkurować ze sobą o odbudowę przed następną suszą.

Rys. Efekty opóźnienia wzrostu drzew są najbardziej rozpowszechnione w południowo-zachodnich i środkowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych oraz w części północnej Europy.

Efekty opóźnienia są określane ilościowo jako różnica między obserwowanym a przewidywanym wzrostem (wskaźnik bezjednostkowy) po anomalii dwóch susz po kolei w klimatycznym deficycie wody w 1338 miejscach.

( A ) Efekt opóźnienia na poziomie terenu zsumowany w ciągu pierwszych 4 lat po suszy.

( B ) Średnia korelacja między wzrostem drzew (wskaźnik szerokości pierścienia) a klimatycznym deficytem wody (wilgotność gleby od 0 do 100 cm minus ewapotranspiracja potencjalna).

(William Anderegg i inni, 2015)

Tempo powrotu do zdrowia po suszy jest w dużej mierze nieznane dla większości gatunków drzew. Anderegg i współpracownicy dokładnie zmierzyli odnowienie wzrostu pni drzew po ciężkich suszach od 1948 r. w ponad 1300 obszarach leśnych na całym świecie, korzystając z danych z Międzynarodowego Banku Danych Słojów Drzew. Słoje te zapewniają wygodną historię wzrostu drzew i dzięki temu można dokładnie śledzić absorpcję węgla w ekosystemie, w którym one rosły.

Średnio wzrost pnia trwał od 2 do 4 lat, aby drzewo mogło się zregenerować do stanu przed ekstremalną suszą. Był on o około 9 procent wolniejszy w pierwszym roku po jej zakończeniu i o 5 procent wolniejszy w drugim roku po jej zakończeniu.

Za pomocą zestawu modeli CMIP5, naukowcy przeprowadzili symulacje efektów opóźnienia wśród roślin iglastych z rodziny sosnowatych Pinaceae i roślin liściastych z rodziny bukowatych Fagaceae. I doszli do wniosku, że w obszarach suchych najsilniej one oddziałują na gatunki iglaste.

Łagodne efekty opóźnienia, gdzie zaobserwowany wzrost pni drzew był wyższy niż przewidywano po suszy, były najczęstsze w Kalifornii i regionie Morza Śródziemnego (rys.111A).

Autorzy pracy piszą, że nasiona roślin nagozalążkowych, pod względem wielkości i czasu trwania, wykazywały silniejsze efekty opóźnienia niż okrytozalążkowych.

Ogólnie, podczas analizy dwóch wybranych rodzin drzew: Pinaceae – głównie sosny, i Fagaceae – głównie dęby (> 90% analizowanych chronologii), naukowcy zaobserwowali większy efekt opóźnienia u tej pierwszej rodziny niż u drugiej. I jak piszą w swojej pracy:

Choć sosny zazwyczaj występowały na stanowiskach suchszych niż dęby (średnie roczne opady dla sosen = 660 mm/rok; średnie dla dębów = 760 mm/rok), model uwzględniający interakcje między opadami a rodziną był bardzo istotny, co wskazuje, że takie interakcje były ważne.

Zarówno mokre, jak i suche siedliska sosny wykazywały silne negatywne skutki opóźnienia, podczas gdy mokre siedliska dębu wykazywały nieznacznie negatywne skutki opóźnienia, ale już suche siedliska dębu miały silnie pozytywne, czyli silnie łagodne skutki opóźnienia…..

Jak zostało stwierdzone w bazie danych, sosny wykazywały również silniejsze negatywne skutki efektów opóźnienia niż inna główna rodzina nagonasiennych – jałowcowate Cupressaceae. Czyli, wynik ten jest zgodny z ogólnie wyższą tolerancją na suszę tej drugiej rodziny niż tej pierwszej i ukazuje on mechanizm uszkodzeń hydraulicznych leżący u podstaw efektów opóźnienia wzrostu drzew. Były one najbardziej rozpowszechnione w suchych ekosystemach, wśród rodziny sosnowatych Pinaceae i wśród gatunków o niskim marginesie bezpieczeństwa hydraulicznego.

Naukowcy stwierdzili, że obecne modele klimatyczno-roślinne symulują ograniczone lub żadne skutki opóźnienia po suszy. A ich wyniki podkreśliły histerezę (czyli opóźnienie) obiegu węgla na poziomie ekosystemu i opóźnioną regenerację po ekstremalnych warunkach klimatycznych.

Podsumowując ten temat, naukowcy mówią, że jeszcze nie wiadomo, w jaki sposób susza powoduje tak długotrwałe szkody, zaproponowali trzy możliwe odpowiedzi:

  1. utrata zapasów liści i węglowodanów podczas suszy może osłabić wzrost w kolejnych latach
  2. w drzewach narażonych na suszę mogą gromadzić się szkodniki i choroby
  3. trwałe uszkodzenie tkanek naczyniowych może zaburzać transport wody

William Anderegg w serwisie Phys.Org powiedział:

Susza, zwłaszcza ta, która ma znaczenie dla lasów, dotyczy równowagi między opadami a parowaniem. Parowanie jest bardzo silnie powiązane z temperaturą. Fakt, że temperatury idą w górę sugeruje dość mocno, że zachodnie regiony USA będą miały częstsze i bardziej dotkliwe susze, co znacznie zmniejszy zdolność lasów do wyciągania węgla z atmosfery.

Tak samo badacze zwracają też szczególną uwagę na to, że ilość składowanego dwutlenku węgla w półpustynnych ekosystemach w ciągu 100 lat spadła o około 1,6 gigaton, czyli jest to równe ilości około jednej czwartej całej emisji w USA w ciągu roku.

Anderegg w tym samym serwisie jeszcze podkreślił:

W większości naszych obecnych modeli ekosystemów i klimatu wpływ suszy na lasy włącza się i wyłącza jak światło. Kiedy susza mija, modele zakładają, że odbudowa lasu jest całkowita i bliska natychmiastowej. Tak nie działa prawdziwy świat.

Fot. Narażony na stres wodny las w południowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych. Źródło: Leander Anderegg

Bibliografia:

1. Anderegg W. R. L. et al., 2015 ; Pervasive drought legacies in forest ecosystems and their implications for carbon cycle models ; Science ; https://www.researchgate.net/publication/280582920_FOREST_ECOLOGY_Pervasive_drought_legacies_in_forest_ecosystems_and_their_implications_for_carbon_cycle_models

2. University of Utah, 2015 ; Drought’s lasting impact on forests ; Phys.Org ; https://phys.org/news/2015-07-drought-impact-forests.html

Pomiary fal upałów

Od co najmniej początku XXI wieku nie ma dosłownie roku żebyśmy nie mieli do czynienia chociaż z jedną falą upałów. Niestety rośnie nie tylko ich częstotliwość i długość dni oraz natężenie, ale i również wielkość.

Obecnie najbardziej zagrożonymi obszarami są Indie i Pakistan oraz Stany Zjednoczone i nierzadko Europa Zachodnia oraz Australia. I im dłużej będziemy zwlekać z jak najszybszą redukcją emisji gazów cieplarnianych, tym bardziej fale upałów będą dotkliwsze dla nas ludzi oraz dla ekosystemów, zarówno lądowych, jak i morskich.

Sarah E. Perkins-Kirkpatrick z Centrum Badań Zmian Klimatu na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii w Sydney i S.C Lewis ze Szkoły Nauki Uniwersytetu Nowej Południowej Walii w Canberze, zaobserwowali, że globalnie trendy w częstotliwości fal upałów, ich czasu trwania oraz kumulacji ciepła od lat 50 XX wieku wyraźnie przyspieszyły. Również w skali regionalnej te trendy są zauważalne, także ze względu na wysokie zmienności klimatu. Z kolei trendy w średniej intensywności fal upałów są nieznaczne 1.

Naukowcy wzięli do badań okres 1950-2017 w celu wykrycia trendów zmian badanych parametrów.

W zestawach danych brytyjskiego Met Office – HadGHCND i kalifornijskiego Berkeley Earth – Berkeley Earth, widać wyraźnie, że pod kątem badań regionalnych zmian klimatu, częstotliwość fal upałów wzrosła znacząco prawie we wszystkich regionach Ziemi. W żadnym nie stwierdzono spadku. Podobnie wzrasta skumulowana częstotliwość fal upałów.

Z kolei wspomniana średnia intensywność wykazuje niewielkie zmiany wzrostowe, natomiast przybywa dni z falami upałów oraz wydłużają się one.

