Dlaczego na półkuli południowej jest więcej burz?

Półkula południowa jest obszarem, na którym dominują bezkresne obszary Oceanu Południowego. To bardzo burzliwe miejsce z “ryczącymi czterdziestkami” i “wyjącymi pięćdziesiątkami” i kilkunastometrowymi falami. Sztormy są tam silniejsze niż na półkuli północnej. Naukowcy zbadali, dlaczego tak się dzieje. To trochę bardziej skomplikowane. Nie chodzi tu tylko o sam fakt ułożenia kontynentów i wielkości lądów na półkuli południowej. Poza tym, w naszej części świata też może tak kiedyś być.

Dwie półkule – dwa inne światy

Wiatry, które powodują powstawanie choćby 24-metrowych fal wokół Ziemi Ognistej, są zmorą żeglarzy. Zwłaszcza kiedyś, kiedy pokonanie Przylądka Horn przez portugalskich kolonizatorów było wielkim wyzwaniem. W badaniu z grudnia 2022 roku, opublikowanym w Proceedings of the National Academy of Sciences naukowcy wyjaśnili, dlaczego półkula południowa jest bardziej burzliwa od północnej.

Przez wiele lat większość obserwacji pogodowych na Ziemi była prowadzona na lądzie. Dzięki temu wiele mogliśmy się dowiedzieć o tym, co dzieje się na półkuli północnej. W przypadku półkuli południowej, gdzie lądy zajmują jedynie jedną piątą powierzchni, wiedza była mocno ograniczona. Dopiero pod koniec lat 70. XX wieku wysłanie satelitów na orbitę pozwoliło uzyskać wyraźny obraz tamtejszej pogody. Dziś świat dysponuje rozbudowaną wręcz siecią satelitów pozwalających na obserwację całej planety. Jednym z najnowszych osiągnięć w tej dziedzinie jest satelita Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) Sentinel-3A. Satelita ten uruchomiony w lutym 2016 roku ma za zadanie wspierać problem obserwacji klimatu i pogody Copernicus.

Ilustracja: Obserwowana średnia roczna burzliwość wyrażona w megadżulach na metr kwadratowych w latach 1980-2018 dla półkuli południowe (górna mapa) i północnej (dolna mapa). Zwrócić uwagę na to, iż półkula południowa jest odwrócona. Źródło: Shaw i inni (2022).

Od kiedy zaczęto prowadzić regularne obserwacje satelitarne bezludnych miejsc półkuli południowej, wiemy, iż jest ona 24 proc. bardziej burzliwa niż północna. Ilustrują to powyższe mapy. Pokazują one obserwowaną średnią roczną burzliwość, sztormowość półkuli południowej i północnej Z danych tych wiemy, iż ilość, siła sztormów na Oceanie Południowym jest wysoka. Mocny pomarańczowy odcień pokazuje największą intensywność. Na półkuli południowej obszar o największej energii generowanej przez zjawiska cyklonalne rozciąga się na całej długości. Podczas gdy na północnej obszary te są ograniczone.

Różnica energii

Pomimo wielu różnych teorii, nikt nie podał jasnego wyjaśnienia tej różnicy między obiema półkulami. Znalezienie odpowiedzi na pytanie, dlaczego tak się dzieje, może wydawać się trudnym zadaniem. Jak można zrozumieć tak złożony system jak atmosfera, która rozciąga się na tysiące kilometrów? Nie możemy włożyć Ziemi do słoika i ją badać. A przecież właśnie to jest zadaniem naukowców badających fizykę klimatu. Wykorzystujemy prawa fizyki i używamy ich do zrozumienia atmosfery i klimatu Ziemi.

Najbardziej znanym przykładem tego podejścia jest pionierska praca dr Syukuro Manabe, który w 2021 roku otrzymał nagrodę Nobla z fizyki. Manabe został nagrodzony za przełomowy wkład w zrozumienie złożonych systemów fizyki klimatu, w tym właśnie za “wiarygodne przewidywanie globalnego ocieplenia”. Manabe zbadał, jaka jest odpowiedź klimatu na rosnący poziom dwutlenku węgla w atmosferze w modelach o różnej złożoności fizycznej. W latach 60. XX wieku kierował rozwojem fizycznych modeli klimatu Ziemi. Był pierwszą osobą, która zbadała interakcję między bilansem promieniowania a pionowym transportem mas powietrza. Jego praca położyła podwaliny pod rozwój obecnych modeli klimatycznych.

Aby wyjaśnić dlaczego na półkuli południowej jest więcej sztormów, naukowcy musieli wziąć pod uwagę zasady działania fizyki klimatu. Wykorzystują fizyczne modele klimatu. Pierwszym krokiem było zbadanie, jak energia jest rozprowadzana po Ziemi.

Jako, iż Ziemia jest kulą, nie odbiera promieniowania słonecznego równomiernie na całej swojej powierzchni. Większość energii jest odbierana i absorbowana na równiku, gdzie promienie słoneczne padają pod dużym kątem. Inaczej jest w strefach polarnych, gdzie Słońce świeci nisko nad horyzontem. Całe dekady badań wykazały, iż burze czy cyklony czerpią swoją siłę z różnicy energii. W istocie, przekształcają one “statyczną” energię zgromadzoną w tej różnicy w “kinetyczną” energię ruchu. Ta konwersja zachodzi w procesie zwanym “niestabilnością baroklinową”. Baroklinowość jest to niejako stan w atmosferze, gdy gęstość powietrza wyraża funkcja ciśnienia, temperatury powietrza oraz wilgotności.

