Skwar w oceanie, część 1: coraz dłuższe morskie fale gorąca

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?).

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).

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