Wzmocnienie arktyczne (amplifikacja), po raz pierwszy zbadane w październiku 1969 roku przez rosyjskiego klimatologa Michaiła I. Budyko z Głównego Obserwatorium Geofizycznego (w dawnym Leningradzie w czasach ZSRR)*, polega na zmniejszeniu się różnicy temperatur pomiędzy równikiem a biegunem północnym. Przyczyną jest zmniejszanie się albedo lodu, czyli zmniejszanie się odbijania promieni słonecznych od białej powierzchni lodowej kosztem zwiększania się ich pochłaniania przez poszerzające się, z dekady na dekadę, otwarte ciemne tonie wodne Oceanu Arktycznego.
Ten proces nagrzewania się powietrza oraz wód w Arktyce powoduje, że coraz częściej występują w niej wyjątkowo ciepłe lata a polarny prąd strumieniowy wówczas płynie niejednokrotnie bardzo wolno, meandrując i przynosząc z sobą na średnich szerokościach wiosną, latem i jesienią wydłużone okresy nawalnych opadów deszczu lub fal upałów, suszy i pożarów, a zimą gwałtownych śnieżyc. Te ostatnie jednak zaznaczają się bardziej krótkotrwałymi okresami. 30-40 lat temu, gdy polarny prąd strumieniowy płynął częściej wartko i dość szybko, nie miało to dużego wpływu na częstość ekstremalnych zjawisk pogodowych.
—-
—-
Rys.1. Anomalie temperatury (°C), czyli odchylenia temperatur w latach 2000-2009 od średniej z okresu 1951-1980. Rysunek wykorzystuje dane z naziemnych obserwacji temperatury powierzchni Ziemi (obejmujących pomiary prowadzone przez statki i boje ) zgromadzone w bazie danych NASA GISS, dzięki uprzejmości Roberta Simmona z NASA.
—-
Naukowcy szacują w swych modelach klimatycznych, że w przyszłych dziesięcioleciach polarny prąd strumieniowy będzie częściej wolno płynąć niż szybko co będzie wpływało na zmniejszenie częstotliwości frontu polarnego, podczas którego, polarne masy powietrza zderzają się ze zwrotnikowymi.
—-
Jak już wspomnieliśmy, zwolnienie polarnego prądu strumieniowego ma również związek ze wspomnianą już amplifikacją Arktyki. To ostatnie spostrzeżenie zostało po raz pierwszy zaobserwowane w 2012 roku przez Jennifer A. Francis z Instytutu Nauk Morskich i Wybrzeży na Uniwersytecie Rutgers w Brunszwiku i Stephena J. Vavrusa z Centrum Badań Klimatycznych na Uniwersytecie Wisconsin-Madison.*
Pokrywa lodu morskiego w Arktyce szybko kurczy się z dekady na dekadę i obecnie jest już znacznie mniej grubego lodu wieloletniego, a znacznie więcej cienkiego lodu rocznego. Zaburzenia pogodowe w Arktyce powodują coraz częstszą adwekcję bardzo ciepłych mas powietrza z niższych szerokości geograficznych, a polarne masy powietrza często spływają z niej właśnie na niższe szerokości geograficzne.
Autorzy piszą:
Zróżnicowane ocieplenie Arktyki względem średnich szerokości geograficznych jest kluczem łączącym amplifikację arktyczną (AA – Arctic Amplification) z wzorcami sprzyjającymi trwałym warunkom pogodowym na średnich szerokościach geograficznych. Przewiduje się dwa oddzielne wpływy na charakterystykę górnego poziomu: słabsze gradienty grubości biegunów powodują wolniejsze wiatry strefowe, a zwiększone ocieplenie na dużych szerokościach geograficznych powoduje wzrost wysokości 500 hPa bardziej niż na średnich szerokościach geograficznych, co wydłuża szczyty grzbietów na północ i zwiększa amplitudę fal. Oba te efekty powinny spowolnić progresję fali na wschód. Cechy fal w polach 500 hPa są analizowane od 1979 do 2010 roku. Badanie koncentruje się na średnich szerokościach geograficznych Ameryki Północnej i Północnego Atlantyku (140°W do 0°, ryc.2 [rys.2. poniżej]), na północ od których utrata lodu była znaczna, a ogrzewanie atmosferyczne było istotne statystycznie (Ryc.1 [w oryginalnym artykule]). Do tej analizy wybrano pola o wysokości 500 hPa, ponieważ są one ograniczone obserwacjami z licznych radiosond i danych satelitarnych, są stosunkowo wolne od efektów powierzchniowych i wychwytują wzorce fal wyższego poziomu.
