Twoja wyszukiwarka

SŁAWOMIR SWERPEL
NIEZWYKŁA PĘTLA
Wiedza i Życie nr 9/1998
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 9/1998

WODY OCEANÓW ŚWIATA SĄ POŁĄCZONE ZE SOBĄ I MIESZAJĄ SIĘ, ROZPROWADZANE SIECIĄ PRĄDÓW MORSKICH, ZARÓWNO POWIERZCHNIOWYCH, JAK I PŁYNĄCYCH GŁĘBOKO W TONI WODNEJ. CAŁY TEN GLOBALNY PRZEPŁYW JEST ŚCIŚLE POWIĄZANY Z KLIMATEM.

Zjawisko wielkoskalowej cyrkulacji w oceanie światowym znane jest od kilkudziesięciu lat, jednak dopiero jedenaście lat temu oceanografowie i klimatolodzy, twórcy modeli prognostycznych, zaczęli przyglądać mu się z baczniejszą uwagą. Przyczyną była hipoteza amerykańskiego oceanografa Wallace S. Broeckera, według której obecny stan cyrkulacji nie jest stabilny. Jego zdaniem, w najbliższym czasie należy spodziewać się gwałtownych zmian, pociągających za sobą katastrofalne zaburzenia klimatyczne. Już w 1987 roku na łamach "Nature" Broe-cker pisał bardzo kategorycznie: Gramy w rosyjską ruletkę z naszym klimatem i nikt nie wie, w której komorze znajduje się nabój. Ostatnie lata badań oraz zachowanie się całego światowego systemu pogody potwierdzają trafność tych spostrzeżeń. Wnioski dotyczące przyszłości nie są niestety optymistyczne. Zanim wyjaśnimy, co i jak może nastąpić, zapoznajmy się z funkcjonowaniem cyrkulacji globalnej.

GIGANTYCZNY PAS TRANSMISYJNY

Jej podstawą są prądy gęstościowe, wywołane niestabilnością mas wodnych, różniących się pod względem temperatury i zasolenia. Gęstsza woda ma tendencję do opadania. Wytworzony w ten sposób pionowy nurt sięga często aż do dna. Z kolei pozioma niejednorodność wód tworzy przepływy równoległe do powierzchni oceanów. Wszystkie prądy na świecie tworzą wielki system cyrkulacyjny, którego główne odnogi łączą się w jedną globalną pętlę (ryc. 1).

Fot. Flash Press Media

Odkrywczość spostrzeżenia Broeckera polegała na tym, że przyrównał tę cyrkulację do pasa transmisyjnego, na którym - niczym w gigantycznej fabryce - przemieszczają się w oceanach niewyobrażalne ilości soli, tlenu i dwutlenku węgla.

Jeżeli pas się przesuwa, to powinien mieć gdzieś przynajmniej jeden główny "silnik". W dwóch miejscach owego pasa wody powierzchniowe gęstnieją i masowo zapadają w głębiny. Dzieje się to pod lodowcami szelfowymi Antarktydy i na polarnych morzach Atlantyku Północnego (ryc. 2). W Oceanie Indyjskim wody powierzchniowe nie mogą opadać, bo są zbyt ciepłe, a więc lekkie. Z kolei w północnym Pacyfiku mają one zbyt małe zasolenie. Mechanizm zapadania wód u wybrzeży Antarktydy wydaje się stabilny. Zupełnie inaczej jest u krańców północnego Atlantyku.

