Oceanolog ostrzega: Tego nie wytrzyma żadne miasto portowe na świecie

Plus Minus: Słyszymy, że zmiany klimatu oddziałują także na oceany. Przecież ocean ani nie zamarznie, ani nie wyparuje, to wielka stabilna, odwieczna woda… Czy to jest interakcja w obie strony?

Relacja jest absolutnie wzajemna. Weźmy pod uwagę zmiany stężenia dwutlenku węgla w atmosferze. Mielibyśmy go tam jeszcze więcej, gdyby nie oceany, ponieważ jedna czwarta tego, co emitujemy, idzie bezpośrednio do oceanu, powodując tam zakwaszenie wody, ale jednocześnie sprawiając, że temperatura atmosfery nie jest tak wysoka, jak mogłaby być. Poza tym oceany mają olbrzymią pojemność cieplną, więc dopóki się nie nagrzeją, atmosfera też się nie nagrzeje tak mocno, jak by potencjalnie mogła przy danym stężeniu dwutlenku węgla. Zatem nawet jeśli przestalibyśmy całkiem emitować CO2 do atmosfery, to musimy jeszcze przeczekać kilkaset lat, kiedy cały czas będzie się robiło cieplej, bo ocean nagrzany będzie to ciepło oddawał. Pesymistycznie na to patrząc, skoro mamy już średnio 1,4 st. C ponad temperaturę z czasów przedindustrialnych, to nawet przy natychmiastowym zaprzestaniu emisji przez kilkaset lat nadal będziemy mieli dodatkowo połowę tego, czyli 0,7. To daje 2 st. C średniej nadwyżki na całym globie.

Ocean warunkuje też to, że mamy zmienną pogodę w ciągu roku. Bez niego Ziemia miałaby bardzo suchy i znacznie cieplejszy klimat. Jedyną pamięcią klimatu jest ocean, właśnie przez swoją pojemność cieplną.

Kiedy zrobi się za ciepło, byśmy żyli na Ziemi? Czas się skraca, ale winna jest nie tylko większa emisja CO2 

Co to jest pamięć klimatu?

Zdarza się, że mamy kilka zim ciepłych lub kilka zimnych z rzędu. Zdarza się to zbyt często, aby mogło być to przypadkowe. Jest zatem jakaś pamięć w systemie klimatycznym dłuższa niż przysłowiowy „zeszłoroczny śnieg”. Sądzimy, że jej źródłem może być tylko ocean, gdyż zimne i ciepłe anomalie utrzymują się w nim przez kilka lat, właśnie dzięki jego olbrzymiej pojemności cieplnej. Te anomalie wpływają na cyrkulację atmosferyczną, na to, czy zimą wieje do nas ciepłe powietrze znad Atlantyku, czy zimne znad Rosji czy Skandynawii.

To wszystko jest oczywiście dość skomplikowane, gdy oddziaływania są wzajemne. Prowadzę wykład dla doktorantów „Ocean i klimat” i on trwa 30 godzin, w godzinę zatem nieco trudno to streścić. Każda kropla wody na Ziemi nie pochodzi z niej – ona spadła na Ziemię z kosmosu niemal na początku istnienia naszej skalistej, stygnącej wówczas i martwej jeszcze planety. Wody tu nie przybywa, spadła z nieba i grawitacja utrzymuje ją tu, a z jej części, na drodze fotolizy wody podczas fotosyntezy, powstał tlen.

Czytaj więcej

Plus Minus

Denna wiadomość dla poszukiwaczy życia

Naukowcy odkryli, że tlen może powstawać bez udziału organizmów żywych. Skoro tak, to nie ma co go wypatrywać w kosmosie w nadziei, że naprowadzi nas na ich ślady.