—-
—-
Rys.2. Obszar badań: 140°W do 0°. (a) Gwiazdki [kolor czerwony] ilustrują przykład wybranego zakresu wysokości 500 hPa zastosowanego w analizie. (b) Schemat wydłużenia grzbietu (przerywany vs. pełny) na wyższych poziomach spowodowanych zwiększonym ociepleniem w Arktyce w stosunku do średnich szerokości geograficznych. Fale o wyższej amplitudzie posuwają się na wschód wolniej, co wskazują strzałki (Francis J. A. et al., 2012).
—-
Praca zespołowa rosyjskiego naukowca Vladimira Petoukhova z Poczdamskiego Instytutu Badań nad Wpływem Klimatu (PIK – Potsdam Institute for Climate Impact Research)*, wyjaśnia nam, że wolno meandrujący wiatr stratosferyczny, czyli dobrze nam znany polarny prąd strumieniowy na wysokich szerokościach geograficznych, na półkuli północnej może wtedy, wytworzyć specyficzny sinusoidalny falowód, tak zwaną falę Rossby’ego charakteryzującą się tym, że często zdarza się tak, że w porze letniej tenże falowód tworzy specyficzne wypustki (6-8), gdzie w strefie polarnej powstają układy niżowe, a w strefie zwrotnikowej wyżowe.
Takie zdarzenie miało miejsce w latach 2014-19. Mieliśmy wówczas często do czynienia z zachmurzeniem Arktyki. W przyszłości, gdyby świat dalej się ocieplał według scenariusza wysokich emisji „biznes jak zwykle”, amplifikacja Arktyki może być jeszcze większa. Możliwe, że będziemy mieli wtedy do czynienia nawet z potrojeniem quasi-rezonansowego wzmocnienia (QRA – quasi—resonant amplification) fali Rossby’ego.
—-
—-
Rys.3. Zablokowana fala Rossby’ego „uwięziona” w atmosferycznym falowodzie (Nauka o Klimacie, 2019).
—-
Jeśli w przyszłości polarny prąd strumieniowy będzie meandrować w okresie zimowym na półkuli północnej, tak jak w poprzednich latach, to może dojść do tragicznych zdarzeń, jak na przełomie lutego i marca 2018 roku na subtropikalnej Florydzie, gdy anomalia mroźnego powietrza z Arktyki wpłynęła znacząco na wymieranie lokalnych populacji manatów w Zatoce Meksykańskiej na Morzu Karaibskim.
Jak już wcześniej wspomnieliśmy, mroźne śnieżyce wcale nie zaprzeczają istnieniu globalnego ocieplenia. Wprost przeciwnie. Mogą one występować w 2100 roku nawet w temperaturze 3 stopni Celsjusza powyżej okresu przedprzemysłowego 1850-1900. Ale oczywiście te okresy będą znacznie krótsze niż teraz w nadchodzącej dekadzie lat 20 XXI wieku.
—-
—-
Rys.4. Szeregi czasowe obserwowanych amplitud (w metrach na sekundę) strefowych liczb falowych m = 6 (czarny kolor), m = 7 (czerwony kolor) i m = 8 (niebieski kolor) dla biegu średniej południkowej prędkości wiatru (15-dniowego) przy ciśnieniu 300 hPa na szerokościach 37,5°N – 57,5°N w okresie od maja do września w latach 2012 i 2013, w oparciu o codzienne dane z ponownej analizy.
