• <

Coraz większe rozwarstwienie w oceanie

Strona główna Rybołówstwo, ekologia Coraz większe rozwarstwienie w oceanie
Coraz większe rozwarstwienie w oceanie - GospodarkaMorska.pl
Wypuszczanie autonomicznej, nurkującej boi mierzącej temperaturę i zasolenie wody na różnych głębokościach. Zdjęcie zaczerpnięte ze strony Argo Program.

sons

23.12.2020 Źródło: Nauka o Klimacie

W wyniku ocieplania się klimatu, bardzo dużo energii gromadzi się w powierzchniowych warstwach oceanu. Utrudnia to wymianę ciepła, składników odżywczych czy rozpuszczonych w wodzie gazów (tlenu i dwutlenku węgla) pomiędzy różnymi głębokościami i ma poważne znaczenie dla licznych zjawisk zachodzących w oceanie i atmosferze.

Kiedy obserwujemy wzburzone morze, możemy mieć wrażenie, że pochodząca z różnych głębokości woda cały czas dokładnie się w nim miesza. W rzeczywistości taki efekt występuje przede wszystkim tuż przy powierzchni oceanu. Jeśli spojrzymy na jego przekrój aż do dna, zobaczymy, że często powstają w nim ułożone jedna nad drugą warstwy wody różniące się temperaturą, zasoleniem, natlenieniem itd. Takie rozwarstwienie nazywamy stratyfikacją. W typowej sytuacji, warstwy o mniejszej gęstości znajdują się na powierzchni, a te o większej gęstości – głębiej. Takie ułożenie, zwane stratyfikacją stabilną, sprawia, że mieszanie się wody między poszczególnymi warstwami (a więc odpowiednio wymiana ciepła, węgla, tlenu czy składników odżywczych pomiędzy nimi) jest utrudnione: nawet jeśli coś popchnie gęstszą wodę do góry, to opadnie ona z powrotem na swoje miejsce.

Wraz z gwałtownym wzrostem średniej temperatury Ziemi różnice w gęstości pomiędzy wodą na poszczególnych głębokościach rosną, a więc stratyfikacja wód oceanicznych staje się coraz bardziej stabilna. Skąd się to bierze? Rosnące stężenie gazów cieplarnianych powoduje zmianę bilansu energetycznego Ziemi, przez co system klimatyczny naszej planety gwałtownie akumuluje energię. Ponad 90% tej energii (w ostatnich latach odpowiadającej średnio ekwiwalentowi energii wybuchów pół miliona bomb atomowych takich, jak ta zrzucona na Hiroszimę w 1945 r., Cheng i in., 2020.) trafia do oceanów. W pierwszym rzędzie nagrzewają się wody powierzchniowe (absorbujące promieniowanie słoneczne i pozostające w kontakcie z atmosferą). To one przede wszystkim podlegają termicznemu rozszerzaniu, co powoduje spadek ich gęstości. Dotarcie „sygnału ocieplenia” w głębiny wymaga dużo więcej czasu, stąd zróżnicowanie gęstości pomiędzy poszczególnymi poziomami w oceanie rośnie.

Dotychczas nie byliśmy pewni, jak szybko zachodzi ten proces. Szacunki tempa stabilizacji stratyfikacji wód oceanicznych były ograniczone do powierzchniowych warstw wody w zakresie 0-200 m i pomijały lokalne zróżnicowanie zmian gęstości. W 5 Raporcie IPCC z 2013 r. termiczna stratyfikacja wód oceanów została oszacowana w oparciu o zmianę średniej różnicy ich temperatur między głębokościami 0 i 200 m. Tak oszacowane wzmocnienie stratyfikacji (mierzonej współczynnikiem N2) dla okresu 1971-2010 wyniosło ok. 4%, czyli 1% na dekadę, zakres niepewności nie został podany. W nowszym specjalnym raporcie IPCC SROCC dotyczącym oceanów i kriosfery z 2019 r. oszacowano tempo wzrostu stabilności podobnie, 0,85%±0,04% na dekadę.

Dla dociekliwych: współczynnik N2 (kwadrat częstotliwości Brunt-Väisälä) jest zdefiniowany jako

N2 = -(g/ρ) dρ/dz

gdzie g jest przyspieszeniem grawitacyjnym, a ρ(z) jest gęstością w zależności od wysokości/głębokości z. Wykorzystanie tego współczynnika oznacza, że uwzględniamy łączny wpływ temperatury i zasolenia na gęstość poszczególnych warstw wody.

