Klimat Ziemi

Stres cieplny ma coraz częstszy wpływ ujemny na wiele gatunków roślin i zwierząt. Występująca długotrwale podwyższona temperatura, czy to w skali lokalnej czy regionalnej, coraz częściej osłabia wiele organizmów roślinnych i zwierzęcych. Działają tutaj czynniki złożone powodujące coraz bardziej rozległy stres termiczny i stres wodny.

Śmiertelność drzew z powodu fal upałów występuje tak samo jak z powodu suszy. Podwyższona temperatura wpływa na zaburzenia metaboliczne aktywnych biologicznie tkanek, co osłabia organizmy wielu gatunków drzew na świecie.

Praca opublikowana przez zespół naukowy biologa roślin Henry’ego D. Adamsa, z Uniwersytetu Stanowego Oklahoma (Oklahoma State University), przedstawiła negatywny wpływ długotrwałej wysokiej temperatury podwyższający śmiertelność drzew, tak samo jak wpływ długotrwałej suszy ¹.

Autorzy podkreślili, że nie tylko deficyt wodny, ale i też wpływ anomalnie wysokiej temperatury, ma ujemny wpływ na fizjologię i prawidłowy wzrost drzew. Zauważyli, że oba parametry oddziałują synergicznie na organizmy roślinne. W swojej pracy napisali, że drzewa w stresie wodnym stają się coraz bardzo wrażliwe na podwyższoną temperaturę, ponieważ reakcje metaboliczne tkanek biologicznie aktywnych zmieniają się wraz z temperaturą oraz zmienia się zapotrzebowanie atmosferyczne na wodę, tj. deficyt ciśnienia pary wodnej (VPD – Vapour Pressure Deficit), który wzrasta wraz z temperaturą, zwiększając tempo ewapotranspiracji oraz zmniejszenie wody glebowej dostępnej dla roślin.

Ponadto z pracy dowiadujemy się, że eksperymentalne i obserwacyjne badania, pod względem suszy, często wykazywały, że podwyższona temperatura mocno zwiększa zakres i wskaźnik śmiertelności drzew. Nawet w klimacie, w którym susza bywa rzadkością, długotrwałe fale upałów mogą powodować znaczną śmiertelność drzew z powodu stresu termicznego. W niektórych regionach, w których została odnotowana podwyższona śmiertelność drzew, susza i upały synergicznie działając, miały również drastyczny wpływ na zmniejszenie reprodukcji i regeneracji drzew, które przeżyły długotrwały okres stresu termicznego, co z kolei może mieć skutki w zmianach demograficznych i behawioralnych roślinności, a także w samych zmianach ekosystemów leśnych, ale i także nieleśnych.

—

Fot.1. Wpływ fal upałów na liście roślin (z wolnej witryny internetowej).

—

Henry Adams, dla serwisu Yale 360 Environment powiedział ²:

Wyższe temperatury już teraz powodują poważne szkody w lasach na świecie. Wraz ze wzrostem temperatury drzewa stają się mniej odporne, a wymieranie staje się częstsze — nawet pięciokrotnie. „Jeśli klimat ociepli się nieco bardziej, sprawy nie zmienią się trochę, ale bardzo się zmienią. Otrzymujemy przyspieszenie tempa śmiertelności. Gdy podkręcamy ciepło, czas potrzebny na zabicie drzew jest coraz krótszy.

Naukowcy zauważyli jeszcze jedną bardzo istotną rzecz, że wyższe temperatury mogą również prowadzić do powstrzymania odrastania lasów po ekstremalnych zdarzeniach pogodowych jak wielkoskalowe pożary. I to może być przyczyną przekształcania ekosystemów leśnych w ekosystemy trawiaste lub co najmniej krzewiaste. Jeden z powodów jest taki, że na amerykańskim zachodzie pożary stają się coraz większe, gorętsze i częstsze, co także ma wpływ na zabijanie drzew matecznych zrzucających nasiona do regeneracji lasów po pożarach.

—

Robert Teskey, ze Szkoły Leśnictwa i Zasobów Naturalnych im. Daniela B. Warnella na Uniwersytecie Georgii w Atenach, w swojej pracy zespołowej tak skomentował temat stresu termicznego u drzew pod kątem ich zaburzeń fizjologicznych, morfologicznych, ekologicznych oraz genetycznych ³:

Wzrosła liczba i intensywność fal upałów i tendencja ta prawdopodobnie utrzyma się przez cały XXI wiek. Często falom upałów towarzyszą susze. Przewiduje się, że globalny obszar lądowy doświadczający fal upałów podwoi się do 2020 r., a czterokrotnie wzrośnie do 2040 r. Ekstremalne upały mogą mieć wpływ na wiele różnych funkcji drzew. Na poziomie liści fotosynteza jest zmniejszona, wzrasta stres fotooksydacyjny, liście odpadają, a tempo wzrostu pozostałych liści maleje. U niektórych gatunków przewodnictwo szparkowe wzrasta w wysokich temperaturach, co może być mechanizmem chłodzenia liści. Na poziomie całej rośliny stres cieplny może zmniejszyć jej wzrost i zmienić przydział biomasy. Kiedy stres suszy towarzyszy falom upałów, negatywne skutki stresu cieplnego nasilają się i mogą prowadzić do śmiertelności drzew. Jednakże, niektóre gatunki wykazują niezwykłą tolerancję na stres termiczny. Odpowiedzi obejmują zmiany, które minimalizują stres związany z fotosyntezą i redukcją oddychania podczas fazy ciemnej [bez dostępu światła]. Chociaż do tej pory przeprowadzono niewiele badań, istnieją dowody na zmienność genetyczną w obrębie gatunku w zakresie tolerancji termicznej, która może być ważna do wykorzystania w systemach leśnictwa produkcyjnego.

W latach 60 XX wieku fale upałów dotkliwie wpływały na 1% powierzchni lądowej z występującymi drzewami, a w 2012 roku było to 10% (James Hansen i inni, 2012). Przewidywane jest utrzymywanie się nasilającej się częstotliwości i intensywności fal upałów przez cały XXI wiek (Yao Yao i inni, 2013).

Ekstremalnie wysokie temperatury oddziałują na różnego typu genotypy drzew, poczynając od poziomu molekularnego, a kończąc na morfologii tych drzew.

W szczególności wysoka temperatura ma bardzo ujemny wpływ na fizjologię wyjątkowo wrażliwych liści – istotnych organów drzew. Wielkość ich uszkodzeń zależy od specyfiki danego gatunku, czasu trwania ekspozycji i pory roku.

—

Rys.1. Zależność między temperaturą a czasem trwania ekspozycji skutkującej uszkodzeniem 50% listowia sadzonek Picea mariana ocenianej po 3 tygodniach od zabiegu (S. J. Colombo i M. L. Timmer, 1992).

—

Np. Podczas eksperymentu sadzonka gatunku borealnego świerka czarnego Picea mariana miała już zaznaczony próg uszkodzenia swoich liści przy temperaturze 44 stopnie Celsjusza, gdy była wystawiona na słońce przez 180 minut. Wówczas u 40% sadzonek świerka igły liści uległy blaknięciu. A podwyższona temperatura do 46 stopni Celsjusza sprawiła, że 100% sadzonek tego gatunku drzewa w czasie 60 minut uległo uszkodzeniu. A w temperaturze 50 stopni Celsjusza wystarczyło zaledwie 10 minut. Wystąpiła ujemna wykładnicza zależność między temperaturą a czasem trwania ekspozycji na ciepło, które spowodowało uszkodzenia liści (rys.) (S. J. Colombo i V. R. Timmer, 1992). Jednakże inny gatunek świerka – świerk biały Picea glauca, w temperaturze 48 stopni Celsjusza, podczas ekspozycji na upalne słońce, w czasie 30 minut wykazał 50% uszkodzeń swoich igieł, a więc znacznie mniej niż poprzedni gatunek (F. J. Bigras i inni, 2000). Czyli eksperyment ten dowiódł, że każdy gatunek ma inny próg uszkodzeń pod wpływem ekspozycji na ciepło.

—

1. Adams H. D. et al., 2017 ; Temperature response surfaces for mortality risk of tree species with future drought ; Environmental Research Letters ; https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/aa93be
2. Robbins J., 2020 ; With Temperatures Rising, Can Animals Survive the Heat Stress? ; Yale Environment 360 ; https://e360.yale.edu/features/with-temperatures-rising-can-animals-survive-the-heat-stress
3. Teskey R., 2015 et al.; Responses of tree species to heat waves and extreme heat events ; Plant, Cell & Environment ; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pce.12417

Fale upałów, nawet intensywne i długotrwałe, gdy są suche, to są jeszcze do zniesienia. Gorzej jeżeli są one wilgotne i gorące. Na szczęście dziś jeszcze są bardzo rzadkie. I to z reguły występują one przy maksymalnej temperaturze 28 stopni Celsjusza. Znacznie rzadziej przy 31°C. Ale kilka razy zdarzyło się w życiu, że była to temperatura 35°C, tyle, że w bardzo krótkim czasie. W dłuższym czasie praktycznie ta temperatura oznacza niewydolność organizmu każdego ssaka, w tym człowieka.

Adiunkt Eun-Soon Im z Wydziału Środowiska i Zrównoważonego Rozwoju i Wydziału Inżynierii Lądowej i Środowiska na Uniwersytecie Nauki i Technologii w Hongkongu w Kowloon, profesor Jeremy S. Pal z Wydziału Inżynierii Lądowej i Nauk o Środowisku na Uniwersytecie Loyola Marymount w Los Angeles oraz profesor Elfatih A.B. Eltahir z Laboratorium Ralpha M. Parsonsa w Instytucie Technologii Massachusetts (MIT – Massachusetts Institute of Technology), zaobserwowali, że latem 2015 r. temperatura mokrego termometru (TW – wet-bulb temperature) w Bandar Mahshahr w Iranie (Zatoka Perska/Arabska) w dłuższym okresie czasu niż zazwyczaj osiągnęła prawie 35°C, co sugeruje, że próg może zostać przekroczony wcześniej niż przewidywano. Na szczęście tam raczej nie było ludzi, choć nie wiadomo czy nie ucierpiały jakieś zwierzęta i rośliny ¹.

Narażenie człowieka na TW o temperaturze około 35°C przez nawet kilka godzin spowoduje śmierć nawet najsilniejszych ludzi w zacienionych, dobrze wentylowanych warunkach.

—

Rys.1. Rozkład przestrzenny najwyższej dobowej maksymalnej temperatury termometru mokrego, TW _max (°C), we współczesnym zapisie (1979–2015). Globalny rozkład TW_max jest obliczany przy użyciu 3-godzinnych danych satelitarnych ERA-Interim z rozdzielczością poziomą 0,75° × 0,75°. Powiększona domena pokazuje trzy wyróżniające się regiony o wyższej TW_max : południowo-zachodnią Azję wokół Zatoki Perskiej/Arabskiej i Morza Czerwonego, Azję Południową w dolinach rzek Indus i Ganges oraz wschodnie Chiny. Wartości TW_max poniżej 27°C nie są pokazane (Eun-Soon Im i inni, 2017).

—

Globalny rozkład TW _max jest obliczany przy użyciu 3-godzinnych danych ERA-Interim z rozdzielczością poziomą 0,75° × 0,75°. Powiększona domena uwydatnia trzy wyróżniające się regiony o wyższej TW _max : południowo-zachodnią Azję wokół Zatoki Perskiej/Arabskiej i Morza Czerwonego, Południową Azję w dolinach rzek Indusu i Gangesu oraz wschodnie Chiny. Wartości TW _max poniżej 27°C nie są pokazane

Również mniejszy wpływ wilgotnych fal upałów oddziaływać będzie na mniejszą populację ludzi zamieszkujących rejon Zatoki Perskiej, gdzie kultura jest mniej rolnicza, a więc, mniej narażona na bezpośredni wpływ ekstremalnych dni upalnych. Gorzej będzie to niestety znosić bardzo liczna populacja mieszkańców Indii i Pakistanu licząca 1,5 miliarda ludzi, gdzie z kolei jest bardzo dużo biednych rolników bezpośrednio narażonych na ekstremalne warunki wilgotnej, letniej fali upałów.

Profesor Elfatih Eltahir w serwisie Science Daily podkreślił ²:

Podczas gdy prognozy pokazują, że Zatoka Perska może stać się regionem najgorszych fal upałów na świecie, północne Indie są na drugim miejscu, a wschodnie Chiny, również gęsto zaludnione, są na trzecim miejscu. Jednak najwyższe koncentracje ciepła w Zatoce Perskiej występowałyby nad wodami samej Zatoki, a mniejsze byłyby nad zamieszkaną ziemią.

Nowa analiza badaczy opiera się na niedawnych badaniach wykazujących, że najbardziej zabójcze skutki upałów dla ludzi wynikają z połączenia wysokiej temperatury i wysokiej wilgotności, wskaźnika mierzonego odczytem znanym jako temperatura mokrego termometru.

