Cyrkulacja termohalinowa (a przede wszystkim Prąd Zatokowy) sprawia, że Europa zimą jest cieplejsza niż inne kontynenty na podobnej szerokości geograficznej. Ostatnio opublikowano pracę naukową dowodzącą, że może być ona najsłabsza od ponad tysiąca lat. Jakie to ma znaczenie klimatyczne i na ile pewne są te konkluzje?

Prąd Zatokowy (Golfsztrom): wizualizacja danych w postaci mapy z zaznaczonymi kierunkami przepływu wody w północnej części Oceanu Atlantyckiego. Pośród licznych wirów wyróżnia się wyraźny strumień Prądu Zatokowego

Rysunek 1: Fragment animacji NASA pokazującej wynki modelowania przepływów na powierzchni oceanu. Napis Gulf Stream wyznacza położenie Prądu Zatokowego (Golfsztromu). Ilustrację zamieszczamy dzięki uprzejmości NASA’s Scientific Visualization Studio.

Atlantyk jest jedynym oceanem, w którym prądy oceaniczne przenoszą znaczące ilości ciepła między półkulami naszej planety. Ciepłe atlantyckie prądy płynące na powierzchni oceanu przenoszą prawie 2 TW ciepła z południowej półkuli na północną, przyczyniając się do obserwowanej różnicy temperatur między półkulami. Na Atlantyku Północnym ten ciepły prąd płynący na północ utożsamiany jest w mediach (chociaż ostatnio nawet w artykułach naukowych) z Prądem Zatokowym (Golfsztromem), chociaż historycznie taką nazwę miał jedynie jego odcinek od Zatoki Meksykańskiej po Przylądek Hatteras w Karolinie Północnej, gdzie zaczyna się on oddalać od wybrzeża amerykańskiego i płynie w stronę Europy jako Prąd Północnoatlantycki.

Pas transmisyjny ciepła

Jest wiedzą dość powszechną, ze właśnie dzięki temu „Golfsztromowi”, a raczej cyrkulacji termohalinowej, której jest on częścią, Europa zimą jest cieplejsza niż jakikolwiek inny ląd na podobnej szerokości geograficznej. Ciepłe ale słone wody płynące z południa, w rejonie Mórz Norweskiego i Labradorskiego wychładzane są przez huraganowe wiatry zimowych sztormów atlantyckich. Ponieważ woda słona jest gęstsza od słodszej, a zimna od cieplejszej, wychłodzenie tych wód powierzchniowych powoduje tonięcie ich pod niżej położone wody o podobnej temperaturze ale mniejszym zasoleniu. Takie głębokie mieszanie konwekcyjne (nawet do 3 km głębokości) umożliwia oddanie atmosferze olbrzymich ilości ciepła, którą przeważająco zachodnia cyrkulacja atmosferyczna niesie nad Europę.

Schemat cyrkulacji oceanicznej na Atlantyku, kula ziemska z zaznaczonymi prądami morskimi.

Rysunek 2. Schemat cyrkulacji oceanicznej na Atlantyku. Prądy powierzchniowe są pokazane kolorem czerwonym, głębinowe niebieskim, pokrywa lodowa zimą białym. Rahmstorf, Nature 1997

Wiemy jednak, że ten efekt nie jest aż tak silny, jak się go czasem przedstawia w wersji spopularyzowanej. Porównanie zimowych temperatur Nowego Jorku i Rzymu robi wstrząsające wrażenie, ale trzeba pamiętać, że w wyniku przeważających w szerokościach umiarkowanych wiatrów zachodnich Nowy Jork leżący na wschodnim wybrzeżu Ameryki ma klimat kontynentalny, a Rzym ma morski, będąc pod wpływem ciepłych wód Morza Śródziemnego. Bardziej miarodajne jest porównanie miejscowości na zachodnich brzegach Ameryki i Europy, o podobnej szerokości geograficznej, jak Vancouver w Kanadzie i Brestu we Francji. Oba miasta mają klimat morski i porównanie ich zimowych temperatur pokazuje, że atlantycka cyrkulacja termohalinowa powoduje że zimowe brzegi Europy są cieplejsze o około 2°C niż zachodnie brzegi Ameryki. Aż dwa stopnie i tylko dwa stopnie, gdyż o tyle mniej więcej ociepliła się Polska od II wojny światowej.