Wypełnione kółka oznaczają zaobserwowane zdarzenia o wysokiej amplitudzie szczytowej (HPA – high-peak-amplitude) przekraczające standardowe odchylenie (SD – Standard Deviation) o 1,5 (przerywane linie poziome) powyżej okresu z lat 1980–2013 (linie poziome ciągłe), gdy mechanizm QRA działał z przesunięciem czasowym do 1,5–2 tygodni względem odpowiedniego zdarzenia HPA. Amplitudy tych zdarzeń QRA są oznaczone kolorowymi wypełnionymi kwadratami.
Otwarte kółko (z czarną obwódką) oznacza obserwowane zdarzenie HPA, gdy mechanizm QRA nie działał. Otwarty kwadrat (z czerwoną obwódką) oznacza wysoką amplitudę zdarzenia QRA dla m = 7, kiedy odpowiadające mu zdarzenie HPA przewidywane przez QRA nie miało miejsca (Petoukhov V. et al., 2016).
—-
Trudno powiedzieć jak w przyszłości zachowa się polarny prąd strumieniowy na półkuli północnej. Według obliczeń QRA, za pomocą zestawu modeli CMIP5, zespół naukowy Michaela E. Manna ze Stanowego Uniwersytetu Pensylwanii (Penn State University)* oszacował, że troposferyczny wiatr przyspieszy na dużych wysokościach, gdy na średnich szerokościach (głównie w Chinach i w Indiach) ustaną emisje aerozoli ze spalania paliw kopalnych, rozpraszających promieniowanie słoneczne, co spowoduje takie samo ocieplanie tychże szerokości jak w Arktyce albo nawet szybsze, dzięki większemu dopływowi do nich strumienia słonecznego. A to z kolei wpłynie na przyspieszenie biegu polarnego prądu strumieniowego.
—-
—-
Rys.5. Fale Rossby’ego w prądzie strumieniowym. Cienkie, kolorowe kreski pokazują kierunek i prędkość przepływu powietrza w wyższych partiach atmosfery. Kolory żółty, pomarańczowy, czerwony oznaczają kolejno coraz większe prędkości. Duże niebieskie i czerwone strzałki pokazują kierunki napływu ciepłych (czerwone) i chłodnych (niebieskie) mas powietrza. Duże litery W oznaczają obszary wyżów a litery N – niżów atmosferycznych. Tło stanowi wizualizacja NASA Visualization Studio.
—-
W artykule powyższym czytamy, że w tym stuleciu prawdopodobieństwo wystąpienia QRA może być o 50% większe w przypadku scenariusza wysokiej emisji (RCP 8.5 według V Raportu Oceny IPCC).
W artykule naukowcy piszą:
Jesteśmy teraz w stanie zrozumieć zachowanie obserwowane w serii odcisków palców QRA (ryc.5 [poniżej rys.6]). Dla pełnej średniej wielomodelowej, widzimy spowolnienie trendu wzrostowego w pierwszej połowie XXI wieku, a następnie przyspieszenie pod koniec XXI wieku. W przypadku podzbioru AIE [przypis: skutków pośrednich aerozoli – AIE – Aerosol Indirect Effects] obserwujemy płaską (właściwie bardzo nieznacznie ujemną) tendencję w pierwszej połowie XXI wieku, po której następuje bardzo szybki wzrost w drugiej połowie XXI wieku. Niewielka większość (59%) symulacji wielomodelowych wykazuje wzrost odcisku palca QRA w pierwszej połowie XXI wieku, podczas gdy w symulacjach AIE występuje równy podział (50%) między rosnącym i malejącym QRA.
—-
—-
Rys.6. Seria odcisków palców quasi-rezonansowej amplifikacji (QRA) dla przyszłych projekcji RCP8.5.
Zarówno ( A ) pełny zespół multimodelowy, jak i ( B ) podzbiór składający się tylko z pośrednich skutków aerozoli (AIE). Konwencje są jak na rys. 3D [w oryginalnym artykule]. Historyczna seria QRA obliczona na podstawie obserwacji temperatury powierzchni [Goddard Institute for Space Studies Surface Temperature Analysis (GISTEMP)] od 1894 do 1916 (kolor cyjanowy) oraz rzeczywista seria rocznych zliczeń QRA (kolor zielony) od 1979 do 2015 (zdiagnozowana przez ERA dane z ponownej analizy; patrz Materiały i metody w celu uzyskania dalszych szczegółów) przedstawiono dla porównania (Mann M. E. et al., 2018).
