Klimat Ziemi

Pożary w obszarze śródziemnomorskim zawsze występowały w klimacie holoceńskim, ale dawniej nie były one tak intensywne, tak częste i tak długotrwałe, jak to się dzieje w ostatnich dwóch dekadach podczas dalszego wzrostu temperatury globalnej i powstawania coraz większej liczby zaburzeń cyrkulacji atmosferycznych i morskich. Na ten temat wiele mówi książka z 2012 roku, zatytułowana „Fire in Mediterranean Ecosystems, Ecology. Evolution and Management” („Pożar w ekosystemach śródziemnomorskich. Ekologia, ewolucja i zarządzanie”), zaprezentowana przez Johna E. Keeleya ze Służby Geologicznej Stanów Zjednoczonych (Kalifornia), Williama J. Bonda z Uniwersytetu w Kapsztadzie, Rossa A. Bradstocka z Uniwersytetu w Wollongong, Juli G. Pausasa z Wyższej Rady ds. Badań Naukowych w Madrycie oraz Philipa W. Rundela z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles ⁶.

Autorzy przedstawili w swojej książce argumenty korzystne w stosunku do powstawania umiarkowanych pożarów, które przynosiły takie korzyści ekologiczne, jak otwieranie krajobrazów i zwiększanie różnorodności biologicznej. Jednak według wskaźnika pogody pożarowej (FWI – Fire Weather Index), współczesne pożary w Europie stają się coraz bardziej dotkliwe, głównie na południu kontynentu. Modele klimatyczne wyraźnie symulują, że wraz z dalszym ocieplaniem planety, ich częstość, intensywność i długość w basenie Morza Śródziemnego, a także w wielu rejonach Ziemi, będą coraz wyraźniej zwiększać się. Powstawanie dużej liczby i wielkości pożarów będzie tylko wpływać na to, że do atmosfery będzie trafiać dodatkowo spora liczba gazów cieplarnianych, głównie dwutlenku węgla i metanu, które będą wzmacniać dalszy wzrost lokalnych i regionalnych średnich temperatur, a także średniej temperatury globalnej (Jean Luc Dupuy i inni, 2020).

Praca zespołowa Juliena Ruffault z INRAE, Ecologie des Forêts Méditerranéennes w Awinionie, we Francji, opisuje dokładnie pogodę pożarową w basenie Morza Śródziemnego, analizując i opisując ją między innymi za pomocą wskaźnika FWI ⁷.

Zdaniem naukowców, typy pogody pożarowej (FWT – Fire Weather Types) wywołane upałami charakteryzują się złożonymi warunkami suchymi i ciepłymi, występującymi podczas letnich upałów, zarówno w warunkach umiarkowanych (typ fali upałów), jak i intensywnych (typ gorącej suszy).

Naukowcy napisali, że ogólnie przewiduje się, że do końca stulecia (2071–2100), przy scenariuszu emisji RCP4.5, częstotliwość występowania pożarów, wywołanych ciepłem, wzrośnie o 14%, a przy scenariuszu emisji RCP8.5, wzrośnie aż o 30% , co sugeruje, że będzie występować duża częstotliwość i zasięg dużych pożarów w całym basenie Morza Śródziemnego.

—

Rys. Bieżące i wielomodelowe mediany zmian częstości występowania w okresie letnim typów pogody pożarowej (FWT) w basenie Morza Śródziemnego. Dla dwóch scenariuszy emisji (RCP4.5 i RCP8.5) pokazano zmiany częstotliwości na koniec stulecia (2071–2100) w stosunku do obecnego okresu (1985–2015). Kropki wskazują komórki siatki, w których zmiana była statystycznie istotna ( p  < 0,05) w większości modeli. Mapy zostały stworzone w wersji 3.6.3 ( www.r-project.org ) (Julien Ruffault i inni, 2020).

—

Klimat i pogoda są także czynnikami napędzającymi pożary. Niedobór wilgotności gleby w ciągu dni lub miesięcy zwiększa suchość paliwa i palność.

Naukowcy stwierdzili, że większość największych pożarów ma miejsce wtedy, gdy spełnione są te dwa warunki. Na przykład, gdy mamy do czynienia z połączeniem ekstremalnej suszy z ekstremalnie gorącymi wiatrami lub falami upałów (falami gorącego powietrza), to wówczas bardzo często dochodzi do pożarów koron drzew w śródziemnomorskich lasach, a także pożarów zarośli, np. makii.

Następnie, ci sami naukowcy dokonali kombinacji analitycznej, rozkładając pogodę pożarową na wyraźne kombinacje, krótkoterminowej pogody, w skali lokalnej (tj. średniej dziennej temperatury, wilgotności względnej i prędkości wiatru), i długoterminowego klimatu (tj. suszy miesięcznej do sezonowej). Następnie poddali analizie, wcześniej wspomniane, typy pogody pożarowej (FWT – Fire Weather Types).

Dokonując obliczeń progów wielkości pożarów, naukowcy sklasyfikowali warunki pogodowe i klimatyczne w skali lokalnej – zapis ponad 17 000 rekordów pożarów (pożary o powierzchni większej niż 30 ha), przy użyciu obiektywnego grupowania. Następnie ocenili, czy największe pożary (od 80 do 2150 ha –  progi wielkości pożaru) występują preferencyjnie w ramach określonych FWT.

W dalszej kolejności, ekstrapolując klasyfikację pożarów całego basenu Morza Śródziemnego, zespół Ruffault ocenił potencjalne, obecne i przyszłe, zmiany częstotliwości FWT w XXI wieku. Potem naukowcy omówili potencjalne konsekwencje pod względem przyszłej aktywności pożarów w basenie Morza Śródziemnego.

Na koniec opisu swojej pracy, naukowcy poddali ocenie potencjalny wpływ przesunięć FWT na częstotliwość pożarów lasów oraz określili przyszłą częstotliwość pożarów w czterech badanych krajach, dla których dostępne były zbiory danych o pożarach, przy założeniu silnej hipotezy, że stosunek między częstotliwością pożarów a częstotliwością FWT pozostanie stały w przyszłości (stacjonarność relacji pożar-FWT).

—

Fot. Pożar lasu w wiosce Gouves na wyspie Evia (Eubea), 10 sierpnia 2021 r. Prawie 900 strażaków, wzmocnionych przez noc świeżymi przybyszami z zagranicy, zostało rozmieszczonych na drugiej co do wielkości wyspie kraju, ponieważ główne miasta i kurorty pozostawały zagrożone przez ogień, który płonie od ośmiu dni. (Źródło: Angelos Tzortzinis/AFP za pośrednictwem Getty Images)

—

Wyniki badań zostały przeprowadzone na podstawie symulacji z ośmiu modeli klimatycznych na podstawie skoordynowanego regionalnego eksperymentu zmniejszania skali Europy (EURO-CORDEX – EURO-Coordinated Regional Downscaling Experiment)

Ogólnie, wyniki badaczy pokazały, że prawdopodobnie zmiany w częstotliwości FWT zwiększą liczbę pożarów o 91% we Francji, 29% w Grecji, 21% w Portugalii i 30% w Tunezji do końca wieku w ramach scenariusza RCP8.5.

—

Referencje:

1. Keeley J. E. et al., 2012 ; Fire in Mediterranean Ecosystems, Ecology, Evolution and Management ; Cambridge University Press ; https://www.cambridge.org/core/books/fire-in-mediterranean-ecosystems/9A9EFE91B8240330BA457BB05EF8AA6C
2. Ruffault J. et al., 2020 ; Increased likelihood of heat-induced large wildfires in the Mediterranean Basin ; Scientific Reports ; https://www.nature.com/articles/s41598-020-70069-z

W minionej dekadzie 2011-2020 najbardziej spektakularne pożary odbyły się głównie w Kalifornii, a  w obu dekadach 2001-2020 w Australii. W szczególności ostatni ekstremalnie rozległy, w czasie, jak i w przestrzeni, wielkoskalowy pożar, miał miejsce od grudnia do marca, latem na półkuli południowej w południowo-wschodniej Australii. Duży międzynarodowy projekt naukowy, zajmujący się atrybucją zmian klimatu World Weather Attribution, na bieżąco stara się śledzić najważniejsze wydarzenia związane z ekstremalną pogodą. W jego szczególnej gestii zainteresowań znalazł się właśnie pożar w Australii w latach 2019-2020 ¹.

