Wzrost poziomu morza występuje z wielu przyczyn. Najważniejszą z nich jest termosteryczny wzrost poziomu morza, czyli dzięki rozszerzalności cieplnej ośrodka wodnego jakim są oceany, morza, a także w znacznie mniejszym stopniu rzeki i jeziora. W następnej kolejności we wkład wzrostu poziomu morza przyczyniają się utrata masy pokrywy lodowej Antarktydy o raz topnienie i utrata masy pokrywy lodowej Grenlandii, a także topnienie lodowców górskich. Również coraz bardziej poważny wpływ ma spływ powierzchniowy i gruntowy wód śródlądowych do mórz i oceanów.
Wzrost poziomu morza analizowany dzięki samej rozszerzalności termicznej.
Zespół naukowy Svetłany Jevrejevej z Instytutu Modelowania Systemów Morskich w Narodowym Centrum Oceanografii (NOC – National Oceanography Center) w Liverpoolu, stwierdził, że według obecnego zestawu modeli CMIP6, średni termosteryczny wzrost poziomu morza będzie tak samo znacznie wyższy, jak ten, który pochodzi z topnienia lodowców górskich i pokryw lodowych 1.
Fot.1. Większość wzrostu poziomu morza na Ziemi to termosteryczny wzrost poziomu morza.
W powyższej pracy czytamy, że wkład rozszerzalności cieplnej we wzrost poziomu morza, przy wykorzystaniu symulacji globalnego średniego termosterycznego poziomu morza (GMTSL – Global Mean Thermosteric Sea Level) na podstawie 15 dostępnych modeli w fazie 6 projektu CMIP6.
Naukowcy piszą:
Obliczamy wzrost GMTSL o 18,8 cm [12,8–23,6 cm, zakres 90%] i 26,8 cm [18,6–34,6 cm, zakres 90%] dla okresu 2081–2100, w stosunku do lat 1995-2014 odpowiednio dla scenariuszy SSP2-4.5 i SSP5-8.5. W porównaniu ze zbiorem 20 modeli z Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5), średnia zbiorowa CMIP6 przyszłego GMTSL (2014–2100) jest wyższa dla obu scenariuszy i wykazuje większą wariancję. Dla porównania, dla okresu 1901-1990 GMTSL z modeli CMIP6 ma o połowę mniej wariancji niż z CMIP5. W latach 1940-2005 tempo wzrostu średniej zbiorowej CMIP6 GMTSL wynosiło 0,2 ± 0,1 mm/rok , co stanowi mniej niż połowę obserwowanego wskaźnika (0,5 ± 0,02 mm/rok).
Rys.1. Porównanie średniej wielomodelowej (MEM – Multi-Model Ensemble Mean) z zestawu modeli CMIP6 i CMIP5 ze średnią obserwacyjną globalnego termosterycznego poziomu morza (GMTSL – Global Mean Thermosteric Sea Level) w latach 1957–2005. Szeregi czasowe zostały wymienione w latach 1986-2005. Wkład w głębokie oceany wynoszący 0,1 ± 0,1 mm/rok (dostępny tylko w okresie 1990-2000), oszacowany przez Purkeya i Johnsona ( 2010 ), nie jest uwzględniony w obserwacyjnym GMTSL.
W metodach badawczych zastosowano globalne średnie symulacje termosteryczne w zestawie modeli CMIP6, symulacje GMTSL w CMIP5 oraz GMTSL z obserwacji in situ.
Naukowcy dochodzą do wniosku, że dla zestawu średniej wielomodelowej (MEM) wskaźnik CMIP6 MEM pokazuje wyższe tempo wzrostu GMTSL niż dla tego samego zestawu średniej wielomodelowej (MEM), wskaźnik CMIP5 MEM.
W przyszłych prognozach scenariusze SSP2-4.5 i SSP5-8.5 dla zestawu modeli CMIP6 mają wyższe wartości niż scenariusze RCP4.5 i RCP8.5 dla zestawu modeli CMIP5 (tabela 4).
Natomiast w przypadku symulacji historycznych (okres 1901–1990) wskaźnik MEM dla modeli CMIP6 jest niższy niż w przypadku MEM dla modeli CMIP5.
| Czas | Wskażnik CMIP6 | Wskaźnik CMIP5 | |
| Eksperyment | Okres | (mm / rok ) | (mm / rok ) |
| Historyczny | 1901-1990 | 0.2 ± 0.1 | 0.3 ± 0.1 |
| SSP2-4.5/RCP4.5 | 2015-2100 | 2.4 ± 0.3 | 2.1 ± 0.8 |
| SSP5-8.5/RCP8.5 | 2015-2100 | 3.6 ± 1.2 | 3.3 ± 1.1 |
Tabela 1. Wskaźniki GMTSL dla lat 1901–1990 i 2015–2100 w scenariuszach emisji w przyszłości SSP2-4.5/RCP4.5 i SSP5-8.5/RCP8.5. Niepewność wskaźnika odchylenia standardowego (2 sigma) jest obliczana przy użyciu metody Monte Carlo opisanej w rozdziale artykułu.