WRAŻLIWY SYSTEM

Północnoatlantycką część pętli tworzy na powierzchni wartki i niespokojny nurt Prądu Zatokowego. Przypomina on wielką rzekę, o przepływie 150 mln m3 na sekundę - to 250 razy więcej wody niż wpływa jej do Atlantyku ze wszystkich rzek. Prąd meandruje, tworząc liczne wiry, a na obszarze mórz polarnych rozgałęzia się w liczne ramiona, by w końcu zanurzyć się stopniowo w głębinach oceanu (ryc. 3). Jedna z form oddziaływania tego prądu jest nam znana ze szkolnych podręczników: podwyższa temperaturę powietrza w atlantyckich rejonach Europy Północnej. Drugi efekt tej niespokojnej rzeki jest mniej poznany i dużo poważniejszy: jej niestabilność powoduje znaczne zmiany pogodowe i klimatyczne na naszym kontynencie.

Ryc 1. Nakreślony przez W.S. Broeckera schemat globalnej cyrkulacji w postaci olbrzymiej pętli szybko zdobywa sobie miejsce w podręcznikach i w telewizyjnych programach popularnonaukowych. Ten bardzo ogólny schemat doskonale wyjaśnia zasadę funkcjonowania systemu cyrkulacji oceanicznej, nie prezentując przy tym jej dokładnego przebiegu. Na przykład obraz północnoatlantyckiej części pętli w rzeczywistości wygląda inaczej

Ryc. Stanisław Węsławski

Głównym czynnikiem regulującym przepływ wód prądu jest zmienność wzajemnego położenia i nasilenia dwóch stałych układów atmosferycznych nad północnym Atlantykiem: Wyżu Azorskiego i Niżu Islandzkiego. System Prądu Zatokowego może zostać odchylony od normalnego położenia także przez spływające z północy wody Prądu Labradorskiego. Podobnie działają wody wypływające z Morza Śródziemnego, które ze względu na swoją gęstość rozprzestrzeniają się w Atlantyku na głębokości około 800-2000 metrów. W długich okresach czynniki te wywołują efekt oscylacji podobnej do tej, jaka ma miejsce na południu naszego globu, i z którą związane jest zjawisko El Niño (Southern Oscillation). Oscylacje północnego Atlantyku (zwane w skrócie NAO - North Atlantic Oscillation) nie są aż tak silne, decydują jednak o niestabilności pogody w Europie i mają wpływ na rybołówstwo (patrz artykuł Klimat, plankton i zasoby rybackie w bieżącym numerze).

Kiedy ciepłe wody, płynące wzdłuż północnoatlantyckiego ramienia pętli, opuszczają wybrzeża Europy, zaczynają intensywnie oddawać ciepło atmosferze (to jedna czwarta z tego, co oddaje cały północny Atlantyk). Proces ten występuje najsilniej na zachód od Wyspy Niedźwiedziej i Spitsbergenu (ryc. 4), gdzie ucieczkę ciepła obserwuje się przez cały rok, a jej wielkość osiąga wartości rekordowe dla oceanu światowego. Sondaże balonowe, wykonane ze stacji aerologicznych, potwierdzają "przegrzanie" tamtejszej troposfery o 26°C.

Ryc 2. Krawędź antarktycznego lodowca szelfowego

Fot. Wojciech Moskal

Wielkość obszaru, w obrębie którego zjawisko zachodzi najintensywniej, jest porównywalna z Morzem Bałtyckim. Schłodzone, słone wody atlantyckie powoli zanurzają się tam pod warstwę równie zimnych, lecz mniej słonych, wód arktycznych. Proces ten nasila się zimą. Dalej na północ tonące słone wody podpływają pod lodowy pak. Zdarza się, że ukształtowanie dna zmusza je wtedy do ponownego wypłynięcia na powierzchnię. Topią wtedy od spodu pokrywę lodową, tworząc znaczne obszary otwartej wody. Nazywa się je połyniami (płoniami). Jedna z najbardziej znanych, podgrzewana zachodnią odnogą systemu Prądu Zatokowego, znajduje się w północnej części Morza Baffina i nazywana jest "Wodą Północną" (patrz artykuł Oazy polarnych oceanów w tym numerze).