Żeby zrozumieć to pojęcie, przyjrzyjmy się małej objętości płynu (np. w baloniku) umieszczonego w zbiorniku, w którym gęstość zmienia się wraz z głębokością. Balonik z płynem, popchnięty w pionie, będzie doświadczał działającej na niego siły wynikającej z różnicy gęstości między cieczą w baloniku a otoczeniem. Jeśli siła ta będzie działać w kierunku pozycji wyjściowej balonika, mówimy o stabilnej stratyfikacji, a balonik będzie oscylować (wychylać się na zmianę do góry i do dołu) względem punktu początkowego – w tym przypadku N2>0, a częstość kołowa oscylacji wynosi N. Im wartość ta jest większa, z tym silniejszą stratyfikacją mamy do czynienia. Jeśli z kolej siła będzie działać w kierunku przeciwnym – od punktu początkowego (N2<0), stratyfikacja jest niestabilna – w tym przypadku będziemy mieć do czynienia z konwekcją lub mieszaniem.

W oszacowaniach stabilności stratyfikacji omawianych w tekście w miejsce dρ/dz zastosowano przybliżenie Δρ/Δz, gdzie Δρ to różnica gęstości między warstwą powierzchniową w oceanie i warstwą o Δz = 200m głębiej.

Rozbudowa sieci pomiarowych umożliwiła uzyskanie dobrych danych dotyczących zmian temperatury i zasolenia w oceanach do głębokości 2000 m. Praca, opublikowana ostatnio w czasopiśmie Nature Climate Change Li in., 2020 [pełna wersja] pt. Wzrost stratyfikacji oceanów w ostatnim półwieczu (Increasing ocean stratification over the past half-century) pokazuje, że w latach 1960-2018 stratyfikacja oceanów (mierzona tym razem współczynnikiem kwadratu częstotliwości oscylacji cząstki płynu odchylonej od stanu równowagi N2,  wzrosła o 5,3%.


Rysunek 2: Liniowe trendy zmian stratyfikacji wód oceanów mierzone zmianami współczynnika N2, między głębokościami 0-2000 m w latach 1960-2018. Kolor czerwony oznacza wzmocnioną stratyfikację wód; niebieski – ich mocniejsze mieszanie. Źródło Li in., 2020

Wzmocnienie stratyfikacji wód nastąpiło we wszystkich oceanach. Większość wzrostu (71%) nastąpiła w wodach powierzchniowych do 200 m i w ponad 90% wynikała ze zmian temperatury, choć zmiany zasolenia lokalnie również grają istotną rolę.


Rysunek 3: Jak rys. 2, ale z uwidocznieniem zmian na różnych głębokościach w Pacyfiku, Atlantyku i Oceanie Indyjskim wraz z przekrojem Oceanu Południowego wzdłuż równoleżnika 30°S.  Źródło Li in., 2020

Konsekwencje bardziej stabilnej stratyfikacji

Osłabienie mieszania wody ‘na poziomie lokalnym’ oraz cyrkulacji termohalinowej


W rezultacie wzrostu temperatury powierzchniowa warstwa wody miesza się słabiej z warstwami wody leżącymi głębiej.

Skutki bardziej stabilnej stratyfikacji widać zarówno na poziomie lokalnym jak i planetarnym. Krążenie wody w oceanach, nazywane cyrkulacją termohalinową, napędzane jest przede wszystkim różnicami gęstości wody, wynikającymi z różnic temperatury i zasolenia (patrz Cyrkulacja termohalinowa). Gdy gęstość szybko ogrzewających się wód powierzchniowych oceanów maleje, słabnie też cała cyrkulacja termohalinowa.

Konsekwencje obu tych procesów są liczne i poważne.

1. Mniej ciepła odprowadzanego w głębiny i szybsze nagrzewanie się powierzchni Ziemi

Osłabienie mieszania się wód powierzchniowych z głębinowymi oznacza, że dodatkowa energia gromadząca się w ziemskim systemie klimatycznym nie będzie skutecznie odprowadzana w głębiny oceaniczne. W rezultacie więcej ciepła pozostanie przy powierzchni Ziemi, a wzrost temperatury powietrza przy tej powierzchni, czyli globalne ocieplanie się klimatu, będzie postępować szybciej.

2. Mniej dwutlenku węgla pochłanianego przez ocean i jego przyspieszona akumulacja w atmosferze

Dwutlenek węgla w ciepłej wodzie rozpuszcza się gorzej niż w zimnej – możemy to zaobserwować na co dzień na przykładzie napojów gazowanych. Cieplejsza woda na powierzchni mniej skutecznie pochłania CO2 z atmosfery, jego stężenie w atmosferze będzie więc rosnąć szybciej. Na razie oceany pochłaniają ok. ¼ emitowanego przez nas dwutlenku węgla, ale w związku ze wzmocnioną stratyfikacją oceanów i ich nagrzewaniem się mechanizm ten będzie coraz mniej wydajny.