W modelu HadGHCND zastosowano quasi-globalną ocenę zmian fal upałów w okresie 1950-2011, gdyż zabrakło danych dla Ameryki Środkowej i Południowej, Bliskiego Wschodu, Indii, Indonezji, północnej Kanady i Grenlandii. Ponadto, ma on niezbyt dokładną rozdzielczość siatki przy 3,75° długości i 2,5° szerokości geograficznej

Z kolei model Berkeley Earth zapewnia znacznie większe pokrycie przestrzenne przy znacznie lepszej rozdzielczości, wynoszącej 1° długości geograficznej na 1° szerokości geograficznej. Ten dokładniejszy pomiar oceny zmian fal upałów jest analizowany w okresie lat 1950-2014.

W badaniu powyższym zastosowano nową metrykę pod względem badań fal upałów. Główna autorka pracy w serwisie The Conversation wyjaśnia co oznacza termin s skumulowane ciepło 2:

Załóżmy na przykład, że w konkretnej lokalizacji próg fali upałów wynosił około 30°C. „Dodatkowe ciepło” w dniu, w którym temperatury osiągają 35°C, wyniosłoby 5°C. Jeśli fala upałów trwała trzy dni, a wszystkie dni osiągnęły 35°C, to skumulowany upał dla tego wydarzenia wyniesie 15°C.

Skumulowane upały zazwyczaj mają miejsce wtedy, gdy sumuje się temperaturę powyżej tego progu we wszystkich dniach fali upałów.

Rys.1. Globalne mapy obserwowanych dekadowych trendów fal upałów.

Trendy w sezonowych dniach fali upałów (a , b); długość najdłuższej fali upałów (c , d); średnia intensywność fali upałów (e , f); oraz skumulowane ciepło (g , h) dla quasi-globalnego zbioru danych obserwacyjnych HadGHCND   (a , c , e , g) oraz globalnego zbioru danych obserwacyjnych Berkeley Earth (b , d , f , h) w latach 1950-2014. Trendy są wyrażone jako dni dekady -1 dla (a – d) i °C   dekady -1 dla (e – h)

(Sarah Perkins-Kirkpatrick i inni, 2020).

W najgorszym sezonie upałów w Australii w całym kraju wystąpiło dodatkowe 80°C skumulowanych dni upalnych. Natomiast w Rosji i na Morzu Śródziemnym, najbardziej ekstremalne sezony miały dodatkowe 200°C lub więcej.

W serwisie Science Daily dr Sarah Perkins Kirkpatrick powiedziała 3:

Nie tylko widzieliśmy coraz dłuższe fale upałów na całym świecie w ciągu ostatnich 70 lat, ale trend ten znacznie przyspieszył…

…Skumulowane upały wykazują podobne przyspieszenie, wzrastając globalnie średnio o 1 — 4,5°C co dekadę, ale w niektórych miejscach, takich jak Bliski Wschód oraz części Afryki i Ameryki Południowej, trend wynosi do 10°C na dekadę.

Przykładowo, gdy weźmiemy pod uwagę regiony na naszej planecie, to:

W basenie Morza Śródziemnego został zaobserwowany dramatyczny wzrost fal upałów, którego pomiary wykonuje się na przestrzeni kilkudziesięciu lat. W latach 1950-2017 na Morzu Śródziemnym fale upałów zaznaczyły wzrost o dwa dni na dekadę. Jednak już trend liczony od 1980 do 2017 roku wyraźnie przyśpieszył do 6,4 dnia na dekadę.

Również tak jak basen Morza Śródziemnego, regiony w Ameryce Południowej, takie jak Amazonia, północno-wschodnia Brazylia czy też region Azji Zachodniej, doświadczają dość gwałtownych zmian fal upałów, podczas gdy obszary takie jak Australia Południowa i Azja Północna wprawdzie doświadczają tych samych zmian, ale w znacznie wolniejszym tempie.

—–

Bradfield Lyon, profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie Maine i główny autor badania oraz jego współpracownicy: Anthony Barnston, główny prognostyk w Międzynarodowym Instytucie Badawczym Klimatu i Społeczeństwa Uniwersytetu Columbia; Ethan Coffel, adiunkt w Katedrze Geografii i Środowiska na Uniwersytecie w Syracuse oraz Radley M. Horton, profesor w Obserwatorium Ziemi Lamonta-Doherty’ego na Uniwersytecie Columbia, zwrócili uwagę, że obok intensywności i częstotliwości fali upałów poważnym problem staje się ich zasięg przestrzenny, co dotychczas w publikacjach naukowych raczej nie było omawiane 4.

Rys.2. Średnia z wielu modeli (MMM – Mean Multi-Model). Procent dni w ciepłej porze roku (maj-wrzesień) w ciągłych falach upałów (>95 percentyla przez 3 lub więcej kolejnych dni) dla historycznych przebiegów 1980-2005 (lewa kolumna) i prognoz na lata 2031-2055 (prawa kolumna) na podstawie forsowania RCP8.5.

(a) i (b) dotyczą maksymalnej temperatury dziennej, (c) i (d) dziennej maksymalnej temperatury odczuwalnej oraz (e) if) minimalnej temperatury dziennej.

Należy zauważyć, że różne skale kolorów różnią się o rząd wielkości między dwiema kolumnami.

(Bradfield Lyon i inni, 2019)

W swojej pracy naukowcy obliczyli, że już do połowy wieku, w scenariuszu średniej emisji gazów cieplarnianych, średni rozmiar fal upałów może wzrosnąć aż o 50%. Natomiast przy wysokich stężeniach gazów cieplarnianych średni rozmiar tychże fal upałów może wzrosnąć nawet o 80%, a jeszcze bardziej ekstremalne fale upałów mogą zwiększyć swój zasięg nawet ponad dwukrotnie.

Profesor Bradfield Lyon, główny autor pracy, dla serwisu Science Daily powiedział 5:

Wraz ze wzrostem fizycznych rozmiarów dotkniętych falami upałów regionów coraz więcej osób będzie narażonych na stres cieplny.

Większe fale upałów zwiększyłyby również obciążenia elektryczne i szczytowe zapotrzebowanie na energię w sieci, ponieważ coraz więcej osób i firm włącza w odpowiedzi klimatyzację.

Naukowcy zauważyli też, że szczególnie trzeba poważnie wziąć pod uwagę zasięg przestrzenny sąsiadujących regionów jednocześnie doświadczających warunków fal upałów. W przyszłości regiony sąsiedzkie mogą się na siebie nakładać, co będzie skutkowało złączeniem się ich w jeden ogromny obszar, nad którym pojawi się długotrwała, uciążliwa fala upału, która wpłynie na koszty adaptacji ludzi i zwierząt do takich ekstremalnych warunków pogodowych.

W badaniu naukowcy odkryli, że rozmiary fali upałów i narażonej danej populacji objętej tym zjawiskiem pogodowym są mocno skorelowane z  atrybutami fali upałów, takimi jak czas trwania, wielkość i stopniodni chłodzenia (miara zużycia energii), które mogą znacznie wzrosnąć.

Profesor Bradfield w tym samym serwisie podkreślił następującą uwagę:

Wzrost atrybutów, takich jak wielkość i czas trwania, jest zgodny z oczekiwaniami dotyczącymi ocieplenia klimatu. Nowością w naszym badaniu jest sposób, w jaki je obliczyliśmy, co pozwoliło nam uznać rozmiar za nowy wymiar fali upałów.

Poprzednie badania generalnie obliczały statystyki fal upałów na poziomie lokalnym – obliczając atrybuty, takie jak częstotliwość dla każdej lokalizacji lub punkt siatki, a następnie agregując wyniki, aby zobaczyć wzorce przestrzenne. W tym badaniu autorzy śledzili fale upałów i określili ilościowo ich atrybuty jako połączonych regionów, które poruszają się i zmieniają rozmiar i siłę w ciągu swojego życia.

Z kolei Anthony Barnston, współautor badania dodał w Science Daily:

Jeśli mamy dużą, ciągłą falę upałów na gęsto zaludnionym obszarze, trudniej byłoby temu obszarowi zaspokoić szczytowe zapotrzebowanie na energię elektryczną niż w przypadku kilku obszarów o mniejszych falach upałów, które po połączeniu mają ten sam rozmiar.

Te nowatorskie odkrycie przestrzennych rozległych fal upałów ma posłużyć w planowaniu strategicznym w zabezpieczeniu energetycznym, zdrowotnym, żywieniowym ludności oraz zwierząt przed możliwym powtórzeniem się ich w niedalekiej przyszłości.