Patrzę na to jako biolog, a nie fizyk klimatu czy oceanolog. Dla mnie zakwaszenie oceanu znaczy, że kłopot będą miały w zasadzie wszystkie morskie bezkręgowce, które mają wapienne – czyli właśnie z węglanu wapnia – skorupki, pancerzyki, muszle… Zakwaszona dwutlenkiem woda oznacza, że ten węglan ciężej jest zbudować. A bez tego życie zamiera, chociażby w rafach koralowych. Były jednak epoki geologiczne znacznie bardziej suche i ciepłe od naszej, gdy np. pewne koralowce też miały się tragicznie – zasadniczo nie ma ich skamieniałości w danym okresie – po czym nagle pojawiają się znowu. No przecież nie wyewoluowały de novo, tylko gdzieś przetrwały… I wtedy, w głębokim paleozoiku, nie było na Ziemi człowieka i jego wpływu.

To fakt, bywało tu już cieplej. W piśmie „Science” pod koniec września pojawiła się najnowsza rekonstrukcja zmian klimatu Ziemi w ciągu ostatnich 500 mln lat, co zasadniczo pokrywa okres po tzw. wielkiej eksplozji kambryjskiej, gdy życie wybuchło w formie znanych nam dziś planów budowy i metabolizmu, a nawet przodków wszystkiego, co żyje do dziś, od trylobitów po pierwsze strunowce. Wynika z niej istotnie, że zakres zmienności średnich temperatur globu pomiędzy różnymi epokami geologicznymi był wyższy, niż się dotąd wydawało, i wynosił ok. 25 stopni Celsjusza. Klimat okazał się jednak w długiej perspektywie czasowej bardzo czuły na stężenia dwutlenku węgla.

Oceany zawsze podobnie wpływały na klimat jak dziś. Fizyka tych procesów jest niezmienna. Dwutlenek węgla w atmosferze zawsze działał tak, jak styropian na domu, który zatrzymuje na Ziemi ciepło dostarczane przez nasz lokalny piec, czyli Słońce. Ono zawsze ogrzewało powierzchnię naszej planety, bo atmosfera jest przezroczysta, nie licząc chmur, które odbijają 30 proc. promieniowania słonecznego. Jeśli Ziemia jest cieplejsza, więcej w atmosferze pary wodnej. Dwutlenku węgla w atmosferze istotnie raz było więcej, raz mniej. Oprócz wulkanizmu i erozji skał wulkanicznych wpływ na to miały też oczywiście fotosyntetyzujące organizmy żywe asymilujące dwutlenek i budujące z niego swoje „węglowe” ciało oraz wspomniane przez panią skorupki wapienne, które sporo dwutlenku węgla magazynowały, a potem sobie spokojnie martwe opadały na dno zbiorników wodnych, tworząc istniejące do dziś wapienne skały.

W epokach geologicznych przed mezozoikiem, powiedzmy prosto – zanim pojawiły się dinozaury – było jednak zupełnie inne ułożenie kontynentów. Wtedy wszystkie one były połączone, stąd oceany były odległe od większości terenów kontynentów. W gigantycznym interiorze zatem panował klimat suchy i z dużymi dobowymi i rocznymi amplitudami temperatur – jak to na pustyni. Większość opadów na lądzie w obecnym świecie – mniej więcej 70 proc. – pochodzi z wody parującej z oceanów i wtedy też tak było. Im zatem więcej kontynentów, tym będą one miały wilgotniejszy i łagodniejszy klimat, jak na wybrzeżu.

Dziś natomiast kluczowe nie jest wyłącznie to, że jest zwiększona emisja CO2 do atmosfery, bo tak się już zdarzało dawniej i to wielokrotnie, ale tempo tych zmian. Tysiące razy większe niż w dawnych epokach geologicznych. Wspomniane przez panią koralowce miały czas się biologicznie zaadaptować, dlatego prawdopodobnie całkiem nie wyginęły. My dziś w 100 lat zwiększyliśmy stężenie dwutlenku węgla proporcjonalnie tak samo, jak – powiedzmy – pod koniec permu wzrosło ono, ze względu na gigantyczne erupcje wulkaniczne na Syberii, przez kilka milionów lat.