Badanie to pokazuje, że do końca XXI wieku, przy zwlekaniu podejmowania poważnych redukcji globalnych emisji gazów cieplarnianych (GHG), najbardziej ekstremalne, występujące dziś raz na 25 lat, fale upałów wzrosną z temperatury mokrego termometru z około 31°C do 34,2°C. A więc, zbliży to nas ludzi i inne ssaki do progu przeżywalności.

W dzisiejszym klimacie około 2% populacji Indii jest czasami narażonych na ekstremalne temperatury termometru mokrego wynoszące nawet 32 stopnie Celsjusza. Według tego badania, przy kontynuacji scenariusza wysokich emisji GHG „biznes jak zwykle” do 2100 roku, liczba ta wzrośnie do około 70% populacji, natomiast około 2 procent ludzi będzie wtedy czasami narażonych na granicę przeżycia 35 stopni Celsjusza.

Naukowcy przypominają, ostrzegając, że lato 2015 roku wywołało również jedną z najbardziej śmiercionośnych fal upałów w historii Azji Południowej, zabijając około 3500 osób w Pakistanie i Indiach.

Wówczas mieliśmy do czynienia z długotrwałym i bardzo silnym El Niño, które jak pokazały wyniki badań, opóźnia nadejście indyjskiego monsunu letniego, co z kolei powoduje silniejsze i trwalsze fale upałów w Indiach, w tym wilgotne, jak właśnie latem 2015 roku.

—

W kolejnej podobnej interesującej pracy, Simone Russo z Instytutu Ochrony i Badań Środowiska w Rzymie (Isprze), Jana Sillmann z Centrum Międzynarodowych Badań Klimatu i Środowiska (CICERO) w Oslo oraz Andreas Sterl z Królewskiego Holenderskiego Instytutu Meteorologicznego (KNMI) w De Bilt, przedstawili następujący punkt widzenia, że zarówno w wilgotnych, jak i suchych regionach, występowanie fal upałów może być związane z utrzymującymi się stanami synoptycznymi, takimi jak: wzorce blokowania niżów, zmniejszone zachmurzenie i adwekcja ciepłego powietrza ³.

Nowatorstwo tego badania polegało na tym, że w celu oszacowania wielkości i wpływu fal upałów uwzględniona została nie tylko temperatura, ale i także wilgotność względna, która w coraz cieplejszym świecie będzie bardzo poważnym problemem wpływającym ujemnie na zdrowie ludzi i innych ssaków.

Według badania, fala upałów jest uważana za wilgotną, jeśli co najmniej jeden z jej dni wykazuje temperaturę odczuwalną (AT – Apparent Temperature), która przekracza temperaturę termometru suchego.

W przypadku stresu fizjologicznego, u ludzi i innych ssaków, najczęściej występuje wilgotność względna. Oznacza ona niezdolność organizmu do utraty ciepła poprzez chłodzenie wyparne. W krytycznych przypadkach prowadzi to niestety do przegrzania i śmierci.

Aby uwzględnić wpływ wilgotności względnej podczas kolejnych upalnych dni, naukowcy wprowadzili nowy wskaźnik odczuwalnej fali upałów (AHWI – Apparent Heat Wave Index), który obliczany jest analogicznie do dziennego wskaźnika wielkości fali upałów (HWMId – Heat Wave Magnitude Index daily), ale z maksymalną dobową temperaturą zastąpioną przez AT dla dni fali upałów z AT > T. Pierwszy odnosi się do temperatury odczuwalnej (temperatury i wilgotności względnej), a drugi tylko do temperatury.

—

Rys.2. Prawdopodobieństwo wystąpienia ekstremalnie wilgotnych fal upałów przy różnych poziomach ocieplenia w stosunku do lat 1861–1880. (a), Symulowany wzrost średniej globalnej temperatury powierzchni w funkcji czasu. Mediana modelu dekadowego w okresie historycznym (1860–2010) jest reprezentowana przez czarne krzyżyki. Mediana modelu dekadowego w przyszłym okresie (2011–2100) dla trzech scenariuszy reprezentatywnej ścieżki koncentracji (RCP2.6, RCP4.5 i RCP8.5) jest reprezentowana odpowiednio przez czarne kwadraty, kółka i trójkąty. (b – d), Prawdopodobieństwo wystąpienia fal upałów o wielkości (magnitudzie) większej niż maksymalna wykryta w Rosji w 2010 r. (HWMId > 60) obliczone w każdym punkcie siatki dla wszystkich lat modelowych z globalną anomalią średniej temperatury względem lat 1861–1880 między 1,4° a 1,6° (poziom ocieplenia 1,5°), 1,9°–2,1° (poziom ocieplenia 2°) i 3,9°–4,1° (poziom ocieplenia 4°). Odpowiednio e-g jak b-d, ale dla wilgotnych fal upałów i względnego wskaźnika odczuwalnej fali upałów (AHWI > 60). Ten rysunek został utworzony przy użyciu wersji R 3.3.2 (Żródło: https://cran.r-project.org/).

—

Naukowcy przeprowadzili zestawy analiz atmosfery z danych ERA-Interim i NCEP-2 za pomocą modelu sprzężonego CMIP5, w którym prześledzili przebieg wspomnianych wskaźników łącznie z AT dla świata cieplejszego o 1,5 , 2 i 4°C powyżej okresu przedprzemysłowego.

Regiony takie jak wschodnie stany USA oraz Chiny są i będą (przy kontynuacji scenariusza wysokich emisji „biznes jak zwykle”) podatne na wpływy temperatury wzmacnianej przez wysoką wilgotność względną, gdyż powstawanie wilgotnej fali upałów nad tymi regionami bierze swój początek znad wodnych obszarów. W pierwszym przypadku gorące i wilgotne powietrze napływa znad Zatoki Meksykańskiej, a w drugim przypadku z tropikalnych wód najprawdopodobniej Morza Południowochińskiego.

Natomiast w Europie i zachodniej części Stanów Zjednoczonych mamy do czynienia z tworzeniem się suchej fali upałów, która jest i najprawdopodobniej będzie często powodowana uporczywym blokowaniem wilgotnych niżów i związaną z nim adwekcją gorącego, suchego powietrza z wyżowych rejonów pustynnych.

W pierwszym przypadku z Sahary, a w drugim przypadku z bardziej gorącej pustyni w Meksyku, najprawdopodobniej Sonory.

Na przykład rosyjska fala upałów w 2010 roku wynikała z powstania silnego antycyklonu, który pojawił się nad obszarami względnie chłodnej Rosji, dzięki czemu, znad Sahary w Afryce Północnej napłynęły masy ekstremalnie gorącego i suchego powietrza.

Naukowcy w swojej pracy napisali:

W niektórych kluczowych regionach, takich jak środkowo-zachodnie i wschodnie stany USA, Chiny, północna Ameryka Łacińska i Malezja, zarówno dane reanalizy, jak i dane modelowe, pokazują, że wielkość fali upałów i szczytowa temperatura zostały wzmocnione przez wysoką wilgotność względną w niedalekiej przeszłości. Wybrane fale upałów z Chicago 1995 i Szanghaju 2003 są wyraźnymi przykładami udziału wilgotności względnej podczas fali upałów. Wręcz przeciwnie, wpływ wilgotności względnej był znikomy podczas dwóch słynnych fal upałów, które miały miejsce w Europie Środkowej w 2003 r. i w Rosji w 2010 r.

Podsumowując temat, naukowcy ostrzegają, że fale upałów coraz bardziej wzmacniane przez wysoką wilgotność i temperaturę powyżej 40°C, mogą występować w świecie cieplejszym o 2 stopnie Celsjusza względem okresu przedprzemysłowego, nawet co dwa lata. Będzie to doprowadzało wielu ludzi do poważnych zagrożeń zdrowia, a nawet życia. Jeśli globalne temperatury wzrosną o 4°C, nowa fala upałów o temperaturze 55°C może regularnie nawiedzać wiele części świata, w tym Europę. W szczególności ta ekstremalna wilgotna fala upałów dotknie gęsto zaludnione obszary, takie jak wschodnie wybrzeże USA, przybrzeżne Chiny, duże obszary Indii i północnej Ameryki Południowej.

—

Referencje:

1. Im E-S et al., 2017 ; Deadly heat waves projected in the densely populated agricultural regions of South Asia ; Science Advances ; https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.1603322
2. Massachusetts Institute of Technology, 2017 ; Deadly heat waves could hit South Asia this century ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2017/08/170802152547.htm
3. Russo S. et al., 2017 ; Humid heat waves at different warming levels ; Scientific Reports ; https://www.nature.com/articles/s41598-017-07536-7

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: HadGHCND z brytyjskiego Met Office 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.

—

Rys.1. Globalne mapy obserwowanych dekadowych trendów fal upałów (HadGHCND po lewej stronie i Berkeley Earth po prawej stronie) Trendy w sezonowych dniach fali upałów (a , b); długość najdłuższej fali upałów (c , d); średnia intensywność ciepła podczas upałów (e , f); skumulowana intensywność ciepła podczas upałów (g , h) dla quasi-globalnego zbioru danych obserwacyjnych HadGHCND w latach 1950-2011 (a , c , e , g) oraz globalnego zbioru danych obserwacyjnych Berkeley Earth w latach 1950-2014 (b , d , f , h). Trendy są wyrażone jako dni dekady ^-1 dla (a – d) i °C   dekady ^-1 dla (e – h) (Sarah Perkins-Kirkpatrick i inni, 2020).

—

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 skumulowany upał 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.

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.

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 powierzchniowym, 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 jeszcze 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.

—

Rys.2 Przewidywane zmiany temperatury maksymalnej. Krzywe gęstości prawdopodobieństwa dla symulowanej historycznej i przewidywanej w bliższym i dalszym czasie temperatury w regionie Bliskiego Wschodu i Afryki Północnej (MENA): a) średniej w ciepłej porze roku b) maksymalnej w ciepłej porze roku (George Zittis i inni, 2021).

—

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.

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

Konkretnie zbadano 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 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, wyniki zbiorowe przedstawione przez naukowców 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.

—

Referencje:

1. Philip S. et al., 2021 ; Rapid attribution analysis of the extraordinary heatwave on the Pacific Coast of the US and Canada June 2021 ; Earth System Dynamics ; https://www.ecodebate.com.br/wp-content/uploads/2021/07/20210707-rapid-attribution-analysis-of-the-extraordinary-heatwave-on-the-pacific-coast-of-the-us-and-canada-june-2021.pdf
2. Perkins-Kirkpatrick S. E. et al., 2020 ; Increasing trends in regional heatwaves ; Nature Communications ; https://www.nature.com/articles/s41467-020-16970-7
3. 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
4. University of New South Wales, 2020 ; Heatwave trends accelerate worldwide ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2020/07/200706114005.htm
5. 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
6. NOAA Headquarters, 2019 ; Heat waves could increase substantially in size by mid-century ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2019/10/191007180051.htm
7. Zittis G. et al., 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
8. Max Planck Institute for Chemistry, 2021 ; Extreme temperatures, heat stress and forced migration ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2021/03/210324094656.htm

Torfowiska to ekosystem, który w badaniach zmian klimatu i przepływu węgla przed ukazaniem się 6 Raportu Oceny IPCC był niedocenionym jako kolejny poważny czynnik globalnego ocieplenia. Obecnie torfowiska nadal od początku holocenu więcej magazynują węgla niż go uwalniają do atmosfery. W szczególności jest to widoczne na wyższych szerokościach geograficznych. Bardziej częstym źródłem węgla są w obszarach tropikalnych.

Angela V. Gallego-Sala z Wydziału Geografii na Uniwersytecie w Exeter, w Wielkiej Brytanii, wraz ze swoim dużym zespołem współpracowników, poddała następującej analizie temat torfowisk pod względem dynamicznie zachodzących zmian klimatu ¹.

Autorzy pracy podkreślili, że potencjał pochłaniania dwutlenku węgla przez torfowiska zależy od bilansu pochłaniania węgla przez żywe rośliny oraz ich akumulacji wraz z węglem w torfie, a także zależy od wpływu bakterii tlenowych, prowadzących do utleniania tegoż węgla poprzez rozkład mikrobiologiczny. Tempo obu tych procesów będzie wzrastać wraz z dalszym ociepleniem. Również zauważają oni, że pokazuje to wiele niepewności jak to będzie przebiegać.

—

Rys.1. Analiza przestrzenna całkowitego pochłaniacza dwutlenku węgla w gramach węgla na metr kwadratowy w ciągu całego roku, liczona w gramach na metr kwadratowy w ciągu roku (gC m^-2 yr^-1), obliczana na podstawie jednej z metod interpolacji statystycznych krigingu. A ściślej: krigingu obserwacyjnego (OK – observational kriging) i krigingu regresyjnego (RK – regressive kriging) (Angela V. Gallego-Sala i inni, 2020).

—

Kriging (regresja procesu Gaussa) to statystyczna metoda interpolacji, która ma zastosowanie w wielu dziedzinach wiedzy, w tym również w klimatologii. Jest to metoda, która dokonuje prognoz w niepróbkowanych lokalizacjach przy użyciu liniowej kombinacji obserwacji w pobliskich próbkowanych lokalizacjach.

