Oceany pochłaniają ogromną część energii gromadzącej się w ziemskim systemie klimatycznym. To powoduje ich stopniowe nagrzewanie, ale także (podobnie jak na lądach), nasilenie zjawisk ekstremalnych. Morskie fale gorąca są coraz bardziej dotkliwe i występują coraz częściej (zobacz też: Ocieplenie oceanów – co oznacza i czym się może skończyć?).
Morskie fale gorąca to okresy nadzwyczajnie wysokich temperatur powierzchni morza (zdefiniowanych jako przekroczenie 90 percentyla średniej temperatury powierzchni dla danej pory roku w okresie 30-letnim) trwających co najmniej 5 kolejnych dni.
Przyczyną ich pojawiania się są:
- długo utrzymujące się wielkoskalowe, atmosferyczne systemy synoptyczne (układy wysokiego i niskiego ciśnienia atmosferycznego),
- zmiany w transporcie ciepła przez oceany np. w wyniku wzmocnienia prądów morskich),
- oscylacje atmosfera-oceany takie jak ENSO czy PDO.
Najczęściej mamy do czynienia z kombinacją tych czynników, a ich współoddziaływanie wpływa na intensywność morskiej fali gorąca (Oliver i in., 2018, Smale i in., 2019, Holbrook i in., 2019).
Wyże i prądy
Tworzenie się rozległych, stacjonarnych obszarów wysokiego ciśnienia jest odpowiedzialne za dużą część ekstremalnych morskich fal gorąca w tropikach. Zmniejszona prędkość wiatrów w takich miejscach powoduje ograniczenie przepływów ciepła między oceanem a atmosferą oraz pionowego mieszania wody, dzięki któremu w normalnych warunkach zimniejsze wody z głębszych warstw wynoszone są bliżej powierzchni. Dodatkowo słabszy jest wtedy dopływ chłodniejszych wód z okolic biegunów, a małe zachmurzenie sprzyja nagrzewaniu wierzchniej warstwy wody przez promieniowanie słoneczne. Ten mechanizm ma jednak znaczenie także w przypadku fal gorąca poza tropikami. Przykładem jest zdarzenie w latach 2014-2016 na północno-wschodniej części Oceanu Spokojnego (tzw. The Blob). Obszar ten zresztą, obok części tropikalnego Pacyfiku, jest miejscem, gdzie średni czas trwania morskich fal gorąca wydłużył się najbardziej od 1925 r. – o ok. 30 dni (Oliver i in., 2018, Smale i in., 2019, Gupta i in., 2020, Tanaka i Van Houtan, 2022).
Powodem jest rosnąca średnia temperatura powierzchni mórz, a fale gorąca są bardziej dotkliwe w regionach, gdzie ten wzrost jest szybszy. Dotyczy to np. części Oceanu Spokojnego w okolicy południowo-wschodniego wybrzeża Australii. Średnie temperatury wody rosną tutaj prawie 4 razy szybciej od średniej światowej, a ocieplenie jest notowane nawet na głębokości 750 m. Przyczyną jest wzmocnienie Prądu Wschodnioaustralijskiego, który przynosi ciepłe wody tropikalne na wybrzeża Australii i Nowe Zelandii. Gdy różne czynniki sprzyjają jego „wlaniu się” dalej na południe, może to wywołać morską falę gorąca na średnich szerokościach geograficznych.
Taka sytuacja miała miejsce w 2015/2016 r. na Morzu Tasmana, a fala ta była rekordowa pod względem czasu trwania (251 dni) i intensywności (anomalia ok. 3°C). W przeciwieństwie do zdarzeń wywoływanych głównie czynnikami atmosferycznymi, te powodowane czynnikami oceanicznymi mogą sięgać bardziej w głąb oceanu i to właśnie zaobserwowano w tym przypadku. To co dzieje się głębiej jest jednak słabiej zbadane, choć wiadomo, że np. ocieplanie wód głębinowych przyczynia się do podmywania lodowców szelfowych (zobacz też: Ciepły ocean i wrażliwe lodowce) (Oliver i in., 2017, Viglione, 2021).
Interakcje między atmosferą a oceanami
Podobny mechanizm był także odpowiedzialny za ekstremalne zdarzenie w 2011 r. na zachodnim wybrzeżu Australii. W lutym i kwietniu wzmocnieniu uległ, zazwyczaj słaby podczas australijskiego lata, prąd Leeuwin, niosący wody o temperaturze ok. 30°C z Oceanu Indyjskiego. Temperatura powierzchni wody wzdłuż zachodniego wybrzeża Australii potrafiła w ciągu kilku dni podnieść się o kilka stopni, co na części odcinków doprowadziło do masowej śmierci ryb. Anomalia osiągała 3°C powyżej średniej dla letnich miesięcy, a w niektórych miejscach nawet 5°C. Wzmocnienie prądu Leeuwin było związane z niemal rekordową La Niñą 2010/11 r., a nietypowe wiatry północne, występujące w tym czasie, dodatkowo osłabiały utratę ciepła z oceanu do atmosfery (Feng i in., 2013, Viglione, 2021).
