Od lat 60 XX wieku przybywa coraz więcej energii cieplnej w oceanach, które od tamtej pory zaczęły się dość szybko i gwałtownie nagrzewać, pomimo, że te największe zbiorniki wodne na Ziemi i tak znacznie wolniej nagrzewają się niż atmosfera naszej planety. System klimatyczny Ziemi jest jednak bezwładny i nawet gdy zatrzymają się emisji gazów cieplarnianych do atmosfery, po ustabilizowaniu temperatury globalnej w atmosferze co najmniej do końca wieku, to i tak nie pomoże już to ustabilizować w tym samym czasie ocieplania się oceanów. Główną przyczyną jest ogromna pojemność cieplna i wspomniana bezwładność cieplna.
W swojej naukowej pracy Sydney Levitus i jego zespół naukowy zaobserwowali, że w badanym okresie 1955-2010 oceany ociepliły się aż o 93% 1.
Autorzy na wstępie swojej pracy napisali:
Warstwa oceaniczna o głebokości 700-2000 m odpowiada za około jedną trzecią ocieplenia warstwy 0-2000 m Oceanu Światowego. Komponent termosteryczny trendu poziomu morza wynosi 0,54 ± 0,05 mm rok -1 dla warstwy 0–2000 m oraz 0,41 ± 0,04 mm rok -1 dla warstwy 0–700 m Oceanu Światowego w latach 1955–2010.
Korzystając ze Światowej Bazy Danych Oceanu (WOD – World Ocean Datebase), naukowcy za pomocą batytermografów oraz wyprofilowanych pływaków w sieci Argo, maksymalnie do głębokości 1750 metrów, dokonali pomiarów zawartości cieplnej w oceanach.
W badanym okresie 1955-2006, naukowcy obliczyli w każdym punkcie siatki, zarówno zawartość ciepła oceanu (OHC – Ocean Heat Content), jak i ciepło właściwe wody, jej gęstość, za pomocą średnich rocznych wartości klimatycznych temperatury i zasolenia (Locarnini i inni, 2010) (Antonov i inni, 2010). Następnie wykonali dokładne obliczenia średnich miesięcznych klimatycznych w każdym punkcie siatki.
W badaniach wcześniejszych wykorzystano zbiorcze średnie wyniki z siedemnastu klasycznych atmosferyczno-oceanicznych modeli ogólnej cyrkulacji (AOGCM – Atmosphere-Ocean General Circulation Model), które zostały wymuszone wzrostem emisji gazów cieplarnianych w atmosferze z projektu porównywania sprzężonych modeli w fazie 3 (CMIP3 – Third Coupled Model Intercomparison Project Phase 3) w celu wsparcia IV Raportu Oceny IPCC z 2007 r.
Warstwa 700–2000 m odpowiada za około 1/3 całkowitego ocieplenia warstwy 0–2000 m.
—
Rys.1. Szeregi czasowe dla zawartości ciepła Oceanu Światowego w dżulach (10 22 J) dla warstw 0–2000 m (czerwona linia) i 700–2000 m (czarna linia) na podstawie bieżących analiz pięcioletnich. Okres odniesienia to lata 1955-2006.
Niebieski wykres słupkowy na dole przedstawia, od co najmniej 1957 roku, procentowe pokrycie zawartości ciepła oceanu dla głębokości 700 m w badanym okresie czasu w skali globalnej. Linia niebieska zamieszczona na wykresie słupkowym pokazuje to samo dla głębokości 2000 m.
(Sydney Levitus i inni, 2012)
—
Naukowcy ogólnie oszacowali, że w badanym okresie czasu ocieplił się prawie każdy basen oceaniczny. Ocieplenie to postępowało pomimo występowania zmiennych klimatycznych, ochładzających fluktuacyjnie światowy ocean w ciągu lat lub dekad, jak oscylacja południowopacyficzna El Niño (La Niña) (ENSO – El Niño (La Niña) Southern Oscillation), dekadowa oscylacja pacyficzna (PDO – Pacific Decadal Oscillation), oscylacja północnoatlantycka (NAO – Northern Atlantic Oscillation).
