Ocieplenie oceanów i ich dążenie do stabilizacji wpływa na zmniejszanie się gęstości wód, a to z kolei hamuje mieszanie pionowe wód i z głębin na powierzchnię dostaje się coraz mniej składników odżywczych, niezbędnych dla ryb i wielu bezkręgowców zależnych od tlenu w wodzie, który z kolei podczas powstawania stratyfikacji coraz słabiej z powierzchni trafia w głębiny wód.
Zmniejszona dostawa z natlenionych głębin składników pokarmowych dla planktonu i mniejszych ryb, ma wpływ na redukcję ich populacji, a to ma też ujemny wpływ na uszczuplanie się bazy pokarmowej dla większych ryb oraz dla ptaków i ssaków morskich, wprawdzie oddychających powietrzem atmosferycznym, ale uzależnionych pokarmowo od środowiska wodnego.
Ponadto niestabilna atmosfera coraz mniej dostarcza dwutlenku węgla niezbędnego do oddychania dla fitoplanktonu, a także dla zjadającego go zooplanktonu, również zjadanego przez mniejsze ryby, które z kolei są zjadane przez większe oraz przez ptaki i ssaki morskie.
—
Fot. Ocieplenie powierzchni oceanów zmniejszy ilość tlenu w górnych warstwach oceanów i zmniejszy bioproduktywność, wpływając na źródło pożywienia dla delfinów i innych, które są zależne od ilości ryb w środowisku morskim.
—
Cząsteczki CO2 opadają na dno oceanów w ciałach martwych organizmów planktonowych, wspomnianych ryb, ptaków i ssaków morskich, w tym wielkich waleni, i tam są odkładane w skałach osadowych takich jak, węglany i krzemiany. Czyli, droga tych molekuł, polega na usuwaniu się z szybkiego cyklu węglowego (powierzchnia lądowa + ocean + atmosfera) do wolnego cyklu węglowego (skały w skorupie ziemskiej), już w płaszczu Ziemi, gdzie ulegają różnorodnym procesom metamorfizacji przez długie setki tysięcy lat, by poprzez kominy wulkaniczne, zarówno pod wodą w oceanach, jak i na lądach, trafić z powrotem do atmosfery.
Naukowcy zaczynają zauważać, że ten mechanizm obiegu węgla, jak i natlenienia wszystkich warstw oceanicznych, coraz bardziej spowalnia w miarę ocieplania się i stratyfikacji wód oceanicznych.
Michael Mann, wybitny profesor nauk o atmosferze i dyrektor Centrum Nauk Systemu Ziemi (Earth System Science Center) na Uniwersytecie w Penn State, dla Science Daily powiedział 1:
Ten sam proces, globalne ocieplenie, sprawia, że atmosfera jest mniej stabilna, a oceany bardziej stabilne. Woda w pobliżu powierzchni oceanu nagrzewa się szybciej niż woda poniżej. To sprawia, że oceany stają się bardziej niestabilne.
Również, gdy lód topnieje z pokryw lodowych, woda słodka z nich trafia do oceanu i powstaje tak samo stratyfikacja, gdyż ma ona mniejszą gęstość niż słona.
Ponadto dla tego samego serwisu Michael Mann stwierdził:
Zdolność oceanów do pochłaniania ciepła z atmosfery i łagodzenia globalnego ocieplenia jest trudniejsza, gdy ocean staje się bardziej uwarstwiony i mniej się miesza. Mniejsze mieszanie się w dół ocieplających się wód oznacza, że powierzchnia oceanu nagrzewa się jeszcze szybciej, prowadząc na przykład do silniejszych huraganów. Globalne modele klimatyczne nie doceniają tych trendów
—
Geofizyk Toshio Suga z Uniwersytetu Tohoku we współpracy z fizykiem klimatycznym Ryohei Yamaguchi z koreańskiego Narodowego Uniwersytetu Pusan, zbadali, jak zmieniło się rozwarstwienie górnych warstw oceanu na przestrzeni 60 lat 2.
Stratyfikacja oceanu cechuje się zróżnicowanym uwarstwieniem pod względem gęstości, co najmniej do głębokości 200 metrów. Im większa jest głębokość oceanu, tym większa jest też gęstość wód w dolnych warstwach. Jak ciasno upakowana jest woda w danej objętości warstwy również zależy od jej temperatury i zasolenia. Im większa jest ta głębokość, tym temperatura jest chłodniejsza i jest wyższe zasolenie. Niestety w górnej powierzchni oceanu panuje zbyt wysoka temperatura i występuje zbyt małe zasolenie w mniej gęstej wodzie, która nie miesza się tak łatwo z dolnymi warstwami. Następuje wówczas niekorzystne dla różnorodności biologicznej rozwarstwienie oceanu.
Rys. Rozwarstwienie górnych oceanów wzmacnia się w dużej części globalnego oceanu od lat 60. XX wieku.