—–

Praca badawcza zespołu George’a Zittisa z Instytutu Cypryjskiego wyjaśnia wielomodelowy zespół projekcji klimatycznych zaprojektowany wyłącznie dla danego obszaru geograficznego 6.

Naukowcy scharakteryzowali przyszłe okresy ekstremalnie gorących dni za pomocą wskaźnika wielkości fal upałów.

Główny autor pracy dla serwisu Science Daily powiedział 7:

Nasze wyniki dotyczące ścieżki biznesowej jak zwykle wskazują, że szczególnie w drugiej połowie tego stulecia pojawią się bezprecedensowe super i ultraekstremalne fale upałów.

Naukowcy ostrzegają, że przy kontynuacji scenariusza wysokich emisji, według scenariusza „biznes jak zwykle”, zdarzenia te będą miały coraz częstszy związek z nadmiernie wysokimi temperaturami dochodzącymi nawet do 56 stopni Celsjusza, a także znacznie wyższymi w warunkach miejskich i mogą one utrzymywać się przez wiele tygodni, potencjalnie zagrażając życiu ludzi i zwierząt. Np. Imprezy masowe w regionie Bliskiego Wschodu i Afryki Północnej MENA – Middle East and North Africa), takie jak Pielgrzymka Muzułmańska, inaczej Hadżdż, mogą być szczególnie narażone na ekstremalne upały. W drugiej połowie stulecia około połowa populacji tamtejszej, licząca około 600 milionów ludzi, może być narażona na takie powtarzające się co roku ekstremalne warunki pogodowe.

Rys.3. Przewidywane zmiany temperatury maksymalnej.

Krzywe gęstości prawdopodobieństwa dla symulowanej historycznej i przewidywanej w bliższym i dalszym czasie temperatury w rejonie MENA:

  1. a) średniej w ciepłej porze roku
  2. b) maksymalnej w ciepłej porze roku

(George Zittis i inni, 2021)

 

Dokonując analizy historycznych i przyszłych fal upałów, zespół Zittisa zbadał znaczenie statystyczne przewidywanego w przyszłości sygnału zmiany klimatu.

Konkretnie zbadano średnią maksymalną dzienną temperaturę powietrza blisko powierzchni (TASMAX – Daily Maximum Near-Surface Air Temperature) w ciepłym sezonie, przy zastosowaniu testu t- Studenta.

Naukowcy przewidują, że już w ciągu najbliższych kilku dekad (2021–2050) TASMAX będzie mieć statystycznie znacznie wyższe średnie (przy 95% przedziale ufności) dla większości obszarów.

Istnieje przekonująca zgodność między różnymi eksperymentami, ponieważ co najmniej 90% prognoz prognoz skoordynowanego regionalnego eksperymentu zmniejszania skali w regionie Bliskiego Wschodu i Afryki Północnej (MENA-CORDEX – Middle East-North Africa-Coordinated Regional Downscaling Experiment) sugeruje znaczący wpływ zmiany klimatu. A pod koniec obecnego stulecia (2071–2100) dla prawie każdej części regionu, nasze wyniki zbiorowe wskazują na statystycznie istotne zmiany maksymalnej dobowej temperatury. Wyniki te zgadzają się z wcześniejszymi badaniami dla regionu.

Początkowe symulacje w modelu MENA-CORDEX, od 1981 roku do około 2020 roku, mają przebiegi średnio „normalne” i „umiarkowane” pod względem fal upałów. Modele te ukazują jednak coraz wyraźniej w najbliższej przyszłości, przechodzenie do zdarzeń „ciężkich”, „ekstremalnych” i „bardzo ekstremalnych” w latach 2050-2070. Przewiduje się, że w kolejnych dekadach i pod koniec XXI wieku warunki termiczne w regionie staną się szczególnie trudne, ponieważ nieobserwowane do tej pory, a tym samym bezprecedensowe „super-ekstremalne” i „ultra-ekstremalne” zdarzenia mają być powszechne w ramach reprezentatywnej ścieżki koncentracji RCP 8.5, czyli „biznes jak zwykle”.

Współautor artykułu, Jos Lelieveld, dyrektor Instytutu Chemii im. Maxa Plancka, dla Science Daily mówi:

Obywatele podatni na zagrożenia mogą nie mieć środków, aby przystosować się do tak trudnych warunków środowiskowych. Te fale upałów w połączeniu z regionalnymi czynnikami gospodarczymi, politycznymi, społecznymi i demograficznymi mają duży potencjał, aby spowodować masową, przymusową migrację do chłodniejszych regionów na północy.

Naukowcy apelują o natychmiastową redukcję gazów cieplarnianych i podejmowanie rozwiązań adaptacyjnych w ciężkich warunkach miejskich.

W ciągu najbliższych 50 lat prawie 90 procent narażonej populacji na fale upałów w regionie Bliskiego Wschodu i Afryki Północnej (MENA) będzie mieszkać w ośrodkach miejskich, które niestety będą musiały radzić sobie z tymi destrukcyjnymi społecznie warunkami pogodowymi, jeśli ludzkość dalej będzie emitować gazy cieplarniane do atmosfery.

Zittis na podstawie analizy badawczej podsumowuje następujący fakt:

Istnieje pilna potrzeba uczynienia miast bardziej odpornymi na zmiany klimatu.

Bibliografia:

  1. Perkins-Kirkpatrick S. E. et al., 2020 ; Increasing trends in regional heatwaves ; Nature Communications ; https://www.nature.com/articles/s41467-020-16970-7
  2. Perkins-Kirkpatrick S. E., 2020 ; The world endured 2 extra heatwave days per decade since 1950 – but the worst is yet to come ; The Conversation ; https://theconversation.com/the-world-endured-2-extra-heatwave-days-per-decade-since-1950-but-the-worst-is-yet-to-come-141983
  3. University of New South Wales, 2020 ; Heatwave trends accelerate worldwide ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2020/07/200706114005.htm
  4. Bradfield L. et al., 2019 ; Projected increase in the spatial extent of contiguous US summer heat waves and associated attributes ; Environmental Research Letters ; https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/ab4b41
  5. NOAA Headquarters, 2019 ; Heat waves could increase substantially in size by mid-century ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2019/10/191007180051.htm
  6. Zittis G., 2021 ; Business-as-usual will lead to super and ultra-extreme heatwaves in the Middle East and North Africa ; Nature Climate and Atmospheric Science ; https://www.nature.com/articles/s41612-021-00178-7
  7. Max Planck Institute for Chemistry, 2021 ; Extreme temperatures, heat stress and forced migration ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2021/03/210324094656.htm

Badania satelitarne strumieni węgla

Cykl węglowy jest najbardziej podstawowym cyklem biogeochemicznym na Ziemi, ale jego znaczna część pozostaje zagadkowa. Wiadomo nam, że jest zakłócany poprzez spalanie paliw kopalnych oraz zmiany użytkowania terenu.

Węgiel jako pierwiastek chemiczny w procesie spalania łączy się z atmosferycznym tlenem (O2), a podczas deforestacji, karczowania, osuszania mokradeł, gdy powstaje w warunkach tlenowych, to trafia do atmosfery jako związek chemiczny dwutlenek węgla (CO2), a w warunkach beztlenowych jako metan (CH4). I tak powstająca nadwyżka dwutlenku węgla w atmosferze ma już pochodzenie antropogeniczne. Jedna jej połowa zostaje w atmosferze, a druga połowa jest absorbowana przez lądy i oceany.

Węgiel naturalnego pochodzenia uczestniczy w cyklu węglowym. I jest nie tylko wydzielany, ale i też pochłaniany przez oceany i gleby. Z kolei w przypadku roślinności na Ziemi, zachodzi fotosynteza, czyli pochłanianie atmosferycznego dwutlenku węgla, w porze dziennej przez wszystkie rośliny i glony oraz wydzielanie w tym samym czasie tlenu. Jednak wyjątek stanowią rośliny tzw. typu C3 (których jest większość na Ziemi), które w porze nocnej dodatkowo wydzielają dwutlenek węgla. Ponadto ten gaz jest wydzielany do atmosfery przez rośliny po ich śmierci.

Z kolei zwierzęta i grzyby tylko CO2 wydzielają do atmosfery, za to absorbując tlen, zarówno w porze dziennej, jak i nocnej.

Pośmiertna zespołowa praca, której głównym autorem był zmarły w grudniu 2016 roku Piers J. Sellers – dyrektor Wydziału Nauk o Ziemi w Goddard Space Flight Center NASA w Greenbelt, to jeden z kamieni milowych na temat satelitarnych badań węgla w atmosferze Ziemi i jego interakcji z lądem oraz z oceanem 1.

