Czy rozumiemy ocieplanie się Arktyki?

Wiadomo, że w ocieplającym się świecie (niezależnie od przyczyny ocieplenia) obszary polarne muszą ogrzewać się szybciej niż reszta globu. Wynika to z prostego zastosowania praw fizyki, a w przypadku zmiany koncentracji gazów cieplarnianych przewidział to już znany wam Arrhenius w swym słynnym artykule z 1896 roku [PDF]. Naprawdę – o tym też tam jest! Np. w rozważaniach o przyczynach epok lodowych na dole strony 268, a przede wszystkim w Tabeli VII i dyskusji pod nią. Jeszcze raz chylę czoła!

Jaka jest tego przyczyna? Po prostu jakiekolwiek ogrzanie np. Arktyki spowoduje, że śnieg na lądzie będzie – przynajmniej w niektórych, cieplejszych rejonach – zalegał nieco krócej w trakcie każdego roku. Podobnie lód morski. Śnieg i lód są jak wiadomo białe, czyli odbijają ponad 90% oświetlenia w zakresie “krótkofalowym” (przypomnę: to znaczy takim, w jakim Słońce oświetla Ziemię). My naukowcy mówimy, że albedo śniegu jest większe niż 0,9, ale oznacza to dokładnie to samo. Natomiast goła ziemia, skały oraz woda morska, odbijają znacznie mniej (ocean mniej niż 10%, czyli albedo mniejsze niż 0,1). A co nie zostanie odbite, będzie zabsorbowane i zwiększy temperaturę. Znów przypomnę, że aby wypromieniować więcej zaabsorbowanej energii ziemia (czy woda) muszą być cieplejsze. To podstawowe prawa fizyki.

Co z tego zatem wynika? Że każdej zmianie temperatury odpowiada silne sprzężenie zwrotnie dodatnie, związane ze zmianą albedo. Znów, mówiąc prościej, ogrzanie Arktyki powoduje, że staje się ona ciemniejsza, czyli przyjmuje więcej oświetlenia słonecznego, czyli jest jeszcze cieplejsza. Taki efekt nie musi spowodować, że od razu wszystko tam się stopi. Nie. Nie o to chodzi. Jednak takie samo “wymuszenie” (np. wzrost koncentracji CO2 w atmosferze) spowoduje w Arktyce większy wzrost temperatury niż średnio na całej Ziemi.

To teoria. A jak jest w praktyce? Każdy może sobie sam sprawdzić, na przykład za pomocą bazy danych NASA. Ja jej kazałem pokazać całoroczną anomalię temperatury dla całej ostatniej dekady 2000-2009, w stosunku do okresu bazowego 1951-1980 (dane dla lądu GISS dla oceanu Hadley – na dole zlinkowanej strony jest opisane co to oznacza). Dostałem śliczną mapkę świata (której tu nie zamieściłem) oraz wykres anomalii w funkcji szerokości geograficznej (czyli w żargonie meteorologów “strefowe” (zonal):


Po lewej biegun południowy (Antarktyda) po prawej północny (Arktyka). Ujemne szerokości dla południowej półkuli to typowa konwencja. Wartości anomalii “strefowych” w stopniach Celsjusza (czy jak kto woli w Kelwinach, bo dla anomalii to jedno i to samo).

I co widzimy? Widzimy, że ostatnia dekada nie była tak zimna, jak nam niektórzy wmawiają (w istocie była najcieplejsza odkąd istnieje meteorologia światowa, a pewnie duuuużo dłużej). Widzimy też, że im dalej na północ, tym większe ocieplenie. Czyli dokładnie zgodnie z teorią. Mój ulubiony (i mam nadzieję, że nie jedynie mityczny) uważny czytelnik zapyta, czemu nie ma tak samo na południu? Jest ku temu kilka przyczyn i może jeszcze o tym napiszę, ale jedną z nich jest po prostu brak opisanego wyżej sprzężenia zwrotnego. Ląd Antarktydy jest za zimny, aby niewielkie ogrzanie odsłoniło gołą ziemię, gdziekolwiek poza Półwyspem Antarktycznym, “wystającym” najdalej od bieguna, a zasięg lodu morskiego na półkuli południowej jest kontrolowany bardziej przez rozkład wiatrów, niż temperaturę. Jednak w/w Półwysep Antarktyczny, który jest na tyle ciepły, aby to sprzężenie dodatnie rzeczywiście mogło zadziałać, jest wyjątkiem potwierdzającym regułę – należy do najszybciej ogrzewających się rejonów globu.