—

Fot. Pożar buszu w południowo-wschodniej Australii w latach 2019–2020

—

Zespół naukowy, pod kierownictwem już niestety nieżyjącego Geerta Jan van Oldenborgha, z Holenderskiego Królewskiego Instytutu Meterologicznego (KNMI – Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut), przedstawił ogólny opis przebiegu wydarzeń pożarowych w Australii z punktu widzenia naukowego ².

W swojej pracy naukowej oraz w serwisie World Weather Attribution autorzy napisali:

W trakcie trwania sezonu pożarowego, bierzemy pod uwagę najwyższy tygodniowy średni wskaźnik pogody pożarowej (FWI – Fire Weather Index) dla każdego punktu siatki, jako miarę najbardziej intensywnego zagrożenia pożarowego, a miesięczną ocenę dotkliwości jako miarę ogólnego sezonowego ryzyka pożarowego. Są one uśredniane na obszarze najbardziej intensywnych pożarów buszu, między górami (Wielki Pas Wododziałowy) a morzem w Nowej Południowej Walii (w tym Australijskim Terytorium Stołecznym) i Wiktorii.

—

Zdjęcia satelitarne NASA z 7 grudnia 2019 r., nałożone znacznikami pokazującymi pożary buszu na wschodnim wybrzeżu Australii

—

Naukowcy z KNMI zastosowali cztery modele w celu obliczenia FWI. I zaobserwowali, że podczas trwających zmian klimatu prawdopodobieństwo wzrostu tak wysokiego wskaźnika pogody pożarowej od 1900 roku wyniosło co najmniej 30%. Modele jednak niedoszacowują trendu wzrostu ekstremalnych fal upałów, gdyż ten wzrost może być nawet wyższy, co naukowcy biorą poważnie pod uwagę. I ma to związek w zwiększeniu trendu FWI, co też obserwują od lat w Australii.

Badacze zauważyli, że co najmniej od 1979 roku ten trend jest cały czas wzrastający. I obliczyli, że w stosunku do 1900 r. prawdopodobieństwo tak wysokiego wskaźnika pogody pożarowej jak w sezonie 2019/2020 wzrosło już nad czterokrotnie.

—

Rys.1. Średnia wysoka temperatura w ciągu dnia w tygodniu kończącym się 1 stycznia 2020 r. Zdjęcie NOAA Climate.gov zaadaptowane z oryginału wykonanego przez Australian Bureau of Meteorology.

—

Rys.2. Procent średnich opadów w okresie od 1 lipca do 31 grudnia 2019 r. Zdjęcie NOAA Climate.gov zaadaptowane z oryginału przez Australian Bureau of Meteorology.

—

Autorzy z World Weather Attribution skupili szczególnie swoją uwagę w pokazaniu analiz na południowym wschodzie kraju, ze względu na obecność występowania w tamtym regionie długotrwałych susz, gdzie też mają miejsce duże skupiska ludności australijskiej.

Pożary traw na terenach nieleśnych mają zupełnie inne cechy i nie były w badaniach wzięte pod uwagę.

—

Referencje:

1. Oldenborgh G. J. et al./ 2020 ; Attribution of the Australian bushfire risk to anthropogenic climate change ; Natural Hazards and Earth System Sciences ; https://nhess.copernicus.org/articles/21/941/2021/
2. Oldenborgh G. J. et al./ 2020 ; Attribution of the Australian bushfire risk to anthropogenic climate change ; World Weather Attribution ; https://www.worldweatherattribution.org/bushfires-in-australia-2019-2020/

Pożary lasów zawsze występowały. Jednak ich skala oddziaływania na te ekosystemy będzie coraz większa, ponieważ ludzie, w ciągu zaledwie kilku dekad, doprowadzili je do znaczącej fragmentacji i wysuszenia.

W regionach tropikalnych najwięcej lasów ubyło w Amazonii. Roślinność nie poddana oddziaływaniu deforestacji, mimo wszystko staje się coraz bardziej podatna na wysychanie, z powodu zmniejszenia rzek atmosferycznych (transportu wilgoci znad południowego Atlantyku) oraz fragmentacji drzewostanów. Pod wpływem dalszego wzrostu temperatur regionalnych i lokalnych, takie obszary są w szczególności narażone na inicjację pożarów. Podobnie wysychające tropikalne torfowiska są przyczyną powstawania zapłonu pożarowego.

Coraz częstsze i najdotkliwsze pożary w tropikach występują w Amazonii. Tak się składa, że oddziałują, na ten tropikalny region świata, takie procesy naturalne, jak, przesuwanie się międzytropikalnej strefy zbieżności (ITCZ – Intertropical Convergence Zone), jak i czynniki antropogeniczne, takie jak, masowe wylesienia, a nawet świadome podpalenia lasów czy zakrzewień przez rolników, w celu uzyskania ziem do upraw rolnych.

—

Fot. Pożar w tropikalnym lesie amazońskim (Źródło: GETTY IMAGES)

—

Jedna z najnowszych prac na temat pożarów w Ameryce Południowej, napisana przez zespół naukowy dr Chantelle Burton, z Uniwersytetu w Exeter, mówi o tym, że ocieplenie klimatu, wraz z dalszą eksploatacją wrażliwych ekosystemów lasów deszczowych w Amazonii, doprowadza do występowania coraz częstszych, większych i dłuższych pożarów ¹.

Naukowcy do swoich badań wykorzystali najnowsze symulacje klimatyczne, z brytyjskiego modelu systemu ziemskiego UKESM1, aby zrozumieć sprzężenia zwrotne, pod wpływem pożarów, jak i dynamikę roślinności, jako lądowych magazynów dwutlenku węgla, przy użyciu modelu powierzchni ziemi JULES (Joint UK Land Environment Simulator – Łączny symulator środowiskowo-lądowy Zjednoczonego Królestwa), z uwzględnieniem przyszłych scenariuszy zmian emisji i użytkowania gruntów.

—

Rys. Współczesne modelowane odchylenie (wbrew obserwacjom) temperatury (CRU, 1980–2013), opadów (CMAP, 1980–2013) i biomasy (Global Carbon, 1996–2005): z pożarem i bez pożaru dla Ameryki Południowej (Chantella Burton i inni, 2021).

—

Model JULES symuluje 30% utratę węgla w temperaturze 4°C, w scenariuszu z najwyższą emisją, która może zostać zmniejszona do 7%, jeśli wzrost temperatury zostanie ograniczony do 1,5°C.

Obecnie pożary w Ameryce Południowej koncentrują się głównie w brazylijskim regionie Cerrado, gdzie warunki są gorące i suche, szczególnie w okresie od czerwca do października. Roślinność w tym rejonie to są fragmenty leśne, przemieszane z bardziej rzadką roślinnością zdominowaną przez małe drzewa, krzewy i trawy.

Szacuje się, że obecnie 58% Amazonii jest zbyt wilgotne, aby podtrzymywać pożary, ale zmiany klimatyczne mogą zmniejszyć ten obszar do 37%, do 2050 r., potencjalnie zagrażając drzewom, w rejonach bardziej wysuszonych, które są tam bardziej podatne na spalenie.

Model  UKESM-1 symuluje zmienną wilgotność gleby, w odpowiedzi na zachodzenie zmian wegetacji oraz nasilonej ewapotranspiracji, prowadząc do dodatniego sprzężenia zwrotnego, inicjującego pożary w warunkach bardzo suchych i gorących, często o znacznych rozmiarach.

Naukowcy przedstawili ogólnie wyniki dla trzech różnych przyszłych scenariuszy, przy użyciu Wspólnych Ścieżek Socjoekonomicznych SSP1-2.6, SSP3-7.0 i SSP5-8.5, zastosowanych w zestawie modeli CMIP6.

W porównaniu z temperaturą obserwowaną, podaną przez CRU (Climate Research Unit), dane dotyczące temperatury symulowanej z modelu UKESM1 pokazały nieznaczne ocieplenie w regionie Amazonii oraz w Chile i Argentynie. Z kolei w innych obszarach, na kontynencie, pokazuje on lekkie ochłodzenie. Dalej UKESM1 symuluje zbyt małe opady, w północno-wschodniej Brazylii, w porównaniu z obserwacjami złączonej analizy opadów (CMAP – CPC Merged Analysis of Precipitation). Natomiast opady w innych miejscach są wyższe niż w obserwacjach.

