Tajemnicze zjawisko na wodzie. Napędza pogodowe ekstrema
Pod powierzchnią oceanu dzieje się coś, czego satelity po prostu nie widzą. Naukowcy właśnie to zmierzyli i się mocno zaskoczyli. Wyniki dosadnie zmieniają obraz zmian klimatu.
Oceany nie ocieplają się równomiernie. Wzdłuż największych prądów morskich powierzchnia nagrzewa się kilkukrotnie szybciej niż średnia globalna, a jednocześnie w głębinach robi się chłodniej. Za ten paradoks odpowiadają wiry oceaniczne, czyli wirujące masy wody, które wraz ze zmianami klimatu stają się coraz aktywniejsze. Nowe badanie opublikowane w Nature Climate Change pokazuje, jak te niepozorne struktury potrafią przeorganizować warunki panujące na szerokich połaciach oceanów i mórz przybrzeżnych.
Prądy zachodniobrzegowe to silniki klimatu
Istnieje na Ziemi 5 wielkich prądów, które płyną wzdłuż zachodnich krawędzi basenów oceanicznych, niosąc ciepłą wodę z tropików w kierunku biegunów. To tzw. subtropikalne prądy zachodniobrzegowe. Należą do nich Golfsztrom na zachodnim Atlantyku, Kuroshio na zachodnim Pacyfiku, Prąd Wschodnioaustralijski, Prąd Brazylijski i Prąd Agulhas płynący wzdłuż południowo-wschodniego wybrzeża Afryki. Każdy z nich transportuje ogromne ilości energii cieplnej i wpływa na pogodę na sąsiadujących kontynentach. Golfsztrom, na przykład, odpowiada za to, że Europa Zachodnia ma łagodniejszy klimat niż regiony na tych samych szerokościach geograficznych po drugiej stronie Atlantyku.
Te prądy pełnią tak naprawdę jednocześnie rolę swego rodzaju bariery. Oddzielają stosunkowo ciepłe, słone wody otwartego oceanu od chłodniejszych, płytszych wód szelfowych przy wybrzeżach. Szelf kontynentalny, czyli podwodne przedłużenie lądu, sięgające zwykle od kilkudziesięciu do kilkuset metrów głębokości, to strefa, w której żyje większość morskich organizmów i od której zależy rybołówstwo, turystyka i ochrona wybrzeży. To, co dzieje się na granicy między szelfem a wielkim prądem, ma duże konsekwencje dla milionów ludzi.
Dwa lata pomiarów w Prądzie Agulhas
Badaczki z Uniwersytetu w Southampton i Uniwersytetu w Miami, Kathryn Gunn i Lisa Beal, postanowiły sprawdzić, co dokładnie robią wiry na granicy jednego z tych wielkich prądów. Wybrały Prąd Agulhas, płynący na południe wzdłuż wybrzeża RPA, bo dysponowały zestawem danych, o jakim większość oceanografów może tylko pomarzyć, a mianowicie ciągłymi, dwuletnimi pomiarami z siedmiu boi zakotwiczonych na dnie oceanu w poprzek całego prądu, na szerokości geograficznej 34 st. S.
Boje rejestrowały co godzinę temperaturę, zasolenie i prędkość wody na całej głębokości i szerokości prądu – od wód szelfowych tuż przy brzegu po otwarty ocean. To jeden z najdokładniejszych zestawów danych, jakie kiedykolwiek zebrano dla Prądu Wiatrów Zachodnich. Dzięki niemu naukowczynie mogły po raz pierwszy precyzyjnie zmierzyć, ile ciepła i soli przenoszą wiry w poprzek prądu – z otwartego oceanu na szelf i z powrotem.
Dwie zupełnie inne skale zaburzeń, dwa różne efekty
Analiza ujawniła coś, czego dotychczasowe modele do tej pory nie przewidywały. Wiry w Prądzie Agulhas działają na dwie różne skale i produkują pozornie sprzeczne efekty.
Po stronie przybrzeżnej dominują tzw. niestabilności frontalne, czyli niewielkie zaburzenia o średnicy około 10 km, które pojawiają się wzdłuż ostrej krawędzi prądu w miejscu, gdzie styka się on ze skokiem kontynentalnym. Takich zdarzeń zespół doliczył się około 40 w ciągu dwóch lat obserwacji. Każde z nich pompuje zimną, bogatą w składniki odżywcze wodę z głębszych warstw ku górze i wpycha ją na szelf. Jest to proces zwany upwellingiem przybrzeżnym. W efekcie wody przybrzeżne stają się chłodniejsze na głębokości.
Po stronie otwartego oceanu działają z kolei duże meandry prądu, czyli wygięcia o skali sięgającej 100 km, gdy cały prąd na krótko odrywa się od zbocza kontynentalnego i wędruje daleko od brzegu. Meandry występują znacznie rzadziej, bo zaledwie przez około 10 proc. czasu, ale za każdym razem przenoszą ciepło i sól w stronę wybrzeża, ocieplając tym samym powierzchniowe warstwy wody.