Jak widać Arktyka jest prostszym przypadkiem niż Antarktyka i ogrzewa się zgodnie z teorią. Widocznym tego skutkiem jest ubywanie lodu morskiego.  Poniżej przedstawiam znany wykres ilości (powierzchni) lodu w czasie minimum rocznego (czyli we wrześniu):

Proste przedłużenie tego trendu pokaże, że jeszcze w tym stuleciu należy spodziewać się całkowitego zaniku lodu morskiego latem (zimą będzie on oczywiście powstawał nadal). W dodatku, czego powyżej nie widać, ten lód jest coraz cieńszy. Zatem jego objętość maleje jeszcze szybciej niż pokazana wyżej powierzchnia. Dlatego też szybki przyrost powierzchni lodu w ostatnich tygodniach (aktualne zmiany obserwować można tutaj) nie powinien cieszyć – to bardzo cienki lód. Zmiany objętości lodu ładnie pokazuje ten wykres (ale uwaga to efekt modelowania, bo nie ma niestety obecnie na orbicie satelity radarowego mogącego mierzyć grubość lodu).

Czyli wszystko się zgadza? No, nie bardzo. Mianowicie lodu w Arktyce ubywa szybciej niż przewidują istniejące modele. Od paru lat trwa dyskusja na ten temat. Tzn. dyskusja w artykułach naukowych, ale też jeszcze ciekawsza na konferencjach naukowych i w kuluarach. Zwalczają się nawzajem zwolennicy tez o przemożnym wpływie transportu ciepła do Arktyki powietrzem ze stronnikami prądów morskich. Z nimi nie zgadzają się zwolennicy zmian w cyrkulacji atmosferycznej wypychających lód z Arktyki cieśninę Fram (o czym już komentowałem na Doskonale Szare) oraz zmian w zachmurzeniu. Dodać jeszcze trzeba nielicznych fanów wpływu aerozolu na temperaturę Arktyki i obraz może wydawać się niepokojący. Ale nie jest tak źle: czynników jest wiele i wszystkie maja jakie znaczenie. Wiele z nich jest też z sobą dobrze skorelowane (czyli zmieniają się wspólnie), co niestety utrudnia rozróżnienie ich wpływu.

Dlatego ciekawym głosem w dyskusji jest artykuł z najnowszego numeru czasopisma Nature, a mianowicie: Screen, J., & Simmonds, I. (2010). The central role of diminishing sea ice in recent Arctic temperature amplification Nature, 464 (7293), 1334-1337 DOI: 10.1038/nature09051

Odwraca on mianowicie kota ogonem, rozważając nie efekt rosnących temperatur na ubytek lodu, ale odwrotnie: wpływ ubywania lodu morskiego na wzrost temperatury – co, jeśli rozumiemy czym jest sprzężenie zwrotne dodatnie, jest całkowicie logicznym podejściem. Stosując przeprowadzoną niedawno reanalizę parametrów atmosfery ERA-Interim (reanalizy to efekt zapuszczenia modelu meteorologicznego karmionego dostępnymi danymi meteorologicznymi), będąca ulepszeniem poprzedniej reanalizy ERA-40, autorzy pokazują, że największe ocieplenie atmosfery występowało przy powierzchni ziemi (a raczej lodu). Jest to zgodne z hipoteza o związku tego ocieplenia z ubywaniem lodu (cieplejsza woda lub ziemia grzeje przecież najniższe warstwy atmosfery). To istotne, bo na podstawie mniej dokładnej reanalizy ERA-40 (problemem reanaliz w Arktyce jest mała ilość danych pomiarowych) dowodzono, że najbardziej ogrzały się wyższe warstwy atmosfery, co świadczyłoby o napływaniu ciepła spoza Arktyki wraz z cyrkulacja atmosferyczną. Udało się nawet wymodelować obserwowany rozkład ocieplenia (w funkcji szerokości geograficznej i wysokości nad poziomem morza) dla każdej pory roku z obserwowanych zmian pokrycia Oceanu Arktycznego lodem. Wystarczy porównać rysunki 1 i 2 z artykułu, których tu nie zamieszczam, bo za dużo miejsca zajęłoby tłumaczenie ich szczegółów. Ale jeśli ktoś ma dostęp do Nature to polecam obejrzenie.

