Połynie. Otwarte wody bez lodu. Obecnie odkąd ocieplany jest klimat z powodu spalania paliw kopalnych i znaczącego wylesienia kontynentów, połynie, zarówno w Arktyce, jak i w Antarktyce są coraz częstszym zjawiskiem. Jest to niepokojące zjawisko, gdyż występowanie coraz większej liczby obszarów bez lodu stanowi zagrożenie dla zwierząt, których habitaty są z nim związane.
W szczególności jest to przerażające, gdy połynie zaczęły występować w miejscach, w których dotąd lód był stabilny. I był to lód wieloletni.
George William Kent Moore z Wydziału Fizyki na Uniwersytecie w Toronto i z Wydziału Nauk Chemicznych i Fizycznych, Instytutu w Mississauga na Uniwersytecie w Toronto oraz Axel Schweiger, Jinlun Zhang i Mike Steele z Centrum Polarnych Nauk w Laboratorium Fizyki Stosowanej na Uniwersytecie Waszyngtońskim w Seattle, omówili ciekawy przypadek powstania pod koniec lutego 2018 r we wschodnim sektorze Ostatniego Obszaru Lodowego (LIA – Last Ice Area), u wybrzeży północnej Grenlandii na Morzu Wandela, rozległego obszaru wodnego wolnego od lodu zwanego połynią 1.
Obszar ten, objęty zdjęciami satelitarnymi dotychczas nie był znany z rozwoju połyń. Odkrycie to wzbudziło zainteresowanie obserwatorów Arktyki i społeczności naukowej, stawiając pytania o naturę i przyczynę tego niezwykłego wydarzenia.
Rys.1. Spojrzenie na koncentrację lodu morskiego w dniu 25 lutego, na którym widać połynię na północ od Grenlandii (William G. K. Moore i inni, 2018).
Połynia ta w lutym 2018 roku miała nawet średnicę dochodzącą do 100 kilometrów, dzięki powstałej adwekcji bardzo silnych wiatrów, które na duże odległości wręcz wywiały stary gruby, wieloletni lód, tworząc początkowo na ogromnym obszarze otwarte wody, które póżniej zostały już zastąpione tylko cienkim rocznym lodem, który utrzymywał się do pory letniej, do sierpnia, gdy ponownie nastąpiły wiatry, ale znacznie słabsze niż zimą, które z łatwością ponownie zmiotły, ale już cienki lód, tworząc znowu szeroką przestrzeń wodną wolną od lodu, dzięki czemu słońce intensywnie nagrzewało Morze Wandela, co też z kolei sprzyjało szybszemu podpowierzchniowemu topnieniu sąsiednich kier lodowych.
Do celów badawczych dynamiki i ewolucji połyni naukowcy wykorzystali dane o stężeniu lodu morskiego z zapisu danych klimatycznych NOAA/NSIDC w oparciu o instrumenty pomiarowe satelitarne SMMR, SSM/I i SSMIS w rozdzielczości 25 km od 1979 r. (Walter N. Meier i inni, 2014), a także pozyskali dane zestawu ASI z Uniwersytetu z Bremy, oparte na przyrządach AMSRE i Advanced Microwave Scanning Radiometer 2 przy rozdzielczości 6,25 km od 2002 r. (Gunnar Spreen i inni, 2008).
Z kolei dane ciśnienia powierzchniowego, temperatury powietrza, prędkości i kierunku wiatru zespół naukowy Kenta Moore’a mógł pobierać co 3 godziny podczas prowadzenia powyższych badań naukowych, dzięki udostępnieniu ich przez Duński Instytut Meteorologiczny (DMI – Danish Meteorological Institute) obsługujący dwie stacje meteorologiczne w północnej Grenlandii (John Cappelen, 2019):
- na Station Nord (SN: 81,6°N; 16,65°W, od 1961 do chwili obecnej)
- na Kap Morris Jessup (83,65°N; 33,37°W, 1985 do chwili obecnej).
Ponadto, do głębszej analizy dynamiki połyni uczeni wykorzystali dane z Systemu modelowania i asymilacji panarktycznego oceanu lodowego (PIOMAS – Pan-Arctic Ice Ocean Modeling and Assimilation System) (Jinlun Zhang i D. A. Rothrock, 2003).