Morska fala gorąca w Australii 2011 r.
Przejście ENSO z fazy El Niño na La Niñę w 2011 r. wynikało w dużej mierze ze wzmocnienia wschodnich wiatrów (tzw. pasatów) wiejących w równikowej części zachodniego Pacyfiku. Tym, co na nie silnie wpłynęło, było ocieplenie Oceanu Indyjskiego w połowie 2010 r. Jednak trend wzmacniania siły wiatrów wschodnich na równiku widoczny był już od lat 90. i był związany z trwającą negatywną fazą Dekadowej Oscylacji Pacyficznej. Od 2 dekad obserwowano też wzrost poziomu morza wzdłuż zachodniego wybrzeża Australii, przesunięcie bardziej na zachód obszaru ciepłej wody na zachodnim Pacyfiku oraz wzrost zawartości ciepła w przypowierzchniowej warstwie południowo-wschodniej części Oceanu Indyjskiego.
W ten region Oceanu Indyjskiego zmierza prąd Leeuwin. Kształtowaniu się La Niñy na przełomie 2010/11 towarzyszyło dalsze wzmacnianie wschodnich wiatrów, spiętrzających wody, przepychane od strony Ameryki Południowej, m.in. w okolicy północnego i północno-wschodniego wybrzeża Australii. Spowodowało to nietypowe zachowanie prądu Leeuwin. Na ogół jest on słabszy w czasie australijskiego lata m.in. z powodu przeciwnych wiatrów południowych.
Jednak australijskim latem 2010/2011 jego siła była nietypowo wysoka na skutek silnych wiatrów wschodnich, a wiatry południowe dużo słabsze niż zazwyczaj. Ich osłabienie związane było z negatywnymi anomaliami ciśnienia atmosferycznego obserwowanymi w południowo-wschodniej części Oceanu Indyjskiego w „szczycie” La Niñy. Spowodowało to „wlanie się” prądu Leeuwin dalej niż zazwyczaj na południe, czego skutkiem było ogrzanie wód regionu zachodniego wybrzeża Australii między 21 lutego a 6 marca. Dodatkowo osłabienie wiatrów południowych spowodowało mniejszy przepływ ciepła z wody do atmosfery. Skutkiem były anomalie temperatury powierzchni morza sięgające w tym okresie 5°C w stosunku do średniej z 2000–2009. Feng i in., 2013
Także El Niño może powodować wzmocnienie intensywności, czasu trwania i zasięgu morskiej fali gorąca. Dotyczy to zresztą nie tylko tropikalnej części Pacyfiku, gdzie zjawisko to występuje. Na przykład silne El Niño z przełomu 2015/16 r. przyczyniło się nie tylko do pojawienia się morskiej fali gorąca na wybrzeżu północnej Australii w 2016 r. ale i do wydłużenia oraz wzmocnienia Bloba na północno-wschodnim Oceanie Spokojnym. Nie miało jednak ono żadnego lub minimalny wpływ na opisane wyżej zdarzenie na Morzu Tasmana, co pokazuje, że mechanizmy powstawania fal gorąca są złożone (Oliver i in., 2017, Gupta i in., 2020, Tanaka i Van Houtan, 2022).
To nie przez naturalne oscylacje
Tym co niewątpliwie jednak ma znaczenie dla wzrostu intensywności morskich fal gorąca jest zmiana klimatu. Według badań atrybucyjnych pojawienie się na Morzu Tasmana tak długiej fali gorąca jak ta w 2015/16 r., byłoby praktycznie niemożliwe, gdyby nie antropogeniczna zmiana klimatu. Wymuszenia związane z emisjami gazów cieplarnianych z działalności ludzi podniosły bowiem prawdopodobieństwo tego zdarzenia aż 330 razy w stosunku do samych wymuszeń naturalnych. Ogółem już teraz prawie 90% morskich fal gorąca można przypisać antropogenicznej zmianie klimatu, przy 2°C globalnego ocieplenia będzie to praktycznie 100% (Frölicher i in., 2018, Yang i in., 2018).
