1234
Powierzchnia lodów morskich i jej zmiany

Mikrofalowe zdjęcia satelitarne, wykonane w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku, po raz pierwszy umożliwiły określenie wielkości powierzchni pokrytej lodem morskim w obszarach podbiegunowych. Okazało się, że w Arktyce lód morski zajmuje największą powierzchnię w marcu. Wynosi ona wówczas około 15 mln km2. We wrześniu natomiast powierzchnia arktycznych lodów morskich jest najmniejsza; zajmują one wtedy około 9 mln km2 (Rys. 2). Sezonowa zmiana skutej lodem powierzchni Oceanu Lodowatego obejmuje zatem obszar około 6 mln km2 (Parkinson, 1987).

Kliknij, aby zobaczyć powiększenie
Rys.2. Satelitarne zdjęcia mikrofalowe powierzchni globu ziemskiego wokół bieguna północnego. Kolorem czerwonym zaznaczono zasięg lodów morskich w marcu, czerwcu, wrześniu i grudniu 1985 r. (NASA, 1999)

W Antarktyce powierzchnia lodu morskiego także jest największa na przełomie zimy i wiosny, który na półkuli południowej przypada we wrześniu. Wtedy to lód pokrywa około 19 mln km2 wód morskich rozciągających się wokół Antarktydy. Z kolei pod koniec lata, a zatem w lutym, powierzchnia lodów morskich wokół Antarktydy jest najmniejsza i wynosi tylko około 4 mln km2. Różnica powierzchni zajętej przez lód morski w lecie i zimie wynosi więc około 15 mln km2 (Parkinson, 1987).

Różnica wielkości pokrywy lodowej wokół obu biegunów wynika zarówno z przyczyn klimatycznych (obszary wokół bieguna północnego są cieplejsze od obszarów położonych wokół bieguna południowego), jak też z faktu, że Ocean Lodowaty otoczony jest obszarami lądowymi uniemożliwiającymi rozprzestrzenianie się paku lodowego, natomiast wód morskich wokół Antarktydy nic nie ogranicza. Zatem lody morskie mogą rozprzestrzeniać się aż do szerokości geograficznych, na których panują temperatury powodujące ich topnienie. Niemniej jednak niemal zawsze glob ziemski pokryty jest lodem morskim na powierzchni równiej obszarowi Ameryki Północnej.

Ponieważ obecność lodu morskiego ogranicza wymianę ciepła między oceanem i atmosferą, zmniejsza parowanie, jak również wpływa na cyrkulację oceanów, wielkość powierzchni pokrytej lodem i jej zmiany mają istotne znaczenie dla klimatu całej kuli ziemskiej.

Od 1972 r., czyli od wykonania pierwszych mikrofalowych zdjęć satelitarnych, obszary podbiegunowe są niemal bez przerwy obrazowane przez coraz doskonalsze urządzenia montowane na satelitach. Na podstawie ponad 30 letniej obserwacji stwierdzono, że obszar wokół bieguna północnego pokryty lodem morskim stale się kurczy. Określono, że tempo zmniejszania się powierzchni paku lodowego wynosi około 3% na dziesięć lat. W okresie 1972-2002 powierzchnia lodów morskich w Arktyce zmniejszała się o około 300 000 km2 na dekadę. Tak więc co dziesięć lat ubywała powierzchnia paku morskiego o wielkości nieco mniejszej niż powierzchnia Polski. Stale prowadzone obserwacje wskazują, że tempo tego procesu rośnie i w ostatniej dekadzie powierzchnia lodów morskich wokół bieguna północnego zmniejszyła się już o ponad 360 000 km2 (Parkinson i in., 2000). Kurczenie się pokrywy lodowej sprawia, że odbija ona mniej promieniowania. Więcej energii słonecznej jest pochłaniane przez wodę, w efekcie czego następuje dalsze ocieplenie, co z kolei wpływa na postępujące zmniejszanie się pokrywy lodowej.

Niektóre opracowywane obecnie modele prognostyczne zakładają, że jeśli aktualne tempo zaniku lodu morskiego pozostanie na dotychczasowym poziomie, to około 2080 r. Ocean Arktyczny może być wolny od lodów. Na podstawie prowadzonych obserwacji stwierdzono, że już obecnie okres całkowitego pokrycia lodem wód arktycznych jest o 16 dni krótszy niż w 1850 r. (Sturm i in., 2003). Na rysunku 3 przedstawiono średnioroczną powierzchnię paku lodowego na obszarze Arktyki. Określenia wielkości tej powierzchni dokonano na podstawie danych zebranych przez satelity mikrofalowe pracujące zarówno w systemie pasywnym, jak też aktywnym.

Kliknij, aby zobaczyć powiększenie
Rys. 3. Średnia roczna po wierzchnia lodów morskich na półkuli północnej w latach 1979-1996. Linią czerwoną zaznaczono trend procesu kurczenia się powierzchni paku lodowego (Parkinson i in., 1999).