Zjawisko zapadania oziębionych wód w głębiny oceaniczne jest tak wyraźne, że jego badacz, Amerykanin Knut Aagaard, nazwał rejon, w którym ono zachodzi, "kominem wentylacyjnym". Razem z wodami w takim kominie "znikają" gigantyczne ilości soli, tlenu i dwutlenku węgla. Na terenie europejskich mórz arktycznych znajduje się kilka "kominów wentylacyjnych", największy na Morzu Grenlandzkim (ryc. 5). Tworzące się w ten sposób wody głębinowe należą do najgęstszych w całej hydrosferze Ziemi. Ich odpływ z mórz arktycznych na południe Atlantyku - ciąg dalszy pętli atlantyckiej - nie jest stabilny i czasami znacznie słabnie (w ostatnich latach zdarzyło się to kilkakrotnie). Czy może więc kiedyś zaniknąć? Poszukiwanie odpowiedzi w ciągu ostatnich piętnastu lat doprowadziło do zaskakujących odkryć.

NADMIAR SŁODKIEJ WODY

"Tonięcie" gęstych wód można wyhamować w prosty sposób - trzeba je rozcieńczyć. Dwóch oceanografów, Knut Aagaard i Eddy Carmack, poszło tym tropem. Przebadali napływ wód słodkich do mórz Grenlandzkiego i Islandzkiego z dwóch głównych źródeł: rzek i tajania lodu morskiego w okresie wiosenno-letnim. Oszacowali także stabilność mas wodnych w wielkich kominach wentylacyjnych. Z ich obliczeń wynika, iż nawet niewielki wzrost napływu wód słodkich może na tyle rozcieńczyć słone wody systemu Prądu Zatokowego, że przestaną zapadać w głębiny.

Ryc 3. Słone, przypowierzchniowe wody północnego Atlantyku są głównym źródłem wód głębinowych dla Oceanu Indyjskiego i Pacyfiku, gdzie układ cyrkulacji w pętli jest odwrócony w stosunku do części atlantyckiej

Ryc. Stanisław Węsławski

Wydarzenia, które nastąpiły w latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych na Atlantyku Północnym, potwierdziły poprawność tego rozumowania i ukazały skomplikowany mechanizm powiązań w strukturze regulacyjnej ziemskiego klimatu. Najpierw zaobserwowano spadek zimowej temperatury powietrza o około 2°C w europejskiej części Arktyki. Po raz pierwszy od dziesięcioleci lody pojawiły się na wschód od Islandii. Jednocześnie zwiększył się napór wód atlantyckich na północ. Nastąpiło tajanie lodów i cofnięcie się ich południowego zasięgu. W połowie lat siedemdziesiątych napływ ciepłych i słonych wód atlantyckich do mórz arktycznych nagle osłabł. Z powrotem na południe odpłynęło w głębinach o 15 bln ton soli mniej niż w normalnym okresie.

Huśtawka systemu cyrkulacji na północnym Atlantyku trwała do końca lat siedemdziesiątych, dając przedsmak katastrofy, jaką może spowodować każdy większy napływ słodkich wód w rejon kominów wentylacyjnych. Ponadto okazuje się, że gwałtowne zmiany klimatu, spowodowane zaburzeniami globalnej cyrkulacji w oceanie, występowały często w przeszłości. Dowody na to znaleziono w osadach dna oceanicznego oraz rdzeniach z grenlandzkiego lądolodu.

KATASTROFA SPRZED LAT

Przez długi czas przyjmowano (ten pogląd tkwi nadal w większości podręczników), że w czasie plejstocenu klimat był albo stale chłodny (glacjał), albo ciepły (interglacjał). Jest to jednak bardzo grube uproszczenie.