Naukowcy generalnie stwierdzili, że w badanym okresie czasu 1955-2010 w Oceanie Światowym przy średnim objętościowym ociepleniu wynoszącym 0,09°C na głębokości 0–2000 m, OHC, czyli zawartość ciepła oceanu wyniosła 24 × 1022 J.
Na koniec, naukowcy stwierdzili kontrowersyjnie:
Gdyby to ciepło zostało natychmiast przeniesione do niższej warstwy globalnej atmosfery na wysokość 10 km, to spowodowałoby to średnie ocieplenie tej warstwy atmosferycznej o około 36°C (65°F).
To przeniesienie oczywiście nie nastąpi; ziemski system klimatyczny po prostu nie działa w ten sposób. Ale to obliczenie daje perspektywę na ilość ogrzewania, jakie przeszedł system ziemski od 1955 roku.
—-
Praca zespołowa, Lijinga Chenga z Międzynarodowego Centrum Nauk o Klimatu i Środowisku oraz Instytutu Fizyki Atmosfery w Chińskiej Akademii Nauk w Pekinie, pokazuje wyraźnie, że pomiary zawartości ciepła w oceanie (OHC – Ocean Heat Content) i wzrostu poziomu morza (SLR – Sea Level Rise) są skuteczniejsze niż pomiar średniej globalnej temperatury powierzchni (GMST – Global Mean Surface Temperature) 2.
Podczas pomiarów sygnał trendu ocieplenia z szumu zaburzających go zmienności klimatycznych, np. oscylacji południowopacyficznej El Niño (ENSO – El Niño-Southern Oscillation), można wykryć szybko. OHC w ciągu 3,9 lat, a SLR w ciągu 4,6 lat. Natomiast dla GMST potrzeba aż 27 lat.
W każdym razie nie jest dobrze. Oceany nagrzewają się i podnosi się ich poziom coraz szybciej, choć mimo wszystko znacznie wolniej niż atmosfera, ale tylko dlatego, że mają ogromną bezwładność i pojemność cieplną.
Autorzy piszą w pracy:
Na podstawie zrekonstruowanych pól temperatury i związanych z nimi słupków błędu, miesięczne zmiany OHC w zakresie od 0 do 700 i od 700 do 2000 m wykazują znaczne ocieplenie w ciągu ostatnich 56 lat. Silniejsza tendencja do ocieplania się oceanów istnieje od późnych lat 80 na głębokości od 0 do 700 i od 700 do 2000 m, w porównaniu z latami 60 i 80 XX wieku.
Naukowcy analizując zawartość cieplną oceanów (OHC) w badanym okresie 1960-2015 osiągnęli następujące wyniki obliczając energię cieplną w dżulach (Joule – J) i strumień promieniowania podczerwonego w watach na metr kwadratowy (W/m2):
Liniowy trend OHC na głębokości od 0 do 700 m wynosił:
a) 0,15 ± 0,08 × 1022 J/rok (strumień energii: 0,09 ± 0,05 W/m2) w latach 1960–1991
b) 0,61 ± 0,04 × 1022 J/rok (strumień energii: 0,38 ± 0,03 W/m2) w latach 1992–2015.
Można wyciągnąć z tego wniosek, że trend ocieplenia oceanów na głębokości od powierzchni do 700 m, z lat 1992-2015 był czterokrotnie silniejszy niż w latach 1960–1991.
Liniowy trend OHC na głębokości od 700 do 2000 m wynosił:
a) 0,04 ± 0,08 × 1022 J/rok (strumień energii: 0,02 ± 0,05 W/m2) w latach 1960–1991
b) 0,37 ± 0,02 × 1022 J/rok (strumień energii: 0,23 ± 0,02 W/m2) w latach 1992–2015.
A tutaj z kolei na głębokości od 700 do 2000 m jest zaznaczony jeszcze większy wzrost, bo aż dziewięciokrotnie silniejszy w latach 1992-2015 niż w latach 1960–1991.