Wzrost poziomu morza analizowany dzięki topnieniu pokryw lądolodów
Międzynarodowe badanie prowadzone przez zespół naukowy Benjamina P. Hortona z Nanyang Technological University w Singapurze (NTU Singapore) wykazało, że globalny średni wzrost poziomu morza może przekroczyć 1 metr w 2100 i 5 metrów w 2300 roku, jeśli globalne cele ustalone na Porozumieniu Paryskim w grudniu 2015 roku w zakresie emisji nie zostaną osiągnięte 2.
Autorzy zwrócili uwagę, że w V Raporcie nie został precyzyjnie przedstawiony wkład we wzrost poziomu morza z powodu niestabilności morskiej pokrywy lodowej (MISI – Marine Ice Sheet Instability), to znaczy nie położono nacisku na prawdopodobieństwo gwałtownej dynamiki pokrywy lodowej Antarktydy podczas dalszego wzrostu temperatury globalnej, a wkład we wzrost poziomu morza z powodu niestabilności morskich klifów lodowych (MICI – Marine Ice Cliffs Instability) w ogóle nie został wzięty pod uwagę.
Rys.2. Przedstawienie niestabilności morskiego lądolodu (a) i niestabilności morskiego klifu lodowego (b).
W (a) przerzedzenie przyporowego szelfu lodowego prowadzi do przyspieszenia przepływu lądolodu i przerzedzenia obrzeża lodowego zakończonego morskim podłożem. Podłoże skalne pod pokrywą lodową opada w kierunku jej wnętrza, co oznacza, że przerzedzenie lodu powoduje cofanie się linii gruntowania i zwiększenie przepływu lodu w kierunku morza, dalsze rozcieńczenie obrzeża lodu i dalsze cofanie się linii gruntowania.
W (b) rozpad lodowca szelfowego z powodu topnienia dna i/lub szczelinowania wodnego wytwarza klif lodowy. Jeśli klif jest wystarczająco wysoki, naprężenia przy ścianie klifu przekraczają wytrzymałość lodu, a klif zawodzi strukturalnie w powtarzających się przypadkach cielenia się lodowca. Źródło: IPCC: Rysunek CB8.1 (pdf) w Carbon Brief 3.
Według „Specjalnego raportu IPCC na temat oceanów i kriosfery w zmieniającym się klimacie” [SROCC – „Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate”], opracowanego we wreśniu 2019 roku przez Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu (IPCC), topnienie lodu na lądzie spowodowało połowę wzrostu poziomu morza od 1993 r.
Rys.3. Szeregi czasowe globalnych anomalii średniej rocznej temperatury powietrza na powierzchni (w odniesieniu do lat 1986-2005) z eksperymentów CMIP5 opartych na koncentracji, zmodyfikowanych na podstawie IPCC AR5.
Prognozy temperatury odpowiadają dolnemu (RCP 2.6; niebieski kolor) i górnemu (RCP 8.5; czerwony kolor) scenariuszowi gazów cieplarnianych zawartemu w Reprezentatywnych Ścieżkach Stężenia (RCP) i ich rozszerzeniu do 2300. Projekcje dla każdego RCP pokazują średnią z wielu modeli ( linie ciągłe) oraz zakres 5–95 % w rozkładzie poszczególnych modeli (cieniowanie). Nieciągłości w 2100 są spowodowane różną liczbą modeli, które wykonują rozszerzenia poza XXI wiek (i nie mają fizycznego znaczenia).
Badanie na temat wzrostu poziomu morza do końca XXI i do końca XXIII wieku było przeprowadzone przez naukowców w 2015 roku. Zespół Hortona zauważył, że prognozy do 2100 roku mniej więcej są podobne w niniejszej pracy do tej sprzed 5 lat, ale już prognozy do 2300 roku mają wydłużone ogony na wykresach. Naukowcy w swojej pracy napisali:
W ramach Reprezentatywnej Ścieżki Koncentracji (RCP – Representative Concentration Pathways) RCP2.6, 106 ekspertów przewidywało (średnie prawdopodobieństwo 66%) wzrost GMSL (Global Mean Sea Level – Globalny Średni Poziom Morza) o 0,30–0,65 metrów do 2100 r. i o 0,54–2,15 metrów do 2300 r. w stosunku do lat 1986–2005. W ramach RCP8.5 ci sami eksperci przewidywali prawdopodobny wzrost GMSL o 0,63–1,32 m do 2100 i 1,67–5,61 m do 2300 roku.