—
Gęstość wody oceanicznej odgrywa kluczową rolę w przepływie prądów oceanicznych, obiegu ciepła oraz w dostarczaniu składników odżywczych z głębinowych wód na powierzchnię. Jednak spadek jej powoduje izolację pomiędzy chłodnymi, bogatymi w składniki pokarmowe, wodami głębinowymi a ciepłymi, pozbawionymi tych składników, wodami powierzchniowymi. Ten proceder prowadzi do tego, że żyjące na powierzchni oceanicznej fotosyntetyzujące organizmy fitoplanktonowe nie otrzymują niezbędnych do przeżycia składników pokarmowych z głębin. A to z kolei oddziałuje na pozostały morski łańcuch pokarmowy, wpływając też na organizmy planktonowe w formie drobnych bezkręgowców oraz na większe organizmy zwierzęce, o których była mowa wcześniej.
Suga i Yamaguchi dane dotyczące temperatury i zasolenia zebrali z Bazy Danych Światowych Oceanów (WOD – World Ocean Database). Ponadto wykorzystali równania matematyczne do obliczenia różnicy temperatury i zawartości zasolenia między głębokością 10 a 200 metrów, ale tylko w regionach, w których te dane były dostępne. Podczas swoich badań zaobserwowali, że w górnej części wód 40% światowych oceanów została zaobserwowana postępująca stratyfikacja wraz ze zmniejszaniem się ich gęstości.
Połowa globalnej stratyfikacji wód oceanicznych występuje w obszarach tropikalnych. Na średnich i wysokich szerokościach na półkuli północnej najsilniej występowała ona w okresie letnim, a najsłabiej w zimowym. Ponadto wpływ na uwarstwienie górnej części oceanu mają też dodatnia fazy dekadowej oscylacji pacyficznej oraz oscylacji południowopacyficznej El Niño 3.
—
Guancheng Li z Chińskiej Akademii Nauk w Pekinie we współpracy chińsko-amerykańskiej wraz ze swoimi współpracownikami, zaobserwował w swojej pracy naukowej, że postępujący wzrost temperatury w oceanach pogłębia tworzenie się stratyfikacji polegającej na tym, że przy powierzchni tworzą się wody o mniejszej gęstości (pyknoklina), ale im głębiej się zanurzamy, ich gęstość wzrasta. Ma to swoje ujemne oddziaływania w powodowaniu zaburzeń cyrkulacji oceanów, czyli turbulencji na większych głębokościach, w tym też w zmniejszaniu się w obrębie słupa wody transportu ciepła, węgla, tlenu i innych składników odżywczych jak fosfor i azot w głębiny i ku powierzchni 4.
Michael Mann i Lijing Cheng, współautorzy powyższego badania, zauważają również, że od 1960 do 2018 roku (całego okresu badań) znacznie więcej ciepła zgromadziło się w górnej granicy oceanu do głębokości około 180 metrów niż poniżej. Stwierdzają następujący fakt:
Jeśli powierzchnia oceanu nagrzewa się szybciej i mniej węgla jest przenoszone w głąb, procesy te, wraz z innymi sprzężeniami zwrotnymi klimatycznymi, mogą doprowadzić do potrojenia atmosferycznego CO2, a średnia temperatura na świecie może wzrosnąć o 8 stopni Fahrenheita (4,4 stopnia Celsjusza) do 2100 roku.
Dalej naukowcy zauważają, że będziemy mieli do czynienia z wieloma dodatnimi sprzężeniami zwrotnymi. Kumulujący się dwutlenek węgla w wypłycającej się i coraz cieplejszej warstwie oceanu dziś powoduje zakwaszenie, ale dalszy wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi przyczyni się do tego, że największe akweny na świecie zamiast pochłaniać ten gaz, będą wydzielać go do atmosfery, jeszcze silniej ją podgrzewając.
Marcin Popkiewicz w swoim artykule pisze na portalu naukowym Nauka o klimacie 5:
Rozbudowa sieci pomiarowych (patrz Program ARGO sięga głęboko) umożliwiła uzyskanie dobrych danych dotyczących zmian temperatury i zasolenia w oceanach do głębokości 2000 m. Praca, opublikowana ostatnio w czasopiśmie Nature Climate Change Li in., 2020 [pełna wersja] pt. Wzrost stratyfikacji oceanów w ostatnim półwieczu (Increasing ocean stratification over the past half-century) pokazuje, że w latach 1960-2018 stratyfikacja oceanów (mierzona tym razem współczynnikiem kwadratu częstotliwości oscylacji cząstki płynu odchylonej od stanu równowagi N2 , (patrz ramka pod rysunkiem 1) wzrosła o 5,3%.
