Ocean wbrew ociepleniu stygnie. O co tu chodzi?
Pacyficzna zagadka trzymała klimatologów w szachu przez lata. Nowe symulacje w wysokiej rozdzielczości przynoszą odpowiedź i ostrzegają, że prognozy trzeba przeliczyć.
Przez około 45 lat pomiary satelitarne i oceaniczne pokazywały dziwny wzór. Globalna średnia temperatura rośnie, większość mórz i lądów się nagrzewa, ale w kilku regionach na mapie pojawiają się błękitne, chłodne plamy. Najbardziej uderzające są dwie: wschodni tropikalny Pacyfik, czyli rejon między Ameryką Południową a równikiem, oraz część Oceanu Południowego otaczającego Antarktydę.
Temperatury powierzchni morza w tropikalnym Pacyfiku sterują systemami monsunowymi, wpływają na El Niño i La Niña, a więc na pogodę w Ameryce, Azji i w Afryce. Jeżeli modele nie potrafią odtworzyć tego, co działo się tam w przeszłości, trudno ufać ich prognozom na najbliższe dekady.
Standardowe modele używane w międzynarodowych porównaniach klimatycznych (rodzina CMIP, której wyniki trafiają do raportów IPCC) uparcie nagrzewały cały tropikalny Pacyfik. W rzeczywistości wschodnia część oceanu chłodniała. Tę rozbieżność zaczęto nazywać pacyficzną zagadką i wpisano na listę najpilniejszych problemów Światowego Programu Badań nad Klimatem (WCRP).
Model ICON w bardzo wysokiej rozdzielczości
Przełom przyniósł dopiero nowy model ICON, rozwijany m.in. w Instytucie Maxa Plancka. Zamiast siatki o oczkach rzędu 100-200 km, jak w większości globalnych modelach, badacze uruchomili wersję z oczkiem 5 km w oceanie i 10 km w atmosferze. To całkowicie inny poziom szczegółowości pomiarów.
Przy tak gęstej siatce model nie musi już zgadywać zachowania wielu zjawisk na podstawie uproszczonych wzorów. Może je bezpośrednio zasymulować. Dotyczy to zwłaszcza dwóch elementów: wirów oceanicznych i niskich chmur nad wschodnim Pacyfikiem.
Te pierwsze to olbrzymie wiry wody o średnicy kilkudziesięciu kilometrów, które jak ruchome taśmy przenoszą ciepło w głąb oceanu i w kierunku biegunów. Drugie to rozległe pola chmur stratocumulus u wybrzeży Ameryki Południowej, które działają jak zwierciadło, odbijając część promieniowania słonecznego z powrotem w kosmos. W modelach o zgrubnej siatce oba te zjawiska są reprezentowane w sposób mocno uproszczony. ICON po raz pierwszy w globalnej skali pozwolił je zobaczyć w pełniejszej formie.
Jak południowy ocean studzi Pacyfik?
Symulacja z ICON pokazała, że cała historia zaczyna się nie w tropikach, lecz na krańcach świata, w rejonie Oceanu Południowego. To tam krąży potężny Prąd Wiatrów Zachodnich, który oplata kontynent i oddziela zimne wody polarne od cieplejszych wód z północy.
W normalnych warunkach wiry oceaniczne przenoszą przez tę barierę część ciepła w kierunku biegunów. Gdy atmosfera się nagrzewa, a nad oceanem wieją silniejsze wiatry zachodnie, ten mechanizm ulega jednak osłabieniu. W symulacji okazuje się, że wiry oceaniczne coraz gorzej transportują ciepło na południe. Jednocześnie sam prąd okołobiegunowy sprawnie wywozi nadmiar energii do innych oceanów.
Efekt jest paradoksalny, bo mimo globalnego ocieplenia słupa wody w Pacyfiku na głębokości do około 2 tys. m zaczyna się ochładzać. Chłodniejsze masy wody rozszerzają się na północ, a sam prąd przesuwa się o kilka setek kilometrów. Wokół Antarktydy rośnie powierzchnia oceanu zdominowana przez zimne, polarne wody.