Autorzy tego artykułu nie stwierdzili dużego wpływu zmian zachmurzenia na temperaturę Arktyki. Stwierdzili natomiast, że przyrost pary wodnej, związany z ubywaniem lodu, jest istotnym czynnikiem ogrzewania Arktyki. Para wodna jest przecież ważnym gazem cieplarnianym.

Ten rysunek zamieszczam, bo jest prostszy do objaśnienia. Są to trendy zwiększania wilgotności (w sensie przyrostu koncentracji pary wodnej w gramach, na kilogram atmosfery, jaki przypada na jedną dekadę – czyli 10 lat). Po lewej trendy “obserwowane”. Cudzysłów stąd, że to efekt reanalizy – samych danych pomiarowych jest za mało i musimy pomagać sobie modelem, aby je niejako uzupełnić czasowo-przestrzennie. Denialiści już w tym momencie się pewnie zagotują, ale sami często korzystają z wyników reanaliz, nawet nie zdając sobie z tego sprawy. Tak się po prostu przygotowuje wszelkie “pola” parametrów meteorologicznych z punktowych, z konieczności, danych pomiarowych.

Ale wracam do rysunku. Na osi poziomej mamy szerokość geograficzną, a na pionowej wysokość nad poziomem morza. Ale nie w metrach czy kilometrach, a w jednostkach ciśnienia, co jest typowym podejściem w fizyce atmosfery. Jeśli ktoś słucha uważnie prognoz pogody to powinien już wiedzieć, że około 1000 hPa odpowiada wysokości na jakiej żyjemy. Zero ciśnienia to oczywiście kosmos. Skala ciśnieniowa nie jest proporcjonalna do normalnej wysokości. Im niżej tym bardziej jest rozciągnięta. Inaczej mówiąc na każdy milimetr skali pionowej przypada ta sama ilość masy atmosfery, a ta oczywiście jest coraz rzadsza im wyżej nad ziemia. Jednak to, co się dzieje w dolnych warstwach atmosfery, jest dla nas najważniejsze, stąd popularność takiego przedstawienia.

Czarne linie ciągła i przerywana są granicą obszaru, gdzie trend jest różny od zera ,na poziomie istotności 99% i 95% [1]. Trójkąciki oznaczają szerokości gdzie reanaliza pokazuje wzrost strumienia ciepła utajonego (czyli w istocie pary wodnej) na poziomie istotności 99%.

Prawy panel to trendy wilgotności, wyliczone ze zmian pokrycia lodem. Wyliczono regresje pola temperatur z indeksem zmian zalodzenia dla całej Arktyki i te wartości przemnożono przez serie czasowe pola zalodzenia. W ten sposób uzyskano wartości trendów wilgotności (i podobnie temperatury czego nie pokazałem), spowodowanej zmianą zalodzenia. Wynik jest zdumiewająco podobny do “obserwowanego”, co świadczy o silnym wpływie zmian zalodzenia na badane parametry.

Czy uzyskano w tym artykule coś naprawdę nowego? Może nie w sensie teoretycznym. Po prostu potwierdzono, na podstawie dostępnych danych, że sprzężenie zwrotne, związane ze zmianą zalodzenia, działa, jak przewiduje teoria – szczególnie, jeśli uwzględnić efekt zmian wilgotności, czego wcześniej zwykle nie uwzględniano. Czyli, umożliwiono poprawienie modeli o ten właśnie efekt wilgotnościowy i potwierdzono, że ogólnie rozumiemy dość dobrze co się dzieje w Arktyce.

