W 2019 roku ukazała się ważna praca naukowa o pomiarach wzrostu zawartości ciepła oceanicznego (OHC – ocean heat content), której głównym autorem był Lijing Cheng, a współautorami byli między innymi: Kevin Trenberth z Narodowego Centrum Badań Atmosferycznych w Boulder, w Kolorado, oraz Michael Mann z Wydziału Meteorologii i Nauk o Atmosferze na Uniwersytecie Stanowym Pensylwanii 1.
W swoim artykule naukowcy przedstawili wykres, na którym wzrost zawartości ciepła w oceanach został zarejestrowany na głębokościach poniżej 2000 m – nawet do dna. I ten przyrost jest dosyć duży. W poprzednich publikacjach, tuż przed i po wydaniu V Raportu IPCC, był nie tylko mniejszy przyrost roczny w zetadżulach (wcześniej opisywany w dżulach x 10 22), ale i też na większej głębokości jeszcze nie był zaznaczony przyrost poniżej dwóch kilometrów. Oceany bardzo szybko ocieplają się na co szczególną uwagę zwracają autorzy pracy. A piszą tak:
Ewolucja OHC pokazuje, że, według Instytutu Fizyki Atmosfery z Chińskiej Akademii Nauk (IAP – Institute of Atmospheric Physics), górne 2000 m OHC w 2019 r. wynosiło 228 ± 9 ZJ (2,28 x 10 22 ± 9 x 10 21 J) powyżej średniej z lat 1981–2010, czyli o 25 ZJ (2,5 x 10 22 J) więcej niż w 2018 r. Natomiast, rekordowe ciepło oceanu znajduje się również w pomiarach Narodowej Administracji Oceaniczno-Atmosferycznej / Narodowego Centrum dla Środowiskowej Informacji (NOAA / NCEI – National Oceanic and Atmospheric Administration / National Center for Environmental Information), pokazujące 217 ± 4 ZJ (2,17 x 10 22 J), także w 2019 r. powyżej średniej z lat 1981-2010, czyli o 21 ZJ (2,1 x 10 22 J) więcej niż w 2018 r. (patrz: tabela)
| Ranga | Rok | IAP | NOAA/NCEI |
| 1 | 2019 | 228 | 217 |
| 2 | 2018 | 203 | 196 |
| 3 | 2017 | 193 | 189 |
| 4 | 2015 | 185 | 180 |
| 5 | 2016 | 180 | 164 |
Tab. Wartości zawartości cieplnej oceanów (OHC) to anomalie (jednostki: ZJ) w stosunku do średniej z lat 1981–2010.
—
Rys.1. Wykres zmian globalnej zawartości ciepła w oceanach w górnych 2000 metrów oceanu, przedstawiający średnią miesięczną w ujęciu rocznym w porównaniu ze średnią roczną w latach 1955–2019. (NOAA/NCEI i IAP).
—
Należy też być ostrożnym w pomiarach OHC, gdyż w postaci szumu często występują naturalne zmienności klimatyczne, takie jak np.: oscylacje oceaniczne ENSO (chłodna La Niña vs ciepłe El Niño), które zakłócają sygnał oznaczający antropogeniczny wzrost ocieplenia oceanów. Mogą też pojawić się błędy w pomiarach instrumentalnych, dlatego też ważną kwestią w poprawnych obliczeniach jest dłuższy przedział czasowy, czyli długotrwały trend ocieplania się oceanów. Metodą mniejszych kwadratów obliczono dwa trendy czasowe:
a) okres czasowy 1955-1986
b) okres czasowy 1987-2019
Po raz pierwszy budżet cieplny został przedstawiony poniżej głębokości 2000 m aż do dna. Na poniższym wykresie widać podział zawartości ciepła na czterech poziomach głębokości:
a) od powierzchni do 300 m
b) od 300 do 700 m
c) od 700 do 2000 m
d) od 2000 m do dna oceanów
—
Rys.2. Budżet ciepła oceanu, od 1960 do 2019, zrealizowany na podstawie danych z analizy IAP od 0 do 2000 m (Purkey i Johnson, 2010), dla zmian głębin oceanicznych poniżej 2000 m (jednostki: ZJ). Jest to zaktualizowany rysunek ze starszego artykułu (Cheng i inni, 2017). Szare przerywane linie to 95% przedział ufności całkowitego budżetu ciepła oceanu (Lijing Cheng i inni, 2020).
—
Naukowcy dokładnie przeanalizowali zawartość cieplną oceanów (OHC). Po dokładnym oszacowaniu stwierdzili (tak jak widać to na wykresie):
Nowe wyniki wskazują na całkowite głębinowe ocieplenie oceanów o 370 ± 81 ZJ (równe ogrzewaniu netto 0,38 ± 0,08 W m –2 na powierzchni globu) w latach 1960-2019, przy udziale 41,0%, 21,5%, 28,6% i 8,9% odpowiednio dla warstw 0–300 m, 300–700 m, 700–2000 m i poniżej 2000 m.
Metody badawcze były identyczne jak w poprzedniej omawianej pracy Chenga i jego zespołu.
Jeszcze warte odnotowania jest to, że Cheng i jego współpracownicy zauważyli, że Atlantyk i Ocean Południowy, zwłaszcza wokół Antarktycznego Prądu Okołobiegunowego na południowej szerokości geograficznej 40–60 ° S , ocieplają się najszybciej na Ziemi. W szczególności Ocean Południowy w obszarze polarnym na południe od 30 ° S , w latach 1970-2017, przyczynił się do wzrostu globalnego OHC aż o 35–43% na głębokości 0-2000 metrów.
