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.

Hits: 15

Subscribe
Notify of
guest

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

60 Comments
Inline Feedbacks
View all comments