W powyższym artykule Sellers i jego współpracownicy zbadali „sprzężenia zwrotne obiegu węgla i klimatu” – potencjalną odpowiedź systemów naturalnych na zmiany klimatyczne spowodowane przez emisje człowieka.

Naukowcy zastanawiają się, jak wymiana węgla wpłynie na interakcje pomiędzy lądem, oceanem a powietrzem. Nie są pewni jak dalszy wzrost temperatury globalnej wpłynie na dalsze procesy absorpcji węgla przez lasy i oceany, które w pewnym sensie na razie są buforami spowolnienia ocieplania się klimatu w atmosferze, od której my ludzie oraz wiele zwierząt lądowych jest zależnych. Można zadać pytanie czy pochłanianie netto węgla przez lądy i oceany zmniejszy się czy też te rezerwuary węgla będą powoli stawać się źródłami netto węgla?

Rys.1. Sprzężenia zwrotne systemu ziemskiego prowadzą do pochłaniaczy, które pochłaniają około połowy emisji antropogenicznych, a pozostała część przyczynia się do wzrostu atmosferycznego węgla.

Strumienie węgla pochodzą z globalnego budżetu węglowego „Global Carbon Budget” (Le Quéré et al., 2015).

Ten budżet nie jest zbilansowany i zawiera szczątkowy strumień wynoszący 0,6 Pg/rok.

(Piers Sellers i inni, 2018)

David Schimel, naukowiec z Laboratorium Napędów Odrzutowych (JPL – Jet Propulsion Laboratory) w Pasadenie oraz wieloletni współpracownik naukowy Sellersa, będący także współautorem artykułu odpowiedział:

Wszyscy postrzegaliśmy zrozumienie przyszłości sprzężeń zwrotnych obiegu węgla jako jedno z największych wyzwań nauki o zmianie klimatu.

—-

W 2014 roku NASA wystrzeliła satelitę Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2), po to by bezpośrednio mierzyć stężenie dwutlenku węgla w atmosferze. A wraz z dalszym postępem w zakresie pomiarów i technik modelowania komputerowego, naukowcy coraz lepiej rozumieją w swoich symulacjach w jaki sposób węgiel przepływa pomiędzy atmosferą, lądem a oceanem.

Zadaniem OCO-2 jest gromadzenie globalnych pomiarów z wystarczającą precyzją, pokryciem i rozdzielczością, aby pomóc w identyfikacji źródeł i pochłaniaczy CO2.

Interesujące i zbliżone prace na ten temat, w kontekście satelitarnych badań koncentracji dwutlenku węgla, pokazali w tym samym czasie naukowcy, tacy jak Annmarie Eldering, Junjie Liu i Florian Schwandner, pracujący w Laboratorium Napędów Odrzutowych (JPL) na Technologicznym Instytucie Kalifornijskim w Pasadenie w Kalifornii.

—-

Pierwsza praca zespołowa, której autorką była Annmarie Eldering wyjaśnia nam wiele tematów 2.

Jednym z nich jest przyjrzenie się uważne, że tropikalne regiony Ameryki Południowej, Afryki środkowej i Azji południowo-wschodniej podczas silnego El Niño 2015-16 wyemitowały do atmosfery wielokrotnie więcej dwutlenku węgla niż w okresie 2010-11 podczas silnej La Niña.

Ten temat wyjaśnia nam, że procesy zachodzące w rytmie pór roku podczas regionalnych zmian stężeń CO2 w cyklu węglowym na półkuli północnej mają charakter cykliczny. Koncentracja CO2 na półkuli północnej spada wiosną i latem, gdy kwitnące i owocujące rośliny pobierają ten gaz z powietrza, natomiast wzrasta jesienią i zimą w trakcie występującego wówczas rozkładu materii organicznej z rozkładającej się roślinności oraz z procesu wyhamowania fotosyntezy, gdy w strefie umiarkowanej drzewa wtedy gubią liście. W ten sposób CO2 wraca w większej ilości z powrotem do atmosfery. Na fluktuacje sezonowe wzrostu i spadku stężenia dwutlenku węgla w atmosferze nakłada się też stały wzrost koncentracji CO2 w atmosferze związany ze spalaniem paliw kopalnych podczas zwiększonego ogrzewania mieszkań i domów użyteczności publicznej.

Rys.2. Wpływ El Niño na strumień węgla w 2015 r. W stosunku do 2011 r., Wykryty na podstawie danych z satelity Greenhouse Gases Observing Satellite (GOSAT) i OCO-2 (Anmarie Eldering i inni, 2017).

—–

Interesujące jest też badanie zespołu badawczego Junjie Liu, w którym naukowcy połączyli dane pomiarowe satelity OCO-2 z danymi zebranymi za pomocą innych satelitów 3.

Ostatecznie, pokazały one, że opisane, także przez zespoły Eldering i Liu, tropikalne regiony Ameryki Południowej, Afryki i Azji, podczas bardzo silnego El Niño wyemitowały do atmosfery w 2015 roku aż 2,5 GtC (gigaton węgla) więcej niż w 2011 roku, gdy była bardzo silna La Niña, czyli blisko o ¼ , tyle, ile wynoszą łącznie emisje antropogeniczne. Jak się okazało, ekstremalnie wysokie temperatury towarzyszące falom upałów, suszom i pożarom sprzyjały temu, że do atmosfery w tropikach trafiało więcej dwutlenku węgla z gleb, roślinności i zapewne z oceanów.

Rys.3. Zróżnicowane anomalie czynników klimatycznych i reakcje cyklu węglowego na El Niño 2015–2016 na trzech kontynentach tropikalnych tropikalnych (Jiunjie Liu i inni, 2017).

 

Z kolei Florian Schwandner i jego współpracownicy przyjrzeli się dokładniej analizie satelitarnej, w której na trzech obszarach tropikalnych, opisanych przez Elderinga i Liu, procesy pokazujące wzrost emisji były różne 4.

I tak przykładowo:

W Ameryce Południowej przyczyną emisji był brak deszczu przynoszący suszę. Z kolei w Afryce, chociaż wzrost roślin był normalny, emisje wzmacniały temperatury regionalne, które były wyższe od średniej temperatury, a to prowadziło do szybszego rozkładu materii organicznej. Natomiast w Azji główną przyczyną emisji były pożary podczas suszy w wielu regionach silnie wylesionych.

Przyszłość naszego klimatu jest niepewna. Anomalnie wysokie temperatury, susze oraz pożary najprawdopodobniej przyczynią się do dodatkowych emisji CO2 i dalszego nasilenia się ocieplania klimatu.

Rys.4. Pomiary stężeń CO2 próbkowane w prostokątach 1,3 x 2,25 km, wykonane przez OCO-2 podczas jednego z przelotów nad Los Angeles. Źródło Schwander i in., 2018.

 

Marcin Popkiewicz w artykule „Satelitarne obserwacje stężeń źródeł emisji i miejsc pochłaniania CO2”, w serwisie Nauka o klimacie, pisze 5:

Przykładowo, dane zebrane podczas przelotów OCO-2 nad Los Angeles (rysunek 8) wykazały, że koncentracje CO2 w próbkowanych obszarach nad centrum miasta przy korzystnych warunkach wiatrowych były o 4,4-6,1 ppm wyższe niż w leżących 100 km dalej terenach pozamiejskich. Podobnie rejestrowane są też emisje CO2 z aktywnych wulkanów oraz ich zmiany wraz ze zmianami aktywności, rejestrowanej równolegle za pomocą znajdujących się na innych satelitach detektorów SO2 (dwutlenku siarki).