Tak stwierdził Michael Meredith z Brytyjskich Badań Antarktyki (BAS – British Antarctic Survey), jeden z czołowych autorów IPCC, który wziął udział w przygotowaniu Specjalnego raportu na temat oceanu i kriosfery w zmieniającym się klimacie (Special Report on The Ocean and Cryosphere in a Changing Climate) we wrześniu 2019 r 2.
—-
Dzięki systematycznemu badaniu energii cieplnej z automatycznych pływaków, między innymi w systemie Argo oraz z wcześniej używanych batytermografów, naukowcom w XXI wieku udało się coraz lepiej oszacować ocieplenie oceanów.
W ostatnich czasach systemy obserwacji oceanów zostały mocno ulepszone. Dowodzi tego zespołowa praca fizyka z Uniwersytetu w Tuluzie, Benoita Meyssignaca 3.
Kluczowe techniki pomiarowe to:
a) bezpośrednie obserwacje temperatury in situ
b) satelitarne pomiary strumieni ciepła netto na powierzchni oceanu
c) satelitarne oszacowania rozszerzalności cieplnej oceanu
d) ponowne analizy oceanów, które uwzględniają obserwacje z instrumentów satelitarnych i in situ
Autorzy pracy napisali:
Precyzyjne monitorowanie nierównowagi energetycznej Ziemi (EEI – Earth’s Energy Imbalance) ma kluczowe znaczenie dla oceny obecnego stanu zmian klimatu i przyszłej ewolucji klimatu. Jednak monitorowanie EEI jest trudne, ponieważ jest ono o dwa rzędy wielkości mniejsze niż strumieni promieniowania przychodzącego do systemu Ziemi i wychodzącego z niego. Ponad 93% nadwyżki energii pozyskiwanej przez Ziemię w odpowiedzi na dodatnią EEI gromadzi się w oceanie w postaci ciepła. Ta akumulacja ciepła może być śledzona za pomocą systemu obserwacji oceanów, tak że obecnie monitorowanie zawartości ciepła oceanu (OHC) i jego długoterminowej zmiany zapewnia najbardziej efektywne podejście do szacowania wskaźnika EEI.
—
Rys.3. Schematyczne przedstawienie ewolucji systemów obserwacyjnych in situ i teledetekcyjnych do oceny globalnej zawartości ciepła w oceanach. Zacieniony obszar wskazuje tak zwany „złoty okres” pomiarów systemu Ziemi w celu oszacowania globalnej zawartości ciepła w oceanach, który rozpoczyna się około 2005 roku i charakteryzuje się początkowo rzadkim, ale stale poprawiającym się globalnym zasięgiem pomiarów temperatury in situ za pośrednictwem programu Argo (Benoit Meyssignac i inni, 2019).
—
Przed II wojną światową pomiary temperatury oceanu in situ były przeprowadzane na wysokich szerokościach geograficznych półkuli północnej, na statkach u wybrzeży z mniejszych głębokości, za pomocą wiadra (John Abraham i inni, 2013). A w czasach przedsatelitarnych, próbki temperatury oceanu były już pobierane na większych głębokościach za pomocą batytermografów, odpowiednio, w latach 60 do głębokości 300 metrów, a w latach 70 do głębokości 700 metrów. Ale już często z dala od wybrzeży i już coraz częściej na polarnych i tropikalnych wodach. Były one jednak najczęstsze na półkuli północnej (John M. Lyman i Gregory C. Johnson, 2008 ; John M. Lyman i Gregory C. Johnson, 2014 , Rebecca Cowley i inni, 2013 ; M. Rhein i inni, 2013 ; Tim Boyer i inni, 2016 ; Lijing Cheng i inni, 2016a).
W czasach satelitarnych, rozpoczętych od lat 90, a ściślej od 1993 roku, gdy użyto metod altymetrycznych w technikach teledetekcji, pomiary oceanów in situ były przeprowadzane za pomocą platform autonomicznych, nowoczesnych systemów komputerowych na statkach. W tym okresie czasu zostały wdrożone modele numeryczne polegające na asymilacji danych obserwacyjnych in situ z danymi satelitarnymi, po to by zapewnić czterowymiarowy obraz oceanu (Magdalena Alonso Balmaseda i inni, 2013 ; Matthew D. Palmer i inni, 2017 ; Karina von Schuckmann i inni, 2018 ; Andrea Storto i inni, 2019).
Od końca XX wieku, a właściwie już od początku XXI wieku, wchodzi złoty okres pomiarów za pomocą wyprofilowanych pływaków i robotów wodnych, min. w sieci Argo, dzięki czemu można mierzyć już temperaturę, zasolenie i energię cieplną oceanów, a ściślej zawartość cieplną oceanu (OHC), na głębokości zarówno do 700 metrów, jak i w późniejszych latach, do 2000 metrów (N. G. Loeb i inni, 2012 ; W. Llovel i inni, 2014 ; Kevin Trenberth i John Fasullo, 2016 ; Karina von Schuckmann i inni, 2016 ; Don P. Chambers i inni, 2017 ; H. B. Dieng i inni, 2017).
—
Referencje:
- Cheng L. et al., 2019 ; Record-Setting Ocean Warmth Continued in 2019 ; Advances in Atmospheric Sciences ; https://www.researchgate.net/publication/338568129_Record-Setting_Ocean_Warmth_Continued_in_2019
- Meredith M. et al., 2019 ; Polar Regions ; IPCC: Special Report on The Ocean and Cryosphere in a Changing Climate ; https://www.ipcc.ch/srocc/
- Meyssignac B. et al., 2019 ; Measuring Global Ocean Heat Content to Estimate the Earth Energy Imbalance ; Ocean Observation ; https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2019.00432/full