Zmiany atlantyckiej cyrkulacji oceanicznej

Jednak nawet taka różnica temperatur jest istotna i z danych paleoklimatycznych wiemy, że zmiany cyrkulacji termohalinowej miały duże znaczenie przy końcu każdej epoki lodowej. Główną przyczyną wchodzenia i wychodzenia w taką epokę (glacjał) są powolne zmiany parametrów orbitalnych Ziemi (cykle Milankowicza), jednak gwałtownych ociepleń i ochłodzeń w ostatniej fazie każdego glacjału nie da się wyjaśnić bez zmian cyrkulacji termohalinowej. Z badań modelowych wiemy, że takie zmiany mogą być spowodowane dodaniem do powierzchniowych wód Atlantyku słodkiej wody, która powoduje, że ciepłe i słone wody napływające z południa toną „przedwcześnie”, zanim oddadzą ciepło atmosferze. Dlatego wylanie się do oceanu jezior lodowcowych, takich jak Jezioro Agassiz przy granicy lądolodu północnoamerykańskiego, czy ówczesnego Bałtyku (jeziora przy granicy lądolodu skandynawskiego), powodowało obserwowane w danych paleoklimatycznych gwałtowne oziębienia atmosfery w rejonie Atlantyku Północnego przy jednoczesnym ogrzaniu głębokich wód oceanicznych, których ciepło nie mogło przedostać się do atmosfery (tzw. zdarzenia Heinricha).

W okresie obecnego, trwającego 11500 lat okresu ciepłego – holocenu – tak gwałtowne zmiany cyrkulacji termohalinowej się nie zdarzały, z wyjątkiem jednego zimnego epizodu sprzed 8200 lat, spowodowanego najprawdopodobniej wylaniem do oceanu jeziora Agassiz, leżącego wówczas w rejonie dzisiejszej Zatoki Hudsona. Poza tym epizodem, dane paleoklimatyczne zdają się świadczyć o dużej stabilności cyrkulacji termohalinowej przez 8 tysięcy lat przed rozpoczęciem epoki przemysłowej. Natomiast w ciągu ostatnich 150 lat, dla których mamy w miarę dobre pokrycie globu danymi meteorologicznymi daje się zauważyć zmienność temperatur o największej amplitudzie w rejonie Północnego Atlantyku i odwrotnym znaku na północnej i południowej półkuli. Modele klimatyczne wskazują, że taki właśnie rozkład zmian temperatur powinien towarzyszyć zmianom cyrkulacji termohalinowej, niosącej wzdłuż Atlantyku duże ilości ciepła z półkuli południowej na północną. Zmienność ta wydaje się być cykliczna i ma okres około 65 lat. Jej miarą liczbową („indeksem”) jest tzw. Atlantycka Multidekadowa Oscylacja (AMO, Atlantic multidecadal oscillation), wyliczana jako anomalia temperatur powierzchniowych Północnego Atlantyku w stosunku do całej powierzchni Ziemi. Gdy AMO jest dodatnie (Północny Atlantyk cieplejszy), występuje na nim więcej huraganów, monsun południowoazjatycki jest silniejszy, a obszary na północ od Sahary (Sahel) są mniej suche. Ogólnie, dodatnie AMO oznacza cieplejszą północną półkulę, a zimniejsza południową, co powoduje przesunięcie deszczy tropikalnych na północ. Jest to zgodne z oczekiwaniami dla zwiększonej cyrkulacji termohalinowej i dlatego do niedawna prawie nikt nie wątpił w to, że AMO jest jej indeksem.

Wykres: zmiany indeksu AMO, widać kilkudekadowe okresy dominacji ciepłej i chłodnej fazy oscylacji na zmianę.