Referencje:

  1. Sellers P. J. et al., 2016 ; Observing carbon cycle–climate feedbacks from space ; Proceedings of the National Academy of Sciences ; https://www.pnas.org/content/115/31/7860
  2. Eldering A. et al., 2017 ; The Orbiting Carbon Observatory-2 early science investigations of regional carbon dioxide fluxes ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aam5745
  3. Liu J. et al., 2017 ; Contrasting carbon cycle responses of the tropical continents to the 2015–2016 El Niño ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aam5690
  4. Schwandner F. M. et al., 2017 ; Spaceborne detection of localized carbon dioxide sources ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aam5782
  5. Popkiewicz M., 2018 ; Satelitarne obserwacje stężeń, źródeł emisji i miejsc pochłaniania CO2 ; Nauka o klimacie : https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/satelitarne-obserwacje-stezen-zrodel-emisji-i-miejsc-pochlaniania-co2-293/

Wyższa czułość klimatu według CMIP6

Czułość klimatu jest to odpowiedź globalnej temperatury Ziemi na podwojenie stężenia dwutlenku węgla. Obliczamy ją od umownego okresu w 1750 r., gdy rozpoczęto spalać paliwa kopalne. Wówczas średnia globalna koncentracja (stężenie) dwutlenku węgla wynosiła 280 ppm (parts per milion). Dziś wynosi 415 ppm. W latach 2070-2100 przy kontynuacji scenariusza wysokich emisji gazów cieplarnianych (GHG) wyniosłaby ona 560 ppm.
Prawdopodobnie średnia czułości klimatu wówczas będzie wyższa niż 3 stopnie Celsjusza, która taka była podczas ustalania V Raportu Oceny IPCC w latach 2013-14. Obecnie trwa jeszcze weryfikacja VI Raportu Oceny IPCC (2021-2022), po którego zakończeniu pod koniec 2022 roku, najprawdopodobniej zostanie w końcu ustalona nowa wyższa średnia czułości klimatu.
—-
Według wspomnianego V Raportu IPCC modele klimatyczne projektu porównywania modeli sprzężonych (CMIP5 – Coupled Model Intercomparison Project) pokazują równowagową czułość klimatu (ECS – Equilibrium Climate Sensitivity) wynoszącą 3 stopnie Celsjusza powyżej okresu przedprzemysłowego..
—-
—-
Rys.1. Zakres równowagowej czułości klimatu (ECS – Equilibrium Climate Sensitivity) z nowego badania dla wyników podstawowych (czarny kolor), z piątego raportu oceny IPCC (AR5 – Assessment Report 5) (niebieski kolor), ostatniej generacji projektu porównywania połączonych modeli sprzężonych klimatu w fazie 5 (CMIP5 – Coupled Model Intercomparision Project) (żółty kolor) oraz nowych sprzężonych modeli klimatycznych w fazie 6 (CMIP6) (pomarańczowy kolor).
W przypadku wyników badań Sherwooda i in. oraz z AR5, prawdopodobną czułość klimatu (zakres 66%) pokazują grube słupki, natomiast bardzo prawdopodobną czułość (zakres 90%) przedstawiają cienkie słupki.
Wykres według Carbon Brief przy użyciu Highcharts.
—-
Zespół naukowy pod kierownictwem Stevena Sherwooda, profesora meteorologii fizycznej i dynamiki klimatu atmosferycznego na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii w Sydney, obliczył na podstawie własnych modeli, metod statystycznych oraz miar: równowagowej czułości klimatu (ECS) i przejściowej reakcji klimatycznej (TCR – Transient Reaction Climate), że czułość klimatu może mieć przedział w zakresie 2,6-4,1 stopni Celsjusza. A więc, najwyższa czułość klimatu przy najwyższym ówczesnym badanym scenariuszu emisji RCP 8.5, to 4,1 °C , a nie 4,5 °C , o którym mówiono już nie tylko w V Raporcie IPCC z 2013 roku, ale i nawet w IV z 2007 roku.
Do obliczeń równowagowej czułości klimatu (ECS) oraz przejściowej reakcji klimatycznej (TCR) wykorzystano szeroki zestaw modeli klimatycznych GCM (Global Climate Model), biorąc pod uwagę szereg sprzężeń zwrotnych, zwłaszcza związanych z chmurami.
—-
Jedna z pierwszych prac naukowych na temat modeli najnowszej generacji CMIP6 ukazała się w 2016 roku.
Wykonawcami jej jest zespół badawczy Veroniki Eyring badaczki z Niemieckiego Centrum Lotniczego (DLR) oraz Instytutu Fizyki Atmosfery w Oberpfaffenhofen w Niemczech.
Naukowcy pokazali w swojej pracy wyższy wskaźnik czułości klimatu, który wyniósł prawie 6 stopni Celsjusza w stosunku do okresu przedprzemysłowego.
Piotr Florek pracujący na co dzień w brytyjskim Met Office Hadley Centre pisze na łamach serwisu Nauka o klimacie w artykule „Wyższa czułość klimatu w nowym raporcie IPCC”:
Dla klimatologów nie jest wielkim zaskoczeniem, że wysoka czułość jest powiązana z klimatycznymi sprzężeniami zwrotnymi, i że główną rolę przynajmniej w części modeli (np. amerykańskiej rodzinie CESM2, kanadyjskim CanESM5, francuskich CNRM-CM6-1 i CNRM-ESM2-1 oraz brytyjskich HadGEM3-GC3.1 i UKESM1) odgrywają tutaj zmiany zachmurzenia na ocieplającej się planecie, oraz wpływ, jaki na tworzenie się chmur mają drobne cząsteczki zwane aerozolem, zarówno naturalnego, jak i antropogenicznego pochodzenia.
—-
—-
Rys.2. Schemat eksperymentalnego projektu CMIP/CMIP6 i 21 zatwierdzonych przez CMIP6 MIP. (Graham Simpkins, 2017).
—-
W serwisie Carbon Brief dowiadujemy się na temat schematu projektu eksperymentalnego CMIP/CMIP6 na temat diagnostycznych, ewaluacyjnych i charakterystycznych cech klimatu (DECK – Diagnosis, Evaluation, Characterization of Klima):
Eksperymenty w CMIP6 obejmują podstawowe symulacje „diagnostyczne” (zwane DECK ), w których CO2 wzrasta o 1% rocznie lub nagle czterokrotnie, lub gdzie wymuszane zmiany klimatyczne pozostają względnie niezmienione przez długi czas. Obejmują one historyczne przebiegi napędzane obserwowanymi zmianami CO2 i innymi czynnikami klimatycznymi oraz scenariusze przyszłych emisji w XXI wieku i później.
Ponadto istnieją 22 specjalistyczne eksperymenty (23, w tym scenariusze przyszłych emisji), w których grupy zajmujące się modelowaniem mogą wziąć udział. Eksperymenty te – zwane porównawczymi projektami modeli (MIP – Model Intercomparison Projects) – dostarczają użytecznych ocen zmian klimatu poza tymi w podstawowej diagnostyce i symulacje historyczne. Na przykład w eksperymencie GeoMIP różne grupy modelujące symulują wpływ różnych typów geoinżynierii na klimat. Na poniższym rysunku pokazano procedury MIP zawarte w CMIP6.
Poniżej zostały wymienione procedury MIP zawarte w CMIP6 – opisane na rys.32.:
Projekt porównywania modeli aerozoli i chemii (AerChemMIP)
Projekt porównawczy dla połączonego klimatycznego cyklu węglowego (CMIP4)
Projekt porównywania modeli usuwania dwutlenku węgla (CDRMIP)
Projekt porównywania modeli sprzężeń zwrotnych w chmurze (CFMIP)
Projekt porównywania modeli detekcji i atrybucji (DAMIP)
Dekadalny projekt prognozy klimatycznej (DCPP)
Projekt porównywania modeli wymuszonych przez anomalię strumienia (FAFMIP)
Projekt porównywania modeli geoinżynieryjnych (GeoMIP)
Globalny projekt porównawczy modeli monsunów (GMMIP)
Projekt porównywania modeli o wysokiej rozdzielczości (HighResMIP)
Projekt porównywania modeli lądolodu dla CMIP6 (ISMIP6)
Wilgotność powierzchni ziemi, śniegu i gleby (LS3MIP)
Projekt porównywania modeli użytkowania gruntów (LUMIP)
Projekt porównywania modeli oceanicznych (OMIP)
Projekt porównywania polarnych modeli amplifikacji (PAMIP)
Projekt porównawczy modelowania paleoklimatycznego (PMIP)
Projekt porównywania modeli wymuszania radiacyjnego (RFMIP)
Projekt porównania modeli scenariuszy (ScenarioMIP)
Projekt porównawczy modeli sił wulkanicznych (VolMIP)
Skoordynowany regionalny eksperyment zmniejszania skali klimatu (CORDEX)
Projekt porównywania modeli dynamiki i zmienności (DynVarMIP)
Projekt porównywania modeli lodu morskiego (SIMIP)
Rada Doradcza ds. Usług Podatności, Oddziaływania, Adaptacji i Klimatu (VIACS AB)
—-
Przed pojawieniem się VI Raportu Oceny IPCC, ukazała się bardzo niedawno jeszcze jedna bardzo ważna praca naukowa na temat wyższej czułości klimatu, opracowana na podstawie tego samego zestawu modeli.
Najnowszy model CMIP6, zaprezentowany przez instytucję badawczą Met Office HadCRUT, który ukazał się w VI Raporcie IPCC jesienią w 2021 roku, już pokazuje zakres czułości klimatu od stosunkowo niskich wartości 1,8 °C do wysokich wartości 5,6 °C. Zakres tej czułości klimatu omówił Mark D. Zelinka, wraz ze swoimi współpracownikami z Narodowego Laboratorium (Lawrence Livermore National Laboratory) w Kalifornii:
Dotkliwość zmian klimatu jest ściśle związana z tym, jak bardzo Ziemia się ociepla w odpowiedzi na wzrost emisji gazów cieplarnianych. Tutaj dowiadujemy się, że reakcja temperaturowa na nagły czterokrotny wzrost atmosferycznego dwutlenku węgla znacznie wzrosła w najnowszej generacji globalnych modeli klimatycznych. Dzieje się tak głównie dlatego, że jest coraz niższa zawartość wody w chmurach i bardzo silnie zmniejsza się ich zasięg wraz z postępującym globalnym ociepleniem, powodując zwiększoną absorpcję światła słonecznego przez planetę – wzmacniające sprzężenie zwrotne, które ostatecznie skutkuje jeszcze większym ociepleniem.
Różnice w fizycznej reprezentacji chmur w modelach napędzają tę zwiększoną czułość w porównaniu z poprzednią generacją modeli. Istotne jest ustalenie, czy najnowsze modele, które przypuszczalnie lepiej prezentują system klimatyczny niż ich poprzednicy.
—-
Referencje:
Forster P. et al., 2020 ; Guest post: Why low-end ‘climate sensitivity’ can now be ruled out ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/guest-post-why-low-end-climate-sensitivity-can-now-be-ruled-out
Sherwood S. C. et al., 2020 ; An Assessment of Earth’s Climate Sensitivity Using Multiple Lines of Evidence ; Reviews of Geophysics ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019RG000678
Eyring V. et al., 2016 ; Overview of the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) experimental design and organization ; Geoscience Model Development ; https://gmd.copernicus.org/articles/9/1937/2016/gmd-9-1937-2016.pdf
Florek P., 2019 ; Wyższa czułość klimatu w nowym raporcie IPCC? ; Nauka o klimacie ; https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/wyzsza-czulosc-klimatu-w-nowym-raporcie-ipcc-384/
Hausfather Z., 2019 ; CMIP6: the next generation of climate models explained ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/cmip6-the-next-generation-of-climate-models-explained
Zelinka M. D. et al., 2021 ; Causes of Higher Climate Sensitivity in CMIP6 Models ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019GL085782