Ryc 4. Wyspa Niedźwiedzia - zwana "wyspą mgieł i wichrów", ze względu na gwałtowność zachodzących obok procesów wymiany ciepła między morzem i atmosferą

Fot. Sławomir Swerpel

Kiedy przebadano gruntownie osady z północnego Atlantyku i lód z Grenlandii, zauważono, że około 10 tys. lat temu nastąpiła seria gwałtownych zmian klimatu [Czas zamrożony w lodach Grenlandii, "Świat Nauki" nr 4/1998]. Typowe wahnięcie charakteryzowało się zmianą temperatury powietrza rzędu 6°C, pięciokrotną zmianą stopnia zapylenia i 20-procentową stężenia dwutlenku węgla w atmosferze. Na podstawie tych wyników Broecker stworzył hipotezę o okresowym zaniku globalnej cyrkulacji termohalinowej (tzn. wywołanej różną gęstością wody) w oceanie. Według niej, silnik napędzający przemieszczanie się wód oceanicznych po wielkiej pętli czasami zwalnia i może nawet staje.

Śmiałość koncepcji tak zaszokowała świat naukowy, że zaczęto gorączkowo szukać dowodów, które obaliłyby ją lub potwierdziły. Na początku lat dziewięćdziesiątych Scott Lehman i Lloyd Keigwin, naukowcy z Woods Hole Oceanographic Institute (USA), przyjrzeli się więc nieco dokładniej osadom dennym z Rynny Norweskiej. Muł osadza się tam z prędkością kilkaset razy większą niż na otwartym oceanie. Wyniki były zaskakujące. Okazało się, ze średnia temperatura atlantyckich wód potrafiła wahać się u schyłku plejstocenu o ponad 1°C w ciągu 10 lat. Z gwałtownie postępującego ocieplenia klimat przełączał się w nagłe ochłodzenie (ryc. 6). Czy powodem mógł być przypływ wód słodkich do Atlantyku Północnego? Prawdopodobnie tak. Winą obarcza się wody olbrzymiego Jeziora Agassiza, istniejącego wówczas na terenie Ameryki Północnej, oraz Lodowego Jeziora Bałtyckiego. Oba zbiorniki wlały się do oceanu po cofnięciu się lądolodów.

Ryc 5. Największe kominy wentylacyjne istnieją na obszarze mórz Islandzkiego i Grenlandzkiego. Proces "tonięcia" gęstych wód zachodzi na mniejszą skalę w wielu innych miejscach europejskich mórz arktycznych

Ryc. Stanisław Węsławski

Skutki owej katastrofy klimatycznej odbiły się na środowisku całego globu. Dowody znaleziono w osadach Rowu Cariaco, Zatoki Kalifornijskiej, u zacho-dnich wybrzeży Pacyfiku, w próbkach lodu z lodowców andyjskich i tybetańskich. Tylko na Antarktydzie zmiany klimatu były słabo widoczne i miały odwrotny charakter niż pozostałe. Nieznaczne ocieplenie tego kontynentu towarzyszyło gwałtownemu ochłodzeniu klimatu w innych rejonach globu. Ochłodzenie to trwało przez około 1500 lat (okres ten nazwano młodszym dryasem), po czym nadeszło równie gwałtowne ocieplenie. Podobne zjawisko przełączania się klimatu odkryto w osadach całego plejstocenu. Zdaniem Broeckera, jego źródłem jest bimodalny charakter globalnej cyrkulacji oceanicznej, która co kilka, kilkanaście tysięcy lat zmienia "z dnia na dzień" sposób dotychczasowego funkcjonowania.

Gdy system Prądu Zatokowego słabnie lub wręcz zanika, Ameryka Północna i Europa wchodzą w gwałtowne ochłodzenie. Następują zmiany w wodach powierzchniowych: w Oceanie Atlantyckim obumierają ciepłolubne gatunki planktonu, a zimnolubne powiększają swój zasięg. Zamarcie wentylacji głębinowej doprowadza do zmian w faunie dennej. Jednocześnie następuje przesunięcie układów barycznych nad Azją, zmieniają się raptownie kierunki wiatrów. Temperatura na tym kontynencie znacznie spada. Wody północnego Pacyfiku ochładzają się, co sprzyja rozpoczęciu głębinowej wentylacji tego oceanu. Jego środowisko denne, zubożałe przez lata ograniczonych dostaw tlenu, ulega odnowieniu.