Czas ludzki i czas geologiczny to są niejako dwa zupełnie różne czasy. Cała historia rodzaju Homo to marne 2–3 mln lat. W dziejach naszej planety to naskórek. Ewolucja biologiczna nie działa w takim tempie, w jakim my wprowadzamy te zmiany w składzie atmosfery. To jest niebezpieczne dla wszystkich ekosystemów na Ziemi.

Ponadto Słońce się nam robi coraz bardziej jasne. To wydaje się niewiele – 1 proc. przyrostu energii docierającej ze Słońca na Ziemię na 100 mln lat. Ale oznacza, że kiedyś trzeba było znacznie więcej dwutlenku węgla, aby osiągnąć tę samą temperaturę powierzchni Ziemi, a dziś wystarczy go mniej i efekt jest ten sam. Za jakiś miliard lat nawet bez CO2 w atmosferze może być za ciepło, byśmy tu na Ziemi żyli. Kiedyś liczono, że mamy przed sobą jakieś 4 mld lat… Niestety, nie. Został nam miliard. To też zresztą oznacza, że nasze istnienie jest na Ziemi epizodem związanym z jej schyłkiem.

Problem nie tkwi zatem w samym stężeniu dwutlenku węgla, ale w tempie zmian tego stężenia. Ocean jednak to nie jest taka wyłącznie odwieczna, stabilna woda, tam się ciągle coś rusza i kotłuje, czyż nie? Jak wpływają na siebie wzajemnie klimat i prądy morskie? Skąd się one w ogóle biorą?

Woda się rusza z kilku przyczyn. Jest pędzona wiatrami, co oczywiste, każdy chyba widział sztorm. Mniej widoczny jest ruch wynikły z tego, że wody mają w zależności od głębokości różną temperaturę i zasolenie. Od tych dwóch czynników zależy gęstość wody, a zatem jej ciężar. Woda cieplejsza i mniej słona jest lżejsza. Tam, gdzie do zbiorników wpływa woda bardzo zimna i/lub zasolona, ona dosłownie tonie w wodzie cieplejszej i słodszej. W innych miejscach woda wypływa z głębin. Tę głębinową cyrkulację nazywa się termohalinową, czyli zależną od temperatury i zasolenia. Ona jednak wymaga dodatkowo mieszania się wód. Np. gdzieś przy Antarktydzie wytwarza się bardzo zimna i zasolona woda; dzieje się to podczas powstawania lodu, gdy słodka woda zamarza w lodowiec, „wyciskając” z siebie bardzo dużo soli, która w formie bardzo zimnej solanki spływa do oceanu. Ta zimna solanka idzie na samo dno oceanu, ale różne czynniki powodują jej mieszanie z wodą cieplejszą nad nią, tak że po kilkuset latach ta woda ostatecznie pojawia się na powierzchni oceanu.

Bardzo ciekawym zbiornikiem pod tym względem jest Atlantyk, który ma większe parowanie niż opady, stąd jego woda się zasala. Wzdłuż Atlantyku, z południa na północ wzdłuż zachodnich wybrzeży, płynie zatem zasolony i ciepły prąd, popularnie nazywany Golfstromem, ale on ma kilka nazw po kolei, gdzie ów południowy Golfstrom zamienia się w Prąd Północnoatlantycki, jak dochodzi do Europy, określany jest jako Prąd Norweski. Ma to znaczenie, bo on płynie na powierzchni, dlatego że jest ciepły, ale ponieważ jest zasolony, gdy wody te dochodzą do wysokich szerokości geograficznych, aż do Morza Norweskiego, to zimą w sztormach wody te są wychładzane bardzo mocno. Oddają do atmosfery mniej więcej tyle ciepła, co w Polsce w czerwcu w samo południe daje nam Słońce.

Kiedyś byłam w norweskim Tromso, to jest chyba najdalej na północ wysunięty w Europie uniwersytet, bardzo blisko stamtąd do cmentarza polskich żołnierzy poległych pod Narwikiem. Wyściubienie nosa z tego miasteczka wymaga kurtki puchowej przez okrągły rok, tam zaraz się zaczyna wieczna zmarzlina. Natomiast sam port – właśnie dzięki temu prądowi – nie zamarza nigdy, a w lokalnym oceanarium można podziwiać wielkie bogactwo okolicznego wodnego życia, niemal jak w tropikach.

