Punkty krytyczne w systemie klimatycznym kojarzymy często z wydarzeniami, które miałyby katastrofalne konsekwencje, ale są mało prawdopodobne lub odległe w czasie – na przykład spowolnieniem (lub wręcz gwałtowne zatrzymaniem) cyrkulacji oceanicznej na Atlantyku czy rozpadem lądolodu Antarktydy Zachodniej. Tymczasem istnieją także punkty krytyczne, których przekroczenie jest bardzo prawdopodobne. Przykładowo, zachodzące jednocześnie wzrost temperatury, zakwaszanie i odtlenianie, wywołują w ekosystemach morskich liczne zmiany. W pewnym momencie mogą one rozpocząć niepowstrzymaną lawinę skutków, takich jak wymieranie kolejnych gatunków i nieodwracalne niszczenie kolejnych rodzajów ekosystemów. Kwestii tej przyjrzeli się autorzy nowego badania, opublikowanego w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences (Heinze i in., 2021).

Zdjęcie: wybielone koralowce, widać plątaninę cienkich, białych patyczków

Rysunek 1: Wybielone koralowce u wybrzeży Australii. Zdjęcie: Matt Kieffer (licencja CC BY SA 2.0).

Ocieplenie, zakwaszenie i odtlenienie

Oceany są gigantycznym zbiornikiem ciepła i węgla (zgromadzonego w organizmach i unoszącego się w wodzie w postaci jonów węglanowych czy wodorowęglanowych). Od początku rewolucji przemysłowej pochłonęły około 30-40% wyemitowanego przez ludzkość CO2 oraz 93% energii zakumulowanej w ziemskim systemie klimatycznym w wyniku zaburzenia przez nas bilansu energetycznego planety.

Gdyby nie to, wzrost temperatury powierzchni Ziemi, byłby znacznie większy niż zanotowany dotychczas. Ma to jednak określone konsekwencje dla oceanów: wzrost temperatury wód i częstsze fale morskich „upałów”, zakwaszenie (spadek pH wód oceanicznych, które stają się mniej zasadowe, patrz 20 faktów o zakwaszaniu oceanów) oraz odtleniania (spadku zawartości tlenu w wodzie, patrz Globalne ocieplenie, prądy morskie i życie w oceanach). Skutkiem może być przekraczanie szeregu regionalnych punktów krytycznych, co może się jednak przełożyć także na zjawiska w większej skali.

Wzrost temperatury

Każdy gatunek ma fizjologiczny zakres temperatur środowiska, w którym może przebywać. Podobnie jak ludzie i gatunki lądowe, większość organizmów morskich jest wrażliwa na ocieplenie powyżej pewnego progu. Nie potrzeba do tego nawet trwałego wzrostu średniej temperatury – wystarczą relatywnie krótkie epizody. Przykładem są morskie fale upałów zagrażające rafom koralowym – np. australijskiej Wielkiej Rafie Koralowej, która w wyniku wysokich temperatur wody coraz częściej ulega blaknięciu. Szacuje się, że wzrost średniej globalnej temperatury o 1,5°C doprowadzi do zniknięcia 70-90% ekosystemów płytkowodnych raf tropikalnych, a ocieplenie o 2°C przyniesie ich niemal całkowitą zagładę (IPCC 2018).

 Zdjęcie rady koralowej, widoczne kolorowe podłoże i mnóstwo małych, kolorowych rybek

Rysunek 2: Rafa koralowa jest domem dla wielu żywych organizmów. Zdjęcie: Jadhav Vikram, (licencja CC BY-SA 4.0)

Śmierć koralowców uruchomi kaskadę zmian, bo ekosystemy te odgrywają ważną rolę w ochronie wybrzeży przed erozją, stanowią miejsce wylęgania narybku, żerowania ryb oraz innych organizmów itd. Koralowce są przykładem, że wzrost temperatury eliminujący nawet pojedynczą grupę wrażliwych organizmów może zaburzać funkcjonowanie całych ekosystemów i łańcuchów pokarmowym od fitoplanktonu po ssaki morskie. Odtlenianie

