„D-O” - ujawniamy sekret gwałtownych zmian klimatu w przeszłości
Taka historia to marzenie każdego autora książek popularnonaukowych. Opisuje najbardziej dramatyczne zwroty w historii ziemskiego klimatu. Bohaterowie to pełni pasji naukowcy stawiający czoła groźnym lodom i śniegom Grenlandii i Antarktydy, by po latach zwieźć do domu najcenniejsze trofea: długie na kilometr rdzenie wiekowych lodowców, sięgające 100 tys. lat wstecz.
W niniejszym tekście oferujemy pogłębioną wiedzę nt. jednego z fascynujących zjawisk klimatycznych przeszłości. Czytelników zainteresowanych podstawowymi wątpliwościami dotyczącymi zmian klimatycznych zapraszamy do działu FAQ.
Po powrocie, w swoich laboratoriach, ci dzielni ludzie spędzili długie samotne miesiące na precyzyjnych pomiarach - wszystko po to, by złamać zagadkę gwałtownych zmian klimatu przeszłości. Sporo już napisano na temat badań rdzeni lodowych (włącznie ze znakomitą książką Richard Allena “The Two Mile Time Machine”) i jeszcze wiele zostanie napisane…
W latach 80-ch i 90-ch, w pierwszych, pionierskich latach badań rdzeni lodowych na Grenlandii, odkryto, że w czasie ostatniej epoki lodowcowej dochodziło do quasi cyklicznych gwałtownych zmian klimatu zwanych “Dansgaard-Oeschger events” (lub po prostu D-O events), które do dziś fascynują i konfundują naukowców. Temperatury na Grenlandii podskakiwały o ponad 10 ºC w przeciągu kilkudziesięciu lat na początku D-O i zazwyczaj pozostawały wysokie przez kolejne kilkaset lat. Ten schemat powtórzył się ponad 20 razy podczas ostatniej epoki lodowcowej, między 100 000 a 10 000 lat temu.
Wyniki badań zespołu EPICA (the European Project for Ice Coring in Antarctica) opublikowane w Nature przynoszą rewelacje z drugiego bieguna, z Antarktydy i przybliżają nas do zrozumienia mechanizmu tych tajemniczych zmian klimatu odkrytych nie tylko w rdzeniach lodów Grenlandii, ale też w chińskich jaskiniach, osadach na dnie Morza Karaibskiego i wielu innych zaskakujących miejscach. Cóż więc mówią nam dane EPICA?
Dane te łączą wzrosty i spadki temperatur na Antarktydzie ze znacznie szerzej zakrojonymi zmianami klimatu Grenlandii. To trudne ćwiczenie, bo datowanie rdzeni lodowych jest nie lada sztuką. Pięcioprocentowy błąd w szacunkach wieku warstwy lodowej dla lodu, który ma 40 tys. lat, oznacza pomyłkę o 2 tys. lat. Jednak by zrozumieć mechanizm zmian klimatu, musimy poznać sekwencję zdarzeń – np. czy dane ocieplenie na Antarktydzie wydarzyło się wcześniej, później, czy też w tym samym momencie, jak ocieplenie na Grenlandii.
By rozwiązać ten problem, Thomas Blunier z kolegami prawie 10 lat temu wynalazł sprytną metodę synchronizowania rdzeni lodowych Grenlandii i Antarktydy, opartą na analizie zmian w ilości metanu w pęcherzykach powietrza zamkniętych w lodzie.
Podczas, gdy początkowo Blunier i koledzy byli w stanie łączyć jedynie kilka większych zmian klimatu, badacze EPICA przenoszą tą metodę na wyższy poziom, stosując ją w lokacji na Antarktydzie, Dronning Maud Land. Nowe dane potwierdzają z bezprecedensową precyzją to co odkrył Blunier: gdy Grenlandia pozostawała zimna, Antarktyda się stopniowo ocieplała. Jednak kiedy tylko Grenlandia ocieplała się gwałtownie w pierwszej fazie D-O, temperatury na Antarktydzie zaczynały spadać (patrz wykres). Tak działo się w trakcie każdego wydarzenia D-O. Ten dziwaczny, sensacyjny schemat został również odzwierciedlony w modelach symulujących te wydarzenia (górna część wykresu).