Tromso jest ogrzane przez ciepłą wodę, która koło niego przepływa, ale żeby ogrzać całą Europę… Zauważmy, że Europa jest znacznie cieplejsza niż inne rejony na tej samej szerokości geograficznej. Przecież miasta włoskie i kanadyjskie leżą na tych samych równoleżnikach! Zatem: 2 terawaty energii płyną non stop z półkuli południowej do północnej z tego prądu oceanicznego przez atmosferę. Te olbrzymie strumienie ciepła ogrzewają Europę, ale jednocześnie ta woda się wychładza, zachodzi jej mieszanie – konwekcja aż do głębokości 3 km nawet – co jest kluczowe dla samego oceanu. Bo tlen w tych głębiach pochodzi w zasadzie jedynie z takich zjawisk tonięcia wody. Napowietrzanie wody niemieszanej odbywa się bowiem tylko na styku woda–powietrze. Cały tlen w głębinach oceanu pochodzi z dwóch miejsc: z północnego Atlantyku i z okolic Antarktydy – jedynych miejsc na globie, gdzie woda tonie wystarczająco głęboko. Dzięki temu mieszaniu się wód zachodzi też obieg węgla w oceanie – między różnymi jego formami organicznymi i ostatecznie zmineralizowanymi.

Podsumowując, ciepła woda z tropików płynie na północ i oddaje ciepło całej Europie, jednocześnie zapewniając natlenienie głębin oraz obiegi pierwiastków, jak węgiel i azot w oceanie, zamiast wracać do tropików mniej więcej taka ciepła, jak przyszła. Z danych paleoklimatycznych wiemy jednak, że nie zawsze tak było. Zwłaszcza pod koniec każdego zlodowacenia ta cyrkulacja się zatrzymywała podczas tzw. epizodów Heinricha. Z badań na modelach cyrkulacji wiemy, że aby zatrzymać ten system prądów atlantyckich, trzeba zacząć dodawać do oceanu słodką (znacznie mniej słoną) wodę na powierzchni. Tak się dzieje np. podczas topienia się lądolodu grenlandzkiego. Bo ten lód jest zasadniczo z wody słodkiej. To spowoduje, że płynące z południa lekkie wody słone i ciepłe spotkają na swej drodze płynące w przeciwnym kierunku wody lekkie, ale zimne. Przez to Golfstrom zatonie wcześniej, przed Islandią, a nie na północ od niej. Co najważniejsze: zanim zdąży oddać dużo ciepła do europejskiej atmosfery.

Czytaj więcej

Plus Minus

Kukułki Darwina

Od dawna podejrzewano, że realnie mamy do czynienia nie z ewolucją, lecz koewolucją gatunków. Tylko że w nauce łatwiej jest coś podejrzewać, niż pokazać, zwłaszcza na sporych zwierzętach kręgowych. Duże zwierzęta trzeba w celach badań nad ich ewolucją obserwować przez wiele dekad czy nawet stuleci. Złapanie koewolucji na gorącym uczynku udało się dopiero teraz.

Drastyczna zmiana na północnym Atlantyku. Zagrożona jest duża część Europy

Czy chce pan powiedzieć, że wynikiem globalnego ocieplenia będzie – przynajmniej przejściowe, ale solidne – ochłodzenie Europy?