Chłód podróżuje na północ
Ochłodzenie w południowej części Pacyfiku nie zostaje na miejscu. Ocean i atmosfera są ze sobą ściśle sprzężone. Zimniejsze wody wokół Antarktydy zmieniają układ ciśnień w średnich szerokościach geograficznych, co wpływa na wiatry wiejące ku równikowi.
Model pokazuje, że nad południowo-wschodnim Pacyfikiem wzmacnia się wyż baryczny u wybrzeży Ameryki Południowej. Z tego wyżu wieją ku równikowi silniejsze niż dotąd pasaty – stałe wiatry z południowego wschodu, które popychają wierzchnią warstwę oceanu na zachód.
Wiatr intensywniej wyparowuje wodę, co samo w sobie chłodzi powierzchnię morza. Pasaty z kolei nasilają zjawisko wynoszenia ku powierzchni zimnych, bogatych w składniki odżywcze wód z głębszych warstw. To dlatego wschodni Pacyfik jest jednym z najważniejszych łowisk świata i dlatego łatwiej tam o ochłodzenie.
Z kolei chłodniejsza powierzchnia oceanu sprzyja powstawaniu rozległych pól niskich chmur. W symulacji ICON szczególnie dobrze widać rolę chmur stratocumulus: rosnące połacie białych chmur nad wschodnim Pacyfikiem odbijają więcej promieniowania słonecznego, więc jeszcze bardziej ograniczają nagrzewanie wody. Powstaje pętla sprzężenia zwrotnego, która utrwala ochłodzenie.
Chmury, których brakowało w starych modelach
To właśnie chmurowa część tej układanki okazała się jednym z najsłabszych punktów tradycyjnych modeli. W wielu z nich zachmurzenie nad wschodnim Pacyfikiem reagowało zbyt słabo na zmiany temperatury, przez co chłodzące sprzężenie zwrotne było za słabe. W efekcie modele przegrzewały ten rejon w porównaniu z obserwacjami.
ICON, dzięki gęstszej siatce i lepszemu odwzorowaniu ukształtowania Andów oraz lokalnych wiatrów przybrzeżnych, potrafi odtworzyć znacznie bardziej realistyczne pola chmur. W połączeniu z dokładniej reprezentowanymi wirami oceanicznymi daje to pierwszy model, który nie tylko odtwarza globalny trend ocieplenia, ale też wiernie odwzorowuje ochłodzenie we wschodnim Pacyfiku i południowym oceanie.
To z kolei oznacza, że lepiej opisuje również tempo globalnego ocieplenia. Wzór nagrzewania i chłodzenia oceanów decyduje o tym, jak dużo ciepła lądy odczuwają w danym momencie i jak szybko reagują na rosnące stężenie dwutlenku węgla.
Co to oznacza dla prognoz klimatycznych?
Czy to znaczy, że nagle możemy w pełni zaufać jednej symulacji? Nie. Autorzy pracy podkreślają, że wysoka rozdzielczość nie rozwiązuje wszystkich problemów, a jeden model nie zastąpi całej floty niezależnych narzędzi. Jednak po raz pierwszy klimatolodzy mają w ręku przykład, w którym mechanizm ochłodzenia jest fizycznie spójny i zgodny z pomiarami.
Przeczytaj także:
Kolejny krok będzie polegał na sprawdzeniu, które dokładnie elementy ICON odpowiadają za poprawę – czy to głównie reprezentacja wirów, reakcji chmur, czy może sposób, w jaki model opisuje wymianę ciepła między oceanem a atmosferą. Jeżeli te elementy da się przenieść do innych modeli, cała społeczność klimatyczna zyska mocniejsze narzędzia do prognozowania przyszłych zmian.