Większość organizmów morskich może żyć tylko w wodzie o wystarczająco wysokim stężeniu rozpuszczonego tlenu. Wzrost temperatury bezpośrednio prowadzi do zmniejszenia rozpuszczalności tlenu w wodzie, dodatkowo zaś prowadzi do gorszego mieszania, co zmniejsza transport tlenu z powierzchni w głąb oceanu (patrz Kolejny problem zmiany klimatu: odtlenianie oceanów, Coraz większe rozwarstwienie w oceanie). Co gorsza, spływ substancji odżywczych z lądu, na przykład ścieków komunalnych czy nawozów z rolnictwa – zwiększa produktywność biologiczną w obszarach przybrzeżnych, zaburzając ekosystemy i nasilając odtlenienie (patrz animacja przedstawiająca proces eutrofizacji w Bałtyku). Konsekwencje dla organizmów morskich są bardzo poważne, negatywnie wpływając na zasięg występowania gatunków i rozmiar osobników, zdolność do rozmnażania i możliwość przetrwania.

Zdjęcie: Ślimak morski. Przezroczysta, spiralna muszla z uszkodzeniami spowodowanymi zakwaszeniem oceanu

Rysunek 3: Ślimak morski wykazujący objawy uszkodzeń wynikających z zakwaszenia oceanu. Uwagę zwracają poszarpane, ulegające rozpuszczeniu grzbiety muszli na górnej powierzchni, zmętnienia w prawej dolnej ćwiartce oraz poważne przetarcia i osłabione miejsca w pozycji 6:30 na dolnym zwoju muszli. Zdjęcie: NOAA (licencja CC BY-NC-ND 2.0).

Zakwaszanie

Emitując dwutlenek węgla do atmosfery zaburzamy równowagę chemiczną (precyzyjniej – ciśnień parcjalnych) tego gazu między atmosferą i wodami powierzchniowymi oceanów. W rezultacie zaczynają one pochłaniać coraz więcej CO2, co prowadzi do ich zakwaszania się (spadku wskaźnika pH), a także spadku koncentracji jonów węglanowych CO32-. To właśnie niedobór tych jonów ma negatywny wpływ na rafy koralowe oraz organizmy budujące z węglanu wapnia swoje muszle i szkieleciki (patrz Mit: Zakwaszanie oceanu nie szkodzi morskim stworzeniom). Należą do nich nie tylko koralowce, ale też małże (takie jak ostrygi, czy omułki), ślimaki i różne gatunki planktonu pełniące bardzo ważną rolę w morskim łańcuchu pokarmowym. Obecnie obserwowane zakwaszenie jest najprawdopodobniej bezprecedensowe w ciągu ostatnich 65 milionów lat. Prognozy wskazują, że obniżone pH będzie się utrzymywać, a nawet dalej spadać przez wiele stuleci, nawet przy ograniczeniu emisji dwutlenku węgla do zera netto (IPCC 2018).

Suma złego

Każdy z procesów: wzrost temperatury, odtlenianie i zakwaszanie, sam w sobie może stanowić istotne zagrożenie. Gdy działają łącznie, i w dodatku w połączeniu z innymi czynnikami antropogenicznymi, takimi jak przełowienie, wysoki napływ składników odżywczych z lądu lub gatunki inwazyjne, mogą doprowadzić do bardzo poważnych zmian w oceanach i ich ekosystemach. Obserwowane na całym świecie zmiany lokalne i regionalne już teraz są niepokojące. Stan zagrożenia, z którym mamy do czynienia, ilustruje rysunek 4.

apa świata z zaznaczonymi obszarami narażonymi na przekroczenie oceanicznych punktów krytycznych

Rysunek 4. Zagrożenia przekroczenia punktów krytycznych ekosystemów morskich. Źródło Heinze i in., 2021