Na powyższym rysunku, z zaznaczonymi trzema mapami Ziemi, widać interpolowane obszary –  uzupełniane na podstawie sąsiednich przeanalizowanych i obliczonych obszarów – z roczną akumulacją węgla w gramach na metr kwadratowy (rys.1.).

Wartości zaznaczone na mapach zostały przeniesione na obszary rozmieszczenia torfowisk. a) (u góry OK) – siatkowy rozkład przestrzenny rocznego pochłaniacza dwutlenku węgla z ostatniego tysiąclecia. b) (w środku RK) – siatkowy rozkład przestrzenny rocznego pochłaniacza dwutlenku węgla w oparciu o modelowanie akumulacji węgla dla ostatniego tysiąclecia, obliczonego przy użyciu statystycznej zależności między rocznym pochłaniaczem dwutlenku węgla a zerowym fotosyntetycznie aktywnym promieniowaniem ( PAR 0 – Photosynthetically Active Radiation Zero) c) (na dole RK) – różnica między a i b pokazuje wartości ujemne zaznaczone na czerwono, oznaczające przeszacowanie pochłaniaczy na podstawie danych statystycznych modelowych, w porównaniu z obserwacjami, oraz wartości dodatnie zaznaczone na niebiesko, oznaczające niedoszacowanie rezerwuarów węgla przez przedstawiony model podczas tego badania

W powyższej pracy z 2018 roku czytamy, że modele klimatyczne wskazują, że mimo wszystko na obu półkulach, na średnich i wysokich szerokościach geograficznych, tak jak przez okres minionego tysiąca lat, torfowiska będą szybciej akumulować dwutlenek węgla niż będzie przebiegać rozkład mikrobiologiczny prowadzący do uwalniania tego gazu wraz z metanem do atmosfery. Choć pod wpływem dalszego wzrostu średniej temperatury powierzchni Ziemi, proces ten będzie znacznie wolniej przebiegał niż przez minione tysiąc lat. Jedynie na niskich szerokościach geograficznych modele klimatyczne symulują w szybszym okresie czasu dynamikę torfowisk jako źródeł emisji gazów cieplarnianych. Wnioski te naukowcy wyciągnęli na podstawie symulacji przyszłych zmian klimatu do 2100 roku, według scenariuszy RCP2.6 i RCP8.5 jeszcze zawartych w V Raporcie Oceny IPCC (2013-14).

—

Generalnie naukowcy badając torfowiska zidentyfikowali dwa główne poziomy w torfowiskach: akrotelm, gdzie jest warstwa tlenowa oraz rozwija się wegetacja roślinna, głównie mchy torfowce, oraz katotelm, gdzie jest warstwa beztlenowa, w której przechowywany jest torf – krucha skała osadowa będąca konglomeratem szczątków roślinnych oraz kopalnego węgla.

Jednak w tym samym 2018 roku naukowy zespół Malak Tfaily z Laboratorium Nauk Molekularnego Środowiska i Narodowego Laboratorium Północno-Zachodniego Pacyfiku w Richland w USA, badając dokładniej warstwy torfowiska, odkryli pośrednią warstwę, która może być jednocześnie tlenowa i beztlenowa. Nazwali ją mezotelmem. I zasugerowali to, że, jeśli w niej występują jakieś drobnoustroje, to mogłoby być to zależne od przepływu wody z wyżej położonego akrotelmu przez pory w glebie. A więc, w tej warstwie torfu musi być też obecny tlen, gdzie są te mikroorganizmy, które wówczas w łatwy sposób utleniają węgiel w rozpuszczonej materii organicznej (DOM – Dissolved Organic Matter), po obumarłych szczątkach torfowców i innych roślin ².

Przeprowadzając swoje badania naukowcy wykorzystali kombinację metod badawczych do szczegółowej analizy molekularnej badanych w mezotelmie związków organicznych w celu uzyskania szczegółowego obrazu:

a) metoda spektroskopowa – spektrometria mas

b) metoda fluorescencja – macierz emisji wzbudzenia (EEM – Excitation Emission Matrix)

Autorzy niniejszego artykułu głównie zwrócili uwagę na dynamikę chemii rozpuszczonej materii organicznej (DOM), która jest mocno zależna od warunków meteorologicznych i ekologicznych, takich jak: ilość opadów atmosferycznych, poziom wód gruntowych w torfowisku i obecność drobnoustrojów.

Ponadto badacze postawili hipotezę, że oscylacja między stanami mokrymi i suchymi na torfowisku, mogłaby spowolnić lub przyspieszyć straty węgla, a także azotu i siarki w glebie. Dzięki temu zainteresowali się tym, jak przebiegają dokładnie procesy metaboliczne drobnoustrojów w torfowisku.

Naukowcy zaobserwowali w swojej pracy, że rozpuszczona materia organiczna (DOM) umiejscowiona w wodach porowych torfu jest kluczowym czynnikiem w kontrolowaniu szerokiego zakresu procesów biogeochemicznych na torfowiskach (J. Elisabeth Corbett i inni, 2013). I stwierdzili następujący fakt:

Poziom i ruch wody na torfowiskach ma istotny wpływ na magazynowanie i przepływ węgla (C). Zatem każda zmiana w strumieniu DOM może skutkować regionalną redystrybucją, czyli ponownym transferem węgla.

Na przykład obniżony poziom wód gruntowych z powodu zwiększonej ewapotranspiracji wraz ze wzrostem temperatury zwiększy utlenianie torfu i prawdopodobnie zwiększy strumienie DOM. Globalna zmiana klimatu (np. ocieplenie, susza i osadzanie się składników odżywczych) prawdopodobnie w przyszłości zmieni bilans węgla w ekosystemach torfowiskowych (Nancy B. Dise, 2009), a tym samym dynamikę DOM.

—

Zrównoważona ewapotranspiracja jest niezbędnym elementem w systemie hydrologicznym obok zrównoważonych opadów deszczu, spływu rzecznego oraz magazynowania wody w glebach na lądach. Jednak ta równowaga jest coraz bardziej zachwiana.

Jedna z interesujących prac na temat torfowisk jest właśnie powiązana z kluczowym parametrem hydrologicznym – ewapotranspiracją (ET – Evapotranspiration).

Ten czynnik klimatyczny dotychczas był mierzony w lasach borealnych, pomijając tak ważne ekosystemy, kluczowe dla magazynowania węgla, jak właśnie torfowiska borealne, które są modelowe dla poniższej pracy naukowej.

W 2020 roku Manuel Helbig z Wydziału Fizyki i Nauk o Atmosferze na Uniwersytecie Dalhousie w Halifax, w Nowej Szkocji, w Kanadzie, wraz ze swoim dużym zespołem naukowym z Kanady, Rosji, USA, Niemiec i Skandynawii, na podstawie obserwacji z 95 stanowisk, na których rozmieszczone zostały wieże kowariancji wirów, zaobserwował, że przy wysokim deficycie ciśnienia pary wodnej (VPD – Vapour Pressure Deficit), przekraczającym 2 kPa (kilopaskale), nadmierna ewapotranspiracja (ET) przebiegająca na torfowiskach przewyższa tę ET, która przebiega w lasach, nawet o 30% ³.

—

Rys.2. Wielomodelowa średnia projekcja zmian sezonu wegetacyjnego do końca XXI wieku a,b, Przedstawiono prognozy dla scenariuszy RCP4.5 (a) i RCP8.5 (b) (lata 2091–2100 versus 2006–2015). Dane wyjściowe z ośmiu modeli Systemu Ziemi (ESM – Earth System Model) CMIP5 (patrz tabela uzupełniająca 1 w oryginalnym artykule) zostały wykorzystane do określenia przyrostu deficytu ciśnienia pary wodnej w sezonie wegetacyjnym (ΔVPD_GS – Vapour Pressure Deficit Growing Season), w kilopaskalach (kPa).

Dane źródłowe (Manuel Helbig i inni, 2020)

—

Szacuje się, że w latach 2091–2100 ET na torfowiskach w połowie sezonu wegetacyjnego przekroczy ET w lasach nawet o ponad 20%, i to w około ¹/₃ biomu borealnego dla scenariusza emisji GHG – RCP 4.5 oraz około ²/₃ dla scenariusza emisji GHG – RCP 8.5.

Manuel Helbig w artykule dla Science Daily powiedział ⁴:

Większość obecnych globalnych modeli klimatycznych zakłada, że ​​cały biom to las, co może poważnie zagrozić ich prognozom. Musimy uwzględnić specyficzne zachowanie torfowisk, jeśli chcemy zrozumieć borealny klimat, opady, dostępność wody i cały cykl węglowy.

Wraz z dalszym ociepleniem klimatu powietrze w klimacie borealnym staje się bardziej suche i może pomieścić w atmosferze więcej wody. W odpowiedzi na wysychanie powietrza, ekosystemy leśne, a więc drzewa, krzewy, rośliny zielne, w tym trawy, przystosowały się ewolucyjnie do takich mechanizmów obronnych, że potrafią nie tylko pochłaniać duże ilości dwutlenku węgla (choć przy tym także uwalniać tlen i wodę poprzez aparaty szparkowe w procesie transpiracji), ale i również potrafią w krytycznych ekstremalnych suchych warunkach zatrzymywać wodę, zamykając wspomniane aparaty szparkowe, dzięki czemu oszczędzają zapasy wody w razie wystąpienia dalszych ekstremalnych warunków pogodowych związanych z falami upałów i suszami.

Jednak krajobraz borealny to nie tylko lasy, to tez jeziora wraz z rozległymi torfowiskami. I te ekosystemy także potrafią gromadzić ogromne zapasy węgla i wody, ale najlepiej to potrafią czynić we względnie umiarkowanych temperaturach, przy niezakłóconym cyklu hydrologicznym. Niezaburzone, gromadzą duże ilości torfowców, których duża część po śmierci zamienia się w torf ze zmagazynowanym węglem, pod warunkiem, że będzie stabilny poziom wód w glebie torfowej. Tak ukształtowane ekosystemy, z żywymi i martwymi torfowcami, również stanowią zaporę przeciwogniową, gdyż mokry torf to zapewnia.

Jak napisali autorzy pracy dla Science Daily:

Mchy torfowe nie są roślinami naczyniowymi jak drzewa, krzewy i rośliny zielne, więc wraz z postępującym ociepleniem są bardziej podatne na wysychanie. W przeciwieństwie do lasów nie mają aktywnego mechanizmu chroniącego się przed utratą wody do atmosfery. Odwodnienie naraża ich gęste zapasy węgla na przyspieszony rozkład i zamienia je z pasów przeciwpożarowych w źródła ognia.

Badania te zostały przeprowadzone przez zespół Manuela Helbiga w laboratorium ekohydrologicznym Waddington.

—

Referencje:

1. Gallego-Sala A. V. et al., 2018 ; Latitudinal limits to the predicted increase of the peatland carbon sink with Warming ; Nature Climate Change ; https://www.nature.com/articles/s41558-018-0271-1
2. Tfally M. M. et al., 2018 ; Vertical Stratification of Peat Pore Water Dissolved Organic Matter Composition in a Peat Bog in Northern Minnesota ; JGR Biogeoscienses ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2017JG004007
3. Helbig M. et al., 2020 ; Increasing contribution of peatlands to boreal evapotranspiration in a warming climate ; Nature Climate Change ; https://www.nature.com/articles/s41558-020-0763-7
4. McMaster University, 2020 ; Water loss in northern peatlands threatens to intensify fires, global Warming ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2020/05/200511112557.htm

Wieloletnia zmarzlina to trwale zamarznięta ziemia, która przechowuje tyle węgla, ile znajduje się we wszystkich roślinach na Ziemi i w atmosferze razem wziętych. Duże znaczenie w przyspieszaniu tajania jej, podczas częstego wzrostu temperatury powyżej średniej, mają bakterie tlenowe i beztlenowe, których działalność intensyfikuje się podczas ocieplenia klimatu.

Zespół naukowy Fridy Keuper, z Francuskiego Narodowego Instytutu Badawczego. ds. rolnictwa, żywności i środowiska (INRAE) oraz Uniwersytetu w Umeå w Szwecji, przedstawił interesujący aspekt emisji dwutlenku węgla z rozmrażanej zmarzliny tundrowej w sezonie letnim ¹.

Ocieplenie Arktyki sprawia, że w miejscu rozmrażanej zmarzliny pojawia się wiele roślin tundrowych, które mocno penetrują jej głębokość. To właśnie tam bakterie tlenowe dostają cukry od roślin za pomocą korzeni, dzięki czemu sprawniej przebiega ich metabolizm rozkładania materii organicznej w rozmrożonej zmarzlinie oraz proces ich oddychania i przemiany węgla organicznego w gazowy dwutlenek węgla, który intensywnie trafia do atmosfery ogrzewając obszary Arktyki.

Jest to tak zwany priming, czyli wzmożenie aktywności bakterii w strefie korzeniowej roślin, które dynamiczniej rozwijają się też w wyschniętej glebie. Jak się okazuje, właśnie w takich warunkach bakterie skutecznie utleniają węgiel organiczny do formy gazowego dwutlenku węgla.