Model pożarowo-roślinny odpowiada na wysychanie północno-wschodniej Brazylii, w której zmniejsza się biomasa w porównaniu z symulacjami JULES opartymi na obserwowanym klimacie, a spalony obszar jest wyższy niż w obserwacjach.

—

Referencje:

1. Burton C. et al., 2021 ; South American fires and their impacts on ecosystems increase with continued emissions ; Climate Resilience and Sustainability ; https://rmets.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cli2.8

Przyszłość świata coraz cieplejszego nie napawa optymizmem. Wiele gorących i suchych ekstremów już jest, ale będzie jeszcze bardziej, niebezpiecznym zagrożeniem dla ludzi, zwierząt oraz roślin, na które będą się nakładać nowe zagrożenia ekstremalne jakimi są pożary.

—

Fot. Północne pożary (jak ten pokazany tutaj w regionie Nowosybirska na południowej Syberii) uwolniły w tym roku rekordowe ilości dwutlenku węgla. Źródło: Kirill Kukhmar/TASS/Getty

—

Obecnie najczęściej pożary występują w regionach klimatu śródziemnomorskiego i borealnego oraz w tropikach, gdzie wystąpiła duża deorestacja lasów tropikalnych (np. Amazonia, Borneo). Jednak w ostatnich latach mieliśmy z nimi do czynienia również na Grenlandii i w Arktyce. Są to tzw. pożary zombies, o których w serwisie Nature, tak napisała dziennikarka naukowa Alexandra Witze ¹:

Sezon pożarów w Arktyce rozpoczął się w tym roku niezwykle wcześnie: już w maju wybuchły pożary na północ od linii drzew na Syberii, co normalnie miałoby miejsce dopiero w okolicach lipca. Jednym z powodów jest to, że temperatury zimą i wiosną były wyższe niż zwykle, co przygotowało krajobraz do spalenia. Możliwe również, że pożary torfu tliły się pod lodem i śniegiem przez całą zimę, a następnie pojawiły się, jak zombie, wiosną, gdy śnieg topniał. Naukowcy wykazali, że tego rodzaju niskotemperaturowe, bezpłomieniowe spalanie może spalać się w torfie i innej materii organicznej, takiej jak węgiel, miesiącami, a nawet latami.

—

Rys. Płonące torfowiska. Pożary lasów wzdłuż koła podbiegunowego wypaliły miliony hektarów latem 2020 r. i ustanowiły rekord w emisjach gazów cieplarnianych. Wiele z nich wydarzyło się w glebach torfowych, wzbogaconych w materię organiczną, co było przyczyną, uwolnienia starożytnego węgla do atmosfery, w trakcie wypalania tych ekosystemów. Zagęszczenie torfowisk (kolor szary), pożary lasów w okresie czerwca-sierpnia 2020 r. (kolor pomarańczowy) Źródła: Copernicus Atmosphere Monitoring Service/European Centre for Medium-Range Weather Forecasts; Hugelius, G. et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 117, 20438–20446 (2020)

—

Obecne i przyszłe wzorce występowania i zagrożenia pożarowego stosuje się przy użyciu stosunkowo uproszczonego wskaźnika zagrożenia pożarowego (FDI – Fire Danger Index), za pomocą którego wskazuje się wrażliwe regiony.

Flavio Justino, z Uniwersytetu Federalnego de Viçosa w Brazylii, wraz ze swoimi współpracownikami, zauważył, że modelowanie pożaru w Panarktyce jest zadaniem dość złożonym, ponieważ obejmuje kilka parametrów, takich jak charakterystyka gleby, zasobność węgla i wilgotność ściółki w glebie, które w większości przypadków są bardzo trudne do oszacowania lub bezpośredniego pomiaru ².

Naukowcy napisali, że podczas gdy maksymalne i minimalne temperatury wykazują tendencje wzrostowe w zakresie od 0,5°C do 0,7 °C w ciągu dekady, to model ocieplenia jest również związany ze wzrostem liczby kolejnych dni suchych i zmniejszeniem łącznej liczby dni mokrych w basenie Oceanu Arktycznego.

Badanie Justino i jego współpracowników skoncentrowane było na analizach potencjalnego wskaźnika pożarowego – wersja 2 (PFIv2 – Potential Fire Index version 2). Główne zadania to:

a) weryfikacja zmienności gorących punktów w całej Arktyce w celu oceny wykrycia dominującego wzorca częstotliwości pożarów, zarówno w czasie, jak i przestrzeni.

b) zastosowanie dwóch reanaliz o wysokiej rozdzielczości: reanalizy arktycznego systemu w wersji 2 (ASRv2 – Arctic System Reanalysis version 2) i ERA5, weryfikujących zdolność potencjalnego wskaźnika pożarowego (PFIv2) do odtwarzania regionów o dużej liczbie pożarowych hotspotów (punktów zapalnych)

c) porównywanie potencjalnego wskaźnika pożarowego (PFIv2) ze stosowanym na całym świecie Indeksem Pogody Pożarowej (FWI – Fire Weather Index), mające na celu określenie wiarygodności wskaźnika zagrożenia pożarowego (FDI – Fire Danger Index), w celu dopasowania obu wskaźników do analizy hotspotów, mierzonych za pomocą spektroradiometru MODIS, umieszczonych na satelitach Terra i Aqua

—

Referencje:

1. Witze A., 2020 ; The Arctic is burning like never before — and that’s bad news for climate change ; Nature ; https://www.nature.com/articles/d41586-020-02568-y
2. Justino F. et al., 2021 ; Estimates of temporal-spatial variability of wildfire danger across the Pan-Arctic and extra-tropics ; Environmental Research Letters ; https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/abf0d0/meta

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 ¹.

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 ²:

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.

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.

—

Fot.1. Martwe drzewa spowodowane suszą w Kalifornii (zdjęcie: Nathan Stephenson / domena publiczna)

—

Rys.1. Efekty opóźnień są najbardziej rozpowszechnione w południowo-zachodnich i środkowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych oraz w niektórych częściach północnej Europy. Ich skutki są określane ilościowo jako różnica między obserwowanym a przewidywanym wzrostem (indeks bez jednostek) po anomalii suchej o 2 SD w klimatycznym deficycie wody w 1338 miejscach. A) Efekt opóźnień na poziomie obszaru zsumowany w ciągu pierwszych 4 lat po suszy. B) Średnia korelacja między wzrostem drzew (wskaźnik słojów) a klimatycznym deficytem wody (wilgotność gleby od 0 do 100 cm minus ewapotranspiracja potencjalna) (William R. L. Anderegg i inni, 2015).

—

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.

Autorzy pracy napisali, 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 stwierdzili 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 opóżnienie) obiegu węgla na poziomie ekosystemu i opóźnioną regenerację po ekstremalnych warunkach klimatycznych.

Podsumowując ten temat, naukowcy powiedzieli, 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.

—

William Anderegg i jego współpracownicy zbadali sekwencje susz w ekosystemach leśnych Ziemi. W swoim artykule naukowcy napisali ³:

Wzrost częstotliwości i dotkliwości susz spowodowany zmianą klimatu może zagrozić ekosystemom leśnym i lądowym pochłaniaczom dwutlenku węgla. Podczas gdy wpływ pojedynczych susz na lasy był szeroko badany, zrozumienie, czy lasy aklimatyzują się lub stają się bardziej podatne na sekwencyjne susze, pozostaje w dużej mierze nieznane i ma kluczowe znaczenie dla przewidywania przyszłego stanu lasów. Łączymy zestawy danych z różnych biomów dotyczące wzrostu drzew, śmiertelności drzew i zawartości wody w ekosystemie, aby określić ilościowo skutki wielu susz w różnych skalach, od pojedynczych drzew po kulę ziemską od 1900 do 2018 r. Odkryliśmy, że kolejne susze mają ogólnie bardziej szkodliwy wpływ niż początkowe susze, ale efekt ten różni się ogromnie w zależności od kladu i ekosystemu, przy czym ekosystemy nagonasienne i zdominowane przez drzewa iglaste częściej wykazują zwiększoną podatność na wielokrotne susze. Zróżnicowany wpływ wielu susz na klady i biomy wskazuje, że zmiany częstotliwości susz mogą mieć fundamentalnie różne konsekwencje ekologiczne i cykl węglowy w różnych ekosystemach.

