Arktyka to obszar świata powszechnie kojarzony z zimnym, ekstremalnym klimatem. Intuicyjnie wiemy, że między Europą a Arktyką występuje ogromna różnica temperatur. Gdy latem w Polsce zdarza się 30°C, w północnej Kanadzie mamy 8-10°C . Zimą w Polsce "normalna" temperatura to -5°C, a na Grenlandii: -15°C. W ostatnich latach jednak ten kontrast zaczyna słabnąć. Choć zmiany klimatyczne są odczuwalne na całej Ziemi, nigdzie nie są one tak intensywne jak na północy naszej planety. Arktyka ociepla się szybciej niż reszta świata, co budzi stały niepokój naukowców. Przyjrzyjmy się mechanizmom i skutkom tego zjawiska.

Jednym ze sposobów mierzenia intensywności zmian klimatu jest porównywanie średniej temperatury danego wielolecia (czyli okresu obejmującego wiele –np. 30 - lat) ze średnią temperaturą wielolecia wcześniejszego. Jest to metoda prosta do zrealizowania. Wystarczy zgromadzić z całego świata pomiary temperatury z jakiegoś okresu i policzyć średnią. Następnie robimy to samo z wcześniejszym okresem i odejmujemy jedno od drugiego. Wynik tej operacji to jakaś liczba, łatwa do przekazania nie-naukowcom.

Tak, w dużym uproszczeniu, powstają „cele klimatyczne” o których tak często słyszymy. "Nie wolno dopuścić do ocieplenia większego niż 2 stopnie” oznacza "Nie można dopuścić, żeby średnia temperatura na świecie w przyszłości była o więcej niż 2 stopnie wyższa, niż średnia temperatura na świecie w przeszłości”.

Niestety, ceną prostoty przekazu jest potężne uproszczenie. Licząc globalną średnią zmianę temperatury powietrza sprowadzamy całą różnorodność przyrody na świecie i całą różnorodność jej reakcji na zmiany klimatu do pojedynczej liczby. Spróbujmy tę różnorodność odzyskać - policzmy średnią zmianę temperatury osobno w różnych miejscach świata. Otrzymamy wtedy taką oto mapę:

Różnica średniej temperatury w 2019 względem średniej z lat 1970-2000. Mapa wygenerowana na stronie https://data.giss.nasa.gov/gistemp/maps/index_v4.html Warto zajrzeć tam i pobawić się różnymi parametrami, zobaczyć jak bardzo ociepla się świat albo nasz kraj.

Im bardziej intensywny kolor, tym mocniej dany kawałek świata się ociepla. Na pierwszy rzut oka widzimy uderzające zjawisko: Arktyka, ten najzimniejszy (oprócz Antarktyki) region świata, ociepla się najmocniej.

Zjawisko intensywnego ocieplenia w rejonie podbiegunowym nazywa się wzmocnieniem polarnym albo polarną amplifikacją. Współcześnie wzmocnienie zachodzi w północnych regionach polarnych, mówimy więc najczęściej o wzmocnieniu arktycznym. Jego rozmiar jest bardzo znaczący. Podczas gdy średni światowy wzrost temperatury wyniósł ok. 0,7 stopnia Celsjusza, w Arktyce średnia temperatura podniosła się o ponad 2 stopnie. Z czego jednak wynika tak nieproporcjonalne ocieplenie? Najbardziej przekonująca hipoteza wyjaśniająca wzmocnienie polarne wiąże je z zanikiem lodu morskiego. W uproszczeniu mechanizm działa tak: Gdy klimat odrobinę się ociepla (np. pod wpływem antropogenicznych emisji gazów cieplarnianych) to latem, w okresie słonecznego dnia polarnego, topnieje większa, niż w latach wcześniejszych część lodu morskiego na Oceanie Arktycznym. Z kolei podczas nocy polarnej, w zimie, odbudowa tego lodu postępuje nieco wolniej i lód nie odzyskuje swojego zasięgu z poprzedniej zimy. W efekcie część oceanu uprzednio przykryta lodem pozostaje odsłonięta przez cały rok. Ten fakt ma ogromne znaczenie dla temperatur w Arktyce. Lód morski jest biały – co oznacza, że odbija z powrotem w kosmos niemal całe padające nań promieniowanie słoneczne. Z kolei wody oceanu są ciemne – zatem pochłaniają dużą część padającego na nie promieniowania słonecznego i wskutek tego nagrzewają się.  Cieplejszy ocean trudniej zamarza, więc w kolejnym roku lodu jest jeszcze mniej niż wcześniej, coraz więcej oceanu odsłania się, ciemna powierzchnia odbija mniej promieniowania i bardziej się ogrzewa ...