Kenozoik – stany termiczne klimatu w skali geologicznej

Aby dokładniej oszacować prawdopodobieństwo przyszłego ocieplenia klimatu, naukowcy badają nie tylko rzeczywisty stan systemu klimatycznego Ziemi czy prawdopodobny w jej przyszłości, ale również uważniej przyglądają się, jak w przeszłości geologicznej przebiegał klimat, a zwłaszcza jego znacznie większe ocieplenie od współczesnego.
Dzięki coraz lepiej zaawansowanym technikom pomiarowym, po 50 latach żmudnych badań pośrednich (proxies), coraz lepiej poznajemy przeszłość geologiczną pod względem zmian klimatu.
Zarówno bliższą, jak i dalszą przeszłość klimatu, bada się metodami izotopowymi, za pomocą których ustala się zegar geologiczny.
Czyli, w zakres bliższej przyszłości wchodzą głównie badania słojów drzew i rdzeni lodowych, rdzeni koralowców, stalagmitów, aparatów szparkowych, pyłków kopalnych oraz aktywności słonecznej. Natomiast w zakres dalszej przyszłości wchodzą już badania głównie tzw. paleozoli (gleb kopalnych), odwiertów głębinowych w osadach morskich i jeziornych; organizmów morskich: pancerzyków i muszli wymarłych bezkręgowców, np. otwornic bentosowych, molekuł atomów węgla w organizmach glonów, tzw. alkenonów, archeowców, jak np. paleotermometr TEX 86.
Wszystkie powyżej wymienione badania odegrały kluczową rolę w rekonstrukcji klimatu całej ery kenozoicznej. W szczególności paleowskaźnik TEX 86 przyczynił się do ustalenia względnej rozdzielczości czasowej w zbadaniu nie tylko ery mezozoicznej i paleozoicznej w naszym eonie fanerozoiku, ale i także eonów starszych jak proterozoik i archaik). W szczególności z roku na rok są coraz bardziej udoskonalane prace badawcze pod kątem obserwacji temperatur w poszczególnych okresach, a w bliższej przyszłości, także w wyższej rodzielczości czasowej, w epokach geologicznych podanych w danych okresach. A te z kolei są sklasyfikowane w erach. No a te w eonach.
Temat paleowskaźnika TEX 86 został szeroko opisany przez Jessicę E. Tierney z Instytutu Oceanograficznego Woods Hole oraz przez Martina P. Stangleya z Wydziału Statystyki i Meteorologii, w Stanowym Uniwersytecie Pensylwanii.
—-
—-
Fot. Pokryte żłobieniami czerwone i brązowe paleozole w Painted Hills of John Day Fossil Beds National Monument, Oregon
—-
W dalszej przeszłości geologicznej na dynamikę systemu klimatycznego Ziemi miały wpływ różnorodne czynniki, jak geologiczne (tektonika płyt) czy typowo fizyczne atmosferyczne i hydrologiczne (cyrkulacje atmosferyczne i oceaniczne). W historii Ziemi, na zmienności i zmiany klimatu miał także chociaż jeden czynnik pozaziemski, jak np. asteroida. Najlepiej opisany i poznany z końca mezozoicznego okresu kredy i początku kenozoicznego paleogenu.
Era kenozoiczna przez bardzo długi czas nie była dokładnie zbadana pod względem zrozumienia dynamiki systemu klimatycznego naszej planety. W szczególności słabo było to ujęte, przez 34 milionów lat temu.
—-
Badanie z września 2020 roku przedstawione w Science, ukazało nam nowe oblicze klimatu kenozoicznego.
Główny autor publikacji, Thomas Westerhold z Centrum Nauk o Środowisku Morskim (MARUM – Centre for Marine Environmental Sciences) na Uniwersytecie w Bremie, tłumaczy:
Naszym celem było stworzenie nowego zestawu danych o przeszłości klimatu, który nie tylko uwzględnia dane o najwyższej rozdzielczości, ale także jest precyzyjniej datowany. Wiemy teraz dokładniej, kiedy na naszej planecie było cieplej lub zimniej, a także lepiej rozumiemy rządzącą tymi zmianami dynamikę… To był ogromny wspólny wysiłek wielu kolegów z całego świata, aby odzyskać próbki materiału, przeanalizować je i skompilować do postaci jednej krzywej.
Współautor, Norbert Marwan z Poczdamskiego Instytutu Badań nad Wpływem Klimatu (PIK), dodaje ważną uwagę:
Nasze analizy matematyczne ujawniły to, co z początku trudno w danych z osadów zauważyć – ukryte zależności i powtarzające się wzorce w klimacie. Spojrzenie w przeszłość jest więc również spojrzeniem w przyszłość. Z powolnych naturalnych fluktuacji klimatycznych zachodzących na przestrzeni milionów lat możemy wyciągnąć wnioski na temat oszałamiająco szybkich antropogenicznych zmian w naszym obecnym stuleciu.
W ramach obecnego wielkiego projektu paleoklimatologicznego International Ocean Discovery Program (IODP) oraz jego poprzedników w ciągu minionego pół wieku, podczas międzynarodowych ekspedycji wiertniczych na dnach oceanów udało się naukowcom skompletować wyniki badań przeszłego klimatu. Od początku XXI wieku położono duży nacisk na badania starsze niż 34 miliony lat, a więc, zanim na Antarktydzie pojawił się pierwszy lód.
—-
Wprawdzie pierwszych analiz rekonstrukcji klimatu kenozoicznego podjął się już w 2001 roku, James Zachos, pracownik Wydziału Nauk o Ziemi na Uniwersytecie Kalifornijskim, wraz ze swoim zespołem badawczym, ale pierwsza połowa kenozoiku w okresie ciepłym od 65 do 34 milionów lat nie została opisana dokładniej, chociaż już wtedy dokładniej opisano hipertermiczny epizod zwany PETM (Paleoceńsko-Eoceńskie Maksimum Termiczne), który miał miejsce 56 milionów lat temu. I właśnie ten stan klimatu nazwany został cieplarnianym, który był na początku ery kenozoicznej pomiędzy stanem ciepłym.
Westerhold wraz ze swoim zespołem badawczym na podstawie analiz naukowych klimatu kenozoicznego swoich poprzedników, dokładniej graficznie zobrazował nowy wykres, który nazwał CENOGRID (CENOzoic Global Reference benthic carbon and oxygen Isotope Dataset).
—-
—-
Rys.1. Graficzny wykres w postaci kodu kreskowego pokazujący stany termiczne klimatu: cieplarniany, ciepły, chłodny i zimny. Górny panel pokazuje od 66 milionów lat do dziś, epoki geologiczne. Dolny panel pokazuje od 66 milionów lat do dziś stężenie CO2 w ppm. Źródło: CENOGRID.
—-
Spoglądając na wykres na rysunku 1, widzimy cztery stany klimatu pod względem średniej temperatury powierzchni Ziemi. Mianowicie: cieplarniany, ciepły, chłodny i zimny. Przy jego rekonstrukcji zastosowano innowacyjne metody statystyczne stosowane w badaniach złożonych systemów dynamicznych. A konkretniej, udało się z wysoką rozdzielczością czasową oszacować przebieg temperatury w kenozoiku pod postacią spadkowej krzywej referencyjnej.
Na temat niniejszej pracy, prof. Szymon Malinowski na łamach serwisu naukowego Nauka o Klimacie, pisze:
Skład izotopowy tlenu i węgla w przebadanych osadach dostarcza informacji o przeszłych temperaturach oceanu, objętości lodu zamkniętego w lądolodach i lodowcach oraz cyklu węglowym. Graficznie wyniki badań można przedstawić jak fascynujący kod kreskowy.
Ochładzanie klimatu kenozoicznego polegało na szybkim usuwaniu dwutlenku węgla z atmosfery do gleb i skał oraz oceanów, niezależnie od przebiegających wymuszeń astronomicznych (słonecznych i orbitalnych), i miało głównie charakter geologiczny, tektoniczny. Oto trzy kluczowe zdarzenia, w których klimat w stanie ciepłym zaczął mieć trend ochładzający:
• około 50 milionów lat temu podczas zderzenia płyty indyjskiej z eurazjatycką i wypiętrzania się łańcuchów górskich Himalajów, Tien-Szanu, Karakorum, Hindukuszu, Kunlunu, Pamiru oraz płaskowyżu Tybetu (stan ciepły)
• około 34 miliony lat temu podczas powstania antarktycznego prądu wokółbiegunowego po ostatecznym rozpadzie Gondwany i pojawieniu się pierwszej pokrywy lodowej na Antarktydzie Wschodniej (przeskok ze stanu ciepłego w chłodny podczas przechodzenia klimatu z eocenu do oligocenu)
• około 14 milionów lat temu wzrost pokrywy lodowej na Antarktydzie Zachodniej (stan chłodny w środkowym miocenie)
• około 3 miliony lat temu podczas zamknięcia Przesmyku Panamskiego i powstania Prądu Zatokowego (Golfsztromu) i pojawienia się pierwszej pokrywy lodowej na Grenlandii i lodu morskiego w Arktyce (stan chłodny około 400 tysięcy lat przed końcem pliocenu i rozpoczęciem epoki plejstocenu ze stadiami glacjalno-interglacjalnymi (stan zimny, zwłaszcza podczas glacjałów)
Zespół naukowy Westerholda, gdy uzyskał w badaniach analitycznych składu izotopowego tlenu i węgla w mikroskamieniałościach otwornic bentosowych w wywierconych rdzeniach osadów oceanicznych, bardzo wysoką rozdzielczość czasową, przede wszystkim posłużył się jedną z najbardziej ciekawych metod statystycznych badania złożonych systemów dynamicznych, zwaną analizą rekurencji. Polega ona na opisie w przebiegu wykresów podobnych zdarzeń jakich spodziewamy się przy kontynuacji scenariusza emisji gazów cieplarnianych SSP5-8.5 (biznes jak zwykle). Od początku XXI wieku, dokładna analiza odwiertów sprzed 34 milionów laty pozwala spojrzeć naukowcom w przeszłość i przyszłość, gdy temperatury globalne mogą być analogiczne, o ile nie podejmiemy szybkich kroków dekarbonizacyjnych.
Kolejny wykres naukowców Westerholda ukazał interesującą trajektorię zmian klimatu. Zaczyna się nietypowo. Po uderzeniu asteroidy i uruchomieniu kaskadowych sprzężeń zwrotnych, najpierw ujemnych (zapylenie atmosfery, w tym stratosfery powodujące mroźną zimę w skali planetarnej), a potem dodatnich (masowe emisje dwutlenku węgla z wulkanicznych bazaltowych trapów dekańskich).
W sumie na ten krótki epizodyczny czas po impakcie bolidu, który zmiótł z powierzchni Ziemi 76 % gatunków, w tym wszystkie nieptasie dinozaury (C/Pe), okazał się wyjątkowo chłodny i na krótko (jak widać na wykresie) koncentracja CO2 spadła nawet do około 250 ppm.
—-
Praca zbiorowa Alfio Alessandro Chiarenzy, opublikowana w 2020 roku w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences, wskazuje wyraźnie tę ujemną anomalię klimatyczną. Jednak potem w tym samym czasie wulkanizm z trapów dekańskich spowodował w dość krótkim, w skali geologicznej, czasie do ogromnego wzrostu koncentracji dwutlenku węgla.
W artykule Westerholda na wykresie z trajektorią zmian klimatu (rys.232) pominięty został epizod hipertermiczny PETM (paleoceńsko-eoceńskie maksimum termiczne) i nieco mniejszy ETM-2 (eoceńskie maksimum termiczne). Zwłaszcza ten pierwszy był bardzo istotny. Był to krótkotrwały pik termiczny, podczas którego koncentracja dwutlenku węgla wzrosła ze stabilnego wówczas poziomu 1000 do 2000 ppm.
Wczesne eoceńskie optimum klimatyczne (EECO) miało miejsce 51,5 mln lat temu. A więc, mniej więcej w tym samym czasie, gdy płyta indyjska zderzyła się z eurazjatycką, co spowodowało gwałtowne usuwanie dwutlenku węgla z atmosfery do skał i gleb. Spadek był z 1200 do około 800 ppm.
Następnie wystąpiło przejście klimatyczne pomiędzy eocenem a oligocenem (EOT) 34,5 miliona lat temu, gdy pojawił się pierwszy lód na Wschodniej Antarktydzie. Koncentracja CO2 spadła z 700 do 400 ppm
Podczas klimatycznego optimum mioceńskiego (MCO) w klimacie już w stanie chłodnym, koncentracja dwutlenku węgla mieściła się w granicach spadkowych 400-350 ppm.
Środkowo-mioceńska zmiana klimatu (mMCT) to już okres pojawiania się pokryw lodowych na Antarktydzie Wschodniej. Koncentracja CO2 wynosiła wówczas mniej więcej tyle samo 350-400 ppm.
Od 11,6 do 3,3 miliona lat temu koncentracja dwutlenku węgla raz wznosiła się w górę, raz podnosiła do poziomu 350-400 ppm.
Następnie od 2,6 miliona lat do 11,7 tysiąca lat trwa epoka plejstocenu z cyklami interglacjalnymi z dwutlenkiem węgla na poziomie 280 ppm i glacjalnymi na poziomie 180 ppm.
Podczas ostatniego maksimum glacjalnego (LGM) koncentracja dwutlenku węgla oscylowała między 180 a 200 ppm.
—-
Rys.2. Trajektoria zmian klimatu na Ziemi od 66 milionów lat do dziś. Na osi Y są pokazane głębinowe izotopy tlenu 18O. Na osi X widnieje koncentracja CO2 w ppm. A na prawej osi wykresu jest ukazany przedział czasowy w milionach lat.
(Thomas Westehold i inni, 2020).
—-
Bibliografia:
—-
Tierney J. E. et al., 2015 ; A TEX 86 surface sediment database and extended Bayesian calibration ; Scientific Data ; https://www.nature.com/articles/sdata201529
Westerhold T. et al., 2020 ; An astronomically dated record of Earth’s climate and its predictability over the last 66 million years ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aba6853
Zachos J. et, al., 2001 ; Trends, Rhythms, and Aberrations in Global Climate 65 Ma to Present ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.1059412
Chiarenza A. A. et al., 2020 ; Asteroid impact, not volcanism, caused the end-Cretaceous dinosaur extinction ; Proceedings of the National Academy of Sciences ; https://www.pnas.org/content/117/29/17084
—-
Malinowski Sz., 2021 ; Geologia i globalne ocieplenie: co nowego? ; Nauka o klimacie
https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/geologia-i-globalne-ocieplenie-co-nowego/