—
Rys.2. Globalne szeregi czasowe zmian OHC.
( A ) Wzrost zawartości ciepła (OHC) na głębokości od 0 do 700 m (niebieski kolor), od 700 do 2000 m (czerwony kolor) i od 0 do 2000 m (ciemnoszary kolor) od 1955 do 2015, jak uzyskano w tym badaniu, z niepewnością przedziału w standradowym odchyleniu ± 2σ pokazaną na zacienieniu. Wszystkie szeregi czasowe nowej analizy są wygładzane przez 12-miesięczny filtr średniej kroczącej w stosunku do okresu bazowego 1997–2005.
( B ) Nowe oszacowanie porównuje się z niezależnymi szacunkami NCEI z jego błędem standardowym (SE – Standard Error) jako linie przerywane. Zarówno OHC od 0 do 700 m, jak i OHC od 700 do 2000 m są pokazane od 1957 do 2014 r. Linia bazowa szeregów czasowych z NCEI jest dostosowywana do wartości bieżącej analizy w latach 2005–2014.
(Lijing Cheng i inni, 2017)
—
Jak widać, obserwujemy przyspieszone wprowadzanie ciepła do obu warstw oceanów, zarówno od 0 do 700 m, jak i od 700 do 2000 m. Przyspieszenie jest najprawdopodobniej związane z rosnącą nierównowagą energetyczną Ziemi (EEI – Earth’s Energy imbalance) w czasie.
Na prawym wykresie rysunku 59 pokazane jest porównanie badań zespołu Chenga z pomiarami Narodowego Centrum Informacji o Środowisku, czyli NCEI (National Centre Environment information) instytucji rządowej NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), w którym analiza oszacowania wzrostu zawartości cieplnej oceanów (OHC), dla głębokości w oceanach od 0 do 700 m i od 700 do 2000 m, ukazała wyraźniejszy trend długoterminowych zmian w latach 2005-2010.
Autorzy zauważyli też, że przyspieszone ocieplenie nastąpiło przede wszystkim w oceanach na półkuli południowej, w tym w Oceanie Południowym, zaobserwowane dzięki globalnym pomiarom temperatury przez pływaki autonomiczne w projekcie Argo od 2004 roku oraz dzięki satelitarnym pomiarom wzrostu poziomu morza od 1993 roku. Ogólnie, aktualne szacunki OHC wskazują, że trend ocieplania oceanów przyspieszył od 1960 roku.
Badania zespołu Chenga polegały na zapisie danych o temperaturze in situ ze Światowej Bazy Danych o Oceanie (WOD – World Ocean Database) dostępnego w Narodowym Centrum Informacji Środowiskowej (NCEP – National Centers for Environmantal Information), zastosowaniu metody mapowania, czyli optymalnej metody interpolacji zespołowej z zespołem dynamicznym (EnOI-DE) zapewnianym przez symulacje historyczne CMIP5, zastosowaniu metod podpróbkowych mających na celu uśrednienie anomalii temperatury w siatce 1° na 1° w okresie pracy podwodnych wyprofilowanych pływaków w sieci Argo, dla każdego wybranego miesiąca (styczeń i sierpień od 2007 do 2014 roku) oraz obliczenia statystyczne czasowej zmienności oceanu.
W sumie badania zespołu Chenga i NCEI wcześniej pokazały, że do lat 80 XX w. mniej więcej ocieplenie oceanów zatrzymywało się na głębokości około 700 m. Od tamtego czasu zaczęło przenikać głębiej. Dziś, jak już wiadomo, sięga do głębokości 2000 m. W każdym razie w trakcie globalnego zapylenia atmosfery (1950-1980) sygnał ocieplenia oceanów był nieznaczny. Teraz jest wyraźniejszy.
—
Referencje:
- Levitus S. et al., 2012 ; World ocean heat content and thermosteric sea level change (0–2000 m), 1955–2010 ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2012GL051106
- Cheng L. et al., 2017 ; Improved estimates of ocean heat content from 1960 to 2015 ; Science Advances ; https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.1601545