Schemat sprzężenia zwrotnego, "błędnego koła" ocieplenia w Arktyce. Wzrost temperatur powoduje topnienie lodu morskiego, który odsłania ciemny ocean, który mocniej się ogrzewa i powoduje dalszy wzrost temperatury…

Taki samonakręcający się cykl nazywamy "dodatnim sprzężeniem zwrotnym". Błędne koło topnienia lodu i nagrzewania oceanu jest obecnie uznawane przez naukowców za główną przyczynę wzmocnienia arktycznego. Do tego zjawiska dokładają się jednak też inne procesy. Wyższa temperatura wody w oceanie sprzyja parowaniu. Przez to w arktycznej atmosferze rośnie zawartość pary wodnej - najpowszechniejszego gazu cieplarnianego w atmosferze. , . Atmosfera przekazuje ciepło oceanowi i powoduje dalszą redukcję lodu morskiego. Jednocześnie cyrkulacja powietrza w regionach polarnych powoduje, że ciepło jest tam niejako „uwięzione”, inaczej niż np. przy równiku. W obszarach tropikalnych burze wynoszą ciepło i parę wodną do wyższych partii atmosfery, gdzie wiatr rozprowadza je po globie. W miarę jak parowanie wokół równika rośnie, występujące tam burze stają się coraz częstsze i silniejsze. W Arktyce brak tego mechanizmu odprowadzania nadmiaru atmosferycznego ciepła, burze występują tu rzadko, za to z obszarów tropikalnych na północ dostarczane jest coraz więcej wody i ciepła.

Skoro zmiany klimatyczne nie rozkładają się na naszej planecie równomiernie, to czy ocieplenie klimatu przebiega tak samo szybko w różnych porach roku? Postanowili to zbadać polscy naukowcy - profesor Marzena Osuch i doktor Tomasz Wawrzyniak z Instytutu Geofizyki PAN. Ich artykuł naukowy z 2017 r. [1] poświęcony jest zmienności klimatu zachodnich wybrzeży Spitsbergenu. Badacze sprawdzili, czy zmiana średniej temperatury mierzonej w Polskiej Stacji Polarnej Hornsund jest taka sama, czy inna w poszczególnych dniach roku. Jeden z wyników pokazuje poniższy wykres:

Zmiany średniej temperatury dobowej powietrza w Polskiej Stacji Polarnej Hornsund. Wykres na podstawie [1].

Każda linia przedstawia średnią temperaturę z 10 lat, reprezentującdziesięciolecie zaczynające się w innym roku (np. 1988-1997, 1989-1998...). Im chłodniejszy kolor linii - tym dawniejszy okres ona reprezentuje. Na wykresie widoczne jest ocieplenie we wszystkich miesiącach, ale największe zmiany zanotowano między listopadem a lutym. Od marca do połowy października różnice temperatury powietrza między kolejnymi okresami są nieznaczne. Jesienią linie zaczynają się rozchodzić, żeby w grudniu i styczniu osiągnąć największą rozbieżność. Co to oznacza? W zimie ocieplenie klimatu jest znacznie mocniejsze niż latem. Zmiany te spowodowały, że najzimniejszym miesiącem roku na Spitsbergenie nie jest już styczeń ani grudzień, tylko marzec... Ta sytuacja jest skutkiem opisanego wcześniej sprzężenia zwrotnego. Niedobór lodu ma szczególne znaczenie w porze zimnej, kiedy ocean zamiast zamarzać - oddaje atmosferze nagromadzone latem ciepło.

Czy polarna amplifikacja to tylko geofizyczna ciekawostka, czy może ma ona wpływ na nasze życie? Naukowcy spierają się, czy gwałtowne ocieplenie Arktyki odbija się na obszarach położonych na południe od Arktyki . Niektóre modele wykazują, że zmiany na dalekiej północy wpływają na cyrkulację atmosferyczną i powodują długie susze i ogromne powodzie  [2]. Z innych badań wnioskujemy, że te ekstremalne zjawiska pogodowe są konsekwencją innych procesów, np. zmian w temperaturze oceanu w tropikach, a wzmocnienie arktyczne gra co najwyżej drugoplanową rolę w kształtowaniu klimatu Europy, USA i Syberii [3]. Nie ma jednak wątpliwości, że szybkie ocieplenie w Arktyce ma ogromny wpływ na nią samą i destabilizuje zarówno naturalne ekosystemy jak i codzienność mieszkańców Północy. Dlatego warto pamiętać o arktycznej amplifikacji, kiedy słyszymy o globalnym ociepleniu.

Autor: Julian Podgórski

Autor serdecznie dziękuję prof. Marzenie Osuch i dr. Tomaszowi Wawrzyniakowi za konsultację merytoryczną i cenne uwagi.

Bibliografia:

[1] Osuch, M., & Wawrzyniak, T. (2017). Inter‐and intra‐annual changes in air temperature and precipitation in western Spitsbergen. International Journal of Climatology, 37(7), 3082-3097.

[2] Coumou, D., Di Capua, G., Vavrus, S., Wang, L., & Wang, S. (2018). The influence of Arctic amplification on mid-latitude summer circulation. Nature communications, 9(1), 1-12.

[3] Ogawa, F., Keenlyside, N., Gao, Y., Koenigk, T., Yang, S., Suo, L., ... & Omrani, N. E. (2018). Evaluating impacts of recent Arctic sea ice loss on the northern hemisphere winter climate change. Geophysical Research Letters, 45(7), 3255-3263.