Wykres: Dwie górne części wykresu to wynik modelowania wydarzeń D-O w arbitralnie wybranej skali czasu (w latach), ilustrujący zależność między temperaturami na Grenlandii i na Antarktydzie: kiedy na Grenlandii rozpoczynało się D-O, Antarktyda przestawiała się na ochłodzenie. Dwie dolne części panelu pokazują „jak było naprawdę” –chaotyczne, „nieporządne” dane z rdzeni lodowych. Czas tutaj biegnie od lewej do prawej, wyda się to normalne laikowi, ale będzie raczej niezwykłe dla badacza rdzeni lodowych.
Zgodnie z modelem jest to rezultat wielkiej zmiany w cyrkulacji oceanicznej w rejonie Atlantyku. Kiedy transport ciepła w ramach cyrkulacji termohalinowej na Atlantyku zwiększał się, Grenlandia nagle się ocieplała (efekt ten był dodatkowo wzmacniany przez cofającą się morską pokrywę lodową wokół Grenlandii), a Antarktyda ochładzała. Zmiany na Antarktydzie były mniejsze i bardziej stopniowe, jako że znajduje się ona daleko od centrum zdarzeń (czyli zmian w cyrkulacji termohalinowej), ale też dlatego, że duża powierzchnia wód wokół Antarktydy dobrze magazynuje ciepło. Podstawy fizyczne tego zjawiska zostały ładnie zilustrowane na prostym „modelu-zabawce” Thomasa Stockera i Sigfusa Johnsena.
Nadal debatuje się, jakiego rodzaju zmiana w cyrkulacji oceanów wpływała na ilość transportowanego ciepła. Niektórzy twierdzą, że cyrkulacja termohalinowa na Atlantyku zatrzymywała się i ruszała na przestrzeni cyklu D-O, inni, że zmieniała się siła i wartkość oscylacji. Stefan Rahmstorf z RealClimate uważa, że przyczyną mogły być przemieszczenia punktów konwekcji (czyli pionowej wymiany wód ciepłych i zimnych w oceanie, napędzającej "pas transmisyjny" cyrkulacji). Tak się właśnie dzieje na powyższym modelu – podczas zimnych okresów na Grenlandii konwekcja miała miejsce na południe od Grenlandii, natomiast podczas wydarzeń D-O przesuwała się na północ, na obszar Morza Norweskiego – w ten sposób ciepłe i słone wody Atlantyku wlewały się głębiej na północ. Opis tej hipotezy Rahmstof zawarł w publikacji w Nature (1994).
Tak czy owak, nowe dane z Antarktydy jasno wskazują, że to zmiany w transporcie ciepła w ramach cyrkulacji oceanicznej odpowiadają za gwałtowne zmiany klimatu Grenlandii. Wynika z nich, że nie mamy tutaj do czynienia z globalnymi zmianami temperatur jako takimi (te były niewielkie, jak widać na powyższych modelach). Mówimy tutaj o tym, co można nazwać zmianami klimatu drugiej klasy : czyli zmianami w sposobie przemieszczania ciepła w ramach systemu klimatycznego.
Zacznijmy od analogii: wyobraźmy sobie wannę z wodą i sposoby zmiany poziomu wody w tej wannie. Zmiana pierwszego rodzaju, to zmiana poziomu wody na całej powierzchni, np. poprzez dolanie wody. Zmiana drugiego rodzaju to podniesienie poziomu wody w jednej części, poprzez zagarnięcie części wody na jedną stronę.
Istnieje tylko kilka sposobów zmiany temperatury globalnej – czyli dokonania zmian klimatycznych pierwszej klasy . Należy zmienić globalny budżet ciepła: ilość promieniowania docierającego do ziemi, ilość promieniowania odbitego (tzw. albedo Ziemi), albo ilość wychodzącego promieniowania długofalowego. Okresowo można też magazynować ciepło w oceanach lub je wypuszczać, ale wpływ tej metody na średnią globalną temperaturę jest raczej ograniczony.