Autorzy napisali na początku swojej pracy:

Ponieważ globalne temperatury nadal rosną, kluczową niepewnością prognoz klimatycznych jest mikrobiologiczny rozkład ogromnych zasobów węgla organicznego w rozmarzających glebach wieloletniej zmarzliny. Tempo rozkładu może wzrosnąć nawet czterokrotnie w obecności korzeni roślin, a ten mechanizm – zwany efektem pobudzania ryzosfery – może być szczególnie istotny w przypadku rozmrażania gleb wieloletniej zmarzliny, ponieważ wzrost temperatury również stymuluje produktywność roślin w Arktyce.

Jednak, jak podkreślają naukowcy, priming ryzosfery nie jest obecnie wyraźnie uwzględniony w żadnych modelowych prognozach przyszłych strat węgla z obszaru wieloletniej zmarzliny. Połączyli oni zestawy danych o wysokiej rozdzielczości przestrzennej i głębokiej, których dane mają kluczowe znaczenie dla dokładniejszego empirycznego zbadania interakcji roślin i wieloletniej zmarzliny w korelacji z primingiem ryzofery, czyli działalnością bakterii w topniejącej i ogrzewającej się zmarzlinie.

—

Rys.1. Względny rozkład głębokości korzeni w tundrze i lasach borealnych o różnej grubości warstwy czynnej (ALT). Względny rozkład korzeni został obliczony na 60 warstwach gleby (przyrosty 5 cm) ze zmienną ALT w tundrze podmokłej (W), krzewów wzniesionych (S) czy krzewów rozłożystych (P), złożonej z traw (G), a także w tundrze lasu borealnego na wieloletniej zmarzlinie (Bor) (Frida Keuper i in., 2020).

—

Według badań powyższych priming ryzosfery zwiększa ogólne oddychanie gleby w ekosystemach dotkniętych wieloletnią zmarzliną o około 12%, co ma przełożenie na bezwzględną utratę około 40 Pg [petagramów], inaczej 40 Gt (gigaton), węgla w glebie na całym północnym obszarze wieloletniej zmarzliny do 2100 roku.

Naukowcy apelują aby wziąć pod uwagę wszelkie interakcje ekologiczne oraz aby podjąć bardziej zdecydowane działania do bardziej restrykcyjnego ograniczenia antropogenicznych emisji dwutlenku węgla poniżej poziomu 200 Pg, aby utrzymać globalne ocieplenie poniżej 1,5°C.

—

Bardzo interesujące są dwie prace, w których, podczas działalności bakterii, kluczową rolę odgrywa minerał żelaza. Okazuje się, że ten pierwiastek chemiczny działa niczym „ochroniarz” organicznego węgla w stabilnej zmarzlinie. Jednak są dwa przypadki, w których jest przyczyną emisji dwutlenku węgla, powstałego z utlenienia węgla organicznego. W pierwszym przypadku, w rozmrożonych, wilgotnych i uwodnionych glebach, zwanych termokrasami, jest zjadany przez bakterie i przestaje być rdzawym pochłaniaczem węgla organicznego (minerałami żelaza). Z kolei w drugim przypadku, żelazo jest jakby „zabójcą” węgla organicznego, a ściślej katalizatorem, gdy ultrafioletowe i widzialne promienie słoneczne szybciej utleniają go do postaci gazowej, czyli dwutlenku węgla.

Pierwsza praca była przedstawiona, w okolicach wioski Abisko w Szwecji, przez duży zespół naukowy, głównie z Niemiec, ale i z Danii, Wielkiej Brytanii i USA, prowadzony przez niemiecką naukowiec Monique S. Patzner w przedmiocie Geomikrobiologii w Centrum Stosowanych Nauk o Ziemi na Uniwersytecie w Tybindze ².

W lipcu 2018 r. naukowcy ci pobrali rdzenie w dwóch egzemplarzach, wzdłuż łagodnie zapadającego się gradientu odwilży, od palsy (1) do torfowiska (2) i do trzęsawiska (3).

Torfowisko Stordalen jest obszarem ściśle chronionym, na którym prowadzone są również inne badania terenowe, dlatego czas odwiertów jest ściśle ograniczony ze względu na ryzyko przyspieszenia odwilży wieloletniej zmarzliny i/lub zakłócenia innych długoterminowych pomiarów, zwłaszcza w miejscach wrażliwych, takich jak fronty erozyjne.

Po wykonaniu badań terenowych, naukowcy doszli do wniosku, że kluczowe w utrzymaniu stabilnej zmarzliny, obok stabilnej temperatury regionalnej i lokalnej, jest żelazo chelatowane z węglem organicznym (OC-Fe – Organic Carbon-Iron) w całkowitej puli węgla organicznego (SOC – Soil Organic Carbon) w warunkach dużego stężenia tlenu.

Węgiel organiczny w rozmrażającej się zmarzlinie przekształca się łatwo w gazowy dwutlenek węgla, gdy zmarzlina topnieje i pojawia się woda powyżej 0°C. Wówczas uaktywniają swoją działalność bakterie, które metabolizują tenże węgiel. Ale nie tylko. Gdy mamy do czynienia z mokrymi siedliskami nawodnionymi, tutaj jeziorami termokrasowymi, np. po zapadniętych ombrogenicznych torfowiskach w tundrze, czyli wspomnianych palsach, to łatwo wypłukiwany węgiel organiczny nie chroni już rdzawy pochłaniacz węgla organicznego, czyli minerały żelaza, chroniące skutecznie tenże węgiel w stabilnej zmarzlinie z wysoką zawartością tlenu.

—

Rys.2. Trzy główne etapy odwilży, niedaleko wioski Abisko w Szwecji, to (1) palsa (oznaczona na pomarańczowo), (2) torfowisko (oznaczone na zielono) i (3) trzęsawisko (oznaczone na niebiesko). Pozycje trzech rdzeni szczegółowo przeanalizowanych w ciągu 3–4 dni od pobrania w 2018 r., które reprezentują wszystkie trzy etapy rozmrażania (oznaczone na żółto). Dodatkowe rdzenie (oznaczone na biało) pobrano w 2018 r. i przeanalizowano po 7 miesiącach inkubacji w 4°C (Monique S. Patzner i inni, 2020).

—

W rozwodnionej zmarzlinie, silnie zubożonej w tlen, bakterie skuteczniej przyczyniają się do osłabienia chelatu żelaza z organicznym węglem, co z kolei prowadzi do przemiany tegoż węgla w gazowy dwutlenek węgla, który masowo trafia do atmosfery, im bardziej rozwodniona jest zmarzlina po zapadniętych palsach. Z kolei słabo krystaliczne żelazo uwolnione od organicznego węgla w warunkach niskiego zapotrzebowania na tlen, jest intensywnie konsumowane przez bakterie, co tylko jeszcze mocniej w warunkach tlenowych wpływa na emisje dwutlenku węgla do atmosfery, a w warunkach beztlenowych – metanu. W ogólnym zakresie, w uwodnionych torfowiskach, wspomnianych palsach, bakterie w łatwy sposób rozkładają rozmrożoną materię organiczną składającą się ze szczątków roślin i zwierząt.

—

Druga praca z kolei, została przedstawiona przez czteroosobowy skład naukowy, której główną autorką była biogeochemiczka i fotochemiczka Jennifer C Bowen z Wydziału Nauk o Ziemi i Środowisku na Uniwersytecie w Michigan, w Ann Arbor. ³

—

Fot.1. Fotomineralizacja (Źródło: Shutterstock).

—

Nowością zawartą w tej pracy jest obserwacja w terenie, gdy rozmrażana zmarzlina uwadnia się, czy też pobliskie gleby, to wówczas organiczny węgiel jest jeszcze na jeden sposób szybko przekształcany w postać gazową dwutlenku węgla. Nie dość, że żelazo nie będące już chelatem z węglem organicznym (OC-Fe) jest zjadane przez bakterie, to na dodatek promienie słoneczne antagonizują to żelazo jako katalizator i przyspieszają reakcję chemiczną glebowego węgla organicznego (SOC) do postaci atmosferycznego gazu – dwutlenku węgla.

I co jest jeszcze bardzo istotne, co podkreślają naukowcy w swoich badaniach laboratoryjnych, po pobraniu próbek gleby z zamarzniętej warstwy wieloletniej zmarzliny (>60 cm pod powierzchnią) w pięciu miejscach leżących pod wilgotną, kwaśną kępą lub mokrą turzycą oraz na trzech powierzchniach lodowcowych leżących na północnym zboczu Alaski latem 2018 r., rozpuszczony węgiel organiczny (DOC – Dissolved Organic Carbon) przemieszcza się z destabilizowanej zmarzliny do wód nasłonecznionych, gdzie jego utlenianie do postaci dwutlenku węgla zależy od tego czy wspomniany DOC jest podatny na fotomineralizację. Wszystko jednak też zależy od składu chemicznego żelaza i DOC. Również podatność, czyli labilność DOC na fotomineralizację, zależy od długości fali światła słonecznego. Z kolei żelazo jest kontrolerem labilności, rozpuszczonego węgla organicznego w zmarzlinie, na fotomineralizację. Naukowcy także odkryli podczas badań, że starożytny kwas karboksylowy węgla w zmarzlinie, od 6300 do 4000 lat temu, również ma wpływ na wspomnianą fotomineralizację.

—

Rys3. Przyrost izotopu ¹⁴C, czyli Δ ¹⁴C dla masowego DOC (w promilach) w wiecznej zmarzlinie jest silnym predyktorem dla Δ ¹⁴C-CO ₂ (w promilach), który jest wytwarzany dzięki procesom fotomineralizacji DOC. Jednocześnie Δ ¹⁴C-CO ₂ jest wytworzony przez ekspozycję DOC wiecznej zmarzliny na światło UV (309 nm, symbole rombowe) i światło widzialne (406 nm, symbole kwadratowe) w porównaniu z Δ ¹⁴C dla początkowego, masowego DOC wiecznej zmarzliny wykreślono linią 1:1 (Jennifer C. Bowen i in., 2020).

—

Profesor Rose Cory z Wydziału Nauk o Ziemi i Środowisku, badaczka geochemii wód, we wspomnianej pracy napisała:

Utlenianie rozpuszczonego węgla organicznego (DOC) do dwutlenku węgla (CO₂) przez światło słoneczne (fotomineralizacja) stanowi obecnie do 30% CO₂ emitowanego do atmosfery z arktycznych wód powierzchniowych (Rose Cory i inni, 2014).

Podsumowując ten temat, emisje dwutlenku węgla pochodzącego z rozpuszczonego węgla organicznego mają znaczący wpływ nie tylko dzięki natężonej działalności bakterii w uwodnionych siedliskach, ale i także podczas ekspozycji na światło słoneczne, które także potrafi utleniać DOC przy wzmocnieniu katalitycznym minerałów żelaza.

To nowe odkrycie z ubiegłego roku jeszcze nie jest włączone do modeli klimatycznych. Miejmy nadzieję, że to się wkrótce zmieni, mówią naukowcy z Uniwersytetu w Michigan.

—

Kolejna interesująca praca została opublikowana przez kanadyjski zespół badawczy, w którym udział wzięli Scott Zolkos i Suzanne E. Tank z Wydziału Nauk Biologicznych na Uniwersytecie Alberty w Edmonton oraz Steven V Kokelj ze Służby Geologicznej Terytoriów Północno-Zachodnich w Yellowknife. ⁹

Naukowcy pobrali próbki rozpuszczonych jonów wodorowęglanowych i innych pierwiastków i związków chemicznych, rozpuszczonego CO₂ , rozpuszczonego węgla nieorganicznego (DIC) i izotopów węgla z 24 miejsc w ośmiu strumieniach dotkniętych wstecznym spadkiem odwilży (RTS – Retrogressive Thaw Slump).

Generalnie wietrzenie minerałów węglanowych w glinach węglanowych przez kwas węglowy (H₂CO₃), nawet w warunkach termokrasowych jezior po zapadnięciu się danego obszaru zmarzliny, mniej powoduje emisji dwutlenku węgla do atmosfery, niż gdy mamy do czynienia z wietrzeniem minerałów siarczkowych przez kwas siarkowy.

W pierwszym przypadku dwutlenek węgla jest najczęściej wiązany przez kwas węglowy. A w drugim przypadku ten gaz cieplarniany najczęściej nie jest wiązany i ułatwia to bakteriom przekształcanie organicznego węgla do postaci gazowej wspomnianego dwutlenku węgla.

Badania terenowe zostały przeprowadzone przez naukowców na płaskowyżu Peel na Terytoriach Północno-Zachodnich w kanadyjskiej tundrze. Wyniki ich są zaskakujące, świadczące o tym, że tam gdzie mamy do czynienia z kwasem siarkowym, tam występują nasilone emisje gazów cieplarnianych, zwłaszcza dwutlenku węgla. Ten proces jest wzmocniony obecnością zapadlisk zmarzliny w postaci dobrze nam już poznanych jezior termokrasowych, w których wzmożoną aktywność przemiany węgla organicznego (OC – Organic Carbon) do postaci gazowego dwutlenku węgla (CO₂) prowadzą bakterie.