—

Fot.2. Góry Sierra Nevada. Zakres śmierci drzew jest oczywisty, gdy patrzy się na nie jako na część większego lasu (zdjęcie: UC Merced News).

—

Rys.2. Analiza obejmowała szeroki zasięg geograficzny wzrostu i śmiertelności drzew. Zasięg geograficzny (a) chronologii słojów Międzynarodowego Banku Danych o słojach. (ITRDB – International Tree-Ring Data Bank) oraz (b) długoterminowych działek inwentaryzacyjnych US Forest Inventory and Analysis zawartych w tej analizie (William L. R Anderegg i inn, 2020).

—

Ekolog lasów z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara, Anna Trugman, współautorka pracy z Uniwersytetu Utah, Uniwersytetu Stanforda i Służby Leśnej Stanów Zjednoczonych, wraz z resztą zespołu naukowego Anderegga zbadała wpływ powtarzających się, ekstremalnych susz na różne rodzaje lasów na całym świecie. Naukowcy odkryli, że różne czynniki mogą zwiększać lub zmniejszać odporność lasu na kolejne susze. Jednak badanie to wykazało, że kolejne susze są generalnie coraz bardziej szkodliwe dla lasów, nawet jeśli każda susza nie była bardziej ekstremalna niż początkowa.

William Anderegg stwierdził, że chociaż susza może narazić drzewa, na znaczny stres wodny, to może zabić gatunki słabsze genetycznie. Może wyselekcjonować ocalałe osobniki z mniejszą konkurencją o wodę, jeśli powrócą kolejne suche warunki.

Fakt jednak jest taki, że po każdym zdarzeniu takim jak susza, drzewa, zarówno iglaste, jak i liściaste, mają mniejszy przyrost. Im bardziej ekstremalna wystąpi susza, tym jest on mniejszy.

Analizując słoje drzew w ciągu minionych 100 lat, naukowcy prześledzili, jak przebiegały susze i warunki po nich i w jakiej kondycji genetycznej i fizjologicznej były drzewa potem. Dane z US Forest Inventory and Analysis umożliwiły im dostęp do wskaźników śmiertelności drzew dla ponad 100 000 powierzchni leśnych w latach 2000-2018. Następnie połączyli te źródła z pomiarami satelitarnymi zawartości wody w koronach drzew leśnych. I upewnili się, że drzewa iglaste znoszą suszę najgorzej ze względu na odmienną i mniej elastyczną hydraulikę niż drzewa liściaste.

Anderegg w serwisie Science Daily powiedział ⁴:

Okrytozalążkowe mają znacznie bardziej elastyczną anatomię i fizjologię niż nagozalążkowe, co wydaje się pomagać im szybciej i pełniej regenerować się po początkowych suszach

Ponadto naukowcy wyciągnęli takie słuszne wnioski, że dobór naturalny będzie preferować osobniki, zarówno wśród drzew iglastych, jak i liściastych, bardziej odporne nie tylko na stres wodny i cieplny, ale i też odporniejsze na szkodniki, patogeny i choroby.

Trugman dla Science Daily powiedziała:

To badanie dostarcza dużo motywacji, ale myślę, że następnym pilnym krokiem jest dotarcie do podstawowych mechanizmów na poziomie fizjologicznym i ekologicznym.

Z kolei Anderegg spuentował wypowiedź swoją:

Te wyniki są szczególnie istotne w zachodnich Stanach Zjednoczonych, gdzie mieliśmy wiele poważnych susz w ciągu ostatnich 20 lat.

—

Michael Goulden z Wydziału Nauki Systemu Ziemi w Irvine i Roger Bales z Instytutu Badawczego Sierra Nevada – obaj z Uniwersytetu Kalifornijskiego, powiedzieli, że w latach 2012-2015 w stanie USA w Kalifornii mieliśmy do czynienia z jednoczesnym okresem skrajnie rzadkich opadów deszczu ze wzmocnieniem temperatury powietrza oraz z wymieraniem wielu drzew. Najmocniej ucierpiały drzewa w lasach iglastych, które są mniej odporne na takie ekstrema pogodowe niż liściaste ⁵.

Naukowcy za pomocą obserwacji terenowych i teledetekcyjnych omówili przestrzenne i czasowe wzorce wymierania drzew oraz deficytu wilgoci podczas suszy w Kalifornii.

Susze to przewaga ewapotranspiracji nad opadami. I z tego też wynika, że tak samo się oblicza ten parametr jak opady deszczu czy śniegu z atmosfery na glebę, tylko w kontekście ubytku wody z tejże gleby do atmosfery. Skumulowana ewapotranspiracja podczas wielkiej 4-letniej suszy 2012-2015 w Kalifornii wyniosła 1500 mm. A poziom wilgotności  w glebie obniżył się w tym samym czasie do głębokości 5-15 metrów. Umarło wówczas wiele drzew. Zwłaszcza ucierpiały iglaste, które są bardziej podatne na destrukcyjny wpływ susz, zwłaszcza połączonych z falami upałów, w szczególności ekstremalnych.

W badanym okresie czasu wymarło około 55% drzew.

—

Referencje:

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
3. Anderegg W. R. L., 2020 ; Divergent forest sensitivity to repeated extreme droughts ; Nature Climate Change ; https://www.researchgate.net/publication/344413369_Divergent_forest_sensitivity_to_repeated_extreme_droughts
4. University of California – Santa Barbara, 2020 ; The effects of repeated droughts on different kinds of forests ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2020/10/201013101635.htm
5. Goulden M. L. et al., 2019 ; California forest die-off linked to multi-year deep soil drying in 2012–2015 drought ; Nature Geoscience ; https://www.nature.com/articles/s41561-019-0388-5

Susza w obecnych czasach jest poważnym problemem cywilizacyjnym, uderzającym bezpośrednio w naszą działalność gospodarczą, głównie w sektorach: energetycznym, rolniczym i przemysłowym. Również jej ujemny wpływ coraz bardziej zaznacza się w ekosystemach lądowych.

Suszom najczęściej towarzyszą fale upałów, a także, gdy ich okres się wydłuża, dają o sobie znać wielkoskalowe pożary, o których powiemy sobie w dalszej części książki.

—-

Bramha Dutt Vishwakarma z Uczelni Nauk Geograficznych na Uniwersytecie w Bristolu, w Wielkiej Brytanii, w swojej autorskiej pracy napisał, że w 2019 roku jedna czwarta światowej populacji była dotknięta poważnym niedoborem wody przez instytut zasobów wodnych ¹.

Jak wynika z wcześniejszych prac na ten temat, do 2050 roku przewiduje się, że dostępu do wody nie będzie mieć połowa ludzkości, przy kontynuacji obecnych wysokich emisji gazów cieplarnianych. Te wszystkie prognozy na przyszłość oparte są na coraz dokładniejszych modelach, dzięki czemu potrafimy zrozumieć coraz lepiej współczesną czasoprzestrzenną charakterystykę susz. Dlatego liczne grupy badawcze badają systematycznie trwające i przeszłe zjawiska suszy, aby uzyskać coraz świeższe, nowe informacje na ich temat.

Ciekawą sprawą jest to jak przebiegają badania satelitarne pomiarów wód gruntowych, czyli zmiany magazynowania wody w gruncie. Badania takie przeprowadziła misja produktów satelitarnych GRACE, które też mierzą zmiany w pokrywach lodowych Antarktydy i Grenlandii, w poziomie globalnych wód oceanicznych. Ponadto, przeprowadzane są badania mniej związane z klimatem, bo z pomiarami skał i gruntów pod względem trzęsień ziemi.

Mamy różne rodzaje susz, które charakteryzują się różnymi zmiennymi hydrologicznymi. I na przykład:

– suszę meteorologiczną ocenia się na podstawie opadów

– suszę hydrologiczną ocenia się na podstawie spływu lub poziomu zbiornika

– suszę rolniczą ocenia się na podstawie wilgotności gleby

Do badania suszy potrzebne są długie nieprzerwane obserwacje hydrologiczne.

—

Rys.1. Dane NASA GRACE pokazują, że ziemia w dużej części Doliny Środkowej Kalifornii tonie w wyniku wydobycia wód gruntowych (Bramha Dutt Vishvakarma i inni, 2019).