Standardowy przebieg PIOMAS (SPINUP) asymiluje satelitarną koncentrację lodu morskiego i w badaniach został wykorzystany do zapewnienia warunków początkowych dla przebiegów modelowych opisanych w tejże pracy (Axel J. Schweiger i inni, 2011).
Przebiegi PIOMAS, które są stymulowane przez wymuszenia antropogeniczne, zostały wybrane w celu określenia:
- w jaki sposób połynia w 2018 roku ewoluowała, kiedy lód morski był jeszcz grubszy, a adwekcja ciepłego powietrza słabsza
- kiedy w przyszłości przewiduje się, że lód morski będzie cieńszy
Naukowcy w symulacjach modeli zainicjowali przebieg dynamiki lodu morskiego do 1 stycznia 2035 r. Następnie przetestowali wpływ wymuszania wiatru redukując przy tym wiatry przyziemne o 25% i 50% w porównaniu z wartościami z 2018 r. w okresie od 15 lutego do 1 marca.
Na koniec przetestowali wpływ wysokich temperatur podczas otwierania się polyni, wykonując również przebieg z zimniejszym wymuszeniem termicznym z 1979 roku.
Naukowcy w swojej pracy napisali:
Należy zauważyć, że PIOMAS nie jest sprzężony z modelem atmosferycznym, a zatem nie będzie w pełni uchwycał interakcji powietrze-morze związane z ewolucją połyni.
Zdarzenie to związane z otwieraniem połyni, odpowiedzialne za silne wiatry i ciepłe temperatury, miało miejce podczas fazy dodatniej NAO. A z zamknięciem jej podczas nadejścia fazy ujemnej NAO, charakterystycznej z występowaniem słabszych wiatrów i chłodniejszych temperatur.
—-
Naukowcy po tak ekstremalnym zdarzeniu związanym z połynią w 2018 roku, sądzili, że jest ono wyjątkowo rzadkim i nie tak prędko się zdarzy ponownie. Sugerowali się tym, że zimą 2020 roku morski arktyczny lód był względnie stabilny w LIA i badacze byli pewni dzięki temu, że nie będzie on tak szybko topnieć w porze letniej. Jednak pomylili się.
Ponownie, Axel Schweiger, Michael Steele, Jinlun Zhang, George William Kent Moore i dodatkowo Kristin Laudre – także z Centrum Polarnych Nauk w Laboratorium Fizyki Stosowanej na Uniwersytecie Waszyngtońskim w Seattle, zaobserwowali, że gruby, wieloletni lód w sierpniu 2020 roku został ponownie „zaatakowany” przez bardzo silne i gwałtowne ciepłe wiatry wiejące z południa, które tak samo na odległość 100 kilometrów dokonały gigantycznej „przerębli” rozpychając, zarówno, wieloletni, jak i jednoroczny lód. I w ten sposób po dwóch latach znowu w okresie letnim wytworzyła się ogromna połynia powodująca intensywne nagrzewanie się otwartych wód na Morzu Wandela i szybsze roztapianie grubych kier w sąsiedztwie tego obszaru. Wschodni sektor „Ostatniego Obszaru Lodowego” został ponownie zdestabilizowany 2.
Naukowcy stwierdzili, że trasa niemieckiego lodołamacza Polarstern, podczas wyprawy badawczej w latach 2019-2020, została wytyczona przez zdjęcia satelitarne pokazujące rozległe obszary ukazujące koncentrację lodu na wodach otwartych i na morzu Wandela. Ogólnie pokrycie lodu morskiego (SIC) w tym rejonie było bardzo niskie i wynosiło 70% na szerokości 87°N.
Badania powyższe wykonane zostały na obszarze Morza Wandella (WS – Wandell Sea) na szerokościach geograficznych 81,5°N–85°N oraz na długościach geograficznych 10°W–50°W, czyli dokładnie na tym samym obszarze, na którym zostało zaobserwowane to samo zdarzenie w lutym 2018 r .