Bob Berwyn w serwisie naukowym Inside Climate News pisze, że Stefan Rahmstorf z Poczdamskiego Instytutu nad Wpływem Klimatu, który nie wziął udziału w tym badaniu. stwierdził, że pogłębiająca się stratyfikacja również redukuje mocno transport tlenu w głębiny, co często powoduje w nich powstawanie stref beztlenowych, bardzo groźnych dla pelagicznych i bentonicznych organizmów wodnych. Jego zdaniem też zaburza to rozkład wymiany zimnych i ciepłych wód pomiędzy Oceanem Arktycznym a Oceanem Południowym. Oddziałuje to też ujemnie na przepływ Prądu Zatokowego w obrębie atlantyckiej południkowej cyrkulacji wymiennej (AMOC – Atlantic Meridional Overturning Circulation), co z kolei już ma wpływ na wzmocnienie energii cieplnej w północnym Atlantyku u wybrzeży Nowej Anglii prowadzące do zwiększenia fal sztormowych i nawet zmianę kierunku huraganów tropikalnych (np. Sandy w 2012 r.), które mogą obierać swój kurs daleko na północne szerokości, na wschodnie wybrzeża Stanów Zjednoczonych. Ocieplenie w tamtym rejonie wód powoduje też jeden z największych wzrostów poziomu morza 6.
Berwyn dalej pisze, że Michael Mann zauważył też, że w miarę dalszego ocieplania się klimatu, zwiększy się częstość i intensywność ogrzewających atmosferę oscylacji oceanicznych El Niño w stosunku do chłodzących La Niña. Czyli, gdy będzie cały czas wzrastała temperatura na Ziemi, to może nastąpić punkt krytyczny w systemie klimatycznym, w którym będziemy mieli do czynienia wręcz ze stanem nieustannego, permanentnego El Niño.
Z kolei – pisze dziennikarz Inisde Climate News – Kevin Tenberth z Narodowego Centrum Badań Atmosferycznych (NCAR – National Center Atmospheric Research), również współautor badania, dodał jeszcze, że zaburzane pionowe ruchy w oceanach doprowadzą w coraz cieplejszym świecie do tego, że zmniejszy się ilość składników odżywczych dostarczanych z głębin ku powierzchni, co źle wpłynie na zooplankton, ryby i ssaki. Naukowiec zauważył:
Substancje odżywcze z dna oceanu muszą łączyć się ze światłem słonecznym w górnych warstwach, aby uzyskać wysoką produktywność, ale coraz bardziej zestratyfikowane warstwy mogą ograniczać wzrost tych składników.
Obecnie wszystkie oceany na świecie pochłaniają z atmosfery około ¼ dwutlenku węgla, jednak dalsze ich ocieplanie się i stratyfikacja wpłynie na zmniejszanie się tej ilości.
Wspomniany naukowiec powiedział, że kumulowanie się ciepła w górnej warstwie oceanów, do głębokości 90-120 metrów, sprzyja gromadzeniu się nad nimi ogromnej zawartości pary wodnej, czyli energii cieplnej zmienianej w energię kinetyczną oceanu. W sumie, wzburzony ocean wyrzuca zimniejszą wodę, co wzmacnia energię potencjalną oceanu, a więc siłę oddziaływania burz. Stwierdził następujący fakt:
W dzisiejszych czasach „ta zimna woda jest cieplejsza niż kiedyś”, co umożliwia burzom formowanie się i utrzymywanie większej intensywności. Dlatego huragany są większe, trwalsze i bardziej intensywne niż wcześniej.
Oceany gdy są znacznie cieplejsze, więcej parują, a więc, więcej pary wodnej trafia do atmosfery silniej ją podgrzewając.
Im więcej energii cieplnej w atmosferze, tym cieplejsze powierzchniowe warstwy oceanów, a to przekłada się na gromadzenie większej ilości pary wodnej, która skraplając się przynosi z sobą często zbyt gwałtowne opady deszczu oraz powodzie w obszarach już silnie wilgotnych.
—
Referencje:
- Penn State, 2020 ; Increasing stability decreases ocean productivity, reduces carbon burial; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2020/09/200928125106.htm
- Yamaguchi R. & Suga T., 2019 ; Trend and Variability in Global Upper-Ocean Stratification Since the 1960s ; JGR Oceans ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2019JC015439
- Tohoku University ; Understanding Long-Term Trends in Ocean Layering ; Phys.Org ; https://phys.org/news/2020-01-long-term-trends-ocean-layering.html
- Li G. et al., 2020 ; Increasing ocean stratification over the past half-century ; Nature Climate Change ; http://www.meteo.psu.edu/holocene/public_html/Mann/articles/articles/ChengEtAl_NatureClimate20.pdf
- Popkiewicz M., 2020 ; Coraz większe rozwarstwienie w oceanie ; Nauka o klimacie ; https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/coraz-wieksze-rozwarstwienie-w-oceanie-446/
- Berwyn B., 2020 ; New Study Shows a Vicious Circle of Climate Change Building on Thickening Layers of Warm Ocean Water ; Inside Climate News ; https://insideclimatenews.org/news/28092020/ocean-stratification-climate-change/