—

Rys.4. Tereny termokrasowe na pagórkowatych zboczach panarktycznych, litologie węglanonośne, granice późnoglacjalne oraz obserwacje wiecznej zmarzliny węglanowej pochodzące z tego badania i literatury (źródła danych w sekcji 2). Mapa bazowa, główne zlewiska rzek Arktyki i zasięg wiecznej zmarzliny z ESRI ArcGIS Online (Scott Zolkos i inni, 2018).

—

Naukowcy kanadyjscy piszą na wstępie pracy:

Odwilż wiecznej zmarzliny w Arktyce umożliwia biogeochemiczną przemianę ogromnych zapasów węgla organicznego w dwutlenek węgla (CO₂). To uwolnienie CO₂ ma istotne implikacje dla sprzężeń zwrotnych klimatu, jednak potencjalna przeciwwaga związana z wiązaniem CO₂ poprzez chemiczne wietrzenie minerałów narażonych na rozmrażanie wiecznej zmarzliny jest całkowicie niezbadana.

Pokazujemy, że termokras w zachodniej Arktyce Kanadyjskiej może umożliwić szybkie wietrzenie glin węglanowych, napędzane kwasem siarkowym z utleniania siarczków. W przeciwieństwie do wietrzenia spowodowanego kwasem węglowym spowodowało to znaczną i wcześniej nieudokumentowaną produkcję CO₂ i odgazowanie w strumieniach górnych.

Rosnące przepływy rzecznej substancji rozpuszczonej korespondują z długotrwałą intensyfikacją termokrasu i odzwierciedlają regionalną przewagę wietrzenia węglanowego wywołanego kwasem siarkowym. Doszliśmy do wniosku, że wietrzenie minerałów wzmocnione termokrasem może poważnie zakłócić obieg węgla w wodach słodkich Arktyki. Podczas gdy termokras i wietrzenie węglanów wywołane kwasem siarkowym w zachodniej części Arktyki kanadyjskiej wzmacniają uwalnianie CO₂ , regionalne zróżnicowanie utleniania siarczków łagodzi wpływ na sprzężenie zwrotne węgiel-klimat wiecznej zmarzliny.

Pod koniec pracy badacze stwierdzili, że w obszarach termokrasowych, zakłócenia w wodnym nieorganicznym obiegu węgla mogą być wyraźne na rozległych obszarach okołobiegunowej północy.

Efekty te widać coraz częściej daleko na wyższych szerokościach tundry, zarówno w Azji, jak i w Ameryce Północnej. W rosyjskiej Syberii, w szczególności narażony jest region Yedoma leżący w północno-wschodniej i północno-środkowej Syberii, gdy będą zachodzić procesy wietrzenia minerałów podczas osadzania i agradacji wiecznej zmarzliny.

Autorzy na podstawie wcześniejszych prac piszą, że utlenianie siarczków jest bardziej rozpowszechnione w skali globalnej niż wcześniej sądzono (Andrea Burke i inni, 2018).

I najważniejsze, na co zwrócił uwagę w swoim artykule kanadyjski zespół naukowy, to właśnie to, że w regionach wiecznej zmarzliny, gdzie przeważają siarczki, uwalnianie minerałów do aktywnych cykli biogeochemicznych prawdopodobnie bardziej zwiększy dodatnie sprzężenie zwrotne. Więc, wietrzenie minerałów wzmocnione odwilżą jest nadal prawdopodobnie wyraźne.

Jednak przy braku siarczków, wietrzenie wywołane kwasem węglowym H2CO3 spowoduje sekwestrację CO2 (Mark M. Dornblaser & Robert G. Striegl, 2015). Równowaga między tymi procesami w skali panarktycznej pozostaje całkowicie jeszcze nie zweryfikowana i nieudokumentowana.

—

Wieloletnia zmarzlina pokrywa 24% powierzchni lądowej półkuli północnej, obejmując rozległe obszary Alaski, Kanady, Syberii i Grenlandii. Jest to bogata w węgiel zamarznięta powierzchnia w postaci gleb, skał, piasku. Występuje zarówno na lądach, jak i pod dnem przybrzeżnych mórz i oceanów.

—

Autorzy pracy mówią wprost:

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

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

—

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

Na wstępie swojej pracy naukowcy napisali:

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

—

Fot.2. Odwilż wieloletniej zmarzliny (Wikipedia Commons).

—

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

—

Rys.1. ¹/₅ zamarzniętych gleb na wysokich szerokościach gwałtownie tajają i stają się niestabilne, prowadząc do osuwisk i powodzi, co powoduje uwalnianie węgla do atmosfery (Meritt R. Turetsky i inni, 2019).

—

Na powyższym rysunku pokazane są poziomy gleb bogatych w węgiel – w kilogramach węgla na metr kwadratowy (kg C/m²) oraz w % regionów narażonych na rodzaj tajania:

A) Nagłe odmrażanie:

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

B) Stopniowe odmrażanie:

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

1. North Slope, Alaska, USA

Nagłe rozmrażanie powoduje osuwiska i erozję gór.

2. Cieśnina Dmitrija Łaptiewa, półnowschodnia Syberia 

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

3. Nizina Zatoki Hudsona

Rozmrażanie torfowisk może spowodować uwolnienie dużej ilości węgla.

4. Tavvavuoma, północna Szwecja 

Narastające jeziora roztopowe są głównym źródłem metanu.

—

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

Naukowcy dalej napisali:

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

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

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

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

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

—

Fot.3. Jeziora termokrasowe (Wikiversity)

—

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

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

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

—

Rys.2. Temperatura i tempo zmian wieloletniej zmarzliny w pobliżu głębokości zerowej amplitudy rocznej. a , b Średnie roczne temperatury gruntu w latach 2014–2016 na półkuli północnej i Antarktydzie, n  = 129 odwiertów. c , d Dekadowe tempo zmian temperatury wieloletniej zmarzliny w latach 2007-2016, n  = 123 odwierty. Źródło: World Borders pochodzące z http://thematicmapping.org/downloads/world_borders.php i na licencji CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

—

Kolorem zielonym na rysunku zakodowano zmiany w zakresie średniej dokładności pomiaru ~±0,1°C. Ciągła strefa wieloletniej zmarzliny zaznaczona bladoniebieskim kolorem (>90% pokrycia); nieciągła strefa wieloletniej zmarzliny zaznaczona jasnoróżowym kolorem (<90% pokrycia). Strefy wieloletniej zmarzliny pochodzą z mapy Międzynarodowego Stowarzyszenia Wieloletniej Zmarzliny (IPA – International Permafrost Association).

Autorzy w pracy ogólnie stwierdzili:

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

W serwisie Polarpedia został w następujący sposób wyjaśniony termin rocznej amplitudy (ZAA – Zero Annual Amplitude) zerowej w kontekście wyjaśnienia profilu termicznego wieloletniej zmarzliny:

Głębokość zerowej amplitudy rocznej (ZAA) to odległość między powierzchnią gruntu a punktem pod powierzchnią, gdzie na grunt nie mają wpływu różnice temperatur w ciągu roku.

W wieloletniej zmarzlinie górna warstwa, zwana „warstwą aktywną” , podlega topnieniu i zamarzaniu przez cały rok. Pod tą warstwą temperatura zawsze spada poniżej 0°C, dlatego gleba jest trwale zamarznięta. Idąc głębiej, roczne wahania temperatury stają się coraz mniej znaczące, aż w końcu poniżej pewnego poziomu temperatura pozostaje stała przez cały rok.

Punkt, w którym roczna zmiana temperatury jest mniejsza niż 0,1°C, określa się jako „głębokość zerowej amplitudy rocznej” (ZAA).

Głębokość tego punktu może wahać się od 10 do 20 metrów pod powierzchnią, co zależy od warunków klimatycznych i gleby. Pod ZAA temperatura gleby stopniowo wzrasta wraz ze wzrostem głębokości, z powodu ciepła geotermalnego pochodzącego z dołu. Tutaj temperatura gleby (poniżej 0°C przez całą wieloletnią zmarzlinę) wynosi ponownie 0°C. Punkt ten oddziela zatem zamarzniętą glebę od niezamarzniętej gleby i wskazuje dolną granicę wieloletniej zmarzliny.

—

Rys.3. Wyjaśnienie terminów na powyższym rysunku, dotyczących wieloletniej zmarzliny (permafrostu): a) wieloletnia zmarzlina: sezonowe tajanie i ponowne zamarzanie, wieloletnie zamarzanie, wieloletnie rozmarzanie ; temperatura minimalna zimowa, 0 st.C i < 0 st.C (kolor niebieski) b) powierzchnia zmarzliny i aktywna warstwa, temperatura maksymalna letnia, > 0 st.C, zerowa amplituda roczna (ZAA), podstawa zmarzliny, przepływ geotermalnego ciepła c) powierzchnia gruntu, głębokość wiecznej zmarzliny (Źródło: Polarpedia.pl)

—

Referencje:

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

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 proxies (pośrednich), 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.

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 TEX₈₆.

Wszystkie powyżej wymienione badania odegrały kluczową rolę w rekonstrukcji klimatu całej ery kenozoicznej. W szczególności paleowskaźnik TEX₈₆ 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 rozdzielczości czasowej, w epokach geologicznych podanych w danych okresach. A te z kolei są sklasyfikowane w erach. No a te w eonach.

Temat paleowskaźnika TEX₈₆ 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 ¹.

—

Fot.1. 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 miliony lat temu.

Jedno z ostatnich badań przedstawionych 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, na łamach serwisu EurekAlert tak to wyjaśnił ^2,3:

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), dodał w tym samym serwisie 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 Międzynarodowego Programu Odkryć Oceanu (IODP – International Ocean Discovery Program) 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 wraz ze swoim zespołem badawczym, już na początku naszego wieku, James Zachos, pracownik Wydziału Nauk o Ziemi na Uniwersytecie Kalifornijskim, ale pierwsza połowa kenozoiku w okresie ciepłym od 65 do 34 milionów lat temu nie została opisana dokładniej, chociaż już wtedy lepiej poznano 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 ⁴.

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.

—

Naukowcy na tym wykresie zaznaczyli 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, napisał ⁵:

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 poniżej 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 skład izotopowy 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.

—

Naukowcy: doktorant Kevin Burke i jego promotor profesor John Williams z Instytutu Paleoekologii na Wydziale Geografii i Centrum Badań Klimatycznych, na Uniwersytecie Wisconsin–Madison oraz ich współpracownicy z Uniwersytetu w Bristolu, z Uniwersytetu w Kolumbii, z Uniwersytetu w Leeds oraz z NASA GISS i Narodowego Centrum Badań Atmosferycznych (NCAR – National Centrum of Atmospheric Research) wytyczyli  specyficzne analogi historycznych, teraźniejszych oraz przyszłych klimatów ⁶.

W pracy tej naukowcy przedstawili dwa scenariusze emisji RCP4.5 i RCP8.5 (pierwszy raz przedstawionych w V Raporcie Oceny IPCC 2013-14), za pomocą symulacji trzech modeli klimatycznych: Hadley Center Coupled Model version 3 (HCCMvs3), Goddard Institute for Space Studies E2-R (GISS E2-R) oraz Community Climate System Model (CCSM), opracowali sześć okresów w historii geologicznej ery kenozoicznej, tzw. analogi geohistoryczne, takie jak: wczesny eocen (66-50 milionów lat temu), środkowy pliocen (5-3 milionów lat temu), ostatni interglacjał (129 do 116 tysięcy lat temu), środkowy holocen (6000 lat temu), epoka przedprzemysłowa (przed 1850 r. n.e.) i początek XX wieku.

W obu scenariuszach emisji gazów cieplarnianych (GHG), w badanym okresie czasu 2020-2280, klimat Ziemi będzie przypominać środkowy pliocen (3,5 miliona lat temu):

• w 2030 roku dla scenariusza emisji GHG – RCP8.5
• w 2040 roku dla scenariusza emisji GHG – RCP4.5

Jednak naukowcy zaznaczyli, że w opisanych terminach, przy łagodniejszym scenariuszu emisji RCP4.5, gdzie się już podejmuje częściowo ich redukcję, klimat będzie ulegać stabilizacji przypominając analog plioceński (5-3 mln lat temu), którego średnie roczne temperatury powierzchni były o około 1,8 do 3,6°C wyższe niż temperatury przedindustrialne (przed 1850 r.), a pokrywy lodowe na Antarktydzie i Grenlandii były znacznie zmniejszone przy podwyższonym poziomie morza o około 25 metrów.

—

Rys.3. Przewidywany rozkład geograficzny przyszłych analogów klimatu (RCP8.5). Przyszłe analogi klimatu na lata 2020, 2050, 2100 i 2200 CE według mediany zbiorowej. Okresy geohistoryczne są uporządkowane według globalnej średniej rocznej temperatury w następujący sposób: przedindustrialny, historyczny, środkowy holocen, LIG, pliocen i eocen, bez analogu umieszczonego na końcu ze względu na przewagę klimatów nieanalogowych w części najcieplejszej i najbardziej wilgotnej przestrzeni klimatycznej. W związku z tym przewidywane przyszłe położenie dopasowane do pliocenu, eocenu i brak analogu w trzech ESM zostanie zidentyfikowane jako eocen w medianie zespołu (Kevin D. Burke, 2018).