—-
Ponadto naukowcy pod kierownictwem Michaela Manna wyjaśniają w swojej pracy związek ekstremalnych zdarzeń pogodowych mających związek z zakłóceniem polarnego prądu strumieniowego na półkuli północnej:
Seria uporczywych, ekstremalnych i kosztownych letnich zdarzeń pogodowych w ciągu ostatnich półtorej dekady, w tym fala upałów w Europie w 2003 r., powódź w Pakistanie w 2010 r., fala upałów w Rosji, susza w Teksasie w 2011 r., powodzie w Europie w 2013 r., pożary w Kalifornii w 2015 r. i pożary lasów w stanie Alberta w Kanadzie w 2016 r., doprowadziła do ciągłej dyskusji w literaturze naukowej dotyczącej związku między antropogenicznymi zmianami klimatu a ekstremalnymi temperaturami w okresie ciepłym.
Pewne wzrosty ekstremalnych temperatur letnich można wytłumaczyć stosunkowo prostymi procesami termodynamicznymi, np. przesunięciami w górę rozkładu temperatury prowadzącymi do wzrostu częstotliwości fal upałów lub wpływem ocieplenia atmosfery na intensywne opady atmosferyczne. Rosnąca liczba badań sugeruje jednak, że mechanizmy obejmujące dynamikę atmosfery są niezbędne do wyjaśnienia w szczególności nadzwyczaj trwałych i wzmożonych zakłóceń w polarnym prądzie strumieniowym – które są związane z utrzymującymi się ekstremalnymi letnimi zdarzeniami pogodowymi.
Granica polarnego prądu strumieniowego (front polarny – strefa opadów deszczu i burz), czyli zderzenie mas zwrotnikowego powietrza z masami polarnego – ta strefa jest znacznie słabsza, gdy polarny prąd strumieniowy płynie wolno sinusoidalnie. Wtedy też na dłużej powstają wzorce pogodowe takie jak długotrwałe okresy nadmiernych susz, w tym dość częstych fal upałów i pożarów czy też z drugiej strony okresy nadmiernych opadów deszczu, w tym także dość częstych powodzi.
Z taką sytuacją mieliśmy do czynienia właśnie w 2018 roku podczas bardzo upalnej wiosny i lata na średnich szerokościach półkuli północnej. Powstanie układu sinusoidalnego falowodu przyniosło z sobą wiele spektakularnych ekstremalnych zjawisk pogodowych. Miało ono miejsce, zarówno późną zimą (w lutym i marcu gdy po rozbiciu wiru polarnego było bardzo zimno i śnieżnie na wielu średnich szerokościach półkuli północnej), jak i wiosną i latem (od kwietnia do września, gdy panowały na tych samych szerokościach ekstremalne upały, susze i pożary w Kalifornii, Skandynawii, Portugalii, Grecji, Japonii, które dominowały nad odmiennymi zjawiskami pogodowymi jak nawalne opady deszczu czy powodzie w Indiach i Bangladeszu).
—-
Referencje:
1. Budyko M. I., 1969 ; The effect of solar radiation variations on the climate of the Earth ; Tellus ; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.2153-3490.1969.tb00466.x
2. Francis J. et al., 2012 ; Evidence linking Arctic amplification to extreme weather in mid‐latitudes ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/…/2012GL051000
3. Vladimir Petoukhov et al., 2016 ; Role of quasiresonant planetary wave dynamics in recent boreal spring-to-autumn extreme events ; Proceedings of the National Academy of Sciences ; https://www.pnas.org/content/113/25/6862
4. Mann M. E. et al., 2018 ; Projected changes in persistent extreme summer weather events: The role of quasi-resonant amplification ; Science Advances ; https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aat3272
—-