Błękitny krwiobieg Ziemi

W 1751 r. Henry Ellis, kapitan angielskiego statku, dokonał epokowego odkrycia. Żeglując po ciepłych podzwrotnikowych wodach Atlantyku, spuścił w głębiny umocowany do długiej liny pojemnik z zaworami, umożliwiającymi jego napełnienie i zamknięcie pod wodą. Ku zdziwieniu kapitana woda w głębinach była wręcz lodowata – tym zimniejsza, im głębiej ją pobrano. Ellis chyba niezbyt zdawał sobie sprawę ze swego epokowego odkrycia. W dzienniku pokładowym zapisał, że przyrząd do poboru zimnej wody jest przydatny, bo dzięki niemu załoga może podczas upałów schładzać siebie oraz przewożone wino. W rzeczywistości ten sprytny żeglarz był pierwszym człowiekiem, który odnotował temperaturę głębszej wody z systemu oceanicznego pasa transmisyjnego, który okrąża całą Ziemię.

W 1770 r. Benjamin Franklin, którego podobizna widnieje na banknocie 100-dolarówki, po raz pierwszy zaznaczył na mapach nawigacyjnych powierzchniowy Prąd Zatokowy zwany Golfsztromem. Jego odkrycie znacznie usprawniło żeglugę na Atlantyku, umożliwiając skrócenie jej o wiele tygodni. Płynąc ze Stanów Zjednoczonych do Anglii, wystarczyło znaleźć się w odpowiednim miejscu prądu i tak ustawić żagle, aby wiatr dodatkowo wspomagał żeglugę. W drodze powrotnej starano się omijać Golfsztrom, a więc najpierw kierowano się bardziej na południe, wzdłuż wybrzeży Francji, a dopiero później do Ameryki. Dzisiaj również w żegludze morskiej znajomość położenia, kierunku i prędkości prądów ma duże znaczenie. Dzięki niej pływanie jest zarówno szybsze, jak i tańsze, gdyż przyczynia się do obniżenia zużycia paliwa przez statki.

Powierzchniowe rzeki

Prąd morski to zorganizowany ruch znacznych ilości wody na duże odległości, w określonym kierunku, odbywający się w otoczeniu wód pozostających we względnym bezruchu. Powierzchniowe prądy morskie można porównać do potężnych rzek, przesuwających się w warstwie wody z reguły do głębokości ok. 100 m. Masy wody nie podróżują idealnie w linii prostej, lecz często meandrują, tworząc liczne wiry i rozgałęzienia. Średnie prędkości oceanicznych rzek są różne i z reguły nie przekraczają kilku km/h. Przykładowo Golfsztrom na Atlantyku ma średnią prędkość 6,4 km/h. Wprawdzie nie jest ona zawrotna, jednak ten leniwy prąd przenosi gigantyczną ilość wody. Oszacowano ją na 150 mln m³/s, czyli prawie 150 razy więcej niż w ciągu sekundy wprowadzają do oceanów wszystkie rzeki świata.

Potężne oceaniczne rzeki odgrywają olbrzymią rolę w procesach klimatycznych, transportując ciepłe masy wód z równika w kierunku biegunów (prąd ciepły), a chłodne – w przeciwnym kierunku (prąd zimny). Ciepłe prądy sprawiają, że płynąca woda stopniowo oddaje ciepło atmosferze, czyli ogrzewa powietrze, powodując, że klimat jest cieplejszy i wilgotniejszy. Z kolei zimne działają odwrotnie. W ujęciu globalnym płynące od równika ku biegunom i z powrotem prądy tworzą cyrkulacje, które wyglądają jak mknące po powierzchni każdego z oceanów wielkie obracające się okręgi. Na wodach wszechoceanu istnieje pięć wielkich cyrkulacji, których kierunek na półkuli południowej jest przeciwny, a na północnej zgodny z ruchem wskazówek zegara.