—

Natomiast przy ostrzejszym scenariuszu emisji RCP8.5, gdzie nie podejmuje się żadnych działań ich redukcji, klimat będzie nadal się jeszcze bardziej ocieplać, aż w 2100 roku osiągnie pułap analogu eoceńskiego (66-50 mln lat temu), którego średnie roczne temperatury powierzchni na świecie były o 13°C ± 2,6 °C wyższe niż temperatury końca XX wieku. Wówczas nie było jeszcze stałych pokryw lodowych na obu biegunach Ziemi, poziom morza był podniesiony o ponad 65 metrów, a atmosferyczne stężenie dwutlenku węgla wynosiło w przybliżeniu 1400  ppmv (parts per milion volume – części na milion objętościowo).

Naukowcy napisali, że według scenariusza emisji RCP4.5 w 2280 roku wzrośnie ilość analogów najbliższych obecnemu klimatowi, z kolei według scenariusza emisji RCP8.5 w 2280 roku wzrośnie ilość analogów najodleglejszych:

Liczba analogów według powyższego badania:

1. Dla RCP4.5 w 2280 roku:

• 16,8 % – historyczny analog (industrialny od 1850 r.)
• 18,1 % – przedindustrialny analog (przed 1850 r.)
• 16,2 % – środkowoholoceński analog (6 tys. lat temu)
• 10,1 % – ostatni interglacjalny analog (125 tys. lat temu)
• 38,8 % – środkowoplioceński analog (3-5 mln lat temu)

2. Dla RCP8.5 w 2280 roku:

• 10,2 % – ostatni interglacjalny analog (125 tys. lat temu)
• 21,6 % – środkowoplioceński analog (3-5 mln lat temu)
• 44,4 % – wczesnoeoceński analog (66-50 mln lat temu)
• 33,8 % – brak danych (możliwe, że chodzi o ocieplenie jeszcze większe niż wczesnoeoceńskie)

Dla tego scenariusza, analogi historyczne i przedindustrialne tylko są widoczne do 2030 roku.

Kevin Burke w serwisie Science Daily powiedział ⁷:

Na podstawie danych obserwacyjnych śledzimy szczytowe scenariusze emisji, ale jest zbyt wcześnie, aby to stwierdzić.

Obecnie, możemy być gdzieś pomiędzy RCP4.5 a RCP8.5, ale jeśli zwiększymy nasze wysiłki na rzecz łagodzenia klimatu – na przykład przejście na energię odnawialną – możemy znaleźć się bliżej najniższego poziomu

Modele klimatyczne pokazały, że analogi odleglejszych geologicznych klimatów najszybciej pojawią się wewnątrz kontynentów (z dala od oceanów). Badacze to pokazali na przykładzie swojego rodzimego Madison w stanie Wisconsin wewnątrz Stanów Zjednoczonych, w którym temperatura znacznie mocniej narasta niż w Seattle nad Pacyfikiem, pomimo tego, że to miasto leży niedaleko dużego jeziora Michigan. Obliczyli, że gdy średnia temperatura powierzchni Ziemi ociepli się o 3 stopnie Celsjusza w stosunku do okresu przedprzemysłowego 1850-1900, to w Madison w skali regionalnej, ta temperatura nawet podwoi się.

Oczywiście, jak pokazały modele klimatyczne, w tym samym czasie kiedy temperatury rosną, wzrasta też liczba opadów atmosferycznych, kurczą się zasięgi pokryw lodowych, zarówno Antarktydy, jak i Grenlandii, a także kurczy się zasięg pokrywy lodu morskiego w Arktyce, a to z kolei powoduje, że klimat w pobliżu biegunów Ziemi staje się coraz bardziej umiarkowany, tak jak to było 3 miliony lat temu w Arktyce i 35 milionów lat temu w Antarktyce.

John Williams mocno zaniepokojony coraz większą realnością przybliżenia Ziemi do analogów z najodleglejszej przeszłości kenozoicznej, powiedział w serwisie Science Daily:

Im dalej od holocenu, tym większy potencjał, że wyjdziemy poza bezpieczną przestrzeń operacyjną.

W ciągu mniej więcej 20–25 lat, w których pracuję w terenie, przeszliśmy od oczekiwania na zmianę klimatu, do wykrywania skutków, a teraz widzimy, że powoduje ona szkody. Ludzie umierają, mienie jest niszczone , obserwujemy nasilające się pożary i nasilające się burze, które można przypisać zmianom klimatu. W systemie klimatycznym jest więcej energii, co prowadzi do bardziej intensywnych wydarzeń.

Widzieliśmy wielkie rzeczy w historii Ziemi – wyewoluowały nowe gatunki, życie trwa. Niektóre gatunki przetrwają, ale i też wiele z nich zginie, a my także żyjemy na tej planecie. Są to rzeczy, o które należy się martwić, więc ta praca wskazuje nam, w jaki sposób możemy wykorzystać naszą historię i historię Ziemi, aby zrozumieć dzisiejsze zmiany i jak najlepiej się dostosować.

—-

Jessica Tierney, profesor nadzwyczajny na Wydziale Nauk o Ziemi na Uniwersytecie Arizony, wraz ze swoim zespołem badawczym, opublikowała pracę paleoklimatologiczną, w której stwierdziła na podstawie badań izotopowych muszli otwornic oraz symulacji komputerowych modeli, że w przeszłości, gdy było wyższe stężenie dwutlenku węgla w atmosferze, to tym większa była równowagowa czułość klimatu (ECS – Equilibrium Climate Sensitivity) ⁸.

Takie zdarzenie miało miejsce w odległej przeszłości klimatycznej i naukowcy ostrzegają, że przy obecnym scenariuszu emisji GHG, jesteśmy na prostej drodze do tak ciepłego świata jak na początku eocenu w kenozoiku albo nawet jeszcze cieplejszego jak w kredzie, w mezozoiku, 90 milionów lat temu.

Tierney ze swoimi współpracownikami zauważyła, że podczas symulacji komputerowych, cieplejsze klimaty sprzyjające tworzeniu się wysokiej równowagowej czułości klimatu (ECS), miały miejsce, gdy zmieniała się pokrywa chmur, a więc, musiała ona zmniejszyć się stymulując większy dostęp energii słonecznej do powierzchni Ziemi. Również w tamtych czasach był inny układ płyt tektonicznych, gdzie prawie wszystkie kontynenty były względnie zbliżone do siebie.

Na Ziemi w okresie 90-50 milionów lat temu nie było jeszcze zwartej pokrywy lodowej, a wzrost poziomu morza był o 55-60 metrów wyższy niż dziś.

—

Rys.4. Klimaty w przeszłości zapewniają kontekst dla przyszłych scenariuszy klimatycznych (Jessica E. Tierney i inni, 2020).

—

Na powyższym rysunku, zarówno przeszłe (na górze), jak i przyszłe (na dole) klimaty są pokolorowane przez szacowaną zmianę globalnej średniej rocznej temperatury powierzchni w stosunku do warunków przedindustrialnych, od niebieskiego (zimniejszego) do czerwonego (cieplejszego) klimatu. „Zrównoważony rozwój”, „Środkowa droga” i „Wysokie emisje” reprezentują szacunkowe anomalie temperatury globalnej w roku 2300 na podstawie, odpowiednio, wspólnych ścieżek społeczno-ekonomicznych (SSP) SSP1-2.6, SSP2-4.5 i SSP5-8.5. Zarówno w przeszłych, jak i przyszłych przypadkach, cieplejsze klimaty są związane ze wzrostem CO₂ (wskazane strzałką), miliony lat temu.

Dzięki nowatorskim metodom badawczym proxy za pomocą analizy izotopowej otwornic morskich oraz znaczników geochemicznych jak izotopy wody, a także zastosowaniu statystycznego wnioskowania bayesowskiego (teoria Thomasa Bayesa), naukowcy uzyskali dzięki temu wyższą rozdzielczość czasową, co pozwoliło uzyskać dokładniejsze informacje o klimacie subsezonowym, w celu zbadania, w jaki sposób zewnętrzne wymuszenia klimatyczne mogą wpływać na śródroczne i międzyroczne tryby zmienności klimatycznych.

Ponadto takie techniki badawcze jak asymilacja danych, polegające na łączeniu badań proxy z symulacjami komputerowymi (tzw. produkty hybrydowe), dają większy wgląd w obraz zmienności klimatycznych. Dotychczas naukowcy wiedzieli, że takie zmienności jak stopień zachmurzenia czy prędkość wiatru są jak dotąd niemożliwe w indentyfikacji w odległych czasach geologicznych.

Naukowcy jeszcze zauważyli następujący fakt, że powszechnym problemem związanym z wykorzystywaniem informacji paleoklimatycznych jako celów modelowych jest to, że wymuszenia niezwiązane z CO₂, takie jak aerozole i śladowe gazy cieplarniane, nie są dobrze znane, zwłaszcza w odległej przeszłości geologicznej.

—

Referencje:

1. Tierney J. E. et al., 2015 ; A TEX 86 surface sediment database and extended Bayesian calibration ; Scientific Data ; https://www.nature.com/articles/sdata201529
2. 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
3. MARUM – Center for Marine Environmental Sciences, University of Bremen, 2020 ; Unraveling 66 million years of climate history from ocean sediments ; EurekAlert ; https://www.eurekalert.org/news-releases/911139
4. 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
5. Malinowski Sz., 2021 ; Geologia i globalne ocieplenie: co nowego? ; Nauka o klimacie ; https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/geologia-i-globalne-ocieplenie-co-nowego/
6. Burke K. D. et al., 2018 ; Pliocene and Eocene provide best analogs for near-future climates ; Proceedings of the National Academy of Sciences ; https://www.pnas.org/content/115/52/13288
7. University of Wisconsin-Madison, 2018 ; Humans may be reversing the climate clock, by 50 million years ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2018/12/181210150614.htm
8. Tierney J. E. et al., 2020 ; Past climates inform our future ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aay3701

Globalna sieć FLUXNET pokazuje zestaw danych na podstawie badań eksperymentalnych obliczeń przepływu strumieni dwutlenku węgla, pary wodnej i energii w wieżach za pomocą metody kowariancji wirów. Ta sieć jest złożona z setek wież jako instrumentów w wielu różnych środowiskach ekologicznych, za pomocą których są przeprowadzane obserwacje mikrometeorologiczne w celu oszacowania wymiany wody, energii i węgla w całych ekosystemach na przestrzeni dziesięcioleci. W tym okresie czasu wieże te zdołały uchwycić szeroki zakres zmienności środowiskowej, dostarczając dokładniejszego wglądu w czułość fizjologii roślin oraz gleb w reakcji na zmiany temperatury i wilgotności, a także w zdarzenia powodujące zaburzenia, takie jak pożary i zmiana użytkowania gruntów. FLUXNET jest podstawowym narzędziem do poszerzania naszej wiedzy na temat fizjologii roślin w skali krajobrazu.

Dennis D. Baldocchi, lider projektu FLUXNET, w swojej pracy naukowej, pisze na jej wstępie: ¹

Globalna sieć długoterminowych pomiarów przepływu węgla i wody istnieje od końca lat 90. Dzięki reprezentatywnemu pobieraniu próbek, związanych z przestrzeniami klimatycznymi i ekologicznymi biosfery lądowej, sieć ta dostarcza podstawowych informacji i bezpośrednich pomiarów, w jaki sposób metabolizm ekosystemu reaguje na wymuszenia środowiskowe i biologiczne oraz jak mogą się one zmieniać w cieplejszym świecie z większą ilością dwutlenku węgla.

W tym przeglądzie badamy, w jaki sposób strumienie węgla i wody w ekosystemie świata reagują na zestaw współzależnych czynników środowiskowych, takich jak światło słoneczne, temperatura, wilgotność gleby i dwutlenek węgla. Opisujemy również, jak sprzężone strumienie węgla i wody są modulowane przez czynniki biologiczne i ekologiczne, takie jak fenologia oraz zestaw właściwości strukturalnych i funkcjonalnych. Badamy czy długoterminowe trendy w przepływach węgla i wody pojawiają się w różnych przestrzeniach ekologicznych i klimatycznych oraz w jakim stopniu mogą być napędzane przez wymuszenia fizyczne i biologiczne. Ponieważ rosnąca liczba szeregów czasowych trwa do 20 lat, jesteśmy u progu uchwycenia trendów skali ekosystemu w oddychaniu zmieniającej się biosfery. W związku z tym pomiary strumienia muszą nadal przedstawiać przyszłe warunki i reakcje oraz oceniać skuteczność naturalnych rozwiązań klimatycznych.

Naukowiec zastanawiał się, jaka jest ilość rocznych sum wymiany węgla (C) netto w ekosystemach, mierzona na całym świecie i czy zmieniła się w dekadach?