Analizując powyższy rysunek można stwierdzić, że powierzchnia lodów morskich zmniejszyła się z ponad 12 mln km2 pod koniec lat 70. ubiegłego wieku, do nieco ponad 11 mln km2 w 1995 r. Na podstawie linii trendu tego zjawiska można oszacować wielkość średniego rocznego zaniku powierzchni paku lodowego. Zmniejszanie się obszaru pokrytego lodem kształtuje się na poziomie około 34 300 km2 rocznie.

Stwierdzony ponad wszelką wątpliwość fakt zaniku lodów morskich skłania do postawienia pytania, czy jest to zjawisko chwilowe, czy też wiąże się ze zmianami klimatycznymi i czy pozostaje w jakimś związku z działalnością człowieka oraz jego wpływem na klimat.

Wyniki badań osadów morskich i jeziornych, a także rdzeni lodowych wskazują, że przez ostatnie 2,5 mln lat Ziemia przechodziła przez liczne ciepłe i chłodne cykle o różnej okresowości występowania. Naukowcy wiążą te cykle po części z czynnikami astronomicznymi, takimi jak zmiany kształtu orbity Ziemi, która raz jest eliptyczna, innym razem zbliża się do kołowej. Powoduje to zmiany odległości od Słońca, co wiąże się ze zmianami ilości energii słonecznej docierającej do Ziemi. Cykl zmiany kształtu orbity ocenia się na 100 000 lat. Innym czynnikiem astronomicznym, który może wpływać na klimat Ziemi, jest zmiana nachylenia osi ziemskiej w stosunku do płaszczyzny ekliptyki. Na zmiany klimatu może również oddziaływać precesja biegunów (Morell, 2004).

Badania rdzeni lodów Grenlandii, a także lodów Antarktydy dowodzą, że w okresie ostatnich 100 000 lat występowały stosunkowo długie okresy zimna, po których nadchodziły okresy ciepłe. W okresach zimnych były też krótkie fazy gwałtownych ociepleń i oziębień. W ciągu całej ostatniej epoki lodowej, trwającej od 70 000 do 11 500 lat temu, lodowce pokrywały znaczną część Ameryki Północnej, Europy i północnej Azji. 11 500 lat temu rozpoczęło się ocieplenie, które trwa do chwili obecnej. Jeszcze 15 000 lat temu ogromne powierzchnie lodowe zajmowały tereny Ameryki Północnej i Eurazji. Na Antarktydzie zaś lody zajmowały powierzchnię całego szelfu, a zatem wchodziły około 200 km dalej w morze niż obecnie. Po zakończeniu epoki lodowej i ociepleniu się klimatu większość lodów stopniała. Lądolody Grenlandii i Antarktydy są pozostałością tamtego okresu (Andel, 1997). Nie można zatem wykluczyć, że obserwowany obecnie zanik lodu morskiego ma przyczynę całkowicie naturalną, gdyż podobne zjawiska miały już wielokrotnie miejsce w historii globu ziemskiego. Nie można także jednoznacznie określić roli działalności człowieka w przyspieszeniu procesu ocieplenia klimatu i, w konsekwencji, zmniejszania się pokrywy lodowej.

Satelity mikrofalowe umożliwiły określenie wielkości powierzchni pokrytej lodem, jak również jej zmienności sezonowej i trendu zmian wieloletnich. Jednak - mimo coraz większej rozdzielczości przestrzennej zdjęć - nie dostarczyły one informacji umożliwiających wnioskowanie o zmianach grubości lodów pokrywających zarówno Grenlandię, jak i Antarktydę. Ta informacja jest szczególnie istotna. O ile bowiem topnienie lodów morskich nie wpływa znacząco na zmianę poziomu wody w morzach, to topniejący lądolód zwiększa ilość morskiej wody, przyczyniając się do podniesienia jej poziomu. Skutki tego procesu mogą okazać się katastrofalne dla wielu obszarów na kuli ziemskiej.

Z dotychczasowych badań nad zmianami poziomu morza wynika, że w okresie ostatniej epoki lodowej jego powierzchnia znajdowała się około 120 m niżej niż obecnie (Andel, 1997). Obszar lądów stanowił wówczas 37,1% powierzchni globu ziemskiego, podczas gdy dziś wynosi on 29,1%. W czasie ostatniego ocieplenia poziom morza był natomiast wyższy o 6 m w porównaniu ze stanem obecnym.