—

Felicia Chiang, Omid Mazdiyasni i Amir AghaKouchak, pracownicy na Wydziale Inżynierii Lądowej i Środowiskowej, na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine, przedstawili dowody powiązań wymuszania antropogenicznego z cechami meteorologicznej suszy ².

Korzystając ze wskaźników: standaryzowanego wskaźnika opadów (SPI – Standarised Precipitation index) i standaryzowanego wskaźnika opadów i ewapotranspiracji (SPEI – Standarised Precipitation-Evapotranspiration Index), wygenerowanych z zestawu 9 modeli CMIP6 (przy użyciu 3 realizacji na każdy model), naukowcy pokazali, że obecność wymuszeń antropogenicznych zwiększyła częstotliwość suszy, maksymalny czas jej trwania oraz jej maksymalną intensywność, mającą wpływ w dużej części obu Ameryk, w basenie Morza Śródziemnego, na południu Afryki i we wschodniej części Azji.

Oszacowując prawdopodobieństwo wystąpienia suszy pod wpływem zmian klimatu, badacze posłużyli się współczynnikiem prawdopodobieństwa zastosowanym do ilościowego określenia prawdopodobieństwa wystąpienia suszy w warunkach historycznych w stosunku do warunków tylko naturalnych (tutaj nie wliczając czynników antropogenicznych) pod koniec XX wieku.

Ponadto Chiang, Mazdiyasni i AghaKouchak zidentyfikowali regiony o większej wrażliwości na antropogeniczną zmianę klimatu z perspektywy suszy meteorologicznej oraz poddali analizie indywidualny wpływ wymuszeń wyłącznie antropogenicznych gazów cieplarnianych (GHG) i aerozoli (AER) na prawdopodobieństwo wystąpienia suszy, aby lepiej zrozumieć indywidualny wkład wymuszeń GHG i AER. Oprócz analizy opartej na SPI, zbadali charakterystykę suszy w oparciu o dane SPEI, aby lepiej zrozumieć wpływ wymuszeń antropogenicznych na dostępność wody netto, uważaną tutaj za różnicę między miesięcznymi opadami a ewapotranspiracją potencjalną.

Korzystając przede wszystkim ze SPEI, naukowcy mogli dokładniej zbadać dodatkowy wpływ wymuszeń antropogenicznych na zapotrzebowanie atmosfery na parowanie, które ma wzrosnąć wraz ze wzrostem globalnych temperatur.

Ogólnie rzecz biorąc, zrozumienie wpływu antropogenicznych zmian klimatu na charakterystykę suszy jest ważne w naszej interpretacji historycznie obserwowanych trendów suszy.

—

Rys.2. Współczynnik prawdopodobieństwa obliczany dzięki wyznaczeniu 6-miesięcznych spadków SPI mniejszych niż 1,5 jako zdarzeń suszy, przy użyciu danych SPI wygenerowanych z zestawu porównywania sprzężonych modeli klimatycznych CMIP6 dla a) historycznego, b) tylko GHG i c) tylko AER. Wartości powyżej 1 wskazują na wyższe ryzyko wystąpienia suszy w warunkach wymuszonych, podczas gdy wartości poniżej 1 wskazują na niższe ryzyko wystąpienia suszy w warunkach naturalnych. Przekraczanie komórek siatki wskazuje, że mediana zbioru modelu jest statystycznie istotnie większa niż 1 (Felicia Chiang i inni, 2021).

—

Główna autorka badania Felicia Chiang, która wtedy prowadziła projekt jako absolwentka na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine w zakresie inżynierii lądowej i środowiskowej dla Science Daily powiedziała ³:

Od zawsze istniała naturalna zmienność w zjawiskach suszy na całym świecie, ale nasze badania pokazują wyraźny wpływ człowieka na suszę, w szczególności emisje aerozoli antropogenicznych, dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych.

Przeprowadzone badania za pomocą modeli CMIP6 nie wykazały regionalnych zmian w charakterystyce suszy od końca XIX do końca XX wieku.

Zespół odkrył bardzo istotną rzecz, że badając oddzielnie czynniki antropogeniczne (wyłączając wpływ czynników naturalnych), gazy cieplarniane miały widocznie większy wpływ na obszar Morza Śródziemnego, Ameryki Środkowej, Amazonii i południowej części Afryki, natomiast aerozole przemysłowe odgrywały znacznie większą rolę w azjatyckich regionach monsunowych i na subarktycznej półkuli północnej, a więc w rejonach silnie uprzemysłowionych, zurbanizowanych i zmotoryzowanych i także, jak chociażby w przypadku Półwyspu Indyjskiego, nasilonych spalaniem biomasy i odpadów w rolnictwie.

Z kolei współautor badania, Omid Mazdiyasni, który uzyskał doktorat w 2020 roku w inżynierii lądowej i środowiskowej na tym samym uniwersytecie i obecnie jest naukowcem w Departamencie Robót Publicznych hrabstwa Los Angeles, powiedział dla Science Daily następującą rzecz, w której wskazał rozwiązanie problemu, zarówno na ograniczenie szkodliwego zanieczyszczenia przemysłowego, jak i na zmniejszenie oddziaływania susz:

Co gorsza, suszom mogą towarzyszyć fale upałów, a wysokie temperatury i niska wilgotność mogą zwiększać ryzyko pożarów, które jest już znaczące w zachodnich Stanach Zjednoczonych.

Jeśli susze w ciągu ostatniego stulecia pogorszyły się z powodu zanieczyszczeń pochodzących z działalności człowieka, istnieje duże prawdopodobieństwo, że problem można złagodzić poprzez ograniczenie tych emisji.

—

Trzeba powiedzieć jeszcze o bardzo istotnym parametrze decydującym o tym jak zareagują rośliny na jego uaktywnienie się. Mowa tutaj o deficycie ciśnienia pary wodnej (VPD – Vapour Pressure Deficit).

Profesor Wenping Yuan, badacz ekologii globalnych zmian z Uniwersytetu Sun Yat-sen w Kantonie w Chinach, w swojej pracy zespołowej zwrócił uwagę, że rosnący poziom stresu wodnego może przeciwdziałać efektowi nawożenia CO₂ ⁴.

Profesor Yuan dla Carbon Breef powiedział ⁵:

Globalny wzrost roślinności został wzmocniony przed końcem lat 90  – korzystając z efektu nawożenia CO₂. Jednak nasze badanie pokazuje, że globalny wzrost roślinności wykazał tendencję spadkową od końca lat 90, kiedy globalne zmiany pary wodnej zaczęły się zwiększać.

VPD jest to miernik wskazujący różnicę pomiędzy ilością pary wodnej w powietrzu a punktem, w którym para wodna w powietrzu ulega nasyceniu. Miara ta daje wyobrażenie o „potencjale wody” w atmosferze, wyjaśnia Yuan:

Zasadniczo, jeśli potencjał wody w atmosferze jest większy – na przykład, jeśli VPD jest większy – woda będzie rozpraszać się szybciej i silniej z gleby i roślin.

Zwiększenie deficytu ciśnienia pary wodnej ma bardzo ujemny wpływ na gleby i roślinność, które ulegają szybszemu wysychaniu podczas intensywniejszego parowania.

—

Rys.3. Globalne anomalie średniego deficytu ciśnienia pary wodnej (VPD – Vapour Pressure Deficit) obszarów porośniętych roślinnością od 1850 roku do dnia dzisiejszego. Anomalie odnoszą się do średniej z lat 1982-2015. Kolorowe kółka służą do przedstawienia wyników z różnych zestawów danych klimatycznych (CRU / ERA-Interim, MERRA, HadISDH. Niebieska linia i szary obszar ilustrują średnią i odchylenie standardowe VPD symulowane przez modele klimatyczne CMIP5 przy użyciu scenariusza emisji GHG – RCP4.5. Źródło: (Wenping Yuan i inni, 2019).

—

Naukowcy za pomocą kilku globalnych zbiorów danych klimatycznych przeanalizowali od 1850 roku zmiany VPD, w szczególności na obszarach z roślinnością i odkryli jego szczególny wzrost od końca lat 90 XX wieku po dzisiejszy dzień.