Destabilizacja lodowców szelfowych Thwaites i Pine Island na Antarktydzie Zachodniej

Antarktyda to specyficzny kontynent. Jego topografia wyraźnie różni się od topografii Grenlandii. Jest położona w niecce wraz z wieloma lodowcami szelfowymi. Część zachodnia znacznie mniejsza jest zanurzona częściowo w oceanie, natomiast wschodnia jest znacznie większa, górzysta i bardziej wyniesiona ponad poziom morza. Wpływ ocieplającego się klimatu najsilniej oddziałuje na stabilność pokrywy lodowej Antarktydy.
David Pollard i Richard Alley z Instytutu Systemów Ziemi i Środowiska na Uniwersytecie Stanowym w Pensylwanii oraz Robert DeConto z Wydziału Nauk o Ziemi na Uniwersytecie Massachusetts w Amherst na podstawie trójwymiarowego modelu pokrywy lodowej stwierdzili, że lodowce szelfowe będące barierami dla wnętrza lodowego kontynentu, głównie topnieją przez wnikanie ciepłych wód głębinowych w podstawy lodowców szelfowych.
Choć duże znaczenie ma też tak zwane szczelinowanie hydrauliczne, czyli wnikanie wód roztopowych głęboko w szczeliny tychże lodowców przyczyniające się do ich osłabiania i pękania oraz rozpadu klifów lodowych prowadzącego do cielenia gór lodowych, co powoduje na powierzchni pokrywy lodowej Antarktydy przyspieszony spływ strumieni i rzek lodowych prosto do oceanu. Cielenie gór nie podnosi poziomu morza, ale spływ masy lodowej z kontynentu, już tak.
Na Zachodniej Antarktydzie, będącej bez lodu archipelagiem wysp, najbardziej naukowcy obawiają się jednak nie tyle bezpośrednio szybkiej utraty masy lodu i jego topnienia, ale zawalenia się ogromnych lodowców szelfowych Thwaites i Pine Island, których rozmiar jest taki jak obszar Wielkiej Brytanii.
—-
—-
Rys.1. Schematyczne przekroje lądolodu zbliżającego się do rozpadu klifu. Przepływ lodu odbywa się od lewej do prawej, od lodu gruntowego do pływającego szelfu.
M = powierzchniowy spływ cieczy do szczelin. C = cielenie. O = oceaniczne podstawowe topnienie. F = przepływ deformacyjny przez linię gruntowania. Czerwone strzałki pokazują możliwy ruch linii gruntowania.
(a) Ze znacznym szelfem lodowym i płytkimi nachyleniami powierzchni w strefie gruntowania.
(b) Po silnym ociepleniu (duże M, C, O) z półką prawie usuniętą, ale nadal obecną na płytkich zboczach.
(c) Po całkowitym usunięciu szelfu i odsłanięciu pionowego urwiska > około 100 m nad poziomem morza, które uległo strukturalnemu uszkodzeniu powodującemu bardzo szybkie wycofanie się linii gruntowania. Należy zauważyć, że uszkodzenie klifu może również wystąpić na liniach gruntowania z półkami lodowymi, jeśli półka lodowa zapewnia niewielkie lub żadne podpory.
(David Pollard i inni, 2015)
—-
Tyler C. Sutterley z Wydziału Nauki Systemu Ziemi na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine wraz ze swym zespołem badawczym zauważył w swoich badaniach, że sam rozpad Thwaites i Pine Island doprowadziłby do wzrostu poziomu oceanów o około 1,2 metra.
Naukowcy obliczyli to na podstawie pomiarów z wysokościomierzy laserowych satelity ICESat i samolotów badawczych w misji Operation IceBridge, z wysokościomierzy radarowych satelity Envisat, pomiarów grawitacji zmiennej w czasie dokonanych przez satelitę GRACE oraz za pomocą symulacji regionalnego modelu klimatu atmosferycznego RACMO2.3. Ponadto, obliczono bilans masy powierzchni, prędkość lodu na podstawie radarów obrazujących oraz grubość lodu za pomocą sond radarowych.
Lodowce te stoją na grzbiecie pomiędzy szelfem kontynentalnym, a niecką kontynentalną pod lądolodem, czyli kontynentalną częścią zachodnią Antarktydy. I silnie podmywane podstawy tych lodowców sprawiają, że cofa się linia gruntowania, która może w każdej chwili załamać się gdy oba lodowce zapadną się w niecce.
Współautor powyższego badania Eric Rignot mówi:
Nie stwierdziliśmy obecności na dnie oceanicznym żadnych przeszkód, które mogłyby zapobiec dalszemu cofaniu się lodowców i ich zniknięciu z całego obszaru.
Sam rozpad tych dwóch gigantycznych lodowców szelfowych grozi spowodowaniem powstania ogromnych fal tsunami oraz przyspieszonego wzrostu poziomu morza, które zagrożą wielu niskim wybrzeżom kontynentalnym oraz wyspom, a także portom, uprawom rolnym, zabudowie miejskiej i wiejskiej, a także wielu ekosystemom morskim i nadmorskim oraz częściowo lądowym i nadmorskim, tak zwanym estuariom. Koszty zniszczeń infrastruktur miejskich i wiejskich oraz ekosystemów będą astronomiczne.
—-
—-
Rys.2. (a) Wskaźniki bilansu masy powierzchni RACMO: SMB (niebieski kolor) i zrzutu lodu (D – Discharge), dane z Mouginot et al. [ 2014 ] (czarny kolor).
(b) Szacunki bilansu masy, d M ( t )/d t
(c) skumulowane anomalie masy, M ( t ) dla Zatoki Morza Amundsena (ASE – Amundsen Sea Embayment) Antarktydy z metody budżetu masy (MBM – Mass Budget Method) (czarny), satelity GRACE – zmienna w czasie grawitacja (czerwona), wysokościomierz radarowy Envisat (zielony kolor) i wysokościomierz laserowy ICESat/IceBridge (pomarańczowy kolor).
(Tyler C. Sutterley i inni, 2014)
—-
Podsumowując temat, naukowcy piszą:
Cztery przedstawione metody są zgodne pod względem ubytku masy i przyspieszenia ubytku w skali regionalnej. W latach 1992–2013 ubytek masy wyniósł 83 ± 5 Gt/rok z przyspieszeniem 6,1 ± 0,7 Gt/rok. W powszechnym okresie 2003–2009 ubytek masy wyniósł 84 ± 10 Gt/rok z przyspieszeniem 16,3 ± 5,6 Gt/rok 2, prawie 3-krotne przyspieszenie w latach 1992–2013. W latach 2003–2011 ubytek masy wyniósł 102 ± 10 Gt/rok z przyspieszeniem 15,7 ± 4,0 Gt/rok. Wyniki uzgadniają niezależne szacunki bilansu masy w otoczeniu zdominowanym przez zmianę dynamiki lodu ze znaczną zmiennością bilansu masy powierzchni.
—-
—-
Rys.3. Antarktyka: wysokość terenu nad poziomem morza. Wszystkie zaznaczone na niebiesko obszary znajdują się poniżej poziomu morza. (Fretwell i in., 2013)
—-
Tak więc, gdy zawalą się na Antarktydzie Zachodniej kolosalne lodowce szelfowe, takie jak Thwaites wielkości Wielkiej Brytanii i Pine Island wielkości stanu Nevada w USA, to mogą wywołać one tak potężne fale tsunami oraz wzrost poziomu morza, że wiele nisko położonych wysp oraz wybrzeży lądowych może być po prostu narażonych na groźne podtopienia, a nawet na całkowite zalania. W niebezpieczeństwie jest wiele nadbrzeżnych wielkich portów wielkich miast takich jak Tokio, Nowy Jork, Jakarta, Aleksandria, Wenecja, Dhaka, Rio de Janeiro, Amsterdam, Szanghaj, Miami czy Londyn.
—-
Pollard D. et al., 2015 ; Potential Antarctic Ice Sheet retreat driven by hydrofracturing and ice cliff failure ; Earth and Planetary Science Letters ; 
Sutterley T. C. et al., 2014 ; Mass loss of the Amundsen Sea Embayment of West Antarctica from four independent techniques ; Geophysical Research Letters ;