Rysunek 3: Indeks Atlantyckiej Multdekadowej Oscylacji (AMO), wyliczony jako pozbawiona trendu anomalia temperatur Północnego Atlantyku. Źródło: NOAA via Wikipedia.

Instrumenty pomiarowe

Dlaczego używamy temperatur powierzchniowych jako miary prądów morskich? Przyczyna jest prosta: brak innych danych. Dopiero od kilkunastu lat głębie oceanów badane są przy pomocą ponad 3000 dryfujących i nurkujących sond ARGO. W styczniu 2021 r. było ich 3903, z czego 11 wypuszczonych przez polskich naukowców z Instytutu Oceanologii PAN w Sopocie, jednak jest to za małe pokrycie dla precyzyjnego wyliczenia zmienności prądów morskich. Do tego potrzebne są mierniki nie zmieniające nieustannie pozycji, czyli tzw. mooringi – girlandy mierników podwieszonych na długich linach między dnem morskim, gdzie są zakotwiczone, a głębokością kilkudziesięciu metrów pod powierzchnią, gdzie znajduje się najwyższa z boi utrzymujących mooring w pionie (nie sięga on do powierzchni, aby nie został „wyłowiony” przez sieci rybackie). Pierwszy zestaw takich mooringów umożliwiający obliczenie przepływów związanych z cyrkulacją termohalinową postawiony został w ramach projektu RAPID w roku 2004 w poprzek Atlantyku, między Bahamami a Wyspami Kanaryjskimi wzdłuż szerokości geograficznej 26,5°N. Mooringi serwisowane są przez statki oceanograficzne raz w roku i tylko wtedy sczytywane są mierzone przez nie dane: prędkości prądów, temperatura i zasolenie. RAPID uzupełniany jest przez nieużywane już do celów łączności stare miedziane podmorskie kable telefoniczne między Florydą a Bahamami. Słona woda Prądu Zatokowego w obecności pola magnetycznego Ziemi wytwarza w nich potencjał elektryczny pozwalający, po wykalibrowaniu tych „mierników” przy pomocy pomiarów ze statków oceanograficznych, na nieprzerwany pomiar intensywności tego prądu.

Obecnie dysponujemy zatem bezpośrednimi pomiarami z jedynie 16-lat dla serii czasowej pomiarów cyrkulacji termohalinowej z jednego przekroju na 26,5°N oraz kilkuletnimi z projektu SAMOC-SAMBA na Południowym Atlantyku między Brazylią a RPA oraz OSNAP – szeregu mooringów między Labradorem, południowym cyplem Grenlandii i Irlandią, wspomaganych podwodnymi automatycznymi szybowcami. Niestety te szeregi pomiarowe są za krótkie, aby wyciągać z nich istotne statystycznie wnioski. Jednak nie oznacza to, ze nie były pilnie obserwowane i nie wpłynęły na myślenie klimatologów. Przejściowy, jak się potem okazało, spadek przepływów przez przekrój RAPID w latach 2008-2010, sprowokował całą serię artykułów o słabnięciu cyrkulacji termohalinowej. A ponieważ było oczywiste, że z serii danych o długości kilku lat nie da się wiele wywnioskować, wiele zespołów zaczęło szukać możliwości przedłużenia ich wstecz za pomocą pomiarów pośrednich („proxy”).