Fot.1. W maju 2020 roku na północ od Wyspy Ellesmere po raz pierwszy zaobserwowano połynię o powierzchni 3000 kilometrów kwadratowych. Szczelina uformowana w strefie ostatniego lodu, która ma być ostatnim bastionem lodu morskiego w ocieplającej się Arktyce. Źródło: NASA EOSDIS Worldview
25 lipca 2020 roku dzienna pokrywa lodu morskiego na Morzu Wandella (2020 WS SIC) spadła poniżej 80%.
Przy wykorzystaniu nowych badań na temat grubości lodu, z danych PiOMAS i satelity CryoSat-2/SMOS oraz na temat anomalii adwekcji i ruchu lodu za pomocą modelu lodu morskiego, naukowcy zidentyfikowali przyczynę rekordowych spadków lodu morskiego latem 2020 roku.
Zespół Schweigera stwierdził, że około 80% tych spadków wynikało z czynników związanych z pogodą, takich jak wiatr załamujący się i poruszający się lód. Pozostałe 20%, czyli jedna piąta, było spowodowane długotrwałym przerzedzaniem się lodu morskiego w wyniku globalnego ocieplenia.
14 sierpnia 2020 r. wystąpiło rekordowo niskie minimum pokrywy lodu morskiegi (SIC), które wyniosło 52%.
Kilka wcześniejszych wysokich minimów SIC w regionie Morza Wandela było w następujących latach: 1985: 57 %, 1990: 67 % i 1991: 62 %.
Utrata lodu morskiego w okresie letnim na dowolnym obszarze następuje w odpowiedzi na adwekcję lodu (tj. dynamikę) i topnienie lodu (tj. termodynamikę).
Aby zrozumieć przyczyny utraty lodu morskiego na Morzu Wandela latem 2020 roku, do badań naukowcy ponownie wykorzystali dane z systemu modelowania i asymilacji panarktycznego oceanu lodowego (PIOMAS).
Ponadto naukowcy wykorzystali do przebiegu swoich badań dzienne średnie dane z reanalizy NCEP/NCAR wykorzystywane jako wymuszanie atmosferyczne, tj.:
- do wysokości 10 metrów wiatry przyziemne
- Na wysokości 2 metrów temperatura powietrza przy powierzchni,
- wilgotność właściwa
- opady
- parowanie
- promieniowanie długofalowe w dół
- ciśnienie na poziomie morza
- frakcja chmur służąca do obliczania downwellingu promieniowania krótkofalowego
Komponenty masy lodu morskiego i budżetów cieplnych górnych warstw oceanu były obliczane bezpośrednio z danych wyjściowych modelu PIOMAS.
Anomalie adwekcji lodu dominują w miesięcznej zmienności od 1979 do 2020 roku, ale bez długoterminowego trendu. Anomalna adwekcja lodu w czerwcu, lipcu i sierpniu (JJA – June, July, August) 2020 jest zasadniczo ujemna (tj. Strata grubości lodu morskiego (SIT – Sea Ice Thickness), chociaż kilka wcześniejszych lat również ma anomalie o podobnej wielkości. Anomalie ruchu lodu w lipcu i sierpniu pokazują, że lód jest odsuwany na północny zachód od Morza Wandela (WS).
Rys.2. Ostatni obszar lodowy o raz obszar badań na Morzu Wandela (Axel Schweiger i inni, 2021).
Naukowcy podkreślili, że produkcja lodu w miesiącach letnich JJA w 2020 r. miała rekordowo niską wartość ubytku grubości lodu morskiego (SIT), wynoszącego -0,3 m/miesiąc. W rzeczywistości wszystkie lata od 2016 roku wykazały ujemne anomalie produkcji lodu JJA.
W artykule naukowcy napisali na temat zmienności atmosfery:
Aby umieścić adwekcję lodu morskiego na Morzu Wandela w 2020 r. (WS), w kontekście większej skali, rozważamy tutaj podstawowe mody (tryby) zmienności atmosfery Arktyki, tj. oscylację arktyczną (AO – Arctic Oscillation), arktyczną anomalię dipolową (ADA – Arctic Dipole Mode) i oscylację Barentsa (BO – Barents Oscillation). Każdy z nich odpowiada głównym (PC – Principal Components) empirycznych funkcji ortogonalnych obliczonych z miesięcznych pól ciśnienia średniego poziomu morza na północ od 30°N.