Jak czytamy w pracy, naukowcy w swoim badaniu wykorzystali cztery oparte na obserwacjach globalnie siatkowe zestawy danych klimatycznych — CRU (Climatic Research Unit), ERA-Interim, HadISDH i MERRA (Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications) — w celu przeanalizowania trendu długoterminowego VPD nad gruntami porośniętymi roślinnością.

Jednocześnie również jest obserwowane zmniejszanie się ilości pary wodnej w atmosferze. Według najnowszych badań może to być spowodowane spadkiem ilości wody parującej z oceanów na świecie. Yuan mówi dla Carbon Brief:

Globalne ocieplenie może zmniejszyć prędkość wiatru, co z kolei zmniejsza parowanie wody z powierzchni oceanu.

Oznacza to, że deficyt między ilością pary wodnej w powietrzu a poziomem nasycenia ciśnienia wody w powietrzu rośnie wraz ze zmianą klimatu.

Naukowcy dokonując skrupulatnych obliczeń powiedzieli, że prawie 60-letni szereg czasowy pokazał, że dziesięcioletnia zmiana globalnego parowania oceanicznego ( _ocean E – oceanic evaporation) charakteryzowała się wyraźnym przejściem od trendu wzrostowego do spadkowego około roku 1998. Parowanie to zmniejszyło się o około 2,08 mm rocznie ^-1 , od szczytowego poziomu 1197 mm rocznie ^-1 w 1998 r. do niskiego 1166 mm rocznie ^-1 w 2015 r., a 76 % powierzchni morza ujawniło zmniejszone parowanie _ocean E po 1999 r.

Naukowcy zauważyli, że jest to też kluczowa przyczyna spowolnienia dostaw wilgotnego powietrza nad obszary zachodniej części Stanów Zjednoczonych, zwłaszcza Kalifornii od lat 90 XX wieku.

W kolejnej części badania autorzy wykorzystali dane satelitarne, aby zaobserwować, jak zmieniło się globalne tempo wzrostu roślin od lat 90 XX wieku.

Jak widać na rysunku powyżej, znormalizowany różnicowy wskaźnik wegetacji (NDVI – Normalized Diffirent Vegetation Index) mierzony za pomocą satelitów, pokazał przyrost od 1982 do 1998, ale pozostał ustabilizowany i następnie zatrzymał się po 1999 roku.

—

Od 1982 do 1998 roku około 84% powierzchni roślinności wykazywało wzrost trendu NDVI (ze znacznym wzrostem ok. 28,5 %). Dla porównania, po 1999 r. trendy NDVI w wielu regionach odwróciły się, a 59% obszarów roślinnych wykazywało wyraźną tendencję spadkową pokazującą brązowienie roślinności (ze znacznym spadkiem 21,5 %).

Yuan podsumował temat:

Wyniki pokazują, że rosnąca od końca lat 90 VPD jest dominującą przyczyną zmniejszonego wzrostu roślinności.

—

Referencje:

1. Vishwakarma B D., 2020 ; Monitoring Droughts From GRACE ; Interdisciplinary Climate Studies ; https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenvs.2020.584690/full
2. Chiang F. et al., 2021 ; Evidence of anthropogenic impacts on global drought frequency, duration, and intensity ; Nature Communications ; https://www.nature.com/articles/s41467-021-22314-w
3. University of California – Irvine ; Greenhouse gas and aerosol emissions are lengthening and intensifying droughts ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2021/05/210517124927.htm
4. Yuan W. et al., 2019 ; Increased atmospheric vapor pressure deficit reduces global vegetation growth ; Science Advances ; https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aax1396
5. Dunne D., 2019 ; Rising water stress could counteract ‘global greening’ ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/rising-water-stress-could-counteract-global-green-study-says

Nie ulega wątpliwości, że kiedy mamy do czynienia z falami upałów, często też im towarzyszą właśnie susze. I to coraz częściej o wymiarze ekstremalnym, tak samo pod względem wzrostu częstotliwości, intensywności oraz długości, a także zasięgu, zarówno pod względem godzin w ciągu dnia, jak i liczby dni, przeważnie w sezonie letnim, ale i coraz częściej mają i one miejsce w sezonie wiosennym, jak np. w 2018 roku.

Jedną z prac przedstawiających układ synergiczny, omawianych wcześniej w książce fal upałów i teraz zaprezentowanych susz, jest praca zaprezentowana przez zespół naukowy, na którego czele stał Mohammad Reza Alizadeh, doktorant pod kierunkiem prof. Jana Adamowskiego na Wydziale Inżynierii Biozasobów na Uniwersytecie McGill w Kanadzie ¹.

Naukowcy zidentyfikowali na obszarze Stanów Zjednoczonych dwa mechanizmy podczas samointensyfikacji i samorozporzestrzeniania się zdarzeń gorąco-suchych, a więc jednocześnie fal upałów i susz, gdzie ich częstotliwość, intensyfikacja i poszerzanie zasięgów potęguje tworzenie się sprzężeń zwrotnych lądowej atmosfery. Podczas występowania tych zdarzeń, wzmocniony efekt jednoczesnych fal upałów i susz ma wpływ na większe parowanie gleb, co powoduje, że malejący ich poziom wilgotności wzmacnia intensywnie wzrost temperatury powietrza, co z kolei prowadzi do znacznego ogrzewania atmosfery i do poważnego wysychania, zarówno wód powierzchniowych i gruntowych, jak i roślin.

—

Fot. Deszczowe chmury przesuwają się nad resztkami spieczonych łodyg kukurydzy w pobliżu Wiley, na równinach wschodniego Kolorado, 22 sierpnia 2012 roku. Letnia burza nadeszła zbyt późno, aby pomóc rolnikom, których uprawy zostały zdziesiątkowane podczas wyjątkowej suszy w Kolorado, równiny wschodnie (Getty Images).

—

Współautor badania prof. Mojtaba Sadegh, badacz ekstremów klimatycznych z Uniwersytetu Stanowego Boise (Boise State University) dla Carbon Brief tak powiedział ²:

Samointensyfikacja oznacza, że ​​susze i fale upałów nasilają się nawzajem; suchość prowadzi do większej ilości ciepła – a więcej ciepła powoduje więcej suchości. Samorozprzestrzenianie się odnosi się do przemieszczania się suchości i ciepła z jednego regionu do drugiego.

Zdarzenia sucho-gorące oddziałują bardzo ujemnie, zarówno na lasy naturalne i gospodarcze, jak i na rolnictwo oraz energetykę w danym regionie, w którym mają one miejsce. Ich długotrwała obecność bardzo często stymuluje inicjację pożarów wielkoskalowych, których tematyka będzie szerzej omawiana w następnej kolejności w książce.

Mojtaba Sadegh wyjaśnił w tym samym serwisie:

Jednoczesne susze i fale upałów są najbardziej szkodliwymi stresorami dla systemu rolniczego. Jeśli jest gorąco, potrzeba więcej wody do nawadniania, a jeśli jest sucho, wody do tego nie ma. Trzy takie zdarzenia w latach 2011–2013 w USA spowodowały straty w rolnictwie o wartości ponad 60 miliardów dolarów.

Złożone sucho-gorące wydarzenia są również bardzo szkodliwe dla lasów i mogą powodować śmiertelność drzew na dużą skalę, taką jak zaobserwowano w górach Sierra Nevada w Kalifornii w latach 2014-2017.

Naukowcy skupili się na dokładnej analizie przestrzennej obszarów Stanów Zjednoczonych. I zwrócili uwagę, że te zdarzenia są najczęstsze w zachodniej części kraju oraz w północno-wschodnich i południowo-wschodnich rejonach. W tym celu badacze przestudiowali ponad stuletnie pomiary temperatury, dokładniej okres 1896-2017, co z nich przeprowadzało, i co było powodem niedokładnemu przyjrzeniu się wielkiej suszy Dust Bowl w latach 30 XX wieku, którą ci naukowcy również zaliczyli do zdarzenia gorąco-suchego.

Nieparametryczna analiza Manna-Kendalla pokazuje statystycznie istotny trend wzrostowy średniej rocznej temperatury w latach 1896-2017 w większości przyległych obszarów Stanów Zjednoczonych, nie licząc Alaski i Hawajów (CONUS – Contiguous United States), z wyjątkiem części południowo-wschodniej, na wschód od południowych Wielkich Równin i południowej część Środkowego Zachodu.