Co jest przyczyną różnic?

Biorąc to pod uwagę nie można ograniczać się jedynie do ilości promieniowania docierającego do powierzchni Ziemi. Zarówno na półkuli południowej jak i północnej ilość docierających do powierzchni Ziemi promieni słonecznych jest taka sama. Dlatego też należy wyciągnąć wnioski, iż różna siła burz na południu i północy jest związana z dwoma różnymi czynnikami.

Pierwsza sprawa, to transport energii w oceanie, opisywany jako pas transmisyjny. Chodzi tu o cyrkulację termohalinową, zwaną też jako Południkowa Cyrkulacja Wymienna (MOC). W tym pasie transmisyjnym ciepła woda wędrując do Arktyki ochładza się, i staje się przez to gęsta. Opada na dno, a następne wędruje do w stronę Antarktydy. Następnie wznosi się wokół niej płynie z powrotem na północ wzdłuż równika – przynosząc ze sobą energię. Efekt netto jest taki, iż energia jest przesuwana z Antarktydy w kierunku Arktyki. Powoduje to większy kontrast energetyczny pomiędzy równikiem a biegunem południowym niż północnym, co przyczynia się do powstawania silniejszych sztormów na półkuli południowej.

Druga sprawa to obecność dużych pasm górskich na półkuli północnej. Pasma górskie według wczesnych prac Manebe są czynnikiem tłumiącym powstawanie dużych zjawisk cyklonalnych. Przepływ powietrza nad dużymi łańcuchami górskimi powoduje powstawanie stacjonarnych wyżów i niżów, które pozostawiają mniej energii dostępnej dla rozległych zjawisk cyklonalnych.

Jednak sama analiza obserwowanych danych nie może potwierdzić tych przyczyn, ponieważ zbyt wiele czynników działa i oddziałuje jednocześnie. Ponadto nie ma fizycznej możliwości usunięcia poszczególnych przyczyn, aby sprawdzić to dzięki obserwacji. W takiej sytuacji naukowcy musieli wykorzystać modele klimatyczne i moc obliczeniową komputerów, by zbadać, jak zjawiska cyklonalne zmieniają się po usunięciu różnych czynników. Kiedy w symulacjach pasma górskie zostały spłaszczone, różnica w burzliwości między półkulami zmniejszyła się o połowę. Kiedy usunięto cyrkulację termohalinową, druga połowa tej różnicy w natężeniu sztormów zniknęła. W ten sposób odkryto, iż to właśnie układ lądów i cyrkulacja termohalinowa wpływa na intensywność sztormów.

Silniejsza czy słabsza burzliwość?

Jako iż skala burz i sztormów wiąże się z istotnymi skutkami społecznymi, to ważnym pytaniem, na które musimy odpowiedzieć, jest to, czy burzliwość będzie w przyszłości silniejsza, czy słabsza.

Kluczowym narzędziem przygotowania społeczeństwa na skutki zmian klimatycznych jest dostarczanie dobrych prognoz z modeli klimatycznych. Najnowsze badania sugerują, iż do końca stulecia na półkuli południowej będzie więcej sztormów i innych zjawisk cyklonalnych niż dziś. Natomiast na półkuli północnej zmiany mają być umiarkowane. Ma to być przynajmniej częściowo spowodowane konkurującymi ze sobą zjawiskami klimatycznymi obu półkul. Chodzi tu o ocieplenie tropików, które wzmocni sztormy na południu. Z kolei na północy w grę będzie wchodzić ocieplenie Arktyki, które osłabi sztormy.

• Czytaj również: Kolejny rekord w 2020 roku. Nigdy wcześniej na Atlantyku nie było tylu silnych huraganów

Załamanie cyrkulacji termohalinowej i teoria Hansena

Nie znaczy to jednak, iż na półkuli północnej faktycznie kilka się zmieni z powodu zaniku lodu morskiego. jeżeli wierzyć słowom Jamesa Hansena – pionierowi współczesnej klimatologii, to na półkuli północnej też może się wiele zadziać.

Hansen sugeruje możliwość zaniku cyrkulacji termohalinowej, ze szczególnym zaznaczeniem Atlantyckiej Południkowej Cyrkulacji Wymiennej (AMOC). To część owego pasa transmisyjnego, jakim jest cyrkulacja termohalinowa. Do zaniku AMOC ma doprowadzić ogromne topnienie lodu na Grenlandii. Powodem ma być to, iż do północnego Atlantyku dostanie się w dużej ilości zimna i słodka woda. Podobna rzecz będzie się działa na Antarktydzie. Brak cyrkulacji AMOC i obecność zimnej, słodkiej wody między Europą a Grenlandią ma wg. Hansena spowodować powstania niezwykle potężnych cyklonów. Jak podsumowuje to Hansen w swojej wypowiedzi, oznacza to istne piekło na Ziemi (cyt.: All hell will break loose). To jednak na razie odległa przyszłość, na razie.

Zdjęcie: andrejs polivanovs/Shuttertock