Nałożenie obu procesów daje efekt, który tłumaczy obserwowany od lat paradoks: powierzchnia Prądu Agulhas ociepla się 3 do 4 razy szybciej niż średnia oceaniczna, a jednocześnie głębsze warstwy pozostają chłodne lub wręcz się ochładzają. Wiry gromadzą ciepło i sól w rdzeniu prądu na powierzchni, jednocześnie wpychając zimne, gęste wody w górę po stronie przybrzeżnej. Ocean stratyfikuje się, czyli dzieli na coraz bardziej odrębne warstwy ciepłe na górze i zimne na dole, a różnica temperatur między powierzchnią a głębiną rośnie.
Ukryty upwelling, którego satelity nie widzą
Jednym z najbardziej intrygujących aspektów badania jest odkrycie, że chłodzenie wód szelfowych przez wiry odbywa się w sposób całkowicie niewidoczny z satelitów. Upwelling zachodzi pod powierzchnią, przykryty cieplejszą warstwą wody na samej górze. Tradycyjne obserwacje satelitarne, które mierzą temperaturę powierzchni oceanu, rejestrują więc ocieplenie, i to całkiem spore, podczas gdy pod spodem dzieje się coś zupełnie odwrotnego.
To właśnie dlatego przez lata nikt nie wiedział, że wiry pompują zimną wodę na szelf. Mechanizm ten wiązano wcześniej z klasycznym zjawiskiem zwanym spiralą Ekmana, czyli efektem, w którym tarcie przy dnie oceanu odchyla przepływającą wodę na bok (w lewo na półkuli południowej), co powoduje ruch wody ku brzegowi i wymuszony upwelling. Nowe dane potwierdzają, że to właśnie wiry są głównym motorem tego procesu.
Co to wszystko oznacza dla ekosystemów?
Tu trzeba zauważyć, że wody pompowane na szelf z głębszych warstw nie są po prostu zimne. Są bogate w azotany i inne składniki odżywcze. To właśnie te substancje napędzają wzrost fitoplanktonu, który stanowi fundament morskich łańcuchów pokarmowych. Teoretycznie więcej upwellingu powinno oznaczać więcej pożywienia dla morskich organizmów (od mikroskopijnych glonów po ryby i morskie ssaki).
Tak naprawdę jednak jest to o wiele bardziej skomplikowane. Wzdłuż wybrzeży RPA upwelling napędzany przez Prąd Agulhas jest istotny dla kałamarnicy chokka i dla koralowców u wybrzeży Natalu. Jednocześnie gwałtowne epizody zimnej wody potrafią zabijać. W 2021 r. jeden taki incydent w obrębie Prądu Agulhas doprowadził do śmierci przedstawicieli aż 81 gatunków morskich.
Badaczki przewidują, że w miarę nasilania się wirów na szelfach pojawi się coś w rodzaju strefy Złotowłosej: na zewnętrznym szelfie, bliżej prądu, większa podaż składników odżywczych z upwellingu może stymulować życie morskie. Natomiast wewnętrzny szelf, mniej narażony na upwelling, a bardziej na ocieplenie powierzchni, może stawać się coraz mniej produktywny. Ekosystemy przybrzeżne czeka więc nie tyle jednostajne ocieplenie, ile rosnąca amplituda warunków – więcej ciepła na górze, więcej zimna na dole, więcej gwałtownych zmian.
To nie dotyczy tylko Afryki. Te same procesy działają u wybrzeży USA, Japonii i Australii
Choć badanie dotyczy zaledwie jednego prądu oceanicznego, płynące z niego wnioski wykraczają daleko poza południową Afrykę. Mechanizmy fizyczne, które badaczki opisały w Prądzie Agulhas (wirowe pompowanie zimnej wody na szelf, stratyfikacja, przyspieszanie ocieplenia powierzchni) powinny działać we wszystkich subtropikalnych prądach zachodniobrzegowych. Teoria dynamiczna, na którą powołują się autorki, przewiduje, że więcej wirów oznacza więcej ukrytego upwellingu przy brzegu niezależnie od tego, jak konkretne wiry wyglądają w danym regionie, czy są to klasyczne zamknięte pierścienie, fale czy meandry prądu.
Przeczytaj także:
To bardzo istotne, bo ocieplenie i przesuwanie się ku brzegowi, obserwuje się od lat w Golfsztromie wzdłuż wschodniego wybrzeża USA. Najnowsze badania potwierdzają, że Golfsztrom przesuwa się ku lądowi i ociepla się od co najmniej dwóch dekad, a z tym zjawiskiem wiąże się nasilenie kontynentalnych burz, opadów i fal upałów w Ameryce Północnej. Nie mówimy tu o wyizolowanym incydencie. Dokładnie ten sam, niebezpieczny trend wykazują dziś Prąd Kuroshio u wybrzeży Japonii oraz Prąd Wschodnioaustralijski. Światowe cyrkulacje wodne zaczynają zmieniać swoje trasy i z coraz większą siłą uderzać w brzegi.