Stres działający na ekosystem może narastać stopniowo i prawie niezauważenie w miarę, jak postępują wzrost temperatury, odtlenianie czy zakwaszanie. Trzeba jednak pamiętać, że zjawiska te podlegają też pewnym naturalnym fluktuacjom i co jakiś czas pojawiają się zdarzenia ekstremalne, to znaczy silne wahnięcia (odchylenia od średniej) temperatury, kwasowości czy natlenienia wody. Gdy znajdujemy się blisko punktu krytycznego, jedna „pechowa” morska fala upałów może doprowadzić do jego przekroczenia. O ile ekosystem po takim pojedynczym zdarzeniu często jest w stanie się zregenerować, to w miarę postępowania zmiany klimatu i coraz częstszych sytuacjach ekstremalnych będzie się to stawać coraz trudniejsze. Tak dzieje się w przypadku tropikalnych raf koralowych. Od 1997 roku obserwuje się coraz bardziej rozległe epizody ich wybielania, wydłuża się także czas (aktualnie do około 15 lat) potrzebny do tego by rafa mogła się „odnowić” , o ile w ogóle jest to w konkretnym przypadku możliwe. Zwiększenie częstotliwości morskich fal upałów uniemożliwia poprawę stanu rafy przed kolejnym epizodem wybielania, co w konsekwencji prowadzi do jej całkowitego zamarcia. Prognozy wskazują, że dla scenariusza RCP8.5 (tzw. „biznes jak zwykle”) na koniec wieku fale morskich upałów będą pojawiały się 50 razy częściej niż w czasach preindustrialnych i „jedynie” 20 razy częściej dla scenariusza RCP 2.6 (dużej redukcji emisji). Do tego intensywność fal upałów dla scenariusza „biznes jak zwykle” zwiększy się 10-krotnie (IPCC 2019).

Przyszłe, „zagwarantowane” problemy

Ciepło i węgiel organiczny są absorbowane przez oceany na ich powierzchni. Ponieważ procesy mieszania przebiegają powoli (powierzchniowe wody oceanów docierają w głębiny po upływie setek, a nawet ponad tysiąca lat) wody powierzchniowe szybko nagrzewają się, odtleniają i zakwaszają.

Rysunek 5: Skala czasowa wielkoskalowego mieszania wód oceanicznych i cyrkulacji. Kolory przedstawiają temperaturę wody, od najcieplejszej do najchłodniejszej: czerwony, pomarańczowy, żółty, niebieski, fioletowy. Liczby na rysunku pokazują średni wiek mas wody głębinowej od czasu ich ostatniego kontaktu z atmosferą. Źródło Heinze i in., 2021

Jednak po latach, wyniku mieszania i transportu przez cyrkulację głębinową ten nadmiar ciepła i węgla pierwiastkowego będzie stopniowo trafiał w głębiny oceaniczne, poważnie zmieniając panujące tam warunki środowiskowe. Te zmiany będą trwać tysiące lat, nawet w przypadku realizacji scenariuszy zakładających znaczne i szybkie ograniczenie emisji.

Konsekwencje są trudne do przewidzenia, ale wśród zjawisk, których możemy się spodziewać są m.in. silniejsza stratyfikacja wód oceanicznych (sama w sobie prowadząca do szeregu negatywnych zjawisk, patrz Coraz większe rozwarstwienie w oceanie), poważne zaburzenia w ekosystemach (Ocieplenie oceanów – co oznacza i czym się może skończyć?, Globalne ocieplenie, prądy morskie i życie w oceanach), wzrost poziomu morza (w tym przez roztapianie od dołu lądolodu Antarktydy – Rozpad lądolodu Antarktydy Zachodniej nieunikniony), zatrzymanie (lub wręcz odwrócenie) cyrkulacji oceanicznej, destabilizacja pokładów hydratów metanu na dnie oceanu, daleko posunięta anoksja, rozkwit bakterii siarkowych, czyli może powtórzyć się scenariusz Wielkiego Wymierania (Klimat dawnych epok: wielkie wymierania, Klimat przyszłości: wyprawa w nieznane, Ziemia „stabilna” czy „cieplarniana”?).

Czy można uniknąć przekroczenia tych punktów krytycznych?

1) Im bardziej ograniczymy emisje CO2 i innych gazów cieplarnianych, tym skuteczniej nadmiarowe ciepło i węgiel będą mogły zostać odprowadzone w głębiny oceaniczne, a w rezultacie tym mniejsza będzie akumulacja ciepła i węgla na powierzchni, zapobiegając przekroczeniu punktów krytycznych na powierzchni i w powierzchniowych warstwach oceanu.

2) Im mniejsze będą skumulowane emisje CO2, tym mniej ciepła i węgla trafi w głębiny oceaniczne, redukując ryzyko nastąpienia wielkoskalowych nieodwracalnych (w ludzkiej skali czasowej) zmian we Wszechoceanie.

Marcin Popkiewicz, konsultacja merytoryczna prof. Jan M. Węsławski

Opublikowano: 15 marca 2021

Zasady komentowania na Nauka o klimacie

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