Rekonstrukcja dawnych zmian za pomocą proxy

Jedną z pierwszych prób stworzenia długiej serii czasowej cyrkulacji termohalinowej, innej niż indeks AMO, z definicji nie wykazujący trendu długoterminowego, była praca Rahmstorfa i współpracowników (Rahmstorf i in., 2015). Zauważyli oni, że widoczna w ostatnich latach „zimna plama” na południe of Grenlandii, w tzw. atlantyckim wirze subarktycznym występuje także w wynikach modeli klimatycznych przy osłabieniu cyrkulacji termohalinowej. Użyli anomalii temperatury tego obszaru w stosunku do reszty północnego Atlantyku jako nowego indeksu cyrkulacji termohalinowej i ogłosili wynik, który pokazywał, że maleje on od początku XX wieku. W składzie autorów byli tak wybitni klimatolodzy jak Stefan Rahmstorf, autor wielu przełomowych artykułów na temat cyrkulacji termohalinowej w okresach zlodowaceń oraz związku wzrostu poziomu morza z temperaturą globalna czy Michael Mann, autor słynnych rekonstrukcji zmian temperatury w okresie ostatnich dwóch tysięcy lat. Spowodowało to duże zainteresowanie mediów tą praca, chociaż zdania specjalistów były podzielone. Nowy indeks nie miał wiele wspólnego z obserwowanymi różnicami temperatur obu półkul (w przeciwieństwie do AMO) i był w sprzeczności z obserwowanymi regionalnymi trendami poziomu morza na wschodnim wybrzeżu USA, na które bezpośrednio wpływa intensywność cyrkulacji termohalinowej (McCarthy i in., 2015). W 2018 roku opublikowano kolejne dwie prace próbujące znaleźć dowody długoterminowego trendu malejącego cyrkulacji termohalinowej. Pierwszym był artykuł Caesar i in., 2018, rozwijający ideę indeksu opartego o temperatury okolic „zimnej plamy”, według którego jednak cyrkulacja termohalinowa maleje jedynie od połowy XX wieku. Drugim natomiast był Thornalley i in., 2018, używający jako proxy wielkości ziarenek z osadów przy wybrzeżu Karoliny Północnej na głębokości będącej pod wpływem wracających na południe mas wody, które zatonęły na Morzu Labradorskim. Według tej pracy, cyrkulacja termohalinowa zaczęła maleć już sto lat wcześniej, w połowie XIX wieku. Obie te prace wykryły intrygujące zmiany cyrkulacji termohalinowej, lecz nie powiązały ich bezpośrednio ze strumieniami ciepła płynącymi z południa Atlantykiem, o czym autorzy jednej z nich (Thornalley i in., 2018) piszą wprost.

Zdjęcie satelitarne: lód spływający z Arktyki wzdłuż wybrzeża Grenlandii.]

Rysunek 4: Lód morski spływający z Arktyki na południe, wzdłuż Grenlandii oraz jęzory lodowców spływające do morza. Zdjęcie satelitarne z 16.07.2015 zamieszczamy dzięki uprzejmości NASA’s Earth Observatory.

Sytuacja taka, w której pomimo rangi autorów i czasopism (większość z wymienionych prac ukazała się w prestiżowym Nature) środowisko nie do końca było przekonane o historycznym zmniejszaniu się cyrkulacji termohalinowej, stwierdzonym za pomocą bardzo pośrednich argumentów trwała przez następne dwa lata. Nie pomagał w tym fakt, że każdy z tych artykułów inaczej rekonstruował datę rozpoczęcia tego spadku (odpowiednio datując go na lata 1900, 1950 i 1850). Trudno zresztą było się zorientować w 2020 roku, jak wielu specjalistów jest przekonanych w wyniku… braku konferencji naukowych w czasie trwającej pandemii. W tej sytuacji duże zainteresowanie, także medialne, wywołane zostało opublikowaniem 25 lutego nowej pracy, dowodzącej, że cyrkulacja termohalinowa, pozostająca prawie niezmienna przez ponad 1000 lat, w połowie XIX wieku zaczęła słabnąć, najwyraźniej pod wpływem antropogenicznych emisji gazów cieplarnianych. Autorami tej pracy, Caesar i in., 2021, jest pięciu badaczy, w tym pierwsi autorzy wszystkich wymienionych wyżej prac oraz matematyk, który przeprowadził przedstawione w niej analizy.

To w końcu spowalnia czy nie..?