Ten niezwykły układ wywołany jest głównie przez wynikającą z ruchu obrotowego Ziemi tzw. siłę Coriolisa. Wpływa ona nie tylko na ruch wody, ale i na występujące w rejonach międzyzwrotnikowych stałe wiatry zwane pasatami. Wiejąc z kierunku północno-wschodniego na półkuli północnej i południowo-wschodniego na południowej powodują one dodatkowe tarcie olbrzymich mas powietrza o powierzchnię wody. Współdziałanie tych czynników wywołuje płynące po powierzchni prądy, które układają się we wspomniane wielkie komórki cyrkulacyjne. Jednak woda nie porusza się jedynie po zewnętrznych częściach okręgów, ale również wewnątrz nich. Przemieszczanie się olbrzymich jej mas do środka komórki cyrkulacyjnej zostało wyjaśnione w XIX w. przez szwedzkiego uczonego, na którego cześć to zjawisko nazwano spiralą Ekmana. Zgodnie z tym procesem warstwa wody powierzchniowej przemieszcza się pod kątem 45˚ w stosunku do kierunku wiatru. Wskutek tego w każdej z wielkich obracających się komórek cyrkulacyjnych olbrzymie masy wody kierują się do jej środka, po czym napierają na siebie i się spiętrzają. W efekcie we wnętrzu komórek cyrkulacyjnych poziom wody może być podwyższony nawet o 1 m w stosunku do średniego poziomu oceanu.

Wielki krwiobieg

W 1987 r. Wallace Broecker sformułował koncepcję wielkiego pasa transmisyjnego wód wszechoceanu, która z pewnymi modyfikacjami funkcjonuje do dziś. Krążenie wód oceanicznych nazywane jest również cyrkulacją termohalinową (gr. halos – sól, thermo – temperatura), gdyż proces ten zależy przede wszystkim od różnicy temperatur oraz zasolenia wody. Wartości te zmieniają się w istotny sposób zwłaszcza w północnej części Atlantyku, w rejonie Arktyki, gdzie zlokalizowana jest główna moc napędowa tego wielkiego pasa transmisyjnego. Jego istotnym elementem jest ciepły prąd powierzchniowy Golfsztrom, który płynie z okolic równika w kierunku północnych rejonów Atlantyku. W trakcie swej podróży stopniowo oddaje ciepło do atmosfery. W rejonie Arktyki woda ochładza się, przez co znaczna część zawartej w niej soli zaczyna się wytrącać i opadać w kierunku dna. W ten sposób poniżej warstwy powierzchniowej lokuje się masa wody o podwyższonym zasoleniu i gęstości, która następnie zapada się, tworząc silny prąd zstępujący w kierunku dna. Obszar, w obrębie którego zachodzi tak niezwykłe zjawisko, jest porównywalny z powierzchnią Morza Bałtyckiego. W tym specyficznym kominie wentylacyjnym zapadają się olbrzymie ilości soli oraz dobrze natlenionej wody. Utworzone w ten sposób wody głębinowe należą do najgęstszych w całym wszechoceanie.

Jako że „silnik” na powierzchni pracuje nieprzerwanie z potężną siłą, to napływające masy wody z góry naciskają na te z dołu, powodując ich przemieszczanie przy dnie w kierunku południowym. W ten sposób powstaje głębinowy prąd, który przesuwa się przez cały Ocean Atlantycki aż do Oceanu Południowego. Tam głębinowy prąd tworzy odnogi, z których jedna kieruje się do Oceanu Indyjskiego, a druga – do Oceanu Spokojnego. W obu akwenach głębinowe zimne wody podróżują w kierunku równika. Tam stopniowo nagrzewają się, po czym wypływają na powierzchnię i zaczynają płynąć na zachód. Ostatnim etapem podróży jest Atlantyk, a następnie prąd przemieszcza się w kierunku Arktyki, czyli lokalizacji głównego silnika napędowego. W porównaniu z prądami powierzchniowymi, mającymi z reguły prędkość kilku km/h, głębinowe przesuwają się jeszcze wolniej, pokonując zaledwie kilka cm/s. W efekcie jeden cykl, czyli czas, w którym jakaś objętość wody przemieści się przez cały pas transmisyjny Ziemi, trwa aż 1000 lat.

Na błękitny krwiobieg Ziemi pewien wpływ mają również wiatr czy pływy. Z tego względu w literaturze naukowej coraz częściej używa się nazwy „południkowa cyrkulacja przewracająca”, która precyzyjniej opisuje proces krążenia wód we wszechoceanie. I chociaż naukowcy dysponują obecnie superkomputerami i danymi satelitarnymi, wciąż nie rozumieją do końca wszystkich elementów tego skomplikowanego systemu. Wiadomo jednak, że wody wszechoceanu mieszają się zarówno na powierzchni, jak i w głębinach, głównie wskutek istnienia sieci prądów morskich. Obiegając naszą planetę niczym krwiobieg organizm, rozprowadzają zwłaszcza ciepło z rejonów równikowych w kierunku biegunów.