Ogólnie topnienie pokryw lodowych Grenlandii i Antarktydy ma coraz wyraźniejszy wpływ w podnoszenie się poziomu wód oceanów i mórz na całym świecie. Ostatnie wyniki badań już będą szeroko nawiązywać do VI Raportu IPCC i najnowszych modeli klimatycznych CMIP6 (Coupled Model Intercomparison Project – Projekt Porównywania Modeli Sprzężonych).
—-
W ramach CMIP6 badając wkład pokryw lodowych wspomnianych lądolodów w coraz szybszy wzrost poziomu morza, jednocześnie powstały w 2020 roku dwie ważne prace: pod kierownictwem Heiko Goelzera z NORCE Norweskiego Centrum Badawczego, Centrum Badań Klimatu w Bjerknes oraz pod kierownictwem Hélène Seroussi z Laboratorium napędów odrzutowych, Kalifornijskiego Instytutu Technologii w Pasadenie w USA 4,5.
W obu podobnych pracach, na podstawie najnowszej generacji wielu modeli z projektu porównywania modeli pokryw lodowych (ISMIP6 – Ice Sheet Model Intercomparison Project) oszacowano łącznie prawdopodobny wynik uśredniony wkładu we wzrost poziomu morza o około 38-40 cm pod koniec 2100 roku. Symulacje komputerowe zostały przeprowadzone mając na względzie prognozy w okresie lat 2015- 2100.
Fot.2. Szelfy lodowe na Antarktydzie, takie jak Getz, są wrażliwe na ocieplenie się temperatury oceanu. Warunki oceaniczne i atmosferyczne to niektóre z czynników powodujących utratę pokrywy lodowej, które naukowcy rozważyli w nowym badaniu szacującym dodatkowy globalny wzrost poziomu morza do 2100 roku.
Zdjęcie: Jeremy Harbeck/NASA
Badania przeprowadzono na podstawie 14 modeli ISMIP6 dla najłagodniejszego scenariusza emisji RCP 2.6 i dla najgorszego RCP 8.5. Wykazały one, że utrata masy pokryw lodowych na Ziemi do 2100 roku będzie miała wkład we wzrost poziomu morza następujący:
Dla Grenlandii:
- Dla scenariusza RCP 2.6 – 1,5-5 cm
- Dla scenariusza RCP 8.5 – 4-14 cm
Dla Antarktydy:
- Dla scenariusza RCP 2.6 – 0-3 cm
- Dla scenariusza RCP 8.5 – 30 cm
Oszacowanie dokładnych prognoz na 2100 rok dla Antarktydy, zwłaszcza jego wschodniej części, jest bardzo trudne ze względu na prawdopodobieństwo w wielu regionach występowania większej liczby opadów śniegu (akumulacja) niż jego topnienia i utraty masy lodowej (ablacja). Z kolei oszacowanie zachodniej części jest niepewne ze względu na wspomniane MISI (niestabilność morskiej pokrywy lodowej) i MICI (niestabilność morskich klifów lodowych). Im będzie wyższy wzrost temperatury globalnej, tym bardziej prawdopodobne są te procesy destabilizacji pokryw lodowych Antarktydy.
—-
Wzrost poziomu morza analizowany dzięki topnieniu lodowców górskich
Ważną kwestią w omawianiu wzrostu poziomu morza jest też dość znaczny wkład topnienia lodowców górskich.
Zespół Naukowy Romaina Hugonetta z Laboratorium Hydrauliki, Hydrologii i Glacjologii (VAW) w ETH w Zürichu, w Szwajcarii, przedstawia obraz utraty masy lodowców górskich już od co najmniej połowy XX wieku 6.
Jest to pierwsze badanie, które obejmuje wszystkie lodowce na świecie – łącznie około 220 000 – z wyłączeniem pokryw lodowych Grenlandii i Antarktyki. Przestrzenna i czasowa rozdzielczość badania jest bezprecedensowa i pokazuje, jak szybko lodowce traciły grubość i masę w ciągu ostatnich dwóch dekad.
W latach 2000-2019 lodowce górskie w ciągu roku średnio traciły 267 gigaton lodu. Roczny wkład we wzrost poziomu morza wynosi 0,76 mm – 21%. Jedynie rozszerzalność termiczna wynosi nadal około 50%.
