Niedoszacowane ocieplenie oceanu

Światowy ocean jest największym zbiornikiem ciepła na Ziemi: to tu trafia 93% nadwyżki energetycznej, magazynowanej przez nasz układ klimatyczny w związku ze wzrostem koncentracji gazów cieplarnianych. Dokładna ocena ilości energii pochłanianej przez wody oceanu jest więc kluczowa dla przewidywań dotyczących poziomu morza oraz oszacowań czułości klimatu.

Zdjecie przedstawia mężczyznę w jaskrawej kamizelce, który asekuruje opuszczanie na linach instrumentu przypominającego pocisk.

Opuszczanie nurkującej boi Argo do wody. Zdjęcie zamieszczamy dzięki uprzejmości NOAA.

Przed rokiem 2005, czyli utworzeniem światowej flotylli nurkujących boi pomiarowych (projekt Argo), pomiary temperatury wód oceanicznych były rzadkie, zwłaszcza na półkuli południowej. Oznaczało to większą niż dziś niepewności pomiarową temperatur oceanu, a w efekcie - poważne niedoszacowanie ocieplenia w górnych warstwach oceanu, tj. do głębokości 700 metrów. Autorzy opublikowanej ostatnio pracy Durack i in. (2014) po wprowadzeniu odpowiednich poprawek, stwierdzili, że warstwa oceanu do głębokości 700m ogrzała się w latach 1970-2004 o 24-58% bardziej, niż wskazywały wcześniejsze oszacowania.

Rysunek 1: Zmiany obserwowanej (kolorowe słupki) i wynikającej z symulacji (szare słupki) zawartości energii w oceanie do głębokości 700 m dla okresu 1970-2004 względem poprzednich analiz. Górne fragmenty wykresu odpowiadają poprawkom Durack i in. (2014). Jednostki: 1022J/35lat, MMM (multi model mean) - średnia z wielu modeli.

Skąd się wzięło niedoszacowanie?

Dzięki rozbudowie systemu Argo - floty ponad 3000 zautomatyzowanych nurkujących boi pomiarowych - dysponujemy dziś znacznie dokładniejszymi i bardziej niż kiedyś godnymi zaufania pomiarami temperatury, zasolenia oraz prędkości przepływu wody w oceanach. Wcześniejsze obserwacje obarczone były znaczącymi niepewnościami.

Cykl Argo

Rysunek 2: Typowy cykl pomiarowy boi Argo.

Przed 2005 rokiem, zanim sieć Argo osiągnęła zagęszczenie wystarczające do prowadzenia pomiarów globalnych, obserwacje wykonywano głównie z pokładu statków. Wiązało się to z ich dużym rozproszeniem w czasie i przestrzeni, a także utrudniało pomiary w głębszych warstwach oceanu (poniżej 700 metrów). Przy pomiarach używano instrumentów takich jak jednorazowe batytermografy – przyrządy, które wrzucone do wody mierzą temperaturę podczas opadania na dno. Ich wadą jest to, że nie mierzą bezpośrednio głębokości: poziom, z jakiego pochodzą pomiary temperatury, określa się na podstawie tempa opadania batytermografu na dno. Jest to oczywiście źródłem niepewności pomiarowej i wymaga uwzględnienia w analizie danych o zawartości energii w oceanie (Abraham i in., 2013)

Poważnym źródłem niedoszacowania ocieplenia oceanu był stosowany w niektórych analizach (np. Ishii i Kimoto, 2009, Levitus i in., 2012) sposób uzupełniania braków w danych. W miejsce brakujących informacji wstawiano po prostu tak zwaną klimatyczną średnią (średnią z wielu lat), czyli zerową anomalię (odchylenie od średniej). Oznaczało to, że wszelkie trendy, zarówno wzrostowe jak i spadkowe, były w uzupełnionych zestawach danych zaniżane. Problem ten szczególnie zaznaczał się w pomiarach dla półkuli południowej, gdzie badania były prowadzone dużo rzadziej niż na północy.

Gdzie powędrowała energia?

Dzięki znajomości fizyki oceanu, a także obserwacji cyrkulacji oceanicznych można wytypować kilka kluczowych regionów, w których pochłanianie energii powinno być powyżej średniej. Na półkuli północnej takim miejscem jest północny rejon Atlantyku, w pobliżu Grenlandii. Tu spotykają się powierzchniowe prądy morskie, woda na powierzchni stygnie i jednocześnie robi się bardziej słona (część wody, która zamarza, by tworzyć arktyczny lód morski, pozostawia „swoją” sól w wodzie niezamarzniętej), przez co zaczyna opadać w głąb oceanu - to część tak zwanej cyrkulacji termohalinowej. Na półkuli południowej kluczowymi rejonami są podzwrotnikowe pętle prądów morskich oraz Antarktyczny Prąd Okołobiegunowy (patrz rysunek 3).

Rysunek 3: Koncentracje chemiczne znaczników w oceanie (w przypadku powyższych wykresów zakazanego Protokołem Montrealskim związku CFC-11) pozwalają zbadać najważniejsze miejsca wymiany materii pomiędzy atmosferą i oceanem. Gdy woda powierzchniowa opada w głąb, zabiera ze sobą energię cieplną i rozpuszczone gazy, a w miejscach, gdzie to zachodzi (szerokości wysokie i umiarkowane), obserwujemy podwyższone koncentracje rozpuszczonego w wodzie CFC-11 (barwy czerwone i pomarańczowe). Na lewym panelu umieszczono obserwacje, na prawym – wyniki symulacji numerycznych. Ich wysoka zgodność świadczy o tym, że symulacje dobrze opisują cyrkulacje oceaniczne. Źródło: Durack i in. (2014).

Autorzy pracy Durack i in. (2014) skorzystali z szerokiego zestawu symulacji klimatu z projektów CMIP3 i CMIP5 dotyczących okresu po 1970 roku i porównali je z obserwacjami (rysunek 4).

Rysunek 4: Trendy zmian ilości energii zmagazynowanej w powierzchniowej warstwie oceanu (od głębokości 0 do ok. 700m) w latach 1970-2004.
a) obserwacje zamieszczone w pracy Levitus i in. (2012), b) symulacje CMIP5. Dolne wykresy (c i d) pokazują trendy po usunięciu średniego trendu globalnego. Jednostką są kJ/(kg 35lat), wartość 4 odpowiada z grubsza ociepleniu kolumny wody o średnio 1 stopień w ciągu 35 lat. Źródło: Durack i in. (2014).

Pierwsze, co rzuca się w oczy, to fakt, że wyniki obserwacji wyglądają w porównaniu z symulacjami „chropowato” - na mapie można zauważyć dużo większe fluktuacje pomiędzy regionami oceanów. Obserwacje odzwierciedlają tylko jeden, jedyny bieg wypadków: ten, który miał miejsce w rzeczywistości. To wyniki faktycznych pomiarów temperatury, na której wartość składają się wieloletni trend wzrostowy oraz wszystkie naturalne procesy zachodzące w systemie klimatycznym (np. występujące losowo zjawiska El Niño i La Niña).

„Gładki” wygląd wyników modelowania wynika natomiast z użycia w analizie średnich wartości ze wszystkich symulacji, czyli różnych możliwych wersji przebiegu wypadków (to jak seria „równoległych wszechświatów” w fantastyce naukowej). W rezultacie naturalne wahania klimatu zostają uśrednione.

Nawet uwzględniając te różnice pomiędzy zbiorami danych, oczekiwalibyśmy jednak większej zgodności pomiędzy obserwacjami i symulacjami (wykresy po lewej i prawej stronie rysunku 4). Dane z pracy Levitus i in. (2012) pokazują zgodne z oczekiwaniami silne ocieplenie północnego Atlantyku oraz podzwrotnikowej pętli prądów morskich północnego Pacyfiku. Nie widać na nich jednak ocieplenia oceanów na półkuli południowej – uwagę zwraca w szczególności obszar oznaczony czarnym prostokątem, gdzie zagęszczenie pomiarów było szczególnie niewielkie.

Z obserwacji meteorologicznych wynika dodatkowo, że wiatry zachodnie na półkuli południowej od lat siedemdziesiątych zauważalnie się wzmocniły, a ich zasięg przesunął się w stronę bieguna (Russell i in., 2006). Powinno to znacząco zwiększyć wymianę energii pomiędzy atmosferą i oceanem (Inui i in., 1999) a tym samym – pompowanie ciepła w głąb oceanu. W danych Levitusa i kolegów nie widać również tego zjawiska.

Wielki, oceaniczny termometr

Dokładne pomiary temperatury głębin oceanów to świeża sprawa, ale naukowcy już od dłuższego czasu dysponują dokładnymi pomiarami poziomu morza w niemal wszystkich punktach oceanu, głównie dzięki osiągnięciom technik satelitarnych. Czemu interesuje nas to w kontekście ocieplania się oceanu? Ponieważ temperatura wody dzięki rozszerzalności termicznej wpływa na jej objętość: im cieplejsza woda, tym wyższy poziom morza, im chłodniejsza - tym niższy. Na tej samej zasadzie działa klasyczny termometr okienny, tylko że rolę „cieczy termometrycznej” pełni w nim zamiast wody alkohol. Jeśli umiemy uwzględnić inne przyczyny wahania poziomu morza, możemy określić, w jakim stopniu za jego wzrost odpowiada zwiększenie ilości zmagazynowanej w oceanie energii termicznej.

Rysunek 5: Mapy przedstawiają 35-letnie średnie z wielu symulacji: lewy górny panel – energia zmagazynowana w oceanie do głębokości 700m, prawy górny panel – od powierzchni do dna, lewy dolny panel – anomalia wysokości powierzchni morza obliczona na podstawie wynikających z symulacji temperatur i zasolenia, prawy dolny panel – wysokość powierzchni morza wynikająca wprost z symulacji CMIP5. Źródło: Durack i in. (2014).

Analizując wspomniane w poprzednim punkcie rozbieżności pomiędzy pomiarami i symulacjami,  Durack i in. (2014) postanowili przyjrzeć się dodatkowo pomiarom wysokości poziomu morza (patrz rysunek 5). Uwzględnienie stosunkowo dobrze znanej dynamiki oceanu, zasolenia (które wpływa na gęstość kolumny wody, a więc i wysokość poziomu morza) oraz dostaw słodkiej wody z topniejących lodowców i lądolodów doprowadziło do wniosku, że rozszerzalność termiczna wody miała większy, niż się wydawało udział we wzroście poziomu morza na półkuli południowej.

Korzystając z tych dodatkowych informacji,  Durack i in. (2014) byli w stanie poprawić oszacowania dotyczące ilości energii pochłoniętej przez oceany. Ich analizy dowiodły, że powierzchniowa warstwa oceanu (0-700 m) ogrzała się nawet o 48-166% bardziej, niż wynikało to z wcześniejszych opracowań. Uwzględnienie tego w globalnej średniej oznacza, że światowy ocean pochłonął o 24-58% energii więcej (por. rysunek 1) niż wcześniej przypuszczano. Możliwość takiego niedoszacowania była już podkreślana we wcześniejszych pracach naukowych, np. Gille (2008), Lyman i Johnson (2014), ale dopiero opracowanie  Durack i in. (2014) dostarczyło rzetelnej ilościowej analizy problemu.

Niepewność to miecz obosieczny

Osoby negujące zmianę klimatu często poddają w wątpliwość jakość pomiarów temperatury w oceanie, podkreślając ich dużą niepewność pomiarową. Sugerują, że w rzeczywistości ilość energii zgromadzonej w oceanie w ostatnich dekadach może być dużo mniejsza, niż podaje się w opracowaniach naukowych. Tymczasem praca  Durack i in. (2014) pokazała, że niedoskonałość obserwacji oceanicznych rzeczywiście doprowadziła do znaczącego błędu w szacowanej sumie energii pochłoniętej przez ocean. Niestety – było to niedoszacowanie. Ocean pochłania sporo więcej energii, niż nam się wcześniej wydawało. Warto pamiętać o tym przykładzie, gdy zagłębiamy się w analizę przedziałów niepewności dowolnych parametrów opisujących klimat. W miarę jak nasza wiedza będzie coraz bogatsza, może się okazać, że czasem „wygrywać” będą wersje bardziej optymistyczne, ale „wygrywać” będą też wersje bardziej pesymistyczne.

Przygotowanie Aleksandra Kardaś na podst. Skeptical Science, Ocean Warming has been Greatly Underestimated, konsultacja merytoryczna prof. Szymon P. Malinowski

Opublikowano: 2014-12-14 20:23
Tagi

modele numeryczne ocean pomiary i obserwacje poziom morza

Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.