Przy odpowiednio dużej ilości słodkiej wody wpływającej do oceanu na północy – owszem. To bywały najzimniejsze na biegunach i najsuchsze w tropikach epizody zlodowaceń, właśnie tzw. zdarzenia Heinricha. W głębinach morskich było wtedy bardzo ciepło, ale na powierzchni – bardzo zimno. Tym razem to się wydarzy w ogólnie cieplejszym świecie niż pod koniec ostatniego zlodowacenia, jakieś 16 tys. lat temu, kiedy to niemal wyschły Nil i Jezioro Wiktorii, a w Azji ustały monsuny. Zdarzyło się to też już w holocenie, 8200 lat temu (ostatnia epoka lodowcowa zakończyła się ok. 11,7 tys. lat temu). Wylało się do Atlantyku wtedy olbrzymie jezioro lodowcowe, Agassiz w dzisiejszej Kanadzie, zablokowane wcześniej przez lód, który się topił i ostatecznie wylało się rzeką Świętego Wawrzyńca. Co sprawiło, że ok. 200 lat było znacznie chłodniej nad północnym Atlantykiem, tak że lasy, które zdążyły już na terenie obecnej Irlandii odrosnąć po epoce lodowcowej, znowu wyginęły.

Gdyby do takiego zatrzymania systemu cyrkulacji atlantyckiej doszło w naszych czasach, tym razem zimą, istotnie byłoby w Europie znacznie zimniej, co byłoby szczególnie niebezpieczne dla wysp atlantyckich, jak Islandia, Irlandia, a także wybrzeży brytyjskich i francuskich. To oczywiście nie wpłynie na temperatury globalne – Ziemia nadal się będzie ocieplać – tylko te temperatury będą inaczej rozłożone niż dziś.

Z samej jednak pana wypowiedzi wynika, że to nie będzie na zawsze. To będzie nowy stan równowagi, który w pewnym momencie, po kilkuset latach, zniknie, być może nawet szybciej, bo jesteśmy w ogólnie cieplejszym świecie. Powstaje ostatnio medialny szum na temat rychłej możliwości zatrzymania się systemu prądów atlantyckich, zwanego w skrócie AMOC. Skumulowało się kilka publikacji w renomowanych pismach naukowych, choć niektóre z nich są nadal w procesie recenzji. Np. w materiale CNN na ten temat można było niedawno przeczytać, że dwie dekady temu nikt nie wierzył, że to się w ogóle może wydarzyć, dekadę temu, że wydarzy się jeszcze w tym stuleciu, a teraz, dzięki nowemu modelowi, mieliśmy się dowiedzieć, że zacznie się dziać być może już w 2035 roku…

Z tym bym się niekoniecznie zgodził. 20 lat temu bezsprzecznie wiedzieliśmy, że takie rzeczy zdarzały się w przeszłości, czemuż by zatem nie mogły się wydarzyć obecnie? Natomiast konsensus oparty na dotychczasowych modelach istotnie przewidywał, że to nie wydarzy się jeszcze w XXI wieku, aby ilość wody płynącej w tej cyrkulacji, a zatem niesionego przez nią do Europy ciepła, spadła o 30 proc. Natomiast istotnie, ostatnio mamy do czynienia z serią artykułów wynikłych z modelowania statystycznego opartego na teorii chaosu – to jest czysta matematyka, tam nie ma fizyki – które twierdzą, że widzą w cyrkulacji atlantyckiej zbliżanie się do punktu krytycznego.

Z drugiej strony są też artykuły, które pokazują, że z posiadanych przez nas realnych danych nie jesteśmy w stanie stwierdzić, kiedy coś takiego może się zdarzyć. Dane są bowiem za bardzo „zaszumione”, żeby w ogóle się nadawały do tego typu analizy. Powstaje kontrowersja. Czytałem dwa z tych niedawnych artykułów grupy holenderskiej (van Westen i inni z 2024 r. i nierecenzowany jeszcze manuskrypt Smolders i inni) i mnie się nie podoba ich modelowanie, bo oni dodają słodką wodę na północnym Atlantyku, ale kompensują to zmniejszaniem ilości słodkiej wody wszędzie indziej, czyli w sumie coraz bardziej słona woda miałaby dopływać do północno-zachodnich wybrzeży Atlantyku. W rzeczywistości to tak nie działa. To jest dodatkowa słodka woda, która spłynie i zwiększy masę oceanu kosztem lodowców na Grenlandii. Im się rzeczywiście załamuje cyrkulacja po paruset latach od zapoczątkowania takiej zmiany. Plus – oni sami przyznają, że w ich modelu jest zły przebieg strumieni słodkiej wody z północnego Atlantyku do reszty świata, czyli ich model nie odzwierciedla rzeczywistej sytuacji w dzisiejszym świecie. Także tu byłbym bardzo ostrożny.