—

Poczynając od 2012 roku, przeprowadzony został wielki projekt naukowy FACE (Free-Air Carbon Dioxide Enrichment – wzbogacanie na świeżym powietrzu w dwutlenek węgla) – badania polegającego na obliczaniu przepływu strumieni węgla w roślinności oraz w glebach. Takie eksperymenty przeprowadzone zostały głównie w Australii (koło Sydney), Europie (koło Birmingham w Anglii), Ameryce Południowej (koło Manaus w brazylijskiej Amazonii) oraz Środkowej (na wyspie Barro Colorado w strefie Kanału Panamskiego).

W 2020 roku międzynarodowy zespół badawczy pod kierownictwem australijsko-chińskiego modelarza ekosystemów, doktora Mingkaia Jianga z Uniwersytetu w Zachodnim Sydney, przeprowadził wstępne wyniki eksperymentów w projekcie EucFACE, przeprowadzanego niedaleko Sydney w eukaliptusowym lesie Cumberland. ²

Badanie to polegało na sztucznym wtłaczaniu przez rury metalowe dwutlenku węgla o stężeniu większym o 150 ppm aniżeli w otoczeniu. Rury te są rozmieszczone w stalowych konstrukcjach, mianowicie w sześciu pierścieniowych 25-metrowych wieżach rozmieszczonych nad koronami drzew.

Eksperyment ten pokazał, że rośliny przy znacznie wyższym stężeniu CO₂, chociaż pochłaniały go intensywnie, zaczęły słabiej rosnąć. Wyniki badań wskazały, że nawet dojrzałe lasy mogą być, przynajmniej w subtropikach Australii, słabszymi czy też nieobecnymi pochłaniaczami CO₂, a nawet wręcz źródłami netto tego gazu.

W rozmowie na łamach czasopisma Science Daily, doktor John Drake, adiunkt ze Szkoły Wyższej Nauk o Środowisku i Leśnictwie (ESF – Environmental Science and Forestry) na Wydziale Zarządzania Zrównoważonymi Zasobami, będący współautorem artykułu we współpracy z badaczami z Uniwerytetu Zachodniego Sydney, zastanawia się, czy przyszłość lasów w stanie Nowy Jork w Nowej Anglii będzie podobna do eukaliptusowych lasów w australijskim Cumberland, w których przeprowadzone eksperymenty właśnie pokazały, że starsze drzewostany mniej pochłaniają dwutlenku węgla niż młodsze. ³

—

Fot.1. EucFACE jest wynikiem ponad dwuletniego planowania i rozwoju, które pozwoliły uzyskać spostrzeżenia skalowalne do rzeczywistych ekosystemów (Western Sydney University).

—

Z kolei Belinda Medlyn, wybitna profesor w Hawkesbury Institute for Environment współautorka badania mówi dla Science Daily:

Drzewa przekształcają zaabsorbowany węgiel w cukry, ale nie mogą wykorzystać tych cukrów do wzrostu, ponieważ nie mają dostępu do dodatkowych składników odżywczych z gleby. Zamiast tego wysyłają cukry pod ziemię, gdzie „żywią się” nim drobnoustroje glebowe”

Ogółem, podczas eksperymentu australijskiego, poziom koncentracji CO₂ podniósł się powyżej 40%, czyli więcej niż wynosiło aktualne średnie stężenie w latach 2012-16. Po czterech latach koncentracja tego gazu w otoczeniu wynosiła wtedy około 405 ppm.

—

W 2013 roku w Anglii koło Birmingham ruszył pierwszy, i na razie jedyny w Europie, projekt FACE. Dokładniej BIFoR FACE. Jest to obiekt położony w umiarkowanym lesie liściastym w Staffordshire, w postaci 16 metalowych wież wysokich na 30 metrów i umieszczonych w sześciu płatach leśnych 160-letnich dębów, do których przez rury metalowe jest wtłaczany dwutlenek węgla ze stężeniem o 150 ppm wyższym niż w otoczeniu. Z kolei pomiary przeprowadza samotna wieża pośrodku wyposażona w naukowe oprzyrządowanie.

Ogólnie eksperyment ten polega na tym, w jakim stopniu znaczący wzrost koncentracji CO₂ wpłynąłby na ekosystem leśny: liście roślin, zwłaszcza drzew, glebę leśną, grzyby, a nawet owady żyjące w glebie i na roślinach.

Profesor Rob Mackenzie ze swoim zespołem naukowym opisał szczegółowo przebieg tychże badań naukowych. ⁴

Naukowcy mają nadzieję, że zebrane dane pomogą w podjęciu decyzji dotyczących sposobów łagodzenia, a nawet zapobiegania skutkom wzrostu poziomu CO₂ w atmosferze.

Anna Gardner, doktorantka w projekcie BIFoR FACE powiedziała:

Po wielu eksperymentach związanych ze wzbogacaniem CO₂ w laboratoriach i innych obiektach FACE, nasza baza wiedzy została zbudowana na temat tego, jak wzrost atmosferycznego CO₂ może wpływać na rośliny uprawne i młode plantacje drzew. Jednak reakcja w dojrzałych, złożonych ekosystemach leśnych może być inna, a BIFoR FACE jest jedynym obiektem na półkuli północnej, który zajmuje się wpływem zmian klimatu i środowiska na dojrzałe lasy.

Jeśli chodzi o moje badania nad fizjologią liści, spodziewam się, że proces fotosyntezy ulegnie zmianie pod wpływem podwyższonego poziomu CO₂, ale odpowiedź będzie się zmieniać w czasie trwania projektu długoterminowego. W BIFoR FACE jest wiele innych projektów, w tym badanie fizjologii owadów, mikrobiologii grzybów i rozwoju korzeni, z których wszystkie dostarczą danych niezbędnych do zrozumienia funkcjonowania naszych przyszłych dojrzałych lasów.

—

Fot.2. Bliższe spojrzenie na jedną z sześciu tablic FACE. Zdjęcie dzięki uprzejmości BIFoR FACE

—

Z pewnością badanie fizjologii gatunków długowiecznych, takich jak dęby, wymaga wyjątkowo długiego czasu, a badania w BIFoR FACE dopiero się rozpoczęły kilka lat temu. W ciągu dalszych następnych kilku lat placówka naukowa w lesie Staffordshire będzie przeprowadzać wiele danych z eksperymentów, które będą jednocześnie przebiegać w lasach, jak i w laboratoriach, aby przede wszystkim odpowiedzieć na nurtujące pytania związane z niepewnością naszych przyszłych ekosystemów zarówno w Wielkiej Brytanii, jak i na całym świecie.

—

W 2013 roku, w brazylijskim tropikalnym leśnym rezerwacie w Amazonii, niedaleko Manaus, ruszył eksperyment AmazonFACE. Analogicznie przeprowadzony jak w Anglii. To znaczy, także obejmujący 16 metalowych wież, do których wtłaczany jest dwutlenek węgla przez rury stalowe wraz z samotnie stojącą pośrodku wieżą pomiarową.

I analogicznie jak w Anglii projekt ten zapewnia całodobowe monitorowanie warunków atmosferycznych i glebowych w największym na świecie lesie tropikalnym. Koncentracja CO₂ w badaniu jest sztucznie podwyższona o 150 ppm, powyżej tego jaka panuje w otoczeniu. Osiągane jest to poprzez pompowanie dużych ilości tego gazu do lasu w sposób kontrolowany. Podczas eksperymentu bardzo szczegółowo monitorowany jest las, czyli gleby oraz roślinność, zwłaszcza drzewa oraz ich dynamiczna fizjologia.

—

Fot.3. Program AmazonFACE zajmuje się nadrzędnym pytaniem: „Jak zmiany klimatu wpłyną na las amazoński, jego bioróżnorodność i usługi ekosystemowe, które zapewnia ludzkości?” Główną cechą programu jest eksperyment terenowy o bezprecedensowym zakresie, który narazi starodrzew amazoński na koncentrację CO₂ w przyszłości w stacji badawczej w pobliżu Manaus w Brazylii przy użyciu technologii wzbogacania CO₂ w powietrzu (FACE). Zwiększona wiedza na temat funkcjonowania największego na świecie lasu tropikalnego w świetle zmian klimatu oraz wykorzystanie tej wiedzy do sterowania polityką regionalną w zakresie łagodzenia zmian klimatu i adaptacji do nich są częścią spuścizny, którą próbuje ustanowić program AmazonFACE.

—

Współkooordynatorka badań w Amazonii, Anja Rammig, ekolog z Politechniki w Monachium w Niemczech, zauważyła, że dodatkowy dwutlenek węgla może faktycznie pomóc w rozkwicie lasu, ale niski poziom fosforu w glebie regionu może ograniczyć wzrost roślin.

David Lapola, klimatolog z University of Campinas w Brazylii, który przewodzi projektowi AmazonFACE stwierdził następujący fakt:

Dopóki nie będziemy eksperymentować z lasami w sposób systematyczny i kontrolowany, nie sądzę, abyśmy byli w stanie zmniejszyć niepewność.

Ogólnie badania naukowe w brazylijskiej Amazonii były utrudnione pod względem finansowym przez politykę prezydenta Jaira Bolsonaro. Naukowiec jednak postarał się, aby projekt ten nie upadł dzięki prężnej współpracy z kolegami i koleżankami z Niemiec, Holandii, Austrii, Wielkiej Brytanii, USA oraz Australii.

Zespół naukowy, którym kierował Florian Hofhansi, przedstawił dwa eksperymenty w skali ekosystemu, które zostały przeprowadzone w Amazonii, w celu zbadania reakcji ekosystemów tropikalnych na ekwiwalent dwutlenku węgla (eCO₂) oraz zmiany w dostępności składników odżywczych. ⁵

Ponadto naukowcy wyjaśnili reprezentację kluczowych procesów ekologicznych za pomocą modeli ekosystemowych, dzięki czemu zwrócili uwagę na obecne luki w naszym zrozumieniu reakcji ekosystemów tropikalnych na przewidywane globalne zmiany w świetle założeń ekofizjologicznych uwzględnianych w obecnych modelach ekosystemów. Ostatecznie doszli do takiego wniosku, że jest potrzebna bardziej szczegółowa, oparta na procesach ekologicznych, reprezentacja zmienności przestrzennej (np. typ gleby; typ funkcjonalny roślin) i czasowej (sezonowej i międzyrocznej) lasów tropikalnych, aby wzmocnić przewidywania modelowe reakcji ekosystemów na przewidywaną globalną zmianę środowiska .

—

W Panamie na wyspie Barro Colorado projekt FACE polegał na czymś innym, na podgrzewaniu elektrycznym gleby w tropikalnym lesie przez 2 lata do tego stopnia, że przy wzroście jej temperatury o 4 stopnie Celsjusza następował w niej szybszy rozkład materii organicznej przyspieszający znacząco emisje dwutlenku węgla do atmosfery.

Andrew Nottingham, ekolog z Uniwersytetu Edynburskiego w Wielkiej Brytanii, uruchomił w 2020 roku badanie w Panamie, żeby uzupełnić lukę w literaturze naukowej: dziesiątki eksperymentów z podgrzewaniem gleby w lasach umiarkowanych i tajdze pokazało wzrost strat węgla, ale około ¹/₃ węgla glebowego znajduje się w lasach rosnących już teraz w ciepłych tropikach.

Lourdes Sugasti i Reinhardt Pinzón, z Technicznego Uniwersytetu w Panama City, w swojej pracy naukowej powiedzieli, że w wyniku globalnego ocieplenia przepływy CO₂ z gleby w lasach tropikalnych do atmosfery wzrosną.

Obaj naukowcy użyli metody zamkniętej komory do pomiaru pompowanego CO₂ do gleby. W latach 2016-2017 jej wilgotność miała istotny wpływ na strumień CO₂ (średnio 4,36 μmol/m²/s), który był znacznie niższy niż oczekiwano dla tego typu lasów tropikalnych.

Lourdes Sugasti i Reinhardt Pinzón napisali we wstępie swojego artykułu: ⁶

Odkrycia te będą przyczyniać się do lepszego zrozumienia skomplikowanych i dynamicznych współzależności pomiędzy obiegiem wody i węgla, jak również czynników abiotycznych wpływających na przepływy CO₂ w glebie. Wykorzystanie przez nas komór do oddychania gleby i systemów analizatora gazów na podczerwień stanowi innowacyjny wkład w związek wodno-węglowy Panamy i potencjalnie innych krajów.

Ogólnie jednak eksperyment ten pokazał, że gleba ogrzana traciła aż 55% węgla więcej niż obszar kontrolny nie ogrzewany.

Gabriel Popkin w serwisie popularno-naukowym Yale Environment 360 tak napisał ⁷:

Obecnie lasy pochłaniają ponad ¹/₄ emisji CO₂ z działalności ludzi, a w drzewach i leśnych glebach znajduje się ponad bilion ton węgla – ponad 2 razy tyle, ile wyemitowali ludzie od czasów rewolucji przemysłowej.