Autorzy pracy na podstawie obserwacji satelitarnych zwracają uwagę, że zmniejszanie się grubości lodu, pod wpływem jego topnienia w górach na Ziemi, powiększyło się prawie dwukrotnie. Z 36 cm w 2000 roku do 69 cm w 2019 roku.
Badanie również wykazało, że we wspomnianym okresie czasu utrata masy lodowców była o 47% wyższa niż w przypadku pokrywy lodowej Grenlandii (GIS – Greenland Ice Sheet) i ponad dwukrotnie większa niż w przypadku pokrywy lodowej Antarktyki (AIS – Antarctica Ice Sheet).
Rys.4. Mapa pokazująca lokalizacje lodowców analizowanych w tym badaniu w kolorze fioletowym. Źródło: (Hugonnet i in. 2021).
- Góry Alaski
- Góry Skaliste, Góry McKenzie i Góry Kaskadowe
- Wyspa Ellesmere’a
- Ziemia Baffina
- Pasma górskie wschodniej i zachodniej Grenlandii
- Góry Islandii
- Góry Svalbardu
- Góry Skandynawskie
- Wyspa Franciszka Józefa. Nowa Ziemia, Ziemia Siewiernaja
- Ałtaj, Sajany, Góry Wierchojańskie, Góry Czerskiego, Góry Kołymskie, Kamczatka
- Alpy
- Kaukaz
- Tybet, Kunlun
- Himalaje
- Hindukusz, Karakorum, Pamir, Tien Szan
- Andy Północne blisko Amazonii
- Andy Południowe, w tym Ziemia Ognista
- Alpy Południowe w Nowej Zelandii
- Półwysep Antarktyczny (Carbon Brief) 7
—-
Wzrost poziomu morza analizowany dzięki spływowi wód powierzchniowych i gruntowych
Wzrost poziomu morza występuje również pod wpływem jeszcze jednego interesującego czynnika klimatycznego, mianowicie pod wpływem zmiany bilansu wód gruntowych i powierzchniowych na kontynentach i wyspach.
Sitar Karabil z Instytutu Badań Morskich i Atmosferycznych oraz Katedry Geografii Fizycznej na Wydziale Nauk o Ziemi, na Uniwersytecie w Utrechcie wraz ze swoim zespołem badawczym dokonał ciekawej analizy zmian w magazynowaniu wody na lądzie (LWS – Land Water Storage) 8.
Naukowcy analizując regionalną zmianę poziomu morza przeprowadzili swoje badania jeszcze na podstawie modeli bazowych dla V Raportu IPCC – dla zestawu modeli CMIP5.
Jak wiadomo, zmiany w magazynowaniu wody wynikają zarówno z bezpośredniej działalności człowieka, jak i z powodu zachodzących zmian klimatu. Badając zmiany LWS posłużyli się modelem hydrologicznym i zasobów wodnych PCR-GLOBWB w celu zaprojektowania regionalnych wzorców poziomu morza.
Obliczenia szacunkowe pokazały ogólnie naukowcom, że wkład zmiany magazynowania wody na lądzie w dalszy wzrost poziomu morza wyniesie 10%. A więc, nie jest to mało. Warto też wziąć pod uwagę, że rezygnacja z wielu inwestycji spiętrzania wód w sztucznych zbiornikach wodnych i tamach, również pod naciskiem ochrony bioróżnorodności rzek, wpłynęła również na spływ podziemny i powierzchniowy wód do oceanów i mórz na całym świecie, dlatego został też zaznaczony większy wzrost poziomu morza także z magazynowania wody na lądach (LWS).
Autorzy pracy piszą:
Przewiduje się, że udział LWS w podnoszeniu poziomu morza w regionie będzie znacznie większy niż wynosi średnia globalna w kilku regionach. Również może być on o 60% wyższy niż wynosi ogółem globalna średnia wzrostu poziomu morza wywołanego przez LWS, w tym na wyspach Pacyfiku i południowym wybrzeżu Afryki i zachodnim wybrzeżu Australii.
Rys.5. (A) Przegląd komórki siatki PCR-GLOBWB 2 z Sutanudjaja et al. (2018) . S1, S2 (magazynowanie wilgoci w glebie), S3 (magazynowanie wód gruntowych), Qdr (odpływ powierzchniowy), Qsf (przepływ burzowy), Qbf (przepływ bazowy) i Inf (przenikanie rzekami do wód gruntowych).
(B) Uproszczony szkic przepływów LWS. (Precip) Opady, (Evap) parowanie; (Dsal) odsalanie wody, (SRun) odpływ (Runoff) (na podstawie Sutanudjaja i in., 2018). Strumienie (km3/rok) przedstawione na (B) wskazują średnie wartości w skali światowej w ciągu okresu 2000-2015.