Z drugiej jednak strony, zmiana tej kluczowej dla nas cyrkulacji jest możliwa, tylko ustalenie kiedy – wymaga jeszcze moim zdaniem badań. Nie wpadałbym zatem w panikę, że to się zdarzy w połowie naszego wieku czy tym bardziej już za dziesięć lat, ale należy wzmóc badania, abyśmy byli w stanie stwierdzić, kiedy to się zdarzy. Na razie w tej sprawie nie ma konsensusu.

A jak się prowadzi takie badania prądów atlantyckich? Skąd się biorą dane wyjściowe do tych wszystkich modeli, o ile to nie jest czysta matematyka?

Oceanografowie mają sieć statków badawczych oraz system dość szczególnych na stałe umieszczonych w kluczowych punktach oceanu boi zwanych w naszym żargonie mooringami. Nie mają one żadnych pływaków na powierzchni, to jest po prostu sznur i umieszczone na nim przyrządy, który ma na swym górnym, ale niewystającym na powierzchnię końcu baniak z powietrzem, który go pionizuje. Taka konstrukcja zabezpiecza i przed statkami, i przed sieciami rybackimi. Mooringi umieszczone są np. na południowym Atlantyku, na szerokości 34 stopni, kolejny ich szereg znajduje się na północy, między Kanadą, Islandią a Norwegią. One mierzą pośrednio siłę prądu, bezpośrednio zaś zasolenie wody, temperaturę etc. Tylko ten system istnieje dopiero od kilkunastu lat. System danych satelitarnych, nie aż tak pełnych i dokładnych, mamy od 40 lat.

Dane znacznie starsze, bo zbierane od kilkuset lat, to temperatury powierzchniowe Atlantyku – to z nich wnioskujemy, jak się zmieniał ten system ciepła płynącego z południa. W tym jednak też tkwi pewna pułapka, uważam bowiem, że część tych artykułów, które z kolei twierdzą, że ta cyrkulacja zmienia się już od kilkudziesięciu lat, nie uwzględnia faktu, że temperatura północnego Atlantyku, a zwłaszcza rejonu na południe od Grenlandii, tzw. wiru subpolarnego, zależy nie tylko od tego, ile ciepła dostarczy ocean z południa, ale też od tego, jak skutecznie atmosfera go wychładza. Przez ostatnią zaś dekadę mieliśmy bardzo silną cyrkulację zachodnią, to jest tzw. index NAO (North Atlantic Oscillation). Przez ostatnie dziesięć lat wiały bardzo silne sztormy z północnego Atlantyku w stronę Europy, i prawdopodobnie to wychładzało dodatkowo północny Atlantyk. Tylko my nie jesteśmy tego pewni, na ile obserwowany wynik powstaje dzięki zmianie cyrkulacji oceanicznej, a na ile konkretnej cyrkulacji atmosferycznej. Był artykuł, który szacował, że dwie trzecie zmiany temperatury wody wynika tu z cyrkulacji atmosferycznej, a zatem maksymalnie jedna trzecia to efekt osłabienia prądu oceanicznego.

Żeby rzecz dodatkowo skomplikować, ów AMOC ma swoją naturalną cykliczność wynoszącą między dwoma maksimami (ostatnie miało miejsce w 2005 roku) jakieś 60–70 lat. Należy się zatem spodziewać teraz wynikającego z natury rzeczy zmniejszenia tej cyrkulacji. Jeśli zatem obserwujemy dziś owo zmniejszanie, należy się zastanowić, na ile ono wynika z przyczyny naturalnej, a na ile z tego, że nadmiarowo topią się grenlandzkie lodowce z przyczyn antropogenicznych. Bo tu jest nadal za krótka seria danych z pomiarów, żeby coś powiedzieć na pewno, żeby „nakarmić” modele matematyczne.