—

Referencje:

1. Dennis D. Baldocchi, 2019 ; How eddy covariance flux measurements have contributed to our understanding of Global Change Biology ; Global Change Biology ; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/gcb.14807
2. Jiang M. et al., 2020 ; The fate of carbon in a mature forest under carbon dioxide enrichment ; Nature ; https://www.nature.com/articles/s41586-020-2128-9
3. The State University of New York, 2020 ; Don’t look to mature forests to soak up carbon dioxide emissions ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2020/04/200408113300.htm
4. MacKenzie R. et al., 2016 ; BIFoR FACE: A Free-Air Carbon Dioxide Enrichment (FACE) facility in old-growth temperate deciduous woodland ; ADS ; https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2016EGUGA..18.4919M/abstract
5. Hofhansi F. et al., 2016 ; Amazon Forest Ecosystem Responses to Elevated Atmospheric CO2 and Alterations in Nutrient Availability: Filling the Gaps with Model-Experiment Integration ; Biogeoscience ; https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/feart.2016.00019/full
6. Sugasti L. et al., 2020 ; First Approach of Abiotic Drivers of Soil CO2 Efflux in Barro Colorado Island, Panama ; Sage Journals ; https://journals.sagepub.com/doi/10.1177/1178622120960096
7. Popkin G., 2020 ; Will Climate Change Upend Projections of Future Forest Growth? ; Yale Environment 360 ; https://e360.yale.edu/features/will-climate-change-upend-projections-of-future-forest-growth

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 (C) 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, w połączeniu z dwiema cząsteczkami wodoru (2H₂), jako metan (CH₄). 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 emitowany przez oceany i gleby, ale i też przez nie pochłaniany. Z kolei w przypadku roślinności na Ziemi, zachodzi fotosynteza, czyli pochłanianie atmosferycznego dwutlenku węgla, w porze dziennej przez wszystkie rośliny i glony, oraz w tym samym czasie wydzielanie tlenu. Ale 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, czyli po ich rozkładzie materii organicznej.

Z kolei zwierzęta i grzyby wdychają tlen, a wydychają dwutlenek węgla, zarówno w porze dziennej, jak i nocnej. A po śmierci ich rozkładające się ciała wydzielają tak samo ten drugi gaz.

—

Pośmiertna zespołowa praca, której głównym autorem był zmarły w grudniu 2016 roku Piers J. Sellers – dyrektor Wydziału Nauk o Ziemi w Centrum Lotów Kosmicznych im. Goddarda NASA (GSFC NASA – Goddard Space Flight Center NASA) Goddard Space Flight Center NASA w Greenbelt, to jeden z kamieni milowych na temat satelitarnych badań przepływu 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 – potencjalną odpowiedź systemów naturalnych na zmiany klimatyczne spowodowane przez emisje człowieka.

Naukowcy zastanawiali 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 (Piers Sellers i inni, 2018).

—

Strumienie węgla, na powyższym rysunku, ukazane w gigatonach węgla w ciągu roku, pochodzą z globalnego budżetu węglowego „Global Carbon Budget”: a) emisje węgla z paliw kopalnych i produkcji cementu 9,6 GtC b) pochłanianie węgla przez tropikalne lądy -0,7 GtC, c) pochłanianie węgla przez pozatropikalne lądy -3,0, d) pochłanianie węgla przez ocean -2,7 GtC, e) przyrost węgla antropogenicznego w stosunku do atmosferycznego 4,7 GtC (Le Quéré et al., 2015)

—

David Schimel, naukowiec z Laboratorium Napędów Odrzutowych (JPL – Jet Propulsion Laboratory) w Pasadenie oraz wieloletni współpracownik naukowy Sellersa, będący także współautorem artykułu, dla Science Daily powiedział: ²

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

—-

W 2014 roku NASA wystrzeliła satelitę OCO-2 (Orbiting Carbon Observatory-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.

—

Rys.2. Artystyczny wizerunek OCO-2 (Żródło: NASA/JPL-Caltech)

—

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 Schwander, pracujący w Laboratorium Napędów Odrzutowych (JPL) na Technologicznym Instytucie Kalifornijskim w Pasadenie w Kalifornii.

—-

Pierwsza praca zespołowa, której autorką była Annmarie Eldering, wyjaśniła nam wiele tematów. ³

Jednym z nich jest uważne przyjrzenie się, 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 i krzewy 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.3. Wpływ El Niño na strumień węgla w 2015 r. W stosunku do 2011 r., Wykryty na podstawie danych z satelity GOSAT (Greenhouse Gases Observing Satellite) 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 ⁴.

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

—

Z kolei Florian Schwander i jego współpracownicy przyjrzeli się dokładniej analizie satelitarnej, w której na trzech obszarach tropikalnych, opisanych przez Eldering i Liu, procesy pokazujące wzrost emisji były różne. ⁵

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.

Marcin Popkiewicz na temat powyższej pracy w serwisie Nauka o klimacie napisał ⁶:

Przykładowo, dane zebrane podczas przelotów OCO-2 nad Los Angeles 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. NASA/Goddard Space Flight Center, 2018 ; Looking toward Earth’s future climate ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2018/07/180716141619.htm
3. 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
4. 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
5. Schwandner F. M. et al., 2017 ; Spaceborne detection of localized carbon dioxide sources ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aam5782
6. 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/

Globalne ocieplenie to nie tylko wzrost w atmosferze koncentracji gazów długożyjących, takich jak dwutlenek węgla, metan czy podtlenek azotu, powodujący wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi. To również wzrost w atmosferze koncentracji pary wodnej.

Według danych American Chemical Society, para wodna  prawdopodobnie odpowiada za około 60% efektu cieplarnianego na Ziemi. Jednak nie kontroluje ona temperatury naszej planety. Robi to za nią mniej liczny, ale trwalszy w atmosferze, dwutlenek węgla ¹.

Im dalej w stronę biegunów lub wysokich szczytów górskich (w stronę zimna), tym mniej pary wodnej w atmosferze. Im bliżej równika oraz nizin zalesionych z mokradłami (w stronę ciepła), tym więcej pary wodnej w atmosferze.

—

Rys.1. MODIS – spektroradiometr obrazowy o średniej rozdzielczości na międzynarodowym naukowym satelicie badawczym NASA Terra  ukazał 30 stycznia 2005 roku globalną średnią atmosferyczną pary wodnej w atm-cm (centymetry słupa wody w słupie atmosferycznym, jeśli się skondensowała) (Wikipedia).

—

Para wodna jest to dość wyjątkowy gaz cieplarniany potrafiący dostosować swoją zawartość w atmosferze do innych parametrów, takich jak temperatura czy ciśnienie. Woda z powierzchni wód i wilgotnych gleb kieruje się w górę powietrza dzięki procesowi parowania, którego tempo silnie  jest zależne od temperatury oceanu i powietrza, zgodnie z równaniem Clausiusa-Clapeyrona.

—

Rys.2. Równanie Clausiusa-Clapeyrona pokazując wzrost nasycenia powietrza parą wodną podczas wzrostu w nim temperatury (Nauka o klimacie).

—

Raymond T. Pierrehumbert, z Wydziału Fizyki na Uniwersytecie Oksfordzkim, oraz Feng Ding, z Wydziału Nauk Geofizycznych, na Uniwersytecie Chicagowskim, zauważyli, że skoro obecność pary wodnej wpływa na przyrost temperatury w skali planetarnej, to jednak ma ona właściwości schładzające. Im wyżej wznosi się ona w atmosferze, tym szybciej schładza się, by po minięciu tzw. punktu rosy zamienić się w kropelki wody w chmurach niskich (zarówno na niższych, jak i na wyższych szerokościach geograficznych) lub w kryształki lodu i płatki śniegu w chmurach wysokich (głównie na wyższych szerokościach geograficznych) ².

I tu zachodzi kluczowe zastanowienie. Para wodna nie tylko skrapla się do kropel wody, ale i też w chłodniejszych warunkach atmosferycznych dolnej troposfery, przekształca się do postaci kryształków lodu, czyli płatków śniegu. Jednak ten proces fizyczny jest coraz rzadszy, bo dolna atmosfera (troposfera) wraz z wysokością staje się coraz cieplejsza.

Tair Plotnik, ze Szkoły Nauk o Środowisku i Ziemi im. Portera na Uniwerytecie w Tel Awiwie, w swojej pracy zespołowej napisał, że para wodna będąc w górnej troposferze jest kluczowym gazem cieplarnianym, mającym bezpośredni wpływ na powstanie wzrostu temperatury powierzchni. I zarówno ilość pary wodnej, jak i wysokość, na której ona się znajduje, mają wpływ na równowagę radiacyjną i efekt cieplarniany atmosfery. Ciekawą rzeczą jest dostawanie się pary wodnej do górnej troposfery dzięki tworzeniu się głębokich burz konwekcyjnych, często mających związek z wyładowaniami atmosferycznymi. I intensywność tych wyładowań atmosferycznych oddziałuje jednocześnie na powstawanie intensywności konwekcji tych burz, a tym samym na zwiększenie koncentracji pary wodnej przenoszonej z dolnej do górnej troposfery ³.

Jednakże para wodna nie może występować bez długożyjących gazów cieplarnianych, jak wspomniany dwutlenek węgla, metan czy podtlenek azotu. Ma, owszem, tak samo własności cieplarniane jak tamte gazy, ale jednak bez nich nie mogłaby istnieć. To nie ona podtrzymuje efekt cieplarniany na Ziemi. To jest przede wszystkim dwutlenek węgla, uczestniczący w cyklu węglowym planety oraz podtrzymujący jej termostat.

Dlatego też, jak już w 1905 roku ustalił amerykański geolog Thomas Chamberlin, para wodna jest w pewnym sensie wzmacniaczem ocieplenia (wówczas jeszcze nie globalnego) ze strony Słońca czy dwutlenku węgla, czyli stanowi ona dodatnie sprzężenie zwrotne. I to najsilniejsze w systemie klimatycznym planety ⁴.

Brian J. Soden, ze Szkoły Morskich i Atmosferycznych Nauk im. Rosenstiela na Uniwersytecie w Miami, Floryda, oraz Isaac M. Held, z Narodowej Administracji Atmosferyczno-Oceanicznej (NOAA – National Administration Atmospheric and Oceanic)/Laboratorium Geofizycznej Dynamiki Płynów w Princeton, New Jersey, stwierdzili, że para wodna zapewnia nie tylko największe dodatnie sprzężenie zwrotne we wszystkich badanych modelach klimatycznych, ale i również zaobserwowali, że jej wzmocnienie powoduje zwiększenie wilgotności względnej. Ponadto zauważyli, że sprzężenia zwrotne z chmur i albedo powierzchni są dodatnie w zbadanych wszystkich modelach ⁵.

Na podstawie obserwacji satelitarnych i naziemnych, reanaliz (ERA5) oraz symulacji modeli klimatycznych CMIP6, brytyjscy naukowcy: Richard P. Allan z Wydziału Meteorologii i Narodowego Centrum Obserwacji Ziemi na Uniwersytecie w Reading, Kate M. Willett z biura Met Office Hadley Centre w Exeter oraz Tim Trent ze Szkoły Fizyki i Astronomii i Narodowego Centrum Obserwacji Ziemi na Uniwersytecie w Leicester, a także niemiecki naukowiec Viju O. John z EUMETSAT w Darmstadt, wywnioskowali, że globalna średnia zintegrowana z kolumną pary wodnej wzrosła o 1% / dekadę w latach 1988–2014 w obserwacjach i symulacjach samej atmosfery ⁶.

Ogólnie mówiąc, para wodna parując z gleb lub roślinności czy z oceanów i dostając się wzwyż do atmosfery, ma zdolności do zatrzymywania ciepła, dzięki procesom pochłaniania termicznej energii promieniowania podczerwonego oraz światła słonecznego. Ponadto, gaz ten, na większych wysokościach schładzając się, już jako woda lub lód, w chmurach stanowi „paliwo” dla opadów deszczu i śniegu. Gdy klimat się coraz bardziej ociepla, para wodna wzrasta w najniższych kilku kilometrach atmosfery, co powoduje zarówno większe zatrzymywanie ciepła, jak i także większe opady atmosferyczne.

—

Referencje:

1. American Chemical Society ; 2022 ; Water vapor and climate change ; American Chemical Society ; https://www.acs.org/climatescience/climatesciencenarratives/its-water-vapor-not-the-co2.html
2. Pierrehumbert R. T. i in. ; 2016 ; Dynamics of atmospheres with a non-dilute condensible component ; Proceedings of the Royal Society A ; https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspa.2016.0107
3. Plotnik T. i in. ; 2021 ; Transport of Water Vapor from Tropical Cyclones to the Upper Troposphere ; Atmosphere ; https://www.mdpi.com/2073-4433/12/11/1506
4. Fleming J. R. ; 1998 ; 837 T. C. Chamberlin and the Geological Agency of the Atmosphere ; Oxford Academic ; https://academic.oup.com/book/41694/chapter-abstract/353937054?redirectedFrom=fulltext&login=false
5. Soden B. J. ; 2006 ; An Assessment of Climate Feedbacks in Coupled Ocean–Atmosphere Models ; Journal of Climate ; https://journals.ametsoc.org/view/journals/clim/19/14/jcli3799.1.xml
6. Allan R. P. ; 2022 ; Global Changes in Water Vapor 1979–2020 ; JGR Atmospheres ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2022JD036728?campaign=woletoc