Może to niewielki krok, ale posuwający nas do przodu. Wystarczająco jednak duży na artykuł w Nature. Tak działa nauka – rzadko zdarzają się przełomowe teorie, wiele jest natomiast małych kroków, jak ten.

Dlatego myślę, że i o takich warto pisać.

[1] Ponieważ mówimy o odrzucaniu hipotezy zerowej (braku trendu) a nie o błędzie pomiarowym mówimy o poziomie istotności (significance) a nie ufności (confidence). Natomiast von Storch i Zwiers twierdzą w swym podręczniku, że zamiast pisać o poziomie istotności 99% i 95% przy odrzucaniu hipotez zerowych należy pisać używać wartości 1% i 5%. Ale nikt najwyraźniej ich nie słucha.

60 thoughts on “Czy rozumiemy ocieplanie się Arktyki?”

  1. Dokładnie tak. Te 15% zasięgu jak Masłowski definiuje zanik letniego lodu ma dotyczyć właśnie lodu przyklejonego do najbardziej na północ położonych wysp Kanady. Po prostu nie spodziewamy się aby te resztki łatwo ustąpiły. szczególnie, że wiatry i prądy spychają lód właśnie na stronę Kanady i Grenlandii oraz w stronę Cieśniny Fram którędy cześć lody wypływa z Arktyki (i topnieje na południu).

    Zauważ bardzo ciekawy (chociaż nieco mętnie napisany) kawałek artykułu Fundera o przeciw-fazie zmian na Grenlandii i Wyspie Ellesmere. Pewnie właśnie dlatego, że lód wypychany jest z Arktyki wokół Grenlandii, a zatem tam jego ilość latem zależy bardziej od siły wiatrów i prądów niż temperatury. A na Wyspie Ellsemere pewnie rządzi raczej temperatura.

    Ogólnie jednak sądzę, że ilość lodu letniego 8000 do 5500 lat temu spełniała kryterium Masłowskiego czyli możemy mówić o wolnej wtedy od lodu latem Arktyce.

  2. Zgadzam się. Ten rysunek musieli chyba robić w pośpiechu, tuż przed publikacją. Bo to zupełnie bez sensu. Lód będzie zanikał (co właściwie już widać) raczej tak jak wskazuje jego obecna grubość:

    Powyższy rysunek to efekt modelowania dla roku 2002 i jest z artykułu przeglądowego Maslowski et al. 2012 “The Future of Arctic Sea Ice”, http://dx.doi.org/10.1146/annurev-earth-042711-105345

  3. Wywołałem Wiesława Masłowskiego z lasu. A dokładniej tegoroczny zanik lodu arktycznego go wywołał. Dzisiejszy Science ma na ten temat artykuł “newsowy” aż pięć razy wymieniający nazwisko naszego rodaka.
    http://www.sciencemag.org/content/337/6102/1591.summary

    Zacytuję te fragmenty:


    But researchers who follow the even-faster-plunging volume of sea ice are more pessimistic still. “There are a lot of deficien-cies in the state-of-the-art [climate] models,” says oceanographer Wieslaw Maslowski of the Naval Postgraduate School (NPS) in Monterey, California. If the rapidly declining ice volume is taken to be the better guide, he says, Arctic sea ice could be gone by the end of the decade. So a few more years of watching and waiting could clarify the ice’s fate.

    […]

    Others are looking for a blue Arctic Ocean even sooner. Maslowski and colleagues at NPS run a model simulating Arctic sea ice in more detail than the global climate models do. The model’s decline of sea ice volume of late looks much like that from APL’s model, but in a paper in the May 2012 issue of Annual Review of Earth and Planetary Sciences, Maslowski and colleagues go further and extrapolate recent trends to near-zero volume. Using “only ice extent is not sufficient if you believe volume can change much faster,” Maslowski says. Large uncertainties remain, he notes, but their extrapolation gives a date of 2016 for a nearly ice-free Arctic Ocean, with the end likely to come by the end of the decade.