Czyżbyśmy zatem osiągnęli konsensus? Chyba wciąż nie. Uważniejsze przyjrzenie się tej pracy pokazuje, że analizy oparte są na tych samych danych, co wcześniejsze prace i jest to w sumie bardziej praca przeglądowa niż nowe odkrycie (pewnie dlatego redakcja Nature Geoscience przyjęła ją jako „krótki komunikat”, a nie artykuł badawczy). W dodatku konkluzja o zmniejszaniu się cyrkulacji termohalinowej od połowy XIX wieku jest w tym komunikacie oparta o dokładnie te same dane co w pracy Caesar i in., 2018.

ykres: Anomalie temperatury oceanu na podstawie danych pośrednich z ostatnich 1600 lat

Rysunek 5: Wybrane dane proxy będące podstawą rekonstrukcji cyrkulacji termohalinowej od roku 400 n.e. w pracy Caesar i in. 2021. Na wykresie zaznaczono artykuły z których pochodzą dane. Błękitna krzywa to rekonstrukcja z pracy Caesar i in., 2018.

Znacznie mniej mediów zauważyło opublikowanie 10 dni wcześniej innej pracy, Worthington i in., 2021, która podjęła próbę bezpośredniego przedłużenia wstecz serii pomiarów z profilu RAPID. Jej autorzy wykorzystali istniejące pomiary wielkości czysto oceanograficznych (zasolenia i temperatury) dla obliczenia anomalii gęstości wody morskiej w czterech warstwach. Metodą regresji liniowej stworzyli model rekonstruujący mierzone przez profil RAPID przepływy, wysoce (R=0.78) z nimi skorelowany. Ponieważ dane oceanograficzne pozwalające wyliczyć użyte w modelu gęstości istniały od początku lat 1980., pozwoliło to wykorzystać ten model statystyczny dla przedłużenia wstecz serii RAPID do roku 1981. Uzyskana w ten sposób rekonstrukcja wielkości cyrkulacji termohalinowej nie wykazuje żadnego istotnego statystycznie trendu w całym swoim okresie ponad 30 lat. Ponieważ jest to okres największych zmian wymuszeń związanych z emisjami antropogenicznymi gazów cieplarnianych, stawia to w wątpliwość tezę o tym, że ich wpływ na cyrkulację termohalinową daje się zauważyć w danych historycznych.

Wykres: Anomalie temperatury oceanu na podstawie danych pośrednich z ostatnich 1600 lat

Rysunek 6: Rekonstrukcja atlantyckiej cyrkulacji termohalinowej z pracy Worthington i in. 2021 (linia pomarańczowa), porównana z pomiarami z przekroju RAPID (niebieska). Na szaro zaznaczono wartości tej cyrkulacji zmierzone podczas brytyjskich rejsów oceanograficznych w latach 1981, 1992, 1998 i 2004. Jednostką przepływu jest sverdrup = 106 m3/s.

O czym to świadczy? Kto ma rację? Tak do końca to wciąż nie wiadomo. Praca pokazująca brak trendu w ostatnich 30 latach stosuje dane bardziej związane z wielkością cyrkulacji termohalinowej, ale także są to dane „proxy”. Debata naukowa trwa więc nadal i jeśli przyjrzeć się uważnie, obozy nie są nawet do końca rozdzielone (te dwa niedawne artykuły maja jednego wspólnego autora!). Można jednak zaryzykować stwierdzenie, że świadczy to o tym, że jak na razie nie wykazano w sposób przekonywujący, że trend spadkowy istnieje.

A gdyby faktycznie doszło do spowolnienia cyrkulacji termohalinowej? W ocieplającym się świecie będzie miało to zauważalny oziębiający wpływ na zimowe temperatury tylko na samym Atlantyku Północnym i ewentualnie na wyspach takich jak Islandia czy Irlandia, gdzie indziej najwyżej spowolni to nieco trendy ocieplanie się zimą.

Zrozumienie, jak wymuszenia antropologiczne wpływają na cyrkulacje oceaniczną ma samo w sobie praktyczne znaczenie naukowe – w szczególności może pozwolić na znaczne polepszenie prognoz długoterminowych.

Prof. Jacek Piskozub

Opublikowano: 22 marca 2021

Zasady komentowania na Nauka o klimacie

Nasza strona służy popularyzacji nauki. Chętnie odpowiadamy na pytania, ale nie akceptujemy spamu i dezinformacji.