Ryc 6. Badania próbek lodu z Grenlandii pozwoliły przyjrzeć się dokładniej końcowej fazie plejstocenu. Przy przejściach w okres chłodu nad lądolód grenlandzki docierał bogaty w węglan wapnia pył z pustyni Gobi

Ryc. Stanisław Węsławski

Przełączanie się cyrkulacji w drugi system trwa około dwustu lat. Po tym okresie rolę jej głównego silnika przejmuje pionowa cyrkulacja na wodach antarktycznych. Doprowadza to nawet do nieznacznego ocieplenia na tym kontynencie. Po okresie następnego tysiąca do kilku tysięcy lat następuje kolejne przestawienie całego układu.

ZAPALNIK BOMBY KLIMATYCZNEJ

Wallace S. Broecker uważa, że główną przyczyną przełączenia się cyrkulacji jest nadmiar wód słodkich w północnym Atlantyku. Zwiększonemu napływowi tych wód towarzyszy wzrost aktywności układów cyklonalnych, które rodzą się na północnym Atlantyku i wędrują nad Europę i Azję. Obecnie obserwuje się oba te zjawiska.

Ryc 7. Fazy Oscylacji Południowej

Ryc. Stanisław Węsławski

W sprawie odwrotnego przełączania ciekawą hipotezę postawił szwedzki uczony Eric Olausson: wraz z wejściem w fazę ochłodzenia następuje zmagazynowanie dużej ilości wody w pokrywie śnieżnej i lodowej; poziom oceanu obniża się stopniowo, odsłaniając próg w Cieśninie Beringa; w Arktyce maleją opady, a w syberyjskich rzekach przepływy; brak słodkich wód na powierzchni Morza Arktycznego uruchamia konwekcję, w wyniku czego pokrywa lodowa zaczyna zmniejszać swój zasięg.

W listopadzie ub.r. ukazał się artykuł ["Science" nr 5343/1997], w którym Broecker napisał: Jest bardzo prawdopodobne, że wzrost zawartości gazów cieplarnianych w atmosferze wyzwoli następną reorganizację oceanicznej cyrkulacji, co pociągnie za sobą gwałtowne zmiany w systemie ziemskiej atmosfery. W momencie, gdy na naszej planecie zamieszkiwać będzie 11 do 16 mld ludzi, doprowadzi to do masowego głodu.

Ryc 8. Układ prądów w paleocenie

Ryc. Stanisław Węsławski

Dokładna analiza rdzeni osadu i próbek lodu unaoczniła jeszcze jedno. Pierwsze objawy zaczynają występować w systemie klimatu ziemskiego kilkadziesiąt lat przed przełączeniem się cyrkulacji w drugą stronę. Są to gwałtowne, często katastrofalne zjawiska pogodowe, które pojawiają się ze wzmożoną częstotliwością i siłą. Jednym z nich jest wzmożona aktywność cyklonów wędrujących znad północnego Atlantyku nad Europę i ku Arktyce. Taka tendencja pojawiła się z początkiem lat siedemdziesiątych. Drugą jest nasilenie zjawiska południowej oscylacji, zwanego popularnie El Niño. W zeszłym roku wystąpiło największe El Niño w obecnym stuleciu. Jego katastrofalny przebieg obserwujemy obecnie na naszym globie.

SŁAWOMIR SWERPEL jest klimatologiem, uczestniczącym w badaniach środowiska morskiego.

O podobnych zagadnieniach przeczytasz w artykułach:
(01/97) OCEANY ZIMNE, OCEANY CIEPŁE
(09/97) OCEAN WIDZIANY Z KOSMOSU