—

Rys. Nieparametryczna analiza trendu Manna-Kendalla. Zacienione na czerwono obszary pokazują statystycznie istotny wzrost (na poziomie 5%) okresu powrotu: (A) ekstremów suchych, (B) ekstremów gorących i (C) równoczesnych ekstremów suchych i gorących w całym CONUS w ciągu ostatnich 122 lat ( 1896–2017) w skali rocznej. Na rysunku pokazano również ułamek powierzchni w każdym regionie i cały CONUS z istotnymi trendami (Mohammad Reza Alizadeh i inni, 2020).

—

Częstotliwość złożonych ekstremalnych zdarzeń sucho-gorących zaczyna wzrastać w całym CONUS, trend, który jest znaczący na poziomie 5% w zachodnich Stanach Zjednoczonych,a także w części północno-wschodnich i południowo-wschodnich Stanów Zjednoczonych.

Montaba Sadegh w serwisie Carbon Brief podsumował temat:

Pokazujemy, że jednoczesne susze i fale upałów rozszerzają się przestrzennie w alarmującym tempie, zwiększając prawdopodobieństwo wystąpienia ekstremów w skali kontynentalnej.

—

Referencje:

1. Alizadeh M. R. et al., 2020 ; A century of observations reveals increasing likelihood of continental-scale compound dry-hot extremes ; Science Advances ; https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aaz4571
2. Dunne D., 2020 ; US sees ‘alarming’ increase in combined heatwaves and droughts ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/us-sees-alarming-increase-in-combined-heatwaves-and-droughts

W pierwszej połowie XX wieku były dwie ekstremalne susze, gdzie oczywiście wpływ na nie miały także naturalne zmienności klimatyczne. Była to słynna przede wszystkim susza Dust Bowl, której zasięg sięgał od stanu Oklahoma w USA do prowincji Saskatchewan w Kanadzie. Ta gigantyczna i największa w historii Ameryki Północnej susza przyszła w trzech falach, w latach: 1934, 1936 i 1939-1940. Właściwie zaczęła się ona nawet już od 1931 roku. Zabiła ona wtedy ponad 5000 Amerykanów i 1100 Kanadyjczyków.

Również podczas drugiej wojny światowej w Chinach w latach 1941-1942, w prowincji Henan zmarło z głodu około 3 milionów ludzi, którym wojsko zabierało żywność dziesiątkowaną przez wiatry, gradobicia i szarańczę. Była to jedna z największych klęsk cywilizacyjnych.

Natomiast w okresie 1980-2017 wraz z wyraźnym sygnałem wymuszeń antropogenicznych gazów cieplarnianych, pojawiło się coraz więcej ekstremalnych susz, zwłaszcza od początku XXI wieku.

W latach 1987-89 na Wielkich Równinach blisko Parku Narodowego Yellowstone susza wraz z falą upałów po raz pierwszy doprowadziły do inicjacji pożarów lasów.

Natomiast w latach 2006-2010 w Syrii potężna susza doprowadziła 1,5 miliona mieszkańców do uchodźstwa z powodu zmian klimatu, które doprowadziły w tym kraju gospodarkę rolną do ruiny.

—

Kate Marvel, z Instytutu Badań Kosmosu im. Goddarda przy NASA (NASA GISS – NASA Goddard Institute for Space Studies) oraz z Wydziału Fizyki Stosowanej i Matematyki Stosowanej, na Uniwersytecie Columbia w Nowym Jorku, jako główna autorka pracy, wraz ze swoimi współpracownikami, przedstawiła dane występowania susz za pomocą modeli klimatycznych, obserwacji i rekonstrukcji klimatycznych (badań pośrednich – tzw. proxies) ¹.

Badanie to koncentruje się już na wcześniejszym wykryciu wśród szumu zmienności naturalnych, sygnału zmian klimatu, dokładniej wymuszenia gazów cieplarnianych, których skutkiem jest właśnie nasilenie się suszy w XX wieku.

Za pomocą wskaźnika nasilenia suszy Palmera (PDSI – Palmer Drought Severity Index), który również uwzględnia wpływ ocieplenia pod kątem pomiarów opadów deszczu i ewapotranspiracji, naukowcy zbadali wilgotność gleby posługując się metodą rekonstrukcji klimatu za pomocą zapisu słojów drzew w czasie 600-900 lat.

Kate Marvel dla serwisu Carbon Brief powiedziała następująco ²:

Słoje drzew dają nam obraz warunków w letnim okresie wegetacyjnym. Jeśli jest mokry rok z dużą wilgotnością gleby, drzewa rosną bardziej. Jeśli jest suchy rok, rosną mniej. Tak więc grubość poszczególnych słojów mierzy wilgotność gleby w danym roku.

Zastosowując tzw. technikę „odcisków palców”, polegającą na wykryciu sygnału zmian klimatu, naukowcy porównali zapisy słojów drzew i meteorologiczne z modelowymi symulacjami klimatu w okresie 1900-2100. Symulacje te przedstawiły szereg czynników, które mogą wpływać na ryzyko powstawania i nasilenia suszy w danym okresie czasu. Takimi czynnikami stymulującymi mogą być też emisje aeorozoli z erupcji wulkanów, jak i przemysłowe. Aby uwzględnić wpływ spowodowanych przez człowieka zmian klimatycznych, naukowcy wykorzystali scenariusz wysokich emisji gazów cieplarnianych znany jako RCP8.5.

—

Rys.1. Siła związku między szacunkami wskaźnika nasilenia suszy Palmera (PDSI – Palmer Drought Severity Index) na podstawie danych obserwacyjnych – rekonstrukcje słojów drzew (kolor zielony) i zbiory danych meteorologicznych (CRU, kolor ciemnoniebieski; DAI, kolor jasnoniebieski) – a „odcisk palca” związany ze zmianą klimatu. Na osi y liczba powyżej zera wskazuje na trend dodatni, podczas gdy liczby poniżej zera wskazują na trend ujemny. Wyniki przedstawiono dla trzech okresów: 1900-49 (na górze), 1950-75 (w środku) i 1980-2017 (na dole). Na dolnym wykresie rekonstrukcje słojów drzew są zastąpione nowoczesnymi zbiorami danych o wilgotności gleby na powierzchni (pomarańczowy) i korzeniach roślin (czerwony). Źródło: Kate Marvel i in. (2019)

—

Jak widać z danych zestawów meteorologicznych Zakładu Badań Klimatycznych (CRU – Climatic Research Unit) i interfejsu dostępu do danych (DAI – Date Access Interface), okres 1950-1975 zamaskował sygnał wymuszenia gazów cieplarnianych (dodatnich emisji GHG), ale ujawnił sygnał wymuszenia aerozoli (ujemnych emisji GHG).

Badacze na wykresach przedstawili analizę porównawczą okresów 1900-1949, 1950-1975 i 1980-2017 za pomocą rekonstrukcji klimatycznych, obserwacji meteorologicznych i symulacji modelowych.

Od początku XX wieku do początku lat 80, sygnał antropogenicznych zmian klimatu wymuszających nasilenie częstotliwości, długości, intensywności i zasięgu geograficznego susz, był jeszcze słabo wykrywalny. We wcześniejszych okresach szum w systemie klimatycznym powodowały naturalne zmienności klimatyczne. Świat w tym okresie czasu nie był tak mocno ocieplony, ale mimo to susze już miały miejsce, choć nie były tak silne jak od początku lat 80 do dziś.

Spadkowy zapis słojów drzew w latach 1950-1975 był spowodowany nasileniem emisji chłodzących klimat aerozoli antropogenicznego pochodzenia oraz większym zachmurzeniem na półkuli północnej, które zmniejszało fotosyntezę drzew, co przyczyniało się do bardziej zaburzonych przyrostów w słojach drzew w latach chłodniejszych od średniej. Jednak w tym okresie czasu na Wielkich Równinach USA w latach 1950-56 i 1962-66 miały miejsce długotrwałe, ale nie ekstremalne susze, dla których jednak sygnał antropogenicznych wymuszeń radiacyjnych nie był jeszcze tak silny jak od lat 80 do dziś. W tym okresie sygnał wymuszeń gazów cieplarnianych został zamaskowany sygnałem wymuszeń aerozoli chłodzących klimat, co też mogło dawać mylące wrażenie, że antropogeniczne zmiany klimatu, w tym ich wpływ na susze, nie ma miejsca.