3. Spadek natlenienia wód oceanów

Tlen także rozpuszcza się słabiej w wodzie o wyższej temperaturze. Cieplejsza woda jest więc słabiej natleniona, dodatkowo zaś osłabienie mieszania wód powierzchniowych i leżących głębiej prowadzi do osłabienia transportu tlenu w głębiny. Przyczynia się to do rozprzestrzeniania się w oceanach ubogich w tlen martwych stref. Warto zaznaczyć, że ponad 80% obserwowanego spadku natlenienia wód oceanicznych da się wyjaśnić właśnie wzmocnieniem stratyfikacji (Li in., 2020).

4. Spadek dostępności składników odżywczych

Aby w wodach oceanicznych mogło kwitnąć życie, składniki odżywcze z głębin muszą trafiać do nasłonecznionych wód powierzchniowych. Jednak przy stabilniejszej stratyfikacji dostawy tych składników odżywczych na powierzchnię są mniejsze.




Rysunek 4: Dwie sytuacje mieszania wód oceanicznych i dostępu do światła oraz składników odżywczych. Po lewej sytuacja ze słabą stratyfikacją wód powierzchniowych, po prawej silna stratyfikacja (na wykresach napromieniowania i temperatury w funkcji głębokości wartości rosną w prawo). Strefa eufotyczna (nasłoneczniona) to strefa, w której natężenie światła słonecznego jest nie mniejsze niż 1% wartości z powierzchni (może tu się rozwijać fitoplankton). Pyknoklina to strefa szybkiej zmiany gęstości wody spowodowanej zmianą temperatury i zasolenia, będąca granicą pionowego mieszania wód. Strefa eufotyczna jest mniejsza w przypadku słabszej stratyfikacji (woda jest bardziej mętna ze względu na większą ilość planktonu), ale słabsza i głębiej położona pyknoklina pozwala na wynoszenie składników odżywczych z głębin poprzez mocniejsze mieszanie. W przypadku silnej stratyfikacji wody fitoplankton na powierzchni wody dostaje mniej składników odżywczych. Źródło: V.A. Guinder, J.C. Molinero, 2013

Ma to poważny wpływ na plankton, ryby i ssaki morskie, a także gospodarkę, w szczególności rybołówstwo.

5. Silniejsze cyklony tropikalne

Cyklony tropikalne napędzane są ciepłem zgromadzonym w górnych 100-150 m wody. W miarę jak powierzchniowe warstwy oceanów stają się coraz cieplejsze, cyklony mogą szybciej się rozbudowywać i dłużej utrzymywać. Huragany stają się potężniejsze i trwalsze. Rosną powodowane przez nie szkody, zarówno ze względu na większą prędkość wiatru, jak i wyższe wezbrania sztormowe oraz większe opady (związane z intensywniejszym parowaniem z cieplejszej powierzchni wody).

6. Inne konsekwencje

Badanie Li z zespołem sugeruje również, że nasilona stratyfikacja może mieć wpływ na cykle El Niño-La Niña na Pacyfiku. Te wieloletnie wahania temperatur wód środkowego pasa Pacyfiku wpływają na średnia temperaturę powierzchni, z globalnymi wzrostami temperatury podczas silnych zjawisk El Niño i dużymi spadkami podczas La Niña. Jednak rosnące rozwarstwienie może tłumić te cykle, pozostawiając tym samym Pacyfik w stanie permanentnego El Niño. Z badań paleoklimatycznych wynika, że sytuacja taka miała miejsce we wczesnym holocenie około 9000 lat temu.

W miarę spowalniania cyrkulacji termohalinowej na daleką północ transportowane będzie mniej ciepła; zostanie ono na niższych szerokościach geograficznych. Wzdłuż wschodniego wybrzeża Stanów Zjednoczonych może nastąpić wzrost temperatury wód powierzchniowych, co przełoży się nie tylko na szybszy wzrost temperatury powietrza w miastach wschodniego wybrzeża USA, lecz także – ze względu na rozszerzalność termiczną wody – na poziom morza, który będzie tam rósł szybciej od średniej globalnej.

Marcin Popkiewicz na podst. Increasing ocean stratification over the past half-century, New Study Shows a Vicious Circle of Climate Change Building on Thickening Layers of Warm Ocean Water


Surowce

 Ropa brent 55,63 $ baryłka  -0,22% 18:55
 Cyna 22000,00 $ tona -2,85% 22 sty
 Cynk 2651,00 $ tona -2,07% 22 sty
 Aluminium 1975,00 $ tona -0,85% 22 sty
 Pallad 2325,00 $ uncja  -0,58% 18:55
 Platyna 1107,20 $ uncja  0,14% 18:55
 Srebro 25,52 $ uncja  0,51% 18:53
 Złoto 1851,25 $ uncja  -0,20% 18:55

Dziękujemy za wysłane grafiki.