Zmiany drugiej klasy są spowodowane zmianami w transporcie ciepła w atmosferze lub oceanie. Mogą mieć gwałtowny przebieg i objąć nawet duży region, ale tylko region. Pomyśl o wannie – jeżeli chcesz podnieść poziom wody w jednej części wanny o 10 cm, możesz odkręcić kurek, ale znacznie szybciej będzie przesunąć dłońmi część wody, aczkolwiek tylko na chwilę i kosztem poziomu wody w drugiej części wanny. Jak potwierdzają ostatnie badania, taki rodzaj huśtawki temperatur (kiedy to wzrost temperatur w jednym miejscu skutkuje obniżeniem temperatur w drugiej), najwyraźniej miał miejsce w trakcie wydarzeń D-O.
Te dwa rodzaje zmian klimatu są czasem mylone przez laików – niesłusznie wskazujących, że wydarzenia D-O stanowiły znacznie większą i gwałtowniejszą zmianę klimatu, niż wywołane przez człowieka zmiany klimatu. Tymczasem najświeższe badania wskazują, że D-O były zmianami drugiej klasy. Podobny błąd popełniają ci, którzy twierdzą, że 1470-letni cykl występowania D-O może prowadzić do „niemożliwych do powstrzymania zmian klimatu”. Prawdą jest natomiast, że globalne ocieplenie rzędu 3 do 5 ºC na przestrzeni zaledwie wieku, do jakiego zmierzamy wielkimi krokami, będzie bez precedensu w historii klimatu.
Nie odnieśliśmy się jeszcze do jednej kluczowej kwestii – jeżeli wydarzenia D-O były powodowane przez zmiany w cyrkulacji oceanicznej, co wywołało te zmiany w cyrkulacji? Niektórzy sugerują, że cyrkulacja oceaniczna może oscylować wewnętrznie, więc, by się zmieniać, nie potrzebuje zewnętrznych czynników. Rahmstorf nie jest o tym przekonany – przeczy temu regularność cyklu D-O, liczącego 1470 lat. Być może na zmiany w cyrkulacji wpływają regularnie zmieniające się czynniki zewnętrzne (takie jak słabe cykle aktywności Słońca, które same z siebie mają niewielki wpływ na klimat), które sprawiają, że po przekroczeniu jakiegoś punktu krytycznego następują zmiany. Czasem nie dochodzi do przekroczenia takiego punktu krytycznego (w końcu system klimatyczny jest dość chaotyczny) i pewne wydarzenia nie następują regularnie, co 1500 lat, ale w następnym i następnym cyklu – za 3000 lat, albo za 4500. Pole do eksploracji pozostaje otwarte – przyczyna regularności cyklu 1470-letniego pozostaje zagadką.
Źródła:
Alley, R.B., 2002: The Two-Mile Time Machine: Ice Cores, Abrupt Climate Change, and Our Future. Princeton University Press.
Blunier, T. and E. J. Brook, 2001: Timing of millennial-scale climate change in Antarctica and Greenland during the last glacial period. Science, 291, 109-112.
Blunier, T., J. Chappellaz, J. Schwander, A. Dällenbach, B. Stauffer, T. F. Stocker, D. Raynaud, J. Jouzel, H. B. Clausen, C. U. Hammer, and J. S. Johnsen, 1998: Asynchrony of Antarctic and Greenland climate climate change during the last glacial period. Nature, 394, 739-743.
Rahmstorf, S., 1994: Rapid climate transitions in a coupled ocean-atmosphere model. Nature, 372, 82-85. Steig, E.J., 2006: Climate change: the south-north connection. Nature, 444, 152-153.
Stocker, T. F. and S. J. Johnsen, 2003: A minimum thermodynamic model for the bipolar seesaw. Paleoceanography, 18, art. no. 1087.
Pierwsze zdjęcie: Cyrkulacja termohalinowa (wikipedia)
Informacje dodatkowe
Opracowanie na podstawie tekstu Stefana Rahmstorfa z portalu Realclimate. Blog Realclimate to laureat Science & Technology Web Awards, plasowany na 21 miejscu listy najchętniej odwiedzanych blogów naukowych oraz zrzeszony w Guardian Environment Network - sieci współpracy najszerzej piszącego o zmianach klimatycznych dziennika anglojęzycznego.