Do badania zmian poziomu morza również wykorzystuje się dziś metody satelitarne. Specjalnie konstruowane satelity dostarczają wielu informacji dotyczących wód morskich. Wśród nich należy wymienić pierwszego satelitę przeznaczonego do badania mórz i oceanów, a mianowicie Seasata. Satelita ten już w 1978 r. dostarczył danych ukazujących urzeźbienie powierzchni morza, wynikające ze zmiany jego poziomu w różnych miejscach kuli ziemskiej (Shuchman, Kasischke, 1979). Dziś po orbitach krąży wiele satelitów przeznaczonych do badań mórz i oceanów. Wśród nich na szczególną uwagę zasługują amerykańsko-francuski Topex-Posejdon, a także amerykański Jason-1. Od kilku lat dostarczają one danych dotyczących poziomu morza. Źródłem podobnych informacji były również satelity mikrofalowe Europejskiej Agencji Kosmicznej ERS-1i ERS-2. Po zakończeniu ich misji, danych dotyczących poziomu morza dostarcza ich następca - satelita Envisat. Na podstawie pomiarów prowadzonych z satelitów stwierdzono, że obserwowane od wielu lat topnienie lodowców przyczynia się także do wzrostu średniego poziomu morza, wynoszącego około 2 mm rocznie, czyli około 20 mm na dekadę. Warto podkreślić, że o ile w połowie lat 90. ubiegłego wieku wzrost poziomu morza szacowano na 0,13 mm rocznie, o tyle w okresie 1997-2003 wzrost ten wynosił już około 2 mm rocznie (Parkinson i in., 2000). Około 1/4 wzrostu poziomu morza jest wynikiem zwiększania się objętości cieplejszych wód, 25% jest wynikiem topnienia małych lodowców, a 50% jest wynikiem topnienia lodów Arktyki i Antarktydy.

Kliknij, aby zobaczyć powiększenie
Rys. 4. Zmiany średniego poziomu morza (w mm) w okresie 1993-2001; na podstawie danych z satelitów Topex/Posejdon i Jason-1; (NASA/GSFC, CNES, 2001).

Odpowiedzi na pytanie, czy rzeczywiście zmniejsza się masa lądolodów, powinien dostarczyć nowy eksperyment satelitarny podjęty przez NASA - GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment). Jego celem jest pomiar ziemskiego pola grawitacyjnego i jego zmienności w czasie i przestrzeni (NASA, 2003). Rozpoczął się on 17 marca 2002 r., kiedy to na orbitę, przebiegającą na wysokości około 500 km nad powierzchnią Ziemi, został wprowadzony zespół dwóch satelitów. Krążą one po tej samej orbicie w odległości 220 km jeden od drugiego. Każdy satelita jest wyposażony w system pozycjonowania (GPS) - który pozwala na dokładne określenie położenia satelity w przestrzeni - oraz w system pomiaru odległości, pozwalający na określanie odległości między satelitami z dokładnością około 10 mm (0,01 mm, a zatem mniej niż grubość ludzkiego włosa).

Jak wiadomo, grawitacja jest siłą powodującą wzajemne przyciąganie dwóch ciał. Satelity poruszają się po orbicie na skutek oddziaływania grawitacji i gdyby siła ta nie ulegała zmianom, odległość między satelitami pozostałaby stała. Jednak na skutek nierównego rozkładu masy na globie ziemskim, niejednolitości materiału, z którego ten glob jest zbudowany, a nawet tego, że Ziemia nie jest idealną i w dodatku niezmienną kulą, pole grawitacyjne nie jest jednakowe. Dokładne badania wskazują, że to pole ciągle się zmienia, co jest spowodowane m.in. obiegiem wody w przyrodzie.

Załóżmy, że w swym ruchu po orbicie pierwszy z zespołu dwóch satelitów znalazł się nad obszarem globu ziemskiego, w którym grawitacja, na skutek różnych przyczyn, zwiększyła się. Drugi satelita pozostał natomiast nad obszarem o niezmienionej grawitacji. Przyczyną zwiększenia grawitacji może być na przykład wzrost objętości wody podziemnej w wyniku dużych opadów na danym obszarze. W wyniku zwiększenia siły przyciągania pierwszy z satelitów przyspieszy swój ruch po orbicie, co spowoduje zmianę odległości między nimi. Satelitarny system pozycjonowania określi punkt na powierzchni Ziemi, nad którym ruch pierwszego satelity uległ przyspieszeniu. Po chwili nad tym obszarem znajdzie się drugi satelita. Teraz i jego ruch zostanie przyspieszony i dogoni on pierwszego satelitę, a zatem sytuacja powróci do normalnej. Na podstawie wielokrotnych pomiarów odległości między satelitami w różnych obszarach kuli ziemskiej zostanie opracowany model rozkładu pola grawitacyjnego. Im dłuższa będzie seria pomiarowa, tym dokładniejszy stanie się ów model.

1234
powrót na górę strony
Wykład
Zmiany pokrywy lodowej na globie ziemskim
Strona
3/4
Autor
Wydział Geografii i Studiów Regionalnych Uniwersytetu Warszawskiego
Kliknij nazwisko autora, aby zobaczyć notkę biograficzną w serwisie Nauka Polska