Zwiększanie częstotliwości występowania morskich fal gorąca i ich wydłużanie doprowadziło do tego, że liczba upalnych dni wzrosła od 1925 r. o ok. 50%. Dla ok. 80% powierzchni Wszechoceanu oznacza to, że rekordowe fale trwają obecnie średnio 40-160 dni, a na części pozostałego obszaru – nawet 250. Te długotrwałe upały oznaczają dalszy wzrost średnich temperatur na wielu akwenach. Z tego powodu część naukowców wskazuje, że być może mamy już do czynienia nie z ekstremami, ale nową normą. Według Tanaki i Van Houtana można określić, że mamy do czynienia z normą, gdy ponad 50% danego obszaru doświadcza ekstremalnego ciepła. W przypadku niektórych części Wszechoceanu nastąpiło to już w 2014 r., a w 2019 r. miało to miejsce na prawie 60% powierzchni Wszechoceanu. Na przełomie XIX i XX w. takie zdarzenia obejmowały zaledwie ok. 2%.
Utrzymujące się nietypowo wysokie temperatury wody powodują, że w części mórz, szczególnie na niskich szerokościach m.in. tam, gdzie występują tropikalne rafy koralowe, pojawiają się już teraz znacząco inne, „nowe” klimaty. Przykładem takiego długotrwałego ocieplenia jest też wschodni Pacyfik w latach 2014-2016 (The Blob), gdzie lokalne anomalie sięgały 6°C, a wysokie temperatury wierzchnich warstw wody doprowadziły do poważnych zaburzeń w ekosystemach. Prawdopodobieństwo wystąpienia tego zdarzenia zmiana klimatu zwiększyła aż 50 razy (zobacz też: Skwar w oceanie. Część 2: Zamierające ekosystemy – dostępne już wkrótce) (Oliver i in., 2018, Smale i in., 2019, Gupta i in., 2020 Tanaka i Van Houtan, 2022).
Malejące magazyny węgla organicznego
Morskie fale gorąca wpływają katastrofalnie nie tylko na żyjące w oceanach organizmy. Oddziałują także na cykl węglowy m.in. niszcząc morskie magazyny węgla organicznego. Jak wskazuje Dan Smale, badacz w brytyjskim Marine Biological Association: „Na całym świecie morskie fale upałów stają się częstsze i dłuższe, a rekordowe zdarzenia były notowane w ostatniej dekadzie na większości basenów oceanicznych. Węgiel zgromadzony przez łąki morskich traw i namorzyny może zostać uwolniony, gdy zostaną one dotknięte przez [takie] ekstremalne temperatury”.
Miało to miejsce np. w przypadku fali gorąca na zachodnim wybrzeżu Australii w 2011 r. Znajdująca się tam Zatoka Rekina to największy światowy magazyn węgla organicznego zgromadzonego przez ekosystemy traw morskich. Zawiera szacunkowo ok. 1,5% globalnych „zapasów” znajdujących się w jednometrowej warstwie osadów na łąkach traw morskich. W wyniku fali upałów uszkodzeniu uległo ok. 1/3 tych siedlisk w Zatoce Rekina, co na 3 lata podniosło australijskie emisje gazów cieplarnianych ze zmian użytkowania terenu o 4-21% rocznie.
Zwiększone emisje CO2 i CH4 blisko wybrzeża stwierdzono także podczas fali upałów na Bałtyku w 2018 r. 30 lipca temperatura wody nad dnem morskim na głębokości ok. 30 m na stacji Tvärminne w południowej Finlandii osiągnęła ponad 20,5°C. Był to rekord w ponad 90 letniej historii obserwacji w Tvärminne. Odnotowane wtedy emisje gazów cieplarnianych z osadów były pod względem natężenia podobne do tych, które maksymalnie osiągają arktyczne jeziora czy bagna.
W osadach blisko wybrzeży gromadzi się dużo materii organicznej, szczególnie blisko ujść rzek. Przy wyższych temperaturach wody ulega ona szybszemu rozkładowi. Badania eksperymentalne pokazują, że przy wzroście temperatury wody o jedyne 2°C tempo rozkładu beztlenowego w osadach zwiększa się o 40%. W Bałtyku już teraz średnia temperatura wody na głębokości ok. 30 m jest w niektórych miejscach (np.: na fińskim wybrzeżu) wyższa o 2°C niż w latach 90. Morskie fale upałów mogą też zmniejszać pochłanianie CO2 przez oceany poprzez wpływ na „pompę biologiczną”, czyli funkcjonujące w oceanach organizmy żywe pobierające, wydalające, i przekazujące sobie nawzajem związki węgla (zobacz też: Oceany będą pochłaniały coraz mniej dwutlenku węgla) (Arias-Ortiz i in., 2018, Humborg i in., 2019, Traving i in., 2021).
