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