Słabnący Golfsztrom

Golfsztrom, zwany również Prądem Zatokowym, jest ciepłą masą wody, która najpierw wypływa szeroką (100–200 km) strugą z rejonu Zatoki Meksykańskiej, a następnie kieruje się na północ wzdłuż wschodnich wybrzeży USA. Prąd ostatecznie dociera aż do północnego Atlantyku, gdzie rozgałęzia się na dwie odnogi, z których jedna opływa wybrzeża Norwegii, a druga – zachodnie wybrzeża Europy. Z reguły gdy Golfsztrom słabnie, to północno-zachodnia Europa doświadcza ochłodzenia klimatu. W ogólnym ujęciu od końca ostatniej epoki lodowcowej, czyli od jakichś 11 tys. lat, prąd jest dość stabilny, ale w jego przepływie notowane były i są pewne okresowe anomalie wywołujące zaburzenia w cyklicznym dostarczaniu ciepła do północnych rejonów półkuli Ziemi. Taka sytuacja wystąpiła np. w latach 1200–1850, które nazywamy małą epoką lodowcową. Naukowcy badający osady z dna oceanicznego na Atlantyku oraz lądolód Grenlandii znaleźli dowody, że to właśnie Golfsztrom dostarczał wtedy mniej ciepła do północnych rejonów Atlantyku.

Dotychczas tego typu wydarzenia uznawano za naturalne fluktuacje w skomplikowanym systemie prądów oceanicznych i nie uznawano ich za zbyt istotne w globalnie rozpatrywanym procesie wymiany ciepła. Jednak naukowców zaczyna niepokoić to, że w ostatnich latach coraz częściej daje się zauważyć systematyczne osłabianie się Golfsztromu. Jak wynika z najnowszych badań, opublikowanych na łamach renomowanego pisma naukowego „Nature”, od połowy XX w. Golfsztrom zwolnił o jakieś 15%. Niewątpliwie ta niepokojąca sytuacja stanowi odbicie wydarzeń w Arktyce, która jest piętą achillesową systemu krążenia wód we wszechoceanie. Globalne ocieplenie, czyli systematyczne podwyższanie się średniej temperatury atmosfery i oceanów, sprawia, że w całej Arktyce ubywa lodu. Topniejący lądolód Grenlandii dostarcza do oceanu gigantyczną ilość słodkiej i zimnej wody. A jako że jest ona lżejsza od słonej oceanicznej, to pływa po jej powierzchni. W ten sposób w północnym Atlantyku powstaje olbrzymia – wielkości Indii – plama zimnej wysłodzonej wody, która rozlewając się na południe od wybrzeży Grenlandii, wstrzymuje ciepłe wody Golfsztromu. Jak wiadomo, prąd ten istnieje głównie dzięki różnicom gęstości wód w oceanie. Ciepła, a więc lżejsza woda, płynie z południa na północ, aż do Arktyki, gdzie ochłodziwszy się, opada w głębiny, a następnie przemieszcza przy dnie na południe. Gdy więc napotka wcześniej zimne masy wody, ciepłe wody zamiast docierać do Arktyki zapadają się w głębiny znacznie wcześniej. Paradoksalne jest to, że choć pod koniec XX w. cały świat się ocieplał, to objęty plamą rejon na północnym Atlantyku był ciągle chłodny.

Modele klimatyczne wskazują, że jeśli globalna temperatura powietrza będzie nadal wzrastać, Golfsztrom ostatecznie osłabi się jeszcze bardziej. Jego dalsze spowolnienie może spowodować zatrzymanie jeszcze większych ilości ciepła w rejonie zwrotnikowym niż obecnie, a to przyczyni się do powstawania coraz potężniejszych huraganów, które siać będą spustoszenie na wyspach północnego Atlantyku oraz wybrzeżach USA. Z kolei Europa, wskutek konwekcji ciepła z oceanu, doświadczać może latem fali upałów oraz długotrwałych susz. Dodatkowym elementem całego zamieszania, wywołanego topniejącymi lodami Grenlandii, stanie się wzrost poziomu oceanu, a wraz z nim – częstsze zalewanie rejonów przybrzeżnych.