Temperatura a wymiana gazowa między oceanem i atmosferą
Ocieplenie wody oznacza, m.in. ze względu na rozkład materii organicznej w osadach, więcej CO2rozpuszczonego w wodzie. Temperatura wody (oraz powietrza) wpływa także na bilans wymiany CO2 pomiędzy oceanem a atmosferą. Badania wpływu długotrwałych morskich fal gorąca (powyżej 38 dni i z anomalią pow. 2,3°C) pokazały, że w regionach tropikalnego Pacyfiku zmniejszają one uwalnianie CO2 do atmosfery o nawet ok. 40%, a na północnym – zmniejszają pobór CO2 przez wody morskie o ok. 30%. Biorąc pod uwagę, że oceany absorbują ok. 1/4 antropogenicznych emisji każda zmiana w tych przepływach może mieć wpływ na wzrost globalnej temperatury (Oliver i in., 2018, Mignot i in., 2022).
Morskie fale gorąca, susze i ulewy
Morskie fale gorąca mają także wpływ na to, co dzieje się na lądach. Na przykład stacjonarny grzbiet wysokiego ciśnienia atmosferycznego, związany z Blobem zapobiegał docieraniu przez zimowe sztormy do zachodniego wybrzeża USA. Przyczyniło się do susz na całym tym obszarze. Morska fala gorąca na Morzu Tasmana w 2015/16 r. prawdopodobnie wpłynęła na wzrost intensywności opadów, które spowodowały powodzie w północno-wschodniej Tasmanii w styczniu 2016. Podobna sytuacja miała miejsce w przypadku peruwiańskiej morskiej fali gorąc na początku 2017 r., która wywołała silne opady i powodzie na zachodnim wybrzeżu tropikalnej części Ameryki Południowej oraz przyległych częściach Andów. Także fale gorąca na Morzu Śródziemnym mogą przyczyniać się do ekstremalnych upałów oraz epizodów silnych opadów nad centralną częścią Europy (zobacz też: Drzewka pomarańczowe? Raczej susze i grad.) (raport IPCC „Oceany i kriosfera w zmieniającym się klimacie”, 2019).
Gorąca przyszłość
Im bardziej będzie rosnąć globalna temperatura tym bardziej ekstremalnych morskich fal gorąca możemy się spodziewać. Przy średniej temperaturze ok. 3°C, którą przy obecnym tempie emisji możemy osiągnąć do końca XXI w., ekstremalne fale gorąca, które w czasach przedindustrialnych miały miejsce typowo raz na setki a nawet tysiące, będą zdarzać się prawdopodobnie co kilka lat lub dekad. Pod koniec wieku morskie fale gorąca będą trwały średnio globalnie 112 dni – dla porównania w latach 80. było to ok. 25 dni. Największe zmiany prognozowane są dla zachodniej części Pacyfiku i okolic Arktyki.
Będzie to miało katastrofalny wpływ na morskie organizmy oraz ekosystemy. W wielu miejscach rośliny i zwierzęta będą narażone na temperatury przekraczające granice ich tolerancji fizjologicznej. Wpłynie to na lokalne rybołówstwo, ale także na morskie magazyny węgla organicznego. Ograniczenie tempa ocieplania Ziemi może złagodzić te negatywne skutki – przy średniej temperaturze Ziemi nie przekraczającej 1,5°C prawdopodobieństwo pojawiania się morskich fal gorąca będzie o ok. 40% mniejsze niż przy 3,5°C , a czas ich trwania – o 35%. Zmniejszy to ich negatywny wpływ na morskie organizmów i klimat oraz częstotliwość i intensywność katastrof naturalnych w niektórych regionach świata (zobacz też: Oceany będą pochłaniały coraz mniej dwutlenku węgla) (Frölicher i in., 2018, Oliver i in., 2018, Laufkötter i in., 2020).
Anna Sierpińska, konsultacja merytoryczna prof. Jacek Piskozub
Fajnie, że tu jesteś. Mamy nadzieję, że nasz artykuł pomógł Ci poszerzyć lub ugruntować wiedzę.
Nie wiem, czy wiesz, ale naukaoklimacie.pl to projekt non-profit. Tworzymy go my, czyli ludzie, którzy chcą dzielić się wiedzą i pomagać w zrozumieniu zmian klimatu. Taki projekt to dla nas duża radość i satysfakcja. Ale też regularne koszty. Jeśli chcesz pomóc w utrzymaniu i rozwoju strony, przekaż nam darowiznę w dowolnej wysokości