W okresie od stycznia do marca 2020 r., kiedy lód morski wpłynął do Morza Wandela, ciśnienie na poziomie morza (SLP) nad Arktyką było niskie, z wzorcem ciśnienia na poziomie morza podobnym do tego, który stwierdzono w 2017 r., kiedy Wir Beauforta odwrócił się. Powstały ruch lodu na lądzie przyczynił się do powstania anomalnie grubego lodu na północ od Grenlandii.
W tym samym czasie zarówno AO, jak i ADA były bardzo wysokie (AO była w rzeczywistości rekordowa). Była to sytuacja niespotykana w żadnym innym roku w ciągu 41-letniego szeregu czasowego.
Co ciekawe, warunki latem 2020 roku pokazały coś przeciwnego, mianowicie ruch lodu na zachód od Morza Wandela (WS), a AO i ADA były wówczas bliskimi rekordowo ujemnych wartości. Wydaje się jasne, że anomalne wymuszanie wiatru na Morzu Wandela (WS) w 2020 roku było związane z anomalnymi wzorcami wiatrów powierzchniowych na dużą skalę.
—-
Jakub Małecki, glacjolog z Uniwersytetu Adama Mickiewicza w Poznaniu, na łamach serwisu Nauka o klimacie napisał 3:
Początkowo odchylenie od wieloletniej normy wynosiło kilkanaście procent, ale w połowie sierpnia zlodzenie było niższe od średniej niemal o połowę, bijąc dotychczasowe rekordy. Obszar otwartej wody był ogromny, a otaczała go potężna powierzchnia wodno-lodowej mieszanki, z koncentracją lodu niestanowiącą problemu dla przepływającego nieopodal lodołamacza Polarstern. Jego dowództwo zdecydowało się wykorzystać te warunki i w sierpniu 2020 roku (pod koniec trwania ekspedycji MOSAiC) popłynąć ku biegunowi północnemu.
Axel J. Schweiger ze swoim zespołem naukowym w swojej pracy napisali z niepokojem na temat zagrożenia fauny arktycznej:
Ostatni Obszar Lodowy (LIA – Last Ice Area) jest uważany za ostatnie schronienie dla związanych z lodem arktycznych ssaków morskich, takich jak niedźwiedzie polarne ( Ursus maritimus ), foki obrączkowane ( Pusa hispida) i foki brodate ( Erignathus barbatus) oraz morsy ( Odobendus rosmarus ). LIA jest również ważny dla mew modrodziobych (Pagophila eburnea), które rozmnażają się w północnej Grenlandii.
Fot.2. Polarstern w drodze do bieguna północnego w ramach ekspedycji MOSAiC. Fot. Alfred Wegener Institut/Stefen Graupner/CC BY-4.0
Konkluzja na temat lodu morskiego w Arktyce jest taka, że pomimo jeszcze „ratującego” go tworzenia się adwekcji układów niżowych przynoszących wysoki stopień zachmurzenia w drugiej połowie lata, dzięki czemu dochodzi mniej promieni słonecznych do powierzchni morskiej i lodowej, to i tak, jak się dowiadujemy z wyników badań naukowych, powstają obszary destabilizujące, takie jak rejon Morza Wandela, gdzie ekstremalne wiatry południowe stają się przyczyną powstawania rozległych połyni, czyli otwartych ciemnych wód bardzo silnie nagrzewających się w okresie letnim i przyspieszającym podpowierzchniowe topnienie sąsiednich obszarów lodowych, zarówno paków, jak i kier.
Referencje:
1. Moore G. W. K. et al., 2018 ; What Caused the Remarkable February 2018 North Greenland Polynya? ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2018GL080902
2. Schweiger A. J. et al., 2021 ; Accelerated sea ice loss in the Wandel Sea points to a change in the Arctic’s Last Ice Area ; Communications Earth & Environment ; https://www.nature.com/articles/s43247-021-00197-5
3. Małecki J., 2021 ; Ostatni obszar lodu ; Nauka o klimacie ; https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/ostatni-obszar-lodu/