Jeśli Golfsztrom wciąż będzie słabnąć, ostatecznie może dojść do zatrzymania całego krwiobiegu Ziemi, a w konsekwencji – do dramatycznych zmian klimatu na naszej planecie. Wskutek braku odprowadzania ciepła na północ i na południe nieuchronnie nastąpi epoka lodowcowa. Choć raczej mało prawdopodobne, że będzie to szybki kilkudziesięciodniowy proces, który często prezentują filmy katastroficzne. Naukowcy są raczej zgodni, że nawet jeśli globalne ocieplenie będzie postępować w obecnym tempie, to nadejście epoki lodowcowej rozciągnie się w czasie, a zauważalne ochłodzenie raczej nie nastąpi przed końcem XXI w.

El Nińo i La Nińa

El Nińo to anomalia, która dowodzi, że zmiany krążenia wód na południowym Pacyfiku mogą wpływać na klimat w innych, często dalszych regionach. Zjawisko niesie ze sobą wszelkie katastrofalne następstwa pogodowe, jakimi są olbrzymie powodzie i susze. El Nińo (hiszp. „chłopiec”, „dzieciątko”) pojawia się wraz z końcem roku, a szczyt osiąga koło Bożego Narodzenia. Z reguły trwa 6–18 miesięcy. Niegdyś występował rzadziej, czyli mniej więcej co 10 lat. Obecnie – wskutek globalnego ocieplenia – przerwy między nim wynoszą od 2 do 7 lat. El Nińo oznacza podwyższoną w stosunku do średniej wieloletniej temperaturę wody w środkowej części Pacyfiku. Powstaje, gdy stale wiejące pasaty istotnie słabną. W efekcie ciepłe wody powierzchniowe u wschodnich wybrzeży Australii i Azji zaczynają się rozlewać po środkowej części Pacyfiku i przemieszczać w kierunku zachodniego wybrzeża Ameryki Południowej. Napływające masy ciepłej wody osłabiają płynący z rejonu Antarktyki zimny Prąd Peruwiański, co wywołuje zahamowanie tzw. upwellingu, czyli wydostawania się zimnych wód głębinowych na powierzchnię.

Zjawiskiem odwrotnym do El Nińo jest La Nińa (hiszp. „dziewczynka”), która trwa kilka miesięcy i cechuje się silniejszym podnoszeniem oceanicznych wód głębinowych oraz ponadprzeciętnie niskimi temperaturami na powierzchni wody u zachodnich wybrzeży Ameryki Południowej. Taka sytuacja jest korzystna zwłaszcza dla rybaków, którzy dokonują tam obfitych połowów ryb. Wędrujące na powierzchnię wody unoszą znaczne ilości substancji mineralnych z dna. Są one znakomitym pożywieniem dla fito- i zooplanktonu, który rozwija się masowo, co ściąga w ten region gustujące w nim ryby. Na Pacyfiku oba zjawiska występują po sobie cyklicznie, lecz wraz z globalnym ociepleniem coraz częściej pojawia się niekorzystne dla gospodarki człowieka El Nińo. Z jego powodu w zwykle wilgotnym klimacie południowo-wschodniej Azji i północnej Australii pojawiają się rekordowo wysokie temperatury powietrza, a więc i ekstremalne susze oraz klęski nieurodzaju. Z kolei w rejonie Andów występują ulewne deszcze. Powodują one katastrofalne powodzie i osuwiska błota, przyczyniające się do niszczenia upraw oraz siedzib ludzkich.

Głód, niedobory wody i choroby to tylko kilka z wielu skutków El Nińo, który, gdy się pojawi, zawsze utrudnia życie wielu milionom ludzi. Ostatnia taka wyniszczająca anomalia wydarzyła się na przełomie lat 2015–2016 i była jedną z najsilniejszych w historii. WHO oszacowała, że wskutek niej w rejonie Indopacyfiku, południowej Afryce oraz Ameryce Łacińskiej ucierpiało aż 60 mln ludzi. Od tamtych wydarzeń w regionie było raczej spokojnie, pojawiła się nawet korzystna La Nińa. Najbliższe El Nińo przewidywane jest na koniec 2018 r. Wobec tego cyklicznego giganta z oceanu ludzkość nadal pozostaje bezsilna. Na szczęście Europa jest poza jego zasięgiem, gdyż nie zaobserwowano wyraźnych zależności pomiędzy tą anomalią pogodową a zjawiskami klimatycznymi w Europie. Dlatego z nadciągającego El Nińo można wieszczyć, że nadchodząca zima w Polsce będzie albo ciepła, albo mroźna.

dr Radosław Żbikowski