Z kolei zapisy słojów drzew w latach 1900-1949 i 1980-2017 wyraźnie pokazały ich trend zwyżkowy oraz wyraźniejszy sygnał wymuszeń radiacyjnych na inicjację i nasilenie susz w XX wieku, gdyż sygnał wymuszeń aerozoli nie był tak silny. W pierwszym przypadku, gdyż nie był tak mocno jeszcze uprzemysłowiony świat, ale była wzmocniona aktywność słoneczna, a w drugim przypadku, ponieważ ludzkość postanowiła zredukować znacząco emisje chłodzących aerozoli siarczanowych w okresie 1950-1975, co w latach 90 odczuliśmy jako wzmocnienie globalnego ocieplenia.

—

Zespół naukowy Céline Bonfils, fizyczki z Narodowego Laboratorium Lawrence Livermore (Lawrence Livermore National Laboratory), przedstawił również wyniki badań identyfikacji „odcisków palców”, w których zaznaczył się wpływ na inicjację i nasilenie susz nie tylko pod wpływem antropogenicznych zmian klimatu, ale i również naturalnych zmienności klimatycznych takich jak erupcje wulkaniczne czy oscylacje oceaniczne jak El Niño czy La Niña ³.

Naukowcy, za pomocą symulacji modeli systemu Ziemi, takich jak zestaw modeli CMIP5 oraz model CanESM2-LE dotyczących odpowiednio lat 1861-2019 i 1950-2019, obliczyli w swoim artykule dwa odciski palców:

1. F_M1(x) – charakteryzujący się globalnym ociepleniem, nasilonymi wzorcami mokro-suchymi i postępującym wysychaniem kontynentów na dużą skalę, w dużej mierze napędzanym przez kilkudziesięcioletni wzrost emisji gazów cieplarnianych (GHG).
2. F_M2(x) – rejestrujący:

– wyraźny kontrast temperatury między półkulą północną a południową

– powiązane przesunięcia południkowe w międzyzwrotnikowej strefie konwergencji

– skorelowane anomalie opadów i suchości nad Kalifornią, Sahelem i Indiami

—

Rys.2. Lokalne anomalie opadów (na górze) i „wskaźnik wilgotności klimatu” (CMI; na dole) od 1860 do 2019 roku na całym świecie. Brązowy pokazuje suszenie, podczas gdy zielony pokazuje wzrost opadów i wilgoci (Céline Bonfils i inni, 2020).

—

W niniejszym badaniu, FM₂(x) wykazuje nieliniowe zachowanie czasowe: międzytropikalna strefa konwergencji przesuwała się na południe w okresie 1950-1975, w odpowiedzi na wzrost hemisferycznie asymetrycznych emisji aerozoli siarczanowych, a w okresie 1975-2014 przesuwa się na północ z powodu znacznego zmniejszania się emisji dwutlenku siarki i wywołanego przez gazy cieplarniane, takie jak dwutlenek węgla, metan i podtlenek azotu, ocieplenia lądowego na półkuli północnej.

Autorzy pracy w swoim artykule napisali:

Oba odciski palców są statystycznie identyfikowalne w obserwacjach wspólnych zmian temperatury, opadów i suchości w latach 1950–2014. Pokazujemy, że wiarygodna symulacja tych zmian wymaga połączonego wymuszania przez GHG, bezpośredniego i pośredniego wpływu aerozoli oraz dużych erupcji wulkanicznych. Nasze wyniki sugerują, że wysuszenie wywołane GHG może być modulowane regionalnie przez przyszłe redukcje emisji aerozoli siarczanowych.

Główna autorka pracy, dr Céline Bonfils wyjaśniła dla serwisu Carbon Brief ⁴:

 Głównym celem badań nad odciskami palców jest oddzielenie naturalnych i ludzkich wpływów na globalny klimat. Na klimat, którego doświadczamy w dowolnym momencie, wpływa wiele czynników. Jednym z czynników jest wewnętrzny „szum” ziemskiego klimatu – czysto naturalne wahania, takie jak El Niños i La Niñas . Na klimat mają również wpływ czynniki „zewnętrzne”, które działają w różnym tempie i miejscach.

Pierwszy odcisk palca:

Wzorce mokro-suche wskazują coraz wyrażniej za pomocą wskaźnika wilgotności klimatu (CMI – Climate Moisture Index), że w latach 1850-2019 na kontynentach przybywa obszarów zaznaczonych na mapach w kolorze brązowym, które odzwierciedlają obraz wysychania tych regionów. Zielony kolor na mapach pokazuje wzrost opadów i wilgoci.

CMI jest oparty na wzorcach opadów i zależności między temperaturą, opadami i parowaniem.

Zgodnie z wynikami badań, obszary, w których obserwuje się duży spadek opadów deszczu, obejmują Azję Środkową, Półwysep Indochiński, Indonezję, wschodnie Chiny, zachodnią część Stanów Zjednoczonych i Meksyku, zwłaszcza Kalifornię, Amazonię, basen Morza Śródziemnego.

Drugi odcisk palca:

Międzytropikalna strefa konwergencji (ITCZ – Intertropical Convergence Zone) to jest ogromny pas niskiego ciśnienia otaczający Ziemię w pobliżu równika. Reguluje ona roczne wzorce opadów w większości tropików, dzięki czemu ma ogromne znaczenie dla ludzi, gdyż w tym obszarze na Ziemi są najobfitsze opady deszczu niezbędne zarówno dla regionów rolniczych, jak i dla zwierząt i roślin zamieszkujących tropikalne deszczowe ekosystemy.

Bonfils wyjaśniła dla Carbon Brief:

Najsilniejsze opady na Ziemi występują w ITCZ. Ten tropikalny pas deszczowy powstaje tam, gdzie zbiegają się pasaty z półkuli południowej i północnej. Ich połączone masy powietrza spotykają się, unoszą do atmosfery i kondensują, powodując intensywne opady deszczu.

ITCZ każdego roku wędruje na północ i południe przez obszary tropikalne, mniej więcej według położenia słońca w czasie zmian pór roku.

Nowe badania udowodniają, że od lat 80 po redukcji chłodzących przemysłowych aerozoli siarczanowych, emisje antropogenicznych gazów cieplarnianych wpłynęły wyraźnie na ruch ITCZ w kierunku północnym.

Bonfils podsumowała temat w tym samym serwisie:

Drugi i bardziej subtelny „odcisk palca” ujmuje kontrast temperaturowy między półkulą północną a południową, kontrolowany głównie przez chłodzący wpływ zanieczyszczeń pyłowych emitowanych przez człowieka z Europy i Ameryki Północnej do lat 80. XX wieku. Ten kontrast temperatur przesunął tropikalny pas deszczowy [ITCZ] na południe, z dala od chłodniejszej półkuli północnej, powodując więcej opadów nad zachodnimi Stanami Zjednoczonymi, a mniej nad Sahelem i Indiami.

Po 1980 roku półkula północna stała się cieplejsza niż półkula południowa. Były ku temu dwa powody. Po pierwsze, przepisy dotyczące zanieczyszczeń zmniejszyły emisje aerozoli przez człowieka w Ameryce Północnej i Europie. Po drugie, efekt cieplarniany ogrzewa półkulę północną, która jest w przeważającej mierze pokryta lądem, szybciej niż półkulę południową, którą w większości pokrywają oceany.

Z obu tych powodów tropikalny pas deszczowy [ITCZ] cofnął się na północ po 1980 roku, przynosząc mniej opadów w zachodnich Stanach Zjednoczonych, a więcej w Sahelu i w Indiach.

—

Referencje:

1. Marvel K. et al., 2019 ; Twentieth-century hydroclimate changes consistent with human influence ; Nature ; https://www.nature.com/articles/s41586-019-1149-8
2. Dunne D., 2019 ; Climate change has influenced global drought risk for ‘more than a century’ ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/climate-change-has-influenced-global-drought-risk-for-more-than-a-century
3. Bonfils C. J. W. et al., 2020 ; Human influence on joint changes in temperature, rainfall and continental aridity ; Nature Climate Change ; https://www.nature.com/articles/s41558-020-0821-1
4. Dunne D., 2020 ; Scientists discover new ‘human fingerprint’ on global drought patterns ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/scientists-discover-new-human-fingerprint-on-global-drought-patterns