    Serreze and others think Maslowski’s volume extrapolation exaggerates the problem. “It could happen [by 2016],” Serreze says. “I just don’t think so. I think he’s being too aggressive.” There is, however, a hint that enhanced pessimism may be appropriate. Stroeve is just back from a cruise to 83°N, beyond northern Greenland. She saw only 30% to 40% ice cover there. “We never expected that,” she says, because satellite data had not suggested it.

    Zatem 2016. Zapamiętajmy tą datę.

  4. Czyżbym zapomniał wrzucić wykres lodu arktycznego we wrześniu? Chyba tak. Ale jest już przecież i październikowy. Zatem do dzieła:

    We wrześniu mieliśmy jak pewnie wszyscy wiedzą rekordowo mało lodu od początku pomiarów satelitarnych, a pewnie i od paru tysięcy lat.

    Natomiast miesiąc później wyglądało to tak:

    Lodu szybko przybywa. Nie dziwota bo było latem bardzo mało, a przecież zimą trend spadkowy jest znacznie mniejszy wiec zasięg lodu musi teraz wrócić prawie do średnich historycznych wartości. Ale i tak mamy II miejsce zaraz po rekordowym do niedawna roku 2007 roku 2006.

  5. A w listopadzie “spadliśmy” na trzecie miejsce:

    To znaczy mniej lodu było w jedynie w listopadach 2006 i 2010.

  6. W grudniu wróciliśmy na drugie miejsce, po roku 2010:

    Czekam, aż ktoś z tego wyciągnie wniosek, że ubytek lodu zakończył się w 2010 roku 😉

    A tak poważnie, to zakładanie się, że 2013 będzie znów rekordowy po względem minimalnego zasięgu lodu morskiego w Arktyce to wyjątkowo mało ryzykowne zajęcie. Hazard zaczyna się gdy się zakładamy czy morska pokrywa lodowa zaniknie (przynajmniej wg. definicji Masłowskiego) w przyszłym roku. A znam osoby, które sie po to pozakładały.

  7. Od dwóch sezonów mamy znów satelitę mierzącego grubość lodu w Arktyce, europejskiego Cryosat-2. Poprzedni działał w latach 2003-2008. Pomiar grubości pozwala na ustalenie objętości lodu a nie tylko jego zasięgu.

    Ukazał się preprint pierwszego artykułu naukowego korzystającego z danych CryoSat-2 (niestety dostęp płatny): http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/grl.50193/abstract

    Ale jest i Press Release:
    http://www.washington.edu/news/2013/02/13/european-satellite-confirms-uw-numbers-arctic-ocean-is-on-thin-ice/

    Okazało się, ze latem jest nawet gorzej niż wynikało z modeli. Od 1980 roku objętość lodu latem w Arktyce zmniejszyła się o 80%. Ta, to nie literówka. Osiemdziesiąt procent. A jeśli tak to rok w którym Biegun Północny uwolni się latem spod lodu po raz pierwszy od tysięcy lat jest naprawdę bliski. I wcale nie zdziwiłbym się gdyby to był przepowiedziany przez Wiesława Masłowskiego 10 lat temu rok… 2013.

  8. co mi przypomina, żeby uaktualnić serwis lodowy. W styczniu ilość lodu była szósta najniższa w historii pomiarów:

    W duchu denializmu klimatycznego byłoby powiedzieć, że ubytek styczniowego roku zakończył się dwa lata temu ;). Z tym, ze zimą ubytek lodu i tak jest najmniejszy, a poprzednia wiadomość musi nastrajać niepokojąco co do stanu lodu latem tego roku.

  9. W lutym zasięg lodu w Arktyce był 7-my najniższy w historii:

    Już widzę jak “sceptycy” rysują rosnący trend za ostatnie 10 lat. Raczę jednak zachować innego rodzaju sceptycyzm. Trend zima jest i tak najmniejszy i nikt się nie spodziewa znikniecie lodu zimą z Arktyki. Ważne jest lato. A na to wpływa nie zakres, a grubość lodu zimą. Niestety mierzący to od niedawna satelita Cryosat-2 jest nasz (europejski), nie amerykański i przez to nie mamy dostępu do jego danych na bieżąco. Jednak wspomniane wyżej pierwsze opublikowane wyniki z niego absolutnie nie napawają optymizmem.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *