Sekrety poziomu morza

„Wzrost poziomu morza to część kilkutysiącletniego trendu”, „za czasów rzymskich poziom morza był niższy o 2m”, „nie da się powiedzieć, z czego wynika wzrost poziomu morza”, "nie da się zmierzyć średniego poziomu morza"… Też spotkaliście się z podobnymi stwierdzeniami? Nie jesteśmy pewni, skąd się biorą, ale zainspirowały nas do napisania tego przeglądowego tekstu na temat tego, czym poziom morza właściwie jest, jak się go bada i jakie są wnioski z tych badań.

Ocean

Rysunek 1: Ocean. Zdjęcie: Alexey Fursov, Dreamstime.com

Poziom morza – nie taki znów poziomy

Większość z nas pamięta ze szkoły zasadę mówiącą, że w połączonych ze sobą naczyniach poziom wody się wyrównuje, co ma jakiś związek z grawitacją i ciśnieniem. Niektórym zdaje się, że światowe oceany to po prostu wyjątkowo duże naczynia i w związku z tym wszędzie na świecie poziom morza musi być taki sam. To jednak pochopny wniosek. Przede wszystkim dlatego, że oceany pokrywają większość powierzchni Ziemi i że na tym wielkim obszarze nie ma mowy o tym, by stałe było ciśnienie atmosferyczne, a nawet… grawitacja. Nie kryje się w tym żadna specjalna tajemnica: Ziemia po prostu nie jest jednorodna - skały, z których jest zbudowana, mają różną gęstość, a w dodatku tworzą nierówną warstwę. Jak łatwo sobie wyobrazić, cienkie oceaniczne dno nie może konkurować z górami. Siłę grawitacji na całej kuli ziemskiej znamy dziś dość dokładnie dzięki pomiarom satelitarnym misji GRACE.

Rysunek 2: Anomalie grawitacji na powierzchni Ziemi. Gdyby całą planetę pokrywał ocean i nie występowały żadne dodatkowe zjawiska (np. pływy), utworzyłby on taką właśnie, nieregularną powierzchnię. Ilustracja powstała na podstawie pomiarów satelitarnych w ramach misji GRACE, dzięki wysiłkom University of Texas Center for Space Research, NASA Jet Propulsion Laboratory oraz GeoForschungsZentrum Potsdam.

Rzeczywisty kształt powierzchni oceanu urozmaicają dodatkowo zjawiska takie jak pływy, różnice ciśnienia atmosferycznego, układy wiatrów, rozszerzalność termiczna wody czy fazy cyrkulacji oceanicznych. Jest on stale śledzony przez wyposażone w radary satelity, będące w stanie zaobserwować nawet niewielkie zmiany. Pozycja satelity jest w każdej chwili znana dzięki systemowi GPS, a czas upływający pomiędzy wysłaniem w stronę powierzchni Ziemi wiązki fal, a ich powrotem do czujnika, pozwala określić odległość satelity od zmiennej powierzchni morza. Aktualną topografię oceanu można sprawdzać na stronie misji Jason. Jeśli chcecie zobaczyć wodę w ruchu, skorzystajcie z linka do strony CSIRO.

Rysunek 3: Anomalia (odchylenie od średniej) położenia powierzchni morza na podstawie pomiarów satelitów SARAL i Jason-2 w dniach 7-17 marca 2015. Dane przypominają siateczkę ze względu na to, że radar satelitarny służy do obserwacji powierzchni bezpośrednio pod torem lotu satelity i nie ma możliwości zebrania w krótkim czasie danych na temat całej powierzchni Ziemi (satelita musiałby w tym celu przelecieć nad każdym punktem). Ilustrację zamieszczamy dzięki uprzejmości NASA JPL.

Co więc mają na myśli naukowcy mówiący o wzroście poziomu morza? Oczywiście poziom morza uśredniony w czasie i przestrzeni (tj. z pominięciem fal, pływów itp.). Wielkość ta – w parze ze znajomością topografii dna oceanu – informuje nas pośrednio o objętości całej tworzącej ocean wody.

Lokalne trudności

Satelitarne – globalne – obserwacje poziomu morza zaczęły się w 1978 roku, choć oczywiście pomiary prowadzono już wcześniej. Pierwsze przyrządy – wodowskazy – miały bardzo prostą zasadę działania: były to najzwyczajniej w świecie wielkie, ustawione pionowo linijki. Obserwator odczytywał z nich poziom wody w odniesieniu do ustalonego punktu na lądzie.

Rysunek 4: Po lewej: umiejscowienie wodowskazu na przylądku Mordvinof (wyspa Unimak, Alaska) w roku 1939, obserwatorzy musieli schodzić do niego po sześćdziesięciometrowej drabinie. Zdjęcie z biblioteki fotograficznej NOAA. Po prawej: nurkowie odczytują wodowskaz w Zatoce Glacier na Alasce (rok 2010). Zdjęcie autorstwa Patricii Raymond, NOAA Corps.

W roku 1851 w San Francisco zainstalowano pierwszy wodowskaz, który rejestrował wyniki pomiarów bez udziału obserwatora (limnigraf). Sterowana pływakiem wskazówka zaznaczała ja na arkuszu papieru nawiniętym na obracający się cylinder, podobnie jak dzieje się to w przypadku termografów czy barografów. Nawet mimo tego (oraz wielu kolejnych) udoskonalenia, pomiary wodowskazowe były uciążliwe i wymagały dużego zaangażowania obserwatorów. Będące w stałym kontakcie ze słoną wodą i narażone na trudne warunki (wiatr, falowanie) urządzenia często ulegały awariom, które w czasach pionierskich oznaczały wyłączenie instrumentu z pracy na kilka tygodni.

Obecnie klasyczne wodowskazy zastępowane są stopniowo niewielkimi radarami, wysyłającymi w stronę lustra wody wiązkę mikrofal. Czas, po jakim odbity od wody sygnał powraca do urządzenia pozwala wyznaczyć odległość pomiędzy wodą i instrumentem oraz jej zmiany. Pomiary prowadzone są stale, a ich wyniki – natychmiast zapisywane w formie cyfrowej i transmitowane za pośrednictwem satelitów komunikacyjnych. Elektroniczne przyrządy mogłyby wydawać się bardziej wrażliwe niż wodowskazy, ale z drugiej strony dają się zamknąć w szczelnych obudowach, nie mają ruchomych części i nie są wystawione na bezpośrednie działanie czynników powodujących korozję. W rezultacie ich utrzymanie wymaga dużo mniej zaangażowania ludzi i środków.

zdjęcie przedstawia obudowane urządzenia - w tym jedno o kształcie cylindrycznym - zamontowane na mostku nad wodą

Rysunek 5. Radarowy przyrząd do pomiarów poziomu morza - biały cylinder na pierwszym planie ze skierowaną w dół „lufą”, przez która wysyłane są w stronę lustra wody mikrofale. Fotografię zamieszczamy dzięki uprzejmości Morgana McHugh z NOAA.

Problemem, który towarzyszy pomiarom poziomu morza względem ustalonego punktu na lądzie jest fakt, że ten „ustalony” punkt może się w rzeczywistości przemieszczać. Często podawanym przykładem jest powolne podnoszenie się lądów, które przestały być obciążone lądolodem, jak ma to miejsce na przykład w Skandynawii. Bardziej spektakularne są przesunięcia powstające po trzęsieniach ziemi w wyniku ruchów tektonicznych – np. na wybrzeżach Rodos (Villy i in., 2002) czy Sycylii (Antonioli i in., 2003).

W przypadku prowadzonych obecnie pomiarów możliwe jest weryfikowanie pozycji lądu z wykorzystaniem systemu GPS. Jeśli natomiast chodzi o analizę starszych pomiarów lub informacji geologicznych, to do ustalenia globalnego średniego poziomu morza trzeba starannie dobierać miejsca pochodzenia danych, unikając obszarów aktywnych sejsmicznie. Możliwe jest także uwzględnienie odpowiednich poprawek, o ile są dostępne wystarczające dane.

Przykładowo, Lambeck i in. (2004), którzy analizowali historyczne zmiany poziomu Morza Śródziemnego na podstawie pozostałości starorzymskich przybrzeżnych zbiorników na ryby, doszli do wniosku, że lokalny poziom morza ok. 50 roku p.n.e. był niższy o 1,35±0,07m. Większość tej zmiany przypisują jednak – w oparciu o badania geologiczne – ruchom izostatycznym (pionowym ruchom skorupy ziemskiej), na półwyspie apenińskim związanymi głównie z wulkanizmem (Vanorio i Kanitpanyacharoen 2015). Po uwzględnieniu stosownej poprawki, wzrost poziomu Morza Tyrreńskiego od „czasów rzymskich” do roku 1950 oceniają na zaledwie 0,13±0,09 m. Dodatkowo, analiza danych wodowskazowych z tego rejonu pokazuje według nich, że intensywny wzrost poziomu morza rozpoczął się w XIX wieku.

Z głębi historii

Aby dowiedzieć się czegoś na temat historii poziomu morza dawniej niż w ciągu ostatnich kilku wieków, trzeba posłużyć się danymi pośrednimi. Geofizykom z pomocą przychodzą tu geolodzy, którzy analizują skały osadowe, ślady erozji i skamieliny. Swoją cegiełkę dokładają także archeolodzy, zajmujący się badaniem pozostałości rozmaitych przybrzeżnych instalacji, takich jak wspomniane wyżej zbiorniki dla ryb (Pirazzoli, 1996, Lambeck i in., 2010).

Tak jak w przypadku bezpośrednich pomiarów instrumentalnych, w wyniku analiz otrzymujemy w pierwszym rzędzie lokalne zmiany poziomu morza, na które składają się zarówno ruchy tektoniczne, jak też zmiany w objętości wody zgromadzonej w oceanie i zmiany w polu grawitacyjnym Ziemi. Dodatkową komplikacją jest to, że natura nie była tak sympatyczna jak „liczące sosny” Terry’ego Pratchetta i nie naniosła na koralowcach, osadach i skałach dokładnych dat, z których pochodzą poszczególne warstwy. Dlatego przy analizie podobnych materiałów do ustalenia jest nie tylko „jaki był poziom morza”, ale także „kiedy”. Żeby móc na te pytania odpowiedzieć rzetelnie, oraz żeby wysnuć wnioski na temat średniego globalnego poziomu morza, naukowcy w miarę możliwości prowadzą obserwacje i pobierają próbki w wielu miejscach i posługują się różnymi metodami. Im więcej danych, które można ze sobą uzgodnić czasowo, tym łatwiej wyeliminować efekty lokalne.

Rysunek 6: Przybliżone wartości globalnego średniego poziomu morza w ostatnich 6000 lat, wyznaczone na podstawie zestawu rozmaitych danych pośrednich (Lambeck i in., 2010).

Rysunek 6 przedstawia wykres średnich poziomów morza na przestrzeni ostatnich kilku tysięcy lat, będące podsumowaniem badań z różnych lokalizacji i prowadzonych różnymi metodami. Jak widać, w okresie pomiędzy 7000 a 2000-3000 lat temu średni poziom morza wzrósł o ok. 2-3 m (oznacza to trend rzędu 0,15 – 0,75 mm/rok. Nie ma dowodów na to, by w ostatnich 2000-3000 lat następowały istotne fluktuacje w globalnym średnim poziomie morza – był on w tym czasie niemal stały. Jak pokazuje rysunek 7 (dane z Północnej Karoliny, Kemp et al., 2011 [wersja pełna]), dopiero w XIX wieku rozpoczął się intensywny wzrost poziomu morza – obecny trend jest rzędu 3mm/rok. Zobacz także grafikę z ostatniego raportu IPCC, na której obok średniego poziomu morza przedstawiono zmiany lokalnego poziomu morza w różnych rejonach. W oparciu o te dane możemy się też przyjrzeć trendowi tempa zmian poziomu morza w ostatnich 2000 latach. Okazuje się, że ten wykres – jak wiele innych w klimatologii - przypomina „kij hokejowy”.

Rysunek 7: Zmiany średniego poziomu morza w ostatnich 2000 lat na podstawie danych z opracowania Kemp i in. (2011), wykres za Open Mind.

Rysunek 8: Trend zmian średniego poziomu morza w ostatnich 2000 lat na podstawie danych z opracowania  Kemp i in. (2011), wykres za Open Mind.

Poziom morza po rewolucji przemysłowej

Zmiany średniego poziomu morza w ostatnich kilkuset latach są oczywiście dużo prostsze do odtworzenia niż te sprzed kilku tysięcy lat – tak jak wspomnieliśmy na początku naszego tekstu, mamy dla tego okresu pomiary instrumentalne. Jak widać na rysunku 7, na którym zebrano wyniki analiz prowadzonych przez różne grupy badawcze, chociaż między wynikami są drobne rozbieżności, wszystkie zgadzają się co do tego, że od lat osiemdziesiątych XIX wieku nastąpił zauważalny wzrost poziomu morza – przynajmniej o 20 cm.

Rysunek 9: Zmiany średniego poziomu morza względem średniej z okresu po 1992 r., dane pochodzą z opracowań różnych grup wykonanych różnymi metodami. Czarna linia odpowiada danym satelitarnym. Autorem wykresu, który podajemy za blogiem Real Climate jest Klaus Bittermann. Żółtym kolorem oznaczono najnowsze opracowanie Hay i in.

Skąd różnice pomiędzy wykresami uzyskanymi przez poszczególne zespoły badawcze? Wodowskazy nie były rozmieszczone równomiernie i w wystarczającej liczbie (przykładowo, w zbiorze danych dominuje półkula północna, na której jest więcej lądów a więc i wybrzeży, oraz która jest gęściej zamieszkana). Dodatkowo, jak pisaliśmy już wcześniej, wiele serii pomiarowych ma luki i obciążone jest silnymi wpływami opuszczania się lub wypiętrzania lądu. Wszystkie efekty należy wziąć pod uwagę, starannie dobierając reprezentatywny dla całego oceanu zestaw danych, wypełniając białe plamy i uwzględniając poprawki. W zależności od przyjętej metodologii otrzymuje się wtedy zróżnicowane wyniki.

Tak samo jak poziom morza nie jest „taki sam” na całym świecie, tak zróżnicowane są również jego zmiany. Jak można zauważyć, studiując poniższą mapę, szczególnie zagrożone wzrostem poziomu morza są niewielkie, wyspiarskie kraje Oceanii. Nie dość, że praktycznie w całości leżą one tuż nad poziomem morza, to dodatkowo poziom morza rośnie tu dużo szybciej (rzędu 10 mm/rok) niż u wybrzeży Ameryki czy Europy (0-3 mm/rok). Ten szybki przyrost poziomu morza w rejonie zachodniego tropikalnego Pacyfiku związany jest z wzrostem temperatury wód oceanicznych w tym rejonie (England i inni 2014), a zatem zwiększeniem jej objętości. Zjawisko to nie da się w pełni wytłumaczyć naturalną zmiennością miedzydakadową – także i w tym wypadku wykryto niedawno związek z antropogenicznym ociepleniem naszej planety (Hamlington i inni 2014).

Rysunek 10: Trendy zmian poziomu morza w okresie 1992 – 2015 na podstawie pomiarów satelitarnych z użyciem satelitów Jason 1 i 2. Źródło.

Dzięki pomiarom grawitacyjnym, o których pisaliśmy na początku artykułu, obserwacjom glacjologicznym (naziemnym, lotniczym i satelitarnym) oraz rozbudowanej sieci pomiarów podwodnych (Argo) możliwe jest także ustalenie, skąd bierze się współczesny wzrost średniego poziomu morza. Być może będzie dla Was zaskoczeniem, że głównym winowajcą (ok. 1,1 mm/rok) jest… rozszerzalność termiczna wody. Najzwyczajniej w świecie, w miarę ogrzewania zwiększa ona swoją objętość. Na drugim miejscu (0,76 mm/rok) plasuje się topnienie wrażliwych na wzrost temperatur lodowców górskich (czytaj np. o lodowcach w Nowej Zelandii). Nieco mniejszy jest w tej chwili sumaryczny wkład lądolodów – Grenlandii (0,33 mm/rok) i Antarktydy (0,27 mm/rok) – choć szczególnie te ostatnie mają olbrzymi potencjał przyspieszenia wzrostu poziomu morza.

Rysunek 10: Przyczynki różnych zjawisk – rozszerzalności cieplnej, topnienia lodu i spływu z lądów – do wzrostu poziomu morza. Na podstawie raportu IPCC 2014.

Mamy nadzieję, że po lekturze tego tekstu czujecie się lepiej zaznajomieni z zagadkami poziomu morza, jego wzrostu i wynikami badań w tej dziedzinie. Nie ulega wątpliwości, że aktualna zmiana poziomu morza jest zjawiskiem, które rozpoczęło się w XIX wieku, a analizy geologiczne i pomiary satelitarne pozwalają na wykluczenie, by był to pozorny efekt związany z zapadaniem się lądów.

Aleksandra Kardaś, konsultacja merytoryczna: prof. Jacek Piskozub

Opublikowano: 2015-09-01 21:56
Tagi

pomiary i obserwacje poziom morza

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